Ackermann, Dieter

Gönnert, Gabriele

López Zárate, Luis Manuel

Müller, Olaf

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Conference Paper, Published VersionGönnert, Gabriele; Ackermann, Dieter; López Zárate, Luis Manuel; Müller,OlafHochwasserschutz durch intelligente Steuerung inHamburg (Vier- und Marschlande)Dresdner Wasserbauliche MitteilungenZur Verfügung gestellt in Kooperation mit/Provided in Cooperation with:Technische Universität Dresden, Institut für Wasserbau und technischeHydromechanikVerfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/107531Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Gönnert, Gabriele; Ackermann, Dieter; López Zárate, Luis Manuel; Müller, Olaf (2021):Hochwasserschutz durch intelligente Steuerung in Hamburg (Vier- und Marschlande). In:Technische Universität Dresden, Institut für Wasserbau und technische Hydromechanik(Hg.): Wasserbau zwischen Hochwasser und Wassermangel. Dresdner WasserbaulicheMitteilungen 65. Dresden: Technische Universität Dresden, Institut für Wasserbau undtechnische Hydromechanik. S. 43-53.Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use:Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichendenNutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, dieWeiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. Das Verwenden und das Bearbeiten stehen unter der Bedingung derNamensnennung. Im Einzelfall kann eine restriktivere Lizenz gelten; dann gelten abweichend von den obigenNutzungsbedingungen die in der dort genannten Lizenz gewährten Nutzungsrechte.Documents in HENRY are made available under the Creative Commons License CC BY 4.0, if no other license isapplicable. Under CC BY 4.0 commercial use and sharing, remixing, transforming, and building upon the materialof the work is permitted. In some cases a different, more restrictive license may apply; if applicable the terms ofthe restrictive license will be binding.43Technische Universität Dresden – Fakultät Bauingenieurwesen Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik 44. Dresdner Wasserbaukolloquium 2021 „Wasserbau zwischen Hochwasser und Wassermangel“   B3 B2 B5a B4 B6a B5b B7a B6b B7b BI Hochwasserschutz durch intelligen-te Steuerung in Hamburg (Vier- und Marschlande) Gabriele Gönnert Dieter Ackermann Luis Manuel López Zárate Olaf Müller Hamburg liegt an der Elbe und ist tidebeeinflusst. Dementsprechend ist die Entwässerung abhängig von den Tidewasserständen. Insbe-sondere vor dem Hintergrund der zunehmenden Starkregenereignis-se sind intelligente Managementsysteme zur Überflutungsvorsorge wichtig. Vorgestellt werden ein Hochwasservorhersagekonzept und eine intelligente Steuerung eines Deichsiels zur optimierten Speicher-raumbewirtschaftung in den Vier- und Marschlanden im Südosten von Hamburg. Ziel ist, durch eine operationelle Kombination des Vorhersagekonzep-tes mit der optimierten Steuerung des Deichsieles die Hochwasserge-fährdung zu entschärfen. Stichworte: Tideabhängige Binnenentwässerung, Hochwasser-vorhersage, Hochwassermanagement, hydrodyna-misch-numerischen Modellrechnung 1 Einleitung/Problemstellung Die Binnenentwässerung tiefliegender Marschengebiete ist in hohem Maße abhängig von dem Tideverlauf ihrer Vorfluter. Vielerorts entwässern größe-re, höher gelegene Einzugsgebiete in diese Bereiche und führen ihnen Hochwasserabflüsse zu. Diese lassen sich meist gut über einen längeren Zeitraum vorhersagen. Das gleiche gilt für den Verlauf der Tide. Durch die operationelle Nutzung von Vorhersage- und Messdaten kombi-niert mit einer optimierten Steuerung von Entwässerungsbauwerken kann die Hochwassergefährdung verringert werden. 44Hochwasserschutz durch intelligente Steuerung in Hamburg (Vier- und Marschlande)  Dies wird im Folgenden anhand der Region der Vier- und Marschlande im Südosten Hamburgs dargestellt. 2 Das Untersuchungsgebiet Die Vier- und Marschlande im Südosten Hamburgs stellen mit 160 km² den Hamburger Teil des gesamten Einzugsgebiets der Dove-Elbe (rund 507 km²) dar. Die Besonderheit des Gebietes ist die Abhängigkeit der Entwässerung von den Tidewasserständen der Elbe (Abb. 1). Die Binnenentwässerung des Gebietes erfolgt derzeit einzig über das Deichsiel Tatenberg am Unterlauf der Dove-Elbe. Ist dies aufgrund von hohen Außenwasserständen nicht möglich, kommt es zum Rückstau in die tiefliegenden Flächen der Region. Vor diesem Hintergrund werden derzeit mehrere kleinere Schöpfwerke im östlichen Bereich der Vier- und Marsch-lande geplant. In Abb.2 sind neben dem Gebiet die Bereiche der Vier- und Marschlande dargestellt, die ohne den Schutz durch Deiche bei mittlerem Tidehochwas-ser (MThw) zweimal täglich überflutet wären. Mit der Bille aus Schleswig-Holstein erfolgt ein erheblicher Zufluss in das Gebiet. Kommt es aufgrund von Sturmfluten und hohen Niederschlägen gleichzeitig binnen- und außendeichs zu hohen Wasserständen, besteht eine erhebliche Hochwassergefahr für die tiefliegenden Gebiete. Dies tritt insbesondere dann auf, wenn durch ein hohes Tideniedrigwasser (Tnw) gar keine Binnenentwässerung möglich ist (sog. Sperrtide).  Abbildung 1: Darstellung der tideabhängigen Binnenentwässerung der Vier- und Marschlande Im Hochwasserfallfall wird ein komplexes System von Schöpfwerken, Sperr-toren und Stauanlagen zur Zwischenspeicherung und Abführung des Was-sers betrieben. Dabei stellt der Wasserstand in der unteren Dove-Elbe, der 45   Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft 6544. Dresdner Wasserbaukolloquium 2021 - „Wasserbau zwischen Hochwasser und Wassermangel“ B3 B2 B5a B4 B6a B5b B7a B6b B7b BI durch den Betrieb des Deichsieles auf NHN + 90 cm gehalten wird, die wichtigste Randbedingung dar. Überschreitet dieser die Höhe von NHN + 140 cm, kommt es zu Überschwemmungen und Rückstau in besiedelte Gebiete. Am Pegel Allermöher Deich erfolgt eine kontinuierliche Aufzeich-nung der Wasserstände der Dove-Elbe.  Abbildung 2: Vier- und Marschlande mit EZG Obere Bille/Dove-Elbe (schraffiert), Flächen unterhalb MThw, gewässerkundlichen Pegeln und Deichsiel Tatenberg. 46Hochwasserschutz durch intelligente Steuerung in Hamburg (Vier- und Marschlande)  3 Methodisches Vorgehen 3.1 Vorhersagebasiertes Hochwassermanagement Zur Optimierung des Hochwassermanagements wird auf ein Ergebnis des BMBF-Projektes StucK (LSBG, 2020 a), die verbesserte Vorhersage des Warn-dienstes Binnenhochwasser Hamburg (WaBiHa), zurückgegriffen. Dieses bildet die Basis für ein vorausschauendes Hochwassermanagement. Hierbei ist das Ziel, zeitlich früher das Hochwasser zu managen, z.B. durch Vorabsen-kung. Abb. 3 zeigt dieses Konzept, welches auf der Erfassung und Auswer-tung kontinuierlich verfügbarer Daten von Tidewasserständen durch das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie und Niederschlägen sowie deren Vorhersagen im Warndienst Binnenhochwasser beruht.  Abbildung 3: Vorhersagekonzept für das Hochwassermanagement in den Vier- und Marschlanden Den Mess- und Vorhersagedaten werden Schwellenwerte zugeordnet. Tabelle 1: Meldestufen und daraus resultierende Maßnahmen Meldestufe Maßnahme Untere Meldestufe Vorwarnung Mittlere Meldestufe Erhöhte Bereitschaft Hohe Meldestufe Durchführung von Maßnahmen in Abhängigkeit vom Vorhersagezeitraum (z.B. Vorabsen-kung) 47   LSBG, 2020 a  Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft 6544. Dresdner Wasserbaukolloquium 2021 - „Wasserbau zwischen Hochwasser und Wassermangel“ B3 B2 B5a B4 B6a B5b B7a B6b B7b BI Aus deren Kombination werden Meldestufen abgeleitet, die Aktionen aus-lösen (Tab. 1). Durch die der verbesserten Vorhersage aus dem Warndienst Binnenhoch-wasser mit einem Vorhersagezeitraum von bis zu sechs Tagen können hochwasserauslösende Niederschlagsereignisse und Tidewasserstände frühzeitig identifiziert werden (LSBG, 2020 b). Dieses Konzept ermöglicht es, nicht erst bei Überschreiten von kritischen Wasserständen das Hochwassermanagement zu aktivieren, sondern be-reits bei vorliegenden Hinweisen aus den Vorhersagen aktiv zu werden. Zur Optimierung des Managements wird die Vorhersage über Nieder-schlagsdaten zur Abflussvorhersage entwickelt. Dieses wird derzeit durch die Erweiterung eines Niederschlag-Abfluss-Modells zu einem operationel-len Modell umgesetzt. 3.2 Optimierung der Binnenentwässerung Dem Deichsiel Tatenberg kommt die zentrale Rolle bei der Binnenentwäs-serung der Vier- und Marschlande zu. Infolgedessen wird untersucht, ob sich der Betrieb des Deichsiels optimieren lässt. Ziel ist dabei, die Durch-flussmengen zu erhöhen und die Entwässerungszeiten zu verlängern. Zur Optimierung der Binnenentwässerung werden Modellrechnungen mit dem hydrodynamisch-numerischen Modell Delft3D Flexible Mesh durchge-führt. Das Modell kann zwei- und dreidimensionale instationäre Strömun-gen und Stofftransporte simulieren Deltares (2019). Durch Anwendung von Real-Time-Controlling-Tools (RTC) wird die Steuerung von fünf wasserwirt-schaftlichen Anlagen detailliert abgebildet. 4 Ergebnisse 4.1 Praxisanwendung des Managementkonzeptes  Das entwickelte Konzept wurde anhand des Hochwasserereignisses am 05.01.2018 auf seine Eignung für die praktische Anwendung überprüft. Abb. 4 zeigt die Ganglinien der Pegel während des Hochwasserereignisses und die Zeitpunkte, zu denen Schwellenwerte überschritten wurden. Am Morgen des 01.01.2018 erreicht die Abflussvorhersage für den Pegel Rein-bek den ersten Schwellenwert und löst die untere Meldestufe aus. Am A-bend des 01.01.2018 erfolgt die Vorhersage eines stark erhöhten Tidenied-48Hochwasserschutz durch intelligente Steuerung in Hamburg (Vier- und Marschlande)  rigwassers, was die mittlere Meldestufe erzeugt. Am Morgen des 02.01.2018 überschreitet die Niederschlagsvorhersage erneut den unteren Schwellenwert und setzt zwischenzeitlich die Meldestufe auf „Hoch“. In der Nacht vom 02. zum 03.01.2018 werden der zweite und drei Stunden später der dritte Schwellenwert der Niederschlagsvorhersage erreicht. Zu dieser Zeit wird auch die Rufbereitschaft des Bezirksamtes Bergedorf aktiviert. Im weiteren Verlauf verschärft sich die Hochwassersituation, es kommt zu sehr hohen Abflüssen am Pegel Reinbek, die über das Deichsiel Tatenberg nicht hinreichend abgeführt werden können. Somit steigt auch der Wasserstand in der Unteren Dove-Elbe weiter an. Erst die Umstellung des Betriebes des Deichsieles auf manuelle Steuerung am 05.01.2018 führt zu einer deutli-chen Absenkung des Wasserstandes.  Abbildung 4: Überprüfung des Hochwassermanagements in den Vier- und Marsch-landen anhand des Hochwasserereignisses Januar 2018 Die durchgeführte Überprüfung zeigt, dass eine sinnvolle Kombination von Messungen und Vorhersagen ein frühzeitiges Erkennen von möglichen Hochwasserereignissen ermöglicht. Schon ab dem 01.01.2018 wäre ein präventives Hochwassermanagement möglich gewesen. 4.2 Optimierung der Binnenentwässerung Die mit dem Modell berechneten Steuerungsvarianten für das Deichsiel Tatenberg optimieren die Binnenentwässerung maßgeblich. Die ermittelte 49   Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft 6544. Dresdner Wasserbaukolloquium 2021 - „Wasserbau zwischen Hochwasser und Wassermangel“ B3 B2 B5a B4 B6a B5b B7a B6b B7b BI Vorzugsvariante bildet die Grundlage zur Erweiterung der Bedienungsvor-schrift im Hochwasserfall und enthält folgende Anweisungen:  Vorabsenkung um 20 cm gegenüber dem Betriebswasserstand auf einen Wasserstand von NHN +70 cm bei Vorhersage eines Hoch-wassers der Bille von HQ1 und höher am Pegel Reinbek  Entwässerung durch 3 Sieldurchlässe gegenüber 2 Sieldurchlässen im Normalbetrieb ab einem Binnenwasserstand von NHN + 110 cm  Verlängerung der Entwässerungszeit durch Erhöhung der zulässi-gen Differenz zwischen Binnen- und Außenwasserstand von 1,60 m auf 1,90 m. Diese Maßnahmen können ohne bauliche Veränderungen am Deichsiel Tatenberg umgesetzt werden und gefährden nicht die Bauwerkssicherheit, da selbst mit der Erhöhung der zulässigen Differenz zwischen Binnen- und Außenwasserstand die maximal zulässige Fließgeschwindigkeit von 2,5 m / s nicht überschritten wird. Im Normalfall werden bei einer Entwässerungsphase 420.000 m³ Wasser durch das Deichsiel abgeführt. Durch die Entwässerung über 3 Sieldurch-lässe ab einem Wasserstand von NHN + 110 cm erhöht sich die abgeführte Wassermenge um 210.000 m³, die Erhöhung der zulässigen Wasserstands-differenz mit daraus resultierender verlängerter Entwässerungsdauer er-höht den Abfluss um weitere 140.000 m³, Somit erhöht sich der Gesamtab-fluss auf etwa 770.000 m³, was einer Erhöhung um etwa 54 % entspricht. Durch die Implementierung der oben genannten Maßnahmen ergibt sich beispielhaft im Fall eines HQ5 und einer Sperrtide eine Absenkung des ma-ximalen Wasserstands am Pegel Allermöher Deich um ca. 15 cm (siehe Abbildung 5). Zudem ermöglicht die erhöhte Leistung des Deichsieles eine schnelle Wasserspiegelabsenkung nach der Sperrtide; d.h. die Dauer des Hochwasserereignisses wird verringert. Im Falle eines HQ5 ohne Sperrtide würde mit der Implementierung der Maßnahmen am Pegel Allermöher Deich eine maximale Wasserspiegelab-senkung von bis zu 50 cm erreicht.  50Hochwasserschutz durch intelligente Steuerung in Hamburg (Vier- und Marschlande)   Abbildung 5: Vergleich der Wasserstandsganglinien eines HQ5 mit Sperrtide  im Ist-Zustand und bei Anwendung der Vorzugsvariante (Datum exempla-risch) 5 Operationelle Kombination von Hochwasservorhersage und optimierter Steuerung des Deichsieles Tatenberg Zur Operationalisierung des vorhersagebasierten Hochwassermanage-ments wird die SoftWare FEWS (Flood Early Warning System) angewendet Deltares (2020). Abb. 6 gibt einen schematischen Überblick über das opera-tionelle Hochwassermanagement. Über FEWS werden die Eingangsdaten von den Datenquellen (Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie, Deutscher Wetterdienst, Landesamt für Landwirtschaft, Umwelt und ländli-che Räume Schleswig-Holstein, Behörde für Umwelt, Klima, Energie und Agrarwirtschaft Hamburg) abgerufen, aufbereitet und dem Niederschlag-Abfluss-Modell übergeben. Dieses berechnet eine Abflussvorhersage, wel-che wiederum über FEWS ausgewertet wird und bei Überschreiten von Meldestufen (HQ1 am Pegel Reinbek) ein Signal auslöst, welches zur An-wendung der erweiterten Bedienungsvorschrift am Deichsiel Tatenberg führt. 51   F E W SDeltares (2020). Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft 6544. Dresdner Wasserbaukolloquium 2021 - „Wasserbau zwischen Hochwasser und Wassermangel“ B3 B2 B5a B4 B6a B5b B7a B6b B7b BI  Abbildung 6: Operationelle Hochwasservorhersage und Hochwassermanagement für die Vier- und Marschlande 6 Schlussfolgerungen und Ausblick Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass sich durch die Optimierung der Vorhersage des Warndienstes Binnenhochwasser mithilfe der Nutzung von Mess- und Vorhersagedaten das Hochwassermanagement in den Vier- und Marschlanden verbessern lässt. Im zweiten Schritt wird die Steuerung des Siels zur Umsetzung des Plans optimiert. Mit dem Instrument FEWS werden die Daten wesentlich besser nutzbar gemacht und können als Grundlage für die Steuerung des Deichsieles Ta-tenberg im Hochwasserfall dienen. Die Maßnahmen zeigen sich als wirk-sam und sollen in eine Erweiterung der Bedienungsvorschrift für das Deichsiel Tatenberg im Hochwasserfall festgeschrieben werden. Darüber hinaus soll die operationelle Abflussvorhersage in den Warndienst Binnen-hochwasser Hamburg integriert werden. Die durch die Modellrechnungen optimierte Steuerung stellt eine wesentliche Verbesserung für den Binnen-52Hochwasserschutz durch intelligente Steuerung in Hamburg (Vier- und Marschlande)  hochwasserschutz der Vier- und Marschlande dar. Die Maßnahme soll nach ihrer Umsetzung im Rahmen des EU-Projektes RECONECT (LSBG, 2018) im Jahr 2021 bis Ende 2024 durch ein Monitoring hinsichtlich ihrer Wirkung geprüft werden. Die positive Wirkung auf die Binnenentwässerung führt in den östlichen Bereichen der Vier- und Marschlande nicht zu einer ausreichenden Entlas-tung im Hochwasserfall. Die geplanten Schöpfwerke werden hier durch die optimierte Steuerung ergänzt. 7 Literatur Deltares (2019): D-flow Flexible Mesh, Manual, http://content.oss.deltares.nl/delft3d/manuals/D-Flow_FM_User_Manual.pdf (2019) Deltares (2020): FEWS https://publicwiki.deltares.nl/display/FEWSDOC/Using+Delft-FEWS+-+User+Guide (2020) LSBG (2018) EU-Project RECONECT, Description of case Demonstrator Type A http://www.reconect.eu/network-of-cases/elbe-estuary LSBG (2020a): BMBF-Projekt StucK, Abschlussbericht 2015-2019 https://www.stuck-hh.de/fileadmin/user_upload/ StucK_Abschlussbericht_2015-2019.pdf LSBG (2020b): Binnenhochwasserschutz unter Berücksichtigung von Ökologie und Ökonomie. Berichte des Landesbetriebes Straßen, Brücken und Gewässer Nr. 17/2020, Hamburg (2020)                 53 LSBG, 2018 Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft 6544. Dresdner Wasserbaukolloquium 2021 - „Wasserbau zwischen Hochwasser und Wassermangel“ B3 B2 B5a B4 B6a B5b B7a B6b B7b BI Autoren:   Prof. Dr. Gabriele Gönnert   Freie und Hansestadt Hamburg Landesbetrieb Straßen, Brücken  und Gewässer (LSBG) Gewässer- und Hochwasserschutz Sachsenfeld 3-5 20097 Hamburg  Tel.: +49 40 42826 2510 Fax: +49 40 4279-49645 E-Mail:         gabriele.goennert@lsbg.hamburg.de Dieter Ackermann Luis Manuel López Zárate Dr. Olaf Müller  

Hochwasserschutz durch intelligente Steuerung in Hamburg (Vier- und Marschlande)

http://henry.baw.de/bitstream/20.500.11970/107531/1/06_Hochwasserschutz_Steuerung_G%c3%b6nnert_.pdf

Hochwasserschutz durch intelligente Steuerung in Hamburg (Vier- und Marschlande)

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