Umsetzungsprojekte

Die Online-Tools auf hochwasserrisiko.ch sind auch für den Bevölkerungsschutz von Nutzen. Deshalb wurde das Mobiliar Lab vom Amt für Bevölkerungsschutz, Sport und Militär des Kantons Bern (BSM) eingeladen, die Werkzeuge im Rahmen des Chef- und Stabchefrapport vorzustellen.

Das Mobiliar Lab wurde eingeladen, die Online-Tools aus dem Bereich Hochwasserrisiko, die sich besonders für die Arbeit in den Führungsorganen anbieten, dem Berner Bevölkerungsschutz vorzustellen. Dabei wurden das Überschwemmungsgedächtnis, die Hochwasserdynamik und das neueste Tool Risikosensitivität vorgestellt und Anwendungsmöglichkeiten für den Bevölkerungsschutz aufgezeigt. Die drei Nachmittage stiessen auf grosses Interesse. Die positiven Rückmeldungen der Teilnehmenden und die konstruktiven Diskussionen haben den Praxisnutzen der Werkzeuge eindrücklich gezeigt.

Führungsorgane sind zivile Krisenstäbe der Exekutive, die im Fall eines ausserordentlichen Ereignisses, wie zum Beispiel eines grossen oder lang andauernden Hochwassers, die politischen Instanzen entlasten. Obwohl Führungsorgane auf Gemeindeebene organisiert sind, haben sich viele Gemeinden zu regionalen Führungsorganen (RFOs) zusammengeschlossen. Jährlich werden die Chefs und Stabchefs aller RFOs zum Rapport eingeladen und im Bereich Bevölkerungsschutz weitergebildet.

Dieser Nutzen für den Bevölkerungsschutz steht im Vordergrund:

• Führungsstäbe und andere Organisationen, die sich mit der Bewältigung von Hochwasserereignissen auseinandersetzen, können das Überschwemmungsgedächtnis als zentrale Plattform ihrer Bilder zu Überschwemmungen nutzen, damit diese den Organisationen selbst sowie der Öffentlichkeit langfristig zur Verfügung stehen. 
• Bisher wurden Übungen und Planungen in den Führungsstäben meist anhand von fiktiven Ereignissen durchgeführt. Mit dem Tool Hochwasserdynamik stellt das Mobiliar Lab plausible Hochwasser-Ereignisabläufe vom Niederschlag bis zu den Auswirkungen zur Verfügung, die auf wissenschaftlichen Methoden und Erkenntnissen beruhen. Das Tool soll auch dazu beitragen, die Wichtigkeit vorausschauender Planung bewusst zu machen, inklusive einer eventuellen Eskalation der Lage, um als Führungsorgan handlungsfähig zu bleiben – auch wenn es etwa darum geht, knappe Ressourcen regional zuzuteilen.
• Das neueste Online-Tool Risikosensitivität zeigt den Entscheidungsträgern im Bevölkerungsschutz auf, wie die Schäden zunehmen, wenn sich die Hochwasserabflüsse durch den Klimawandel erhöhen (vgl. ersten Beitrag dieser Ausgabe). Zudem können bereits unter den heutigen Bedingungen Abfluss-Schwellenwerte identifiziert werden, bei denen die Auswirkungen besonders stark ansteigen.

Am Beispiel von Burgdorf hat das Mobiliar Lab herausgefunden, dass durch den Einsatz von mobilen Hochwasserschutzdämmen in der Emmestadt je nach Szenario rund 2000 Personen geschützt werden können. Die Definition der geeigneten Einsatzstandorte sowie eine angemessene Einsatztaktik sind zentral.

Zahlreichen Feuerwehren in der Schweiz stehen mobile Hochwasserschutzsysteme zur Verfügung. Die bestgeeigneten Einsatzorte sowie deren Schutzwirkung gegen Hochwasser sind nicht in jedem Fall offensichtlich. So auch in der Stadt Burgdorf, die bei extremen Hochwassern ein sehr grosses Schadenpotenzial aufweist und seit 2023 über mobile Schutzschläuche gegen Hochwasser der Emme verfügt.

Im Rahmen einer bestehenden Zusammenarbeit mit der Stadt Burgdorf hat das Mobiliar Lab in einem Pilotprojekt verschiedene potenzielle Standorte für mobile Schutzschläuche ausgewertet. Es hat dies mit Hilfe des für das Tool Hochwasserdynamik verwendeten hydrodynamischen 1D-/2D-Modells analysiert, um die schadenreduzierende Wirkung der Schutzschläuche für extreme Hochwasser der Emme abzuschätzen. Dabei wurden insbesondere die Auswirkungen auf betroffene Personen, die Anzahl Gebäude, Gebäudeschäden und Arbeitsplätze ausgewertet. Im Weiteren war die Betroffenheit der kritischen Infrastruktur Gegenstand der Untersuchungen.

Die Analysen zeigen, dass der Einsatz von mobilen Schutzschläuchen an den bestgeeigneten Orten entlang der Emme das Schadenausmass in Burgdorf erheblich reduzieren kann: Je nach Szenario können bis rund 200 Gebäude geschützt werden, in denen etwa 1500 Personen wohnhaft und 2000 Arbeitsplätze untergebracht sind. Bei sehr extremen Ereignissen, die die Kapazität der Schutzdämme übersteigen, kann die Feuerwehr durch den Aufbau der Dämme immerhin den Zeitpunkt der Überschwemmung deutlich hinauszögern und dadurch wertvolle Zeit gewinnen, was beispielsweise für die Evakuierung von Personen von grosser Bedeutung sein kann.

Die Betrachtung der Wirkung von mobilen Hochwasserschutzdämmen muss um die Klärung der Grundvoraussetzungen für einen solchen Einsatz ergänzt werden. Diese beinhalten einerseits die durch das relevante Gewässer gegebene typische Vorwarnzeit und anderseits die nötige Dauer, das Dammsystem an den Einsatzort zu transportieren und aufzustellen. Schliesslich ist festzuhalten, dass die durchgeführten Simulationen Schwemmholz, Dammbrüche und weitere Faktoren nicht berücksichtigen. Diese können den Ablauf von Ereignissen massgeblich beeinflussen. Die Feuerwehr lässt die Erkenntnisse nun als wichtige Grundlage in die Übungs- und Einsatzplanung einfliessen.

Schutzziele im Hochwasserschutz und Gefahrenstufen in der Frühwarnung sind wichtige Beurteilungskonzepte im Risikomanagement. In einer Studie hat das Mobiliar Lab diese Schutzziele für die Schweizer Hauptgewässer anhand des simulierten Hochwasserabflusses, ab dem Schäden entstehen, überprüft.

Für die Entwicklung des Tools «Hochwasserdynamik» hat das Mobiliar Lab neue Hochwassersimulationsmodelle verwendet, die es speziell zur Ermittlung der Auswirkungen von sehr extremen Hochwasserszenarien geschaffen hat. Diese Modelle erlauben es auch, für jeden Flussabschnitt den minimalen Hochwasserabfluss zu ermitteln, den es braucht, damit Schäden an Gebäuden, Personen oder Arbeitsplätzen entstehen können, den sogenannt schadenrelevanten Abfluss. Dieser Wert wurde ermittelt, indem auf das Einzugsgebiet zugeschnittene Abflussganglinien so lange verstärkt wurden, bis die simulierten Hochwasser erste Gebäude mit Wohnnutzung oder mit Arbeitsplätzen in Mitleidenschaft gezogen haben. Aus dem so ermittelten minimalen schadenverursachenden Spitzenabfluss wurden die Wiederkehrperioden aus der Extremwertstatistik abgeleitet.

Die Kartierung dieser Wiederkehrperioden ergibt eine Karte der Schutzziele aus Sicht des Schadenpotenzials (siehe Abb. 1). Schutzziele definieren das angestrebte Mass an Sicherheit für verschiedene Raumnutzungen, z. B. für geschlossene Siedlungen der Schutz gegen ein 100-jährliches Hochwasser. Die Karte zeigt eine grosse Variabilität der Schutzziele über die verschiedenen Flussabschnitte im Hauptgewässernetz. Die Betrachtung der Schutzziele für längere zusammenhängende Flussabschnitte zeigt generell etwas tiefere Abflusskapazitäten als für einzelne Querschnitte. Die erste Schwachstelle im System der Schutzbauten entlang eines Flussabschnittes, an der Ausuferungen zu Schäden an Gebäuden führen, bestimmt den schadenrelevanten Abfluss des gesamten Abschnittes und damit dessen Schutzziel.

In einem zweiten Schritt wurde der schadenrelevante Abfluss jedes Flussabschnitts mit den Schwellenwerten der Gefahrenstufen verglichen. Letztere werden bei Hochwasserwarnungen vom Bundesamt für Umwelt festgesetzt. Diese Analyse zeigt, dass die definierten Schwellenwerte sehr gut mit dem Schadenpotenzial übereinstimmen (Abb. 2). Ein schadenrelevanter Abfluss tritt in der Mehrheit der Flussabschnitte erst bei Gefahrenstufe 3 auf, bei vielen Flussabschnitten erst ab Gefahrenstufe 4 oder 5. Die gewählten Schwellenwerte für die Gefahrenstufen lassen deshalb in den meisten Flussabschnitten auch Rückschlüsse zum Schadenpotenzial zu.

Die Analysen sind in dieser Masterarbeit zusammengefasst.

Wenn in Schweizer Flüssen und Seen wegen der Klimaveränderung künftig mehr Wasser abfliesst als bei den bisher grössten Hochwassern, können die Schäden stark und sprunghaft ansteigen. Dies zeigen Berechnungen des Mobiliar Labs in einem neuen Tool.

Intuitiv scheint klar, dass sich die Klimaveränderung wegen der zunehmenden Starkniederschläge auch auf Hochwasser auswirkt. Doch wie genau, war bisher wissenschaftlich nicht geklärt. Erstmals kann nun das Mobiliar Lab zeigen, in welchem Ausmass sich Mehrabflüsse in den grossen Gewässern der Schweiz auf Hochwasserschäden auswirken und welche Gewässer an welchen Abschnitten besonders stark reagieren. Diese Aussagen sind dank einem am Lab entwickelten Tool möglich. Das Online-Werkzeug richtet sich an Fachleute in den Bereichen Naturgefahren und Bevölkerungsschutz sowie an Behörden.

Das Tool liefert Antworten auf Fragen wie: Wie verändern sich die Schäden in einem Gewässerabschnitt, wenn sich der Abfluss durch die Klimaveränderung erhöht? Wie viele Personen oder Arbeitsplätze sind betroffen, wenn der Seepegel ansteigt? Was passiert, wenn die bisher maximal gemessenen Abflüsse übertroffen werden?

Die wichtigsten Antworten aus dem Tool sind: Auch wenn die Hochwasser nur leicht über die bekannten Höchstwerte hinausgehen, steigen die Schäden sprunghaft an. Und eine durch die Klimaveränderung verursachte Zunahme der Spitzenabflüsse führt zu einer deutlich höheren Zunahme an Schäden. Ausgehend vom bisher grössten beobachteten Hochwasser steigen so etwa die Gebäudeschäden bei einem Mehrabfluss von 10 Prozent durchschnittlich um mehr als 40 Prozent. Bei 20 Prozent Mehrabfluss steigen die Schäden sprunghaft um 80 Prozent an.

Die zu erwartenden Schäden unterscheiden sich allerdings entlang eines Flusses und von Gewässer zu Gewässer stark. Nicht alle Abschnitte reagieren gleich empfindlich auf grössere Hochwasser. Entsprechend lassen sich im Hochwassermanagement auf dieser Grundlage basierende Prioritäten setzen, um die zur Verfügung stehenden Ressourcen optimal einzusetzen.

Die Auswertung «Schadenpotenzial Oberflächenabfluss» zeigt für jede Gemeinde das Schadenpotenzial auf, das sich aus der Gefährdung von Gebäuden durch Oberflächenabfluss ergibt. Fazit: Oberflächenabfluss betrifft alle Gemeinden, das Schadenpotenzial ist sehr hoch und es lohnt sich, diesen Prozess in Zukunft in der Raumplanung miteinzubeziehen.

Das Mobiliar Lab hat eine Übersicht zum Schadenpotenzial durch Oberflächenabfluss in der Schweiz erstellt, sie basiert auf der «Gefährdungskarte Oberflächenabfluss». Das Schadenpotenzial durch Oberflächenabfluss wurde auf Gemeindeebene ausgewertet, wobei gefährdete Gebäude, Gebäudewerte, wohnhafte Personen und Beschäftigte analog zum Tool «Schadenpotenzial Hochwasser» berechnet wurden.

Die Auswertung zeigt, dass 62 Prozent der Gebäude durch Oberflächenabfluss gefährdet sind. Das sind rund 1,3 Millionen Gebäude mit einem Neuwert von 2’300 Milliarden Franken. Zudem wohnen 76 Prozent aller Menschen in der Schweiz in Gebäuden, die durch Oberflächenabfluss gefährdet sind. 89 Prozent der Beschäftigten arbeiten in solchen Gebäuden.

Mit der Überlagerung der Anzahl gefährdeter Gebäude mit dem Anteil gefährdeter Gebäude pro Gemeinde kann auf einfache Art gezeigt werden, welche Gemeinden beim Oberflächenabfluss besonders stark exponiert sind. Im «Leitfaden zur Methodik» wird dabei eine kurze Analyse der erkennbaren Kartenmuster aufgezeigt. 

In den meisten Kantonen sind in der gelben Gefahrenzone keine Massnahmen zum Hochwasserschutz erforderlich, doch sind in dieser Gefahrenzone 73 Prozent der Gebäude durch Oberflächenabfluss gefährdet. Das bedeutet, dass Objektschutzmassnahmen gegen Oberflächenabfluss hier auch gegen Hochwasser wirksam wären. In einem ersten Schritt lohnen sich Objektschutzmassnahmen daher vor allem bei Gebäuden in der gelben Hochwassergefahrenzone, die gleichzeitig auch durch Oberflächenabfluss gefährdet sind.

In vier Lernmodulen wird aktuelles Forschungs- und Praxiswissen zu Hagel und zu dem von Hagel ausgehenden Risiko in der Schweiz vermittelt. Die Inhalte richten sich an die Sekundarstufe II und knüpfen an Themen aus dem Fach Geografie an. Die im Zentrum stehenden Fragestellungen und Lernaufgaben bauen auf dem bestehenden Vorwissen der Lernenden auf und regen zum selbständigen Denken und Recherchieren an. In einer weiterführenden Aufgabenstellung kann das angeeignete Wissen in jedem Modul mit praxisnahen Beispielen angewendet und vertieft werden.

Die einzelnen Lernmodule können unabhängig voneinander im Unterricht eingesetzt werden, gleichzeitig weisen aber auch inhaltliche Verweise zwischen den Modulen auf bestehende Zusammenhänge.

Einführung – Entstehung von Hagel und Informationen zu den Lernmodulen

Modul 1 – Beobachtung und Messung von Hagel

Modul 2 – Hagelvorkommen in der Schweiz

Modul 3 – Hagelrisiko und Schutz vor Hagel

Modul 4 – Hagel, Klimawandel und Risikoentwicklung

Ableitung von Verletzlichkeitsfunktion an Autos.

Bei einem grossräumigen Extremszenario für die Schweiz schnellen die Schäden vielerorts praktisch gleichzeitig sprunghaft in die Höhe und können den bisherigen Beobachtungsbereich deutlich übersteigen. Diese und weitere Erkenntnisse konnte das Mobiliar Lab mithilfe seines neuen Tools Hochwasserdynamik gewinnen.

Mit dem neuen Tool Hochwasserdynamik lassen sich erstmals für grosse Teile der Schweiz die konkreten Auswirkungen extremer, noch nie so aufgetretener Niederschlagsszenarien zeigen. Das «Denken des Undenkbaren» ermöglicht eine bessere Vorbereitung auf solche Extremereignisse. Das Tool simuliert den Ablauf des ausgewählten Niederschlagsereignisses sowohl in seiner räumlichen wie zeitlichen Entwicklung und Dynamik. Dadurch eröffnet es einen neuen Blick auf Hochwasserereignisse mit deren Auswirkungen und trägt als Übungstool für den Bevölkerungsschutz dazu bei, die Notfallplanung zu verbessern und Schäden zu mindern.

Das Mobiliar Lab setzt das Tool auch zu Forschungszwecken ein und hat die Simulationsresultate detailliert ausgewertet. Eine der wichtigsten daraus gewonnenen Erkenntnisse ist die sehr grosse überregionale Betroffenheit bei einem grossräumigen Extremszenario. Der Umstand, dass grosse Schäden an vielen Orten innerhalb des modellierten Einzugsgebiets fast gleichzeitig auftreten, führt innert Kürze zu einer komplexen und schwierig zu bewältigenden Situation, die bei den Einsatzkräften zu erheblichen logistischen und personellen Engpässen führen kann. Um auf solche Ereignisse effektiv reagieren zu können, ist eine koordinierte überregionale Notfallplanung zentral. Zudem ist es wichtig, den Zeitpunkt des zu erwartenden Überlastfalls zu kennen.

Weiter zeigen die Resultate der Simulationen, dass in einzelnen Fliessgewässern Hochwasserabflüsse auftreten können, deren Wassermengen den bisherigen Erfahrungs- und Beobachtungsbereich teilweise massiv überschreiten. Entsprechend ist mit deutlich höheren Schäden zu rechnen als mit jenen des Jahrhunderthochwassers von 2005. Es drängt sich daher auf, auch solche «undenkbaren» Situationen in die Präventionsplanung miteinzubeziehen.

Die ausführlichen Erkenntnisse lassen sich unter dem entsprechenden Menüpunkt innerhalb des Hochwasserdynamik-Tools nachlesen.

Bereich Bildung auf der Landingpage hochwasserrisiko.ch: Erstellung von Lernmodulen, die die bestehenden Hochwasserrisiko-Tools einbezieht. Anknüpfung an gymnasiale Lehrpläne und didaktische Expertenbegleitung ist sichergestellt.

Online-Tool zeigt: Drohende Hochwasserschäden werden unterschätzt

Mögliche Hochwasserrisiken wurden in der Schweiz bis anhin unterschätzt. Gebiete, in denen nur eine geringe Hochwassergefährdung besteht, sind vielerorts dicht bebaut, deshalb fallen die möglichen Gebäudeschäden in ihrer Summe viel stärker ins Gewicht als bisher angenommen. Das zeigt ein neues Online-Tool, das am Mobiliar Lab für Naturrisiken der Universität Bern entwickelt wurde.

Vier von fünf Schweizer Gemeinden waren in den vergangenen 40 Jahren von Überschwemmun-gen betroffen. Das sorgte nicht nur für viel Beeinträchtigungen bei der betroffenen Bevölkerung, sondern auch für hohe Kosten. Viele Überschwemmungsgebiete sind heute mit Gebäuden und Infrastrukturanlagen aller Art überbaut, deshalb ist ein adäquater Schutz nötig, um grosse Schäden zu verhindern. Gerade die aktuelle Pandemie zeigt, dass die Kenntnisse über die möglichen Auswirkungen eines Ereignisses zentral sind, um die richtigen Massnahmen zu ergreifen.

Aus diesem Grund sind schweizweit für das ganze Siedlungsgebiet detaillierte Gefahrenkarten erstellt worden. Bloss: Diese Karten zeigen nur, wie häufig und wie intensiv Überschwemmungen sein können. Informationen darüber, was genau gefährdet ist, und wie hoch das Schadenausmass bei einem Hochwasser sein könnte, fehlen. «Für eine ganzheitliche Sicht im Risikomanagement sind solche Informationen aber zentral», sagt Margreth Keiler, Professorin für Geomorphologie und Risiko an der Universität Bern und Co-Leiterin des Mobiliar Labs für Naturrisiken der Universität Bern, «denn geringe Gefährdung bedeutet nicht automatisch auch geringen Schaden.» Auch die Kantone und der Bund tragen dem Rechnung und erarbeiten deshalb vermehrt Risikoübersichten.

Schadensimulator zeigt mögliches Schadenausmass für jede Gemeinde

Das Mobiliar Lab für Naturrisiken der Universität Bern unterstützt diese Bestrebungen für eine gesamtheitliche Sicht im Risikomanagement mit dem heute lancierten Schadensimulator (www.schadensimulator.ch). Dieses neue Webtool ergänzt die Gefahrenkarten mit den Auswirkungen von Hochwassern, wodurch Hochwasserrisiken besser erkennbar werden. Der Schadensimulator basiert auf neuentwickelten Modellen und statistischen Analysen, die neben Überschwemmungsschäden der vergangenen Jahre die Lage der Gebäude in den Gefahrenzonen und Informationen zu den Gebäuden berücksichtigen. Der Simulator weist für jede Gemeinde der Schweiz aus, wie gross das mögliche Schadenausmass bei einem Hochwasser ist. Mit seiner Hilfe lässt sich zudem simulieren, wie sich das mögliche Schadenausmass in Zukunft verändern könnte, zum Beispiel wenn die bestehenden Bauzonen überbaut werden. Der Schadensimulator ist deshalb eine wichtige Entscheidungshilfe für Behörden, Planerinnen und Ingenieure.

Grosse Schäden trotz geringer Gefährdung

Auf dem Schadensimulator basierende Forschungsarbeiten des Mobiliar Labs für Naturrisiken belegen, dass mögliche Schäden in Gebieten, in denen nur eine geringe Hochwassergefährdung besteht (gelbe Zonen auf der Gefahrenkarte), massiv unterschätzt wurden. Der Grund: Zwar sind die Schäden bei einem einzelnen Gebäude gering, doch weil die gelben Zonen oftmals stark überbaut sind, ist die Gesamtschadensumme hier auch im Vergleich mit den stärker gefährdeten blauen und roten Zonen sehr hoch. Gerade die gelbe Gefahrenzone wird aber bis heute oft vernachlässigt, um Risiken zu reduzieren. So werden hier – im Gegensatz zur blauen Zone – in den meisten Kantonen beim Um- oder Neubau von Gebäuden von den Bauherren keine spezifischen Massnahmen gegen Hochwasser verlangt.

Dank Schutzmassnahmen an Gebäuden Schäden reduzieren

Die Forschungsarbeiten mit dem Schadensimulator zeigen auch, wie sich die bauliche Verdichtung auf die durch Hochwasser gefährdeten Werte auswirkt. Geht man davon aus, dass bis im Jahr 2040 schweizweit ein Drittel der verfügbaren Bauzonenreserven überbaut werden, könnten die gefährdeten Gebäudewerte um 5.3 Mrd. Franken zunehmen. Würden die verfügbaren Bauzonenreserven schweizweit sogar komplett überbaut, könnten die gefährdeten Gebäudewerte um 16.6 Mrd. Franken zunehmen. 

Die höheren Schäden, die durch einen Anstieg der gefährdeten Gebäudewerte verursacht werden, lassen sich allerdings mit geeigneten Massnahmen begrenzen. «Angesichts des hohen möglichen Schadenausmasses wären Massnahmen auch bei einer geringen Hochwassergefährdung wichtig», erklärt Margreth Keiler. Sogenannte Objektschutzmassnahmen beispielsweise könnten schon mit tiefen Kosten eine grosse Wirkung erzielen. Solch kleine bauliche Anpassungen sind etwa erhöhte Türschwellen oder Lichtschächte, die verhindern, dass Wasser ins Gebäude eindringen kann. Soll das mögliche Schadenausmass entscheidend vermindert werden, reicht es allerdings nicht, nur bei Neubauten Objektschutzmassnahmen vorzuschreiben, betont Keiler: «Dann müssen sie zwingend auch an bestehenden Bauten realisiert werden.»

Es wurden eine Datenbank und ein Abfragesystem erarbeitet, das für alle vermessenen Flussabschnitte vorprozessierte Überflutungskarten untersucht und mittels Ähnlichkeitsanalysen die Überflutungskarten aus der Datenbank extrahiert, die am besten mit vorhergesagten Hochwasser-Ganglinien entsprechen.

Beim Hochwasserrisikomanagement hat die Wahl der Verletzlichkeitsfunktionen einen bemerkenswerten Einfluss auf die Gesamtunsicherheit der Modellierung von Hochwasserschäden. Die räumliche Übertragbarkeit empirischer Verletzlichkeitsfunktionen ist begrenzt, was die Notwendigkeit der Berechnung und Validierung regionsspezifischer Verletzlichkeitsfunktionen zur Folge hat. In datenarmen Regionen ist diese Option jedoch nicht durchführbar. Im Gegensatz dazu können in diesen Regionen die physikalischen Prozesse von Hochwasserauswirkungsmodellketten aufgrund der Verfügbarkeit von globalen Datensätzen entwickelt werden. In diesem Umsetzungsprojekt haben wir eine synthetische Verletzlichkeitsfunktion entwickelt und in eine Modellkette eingebaut. Die Funktion basiert auf Expertenheuristiken an gezielten Stichproben repräsentativer Gebäude. Wir wandten die Vulnerabilitätsfunktion in einem mesoskaligen Flusseinzugsgebiet an und evaluierten die neue Funktion, indem wir die resultierenden Hochwasserschäden mit den von anderen Ansätzen berechneten Schäden verglichen, (1) ein Ensemble von aus der Literatur verfügbaren Verletzlichkeitsfunktionen, (2) eine daten-getriebene Verletzlichkeitsfunktion, die mit regionsspezifischen Daten kalibriert wurde, und (3) die Verletzlichkeitsfunktion, die im Schweizerischen Hochwasserrisikomanagement häufig verwendet wird. Die Ergebnisse zeigen, dass Heuristiken eine wertvolle Alternative für die Entwicklung von Hochwasserauswirkungsmodellen in Regionen ohne oder mit nur wenigen Daten über Hochwasserschäden sein können.

Aufbau einer internen Datenbank zur zentralen Verwaltung von grossen Geodatenbeständen für das Mobiliar Lab.

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

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.

Die interaktive Karte auf 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.

In der Schweiz verursachen Hochwasser regelmässig Schäden in Millionenhöhe. Bund, Kantone und Gemeinden geben jährlich Hunderte Millionen Franken aus, um Bevölkerung und Sachwerte vor Überschwemmungen zu schützen. Die Hochwassergefahrenkarten zeigen mit hoher räumlicher Auflösung, wo, wie häufig und wie intensiv Hochwasserereignisse auftreten können. Werden die Gefahrenkarten in Kombination mit sozioökonomischen Daten wie Bevölkerungszahlen oder Gebäudewerten räumlich analysiert, so lassen sich die Schadenschwerpunkte künftiger Ereignisse abschätzen. Und diese Information wiederum hilft mit, den Bedarf an Schutzmassnahmen zu eruieren und diese zu priorisieren.

Basierend auf den Gefahrenkarten können auf der Webseite «Schadenpotenzial Hochwasser» (schadenpotenzial.ch) schweizweit die potenziell von Hochwassern betroffenen Schutzgüter dargestellt werden. Und dies in verschiedenen räumlichen Einheiten (Ort / Quartier, Gemeinde und Kanton sowie für ein Hexagonraster). Folgende Schutzgüter stehen zur Auswahl:

• Gebäude (gesamt, differenziert nach Nutzung)
• Gebäudewerte
• Personen (wohnhafte Personen, Arbeitsplätze)
• Spitäler, Kulturgüter, Schulen und Hochschulen, Alters- und Pflegeheime

Mit verschiedenen Analysewerkzeugen lassen sich die absoluten und relativen Werte der hochwassergefährdeten Schutzgüter einfach miteinander vergleichen.

Die interaktive Webseite 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 doch auch Sie der Allgemeinheit und der Forschung Ihre Überschwemmungsbilder zur Verfügung!

Lesen Sie hier die Medienmitteilung.

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. Sie können mehr über die Methode in dieser Studie lesen.

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.

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 der Fachartikel (PDF, 3.6 MB). Ein detaillierter Beschrieb des Modells und der Transportgleichungen findet sich bei Mazzorana et al. (2011). Informationen zur vektorbasierten Version in R gibt Zischg et al. (2018).

Referenzen:

Zischg, A.P.; Galatioto, N.; Deplazes, S.; Weingartner, R.; Mazzorana, B. Modelling Spatiotemporal Dynamics of Large Wood Recruitment, Transport, and Deposition at the River Reach Scale during Extreme Floods. Water 2018, 10, 1134. https://doi.org/10.3390/w10091134 .

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.

Im Herbst 2018 ist die am Mobiliar Lab für Naturrisiken erarbeitete Publikation «Werkzeuge zum Thema Oberflächenabfluss als Naturgefahr – eine Entscheidungshilfe» erschienen. Ihr Hauptziel besteht darin, Fachpersonen bei der Auswahl der geeigneten Werkzeuge für die Beurteilung eines konkreten Falls zu unterstützen.

Nach der Erläuterung des aktuellen Wissensstands zur Thematik folgt im Handbuch das zentrale Entscheidungsschema (s. Abb.), das die acht Werkzeuge hinsichtlich Einsatzzweck, Branche und Aufwand charakterisiert. Im Anschluss daran werden die Werkzeuge mithilfe eines Faktenblatts einzeln vorgestellt. Ihre Anwendung wird schliesslich anhand einer typischen Fragestellung in einem exemplarischen, gemeinsamen Untersuchungsgebiet illustriert.

Die Autoren stellen in der Publikation jeweils Werkzeuge vor, die sie grösstenteils selbst entwickelt haben. Erarbeitet wurden die Beiträge vom Mobiliar Lab für Naturrisiken, von Agroscope, vom Büro geo7 und von der Vereinigung Kantonaler Feuerversicherungen, VKF. Folgende Werkzeuge sind Teil des Handbuchs: Gefährdungskarte Oberflächenabfluss, Erosionsrisiko- und Gewässeranschlusskarte, punktuelle Gefahrenabklärung, Modellierung von Phosphorverlusten, feinskalige Modellierung von Oberflächenabfluss, Toolbox zur Schadendaten-Klassierung, Beobachtungsdaten von Oberflächenabfluss-Ereignissen und Gebäudeschutzmassnahmen gegen Oberflächenabfluss.

Ein zusätzliches, für eine Fachpublikation eher überraschendes Element, stellt ein Beitrag der Schweizer Künstlerin Ester Vonplon dar. Ihre Fotoserie ist in der Buchmitte als sogenanntes Insert platziert. Dieser künstlerische Beitrag soll den Leserinnen und Lesern einen Zugang zur Thematik eröffnen, der über die wissenschaftliche Auseinandersetzung hinausgeht. Er regt uns alle zum Nachdenken an, indem die Frage aufgeworfen wird, wie wir künftig mit der Natur umgehen werden.

Die Entscheidungshilfe Oberflächenabfluss liegt sowohl in Buchform als auch als PDF-Datei vor. Sie wurde in der Reihe «Hydrologie der Schweiz» publiziert. Herausgeber sind die Schweizerische Gesellschaft für Hydrologie und Limnologie (SGHL), die Schweizerische Hydrologische Kommission (CHy) der Akademie der Naturwissenschaften Schweiz (SCNAT) sowie das Mobiliar Lab für Naturrisiken. Das Buch kann bei der CHy bezogen werden. Die PDF-Datei kann über die unten aufgeführten Links heruntergeladen werden.

Entscheidungshilfe Oberflächenabfluss (originale Grösse) (PDF, 76 MB)

Entscheidungshilfe Oberflächenabfluss (verminderte Grösse und Funktionen) (PDF, 19.7 MB)

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.giub.unibe.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.

Das Mobiliar Lab für Naturrisiken und das Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie MeteoSchweiz haben in den Jahren 2015-2018 eine neue kurzfristige Hagelwarnung getestet. Die Hagelwarnung hat sich über die 4 Jahre markant verbessert. Die Resultate des Projekts werden weiter analysiert und die Hagelforschung weiter vorangetrieben, um in Zukunft noch präzisere Hagelwarnungen versenden zu können.

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.

Die Schäden von sieben historischen Stürmen (inkl. Lothar) wurden in Abhängigkeit der Böenspitze modelliert. Eine eindeutige Beziehung zwischen Böenspitze und Schadengrad konnte jedoch auf der verfügbaren Datenbasis nicht hergeleitet werden.

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

Vulnerabilitätsfunktion Hagel – Fahrzeugschäden wurde erstellt.

Eine nationale Gefahrenkarte für Hagel wurde erarbeitet und die Ergebnisse publiziert: http://dx.doi.org/10.1002/qj.2771.

Nutzer melden über die MeteoSchweiz-App Hagelbeobachtungen und leisten somit einen grossen Beitrag an die Hagelforschung. Die gemeldeten Hagelbeobachten schliessen eine Lücke zwischen den Wetterradar-Hagel-Algorithmen und den im Frühjahr installierten Hagelsensoren des Projekts "Das Schweizer Hagelmessnetz".

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.