Bemessungswassermengen einschließlich Extremereignis

eben dem HW200 und dem HW100 wird im HWAP Emscher auch ein extremes Hochwasserereignis (HWextrem) berücksichtigt. Gründe für die Ermittlung eines Extremereignisses sind:

  • die Ermittlung der maximalen möglicherweise durch Hochwasser betroffenen Flächen sowie

  • das Erkennen der Überlastungsbereiche des Systems.

In den folgenden Kapiteln wird die Ermittlung der Bemessungswassermengen, die Szenarien zum Extremereignis sowie eine Beschreibung der einzelnen Szenarien vorgestellt. Weitere Unterlagen sind in den Anlagen "Bemessungswassermengen" und "Hydraulischer Längsschnitt DO -Deusen bis Mündung:Extremereignis" wiedergegeben.

Details zur Ermittlung der Polderflächen können dem Kapitel "Potenzielle Überflutungsgebiete" entnommen werden.

Bemessungswassermengen für die hydraulischen Modelle

Für die hydraulischen Berechnungen im Rahmen des HWAP Emscher wurden die z. Z. gültigen Bemessungswassermengen der Hochwasserstatistik der EMSCHERGENOSSENSCHAFT von 1993 verwendet (EMSCHERGENOSSENSCHAFT, 1993). Die Hochwasserstatistik liefert Daten an den Pegeln der Emscher von der Mündung bis zum Pegel Dorstfeld. Oberhalb des Pegels Dorstfeld wurden plausible Annahmen zu den Abflussmengen getroffen.

Um die Statistik von 1993 zu überprüfen, wurde die Pegelreihe des Pegels Königstraße bis 2003 verlängert und die Daten mit der gleichen Methodik wie 1993 (Trendbereinigung, Gumbel-Verteilung) aufbereitet. Es zeigte sich, dass sich z. B. für das HW200 annähernd identische Abflüsse am Pegel Königstraße ergaben (1993: 349 m³/s; 2003: 344 m³/s). Auch die hohen Abflussereignisse der 90er Jahre (HHW 1995) kehren den leicht negativen Trend der Zeitreihe nicht um, da die Abflüsse aus den 50er und 60er Jahren trendbereinigt überschätzt werden (massive Gebietsveränderungen, Bergbau, Versiegelung). Damit bietet die Pegelstatistik der Emscher von 1993 (bestätigt durch Erlass des MUNLV, früher MURL) für den HWAP Emscher und die Abbildung des hydraulischen

Ist-Zustandes (incl. der Ermittlung des Extremereignisses) eine ausreichend sichere Datengrundlage.

Da der Trend der Abflüsse negativ ist, kann davon ausgegangen werden, dass es sich bei den jetzt ermittelten Werten um Maximalwerte handelt. Für die jeweiligen Zwischen­zustände beim Emscherumbau müssen dann die Grundlagen für die hydraulischen Modelle fortgeschrieben werden.

Betrachtet wurden die Hochwasserquantile HW100, HW200 und HWextrem. Die hydraulischen Berechnungen wurden für die gesamte Emscher für HW100 durchgeführt, für den Abschnitt von der Mündung in den Rhein bis Dortmund-Deusen wurde auch das HW200 sowie ein HWextrem ermittelt.

Unter der Annahme, dass bei einem Extremereignis Düker und Pumpwerke abflusslimitierend wirken, wurden die maximalen Düker- bzw. Pumpwerksleistungen angesetzt. Die Nebenläufe mit freier Vorflut im Oberlauf der Emscher bis zur Mündung des Hellbachs wurden mit einem Faktor von 1,3 bzw. 1,4 auf das HQ100 beaufschlagt. Die sich aus diesem Ansatz ergebenden Abflussmengen erreichen an der Mündung in den Rhein eine Höhe von ca. 700 m³/s und liegen damit um mehr als das 2-fache über den HQ100-Abflüssen. Der Ansatz, Abflüsse maximaler Düker- bzw. Pumpwerksleistungen anzusetzen, zeigt, dass Düker und Pumpwerke in der Summe nicht begrenzend wirken.

Weiter wurde eine Ermittlung der extremen Abflüsse über eine Faktorisierung – häufig verwendet zur Ermittlung eines Extremereignisses – durchgeführt. Dabei wurde ein Faktor von 1,3 auf die HQ100-Abflüsse (Startwert Pegel Dorstfeld) aufgeschlagen. Die

Jährlichkeit eines so ermittelten Extremereignisses kann mit Tn >= 500 eingeordnet werden. Aufgrund der besonderen Gefährdungssituation der Emscher in den flussabwärts liegenden Bereichen (Anhäufung von großen Werten hinter den Deichen) wurde der Faktor auf 1,4 (zwischen Nettebach und Hüllerbach) bzw. 1,5 (ab Schwarzbach bis zur

Mündung in den Rhein) erhöht. Mit dieser Berechnung steigt der Abfluss bis auf 476 m³/s im Mündungsbereich an. Die so ermittelten, nach einer einheitlichen Systematik aufgestellten Abflussmengen wurden für die Berechnungen des Extremereignisses verwendet.

Die Berechnungen liegen in Form einer Tabelle vor, die in Anlehnung an die Hochwasserstatistik von 1993 aufgestellt wurde. Die Grundlagen der Ermittlung und die resultierenden Abflussmengen sind der Anlage "Bemessungswassermengen" zu entnehmen.

Szenarien Extremereignis

In der hydraulischen 1D-Berechnung zeigte sich, dass das Extremereignis nicht in allen Querschnitten schadlos abgeführt werden kann. Aus den Überlegungen zum Extremereignis ergeben sich vier verschiedene Szenarien (Fall1 bis Fall 4), die in der folgenden Tabelle und in den folgenden Kapiteln dargestellt werden.

Eine detaillierte Beurteilung der Verhältnisse im Hauptlauf; in den Überlastungsbereichen und den Poldergebieten ist jedoch nur mit einem hydraulischen 2D-Modell möglich.

Fall Nr. Abfluss Emscher-Abbildung Deiche Brücken Bezeichnung
Fall 1 Tabellarische Ermittlung über Spenden (mit Faktor) und max. PW- Leistung Überall unendliche Leistungsfähigkeit Mit fiktiver Erhöhung Realitätsnahe Abbildung HWextrem_ul
Fall 2 Wie Fall 1 mit Berücksichtigung der Polderentlastung an oberster Überlastungsstelle Realitätsnah mit Überlastungs- bereichen Realitätsnah mit Deicherosion bei Polderflutung Realitätsnahe Abbildung HWextrem
Fall 3 Wie Fall 1 mit Kappung der Abflussspitze in den Überlastungsbereichen Realitätsnah mit Überlastungs- bereichen Deichkronen in Überlastungs- bereichen überströmsicher Realitätsnahe Abbildung HWextrem_üs
Fall 4 Wie Fall 1 Wie Fall 1 ohne Brücken Wie Fall 1 Aufhebung aller Rückstaueinflüsse HWextrem_b

Szenarien für das Extremereignis an der Emscher

Extremereignis mit unendlicher Leistunsfähigkeit Emscher (HWextrem_ul)

Für das Szenario gelten folgende Hinweise/Annahmen:

  • Der Extremabfluss kann im gesamten Emscherhauptlauf abgeführt werden.
  • In den Überlastungsbereichen (vgl. Abbildung unten) sind die Deiche durch fiktive Wände erhöht.
  • Die Brücken sind im Ist-Zustand abgebildet.

In weiten Bereichen wird die Kapazität der Deiche überschritten, so dass besonders im Bereich Gelsenkirchen/Essen/­Bottrop/­Oberhausen die Deiche teilweise ein- oder beidseitig überströmt werden.

Die Tabelle „Überlastungsbereiche bei Extremereignis“ in der Anlage "Bemessungswassermengen" zeigt die Stellen, an denen die Deiche unter den o. g. Annahmen überströmt werden (vgl. auch Abbildung unten). Jede dieser Stellen müsste also erhöht werden, damit das Extremereignis schadlos abgeführt werden kann.

Extremereignis (HWextrem)

Für das Szenario gelten folgende Hinweise/Annahmen:

  • Der Extremabfluss kann aufgrund der vorhandenen Überlastungsbereiche nicht in jedem Querschnitt abgeführt werden.

  • Die Emscher mit Deichen und Brücken wird für den Ist-Zustand (realitätsnah) abgebildet.

  • Im obersten Überlastungsbereich (dieser liegt im Bereich der angenommenen Deichversagensstelle für den Polder Herne Nord/Schalke) wird der Deich überströmt und dabei erodiert.

  • Der Polder Herne Nord/Schalke wird geflutet.

  • Unterhalb des erodierten Deichbereichs tritt aufgrund des geringen im Emscherhauptlauf verbleibenden Abflusses von ca. 136 m³/s kein Schaden mehr auf.

Der sich ergebende Überflutungsbereich im Polder Herne Nord/Schalke wurde mit Hilfe einer 2D-Simulation ermittelt und das Schadenspotenzial bestimmt.

Extremereignis mit Überströmsicherung (HWextrem_ÜS)

Für das Szenario gelten folgende Hinweise/Annahmen:

  • Der Extremabfluss kann aufgrund der vorhandenen Überlastungsbereiche nicht in jedem Querschnitt abgeführt werden.

  • Brücken werden für den Ist-Zustand (realitätsnah) abgebildet.

  • Die Deiche in allen Überlastungsbereichen werden überströmsicher ausgebildet.

  • Im obersten Überlastungsbereich wird der Deich überströmt. Aufgrund der Überströmsicherung wird nur die Abflussspitze gekappt und in den Polder Herne Nord/Schalke gelenkt.

  • Nach unterhalb wird bordvoller Abfluss weitergegeben, d. h. alle unterhalb liegenden Überlastungsbereiche sind weiter von Bedeutung. Seitliche Zuflüsse erhöhen die Abflussmenge.

  • Im nächsten Überlastungsbereich wird aufgrund der Überströmsicherung wieder nur die Abflussspitze gekappt, nach unterhalb wird bordvoller Abfluss weitergegeben.

  • Unterhalb des Überlastungsbereiches 4, Oberhausen Neue Mitte tritt keine Gefährdung mehr auf.

  • Zur genauen Ermittlung und Abbildung der Überlastungsbereiche beim Extremereignis wurden die Deichhöhen aus einer neuen Vermessung aus 2003 (erstellt im Rahmen der Planungen zum Emscherumbau) verwendet, die teilweise von den vorliegenden Daten abwichen. Für alle anderen Berechnungen wurden die Höhendaten aus dem hydraulischen 1D-Modell bzw. aus der von der EMSCHERGENOSSENSCHAFT zur Verfügung gestellten Vermessung verwendet.

Extremereignis ohne Rückstaueinfluss der Brücken (HWextrem_b)

Für das Szenario gelten folgende Hinweise/Annahmen:

  • Der Extremabfluss kann im gesamten Emscherhauptlauf abgeführt werden.

  • In den Überlastungsbereichen (vgl. Abbildung oben) sind die Deiche durch fiktive Wände erhöht.

  • Es wird angenommen, dass alle Rückstaueinflüsse durch Brücken entfallen. Alle Brücken unterhalb der Mündung Schmiedesbach (ca. Stat. 34,35) wurden aus dem Hydraulik-Datensatz entfernt. Die Brücken oberhalb stellen keine Abflusshindernisse in dem Sinne dar, dass die Deiche durch den Einfluss der Brücken überströmt werden.

  • Zur Herstellung dieses Zustandes müssten nahezu alle Brücken umgebaut/angehoben werden und die Deiche in den verbleibenden Überlastungsbereichen erhöht werden.

Diese Berechnung wurde durchgeführt, um die Wirkung der Brücken qualitativ beurteilen zu können. Die Tabelle der Überlastungsbereiche in der Anlage "Bemessungswassermengen" zeigt, dass die Brücken einen erheblichen Einfluss auf die Wasserspiegellagen haben und die überströmten Bereiche in Anzahl und Höhe der Überströmung deutlich verringert werden (vgl. dazu auch Abbildung unten).