Umsetzungsprojekte

Die Umsetzungsprojekte greifen Erkenntnisse aus der Forschung auf und überführen diese in die Praxis. Sie spannen einen Bogen zwischen den gefährlichen Prozessen (z. B. Sturm, Hagel, Hochwasser) auf der einen und dem Schadenpotenzial sowie der Verletzlichkeit potentiell ausgesetzter Objekte auf der anderen Seite und verfolgen so einen risikobasierten Ansatz.

Die Umsetzungsprojekte sollen den Wissenstransfer zwischen Forschung und Praxis und umgekehrt fördern und werden in Zusammenarbeit mit Partnern aus Wissenschaft, Verwaltung und Praxis durchgeführt.

Folgende Umsetzungsprojekte werden durchgeführt:

Für einen risikobasierten und ganzheitlichen Umgang mit Naturgefahren ist eine umfassende Information der Bevölkerung notwendig. Bis heute werden dafür zur visuellen Unterstützung hauptsächlich Karten oder Filme von Hochwassersimulationen in 2D verwendet. Karten machen die Gefahr aber nicht «erlebbar» – dies im Gegensatz zu historischen Fotos aus dem Kollektiven Überschwemmungsgedächtnis. Zudem sind Karten für viele Menschen nicht einfach lesbar. Wir gehen von der Hypothese aus, dass 3D-Simulationen oder virtuelle Realitäten die Hochwassergefahr für Nichtspezialisten besser begreifbar machen können. Diese Hilfsmittel sollen dort eingesetzt werden, wo historische Fotos als Beweis und zur Sichtbarmachung der Gefahr fehlen. Visualisierungen eignen sich aber auch, um eine Vorstellung von künftigen Ereignissen zu vermitteln.

In einer soeben abgeschlossenen Machbarkeitsstudie des Mobiliar Labs wurde die 3D-Darstellung einer Hochwassersimulation mit zwei verschiedenen Technologien umgesetzt und geprüft, ob eine Anwendung in der Praxis machbar ist. Der erste Ansatz basiert auf einem Web-Framework, das sich in jedem modernen Browser betreiben lässt, während der zweite mit einer Game-Engine erstellt wurde, für deren Nutzung die Installation eines Programms nötig ist. Obwohl beide Technologien Vor- und Nachteile aufweisen, hat die Machbarkeitsstudie gezeigt, dass für künftige Anwendungen in 3D in den meisten Fällen das Web-Framework zu bevorzugen ist. Viele Elemente, wie etwa das digitale Höhenmodell, Orthophotos oder swissBUILDINGS3D, sind mit geringem Aufwand integrierbar. Zudem können beliebig grosse geographische Regionen dargestellt werden und die Anwendung läuft im Browser auf verschiedenen Endgeräten.

Die Machbarkeitsstudie hat ergeben, dass sich 3D-Visualisierungen von Hochwasserereignissen mit überschaubarem Aufwand umsetzen lassen, sofern entsprechendes Wissen und die nötigen Grundlagen vorhanden sind. Aufgrund ihrer Annäherung an die Realität eignen sie sich zur Information und zur Sensibilisierung der Bevölkerung.

Rafael Wampfler, Dr. Andreas Paul Zischg, Markus Mosimann

Abb.1: Screenshots der beiden 3D-Visualisierungen desselben Hochwassers: links das Resultat des Web-Frameworks und rechts dasjenige der Game-Engine.

Seit Beginn des 19. Jahrhunderts veränderte sich die Emme aufgrund von flussbaulichen Massnahmen von einem breiten Flusslauf mit geringen Tiefen zu einem eng kanalisierten Gewässer mit stark eingetiefter Gerinnesohle. Die Fläche des Flusslaufes reduzierte sich auf weniger als die Hälfte. Nicht nur der Flusslauf selbst war grossen Veränderungen ausgesetzt, sondern auch das Umland mit dessen Siedlungsentwicklung. Der Gebäudebestand nahm von 1820 bis heute von rund 600 auf ca. 6‘500 Gebäuden zu.

Abb. 1: Die Regler erlauben eine isolierte Betrachtung der vier Faktoren Siedlung, Flusslauf, Grösse des Hochwassers und „Klimazuschlag“. Das Hochwasserrisiko ist einerseits in Form von überschwemmten Flächen sichtbar. Andererseits wird es für den simulierten Abschnitt mit Frankenbeträgen angegeben.

Die interaktive Karte auf www.risikodynamik.ch ermöglicht eine isolierte Betrachtung der Faktoren, die das Hochwasserrisiko beeinflussen. Diese isolierte Betrachtungsweise zeigt eindrücklich die Auswirkung der verschiedenen Faktoren auf Schadenpotenzial und Hochwasserrisiko. Einerseits liess sich das Hochwasserrisiko zwischen 1820 und 2016 durch Verbauungen stark reduzieren – heute sind durch Hochwasserschutzbauten 1‘305 Gebäude geschützt. Andererseits zeigt sich, dass das Siedlungswachstum zu einer deutlichen Erhöhung des Schadenpotenzials und damit auch des Hochwasserrisikos geführt hat. Insgesamt, so zeigt eine Simulation auf der interaktiven Karte, hat sich das Hochwasserrisiko seit 1820 in etwa halbiert.

Zusätzlich lässt sich auch ein potenzieller Einfluss des Klimawandels auf das Hochwasserrisiko darstellen. Der Klimawandel wird tendenziell zu häufigeren und grösseren Hochwassern führen. In Kombination mit dem zu erwartenden Siedlungswachstum dürfte das Hochwasserrisiko in Zukunft weiter zunehmen. Eine vorausschauende Raumplanung verhindert einen starken Anstieg des Hochwasserrisikos, senken lässt es sich hingegen durch zusätzliche Schutzmassnahmen.

Dieses Projekt zielt auf eine Erweiterung der Informationsplattform www.hochwasserrisiko.ch ab. Sie wird im Herbst 2018 veröffentlicht.

Die interaktive Webseite www.überschwemmungsgedächtnis.ch macht Bilder von Überschwemmungen aus der ganzen Schweiz öffentlich zugänglich. Einerseits stammen die Bilder aus bestehenden Bildarchiven. Andererseits soll die Bildersammlung mit Hilfe der Bevölkerung laufend weiterwachsen. Dabei werden mehrere Ziele verfolgt: Erstens sollen der Bevölkerung die Hochwasserrisiken in Erinnerung gerufen werden, zweitens dienen vergangene Überschwemmungsbilder der Forschung für die Validierung von Simulationen, und drittens stellen sie für Fachleute in der Praxis eine Hilfe bei der Gefahrenbeurteilung dar.

Alle Bilder des «Kollektiven Überschwemmungsgedächtnisses» werden auf einer Schweizer Karte geografisch verortet und enthalten weitere Informationen, wie etwa zum Urheber oder zur möglichen Weiterverwendung der Bilder. Die Angaben zu Ort und Zeitpunkt der Überschwemmung erlauben es, die Bilder entsprechend gefiltert anzuzeigen. Die hochgeladenen Bilder werden manuell am Mobiliar Lab validiert und anschliessend auf der Webseite publiziert. Stellen auch Sie der Allgemeinheit und der Forschung Ihre Überschwemmungsbilder zur Verfügung – und gewinnen Sie am ab sofort laufenden Wettbewerb eines von fünf Geschenken am Wasser!

Wie gross, so die zentrale Fragestellung der Untersuchung, ist bei Hochwasserereignissen der Anteil der Hausratschäden am Gesamtschaden und damit die Verletzlichkeit dieses Bereichs? Um eine Antwort auf diese Frage zu finden, wurden konkrete Schadensfälle analysiert und so Grundlagen und Methoden erarbeitet, um Schäden am Hausrat in Risikoanalysen miteinzubeziehen. Zur Begriffsklärung: Hausrat gehört zur sogenannten Fahrhabe. Unter Verletzlichkeit oder Schadengrad wird der beschädigte Anteil am Gesamtwert des Objekts verstanden.

Obwohl der Schadengrad des Hausrats generell höher liegt als jener der Gebäude, übersteigt der Hausratschaden an einem Objekt in vielen Fällen nicht den entsprechenden Gebäudeschaden. Diese Feststellung erstaunt nicht, berücksichtigt man, dass die Versicherungssumme der Gebäude im Mittel das Sechsfache des Hausrats beträgt und somit stark beschädigter Hausrat gleich viel Schaden verursacht wie ein schwach beschädigtes Gebäude.

Abb. 1: Hochwasser verursachen neben Gebäude- auch erhebliche Hausratschäden. Letztere müssen in Risikoanalysen ebenfalls einbezogen werden. Quelle: Norbert Büchel.

Für die Kantone Obwalden, Tessin, Uri, Schwyz und Wallis wurden Schadenanteile des Hausrats von durchschnittlich 20-32 Prozent des Gesamtschadens ermittelt. Dabei hat sich gezeigt, dass Schäden am Hausrat einen relevanten Anteil an den Gesamtschäden haben. Bei Risiko- oder Kosten-Nutzen-Analysen zu Hochwasserschutzprojekten sollte deshalb als Zusatzinformation angegeben werden, ob und wie diese Schäden berücksichtigt wurden.

Für die Analyse wurden Gebäude- und Hausratschadendaten der Mobiliar Versicherung aus den erwähnten GUSTAVO-Kantonen miteinander verknüpft. Das Hauptergebnis dieses Projekts wird eine Verletzlichkeitsfunktion zur Ermittlung von Hausrat- bzw. Fahrhabeschäden bei Risikoanalysen sein. Die Methode wird in Kürze auf www.mobiliarlab.unibe.ch veröffentlicht.

In Hochwassersituationen führt von Fliessgewässern mitgeführtes Schwemmholz regelmässig zu Problemen. An natürlichen oder künstlichen Verengungen des Gerinneprofils können sich Verklausungen bilden. Die dadurch entstehenden Rückstaueffekte können Überschwemmungen auslösen und hohe Schadenssummen verursachen. Insbesondere Extremereignisse wie das Hochwasser vom August 2005, bei welchem schweizweit über 110‘000m3 Schwemmholz mobilisiert und alleine in Bern durch die Verklausung der Mattenschwelle und der nachfolgenden Überflutung des Mattequartiers Schäden von rund 50 Mio. CHF verursacht wurden (Bezzola & Hegg 2007) verdeutlichen, dass die Berücksichtigung der Schwemmholzdynamik in Hochwassersituationen ein wichtiger Bestandteil eines erfolgreichen Risikomanagements ist.

Abbildung 1: Verklausung der Matteschwelle und Überschwemmung des Mattequartiers während dem Ereignis im Jahre 2005. Fotos: srf.ch, blick.ch

Weil direkte Beobachtungen dieser Prozesse schwierig und selten sind, stellen numerische Modelle eine vielversprechende Alternative dar. Das hier vorgestellte Modell “LWDsimR” ist eine Adaption des Modells von Mazzorana et. al. (2011) und ermöglicht eine vektorbasierte und objekt-orientierte 2D Simulation der Schwemmholzdynamik in hochwasserführenden Fliessgewässern, die auf einer unstrukturierten Mesh-Geometrie und hydrodynamischen 2D Überflutungsmodellen basiert. Mobilisierung, Transport, Deposition sowie Verklausungen an künstlichen Hindernissen können so für jeden einzelnen Baum zeitlich und räumlich hoch aufgelöst simuliert werden. Dies ermöglicht die Ausscheidung möglicher Mobilisierungs- und Depositionsflächen, eine Identifikation kritischer Gerinneabschnitte sowie ein Tracking der Transportwege des Schwemmholzes. Zudem lassen sich die während eines bestimmten Hochwasserereignisses zu erwartende Schwemmholzvolumen abschätzen.

Abbildung 2: Räumliche und zeitliche Verteilung von simuliertem Totholz Dynamiken in Uttigen (links) und der Zulg in Steffisburg (rechts). Kartengrundlage: swisstopo Reproduced by permission of swisstopo (BA17018)

Der auf der Programmiersprache R basierende Code des Modells ist open source und kann über Zenodo (mit Anleitung) oder den direkten Link (nur Zip-Datei) heruntergeladen werden. Des Weiteren stehen Skripte für das Pre- und Postprocessing der Daten sowie ein Beispieldatensatz zur Verfügung.

Ausführliche Informationen zur Verwendung des Modells sowie zur Aufbereitung der benötigten Daten und Auswertung der Resultate gibt das User Manual (PDF, 1.0 MB). Ein detaillierter Beschrieb des Modells und der Transportgleichungen findet sich bei Mazzorana et. al. (2011). Informationen zur vektorbasierten Version in R gibt Galatioto (2016).

Referenzen:

Bezzola, G. R. & Hegg, C. (2007): Ereignisanalyse Hochwasser 2005, Teil 1 – Prozesse, Schäden und erste Einordnung. Bundesamt für Umwelt BAFU, Eidgenössische Forschungsanstalt WSL. Umwelt-Wissen Nr. 0707. 215 S.

Galatioto, N. (2016): Modellierung der Schwemmholzdynamik hochwasserführender Fliessgewässer. Masterarbeit. Geographisches Institut, Universität Bern.

Mazzorana, B., Hübl, J., Zischg, A. P. & Largiader, A. (2011): Modelling woody material transport and deposition in alpine rivers. In: Natural Hazards, 56, 2: 425–449.

Derzeit wird in Zusammenarbeit mit mehreren Autoren eine Übersicht über bestehende Werkzeuge zum Umgang mit Oberflächenabfluss erarbeitet. Sie wird im Herbst 2018 als Handbuch für die Praxis publiziert.

Das Projekt „Monitoring der Hochwasserrisiken in der Schweiz“ ist ein praxisnahes Forschungsprojekt des Mobiliar Lab für Naturrisken der Universität Bern und des Bundesamts für Umwelt, Abteilung Gefahrenprävention. Beide Institutionen beteiligen sich an der Finanzierung des Projekts.

Die laufende Vorstudie erarbeitet einen Überblick über den „state of the art“ bezüglich dem Monitoring von Hochwasserrisiken, sowohl im wissenschaftlichen Bereich wie auch in der politischen Praxis. Zentrale Aspekte der Untersuchung sind vorhandenes Wissen, Instrumente und angewendete Methoden. Die gewonnenen Erkenntnisse aus der Vorstudie dienen der Präzisierung von Fragestellungen, Zielsetzung und Methoden eines folgenden Hauptprojekts.

In der Schweiz verursachen Hochwasserereignisse immer wieder Schäden in Millionenhöhe. Dank der Gefahrenkarten ist bekannt, wo Überschwemmungen auftreten können. Doch wie viele Gebäude stehen in den Hochwassergefahrengebieten, welchen Wert weisen sie auf, und wie viele Personen leben in diesen Gebäuden? Das Mobiliar Lab für Naturrisiken der Universität Bern ist diesen Fragen nachgegangen und hat die Webseite www.hochwasserrisiko.ch entwickelt: Sie zeigt, basierend auf den Gefahrenkarten, die potenziell gefährdete Bevölkerung bzw. Gebäude und Gebäudewerte pro Gemeinde, Bezirk und Kanton.

Schweizweit liegen 270’000 Gebäude mit einem Neuwert von insgesamt 480 Milliarden Franken in einem Hochwassergefahrengebiet, bewohnt werden sie von rund 1.1 Millionen Personen. Betrachtet man den Anteil betroffener Personen oder Gebäude an der Gesamtbevölkerung bzw. am Gebäudebestand, dann ist vor allem der Alpenbogen (z. B. das Wallis, Nidwalden und das St. Galler Rheintal) stark gefährdet. Legt man den Fokus auf die Anzahl an gefährdeten Personen und Gebäuden, so stechen das Mittelland und die Städte (vor allem Zürich, aber auch St. Gallen, Biel oder Luzern) heraus. Ganz besonders betroffen ‒ nämlich sowohl bezüglich Anteil wie auch Anzahl gefährdeter Personen und Gebäude ‒ sind das Rhonetal (VS), die Region Interlaken, die Region um den Vierwaldstättersee, die Linthebene (GL, SG, SZ) und das St. Galler Rheintal.

Bedürfnisse der Bevölkerung an App-basierte Unwetterwarnungen und Verhaltenstipps erkennen als Basis für die Optimierung der Kommunikation von Unwetterwarnungen.

Testphase mit einigen hundert Benutzern im Sommer 2015.

Hagelforschung

Was macht Hochwasserschutzprojekte erfolgreich? Das Mobiliar Lab für Naturrisiken hat 71 Projekte hinsichtlich deren Planung und Wirksamkeit untersucht. Ziel war es, Erkenntnisse zu Ablauf und Nutzen von Hochwasserschutzprojekten und zur Risikoentwicklung zu gewinnen.

Dieser Bericht untersucht die Rolle und Perspektive Schweizer Gemeinden in der Planung und Umsetzung von Hochwasserschutzprojekten. Die Analyse fokussiert auf die drei Kernthemen Projektablauf (Projektinitiierung, Begleitung von Versicherungen etc.), Nutzen (ökonomisch, ökologisch, sozial) und Risiko (risikobasiertes Vorgehen, Risikoentwicklung etc.) und geht dabei der Frage nach, was Hochwasserschutzprojekte erfolgreich macht. Dazu wurden 71 Hochwasserschutzprojekte durch eine Auswertung der technischen Projektberichte, einer Onlineumfrage und Interviews mit kommunalen Projektverantwortlichen erfasst. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden anschliessend durch weitere Akteure im Schweizer Hochwasserschutz reflektiert.

Hochwasserschutzprojekte werden mehrheitlich nach eingetretenen Überschwemmungsereignissen geplant und umgesetzt. Eine systematische Koordination der zentralen wasserbaulichen Massnahmen mit organisatorischen oder raumplanerischen Massnahmen zur Risikominimierung findet nicht grundsätzlich statt. Ansätze zur Kombination von Hochwasserschutz mit ökologischen, wirtschaftlichen oder gesellschaftlichen Zusatznutzen sind vorhanden, das Potential wird aber nicht voll ausgeschöpft. Kurzfristig reduzieren die untersuchten Massnahmen das Risiko nachweislich. Die zukünftige Risikoentwicklung ist ungewiss. Das Risiko dürfte sich aufgrund der sozio-ökonomischen Entwicklung (Bevölkerungswachstum, Bautätigkeit etc.) langfristig aber erhöhen. Der Einfluss von Versicherungen und allgemein Dritter ist im Schweizer Hochwasserschutz vernachlässigbar. Finanzielle Beteiligungen Dritter an Hochwasserschutzmassnahmen können jedoch helfen, den Projektablauf zu beschleunigen.

Der frühe Einbezug der betroffenen Akteure und der regelmässige Austausch unter diesen sind wichtige Faktoren für ein erfolgreiches Hochwasserschutzprojekt. Weiter ist eine räumliche (z.B. Einzugsgebietssicht, Koordination mit Unterlieger) und sektorale (z.B. Schnittstellen zu Infrastrukturprojekten, Revitalisierung, Naherholung) Vernetzung von Hochwasserschutzprojekten zu fördern, da diese nachweisbar Mehrnutzen generiert. Auch braucht es eine Grundlage für risikobasiertes und proaktives Handeln. Versicherungen könnten hier durch ihre Expertise zur Entwicklung eines Risikomonitorings einen wertvollen Beitrag zu einer langfristigen Sicherung des angestrebten Sicherheitsniveaus im Hochwasserschutz leisten.

Weitere Informationen zu erfolgreichen Hochwasserschutzprojekten finden sie hier.

Erstellung einer schweizweiten Gefahrenkarte für Winterstürme basierend auf Datenreihen der letzten 150 Jahre unter der Leitung des BAFU und MeteoSchweiz.

Erarbeiten einer nationalen Gefahrenkarte für Hagel.

Nutzer melden über die MeteoSchweiz-App Hagelbeobachtungen und leisten somit einen grossen Mehrwert, da ein Bodenmessnetz fehlt.

Untersuchung des Zusammenhangs von Hagelaktivität auf dem Radar und Schäden an Personenwagen.

Entwicklung einer Methode zur Aufbereitung von Karten der Hagelaktivität des Vortages.

Aufbereitung einer räumlich und zeitlich hochaufgelösten Datensammlung für Schäden und Bestandesdaten als zentrale Grundlage für aktuelle und weitere Projekte.