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Wenn Starkregen zum Hochwasser wird – Hydrologieforschungsgruppe untersucht Gefährdung von Städten durch Flash Floods

Neckargmünd unter Wasser
Prof. Dr. Axel Bronstert im Interview. Das Foto ist von Tobias Hopfgarten.
Photo : AdobeStock/Jens Hertel
Neckargmünd unter Wasser
Photo : Tobias Hopfgarten
Prof. Dr. Axel Bronstert ist Professor für Hydrologie und Klimatologie an der Universität Potsdam.

Im Juli 2021 kam es zu verheerenden Überflutungen durch Starkregen in Rheinland-Pfalz und Nordrhein-Westfalen, teilweise auch in Sachsen und Bayern mit mehr als 180 Todesopfern und immensen wirtschaftlichen Schäden. Ein solch extremes Hochwasserereignis ist äußerst selten, aber im Bereich des Möglichen, sagen die Forscher der Arbeitsgruppe Hydrologie und Klimatologie um Prof. Dr. Axel Bronstert. Auch große Städte wie Berlinsind grundsätzlich gefährdet.

Der Begriff „Flash Flood“ bezeichnet eine schnelle, quasi blitzartige, gewitterinduzierte Überflutung. Je stärker das Gewitter und je höher die Niederschlagsintensität, also die Menge an Regen pro Zeit, desto weniger Wasser kann der Boden anteilsmäßig aufnehmen. Die Ursache für solch ein pluviales – durch Starkregen verursachtes – Hochwasser sind lokale, konvektive Niederschlagszellen, meist mit einem Durchmesser von zehn Kilometern oder weniger. „Aus diesen Zellen kommt sehr schnell sehr viel Wasser herunter, und wenn die Oberfläche das nicht mehr aufnehmen kann, gibt es eine Überschwemmung“, erklärt der Hydrologe Axel Bronstert. Extremereignisse dieser Art können überall passieren, ihre Auswirkungen sind aber in besiedelten Gebieten, besonders in Städten, natürlich dramatisch. So verursachten schwere Regenfälle in der italienischen Region Ligurien am 4. Oktober 2021 Überschwemmungen und Erdrutsche. Betroffen waren Städte an der Küste und im Landesinneren, in denen Flüsse über die Ufer traten. Rund um das Mittelmeer gibt es solche Ereignisse mit mehr als 100 Litern pro Quadratmeter in wenigen Stunden relativ häufig. Ein anderes Beispiel: Im Juli 2014 hatten heftige Unwetter mit unvorstellbaren Regenmengen von 292 Litern pro Quadratmeter in nur sieben Stunden Münster überflutet. Derart viel Regen in so kurzer Zeit war in Deutschland noch nie zuvor gemessen worden. Diese durch Niederschlag verursachten Überflutungen wurden in der Vergangenheit allerdings nicht immer dokumentiert.

Eine Hochwassergefährdungskarte für Berlin

Wodurch pluviale Hochwasser ausgelöst werden und wie man die Gefährdung von bewohnten Gebieten vorhersagen kann, dazu forschen der Hydrologe Dr. Georgy Ayzel und der Doktorand Omar Seleem sowie PD Dr. Maik Heistermann im Team von Axel Bronstert. In seiner Doktorarbeit hat Georgy Ayzel Modelle für die kurzfristige Niederschlagsvorhersage – ein bis drei Stunden – entwickelt. „Das Modell Rainymotion liefert dabei Vorhersagen, die mit denen des Deutschen Wetterdienstes vergleichbar sind. Bei dem Modell RainNet handelt es sich um ein neuronales Netzwerk für die radargestützte Niederschlagsvorhersage“, erklärt er. Alle Modelle wurden in einem transparenten und reproduzierbaren Ansatz konsequent mit freier Software umgesetzt. Damit demonstriert Georgy Ayzel auch die Vorteile von Open-Source-Anwendungen auf diesem Gebiet. In seinem aktuellen Forschungsprojekt untersucht er, wie konvektive Niederschlagsereignisse ablaufen müssen, um schwere Überschwemmungen in Stadtgebieten zu verursachen. Er geht dafür der Frage nach, wie sich Häufigkeit und Ausmaß von Niederschlagsextremen in der Vergangenheit verändert haben oder in der Zukunft aufgrund der globalen Erwärmung verändern könnten.

Omar Seleem bearbeitet seit 2019 als DAAD-Stipendiat im Rahmen des Graduate School Scholarship Programme ein Projekt zur Vorhersage urbaner pluvialer Hochwasser, das auf der Analyse von Radarbilddaten und hydrologischen Modellierungen basiert. Seine Doktorarbeit umfasst mehrere Teilaspekte, unter anderem eine Fallstudie, mit der die gefährdeten Areale in Berlin identifiziert werden sollen, denn das Stadtgebiet ist nicht völlig flach. Eine solche Gefährdungskarte für durch Regen verursachtes Hochwasser gibt es für Berlin noch nicht. „Dabei arbeiten wir mit dem Senat und den Berliner Wasserbetrieben zusammen“, sagt Omar Seleem. Einen Schwerpunkt bildet der Bezirk Tempelhof-Schöneberg. „Die Menschen dort wissen nicht, dass sie zum Teil in einer Senke leben und deswegen gefährdet sind“, ergänzt er. Bisher ist kaum etwas passiert. „Aber das war Glück“, sagt Axel Bronstert, „auch hier sind grundsätzlich potenziell Menschenleben in Gefahr.“

Niederschlagsvorhersage mit Big Data, Statistik und Neuronalen Netzwerken

Was wo droht, wollen Bronstert und sein Team nun klären. Was passiert bei 100 bis 150 Litern Niederschlag pro Quadratmeter und Stunde? Wo sammelt sich das Wasser? Wie hoch steht dann die Überschwemmung in welchem Gebiet? Um diese Fragen zu beantworten, analysieren sie große Datensätze und nutzen statistische Erhebungen. „Mit diesen Methoden können wir zuverlässige und robuste Beziehungen zwischen verschiedenen Merkmalen, wie Intensität oder Dauer von Niederschlagsereignissen, und den von ihnen verursachten Auswirkungen herstellen“, erklärt Georgy Ayzel. „Indem wir Modelle konstruieren, wollen wir die Entstehung und Entwicklung von Starkregen verstehen. Dafür nutzen wir physikalisch basierte und auf maschinellen Lernverfahren und tiefen neuronalen Netzen aufbauende Modellierungsansätze.“

Georgy Ayzel und Omar Seleem sollen auch im nächsten Projekt dabei sein, in dem es um die Vorhersage pluvialer Hochwasser in Städten geht. Neben Berlin ist diesmal Würzburg Forschungspartner. „Im Gegensatz zu Berlin gibt es dort ein starkes Relief in der Stadt selbst und in den umgebenden, oft durch Weinberge charakterisierten Einzugsgebieten. Das Wasser fließt also deutlich schneller und reißender ab als im Flachland“, erläutert Axel Bronstert. Ohne Gefälle kann das Wasser im Flachland nicht rasch abfließen, wohingegen in reliefreichen Gebieten die Täler besonders gefährdet sind, da sie das Wasser kanalisieren: „Das Wasser rauscht dann durch die Straßen“, beschreibt er. Gemeinsam mit der Technischen Universität München und zwei Ingenieurfirmen – einem Start-up aus Berlin und einer Hydroinformatikfirma aus Aachen – möchte das Team 2022 durchstarten.

Das Projekt

„Auf dem Weg zu einer einfachen Gefahrenabschätzung für Sturzfluten in Städten“

Beteiligt: Prof. Dr. Axel Bronstert, Dr. habil. Maik Heistermann, Dr. Tobias Sieg, Dr. Georgy Ayzel, Omar Seleem
Förderung: Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD)
Laufzeit: 2019–2023

Die Forscher

Prof. Dr. Axel Bronstert studierte Bauingenieur- und Wasserwesen an der Universität Karlsruhe. Seit 2000 ist er Professor für Hydrologie und Klimatologie an der Universität Potsdam.
E-Mail: axel.bronstertuni-potsdamde

Dr. Georgy Ayzel studierte Hydrologie an der Moscow State University (Russland) und promovierte an der Universität Potsdam. Seit 2019 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter im BMBF-Projekt CARLOFF.
E-Mail: ayzeluni-potsdamde

Omar Seleem studierte Ingenieurwesen und Wasserressourcen an der Universität Kairo (Bachelor) und an der Ehime University, Japan (Master). Seit 2019 promoviert er in der Arbeitsgruppe Hydrologie und Klimatologie an der Universität Potsdam unter der Betreuung von Prof. Bronstert.
E-Mail: seleemuni-potsdamde

 

Dieser Text erschien im Universitätsmagazin Portal Wissen - Eins 2022 „Zusammen“.