Die verheerende Hochwasserkatastrophe im Juli 2021 zeigt, dass ständiges Monitoring von Wasserständen und Niederschlagsmengen für den Schutz der Bevölkerung zwingend erforderlich ist. Modellierungen auf Basis der Daten dienen dann zur Prognose von Überschwemmungsgebieten und zur kurzfristigen Katastrophenwarnung.
Wasserstände und ihre Auswirkungen
Es ist eine hochkomplexe Aufgabe, das Zusammenspiel von Niederschlag, Wasserständen und Fluss- und Landschaftsprofilen in einer Abflussmodellierung angemessen zu berücksichtigen. Nicht ohne Grund existieren Lehrstühle des Wasserbaus, Flussgebietsmanagement, Wasserwirtschaft usw., die sich allein mit diesem Thema beschäftigen.
Dies ist kein See, sondern der Haselbach – normalerweise keine 3 m breit!
In diesem Blog wird es somit keine abschließende, allumfassende Zusammenfassung des Themas geben. Wir konzentrieren uns hier auf ausgewählte Aspekte, die für ein Monitoring der Wasserstände nützlich und interessant sein könnten. Dabei achten wir vor allem auf eine mögliche Umsetzung innerhalb unserer BI-Software DeltaMaster.
Weiterhin helfen die besten Prognosen und darauf basierende Warnungen nicht, wenn sie gar nicht oder zumindest nicht rechtzeitig bei der Bevölkerung ankommen. Aber bei der Beurteilung, ob und – falls ja! – welches Glied der Informationskette hier versagt hat, halte ich mich lieber heraus.
Wasserstände in der Region – der aktuelle Anlass
Während vor allem Rheinland-Pfalz und Nordrhein-Westfalen durch die extremen Starkregenfälle – beginnend am 14.7.2021 – von Hochwasser betroffen waren und zahlreiche Todesopfer verzeichnen mussten (Stand 23.7.2021: mehr als 180 Personen verloren ihr Leben), gab es auch hier in der Region um Nürnberg bereits vorher erhebliche Verwüstungen. Menschen kamen hier zum Glück aber nicht zu Schaden.
Das oben gezeigte Foto habe ich am 10. Juli 2021 kurz vor 10 Uhr in der Nähe von Münchzell (nahe dem Heidenhügel, den ich mit dem Rad besuchen wollte) aufgenommen. Hier fließt der Haselbach in die Bibert.
Wasserstände über normal: Auch die Bibert ist in Großhabersdorf viel breiter als sonst.
Auch die Bibert ist normalerweise keine 5 Meter breit. Wie weit sich Hochwasser ausbreitet, hängt natürlich auch vom Profil des Flussbettes und des Uferbereichs ab. In Fließrichtung der Bibert folgen die Ortschaften Schwaighausen und Großhabersdorf – hier waren jeweils die Durchfahrten über die Bibert gesperrt.
Das Foto in Großhabersdorf wurde von mir um ca. 11:25 Uhr aufgenommen.
Die Wasserstände werden nur in relativ großen Abständen gemessen. Vor der Einmündung des Haselbachs in die Bibert gibt es jeweils für jeden Fluss eine Messstelle. Die nächste für die Bibert befindet sich in Weinzierlein, etwa 9 km hinter Großhabersdorf.
Daten der Messstationen
Die Bereitstellung und Verarbeitung der gemessenen Wasserstände und anderer abgeleiteter Größen wie Abflussmengen ist hauptsächlich Ländersache. In Bayern stellt das Bayerische Landesamt für Umwelt Daten zum Download zur Verfügung. Hier liefert speziell der Gewässerkundliche Dienst Bayern allgemeine Messungen in hoher Taktung. Für speziellere Anforderungen gibt es den Hochwassernachrichtendienst Bayern und – in den Vorjahren etwas häufiger benötigt – den Niedrigwasser-Informationsdienst Bayern. Eine länderübergreifende Initiative ist durch das Hochwasserportal gegeben.
Ich habe mir nun einmal beim Gewässerkundlichen Dienst Bayern Wasserstände in 15-Minuten-Abständen für ca. 10 Messstationen der Nürnberger Umgebung heruntergeladen. Der Zeitraum beginnt mit dem 8.7.2021 vor dem Hochwasser und endet mit dem 14.7.2021.
Anwendungen in DeltaMaster
Messstationen der Wasserstände in der Geo-Analyse
Vielleicht war es bei der rein verbalen Beschreibung im oberen Abschnitt schon spürbar: Die Geo-Analyse wird ziemlich sicher bei der Orientierung helfen, da beim Betrachten der Lage der Flüsse und Orte auch automatisch ein tieferes Verständnis für Zusammenhänge entsteht.
In DeltaMaster können wir bei der Geo-Analyse Kennzahlen von Flächen oder von Orten einsetzen. Die einfachere Variante der Orte benötigt nur die geographischen Koordinaten der Messstationen. Optional lässt sich für den Hintergrund ein Kartendienst aktivieren. Wenn wir nun die Ortsmarker gemäß dem Wasserstand einfärben, dann sieht das am 10. Juli um 10:00 Uhr folgendermaßen aus:
Erster Versuch mit Google-Kartendienst im Hintergrund
Hier fallen drei Dinge auf: Erstens betont der eingeblendete Google-Kartendienst nicht die Flüsse, sodass das Flusssystem nicht unmittelbar erkennbar ist. Zweitens könnte man sich über die vergebene Farbe streiten: Sollten die Wasserstände in Rot oder wie hier in Blau dargestellt werden? Drittens – und das ist hier der wichtigste Punkt! – wird eine gemeinsame Skala verwendet, obwohl die Wasserstände untereinander gar nicht vergleichbar sind.
Der Wasserstand an einer Messstation wird nämlich gegenüber dem Pegelnullpunkt gemessen, der für den betreffenden Flussabschnitt individuell definiert ist. Der Pegelnullpunkt liegt normalerweise nicht in der Flusssohle. Somit unterscheiden sich Wasserstand und Wassertiefe.
Wasserstände verschiedener Messstationen sind nicht unmittelbar vergleichbar, da sich die Referenzpunkte unterscheiden. Weiterhin sollte klar sein, dass 200 cm Wasserstand bei einem Bach eine andere Bedeutung hat als bei einem breiten Fluss.
Meldestufen
Deshalb wurde für Hochwasserwarnungen das Konzept der Meldestufen entwickelt, deren Grenzen für jede Messstation individuell definiert sind. Beim Hochwassernachrichtendienst Bayern findet man die allgemeine Definition der vier Meldestufen. Eine höhere Stufe bedeutet mehr Gefahr: Ab Stufe 3 sind einzelne bebaute Grundstücke betroffen, bei der höchsten Stufe 4 geht es um bebaute Gebiete in größerem Umfang.
Schauen wir dazu einmal auf eine konkrete Messstation, die in der Karte rechts am oberen Bildrand mit einem aktuellen Wasserstand von 161 cm zu sehen ist.
Es handelt sich um die Messstation Frauenkreuz an dem normalerweise unscheinbaren Bächlein Gründlach, die überraschenderweise mitten im Kraftshofer Forst nördlich von Nürnberg zu finden ist.
Die Messstation Frauenkreuz/Gründlach und das namensgebende Steinkreuz
Das Steinkreuz “Frauenkreuz” befindet sich allerdings doch ein Stück weiter entfernt, ca. 500 m östlich von der Messstation.
Auf dem Bild (vom 22.7.2021) lässt sich ein aktueller Wasserstand von ca. 125 cm erkennen, also 36 cm unter den 161 cm in der gezeigten Karte.
Gemäß den Angaben des Hochwassernachrichtendienstes Bayern liegt die Meldestufe 1 bei 180 cm, die Meldestufe 2 bei 200 cm und die Meldestufe 3 bei 250 cm. Ich habe einmal diese drei Werte im Foto mit Balken markiert.
Eine Meldestufe 4 gibt es für diese Messstation nicht. Es existieren auch Messstationen gänzlich ohne Meldestufen!
Der maximale Wasserstand seit Beginn der Messungen ist beim Hochwassernachrichtendienst Bayern übrigens mit 315 cm angegeben, das ist etwa auf dem Level der Bohlen der Brücke.
Wir möchten nun die Marker gemäß den erreichten Meldestufen einfärben.
Wasserstände als Meldestufen visualisieren
Verschiedenfarbige Marker können in der Geo-Analyse über Abfragen jeweils eines Analysewertes zugeordnet werden. Das heißt, eine direkte Abfrage der Form “Wasserstand ≥ Meldestufe 1” ist nicht möglich, da hier zwei Analysewerte eingehen.
Deshalb bilden wir zunächst Analysewerte mit Differenzen wie etwa “DMS1 := Wasserstand – Meldestufe 1” und verwenden dann eine Abfrage der Form “DMS1 ≥ 0”.
Nicht vorhandene Meldestufen setzen wir der Einfachheit halber auf einen (hoffentlich) nicht erreichbaren Wert 10000 und vermeiden somit die Anlage weiterer Indikator-Analysewerte, die nur dazu dienten, das Vorliegen einer Meldestufe anzuzeigen. Sollten diese 10000 (= 100 m) jemals überschritten werden, gäbe es andere Sorgen, als einen Bericht in DeltaMaster anzulegen.
Abfragen zur Zuordnung von Markern nach Meldestufen
Wir gehen hier grundsätzlich von einem grünen Marker “Alles in Ordnung” aus, dargestellt in der großen, runden Variante. Dieser wird nun gegebenenfalls durch einen andersfarbigen Marker ersetzt.
Die Bedingungen werden von oben nach unten geprüft und falls eine Abfrage wahr ist, wird der zugehörige Marker verwendet und noch ausstehende Abfragen nicht mehr ausgeführt.
Zunächst schauen wir in der ersten Abfrage, ob überhaupt Meldestufen vorliegen. Bei den Bedingungen der Meldestufen muss die Meldestufe 4 zuerst geprüft werden, dann folgen Abfragen zu den Meldestufen 3, 2 und schließlich zur 1.
Unsere Karte der Meldestufen der Wasserstände sieht dann am 10.7.2021 um 10:00 Uhr folgendermaßen aus:
Die Meldestufen der Wasserstände am 10. Juli 2021 um 10:00 Uhr
Bei unserer Station Frauenkreuz bestand keine Gefahr, die beiden Stationen links unten am Haselbach und an der Bibert besitzen keine Meldestufen, in Großhabersdorf gibt es keine Messstation und in der folgenden Station Weinzierlein galt Meldestufe 3.
Natürlich könnte man die Marker für Hochwasserwarnungen auch nach prognostizierten Wasserständen oder Meldestufen einfärben. Hierzu bedarf es jedoch komplexerer Modelle, die aber für einen Blogbeitrag wie den vorliegenden zu überdimensioniert geraten würden.
Weitere Möglichkeiten, Marker in der Geo-Analyse einzusetzen, hatte ich im Beitrag Visualisierung: Ortskundig mit der Geo-Analyse ausführlich beschrieben.
Wasserstände als Flächen
Abgesehen von Ortsmarkern können in der Geoanalyse vor allem Flächen eingefärbt werden.
Zunächst wäre es zur Orientierung nützlich, das System der Flüsse in der Karte zu sehen. Dazu könnte eine Hintergrundkarte der Flüsse in Form eines Shapefiles eingeblendet werden. Eine zugegebenermaßen nicht besonders intensiv betriebene Suche hat hier nur kostenpflichtige Karten zum Vorschein gebracht.
Deshalb habe ich hier als Beweis einer möglichen Umsetzung ein selbst generiertes Shapefile hergenommen. Ausgangspunkt ist eine schnell erstellte Zeichnung, die die Wasserwege und auch bereits die Messstationen enthält:
Grobe Skizze als Ausgangspunkt für ein Shapefile
Dieses Bild lässt sich zum Beispiel über das geographische Informationssystem QGIS einlesen, bearbeiten und als Shapefile exportieren. Die dazu erforderlichen Schritte würden hier etwas zu weit führen, aber nichtsdestotrotz behalte ich für den Geo-Analyse-Merkzettel im Hinterkopf: Anlegen eigener Shapefiles ausführlich erklären!
Jeder Messstelle wird eine eindeutige ID zugeordnet, über die das Datenmodell angebunden werden kann. Interessiert man sich beispielsweise für die statischen Grenzen der Meldestufe 1, so sieht das mit dem Google-Kartendienst bei einer eingestellten Transparenz von 50 % nun folgendermaßen aus:
Die Skala wird nun durch die Messstationen ohne Meldestufe bestimmt
Gegenüber der Zeichnung habe ich den Europa-Kanal für das Shapefile entfernt, da hier keine für uns relevanten Messungen durchgeführt werden.
Leider fällt mir nun der schnelle, aber nicht ganz saubere Ansatz auf die Füße, bei Nichtvorhandensein einer Meldestufe den Wert 10.000 zu vergeben. Hier sind die Stationen Lentersdorf an der Bibert und Bruckberg am Haselbach betroffen. An der Stelle, wo sich die beiden Flüsse treffen, wurde das erste Foto aufgenommen.
Die Skala ist somit unbrauchbar, was tun?
Werte ausblenden
In DeltaMaster gibt es die rettende Option, Flächen mit Werten über einer bestimmten Schwelle auszublenden. Dazu klicke ich mit der linken Maustaste beispielsweise auf Lentersdorf und wähle die Option “Fläche(n) ausblenden mit gleichem und größerem Wert” aus.
Alle Werte mit 10000 oder mehr werden nun ignoriert
Nun werden die Messstationen ohne jegliche Meldestufe aus der Skalierung genommen. Im folgenden Bild habe ich zur Abwechslung anstelle von “Flächen beschriften” die Option “Flächenwerte anzeigen” aktiviert:
Die Mindestlevel für Wasserstände bei Meldestufe 1 sind nun sichtbar
Diese Werte für Meldestufe 1 sind statisch und ändern sich höchstens langfristig.
Für die graue Messstation links oben hatte ich keine Daten geladen.
Aktive Meldestufen der Messstationen
Spannender sind dynamisch veränderliche Größen: Zum Beispiel lässt sich ein Analysewert anlegen, der aus den Wasserständen die aktuelle Meldestufe ermittelt. Es folgt die Karte mit den aktuellen Meldestufen:
Aktuelle Meldestufen am 10.7.2021 um 10:00 Uhr
Interaktive Analysen sind möglich
Die Verwendung von Flächen in der Geo-Analyse erlaubt interaktive Analysen: Man kann nun etwa Verknüpfungen anlegen, die mit einem Strg + rechtem Mausklick aufgerufen werden und beispielsweise auf einen weiteren Bericht wie hier auf eine Zeitreihenanalyse verweisen. Klickt man dann etwa bei den Meldestufen der Wasserstände auf das Kästchen von Weinzierlein mit der Stufe 3 am 10.7. um 10:00 Uhr, so könnte man zu einer Zeitreihenanalyse geleitet werden, die sich an die gewählte Station anpasst (aber den Analysewert bei der Übertragung ignoriert):
Absprung aus der Geo-Analyse Weinzierlein zu einer Zeitreihenanalyse der Wasserstände
Die Zeitreihenanalyse enthält hier auch die Grenzen der Meldestufen. Dies ist offensichtlich die Analyse im Rückblick, da die späteren Daten bereits angezeigt werden.
Ein Strg + Rechtsklick auf die 2 von Hüttendorf hätte dieses Bild ergeben:
Absprung aus der Geo-Analyse Hüttendorf zu einer Zeitreihenanalyse der Wasserstände
Ebenfalls sehr nützlich ist die Möglichkeit, innerhalb von Multiples Filter eines Berichts auf die anderen Teilberichte anzuwenden.
Dann lassen sich etwa Daten zu einer in der Geo-Analyse ausgewählten Messstation noch innerhalb der Multiples, also im gleichen Bericht anzeigen.
Abflussmengen
Damit die Möglichkeiten der interaktiven Analyse deutlicher werden, schauen wir nicht nur auf die Wasserstände, sondern nun auch auf Abflussmengen. Hierunter versteht man das Volumen an Wasser, das in einer Sekunde die Messstation passiert.
Üblicherweise wird die Abflussmenge indirekt bestimmt. Dazu ermittelt man senkrecht zur Fließrichtung das Querschnittsprofil des Flusses an der Messstation, das sich natürlich im Laufe der Zeit auch verändern kann und dann angepasst werden muss. In Abhängigkeit vom Wasserstand ergibt sich zunächst eine Fläche, die durchströmt wird. Nun verwendet man die einfacher zu messende Fließgeschwindigkeit, um aus beiden Größen das Volumen zu berechnen, das in einer Sekunde transportiert wird.
Mittels der Portfolioanalyse lassen sich Wasserstand und Abflussmengen gegenüberstellen:
Wasserstand gegen Abflussmenge in Weinzierlein
Hier wird der starke, nahezu funktionale Zusammenhang zwischen Wasserstand und Abflussmenge sehr gut sichtbar. Da sich im Normalfall ein Flussbett nach oben hin weitet, wächst die Steigung dieser Kurve an.
Wenn mehrere Flüsse in einen anderen Fluss münden, so existieren starke Abhängigkeiten zwischen den Abflüssen. Schauen wir auf einen Zeitpunkt vor dem Hochwasser, z. B. 10:00 Uhr am 8.7.2021:
Abflüsse an einem normalen Tag
Die 28,1 Kubikmeter/s der Regnitz bei der Station Hüttendorf werden hauptsächlich durch die Rednitz (zum aktuellen Zeitpunkt, ohne Berücksichtigung des noch zurückzulegenden Weges: 12,9 Kubikmeter/s) und die Pegnitz (9,5) bestimmt. Rednitz und Pegnitz fließen bei Fürth zur Regnitz zusammen.
Die anderen Flüsse tragen nur wenig bei. Etwas später am 9.7.2021 um 21:00 Uhr sieht das schon anders aus:
Hochwasser im Westen
Die Abflussmenge ist bei Kreppendorf mit 110 auf das fast 100-fache gestiegen. In Hüttendorf ist schon ein Anstieg auf 86,2 zu beobachten, aber der Peak wird erst ein paar Stunden später kommen, denn die 110 von Kreppendorf brauchen ja noch eine gewisse Zeit, bis sie Hüttendorf erreichen.
Wasserstände und Abflussmengen
Die Entwicklungen auf einen Blick
Nehmen wir einmal an, dass wir das Augenmerk vor allem auf die Regnitz bei Hüttendorf im Norden legen. Wir haben nun ein paar hilfreiche Berichte angelegt und verwenden sie innerhalb von Multiples. Die Grafische Tabelle links oben liefert über Sparklines die Entwicklung der Wasserstände und Abflüsse. Dazu sehen wir die aktuellen Meldestufen und die statischen Grenzen.
Ein Blick auf die Sparklines der Abflüsse zeigt, dass die Flutwelle von Laubendorf etwas später flussabwärts auch Kreppendorf erreicht.
Die Geo-Analyse – diesmal ohne den Kartendienst – zeigt die Abflüsse und hilft uns bei der Orientierung.
Die weiteren Bausteine des Multiples-Berichts
Im Bericht links unten habe ich versucht, anstelle der diskreten Meldestufen eine stetige Variante zu entwickeln, die trotzdem immer die aktuelle Meldestufe erkennen lässt. Wenn der Wasserstand zwischen zwei Grenzen liegt, möchte man gerne wissen, ob man näher an der unteren oder an der oberen Grenze liegt. Für Hüttendorf ist der Wasserstand 359 cm, das liegt zwischen den Grenzen MS2 = 340 und MS3 = 440. Die Größe (WS – MS2)/(MS3 -MS2) = 19/100 ~ 0.2 beschreibt mit einer Zahl zwischen 0 und 1, wo man sich im Intervall befindet – hier also näher an der unteren Grenze.
Falls der Wasserstand oberhalb der maximalen Grenze liegt, muss man sich etwas einfallen lassen. Beispielsweise könnte man das Allzeithoch als künstliche übergeordnete Grenze verwenden. Die Zeile N1 = 1 hilft bei der globalen Normierung.
In den beiden restlichen Tabellen sieht man die kurzfristige zeitliche Entwicklung der beiden Größen, sowie Extremwerte der letzten 24 Stunden.
Die oberen zwei Berichte können nun genutzt werden, um gezielt einzelne Stationen auszuwählen. Mit Strg + Linksklick wird eine Zahl orangefarben markiert und die für sie gültigen Filter auf die anderen Berichte übertragen. Ein Analysewert wird auf einen anderen Bericht nicht übertragen, wenn dieser 2 oder mehr Analysewerte aufweist. Deshalb ändern sich die unteren 3 Tabellen nicht bezüglich der Analysewerte.
In einem Bericht, in welchem eine Elementauswahl auf der Achse aktiv ist, hat ein übertragenes Element der zugehörigen Dimension ebenfalls keine Auswirkung. In der Grafischen Tabelle verwenden wir eine solche Elementauswahl der Stationen, die wir von Nord nach Süd sortiert haben.
Geht man nun mit Strg + Linksklick auf die Meldestufe 3 von Weinzierlein, so schränkt sich die Geo-Analyse auf Weinzierlein mit einem Wert von 3 ein – das ist hier nicht so spannend. Wichtiger ist, dass die drei unteren Berichte nun den Verlauf von Weinzierlein zeigen:
Kritische Entwicklung der Wasserstände in Weinzierlein
Filterweitergabe ausgehend von der Geo-Analyse
Aber auch von der Geo-Analyse aus lassen sich Orte aktivieren und auf die anderen Berichte anwenden. Hier schauen wir einmal auf den zweiten kritischen Fall Kreppendorf und nutzen Strg + Linksklick in der Geo-Analyse:
Kreppendorf wird über die Geo-Analyse aktiviert
Die Berichte in der unteren Reihe haben sich angepasst.
Bemerkung: Die Verknüpfung, die wir oben bereits definiert hatten, ist weiterhin aktiv. Mit Strg + Rechtsklick könnten wir zur Zeitreihenanalyse mit den Daten von Kreppendorf springen.
Für gute Hochwasserwarnungen müssen natürlich auch noch die Vorhersagen der Niederschlagsmengen, besonders von Sturzregen eingehen. Das Thema ist brisant und herausfordernd, aber es erfordert eben auch Fachwissen in mehreren Disziplinen.
Mit diesem Beitrag sollte unter anderem demonstriert werden, dass Multiples gut geeignet sind, sich ergänzende Berichte gleichzeitig anzuzeigen und interaktive Analysen zu erlauben. Über Multiples und Verknüpfungen finden Sie im Beitrag Interaktive Analyse: Berichts-Bande knüpfen weitere relevante Informationen.
Weiterhin können Flächen in der Geo-Analyse auch Flüsse, Straßen, Plätze oder verpachtete Parzellen beschreiben – es müssen nicht immer PLZ-Bezirke sein.
Datenquellen der Wasserstände und Abflussmengen
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Datenquelle: Bayerisches Landesamt für Umwelt, www.lfu.bayern.de, Daten vom Downloadcenter des Gewässerkundlichen Dienstes.
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