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Newsletter - Februar 2018

Dies ist der zweite Newsletter des Mobiliar Labs für Naturrisiken der Universität Bern. Er erscheint ca. zweimal pro Jahr und gibt Ihnen einen Überblick über unsere neusten praxisrelevanten Forschungsergebnisse sowie Hinweise zu Veranstaltungen des Labs. Die deutsche Version des Newsletters als PDF lesen Sie hier.

Vous pouvez lire la version française de la newsletter en cliquant ici.

Welche Rolle spielt der Niederschlag für die Verursachung von Oberflächenabfluss? Ein Forschungsprojekt des Mobiliar Lab hat gezeigt, dass die meisten Schäden erst bei der Überschreitung von relativ hohen Niederschlagsschwellenwerten entstehen.

Abb. 1: Bei einem Gewitter mit heftigen Niederschlägen hat sich Oberflächenabfluss gebildet. Wie die übriggebliebenen Spuren beweisen, verliess das Wasser die Strasse und floss über die Wiese. Quelle: Daniel Bernet.

Oberflächenabfluss verursacht rund die Hälfte aller Überschwemmungsschäden. Doch unter welchen Voraussetzungen tritt er überhaupt auf? Um diese Frage beantworten zu können, hat das Mobiliar Lab in einem aktuellen Forschungsprojekt versucht, die Schäden ausschliesslich mit dem Faktor Niederschlag zu erklären. Dabei hat sich gezeigt, dass den meisten Schadenereignissen lokal tatsächlich extreme Niederschläge vorangegangen sind. Im Vorfeld hat es meistens sehr heftig und/oder sehr viel geregnet. Daraus lassen sich Niederschlagsschwellenwerte ableiten, die für die Entstehung von Schäden überschritten werden müssen. Natürlich können auch andere Faktoren eine wichtige Rolle spielen – trotzdem lassen sich anhand der Niederschlagsmengen die zu erwartenden Schäden bereits erstaunlich gut voraussagen. Diese neuen Erkenntnisse helfen, künftig Schäden durch Oberflächenabfluss besser vorauszusagen und damit auch zu vermindern oder gar zu verhindern.

Konkrete Oberflächenabfluss-Ereignisse und deren Bewältigung wurden an der Herbstveranstaltung 2017 des Mobiliar Lab eindrücklich anhand von Beispielen aus den Kantonen Schaffhausen und Nidwalden illustriert. Experten aus Forschung und Praxis haben an diesem Anlass zudem erläutert, welchen Stellenwert Oberflächenabfluss schweizweit hat, wie er modelliert werden kann und wie ihn die Versicherungen berücksichtigen. Die gut besuchte Veranstaltung wurde mit einer Diskussion über den künftigen Umgang mit Oberflächenabfluss abgerundet.

Müssen Fachleute konkrete Fragestellungen im Zusammenhang mit Oberflächenabfluss beantworten – z. B. um die Gefährdung eines Wohnquartiers zu bestimmen –, stehen ihnen heute unterschiedliche Methoden und Produkte zur Verfügung. Doch es fehlt eine Übersicht dieser Angebote, und es existiert keine Entscheidungshilfe, die aufzeigt, welche Werkzeuge für welchen Zweck geeignet sind. Diese Grundlagen werden zurzeit am Mobiliar Lab zusammen mit Fachleuten aus unterschiedlichen Bereichen erarbeitet und im Verlauf dieses Jahr als Handbuch veröffentlicht.

Kontakt: daniel.bernet@giub.unibe.ch

Einfache Analysemethoden unterschätzen generell den Wert von hochwasserexponierten Gebäuden. Eine neue Studie zeigt, dass dies bei Nutzen-Kosten-basierten Entscheiden zum suboptimalen Einsatz von Ressourcen für Schutzmassnahmen führen kann.

In Risikoanalysen zur Abschätzung der Folgen von Naturgefahrenereignissen fliessen Gebäudewerte meist als Durchschnittswerte ein. Sehr gebräuchlich sind Einheitswerte pro Gebäude oder pro Gebäude-Kubikmeter. In Studien auf überregionaler Ebene werden die Gebäudewerte oft über einen nach Nutzung differenzierten Flächenansatz, das heisst über Durchschnittswerte pro Quadratmeter Landfläche, berücksichtigt. Am Beispiel der Hochwasserexposition in der Schweiz hat das Mobiliar Lab untersucht, wie weit die verschiedenen Methoden das Resultat beeinflussen. Basierend auf einem Datensatz von über einer halben Million Gebäudeversicherungspolicen vergleicht diese Untersuchung insgesamt fünf verschiedene Methoden zur Ermittlung der Werte potenziell von Hochwasser betroffener Gebäude.

Abb. 2: Wird das Gebäudevolumen in die Schätzung einbezogen, resultiert ein realistischer Gebäudewert. Quelle: Raoul Kern.

Während die räumliche Verteilung der exponierten Werte mit allen fünf Methoden vergleichbar ist, bestehen bei den absoluten Expositionswerten grosse, methodenbedingte Unterschiede. Über die ganze Schweiz beträgt der Wert der Gebäude in hochwassergefährdeten Gebieten je nach Methode zwischen 310 und 540 Milliarden Franken. Am grössten sind die Unterschiede in den Gebieten mit extrem hohen Expositionswerten (vgl. Abb. 3). Modelle ohne Einbezug der Gebäudevolumen unterschätzen den Wert der exponierten Gebäude, was bei Nutzen-Kosten-basierten Entscheiden zum suboptimalen Einsatz von Ressourcen für Schutzmassnahmen führen kann.

Die Studie kann eingesehen werden und es ist auch möglich, sich in den noch laufenden, offe-
nen Review-Prozess einzubringen.

Abb. 3: Modellbedingte Unterschiede in den Extremwertverteilungen: Vergleich der fünf Gebäudewertmodelle mittels empirisch-kumulativer Verteilungsfunktionen (n= 100’000). Dargestellt werden Extremwerte (oberste 2 %) hochwasserexponierter Gebäude in der Schweiz, aggregiert auf Hexagone von 10 km2.

Hausratschäden machen durchschnittlich 20-32 Prozent der Hochwasserschäden aus. Diese Erkenntnis geht aus einer Studie hervor, für die das Mobiliar Lab Gebäude- und Hausratschäden miteinander verknüpft und statistisch untersucht hat.

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. 4: 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.

Modellsimulationen erlauben es, Hochwasserschäden abzuschätzen. Dafür muss allerdings die Qualität der Modelle sichergestellt sein, was ohne Ereignisdokumentation schwierig ist. Zur Qualitätskontrolle beitragen können Versicherungsdaten.

Für die Analyse von möglichen Schäden durch Hochwasser sind Simulationsmodelle erforderlich, die den Hochwasserablauf gut vorhersagen können. Bevor diese Modelle für eine Prognose zum Einsatz kommen, muss nach der Güte und Qualität der Modelle gefragt werden. Dabei werden meistens frühere Hochwasserereignisse nachsimuliert und die Modellergebnisse mit der Realität verglichen. Wenn keine detaillierte Ereignisdokumentation vorhanden ist, ist eine Qualitätskontrolle aber bisher nicht möglich.

Im Zeitalter von Big Data können auch Daten von Versicherungen einen wertvollen Beitrag für wissenschaftliche Fragestellungen liefern. In einer neuen Publikation hat das Mobiliar Lab einen Weg aufgezeigt, wie sich mit ortsgenauen Schadendaten die Qualität von Hochwassersimulationen beurteilen lässt. In dieser Veröffentlichung werden verschiedene Indizes zur Beschreibung der Modellgüte aufgelistet und diskutiert. Es hat sich gezeigt, dass mit dem Hochwassersimulationsmodell BASEMENT (www.basement.ethz.ch) vergangene Hochwasserereignisse auch ohne Kalibrierung sehr gut nachmodelliert werden können. Schadenberechnungen können deshalb gut darauf aufbauend konzipiert werden.

Abb. 5: Vergleich zwischen der simulierten Überschwemmungsfläche, der Ereignisdokumentation und der Versicherungsschäden. Quellen: swisstopo (BA17073), Kanton NW (Dokumentation), Nidwaldner Sachversicherung (Schäden).

Die Vorteile von Versicherungsdaten gegenüber herkömmlichen Ereignisdokumentationen bestehen darin, dass Erhebungen konsequent und relativ homogen über die Zeit gemacht werden können. Zudem können auch kleinere Ereignisse dokumentiert werden. Die grössten Herausforderungen bei der Verwendung von Versicherungsdaten ist, dass die Daten aus Datenschutzgründen nur erschwert verfügbar sind und dass sie sorgfältig aufbereitet werden müssen. So gilt es einerseits, die Gebäude etwa hinsichtlich Baujahr zu überprüfen. Andererseits sollten Schäden, die durch andere Prozesse – wie z. B. Oberflächenabfluss – entstanden sind, möglichst ausgeschlossen werden.

Die Studie ist hier einsehbar.

David Bresch, Professor für Wetter- und Klimarisiken an der ETH Zürich, hält am 13. März die „Mobiliar Lab Lecture 2018“. Titel der Veranstaltung: „Transformative Resilienz als Schlüssel zur Risikobewältigung“.

David Bresch prüft in seinem Vortrag die Tauglichkeit des Resilienzansatzes im Bereich der Naturgefahren und des Klimawandels. Der Begriff Resilienz beschreibt die Fähigkeit, angesichts von Veränderungen und Ungewissheiten zu überleben oder sich erfolgreich anzupassen. Deshalb stellt Resilienz ein nützliches Konzept dar, um präventive und vorausschauende Ansätze im Umgang mit Risiken zu entwickeln. Die Veranstaltungsreihe „Mobiliar Lab Lectures“ bringt führende Risikoforscherinnen und Forscher nach Bern. Die Vorträge sind öffentlich und richten sich sowohl an Fachleute wie die interessierte Öffentlichkeit.

Der Vortrag von David Bresch findet am 13. März 2018 von 17:15 - 18:30 Uhr im Hauptgebäude der Universität Bern Hochschulstrasse 4, Kuppelraum (5. Stock) statt. Im Anschluss an den Vortrag gibt es einen Apéro.

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Newsletter - Juli 2017

Dies ist der dritte Newsletter des Mobiliar Labs für Naturrisiken der Universität Bern. Er erscheint ca. zweimal pro Jahr und gibt Ihnen einen Überblick über unsere neusten praxisrelevanten Forschungsergebnisse sowie Hinweise zu Veranstaltungen des Labs. Die deutsche Version des Newsletters als PDF lesen Sie hier.

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Abb. 1: Überschreitung der Gerinnekapazität der Gürbe im August 2007. Bild: Christoph Matti.

Eine kürzlich veröffentlichte Studie des Mobiliar Lab für Naturrisiken befasst sich mit der Modellierung und Beschreibung extremer Hochwasser. Dämme und Schutzbauten sind für Abflüsse bestimmter Wiederkehrperioden dimensioniert. Werden die entsprechenden Schwellenwerte überschritten, kommt es zu Ausuferungen und damit zu einer markanten Änderung des Abflussverhaltens: Die Erschliessung neuer Überflutungsbereiche führt zu einer Verlangsamung des Abflusses und damit zu einer temporären Reduktion der Abflussspitze. Dieses Abflussverhalten wird in rein hydrologischen Modellierungen nicht korrekt abgebildet.

Gleichzeitig sind solche extreme Ereignisse schadenrelevant und bedürfen daher einer detaillierteren Betrachtung. Die Zuhilfenahme eines hydraulischen Modells erlaubt einerseits die Identifikation spezifischer Abfluss-Schwellenwerte, bei denen weitere Überflutungsflächen erschlossen werden. Andererseits ermöglicht sie eine prozessnahe Beschreibung der Ausuferungen und ist insbesondere für Einzugsgebiete mit starken Überschwemmungs- und Rückhalteeffekten angezeigt. Bleiben die erwähnten Schwellenwerte hingegen unerkannt, werden in Situationen extremer Hochwasser Gebiete überschwemmt, für die kein geeignetes Notfallkonzept besteht beziehungsweise für die gegebenenfalls mit verhältnismässig kleinem Aufwand eine Schutzmassnahme hätte ergriffen werden können.

Die Studie können Sie unter folgendem Link einsehen: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S002216941730272

Abb. 2: Hydraulische Modellierung der synthetischen Hochwasserganglinien zur Identifikation von Schwellenwerten, ab welchen grossräumige Ausuferungen auftreten. Diese Schwellenwerte entsprechen typischerweise dem Bemessungswert von Hochwasserschutzprojekten. Für das Beispiel der Aare bei Bern zeigt die hydraulische Modellierung (rechts) drei Stufen bei den Abflusswerten von 570, 700 und 860 m3/s. Die beiden letztgenannten Schwellenwerte treten bei Abflüssen auf, die das 300-jährliche Ereignis übersteigen, für Extremereignisse aber von entscheidender Bedeutung sind.

In Hochwassersituationen verschärft das von Fliessgewässern mitgeführte Schwemmholz regelmässig die bereits angespannte Situation: Es lagert sich an natürlichen oder künstlichen Verengungen des Gerinnes ab und führt zu Verklausungen, die durch Rückstaueffekte Überschwemmungen auslösen und hohe Schäden verursachen.

Da Vorhersagen zu lokalem Schwemmholzverhalten schwierig sind und detaillierte Beobachtungen oftmals fehlen, sind Modellierungen wichtige Hilfsmittel für die Simulation des Zusammenspiels der beteiligten Faktoren. Das in der Masterarbeit von Niccolò Galatioto entwickelte Modell „LWDsimR“ ermöglicht eine vektorbasierte und objektorientierte 2D-Simulation der Schwemmholzdynamik. Mobilisierung, Transport, Ablagerung sowie Verklausungen an Hindernissen können so für jeden einzelnen Baum zeitlich und räumlich hoch aufgelöst simuliert werden. Dies erlaubt 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 erwartenden Schwemmholzvolumen abschätzen.

Der auf der Programmiersprache R und auf dem Programm BASEMENT basierende Code des Modells ist Open Source und kann frei heruntergeladen werden. Der Link zum Download, die Bedienungsanleitung und weitere Informationen können Sie hier unter dem Tab „UP15: Modellierung der Schwemmholzdynamik in hochwasserführenden Fliessgewässern“ finden.

Abb. 1: Schematische Darstellung des Schwemmholz-Modells. Quelle: Niccolò Galatioto.

Dank den fünf Wetterradaren in der Schweiz wird Hagel in den Gewitterwolken gut erkannt und lokalisiert. Wo jedoch der Hagel den Boden schliesslich erreicht, ist schwierig festzustellen. Im Gegensatz zu Temperatur und Niederschlag fehlt ein flächendeckendes Hagelmessnetz. Ohne genaue Messungen, die anschliessend in die Wettermodelle einfliessen, ist eine Prognose schwierig. Aus diesem Grund ist die Forschung auf Meldungen aus der Bevölkerung angewiesen.

Über die Smartphone-App der MeteoSchweiz können Hagelbeobachtungen von jeder interessierten Person einfach und direkt gemeldet werden. Diese Meldungen dienen unter anderem der Verifikation und Verbesserung der Hagel-Algorithmen des Wetterradars, was letztendlich in einer besseren Prognose resultiert.

Parallel dazu arbeitet das Mobiliar Lab für Naturrisiken an kurzfristigen Hagelwarnungen. Dabei geht es insbesondere darum, herauszufinden, wie präzise die aktuellen Warnungen sind. An der Studie nehmen mehrere hundert Personen teil, die jeweils kurz vor einem erwarteten Hagelschlag an ihrem Wohnort eine Warnung per SMS erhalten. Die Testpersonen melden danach, ob es tatsächlich gehagelt hat. Dies ermöglicht den Forschenden, die Qualität der Warnungen zu verifizieren und zu verbessern. Melden Sie sich noch heute unter www.hagelforschung.ch an – die Hagelsaison hat begonnen!

Dank diesen zwei gemeinsamen Initiativen des Mobiliar Lab und von MeteoSchweiz können die Algorithmen der Wetterradare verbessert, die Warnungen präzisiert und Schäden verhindert werden. Helfen auch Sie bei der Hagelforschung mit! Mehr Informationen unter www.hagelforschung.ch und in der Smartphone-App der MeteoSchweiz.

Abb. 1: Eingegangene Hagelmeldungen via MeteoSchweiz-App am 28.05.2016
Abb. 2: Hagelwarnungen und -rückmeldungen via www.hagelforschung.ch am 17.08.2016

Zwischen dem 17. August und dem 16. September 2017 organisiert das Oeschger-Zentrum für Klimaforschung (OCCR) in Zusammenarbeit mit der Stadt Bern eine Container-Ausstellung zur «Berner Klimaforschung». An verschiedenen Standorten in der Stadt werden Sie in diesem Zeitfenster die Ausstellung besuchen können – ausser in der Woche vom 21.-25. August: Die Container werden dann im Rahmen einer internationalen CO2-Konferenz nicht in der Stadt Bern, sondern in Interlaken zu sehen sein. Am Abend des 24. Augusts findet dort zudem die öffentliche Veranstaltung „Tatsache Klimawandel – Folgen für das Berner Oberland“ statt.

Der Klima-Container-Beitrag des Mobiliar Lab für Naturrisiken befasst sich mit den Treibern des Hochwasserrisikos: Niederschlag, Siedlungsentwicklung, Eingriffe in das Gewässersystem und Hochwasserschutzbauten sind diesbezüglich entscheidend, ändern sich aber in Raum und Zeit. Wie wichtig sind die einzelnen Faktoren für die Entwicklung des Schadenpotenzials? Wie entwickeln sich die Hochwasserrisiken und welche Rolle spielt dabei der Klimawandel?

Diese Fragen versuchte das Mobiliar Lab anhand der bisherigen räumlichen und zeitlichen Entwicklung der Emme und der Siedlungsstruktur zwischen Burgdorf und Gerlafingen zu klären. Historische Karten wie die Dufour- und Siegfriedkarten liefern Hinweise auf die frühere Ausdehnung der Ortschaften, den Gebäudebestand und die Flussverbauung. Archivierte Flussquerprofil-Vermessungen erlauben Rückschlüsse auf die einstige Gerinnegeometrie der Emme. Zusätzlich wurde analysiert, was passieren würde, sollte der Klimawandel zu einer Erhöhung des Abflusses führen.

Mit einem Simulationsmodell wurden für drei verschiedene Zustände der Emme ausgewählte Hochwasserereignisse rekonstruiert und die möglichen Schäden am Gebäudebestand berechnet. Vergleicht man beispielsweise die Situation der Emme im Jahr 1820 mit der heutigen Situation, so stellt man fest, dass sich das Schadenpotenzial wegen des Siedlungswachstums bei einem ungefähr alle 100 Jahre vorkommenden Hochwasser fast verdreifacht hat – und dies trotz der Errichtung von Schutzbauten! Welche Rolle dabei die einzelnen Treiber einnahmen und welche Schäden ein gleich wahrscheinliches Ereignis in Zukunft anrichten könnte, können Sie im Klima-Container entdecken.

Abb. 1: Vergleich eines ca. 100-jährlichen Ereignisses der Emme zu den Zeitständen 1820 (links) und 2016 (rechts). Daten: Patrick Hofer, Visualisierung: Markus Mosimann, Kartengrundlagen: swisstopo, Kanton Bern.

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