Starkregenstudie Oranienburg

Überflutungsanalyse für grundwasserbeeinflusste Böden mit hoher Wasserdurchlässigkeit und flaches Gelände

Die Überschwemmung der André-Pican-Straße am 29. 06. 2017 im Foto entspricht den Modellergebnissen (s. auch gelbe Markierung in der Starkregengefahrenkarte unten). (Foto-Quelle: moz/Heike Weißapfel)

Um die Gefährdung durch Starkregen auf dem Gebiet der nördlich von Berlin gelegenen Stadt besser einschätzen zu können und gezielte Vorsorgemaßnahmen zu treffen, erhielt Hydrotec den Auftrag für die Starkregenstudie Oranienburg – eine Simulationsstudie mit HYDRO_AS-2D und die Erarbeitung von Starkregengefahrenkarten für das Stadtgebiet.

In Oranienburg und den umliegenden Gemeinden kam es im Juni 2017 nach einem Starkregen zu großflächigen Überflutungen. Viele Anwohner waren von Überschwemmungen betroffen, aber auch wichtige Infrastrukturen wie Bahnunterführungen, eine Kindertagesstätte, eine Feuerwache und der Serverraum des Landratsamts standen unter Wasser. Auch eine Kläranlage geriet an ihre Kapazitätsgrenzen.

Herausforderungen für die Modellierung

Bei der Modellierung waren zum einen die geringen Grundwasserflurabstände in der Havelniederung und zum anderen die hohe Wasserdurchlässigkeit der Böden im gesamten Stadtgebiet zu berücksichtigen. Die geomorphologischen Besonderheiten der Stadt spielten dabei eine entscheidende Rolle. Denn bei Starkregen ist aufgrund der geringen Reliefenergie in der Havelniederung weder mit Sturzfluten noch mit erhöhten Zuflüssen der größeren Fließgewässer aus den Außengebieten zu rechnen.

Zu Überflutungen kommt es dort vor allem, wenn nach länger anhaltenden Niederschlägen die Infiltrationskapazität der grundwasserbeeinflussten Böden überschritten ist. Auf den grundwasserunbeeinflussten Hochflächen im Stadtgebiet kommt es aufgrund der hohen Infiltrationsraten hingegen nur bei Starkniederschlagereignissen mit sehr hohen Niederschlagsintensitäten zu Überflutungen. Diese Verhältnisse konnte das hydronumerische Modell sehr gut abbilden.

Voruntersuchung mit GIS-Analysen

GIS-Analysen geben Hinweise auf die Starkregengefährdung und dienen zur Parametrisierung des hydronumerischen Modells.

Einen Eindruck von den Gebietseigenschaften und potenziellen Gefahrenpunkten eines Untersuchungsgebiets vermitteln topographische Analysen auf Basis des digitalen Geländemodells. Dabei werden die Reliefenergie (Höhenunterschiede und Hangneigung), Geländetiefpunkte (Senken, Mulden) und Fließwege berechnet und dargestellt. Mit einer Fließweg- und Senkenanalyse können jedoch keine Wassertiefen und Fließgeschwindigkeiten ermittelt werden, sodass sie das 2D-hydraulische Berechnungsverfahren nicht ersetzen.

Die Stadt Oranienburg liegt in einer Niederung zwischen den eiszeitlich gebildeten Hochflächen Barnim und Glien, welche größtenteils aus flachwelligen Grundmoränenflächen bestehen.

Auf dem Gebiet der Stadt Oranienburg konnten insgesamt etwa 4.100 potenzielle Senken mit einer Fläche > 1.000 m² und mit einem Gesamtvolumen von über 21,0 Mio. m³ ausgemacht werden. Ein Großteil besitzt nur eine sehr geringe Tiefe von unter 1 m.

Bei der Fließweganalyse zeigen sich erwartungsgemäß viele kleine Fließwege, die sich ohne eine größere Schwerpunktbildung auf dem Einzugsgebiet verteilen.

Berücksichtigung von Bodenarten und Grundwasserständen

Die dominierenden Bodenarten des Oberbodens in Oranienburg sind Reinsande und Niedermoortorfe. Sandböden besitzen eine geringe Wasserspeicher-kapazität und eine hohe Infiltrationsrate. Im Unter-suchungsgebiet dominieren entsprechend Böden mit einer sehr hohen gesättigten hydraulischen Leitfähig¬keit zwischen etwa 40 mm/h bis über 125 mm/h.

Die Analyse der Grundwasserflurabstände und Bodenwasserverhältnisse zeigte, dass Böden verbreitet ei¬nen mittleren bis hohen Grundwassereinfluss auf¬weisen. Auch bebaute Bereiche sind davon betroffen. Wenn dort der Oberboden nach längerer Regendauer bereits vollständig mit Wasser gesättigt ist, kommt es trotz der hohen Leitfähigkeit des Bodens zu einem Einstau der Flächen und zu Überflutungen.

Modellierung in HYDRO_AS-2D

Für die 2D-Modellierung wurden vier Niederschlagsszenarien betrachtet: Ein 20-jährliches, ein 50-jährliches, ein 100-jährliches und ein extremes, ca. 1.000-jährliches Regenereignis. Die Bemessungsniederschläge wurden aus den Starkniederschlagshöhen KOSTRA-DWD 2010R abgeleitet.

Das 2D-Modell wurde mit Effektivniederschlägen belastet, die in Abhängigkeit der hydraulischen Eigenschaften des Bodens sowie der Interzeptionskapazität der Landschaft ermittelt wurden.

Um die komplexen bodenhydrologischen Verhältnisse möglichst realitätsnah abzubilden, wurden an den entsprechenden Knoten im Modell Senkenterme für die Infiltration, in Form der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit, definiert. Diese wird je nach Bodenart, Bodenvernässungsverhältnis, Grundwasserflurabstand und Art der Flächennutzung abgemindert.

HYDRO_AS-2D berechnet hydronumerisch instationär die daraus resultierenden Oberflächenabflüsse mit Fließgeschwindigkeiten, Fließrichtungen und Wassertiefen. Mit den beschriebenen Modellparametern ließen sich die für das Gebiet charakteristischen großflächigen Einstauungen in den Senken und die geringen Fließgeschwindigkeiten sehr gut abbilden.

Validierung der Modellergebnisse

Der Vergleich der Modellergebnisse mit Fotos der Überflutungen im Juni 2017 zeigt eine hohe Übereinstimmung zwischen Modell und Realität. Auch die kommunalen Vertreter der Stadt Oranienburg sowie der Feuerwehr sahen die neuralgischen Punkte aus dem Jahr 2017 durch die 2D-Starkregensimulation bestätigt.

Ausschnitt der Starkregengefahrenkarte für die Stadt Oranienburg

Starkregengefährdungskarte

Die Starkregengefahrenkarten spiegeln das Bild der flächigen Überflutungsgefährdung wider, das sich großräumig vor allem an den Bodenvernässungsverhältnissen orientiert. Demnach sind es vor allem Starkniederschlagsereignisse mit langen Dauerstufen und großen Niederschlagsmengen, die in Oranienburg zu Überflutungen führen. Kurze Starkniederschlagsereignisse mit einer hohen Niederschlagsintensität und geringen Niederschlagsmengen spielen eine untergeordnete Rolle.

Zusätzlich zu den Karten wurde eine Übersicht der maßgeblichen Gefahrenbereiche im Stadtgebiet von Oranienburg zusammengestellt.

Detaillierte Modelle als Basis für ein kommunales Handlungskonzept

In einem zusätzlichen Projektschritt erstellen wir für die gefährdeten Ortslagen detaillierte 2D-Modelle im 1 x 1 m Raster (Feinmodellierung). In diesem Rahmen wird auch das Niederschlagsereignis von Juni 2017 mit ca. 250 mm Niederschlag in zehn Stunden mit HYDRO_AS-2D simuliert.

Die Ergebnisse dieser 2D-Feinmodelle ermöglichen eine detaillierte Risiko- und Schadenspotenzialanalyse und dienen als Grundlage zur Entwicklung von geeigneten Überflutungsschutzmaßnahmen, der Erstellung eines kommunalen Handlungskonzeptes und der vorbereitenden Bauleitplanung.

Tobias Bothe, M.Sc. Geogr. , Dr.-Ing. Oliver Buchholz