Starkregengefahrenkarte Krefeld
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Starkregengefahrenkarte Krefeld

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Die Starkregengefahrenkarte Krefeld stellt maximale Wasserstände sowie maximale Fließgeschwindigkeiten dar, die im Verlauf von simulierten Starkregenereignissen in Krefeld auftreten. Die Karte ermöglicht damit die Lokalisierung von Bereichen des Stadtgebietes, in denen starkregenbedingte Überflutungen mit höherer Wahrscheinlichkeit auftreten werden. Die dargestellten Wasserstände stellen keine gemessenen Werte dar, sondern basieren auf einer hydraulischen Abflusssimulation, der einige vereinfachende Annahmen und definierte Randbedingungen zugrunde liegen.

Die Simulationen basieren auf einem digitalen Geländemodell von Krefeld, das auf der Basis flugzeuggestützter Vermessungen der Oberfläche des Stadtgebietes errechnet wurde. Aus dem digitalen Liegenschaftskataster Krefelds wurde diesem Geländemodell der vollständige Gebäudebestand hinzugefügt. Dadurch entstand ein exaktes, wenn auch vereinfachtes Modell der Oberfläche Krefelds im Format eines Gitterrasters mit einheitlichen Kantenlänge von 1 m in beiden Raumrichtungen. Gemessen an der Größe des Stadtgebietes (ca. 140 km2 ) stellt dies eine vergleichsweise hohe räumliche Auflösung dar. Das Geländemodell besteht also aus 140 Mio. Rasterzellen auf dem Stadtgebiet Krefelds. Hinzu kommen noch Außengebiete, die mitsimuliert werden.

Um dieses schematische Modell Krefelds noch realitätsnäher zu gestalten, wurden diejenigen Gegebenheiten der Oberfläche, die den Abfluss von Niederschlagswasser beeinflussen, nachträglich in das Modell eingearbeitet, bzw. angepasst: Durchlässe etwa in Straßen- oder Bahndämmen sowie Gewässerverrohrungen werden erfasst, auch durchströmbare Teile von Gebäuden, etwa Hofdurchfahrten, wurden in die Modelloberfläche eingearbeitet.

Dieses Oberflächenmodell wird dann „beregnet“, also mit einer bestimmen Niederschlagsmenge pro Flächeneinheit belastet. Die Ausbreitung des Wassers auf der Modelloberfläche wird anhand von sogenannten Flachwassergleichungen errechnet, hierbei handelt es sich um ein etabliertes Verfahren zur Simulation von Überflutungen. Flachwassergleichungen stellen Vereinfachungen eines mathematischen Modells zur Strömung von Fluiden (Navier-Stokes-Gleichungen) dar.

Die berechneten Simulationen wurden mit "künstlichen" Regenereignissen, sogenannten Modellregen durchgeführt. Bei diesen Modellregen wird vereinfachend ein standardisierter zeitlicher Verlauf über den Modellierungszeitraum angenommen, der im gesamten Stadtgebiet gleichmäßig niedergeht, denn mit der Starkregengefahrenkarte soll erreicht werden, für jeden gegebenen Ort im Stadtgebiet, eine gleichwertige Aussage über die Höhe einer möglichen Überflutung im Starkregenfall zu treffen. Diese Aussage ist dabei abhängig von der Niederschlagshöhe und der Intensität des simulierten Starkregens. Daher wurden für die Starkregen-Gefahrenkarte drei verschiedene Szenarien zugrunde gelegt:

(1) ein „intensiver“ Starkregen, wie er statistisch, ausgehend von den Niederschlagsaufzeichnungen der Jahre 1951 – 2010 in der Region Krefelds einmal in 30 Jahren eintritt, bei diesem Regen wird eine Regendauer von 60 Minuten und eine Niederschlagshöhe von 36,9 mm angesetzt. Im zeitlichen Verlauf ist dieser Regen aus 5 Minuten-Abschnitten unterschiedlicher Intensität (Niederschlagshöhe pro Zeiteinheit) aufgebaut, die zunächst relativ schnell bis zu einer maximalen Intensität ansteigen, um dann erst schnell und danach allmählich abzuklingen (Eulerregen Typ II).
(2) ein „außergewöhnlicher“ Starkregen, wie er statistisch einmal in 100 Jahren eintritt, bei diesem Regen wird eine Regendauer von 60 Minuten und eine Niederschlagshöhe von 44,7 mm angesetzt. Im zeitlichen Verlauf ist dieser Regen aus 5 Minuten-Abschnitten unterschiedlicher Intensität (Niederschlagshöhe pro Zeiteinheit) aufgebaut, die zunächst relativ schnell bis zu einer maximalen Intensität ansteigen, um dann erst schnell und danach allmählich abzuklingen (Eulerregen Typ II).
(3) ein „extremer“ Starkregen mit einer gegenüber (2) etwa verdoppelten Niederschlagshöhe von 90 mm in ebenfalls 60 Minuten. Im zeitlichen Verlauf bleibt bei diesem Regen jedoch die Intensität über die gesamte Dauer des Regenereignisses konstant (Blockregen).

Das städtische Kanalnetz ist gemäß den gesetzlichen Bestimmungen und des technischen Regelwerks ausgelegt für Niederschläge, die bis zu einer gewissen Wiederkehrwahrscheinlichkeit eintreten. Niederschlagsereignisse, die hinsichtlich ihrer Intensität, bzw. Dauer deutlich darüber hinaus gehen, können daher nur noch zu einem Teil über die Kanalisation abgleitet werden

Diese Wirkung des Kanalnetzes, einen Teil des Starkregens abzuleiten, wurde bei den Simulationen ebenfalls vereinfacht und pauschal berücksichtigt. Von Dachflächen wird generell angenommen, dass sie am Kanal angeschlossen sind und ein Teil des Niederschlages daher vom Kanal aufgenommen wird. In der Simulation wird daher dieser angenommene Anteil des Abflusses von Dachflächen nicht an die umgebende Geländeoberfläche weitergeleitet

Ausgehend vom Liegenschaftskataster der Stadt Krefeld, indem die unterschiedlichen Flächennutzungen hinterlegt sind, wurden die verschiedenen Oberflächen gemäß zweier für die Überflutung wichtiger Parameter klassifiziert.

(1) Auf Asphalt breitet sich Niederschlagswasser schneller aus als beispielsweise auf einer Rasenfläche. Die unterschiedliche Rauheit von Oberflächen, die für die Fließgeschwindigkeit von Wasser bedeutsam ist, wurde berücksichtigt, entsprechend wurden alle im Kataster vorhandenen Oberflächen hinsichtlich ihrer Rauheit parametrisiert.
(2) Auf Waldboden versickert viel Wasser, auf Kopfsteinpflaster beispielsweise dagegen nur wenig. Dem unterschiedlichen Vermögen der verschiedenen Oberflächen, Wasser zu versickern, wurde Rechnung getragen, indem die Oberflächenarten hinsichtlich der Menge und des zeitlichen Verlaufs der Versickerungsleistung, parametrisiert wurden.

Reale Starkregenereignisse sind typischerweise gekennzeichnet von einzelnen kleinräumigen Regenzellen, die auf der Gesamtfläche einer Großstadt zu einer häufig stark ungleichmäßigen Verteilung des Niederschlages führen. Zur räumlichen Verteilung eines realen Starkregens lässt sich heute praktisch noch keine Vorhersage machen. Starkregenbedingte Überflutungen können daher prinzipiell an jedem Ort der Stadt mit gleicher Wahrscheinlichkeit auftreten. Im Modell wird ein stadtgebietsweit gleichmäßiger Niederschlag angenommen, damit für jeden Ort im Stadtgebiet eine gleichwertige Aussage getroffen werden kann.

Die Versickerung ist ein Prozess, der bei einer Simulation schwer zu parametrisieren ist. Wieviel Wasser tatsächlich versickert, ist von der Beschaffenheit des Bodens, nicht nur an der unmittelbaren Oberfläche, abhängig. Wie stark aufgelockert etwa die Oberfläche ist, geht aus einem Flächennutzungskataster nicht hervor. Landwirtschaftliche Flächen oder Waldböden können sehr viel Wasser versickern. Umgekehrt können unbefestigte Flächen aber auch in erheblichem Maße zum Abfluss von Niederschlagswasser beitragen, etwa, wenn sie feuchtigkeitsgesättigt sind. Hier spielt vor allem das Niederschlagsgeschehen in den Stunden und Tagen vor dem Starkregen eine wichtige Rolle.

Um die Wirkung des Kanalnetzes im Starkregenfall realistisch zu simulieren, muss die hydraulische Abflusssimulation (diese Starkregengefahrenkarte) mit einer hydrodynamischen Simulation des Kanalnetzes gekoppelt werden (sog. gekoppelte 1D-2D-Simulation). Dies ist heute für ein so großes Gebiet wie die Stadt Krefeld noch nicht in einem einzigen Berechnungsprozess durchführbar. In dieser Modellierung wird die Wirkung des Kanalnetzes nur in stark vereinfachter Form berücksichtigt, was in der Folge dazu führt, dass Überflutungen tendenziell eher überschätzt werden.

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