Überflutungsnachweis mit gekoppeltem Oberflächenmodell

Im Bereich eines Pumpwerkes sind Überlastungen des Kanalnetzes aufgetreten. Diese Überlastungen sollen unter zwei Gesichtspunkten betrachtet werden:

• Das Pumpwerk ist ausgefallen. Hierdurch konnten die ankommenden Abflüsse nicht ableitet werden. Welche Überflutungen treten auf?
• Nach den allgemein anerkannten Regeln der Technik muss ein Kanalisationsnetz nicht auf Niederschlagsereignisse beliebiger Intensität ausgelegt werden. Welche Überlastungen treten bei Extremereignissen auf?
• Welche Überlastungen treten bei Bemessungsereignissen noch auf?

Die Abgrenzung des Gebietes für den Ist-Zustand ist aus den Grundlagendaten der Generalentwässerungsplanung übernommen worden. Gleiches gilt für die Grunddaten des Kanalnetzes. Beide Grundlagen wurden abgestimmt und geprüft und sind als gesichert anzusehen. Abb. 1 zeigt den relevanten Bereich. Das Einzugsgebiet des Pumpwerkes ist grün markiert.

Zur Beurteilung der Überflutungen und der Fließwege im Überflutungsfall bei einem Extremereignis, sei es aufgrund eines extremen Niederschlages, eines technischen Defektes im Netz oder einer Kombination beider Ursachen, ist die Kenntnis der Topographie im Gebiet relevant.
Ist ein digitales Geländehöhenmodell (DGM) für das betreffende Gebiet nicht verfügbar, kann behelfsweise aus den genau eingemessenen Schachtdeckelhöhen der Kanalschächte ein Höhenmodell für den relevanten Bereich generiert werden. Das so erzeugte DGM kann jedoch nicht für lokale Details, wie zum Beispiel Haus oder Garageneinfahrten, herangezogen werden, da diese unabhängig von den aufgemessenen Schachtdeckelhöhen sind.
Eine derart detaillierte Betrachtung wäre jedoch auch mit einem üblicherweise verwendeten DGM, z.B. des Landesvermessungsamtes, im Raster 2x2m oder 5x5m nicht möglich. In diesem Fall müsste sich eine Aussage auf eine im Detail durchzuführende Vermessungsleistung einzelner Objekte stützen. Abb. 2 zeigt das aus den Schachtdeckelhöhen generierte Höhenmodell für das betreffende Gebiet.

Es ist zu erkennen, dass im östlichen Bereich ohne Bebauung und damit im Wesentlichen ohne Höheninformationen aus den Schachtdeckelhöhen die Interpolation der Rasterpunkte für das DGM unsicher ist. Dieser Bereich ist für die vorliegende Fragestellung jedoch unerheblich.
Ein weiterer Punkt mit Unsicherheiten liegt im Osten im Bereich der Brache. Diese insgesamt etwas tiefer als die Straße gelegene Fläche ist im Höhenmodell nur durch eine einzige Schachtdeckelhöhe gekennzeichnet, die Höhenmodellierung zeigt diese singuläre Charakteristik. In allen Bereichen, die durch Kanäle abgedeckt sind, ist die Höheninformation jedoch sehr gut.

Die hydrodynamischen Berechnungen im Kanalnetz werden mit dem Kanalnetzmodell MOUSE des Danish Hydraulic Institute (DHI), die Oberflächenabflüsse bei Überstau des Kanalnetzes mit dem 2-dimensional instationären Modell MIKE 21 (ebenfalls DHI) berechnet. Beide Modelle sind vollständig dynamisch gekoppelt, d.h. dass Überstau aus dem Kanalnetz nach dem Gefälle der Oberfläche abfließt bzw. in Geländemulden gespeichert wird. Während oder nach Ende des Ereignisses ist auch ein Rückfluss von der Oberfläche in das Kanalnetz wieder möglich. Insgesamt sind für das Einzugsgebiet des Pumpwerkes und das engere Umfeld ca. 450 Schächte zwischen dem Kanalnetzmodell Mouse und dem Oberflächenmodell Mike21 gekoppelt.


Berechnungen zum Extremereignis

In der ersten Variante wurde das Extremniederschlagsereignis als Belastung des Netzes zugrunde gelegt. Weiterhin wurde angenommen, dass alle vorhandenen Pumpen einsatzbereit waren. Es zeigt sich an verschiedenen Stellen im Netz Überstau auch erheblichen Ausmaßes (Abb. 3). Dies ist bei einem Ereignis einer Jährlichkeit von größer als Tn=100 Jahren auch zulässig. Betroffen sind vor allem die schon im Geländemodell erkennbaren Tiefpunkte im Netz.
Bei Ausfall einer der Regenwasserpumpen halbiert sich die Leistung des Pumpwerkes und der Überstau nimmt zu, wie dies in Abb. 4 zu erkennen ist. Der zusätzliche Überstau konzentriert sich jedoch im Wesentlichen auf den direkten Bereich des Pumpwerkes mit den östlich gelegenen Flächen. Bei den Überlastungen im oberen Teil kann davon ausgegangen werden, dass ein großer Teil des Abflussvolumens in die etwas tiefer gelegene Brache fließen wird. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Nachbildung der Geländehöhen nicht bis ins Detail korrekt ist. Es verbleibt eine deutliche Mehrbelastung beim Ausfall einer Pumpe im nordwestlichen Bereich des Pumpwerkes.


Berechnungen zu Bemessungsereignissen

Bei einer Jährlichkeit von Tn=2 Jahren ist von einem überstaufreien Netzbetrieb auszugehen. Das Ergebnis dieser Berechnungen ist in Abb. 5 dargestellt. Es zeigen sich nur geringe Überlastungen, die deutlich innerhalb des Rahmens der Berechnungsgenauigkeiten liegen. Abb. 6 zeigt ein Detail.
Für die Beurteilung eines Überschwemmungsszenarios mit noch nicht schadhaftem Überstau (keine Überflutung) eines Netzes ist ein 20-jährliches Ereignis maßgebend. Die Ergebnisse sind in Abb. 7 dargestellt.
Die Bereiche mit Überstau im Netz weisen durchweg kleine Ausdehnungen und Tiefen von lediglich bis zu 10 cm auf. Austritte dieser Art sind in einem Netz zulässig und können im Rahmen kleiner baulicher Anpassungen der Anlieger schadensfrei gehalten werden.
Im pumpwerksfernen Bereich des Einzugsgebietes sind in Abb. 7 deutlichere und großflächigere Überlastungen zu erkennen, Abb. 8 zeigt einen Detailausschnitt. In diesem Bereich wurden Überflutungen in der Größenordnung von 10 cm bis 20 cm berechnet. Diese können schadfrei bleiben, wenn im Straßenraum Vorkehrungen im Sinne von nicht abgesenkten Bordsteinen, gering erhöhten Einfahrten etc. getroffen sind.