Hochwasservorhersage und -information in Niedersachsen

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1 Hochwasservorhersage und -information in Niedersachsen Autor: Dipl.-Ing. Markus Anhalt NLWKN Hannover-Hildesheim Hochwasservorhersagezentrale Stand:

2 1 EINLEITUNG Durch frühzeitige Warnung vor kritischen Hochwasserständen in hochwassergefährdeten Gebieten können Vorsorgemaßnahmen rechtzeitig eingeleitet werden. Die von einem Hochwasser verursachten Schäden können so deutlich verringert werden. Hochwassermeldedienste sind wesentliche Bestandteile der Informationsvorsorge im Kreislauf des Hochwasserrisikomanagements. In Niedersachsen werden Hochwassermeldungen vom Überregionalen Hochwassermeldedienst (ÜHWD) und dem Regionalen Hochwassermeldedienst (RHWD) herausgegeben. In diesen Diensten erfolgten bereits Vorhersagen einer Tendenz über den Verlauf eines Hochwasserereignisses, für einige Gebiete gerade an den größeren Fließgewässern konnte auch der Scheitelwert abgeschätzt werden. Mit neuen Methoden zur Hochwasservorhersage sind heutzutage jedoch genauere Vorhersagen für bis zu 24 Stunden und länger möglich und dies nicht nur für die größeren Flussläufe. Aus diesem Grund und um frühzeitiger und gezielter vor Hochwasser warnen zu können, wurde in Niedersachsen eine Hochwasservorhersagezentrale (HWVZ) im Niedersächsischen Landesbetrieb für Wasserwirtschaft, Küsten- und Naturschutz (NLWKN) eingerichtet und damit ein weiterer wichtiger Baustein für die Hochwasservorsorge geschaffen. Nach einer Aufbauphase und eines erfolgreich absolvierten Testbetriebes konnte die Vorhersagezentrale Ende 2010 für das Aller-Leine-Oker-Einzugsgebiet den operationellen Betrieb aufnehmen. Pünktlich zum Hochwasserereignis im Januar 2011 erfolgte der erste Echtzeit-Einsatz der Hochwasservorhersagezentrale. In 2011 wurde dann ein weiteres Modell für das Flusseinzugsgebiet der Hase aufgebaut, welches Anfang 2012 abgeschlossen wurde und mit dem seit Januar 2012 bereits Vorhersagen im Echtzeitbetrieb gerechnet wurden. Zurzeit laufen die vorbereitenden Arbeiten für ein weiteres Flussgebiet die Hunte, um dann in 2013 auch für dieses Gebiet operationell Hochwasservorhersagen erstellen zu können. 2 Komponenten des Hochwasservorhersagesystems Ein effektives Hochwasservorhersage- und Hochwassermeldesystem besteht aus mehreren aufeinander aufbauenden Komponenten, auf die im Folgenden näher eingegangen wird. Die Komponenten dürfen nicht isoliert betrachtet werden, das Zusammenspiel derer und die Kommunikation aller Beteiligten ist von entscheidender Bedeutung und muss aufeinander abgestimmt sein. 1

3 2.1 Erfassen und Bewerten Um über die Hochwassersituation informieren zu können, ist die Erfassung der Situation in den Einzugsgebieten der erste Schritt. Hierzu zählt insbesondere die Erfassung der Pegelstände in den Gewässern. Die Hochwassermeldepegel sind hierfür entsprechend mit moderner Datenübertragungstechnik ausgestattet. Für die Berechnung von Hochwasservorhersagen mit dem Vorhersagemodell und zur Einschätzung der hydrometeorologischen Situation sind weitere vielfältige Eingangsdaten erforderlich. Zu nennen sind hier neben den gemessenen Wasserständen an den Pegeln, vor allem die Niederschläge und weitere hydrometeorologische Daten wie z.b. Temperatur und Luftfeuchte. Die Hochwasservorhersagezentrale und der Hochwassermeldedienst beziehen die Daten zum einen aus dem Messnetz des NLWKN, aber auch von Dritten (Deutscher Wetterdienst, Harzwasserwerke, Wasser- und Schifffahrtsdirektion). Die Vielzahl benötigter Daten erfordert ein effektives Datenmanagement, um alle erforderlichen Daten ohne zeitliche Verzögerung für die Erstellung der Vorhersagen und die Erstellung von Hochwassermeldungen zu erhalten. Die Messdaten und die Daten der Wetterprognosen werden nach Abruf oder Empfang durch Datenabrufrechner vollautomatisch an einen zentralen Server weitergeleitet und dort in eine zentrale Datenbank importiert. Der NLWKN hat mit dem Betriebsdateninformationssystem BIS (s. Abb. 1) eine landesweite, einheitliche Datenspeicherung für den Echtzeitbetrieb entwickelt. Mit diesem System werden alle Messdaten der Pegel- und Niederschlagsstationen über Datenfernübertragung vollautomatisiert abgerufen und in der Datenbank gespeichert. Auch die Daten Dritter, wie vom Deutschen Wetterdienst (DWD), den Harzwasserwerken (HWW) und der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung (WSV), werden im Betriebsdateninformationssystem automatisch importiert. Weitere nützliche Funktionalitäten des BIS sind zurzeit in der Entwicklung. Darunter fallen zum Beispiel die Erstellung von Hochwassermeldungen, Benachrichtigungsfunktionen oder Leitstandfunktionalität. 2

4 Messdaten NLWKN Pegel GBI/GBIII Grundwasser Güte via ISDN und Handy-Netz Messdaten Dritter Datenbank Echtzeit-Daten vorplausibilisierte Daten Prognose-Daten geprüfte Daten Berichte/Meldungen Hochwassermeldungen Regionale Hochwassermeldungen Berichte Archivierung (revisionssicher) Kommunikation Kundenzugriff über Nutzerprofile Fachanwendungen Hochwasservorhersagemodell Panta-Rhei etc. Fax SMS Voice Leitstand Internet gleiche Datensicht für Entscheider ortsunabhängig (Direktion, BSt., MU, THW) GIS Geodaten Pegelwesen Pegelwesen Grundwasser weitere Gütestationen ÜHWD / RHWD Warndienste Sturmflutwarndienst HWVZ Landesdatenbank Internet Langzeitarchiv (Pegelstände, LHP) Abb. 1.: Betriebsdateninformationssystem BIS des NLWKN Neben der Erfassung und Speicherung der relevanten Daten liegen weitere Schwerpunkte in der Einschätzung der meteorologischen Situation. Zudem müssen die Wasserstandsmessungen kontrolliert und bewertet werden, um Fehleinschätzungen in der Vorhersage zu vermeiden. Hier ist die Vor-Ort-Kenntnis der Pegelbetreiber von großer Wichtigkeit. Die Bewertung der Eingangsdaten und der hydrometeorologischen Situation bildet eine wichtige Komponente, die in die Hochwassermeldung mit einfließt (vgl. 2.3). 2.2 Hochwasservorhersagen Mit Hilfe komplexer mathematischer Hochwasser-Vorhersagemodelle werden in der Hochwasservorhersagezentrale (HWVZ) auf der Basis von gefallenen Niederschlägen und der von Wetterdiensten prognostizierten Niederschläge die Hochwasserstände an Pegeln für die jeweils kommenden Stunden bzw. Tage im Voraus berechnet. Das Hochwasservorhersagemodell hat eine direkte Schnittstelle zur BIS-Datenbank (vgl. 2.1), um einen optimierten Zugriff auf alle erforderlichen Mess- und Wetterprognosedaten zu gewährleisten. 3

5 Die Berechnung der Hochwasservorhersagen erfolgt mit dem hydrologischen Modellsystem Panta Rhei. Panta Rhei wurde als datenbankbasierte Anwendung mit integrierter Benutzeroberfläche konzipiert, um das Spektrum hydrologischer Aufgaben 1.) in der Planung und Ermittlung von Bemessungsereignissen, 2.) als zeitlich und räumlich hochaufgelöstes Wasserhaushaltsmodell für die Klimafolgenforschung und 3.) als Hochwasservorhersagemodell im operationellen Einsatz zu bedienen. In der Hochwasservorhersagezentrale wird das Modell täglich betrieben. Die kontinuierliche Modellanpassung dient zur Nachführung von Modellzustandsgrößen und Speicherinhalten, sodass die aktuelle hydrologische Situation in den Einzugsgebieten mit dem Modell stets erfasst ist. Daraufhin werden mit numerischen Wetterprognosedaten des DWD mehrere Vorhersageberechnungen pro Tag durchgeführt. Abflüsse können für die nächsten 1-2 Tage in den Teileinzugsgebieten vorhergesagt werden. Aussagen über die Wasserstandsentwicklung erfolgen an den Hochwassermeldepegeln und ausgewählten weiteren Pegeln, wobei der mögliche Vorhersagezeitraum an den verschiedenen Pegeln variiert. Gründe hierfür liegen zum einen an der Größe des jeweiligen Einzugsgebietes und den jeweiligen Fließzeiten, aber auch an der zunehmenden Unsicherheit der Wetterprognosen je weiter man in die Zukunft schaut. Die Güte der Abfluss- und Wasserstandsvorhersage hängt im großen Maß von der Güte der Wetterprognosen ab. In Abbildung 2 ist eine Vorhersageberechnung für den 5. Januar 2012 am Pegel Brenneckenbrück im Einzugsgebiet der Aller dargestellt. Als Basis dienten drei verschiedene Modellvorhersagen des Deutschen Wetterdienstes mit 21-stündiger, 48- stündiger und 78-stündiger Vorhersagedauer (DWD-COSMO-DE und DWD-COSMO- EU). Im dargestellten Beispiel zeigt sich ein enges Band im Vorhersagezeitraum zwischen vorhergesagtem Abfluss (braun, grün) und beobachtetem Abfluss (blau). Die Vorhersage liefert hier sehr gute Ergebnisse. In anderen Fällen kann der mögliche Schwankungsbereich aber erheblich größer sein, welches eine Entscheidung für die richtige Vorhersage im Hochwasserfall erschwert. Für die Eingrenzung und Erfassung der Unsicherheiten werden von der Hochwasservorhersagezentrale vorangegangene Ereignisse detailliert im Nachgang untersucht. Durch Sensitivitätsanalysen kann die Schwankungsbreite zukünftiger Vorhersagen besser eingeschätzt werden, wodurch Fehlmeldungen vermieden werden können. 4

6 Abb. 2.: Vorhersageberechnung mit Panta Rhei für den Pegel Brenneckenbrück an der Aller am Aus den mit dem Vorhersagemodell berechneten Abflussvorhersagen wird der zugehörige Wasserstand ermittelt. Durch die dargelegten Unsicherheiten unterscheidet die HWVZ daher zwischen einem relativ verlässlichen Vorhersagezeitraum und einem daran anschließenden Zeitraum, für den eine Abschätzung über das mögliche Abflussgeschehen getroffen wird. Diese Wasserstandsvorhersagen (s. Abb. 3) bilden nun die Grundlage für die Weitergabe an die Hochwasserdienste und die Öffentlichkeit. In Abbildung 3 ist eine solche Wasserstandsvorhersage für den Pegel Brenneckenbrück an der Aller dargestellt. Meldestufe 1 Abb. 3.: Vorhersage des Wasserstandes für den Pegel Brenneckenbrück an der Aller am , Unterteilung in Vorhersage und Abschätzung 5

7 2.3 Hochwasserinformation und -meldung Für die Herausgabe von Hochwassermeldungen wird in Niedersachsen ein Hochwassermeldedienst betrieben. Die Hochwassermeldepegel des Landes verfügen über sogenannte Meldestufen, bei deren Erreichen bzw. Überschreiten Hochwassermeldungen herausgegeben werden. Jeder Pegel hat drei Meldestufen. Bei Überschreiten von Meldestufe 1 (Vorwarnstufe) wird dies vom Regionalen Hochwasserdienst (RHWD) durchgeführt. Für das Einzugsgebiet der Flüsse Weser, Aller und Leine tritt bei einer Überschreitung der Meldestufe 2 (hier kommt es zu größeren Ausuferungen vorwiegend von landwirtschaftlichen Flächen) der Überregionale Hochwassermeldedienst (ÜHWD) zusammen. Er besteht aus Experten der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes, vertreten durch die Wasser- und Schifffahrtsdirektion Mitte Hannover, sowie Experten des Niedersächsischen Landesbetriebes für Wasserwirtschaft, Küstenund Naturschutz. In den Hochwassermeldungen werden mehrmals täglich die aktuellen Wasserstände und gegebenenfalls Angaben für den Verlauf des Hochwassers unter Zuarbeit der Hochwasservorhersagezentrale an verschiedene Institutionen herausgegeben i.d.r. an die Gefahrenabwehrbehörden. Im Einsatzfall können die Informationen der Hochwasserentwicklung auch direkt telefonisch beim ÜHWD angefragt werden. Eine weitere Informationsmöglichkeit über die Wasserstände an den Hochwassermeldepegeln besteht für die Öffentlichkeit in der Internetpräsentation des NLWKN ( Hier werden die aktuellen Wasserstände an den landeseigenen Pegeln dargestellt. Demnächst ist es vorgesehen, für ausgewählte Hochwassermeldepegel die vorhergesagte Hochwasserentwicklung aus der Hochwasservorhersage ebenfalls im genannten Portal darzustellen. Neben den Vorhersagen sollen dann auch im Hochwasserfall Berichte der Hochwasservorhersagezentrale über die aktuelle Hochwasserentwicklungen und Meldungen der Hochwasserwarndienste zum Download bereitgestellt werden. Um sich über aktuelle Hochwassersituationen zu informieren, bietet auch das gemeinsam von den Bundesländern betriebene Hochwasserportal ( einen guten Einstieg. 6

8 3 Zusammenfassung und Ausblick Nachdem für das Einzugsgebiet der Aller, Leine und Oker seit Oktober 2010 operationell Vorhersagen berechnet werden, konnte im Jahr 2011 mit dem Einzugsgebiet der Hase ein weiteres Gebiet in den operationellen Echtzeit-Betrieb aufgenommen werden. Die Abflussvorhersagen ergaben bislang gute Ergebnisse und werden fortlaufend analysiert und geprüft. Eine Ausdehnung auf weitere Gebiete in Niedersachsen ist in Vorbereitung. So erfolgen zurzeit die vorbereitenden Arbeiten für das Flusseinzugsgebiet der Hunte, um für dieses Gebiet ab Ende 2012 Abflussvorhersagen erstellen zu können. Die Hochwassermeldungen werden von den Hochwassermeldediensten des NLWKN (RHWD und ÜHWD) herausgegeben, die Hochwassermeldedienste dienen auch als Ansprechpartner für die Öffentlichkeit. Die von der Hochwasservorhersagezentrale berechneten Vorhersagen und Einschätzungen der hydrometeorologischen Situation werden direkt mit den Hochwassermeldediensten abgestimmt und fließen in die Hochwassermeldung ein. Durch die Einführung der Hochwasservorhersagezentrale wurde in Niedersachsen ein weiterer wichtiger Baustein bei der Hochwasservorsorge und -gefahrenabwehr geschaffen. Somit werden Kommunen und direkt betroffene Bürgerinnen und Bürger künftig noch effektiver über das Hochwassergeschehen informiert. Hierdurch können Maßnahmen rechtzeitiger eingeleitet werden, um Hochwasserschäden zu vermeiden bzw. zu verringern. 7