Bewertung von Einflüssen tschechischer und thüringer Talsperren auf Hochwasser an Moldau und Elbe in Tschechien und Deutschland mittels Einsatz mathematischer Abflussmodelle Erstellt im Rahmen des EU-Interreg-Projekts LABEL Anpassung an das Hochwasserrisiko im Elbeeinzugsgebiet
Titelfoto: Hochwasserableitung an der Talsperre Orlík/Moldau am 14.08.2002 (M. Raudenský)
Bewertung von Einflüssen tschechischer und thüringer Talsperren auf Hochwasser an Moldau und Elbe in Tschechien und Deutschland mittels Einsatz mathematischer Abflussmodelle Erstellt im Rahmen des EU-Interreg-Projekts LABEL Anpassung an das Hochwasserrisiko im Elbeeinzugsgebiet Autoren: Dipl.-Met. Norbert Busch, Bundesanstalt für (BfG) Ing. Pavel Balvín, T.G. Masaryk Water Research Institute (VUV) Dipl.-Geoökol. Marcus Hatz, Bundesanstalt für (BfG) Ing. Jakub Krejčí, PhD AquaLogic Consulting Seitenzahl: 108 Koblenz, den 11.06.2012 Der darf nur ungekürzt vervielfältigt werden. Die Vervielfältigung und eine Veröffentlichung bedürfen der schriftlichen Genehmigung der BfG.
2
Inhaltsverzeichnis INHALTSVERZEICHNIS...3 ABBILDUNGSVERZEICHNIS...4 TABELLENVERZEICHNIS...6 ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS...7 1 EINLEITUNG UND VERANLASSUNG...9 2 DIE HYDROLOGISCHEN VERHÄLTNISSE IM EINZUGSGEBIET DER ELBE...11 2.1 DER TSCHECHISCHE TEIL DES EINZUGSGEBIETS DER ELBE...11 2.2 DER DEUTSCHE TEIL DES EINZUGSGEBIETS DER ELBE...19 2.3 GENESEN CHARAKTERISTISCHER HOCHWASSER IM ELBE-EINZUGSGEBIET...23 3 TALSPERREN IN DER TSCHECHISCHEN REPUBLIK...31 3.1 ÜBERSICHT...31 3.2 TALSPERRENBETRIEB WÄHREND DER HOCHWASSER 2002, 2006 UND 2011...38 4 VORGEHENSWEISE UND MODELLE...47 4.1 EINGESETZTE MODELLWERKZEUGE...48 4.1.1 Eingesetzte Modelle für den tschechischen Teil der Elbegebiets...48 4.1.2 Das SOBEK-Modell für den deutschen Teil des Elbegebiets...55 4.2 GENERIERUNG VON MODELLHOCHWASSERN...58 4.2.1 Ableitung unbeeinflusster Ganglinien aus historischen Hochwassern...58 4.2.2 Generierung von Modellhochwassern aus unbeeinflussten Ganglinien...60 5 SIMULATIONSERGEBNISSE...67 5.1 HISTORISCHE HOCHWASSEREREIGNISSE...67 5.1.1 Das Hochwasser vom August 2002...68 5.1.2 Das Hochwasser vom April 2006...72 5.1.3 Das Hochwasser vom Januar 2011...75 5.2 MODELLHOCHWASSEREREIGNISSE...78 5.2.1 Ergebnisse für die Moldau und die tschechische Elbe...79 5.2.2 Ergebnisse für die deutsche Elbe...89 6 PERSPEKTIVEN UND EMPFEHLUNGEN...95 7 ZUSAMMENFASSUNG...101 8 LITERATUR...105 3
Abbildungsverzeichnis ABBILDUNG 1: ENTWICKLUNG DES OBERIRDISCHEN EINZUGSGEBIETS DER ELBE UNTERSTROM VON BRANDÝS (OBERE MODELLGRENZE IN TSCHECHIEN)...11 ABBILDUNG 2: DIE ELBE UND IHR EINZUGSGEBIET...12 ABBILDUNG 3: MITTLERE JAHRESABFLUSSGANGLINIEN FÜR DIE PEGEL LOUNY (EGER), CHUCHLE (MOLDAU), BRANDÝS (ELBE), MĚLNÍK (ELBE) UND ÚSTÍ NAD LABEM (ELBE)...13 ABBILDUNG 4: JÄHRLICHE HOCHWASSERSCHEITELABFLÜSSE AM PEGEL DĚČÍN...14 ABBILDUNG 5: ABFLUSSGANGLINIEN DER HOCHWASSER 2002, 2006 UND 2011 AN DEN PEGELN PRAG-CHUCHLE (MOLDAU) UND ÚSTÍ NAD LABEM (ELBE)...15 ABBILDUNG 6: (A) DER BURGFELSEN IN DĚČÍN UND (B) DER KOPF DES BÄRTIGEN IN PRAG...16 ABBILDUNG 7: ENTWICKLUNG DES OBERIRDISCHEN EINZUGSGEBIETS DER ELBE UNTERHALB DER TSCHECHISCH-DEUTSCHEN GRENZE UNTER BERÜCKSICHTIGUNG DER WICHTIGSTEN NEBENFLÜSSE...19 ABBILDUNG 8: MITTLERE JAHRESABFLUSSGANGLINIEN FÜR DIE PEGEL DRESDEN, BARBY UND WITTENBERGE...20 ABBILDUNG 9: JÄHRLICHE HOCHWASSERSCHEITELABFLÜSSE AM PEGEL DRESDEN...21 ABBILDUNG 10: ABFLUSSGANGLINIEN DER HOCHWASSER 1988, 2002 & 2006 AN DEN PEGELN DRESDEN & WITTENBERGE...22 ABBILDUNG 11: GEMESSENE ABFLUSSGANGLINIEN WÄHREND DER HOCHWASSER 2002, 2006 UND 2011...24 ABBILDUNG 12: REGIONALE VERTEILUNG DER NIEDERSCHLAGSSUMMEN IN TSCHECHIEN FÜR DEN ZEITRAUM ZWISCHEN 6.8.2002 UND 15.8.2002...25 ABBILDUNG 13: DAS HOCHWASSER 2002 IN PRAG UND IN DĚČÍN...25 ABBILDUNG 14: ZUSAMMENFLUSS VON MOLDAU UND ELBE IM JAHR 2006; AUSGEDEHNTE ÜBERSCHWEMMUNGSFLÄCHE IM BEREICH LEITMERITZ (MÜNDUNG DER EGER IN DIE ELBE) IM JAHR 2006...27 ABBILDUNG 15: GEWÄSSERNETZ DES TSCHECHISCHEN EINZUGSGEBIETS DER ELBE UND LAGE DER IN DEN UNTERSUCHUNGEN BERÜCKSICHTIGTEN TALSPERREN...31 ABBILDUNG 16: SCHEMATISCHE DARSTELLUNG EINER TALSPERRE MIT UNTERSCHIEDLICHEN BETRIEBSWASSERSTÄNDEN UND SPEICHERRÄUMEN...33 ABBILDUNG 17: TALSPERREN AN DER MOLDAU IM ÜBERBLICK...34 ABBILDUNG 18: VORENTLEERUNG DER TALSPERRE ORLÍK WÄHREND DES HOCHWASSERS 2006...39 ABBILDUNG 19: STEUERUNG DER TALSPERRE ORLÍK WÄHREND DES HOCHWASSERS 2002...40 ABBILDUNG 20: STEUERUNG DER MOLDAUKASKADE WÄHREND DES HOCHWASSERS 2006...43 ABBILDUNG 21: STEUERUNG DER TALSPERRE ORLÍK WÄHREND DES HOCHWASSERS 2011...45 ABBILDUNG 22: SCHEMATISCHE ÜBERSICHT ÜBER DIE ABFOLGE DER ARBEITSSCHRITTE IM PROJEKT...47 ABBILDUNG 23: DIFFUSE, LATERALE ZUFLÜSSE AUS TEILEINZUGSGEBIETEN IM MODELL...52 ABBILDUNG 24: MODELLLAYOUT DES HEC-RAS-MODELLS FÜR DEN TSCHECHISCHEN ABSCHNITT DER ELBE - BEEINFLUSSTER ZUSTAND UND UNBEEINFLUSSTER ZUSTAND...53 4
ABBILDUNG 25: LAYOUT DES SPEICHERMODELLS DER MOLDAU-KASKADE...54 ABBILDUNG 26: LAYOUT DES SOBEK-MODELLS FÜR DEN DEUTSCHEN LAUFABSCHNITT DER ELBE..56 ABBILDUNG 27: VERGLEICH VON MESSDATEN UND SIMULATIONSERGEBNISSEN FÜR DIE BEIDEN HOCHWASSER 2006 UND 2011 AN AUSGEWÄHLTEN PEGELN...57 ABBILDUNG 28: ABGELEITETE, BEEINFLUSSTE UND UNBEEINFLUSSTE ZUFLÜSSE ZUR TALSPERRE ORLIK WÄHREND DER HOCHWASSER 2002 UND 2006...59 ABBILDUNG 29: VORGEHENSWEISE BEI DER GENERIERUNG VON KÜNSTLICHEN MODELLHOCHWASSERN...62 ABBILDUNG 30: AUSGEWÄHLTE MODELLHOCHWASSER DES TYPS 2002 UND 2006 AM PEGEL AKEN OBERSTROM DER SAALEMÜNDUNG...65 ABBILDUNG 31: BERECHNETE ABFLUSSGANGLINIEN (MIT / OHNE BERÜCKSICHTIGUNG VON TALSPERREN) AN DEN PEGELN DRESDEN UND WITTENBERGE - 2002...69 ABBILDUNG 32: SCHEITELWASSERSTÄNDE (BEEINFLUSST UND UNBEEINFLUSST) FÜR DAS HOCHWASSER 2002 AM ELBE-KM 55,7 IN DRESDEN...70 ABBILDUNG 33: BERECHNETE ABFLUSSGANGLINIEN (MIT / OHNE BERÜCKSICHTIGUNG VON TALSPERREN) AN DEN PEGELN DRESDEN UND WITTENBERGE - 2006...72 ABBILDUNG 34: BERECHNETE ABFLUSSGANGLINIEN (MIT / OHNE BERÜCKSICHTIGUNG VON TALSPERREN) AN DEN PEGELN DRESDEN UND BARBY SOWIE FÜR NEBENFLÜSSE DER ELBE (MULDE, SAALE) - 2006...73 ABBILDUNG 35: BERECHNETE ABFLUSSGANGLINIEN (MIT / OHNE BERÜCKSICHTIGUNG VON TALSPERREN) AN DEN PEGELN DRESDEN UND WITTENBERGE - 2011...76 ABBILDUNG 36: DURCHSCHNITTLICHE SCHEITELWASSERSTANDSABSENKUNGEN AN DER ELBE WÄHREND DER HISTORISCHEN HOCHWASSER DER JAHRE 2002, 2006 UND 2011...78 ABBILDUNG 37: BEEINFLUSSTE UND UNBEEINFLUSSTE ABFLUSSGANGLINIEN AM PEGEL PRAG- CHUCHLE...82 ABBILDUNG 38: ABMINDERUNG VON SCHEITELABFLÜSSEN UND -WASSERSTÄNDEN AN DEN PEGELN PRAG-CHUCHLE UND USTI NAD LABEM...83 ABBILDUNG 39: VERFORMUNG DER HOCHWASSERWELLEN DURCH FLUTUNG NATÜRLICHER ÜBERSCHWEMMUNGSFLÄCHEN FÜR DAS HOCHWASSER BB_500_2002/2006 IN MĚLNÍK (MOLDAUMÜNDUNG) UND DAS HOCHWASSER DD_500_2002/2006 IN LEITMERITZ (EGERMÜNDUNG)...85 ABBILDUNG 40: DARSTELLUNG DER SCHEITELREDUKTIONEN ALS ANTEIL DES UNBEEINFLUSSTEN ABFLUSSES...86 ABBILDUNG 41: SIMULATIONSERGEBNISSE DES HOCHWASSERS VON 1890...88 ABBILDUNG 42: VERGLEICH VON BEEINFLUSSTEM UND UNBEEINFLUSSTEM ABFLUSS AM PEGEL PRAG-CHUCHLE FÜR DAS HOCHWASSER VOM SEPTEMBER 1890; PROZENTUALE SCHEITELREDUKTION FÜR DIE MODELLHOCHWASSER DES TYPS 2002 UND DAS HISTORISCHE EREIGNIS VON 1890...89 ABBILDUNG 43: SIMULATIONSERGEBNISSE FÜR ALLE MODELLHOCHWASSER DES TYPS "2002"...93 ABBILDUNG 44: SIMULATIONSERGEBNISSE FÜR ALLE MODELLHOCHWASSER DES TYPS "2004"...94 ABBILDUNG 45: ZEITREIHE DER JAHRESHÖCHSTABFLÜSSE (1890 2006) FÜR DEN PEGEL BARBY (ELBE)...97 ABBILDUNG 46: RANGGELISTETE JÄHRLICHE HÖCHSTABFLÜSSE AM PEGEL BARBY...98 5
Tabellenverzeichnis TABELLE 1: BEDEUTENDE HOCHWASSER AN AUSGEWÄHLTEN PEGELN...18 TABELLE 2: HAUPT- UND EXTREMWERTE DES ABFLUSSES FÜR PEGEL DER ELBE IN DEUTSCHLAND...23 TABELLE 3: SCHEITELABFLÜSSE DER HOCHWASSER 2002, 2006 UND 2011 AN DER ELBE UND DEN WICHTIGEN NEBENFLÜSSEN IN TSCHECHIEN UND DEUTSCHLAND...28 TABELLE 4: ÜBERBLICK ÜBER TALSPERREN IM TSCHECHISCHEN ELBEGEBIET...32 TABELLE 5: LISTE DER VORRANGIGEN TALSPERREN UND IHRER WESENTLICHEN MERKMALE...33 TABELLE 6: MAXIMALE WASSERSTÄNDE, SCHEITELABFLÜSSE UND WEITERE BETRIEBSGRÖßEN FÜR AUSGEWÄHTE TALSPERREN IM VERLAUF DES HOCHWASSERS 2002 ERSTE WELLE...41 TABELLE 7: MAXIMALE WASSERSTÄNDE, SCHEITELABFLÜSSE UND WEITERE BETRIEBSGRÖßEN FÜR AUSGEWÄHLTE TALSPERREN IM VERLAUF DES HOCHWASSERS 2002 - ZWEITE WELLE...41 TABELLE 8: MAXIMALE WASSERSTÄNDE, SCHEITELABFLÜSSE UND WEITERE BETRIEBSGRÖßEN FÜR AUSGEWÄHLTE TALSPERREN IM VERLAUF DES HOCHWASSERS 2006...44 TABELLE 9: MAXIMALE WASSERSTÄNDE, SCHEITELABFLÜSSE UND WEITERE BETRIEBSGRÖßEN FÜR AUSGEWÄHLTE TALSPERREN IM VERLAUF DES HOCHWASSERS 2011...46 TABELLE 10: RANDBEDINGUNGEN PUNKTUELLE ZUFLÜSSE IN DAS MODELL (BEEINFLUSSTER UND UNBEEINFLUSSTER ZUSTAND)...51 TABELLE 11: VERGRÖßERUNGSFAKTOREN UND SCHEITELABFLÜSSE FÜR UNBEEINFLUSSTE MODELLHOCHWASSER...63 TABELLE 12: EINFLUSS VON TALSPERREN IN TSCHECHIEN UND AN DER SAALE IN THÜRINGEN AUF DAS HOCHWASSER 2002...71 TABELLE 13: BERECHNETE ABMINDERUNGEN DER SCHEITELWASSERSTÄNDE BEIM HOCHWASSER 2002...71 TABELLE 14: EINFLUSS VON TALSPERREN IN TSCHECHIEN UND AN DER SAALE IN THÜRINGEN AUF DAS HOCHWASSER 2006...74 TABELLE 15: BERECHNETE ABMINDERUNGEN DER SCHEITELWASSERSTÄNDE BEIM HOCHWASSER 2006...75 TABELLE 16: EINFLUSS VON TALSPERREN IN TSCHECHIEN UND AN DER SAALE IN THÜRINGEN AUF DAS HOCHWASSER 2011...77 TABELLE 17: BERECHNETE ABMINDERUNGEN DER SCHEITELWASSERSTÄNDE BEIM HOCHWASSER 2011...77 TABELLE 18: ZUR SIMULATION DER MODELLHOCHWASSER GEWÄHLTE STARTWASSERSTÄNDE IN DEN TALSPERREN UND VERFÜGBARER FREIER SPEICHERRAUM...80 TABELLE 19: GENUTZTER STAURAUM BEI DER SIMULATION DER MODELLHOCHWASSER...81 TABELLE 20: SCHEITELABFLUSSREDUKTIONEN UNTERHALB DER TALSPERREN ORLIK UND NECHRANICE...84 TABELLE 21: SCHEITELABFLÜSSE (UNBEEINFLUSSTER ZUSTAND) UND SCHEITEABFLUSS- REDUKTIONEN FÜR DIE MODELLHOCHWASSER DES TYPS 2002 UND 2006...90 TABELLE 22: SCHEITELWASSERSTÄNDE (UNBEEINFLUSSTER ZUSTAND) UND SCHEITELWASSER- STANDSREDUKTIONEN FÜR DIE MODELLHOCHWASSER DES TYPS 2002 UND 2006...91 6
Abkürzungsverzeichnis AK BB BfG CHMI DD ELLA EU FGG FLYS HEC-RAS HQ t IKSE IKSR LABEL LAWA MHQ MNQ MQ PLA POH PR PVL RWS-RIZA Aken Barby Bundesanstalt für Czech Hydrometeorological Institute (Tschechisches Hydrometeorologisches Institut) Dresden EU-Projekt Vorsorgende Hochwasserschutzmaßnahmen durch transnationale Raumordnung Europäische Union Flussgebietsgemeinschaft Elbe Flusshydrologische Software der BfG Hydrologic Engineering Centers River Analysis System Hochwasserabfluss mit einer Jährlichkeit von t Jahren Internationale Kommission zu Schutz der Elbe Internationale Kommission zum Schutz des Rheins EU-Projekt Anpassung an das Hochwasserrisiko im Elbeeinzugsgebiet Länderarbeitsgemeinschaft Wasser mittlerer Hochwasserabfluss eines Zeitraums mittlerer Niedrigwasserabfluss eines Zeitraums mittlerer Abfluss eines Zeitraums Einzugsgebietsverwaltung Elbe (Povodí Labe) Einzugsgebietsverwaltung Eger (Povodí Ohře) PRAG Einzugsgebietsverwaltung Elbe (Povodí Vltava) Rijkswaterstaat Rijksinstituut voor Integraal Zoetwaterbeheer en Afvalwaterbehandeling 7
SOBEK TU USACE VUV WSV ZZ_XXX_YYYY Krokodilgott der ägyptischen Mythologie; hier: eindimensionale, hydrodynamisch-numerische Simulationssoftware der Firma Deltares Technische Universität U.S. Army Corps of Engineers Výzkumný ústav vodohospodářský T. G. Masaryka (engl. Masaryk Water Research Institute) Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes Zielpegel_Zieljährlichkeit_Hochwasserereignis 8
1 Einleitung und Veranlassung In den von der Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) bereits 1995 formulierten Leitlinien für einen zukunftsweisenden Hochwasserschutz wird u.a. die große Bedeutung von Maßnahmen des technischen Hochwasserschutzes zur Minderung des Hochwasserrisikos hervorgehoben (LAWA 1995). So sind im Flussgebiet der Elbe schon seit vielen Jahrhunderten Deiche gebaut worden, um die Flussebenen besser nutzen zu können. Eine weitere Möglichkeit des technischen Hochwasserschutzes besteht nach den LAWA-Leitlinien darin, die Hochwassergefährdung durch Rückhaltebecken und Talsperren zu mindern. Insbesondere in den tschechischen Einzugsgebieten von Moldau und Eger sowie im thüringer Saalegebiet wurden zwischen 1930 und 1968 teilweise sehr große Becken gebaut (IKSE 2005). Von der Füllung dieser Speicher, die für verschiedenste Zwecke (wie Erzeugung von Wasserkraft, Trink- und Brauchwasserversorgung, Niedrigwasseraufhöhung, ) geschaffen wurden und somit auch zum Hochwasserschutz eingesetzt werden können, gehen in Abhängigkeit von der Hochwassergenese mehr oder weniger erhebliche Wirkungen auf die Wasserstände der Elbe im Nah- und Fernbereich aus. Diesen überregionalen Aspekt greift die von der Europäischen Union (EU) im Oktober 2007 beschlossene Richtlinie über die Bewertung und das Management von Hochwasserrisiken (kurz: Hochwasserrisikomanagement-Richtlinie, EU 2007) auf. Sie fordert von den für Hochwasserschutz zuständigen staatlichen Institutionen bei der Entwicklung und Umsetzung diesbezüglicher Konzepte und Maßnahmen ein einzugsgebietsweites Denken. Bereits zuvor lehrte das katastrophale Elbehochwasser vom August 2002 die tschechischen und deutschen Stellen noch intensiver zusammenzuarbeiten. Eine hieraus hervorgegangene Initiative war das von der EU geförderte Interreg-Projekt ELLA - Vorsorgende Hochwasserschutzmaßnahmen durch transnationale Raumordnung, in dem unter anderem der Elbe-Atlas entstanden ist (ELLA 2006A, ELLA 2006B). Im Rahmen dieses Projekts wurden von der Bundesanstalt für (BfG) mittels großräumiger Modelluntersuchungen die Wirkungen von Deichrückverlegungen und Poldern in Sachsen und Sachsen-Anhalt auf extreme Hochwasser der Elbe ermittelt (BFG 2006, TU DRESDEN 2007) - Maßnahmen, die von der Internationalen Kommission zum Schutz der Elbe (IKSE) im Aktionsplan Hochwasserschutz Elbe (IKSE 2003) vorgeschlagen werden. Nachweislich reichen die so erzielten Wasserstandsminderungen länderübergreifend auf Elbehochwasser bis zur unteren Mittelelbe, also bis an die Tidegrenze bei Geesthacht heran. In Ergänzung zu diesen innerdeutschen Untersuchungen sowie zu vergleichbaren nationalen Untersuchungen (KAŠPÁREK ET AL. 2006B) des tschechischen Masaryk Water Research Instituts (VUV) für die Moldau und den tschechischen Abschnitt der Elbe, wurden im LABEL- 9
Projekt weitergehende transnationale mathematische Modelluntersuchungen zum gesteuerten Hochwasserrückhalt vereinbart. Ziel war es, die bereits jetzt vorliegenden Erkenntnisse, die im IKSE-Report Zweiter über die Erfüllung des Aktionsplans Hochwasserschutz Elbe im Zeitraum 2006 bis 2008 zu Auswirkungen des Einsatzes der Moldau-Kaskade während des Elbehochwassers im April 2006 auf Wasserstände recht allgemein beschrieben sind (IKSE 2009), für große Abflüsse der Elbe in Tschechien und Deutschland zu präzisieren. Im Februar 2010 schloss die BfG mit VUV einen Kooperationsvertrag ab, um im Rahmen des LABEL-Projekts in transnationaler Kooperation erstmals durch mathematische Abflusssimulationen für Moldau, Eger, Saale und Elbe die Auswirkungen tschechischer und thüringischer Talsperren auf extreme Hochwasser der Elbe in Deutschland und Tschechien zu ermitteln. Künstliche Modellhochwasserganglinien, die von historischen Hochwasserereignissen abgeleitet wurden und an ausgewählten Pegeln eine große Bandbreite an extremwertstatistischen Scheitelabflüssen (HQ 10, HQ 50, HQ 100, HQ 200, und HQ 500 ) erreichen, wurden im Rahmen dieses Projektes erzeugt und stellen somit ein breites hydrologisches Fundament dar. Zusätzlich wurden die bedeutenden historischen Hochwasser der Jahre 2002, 2006 und 2011 untersucht. Für diese historischen Hochwasser wurden auf Anfrage der Arbeitsgruppe Hochwasserrisikomanagement der deutschen Flussgebietsgemeinschaft Elbe (FGG) die Wirkungen der zwei größten thüringischen Talsperren am Oberlauf der Saale auf den Hochwasserverlauf an der Mittleren Elbe ebenfalls berücksichtigt. Für die gesamten Untersuchungen wurden Fließgewässermodelle der Moldau verwendet, die entweder die morphologische Situation der Moldau mit oder ohne Talsperren zeigen. So konnte garantiert werden, dass die Hochwasser mindernden Wirkungen der Moldau-Kaskade durch die Abflusssimulationen erfasst werden konnten. Die untere Modellgrenze der tschechischen Simulationsuntersuchungen befand sich am Pegel Ustí nad Labem (Aussig an der Elbe), an dem die Ergebnisse als Eingangsdaten in das deutsche Modell übergeben wurden. Dieses deckte dann den Elbeabschnitt bis nach Geesthacht vor den Toren Hamburgs ab. Die beiden Projektpartner BfG und VUV haben vereinbart, die im Rahmen des LABEL- Projekts erzielten Ergebnisse der gemeinsamen Hochwasseruntersuchungen im Einzugsgebiet der Elbe in Tschechien und Deutschland im Rahmen eines BfG-s zu präsentieren. Das vorliegende Dokument, welches in deutscher und tschechischer Sprache verfügbar ist, erklärt die in dieser Studie verwendeten Ansätze und Methoden und gibt die in den tschechischdeutschen Simulationsberechungen ermittelten Auswirkungen von Rückhaltungen auf die historischen Hochwasser 2002, 2006 und 2011 sowie auf Modellhochwasser mit häufiger, mittlerer und seltener Wiederkehrwahrscheinlichkeit in Tschechien und Deutschland wieder. 10
2 Die hydrologischen Verhältnisse im Einzugsgebiet der Elbe Die Elbe ist mit einer Länge von 1.094 km von ihrer Quelle im tschechischen Riesengebirge bis zu ihrer Mündung in die Nordsee bei Cuxhaven und einem oberirdischen Einzugsgebiet von 148.268 km² das viertgrößte Flussgebiet Mitteleuropas (IKSE 2005). Wie Abbildung 2 zeigt, besitzen vier europäische Staaten Flächenanteile an diesem Gebiet. Während diese in Österreich und Polen jedoch nur eine untergeordnete Rolle spielen, entfallen mit 65,4 % auf Deutschland und mit 33,68 % auf Tschechien die größten Anteile. Nach morphologischen Unterscheidungskriterien teilt man den Elbelauf in drei Abschnitte: die Obere Elbe von der Quelle bis Schloss Hirschstein (Elbe-km 96), die Mittlere Elbe bis zum Wehr Geesthacht und die tidebeeinflusste Untere Elbe bis zur Mündung in die Nordsee 2.1 Der tschechische Teil des Einzugsgebiets der Elbe Der tschechische Lauf der Elbe besitzt eine Länge von 358,3 km und umfasst bis zum Pegel Hřensko an der tschechisch-deutschen Grenze ein Einzugsgebiet von 51.411 km² (Abb. 1). 60000 50000 40000 A EO Elbe [km²] Moldau Eger Bílina Ploučnice 30000 20000 10000 Brandys n.l. Pegel: Melnik Ústí n.l. Dĕčín Hřensko 0 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Elbe-km (in Tschechien) Abbildung 1: Entwicklung des oberirdischen Einzugsgebiets der Elbe unterstrom von Brandýs (obere Modellgrenze in Tschechien) 11
Die Moldau und die Eger stellen die beiden größten Elbezuflüsse in Tschechien dar. Mit einer Länge von 430,3 km und einer Einzugsgebietsfläche von 28.090 km² entwässert die Moldau zusammen mit der Eger (Länge: 304,6 km; Einzugsgebietsfläche: 5.614 km²) etwa 65% des gesamten tschechischen Elbeeinzugsgebiets. Die Moldau mündet oberstrom des Pegel Mělník in die Elbe, während der Zusammenfluss von Elbe und Eger auf Höhe der Stadt Leitmeritz liegt. Hamburg # Geesthacht # Neu Darchau # Wittenberge Teileinzugsgebiete der Elbe Eger Havel Moldau Mulde Oberelbe Saale Schwarze Elster Tideelbe Zwischen Havel und Tideelbe Zwischen Moldau und Schwarze Elster Zwischen Schwarze Elster und Havel Tangermünde # Havel Berlin Magdeburg Strombrücke Deutschland # Halle-Trotha Halle # # Barby # # Aken Elbe Wittenberg Torgau # Schwarze Elster Polen Legende # < Pegel Talsperren Elbe und Nebengewässer Staatsgrenzen Städte Saale 0 1530 60 90 120 Kilometer < < ± Leipzig <<< Mulde Eger Dresden < < < < # # # Louny # Beroun Usti < # # # Berounka Hrachov Schöna # Moldau Ceské Budejovice < Melník Brandýs # Praha-Chuchle < Elbe Sázava Tschechien Österreich Hradec Králové Pardubice Abbildung 2: Die Elbe und ihr Einzugsgebiet 12
In Abbildung 3 sind die jahreszeitlichen Schwankungen der monatlichen mittleren Abflüsse (Periode 1961-2003) an verschiedenen Pegeln abgebildet. Die mittleren Jahresabflussganglinien der Pegel Brandýs (oberhalb der Moldaumündung), Mĕlník und Ústí nad Labem beschreiben die saisonalen Abflussverhältnisse der Elbe. Für die Moldau werden diese am Pegel Chuchle deutlich, welcher sich südlich der tschechischen Hauptstadt Prag befindet. An der Eger unterhalb der Talsperre Nechranice liegt der Pegel Louny. Hervorgerufen durch die Schneeschmelze werden die höchsten Abflüsse in allen Gewässern typischerweise während der Frühjahrsmonate (Februar - April) erreicht. Die niedrigsten Abflüsse lassen sich hingegen im Sommer und Herbst feststellen. Die Jahresabflussganglinien in Abbildung 3 zeigen jedoch für Moldau und Elbe ein kleines Abflussmaximum im Monat August. Dieses ist auf den Einfluss des katastrophalen Hochwassers vom Sommer 2002 zurückzuführen, welcher bereits in der ausgewerteten Datenreihe 1961 2003 sichtbar wird. 600 Winter Sommer SommSer 500 400 Abfluss [m³/s] 300 200 Mělník (Elbe) Ústí (Elbe) 100 Brandýs (Elbe) Praha-Chuchle (Moldau) 0 NOV DEZ JAN FEB MÄR APR MAI JUN JUL AUG SEP OKT Louny (Eger) Abbildung 3: Mittlere Jahresabflussganglinien für die Pegel Louny (Eger), Chuchle (Moldau), Brandýs (Elbe), Mělník (Elbe) und Ústí nad Labem (Elbe); Datenreihe 1961-2003 Bedeutende historische Hochwasserereignisse in Tschechien Schon immer haben sich extreme Hochwasser ereignet und dabei die Aufmerksamkeit der Menschen in allen historischen Zeitaltern auf sich gezogen. Regelmäßige Aufzeichnungen hierüber in historischen Quellen bekunden dies. Für die tschechische Elbe reichen solche Beschreibungen bis ins Jahr 1118 zurück, für das der Chronist Cosmas ein großes Hochwas- 13
ser an der Moldau beschreibt. Die Ursachen für Elbehochwasser können wie folgt unterteilt werden: Winter- und Frühjahrshochwasser, die durch eine Kombination aus Schneeschmelze und Starkregenereignissen hervorgerufen werden; bspw. das Hochwasser im April 2006 Sommerhochwasser, die durch regionale, lang andauernde Regenfälle ausgelöst werden; bspw. das Hochwasser im August 2002 Sommerhochwasser, die durch wolkenbruchartige Starkregenereignisse in verhältnismäßig kleinen Einzugsgebieten verursacht werden und zu Sturzfluten (engl.: flash floods ), wie im Juni und Juli 2009, führen. Da das hydrologische Regime der Elbe in Tschechien jedoch hauptsächlich durch die Prozesse der Schneeakkumulation und der Schneeschmelze beeinflusst wird, kann es in die Kategorie des Regen-Schnee-Typs eingeordnet werden (IKSE 2005). Abbildung 4 zeigt für den Pegel Dĕčín (Tetschen) die Bedeutung von Winter- und Frühjahrshochwassern auf, die - wie beschrieben überwiegend durch eine Kombination aus Schneeschmelze und Starkregenereignis hervorgerufen werden. Da das gesamte tschechische Elbe-Einzugsgebiet von Gebirgsregionen geprägt ist, können solche Ereignisse ihren Ursprung in beinahe allen größeren Teileinzugsgebieten haben. Die unterschiedlichen Höhen der Gebirgsregionen sorgen dafür, dass durch kurzfristige Temperaturanstiege nur Teile der Schneedecke abschmelzen können oder diese Prozesse sogar in mehreren Phasen/Wellen ablaufen. Abbildung 4: Jährliche Hochwasserscheitelabflüsse am Pegel Děčín (Jahresreihe 1890-2011) (KOTYZA ET AL. 1995; IKSE 2005) 14
Der Entwicklung von Elbehochwassern wird in der Regel durch den wichtigsten Nebenfluss, die Moldau, signifikant beeinflusst. Die historischen hydrologischen Aufzeichnungen zeigen, dass die größten Ereignisse am Elbepegel in Dresden ihren wesentlichen Ursprung im Einzugsgebiet der Moldau besitzen (IKSE 2005). Deren Bedeutung wird vor allem auch dann deutlich, wenn man berücksichtigt, dass die Einzugsgebietsfläche der Moldau am Zusammenfluss mit der Elbe in Mĕlník mehr als doppelt so groß ist wie das dortige Einzugsgebiet der Elbe (13.714 km²). Sommer- (z.b. 2002) und Winterhochwasser (z.b. 2006, 2011) unterscheiden sich in der Regel deutlich anhand ihrer Dauer und ihrer Abflussfülle (Abb. 5). Winterereignisse können, in dem Maße wie der Schnee graduell zuerst in den mittleren Lagen und dann in den Kammlagen abschmilzt, in mehreren Wellen ablaufen. Deshalb sind Abflussfülle und Dauer dieser Hochwasser meist wesentlich größer als bei typischen Sommerereignissen. Die Niederschläge im Einzugsgebiet sind durch ihre jahreszeitlich hohe Variabilität charakterisiert. Regional begrenzte Starkniederschläge ereignen sich hauptsächlich in der Zeit zwischen dem frühen Mai und dem späten August. Deshalb ist die Wahrscheinlichkeit, dass Schneeschmelzereignisse mit solchen Ereignissen zusammentreffen, sehr gering. Aufgrund der hohen Wassersättigung des Bodens während der Schneeschmelze sind im Winter und im Frühjahr die hydrologischen Voraussetzungen gegeben, dass Hochwasser schon durch kleinere Regenereignisse (mit einer Niederschlagshöhe von nur wenigen cm) ausgelöst werden können. Es ist weiterhin zu beachten, dass schneeschmelzbedingte Hochwasser sich nicht nur im Frühjahr, sondern jederzeit auch während des Winters ereignen können, sobald ein signifikantes Abschmelzen der Schneedecke erfolgt. 5000 4000 Usti 2002 Prag-Chuchle 2002 Usti 2006 Prag-Chuchle 2006 Usti 2011 Prag-Chuchle 2011 Abfluss [m³/s] 3000 2000 1000 0 1 25 49 73 97 121 145 169 193 217 241 265 289 313 337 361 385 409 433 457 481 Zeit [Stunden] Abbildung 5: Abflussganglinien der Hochwasser 2002, 2006 und 2011 an den Pegeln Prag- Chuchle (Moldau) und Ústí nad Labem (Elbe) 15
Hierzu gegensätzlich stellt sich die Situation während der Sommermonate dar. In der Regel ist der Boden trocken / nicht wassergesättigt und besitzt somit eine sehr große Fähigkeit gefallenen Niederschlag zwischenzuspeichern. Unter solchen Bedingungen können auch Ereignisse mit 30-50 mm Niederschlagshöhe den Abfluss aus dem Einzugsgebiet nicht nachhaltig beeinflussen. Allerdings können während Sommerhochwasser auch große Anteile der durchschnittlichen, jährlichen Niederschlagssumme in relativ kurzer Zeit fallen, wobei diese Effekte noch durch orografische Einflüsse in den Kammlagen der Gebirge verstärkt werden. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die unterschiedlichen Typen der Hochwassergenesen nicht auf bestimmte Teileinzugsgebiete in Tschechien beschränkt sind, sondern in jedem Teileinzugsgebiet der Elbe auftreten können. Um das Ausmaß sehr früher, historischer Hochwasser bestimmen zu können, müssen historische Überlieferungen herangezogen werden. Diese reichen bis ins 15. Jahrhundert zurück. Damals erachteten die Chronisten Informationen über die Hochwasserschäden zumeist als wichtiger als das Hochwasserereignis selbst und beschrieben deshalb nur die während des Hochwassers überschwemmten Gebiete. Aber sogar diese Information erlaubt - unter gewissen Umständen - die Höhe des Scheitelwasserstands abzuschätzen; besonders in Prag, wo die Wasserspiegellagen aus Aufzeichnungen überfluteter Kirchen bis ins 13. Jahrhundert zurück rekonstruiert werden können. Ab dem 15. Jahrhundert wurden mit Hilfe von Hochwassermarken an Felsen, Brücken und Häusern die Scheitelwasserstände der Hochwasserereignisse genauer festgehalten. Die älteste bekannte Hochwassermarke an der tschechischen Elbe befindet sich am Burgfelsen in Děčín und stammt aus dem Jahr 1432 (Abb. 6a). Für Wasserstandsmessungen während Moldauhochwassern diente in Prag der 70 cm hohe, steinerne Kopf des Bärtigen, der an einer Mauer des Spitals des Kreuzritterordens in der Nähe der Karlsbrücke zu finden ist (Abb. 6b). Abbildung 6: (a) Der Burgfelsen in Děčín und (b) der Kopf des Bärtigen in Prag (ELLEDER 2010) 16
In der Vergangenheit hat die Moldau in Prag einige signifikante Veränderungen erfahren. Die größten Eingriffe in das hydrologische Regime erfolgten durch den Bau der Wehre in Prag und der Talsperren an der Moldau zwischen 1900 und 1960. Der Bau der Wehre in Prag hatte eine Verringerung des Wasserspiegelfälles zur Folge, der Abfluss verlangsamte sich und der Sedimenttransport wurde reduziert. Hieraus resultierte eine verstärkte Ablagerung von Sand und Kies oberhalb der Wehre, wodurch das Gewässerbett angehoben wurde und sich verbreiterte, so dass die Bevölkerung dazu gezwungen war in höheren Lagen zu siedeln. Ablagerungsraten können an der Straße Jilská in Prag nachvollzogen werden, wo die Kante der untersten Terrasse im 13. Jahrhundert zwischen 3,3 m und 3,7 Metern unterhalb der heutigen Oberfläche lag (ELLEDER 2010). Bezüglich der Verhältnisse an der Elbe in Děčín im frühen 19. Jahrhundert ist nur bekannt, dass der Fluss dort breiter und flacher als heutzutage war. Uferbefestigungen waren nur in geringem Umfang vorhanden und konzentrierten sich in der Nähe der Stadt Děčín auf den Zusammenfluss von Elbe und Ploučnice. Auch Deiche wurden hier nie angelegt (ELLEDER 2010). In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhundert traten aufgrund der Form des Gewässerbetts Beeinträchtigungen der Schiffbarkeit auf. Die Weiterentwicklung und die Intensivierung der Schifffahrt machten deshalb einen Gewässerausbau unbedingt notwendig, wodurch jedoch auch ein Wasserspiegelverfall von 50 cm entstand. Historische Aufzeichnungen zeigen, dass vor allem höhere Abflüsse der Moldau in Prag nicht zwangsläufig in einem proportionalen Verhältnis zu den Abflüssen in Děčín oder in Ústí nad Labem stehen müssen. Ein Beispiel hierfür ist das Hochwasser des Jahres 1872, bei dem der Scheitelabfluss in Prag 3300 m³/s betrug, in Děčín jedoch nur 2040 m³/s (ELLEDER 2010). Die Daten wichtiger historischer Hochwasser seit 1845 werden für ausgewählte Pegel in Tabelle 1 dargestellt. Zum Zwecke der besseren Vergleichbarkeit finden sich dort ebenfalls Angaben zu den wichtigsten statistischen Haupt- und Extremwerten zwischen MQ und HQ 200. 17
Tabelle 1: Bedeutende Hochwasser an ausgewählten Pegeln (KOTZYZA ET AL. 1995, IKSE 2005) Pegel Prag-Chuchle Pegel Brandýs n.l. Pegel Ústí n.l. Datum Abfluss Jährlichkeit Datum Abfluss Jährlichkeit Datum Abfluss Jährlichkeit [m³/s] [a] [m³/s] [a] [m³/s] [a] 29.3.1845 4500 100-200 30.3.1845 1560 >100 30.3.1845 5350 >200 23.1.1846 920 1-5 1846 - - 1846 - - 1850 - - 1850 - - 1850 - - 2.3.1855 2220 10 1855 - - 3.3.1855 3170* 10-50 10.2.1856 1660 5 1856 - - 11.2.1856 2370* 5-10 31.3.1860 1960 5-10 1860 - - 2.4.1960 2320* 5-10 2.2.1862 3950 100 1862 - - 3.2.1862 4820* 200 8.4.1865 2370 10-50 1865 - - 10.4.1865 3390* 10-50 29.1.1867 2160 10 1867 - - 31.1.1867 2840* 10-50 05/1872 3300 50 05/1872 - - 05/1872 2040* 1-5 19.2.1876 2674 10-50 1876 - - 20.2.1876 4210* 100 14.2.1877 1219 1-5 1877 - - 15.2.1877 2080 1-5 8.3.1881 1708 5 1881 - - 13.3.1881 2480 5-10 29.12.1882 2260 10 4.1.1883 510 1-5 3.1.1883 2670 10 23.3.1886 2002 5-10 3.4.1886 425 1 24.3.1886 2790 10-50 12.3.1888 1820 5-10 15.3.1888 563 1-5 13.3.1888 2600 10 4.9.1890 3975 100 7.9.1890 469 1 6.9.1890 4400 100-200 7.3.1891 1540 1-5 9.3.1891 1090 10-50 8.3.1891 2400 5-10 26.3.1895 2090 5-10 2.4.1895 572 1-5 28.3.1895 2790 10-50 6.5.1896 2470 10-50 8.5.1896 456 1 6.5.1896 2950 10-50 31.7.1897 2070 5-10 4.8.1897 577 1-5 2.8.1897 2400 5-10 9.4.1900 2770 10-50 9.4.1900 518 1-5 10.4.1900 3600 10-50 5.2.1909 2170 10 14.2.1909 534 1-5 1909 - - 8.10.1915 2290 10 13.10.1915 513 1-5 10.10.1915 2320 5-10 17.4.1917 1762 5 20.4.1917 868 10 19.4.1917 2250 5 15.1.1920 2503 10-50 16.1.1920 1410 100 16.1.1920 3650 50 5.2.1923 1852 5-10 4.2.1923 780 5-10 5.2.1923 2700 10 17.6.1926 1652 5 20.6.1926 1170 10-50 21.6.1926 2490 5-10 15.3.1940 3245 50 15.3.1940 832 5-10 16.3.1940 3560 10-50 8.4.1941 2050 5-10 12.3.1941 975 10-50 10.4.1941 2910 10-50 10.2.1946 1028 1-5 12.2.1946 872 10 11.2.1946 2280 5 15.3.1947 2272 10 22.3.1947 635 1-5 17.3.1947 2550 5-10 10.7.1954 2265 10 19.7.1954 259 <1 11.7.1954 2410 5-10 13.3.1981 652 1 14.3.1981 1140 10-50 15.3.1981 2190 5 21.7.1981 1730 5 22.7.1981 718 5 22.7.1981 2310 5-10 28.3.1988 1260 1-5 29.3.1988 706 5 29.3.1988 2380 5-10 14.8.2002 5160 >200 15.8.2002 529 1-5 16.8.2002 4700 100-200 6.1.2003 1030 1-5 6.1.2003 772 5 6.1.2003 1945 1-5 2.4.2006 1430 1-5 3./4.4.2006 1020** 10-50 3.4.2006 2540 5-10 15.01.2011 1010 1-5 16.01.2011 645** 1-5 17.01.2011 1900 1-5 statistische Abflüsse 148 MQ 99.3 MQ 293 MQ 856 HQ 1 441 HQ 1 1240 HQ 1 1770 HQ 5 754 HQ 5 2220 HQ 5 2230 HQ 10 895 HQ 10 2670 HQ 10 3440 HQ 50 1230 HQ 50 3780 HQ 50 4020 HQ 100 1390 HQ 100 4290 HQ 100 4640 HQ 200 - HQ 200 4820 HQ 200 (* Werte des Pegels Decin; ** Werte des Pegels Kostelec, - Daten nicht verfügbar) 18
2.2 Der deutsche Teil des Einzugsgebiets der Elbe Unterhalb der tschechisch-deutschen Grenze fließt die Elbe auf 723 km durch Deutschland und entwässert dabei das deutsche Gesamteinzugsgebiet mit einer Fläche von 97.135 km². Abbildung 7 veranschaulicht die Entwicklung des Einzugsgebiets von der tschechischdeutschen Grenze bis zum Pegel Neu Darchau. Zur Orientierung sind dort auch die wichtigsten Zuflüsse und Pegel der Elbe entsprechend ihrer Lage am Gewässer aufgeführt. 130000 120000 110000 100000 A EO Elbe [km²] 90000 80000 70000 60000 50000 40000 Gottleuba Müglitz Weißeritz Schwarze Elster 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Elbe km Mulde Saale Ohre Magdeburg-Str Havel Aland Elde Schnackenburg Jeetzel Neu Darchau Pegel: Schöna Dresden Riesa Torgau Wittenberg-L Aken Barby Tangermünde Wittenberge Dömitz Abbildung 7: Entwicklung des oberirdischen Einzugsgebiets der Elbe unterhalb der tschechisch-deutschen Grenze unter Berücksichtigung der wichtigsten Nebenflüsse (BFG 2009) Aus der Abbildung ist zu erkennen, dass sich auf der deutschen Strecke durch die Mündungen der Schwarzen Elster (A Eo = 5.705 km²), der Mulde (A Eo = 7.400 km²), der Saale (A Eo = 24.079 km²) und der Havel (A Eo = 23.858 km²) das Einzugsgebiet jeweils sprunghaft vergrößert. Allein diese vier Nebenflüsse entwässern bereits ca. 75 % des gesamten deutschen Einzugsgebiets bis zum Wehr Geesthacht. Den mittleren Abflussverhältnissen im deutschen Streckenabschnitt der Elbe ist ein markanter Jahresgang aufgeprägt. In Abbildung 8 sind die aus der monatlichen Statistik abgeleiteten mittleren Jahresabflussganglinien für den Mittleren Abfluss (MQ) und den Mittleren Hochwasserabfluss (MHQ) für die Pegel Dresden, Barby und Wittenberge bzgl. des Zeitraums 1900-2006 bzw. 1931-2006 dargestellt. Die hier zu erkennende jahreszeitlich unausgeglichene Wasserführung mit erhöhten Abflüssen im Winterhalbjahr und lang anhaltenden Niedrig- 19
wasserperioden im Sommer und im Herbst ist charakteristisch für Gewässer mit Mittelgebirgscharakter (DGJ 2009). Abbildung 8: Mittlere Jahresabflussganglinien für die Pegel Dresden, Barby und Wittenberge (DGJ 2009) Die tschechischen Hochwasserentstehungsgebiete der Elbe liegen vollständig im Mittelgebirgsraum, vor allem im Riesengebirge und dem Böhmerwald (vgl. Kap. 2.1). Auch in Deutschland ist das Abflussverhalten der Elbe bei Hochwasser im Wesentlichen durch Mittelgebirgsregionen wie dem Erzgebirge, dem Thüringer Wald oder dem Harz bestimmt. Aufgrund ihrer Abflüsse und ihrer Regimekennziffern zählt die Elbe zu den Strömen des Regen- Schnee-Typs (IKSE 2005), der vorwiegend durch Winter- und Frühjahrshochwasser geprägt wird (Abb. 8). Hochwasser dieses Typs ereigneten sich im Januar 2011 und im April 2006. Bei Letzterem standen weite Teile der Altstadt von Hitzacker in Niedersachsen unter Wasser. Die jahreszeitliche Verteilung der Elbehochwasser am Pegel Dresden von 1890 bis 2011 (Abb. 9) weist 71% der Hochwasserereignisse als Winterhochwasser aus und korrespondiert somit sehr gut mit den Aussagen, die für den Pegel Dĕčín über die Verteilung von Sommerund Winterhochwassern getroffen wurden (Abb. 4). Das beschriebene Regime wird durch die großen, stromab gelegenen deutschen Zuflüsse nur noch unmerklich verändert. Eine Auswertung von Hochwasserereignissen am Pegel Barby (unterhalb der Saalemündung), die einen Wasserstand von 600 cm übersteigen, zeigt für den Zeitraum von 1895 bis 1994, dass 86% der Hochwasser ebenfalls im Winter oder Frühjahr aufgetreten sind. Sommerereignisse werden somit selten im Elbegebiet registriert, können aber dennoch eine große Bedeutung erlangen, wie das durch eine Vb-Wetterlage ausgelöste Hochwasser vom August 2002 beweist (IKSE 2004). 20
Abbildung 9: Jährliche Hochwasserscheitelabflüsse am Pegel Dresden (1890-2011) Nennenswerte Bedeutung im Ablauf von Elbehochwassern haben Retentionseffekte aufgrund von Ausuferungen der Hochwasser in teilweise großflächige Überschwemmungsgebiete. Unterschiedliche Hochwassergenesen im Elbegebiet verursachen Wellenabläufe, die kurz bis lang andauernde Wellenscheitel bzw. kleine bis große Abflussfüllen aufweisen (Abb. 10). Für großräumige Hochwasseruntersuchungen ist es deshalb wichtig, nicht nur ein einziges Hochwasser, sondern mehrere repräsentative Hochwassertypen zu betrachten. In Abbildung 10 sind die aus unterschiedlichen Hochwassergenesen hervorgegangenen Wellenformen an der Elbe exemplarisch für die Pegel Dresden und Wittenberge (unterhalb der Havelmündung) abgebildet. Die Abflussganglinien der Hochwasserereignisse 1988, 2002 und 2006 sind hier zeitlich übereinander gelegt. Sie stehen stellvertretend für Elbewellen mit kurzen Scheiteln (2002), mittellangen Scheiteln (2006) und sehr langen Scheiteln (1988). Anhand der dargestellten Ganglinien ist zu erkennen, dass sich die Hochwasser 2002 und 2006 nicht nur in der Wellensteilheit in Dresden, sondern noch deutlicher durch die Wellenlänge in Wittenberge unterscheiden. In Abhängigkeit von ihren Genesen führen Retentionseffekte deshalb zu unterschiedlichen Wellenabflachungen mit einhergehenden Scheitelabflussreduzierungen, die bis zu 500 m³/s zwischen Dresden und Wittenberge betragen können. 21
5000 4500 4000 3500 Abfluss [m 3 /s] 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 984 960 936 912 888 864 840 816 792 768 744 720 696 672 648 624 600 576 552 528 504 480 456 432 408 384 360 336 312 288 264 240 216 192 168 144 120 96 72 48 24 0 Zeit [h] Dresden 1988 Wittenberge 1988 Dresden 2002 Wittenberge 2002 Dresden 2006 Wittenberge 2006 Abbildung 10: Abflussganglinien der Hochwasser 1988, 2002 & 2006 an den Pegeln Dresden & Wittenberge; 2002 & 2006 zur Erzeugung von Modellhochwassern (BFG 2009) Die Bundesrepublik Deutschland ist Eigentümerin der Bundeswasserstraße Elbe unterhalb der tschechisch-deutschen Grenze. Als nachgeordnete Behörde hat die Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) den Auftrag, die Bundeswasserstraßen zu verwalten. Sie betreibt hierzu auf der fast 730 km langen deutschen Elbestrecke zahlreiche Pegel, an denen hauptsächlich kontinuierliche Wasserstandmessungen erfolgen. Abflüsse der Elbe können für die deutsche Untersuchungsstrecke aktuell für 12 Pegel zwischen Schöna und Neu Darchau angegeben werden. Auf der Basis dieses engen Abflussmessnetzes lässt sich die Abflussentstehung entlang der Elbe in Deutschland prinzipiell zufriedenstellend nachvollziehen. Tabelle 2 gibt einen Überblick über die aktuell gültigen Haupt- und Extremwerte des Abflusses zwischen dem mittleren Niedrigwasserabfluss (MNQ) und dem 500-jährlichen Hochwasser (HQ 500 ) für die wichtigsten gewässerkundlichen Pegel an der Elbe zwischen Schöna und Zollenspieker (BFG 2009). Nach den statistisch ermittelten Angaben zu Extremwerten des Abflusses (Tab. 2) nehmen im Längsprofil der Elbe ab HQ 100 die Abflüsse entlang der ca. 600 km langen Strecke zwischen Schöna und Zollenspieker durch Abflachungseffekte im Wellenablauf deutlich ab, obwohl hier mit Schwarze Elster, Mulde, Saale und Havel mehrere große Nebengewässer in die Elbe münden. Ihre Anteile an der Entstehung und den Wellenabläufen von Elbehochwassern in Deutschland sind unterschiedlich zu bewerten (siehe Kap. 2.3). 22
Tabelle 2: Haupt- und Extremwerte des Abflusses für Pegel der Elbe in Deutschland (BFG 2009) Pegel Schöna Dresden Torgau Barby Wittenberge Neu Darchau Zollenspieker Elbe-km 2.1 55.6 154.2 294.8 453.9 536.4 598.3 Abfluss [m³/s] [m³/s] [m³/s] [m³/s] [m³/s] [m³/s] [m³/s] MNQ 109 112 121 223 298 290 289 MQ 313 327 337 558 701 710 708 MHQ 1542 1534 1498 1950 1890 1830 1804 HQ 2 1721 1580 1540 2270 2190 2130 2106 HQ 5 2310 2110 2090 2970 2810 2740 2712 HQ 10 2769 2520 2510 3410 3200 3110 3080 HQ 20 3250 3000 3000 3850 3590 3500 3466 HQ 50 3900 3690 3680 4360 4220 4130 4084 HQ 100 4415 4260 4230 4710 4545 4450 4360 HQ 200 4960 4860 4800 5040 4860 4760 4700 HQ 300 5320 5240 5150 5220 5030 4940 4880 HQ 500 5800 5740 5600 5440 5230 5140 5080 2.3 Genesen charakteristischer Hochwasser im Elbe-Einzugsgebiet Im Zeitraum zwischen 2002 und 2011 ereigneten sich drei für die Obere und Mittlere Elbe bedeutende Hochwasser (August 2002, April 2006, Januar 2011), die - bezogen auf die Abflussverhältnisse in den wichtigsten Nebenflüssen der Elbe - durch sehr unterschiedliche hydrologische Entstehungsprozesse ausgelöst wurden. Abbildung 11 veranschaulicht diese heterogenen Abflussverhältnisse in der Elbe und in ihren Nebenflüssen. Darüber hinaus präsentiert Tabelle 3 (Seite 28) eine Zusammenfassung der Scheitelabflüsse der drei Hochwasser für alle wichtigen Pegel im Elbe-Einzugsgebiet. Das Hochwasser vom August 2002 stellte den extremen Fall eines Sommerhochwassers dar, welches durch intensive Starkregenereignisse im tschechischen und teilweise auch im deutschen Einzugsgebiet hervorgerufen wurde. Es verursachte das größte Hochwasser in Tschechien und Deutschland seit 1890 mit verheerenden Auswirkungen in beiden Ländern. Dabei wurde die langjährige monatliche Niederschlagshöhe im Elbe-Einzugsgebiet bereits innerhalb der ersten 10 Tage des Monats erreicht. Abbildung 12 zeigt die regionale Verteilung der Niederschlagssummen in Tschechien für die Periode zwischen dem 6. und 15. August 2002. Zwei Niederschlagsphasen und Hochwasserwellen prägten die meteorologische Situation, wobei innerhalb der ersten eine intensive Sättigung der Böden im Einzugsgebiet auftrat, die dann in der zweiten Phase zu einem erhöhten Oberflächenabfluss führte. Die höchsten Abflüsse in Tschechien wurden in der Moldau und in kleineren Nebenflüssen der Eger gemessen (BFG 2002). Die erste Welle des Hochwassers wurde dabei maßgeblich durch den Einsatz der Moldaukaskade beeinflusst, welche einen bedeutenden Teil der Hochwasserwelle durch Füllung des freien Talsperrenraums (überwiegend bis in den gewöhnlichen Hochwasserrückhalteraum hinein) zurückhalten konnte. Folglich war bei Auftreten der zweiten Hochwasserwelle der verfügbare Speicherraum wesentlich kleiner (im Vergleich zur 23
ersten Welle), so dass nur noch die beiden Talsperren Lipno I und Orlík zur Dämpfung der Hochwasserwelle beitragen konnten. Dabei wurde in Orlík sogar das höchste Stauziel überschritten. Hochwasser im August 2002: Elbe und Moldau Hochwasser im August 2002: Nebenflüsse der Elbe Abfluss [m³/s] 5500 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 HQ in Dresden: 4580 m³/s HQ in Wittenberge: 3830 m³/s HQ in Neu Darchau: 3420 m³/s HQ in Mělník: 5300 m³/s HQ in Ústí: 4700 m³/s HQ in Chuchle: 5160 m³/s HQ in Brandýs: 529 m³/s Abfluss [m³/s] 900 700 500 300 100-100 HQ in Bad Düben: 814 m³/s HQ in Calbe-Grizehne: 295 m³/s HQ in Rathenow: 156 m³/s HQ in Havelberg: 221 m³/s HQ in Louny: 174 m³/s 1000 500 0 03/08/2002 09/08/2002 15/08/2002 21/08/2002 28/08/2002 Dresden Wittenberge Neu Darchau Ústí n.l. Mělník Prag-Chuchle Brandýs -300-500 03/08/2002 09/08/2002 15/08/2002 21/08/2002 28/08/2002 Bad Düben (Mulde) Calbe-Grizehne (Saale) Rathenow (Havel) Havelberg (Havel) Louny (Eger) Hochwasser im April 2006: Elbe und Moldau Hochwasser im April 2006: Nebenflüsse der Elbe Abfluss [m³/s] 4000 3500 3000 2500 2000 1500 HQ in Dresden: 2870 m³/s HQ in Wittenberge: 3705 m³/s HQ in Neu Darchau: 3600 m³/s HQ in Mělník: 2410 m³/s HQ in Ústí: 2540 m³/s HQ in Chuchle: 1430 m³/s HQ in Kostelec: 1020 m³/s Abfluss [m³/s] 700 600 500 400 300 HQ in Priorau: 597 m³/s HQ in Calbe-Grizehne: 483 m³/s HQ in Rathenow: 170 m³/s HQ in Havelberg: 219 m³/s HQ in Louny: 250 m³/s 1000 200 500 100 0 25/3/06 29/3/06 2/4/06 6/4/06 10/4/06 14/4/06 19/4/06 23/4/06 0 25/3/2006 29/3/2006 2/4/2006 6/4/2006 10/4/2006 Dresden Wittenberge Neu Darchau Ústí n.l. Mělník Prag-Chuchle Kostelec Priorau (Mulde) Rathenow (Havel) Louny (Eger) Calbe-Grizehne (Saale) Havelberg (Havel) Abfluss [m³/s] 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 Hochwasser im Januar 2011: Elbe und Moldau Abfluss [m³/s] 800 700 600 500 400 300 200 Hochwasser im Januar 2011: Nebenflüsse der Elbe HQ in Priorau: 749 m³/s HQ in Calbe-Grizehne: 728 m³/s HQ in Rathenow: 248 m³/s HQ in Havelberg: 336 m³/s HQ in Louny: 345 m³/s 500 100 0 7/1/11 13/1/11 19/1/11 25/1/11 1/2/11 7/2/11 13/2/11 Dresden Wittenberge Neu Darchau Mělník Ústí Chuchle Kostelec 0 7/1/11 13/1/11 19/1/11 25/1/11 1/2/11 7/2/11 13/2/11 Priorau (Mulde) Calbe-Grizehne (Saale) Rathenow (Havel) Havelberg (Havel) Louny (Eger) Abbildung 11: Gemessene Abflussganglinien während der Hochwasser 2002 (obere Abbildungen), 2006 (mittlere Abbildungen) und 2011 (untere Abbildungen) 24
Abbildung 12: Regionale Verteilung der Niederschlagssummen in Tschechien für den Zeitraum zwischen 6.8.2002 und 15.8.2002 (MŽP 2003) Die statistische Auswertung des Hochwassers 2002 in Tschechien machte deutlich, dass das Hochwasserereignis in Prag einer Jährlichkeit von 500 Jahren entspricht, wenn das Hochwasserereignis selbst nicht im Bezugszeitraum der statistischen Reihe berücksichtigt wird. Unter Einbeziehung des Hochwassers 2002 bei der Ermittlung der Extremwerte ergibt sich immer noch ein 200-jährliches Hochwasser. Der Scheitelabfluss in Prag (Abb. 13a) betrug 5.160 m³/s. Dies entspricht dem höchsten jemals gemessenen Abfluss (und Wasserstand). Abbildung 13: (a) Das Hochwasser 2002 in Prag (links) und (b) in Děčín (rechts) (RAUDENSKÝ ET AL. 2002) 25
In Děčín (Abb. 13b) erreichte das Hochwasser von 2002 eine Jährlichkeit von 100 Jahren (bei Berücksichtigung des 2002er-Hochwassers bei der Berechnung der statistischen Extremwerte). Aufgrund von weitläufigen Ausuferungen des Hochwassers in Überflutungsflächen am Zusammenfluss der Elbe mit der Moldau bzw. mit der Eger, erfolgte eine Scheitelabflachung zwischen Prag und Děčín, so dass dort nur noch ein Abfluss von 4.770 m³/s als Scheitelwert gemessen werden konnte. In Deutschland beeinflussten kleinere Nebenflüsse aus dem Osterzgebirge sowie das extreme Hochwasser in der Mulde, welches am Pegel Priorau einen Scheitelabfluss von annähernd 1000 m³/s erreichte, die Hochwasserentwicklung in der Elbe maßgeblich. Sowohl der kontrollierte Rückhalt von Elbewasser in der Havelniederung und den dortigen Poldern als auch zahlreiche Deichbrüche in Sachsen und Sachsen-Anhalt sorgten dafür, dass der Hochwasserscheitel, vor allem unterhalb der Havelmündung, reduziert wurde (vgl. obere Diagramme in Abb. 11). Ein typisches Frühjahrshochwasser wird durch das Ereignis im März/April des Jahres 2006 beschrieben. Während des schneereichen Winters 2005/2006 baute sich - vor allem auch in den niedrigen Lagen der Gebirge im Einzugsgebiet - eine mächtige Schneedecke auf (IKSE 2007). Hohe Niederschläge, die bis zu 200 % des langjährigen mittleren Durchschnitts betrugen, führten dann zu einer rasanten Schneeschmelze mit Schwerpunkt in den niedrigen und mittleren Höhenlagen. Den größten Beitrag zur Hochwasserentstehung leisteten dabei die aus Böhmen kommenden Nebenflüsse Metuje und Doubrava. Im Gegensatz zum Jahr 2002 waren die Einflüsse der Eger, speziell aber der Moldau, eher gering. Ein Grund hierfür war der in der Moldaukaskade und der Talsperre Nechranice an der Eger durchgeführte Hochwasserrückhalt. So wurde während des gesamten Winters mit Zunahme des in der Schneedecke gespeicherten Wasseräquivalents das Stauziel der Talsperre Orlík abgesenkt (Abb. 18, Seite 39), um danach Volumen aus der Hochwasserwelle zurückhalten und so den Abflussscheitel unterhalb der Talsperren reduzieren zu können. Aufgrund dieser Maßnahmen wurde der für Prag kritische Abfluss von 1.500 m³/s (dritte Hochwassergefahrenstufe) nicht überschritten. In Ústí nad Labem, wo ein Scheitelabfluss von 2.540 m³/s gemessen wurde, wurde diese Stufe zwischen dem 28. März 2006 und 10. April 2006 erreicht (IKSE 2007). An der Oberen Elbe in Deutschland verursachte die Hochwasserentstehungsgeschichte in Tschechien (große Niederschlagssummen, schnelle Schneeschmelze) eine breite Hochwasserwelle mit einer großen Abflussfülle. Bedeutende Hochwasserereignisse an deutschen Nebenflüssen wurden an der Mulde und der Saale registriert. Dabei wurden an der Mulde - obwohl die Scheitelwerte des Hochwassers 2002 nicht erreicht wurden - für die Dauer von über einem Monat Wasserstände im Hochwasserbereich gemessen. Kennzeichnend für die untere Mittelelbe war die Tatsache, dass trotz niedrigerer Abflüsse als im Jahr 2002 (vgl. Pegel Neu Darchau im mittleren Diagrammpaar in Abb. 11) höhere Scheitelwasserstände zu verzeichnen waren. 26
Abbildung 14: Zusammenfluss von Moldau und Elbe im Jahr 2006 (links); ausgedehnte Überschwemmungsfläche im Bereich Leitmeritz (Mündung der Eger in die Elbe) im Jahr 2006 (rechts) (RAUDENSKÝ ET AL. 2002) Feuchte und warme Witterungsbedingungen waren die Ursache für das Winterhochwasser vom Januar 2011. Da dieser Phase ein kalter und schneereicher Frühwinter im November und Dezember vorausging, sorgte die einsetzende Schneeschmelze für eine lang andauernde Hochwasserwelle auf der deutschen Elbestrecke. In der Woche zwischen dem 3. und 9. Januar beeinflusste ein Hochdruckgebiet über Ungarn und Rumänien die Wetterlage in Osteuropa. Ab Donnerstag, dem 6. Januar 2011, sorgte ein Tiefdruckgebiet über Westeuropa dafür, dass Warmluft aus dem Südwesten nach Mitteleuropa einströmen konnte. Diese erreichte in der Nacht zu Freitag Mitteleuropa und brachte während des gesamten Wochenendes verhältnismäßig hohe Temperaturen in Mitteleuropa. Unruhiges Wetter mit mehreren Frontensystemen, die von Westen nach Osten über den europäischen Kontinent zogen (und sich mit typischem Rückseitenwetter mit hohem Luftdruck abwechselten), kennzeichneten die Witterung in der Woche zwischen dem 10. und 16. Januar (POH 2011). Im Einzugsgebiet der Moldau traten im Januar 2011 zwei Hochwasserwellen auf, die beide durch eine Kombination aus einsetzender Schneeschmelze und ergiebigen Niederschlägen hervorgerufen wurden. Das erste Hochwasser ereignete sich zwischen dem 7. und 10. Januar vorrangig im Einzugsgebiet der Berounka. Die Jährlichkeiten der gemessenen Scheitelabflüsse lagen zwischen 5 und 10 Jahren. Die zweite Hochwasserwelle trat dann zum Ende der ersten Dekade im Januar 2011 auf und erreichte ihre Scheitelabflüsse zwischen dem 14. und 17. Januar. Am Ende der zweiten Januardekade zeigten die meisten Pegel wieder fallende Wasserstandstendenzen an. Mit bis zu 2 m traten die größten Wasserspiegelanstiege in den Moldaunebenflüssen Berounka, Lužnice (Lainsitz), Blanice und Sázava auf, so dass die Wiederkehrintervalle des Ereignisses Werte bis zu 20 Jahren erreichten. Während der zweiten Hochwasserwelle, welche aufgrund ihrer Scheitelwerte als Hauptereignis zu bezeichnen ist, fand ein bedeutendes Abschmelzen der Schneedecke, vor allem in den unteren und mittleren Höhenlagen, statt (PVL 2011). 27
Im Einzugsgebiet der Eger erfolgten signifikante Temperaturanstiege zum Ende der ersten und zweiten Januardekade, so dass in diesen Zeiträumen die Nachttemperaturen nicht unter den Gefrierpunkt fielen. Zusammen mit vergleichsmäßig intensiven Niederschlägen setzte ein Abschmelzen der Schneedecke in allen Höhenlagen der Gebirge ein. Da aufgrund der partiellen Schneeschmelze in der ersten Januarwoche bereits ein großer Anteil der natürlichen Wasserrückhaltekapazitäten im Einzugsgebiet aufgebraucht war, führte die nun ablaufende Schneeschmelze zu einer schnellen Abflussreaktion. Von diesen Prozessen waren die obere und die untere Eger gleichermaßen betroffen (POH 2011). Deutsche Nebenflüsse der Elbe, die in erheblichem Maße zur Hochwasserentwicklung beigetragen haben, sind im Erzgebirge zu finden. Darüber hinaus hatten die Mulde und die Saale einen bedeutenden Einfluss auf die Hochwasserscheitel an der unteren Mittelelbe, wo die Scheitelwasserstände die höchsten Werte der drei beschriebenen Hochwasser erreichten. Da sich die Hochwasserscheitel in Elbe und Saale am Zusammenfluss der beiden Gewässer zeitlich überlagerten, konnte in der Saale ein deutlicher Rückstaueffekt beobachtet werden, der weit über den Pegel Calbe-Grizehne (Saale-km 17,4) hinausreichte. Deshalb zeigt die Abflussganglinie für diesen Pegel, welche in Abbildung 11 (unteres Diagrammpaar, rechts) dargestellt ist und unter Verwendung der offiziellen Abflusskurve der WSV aus den gemessenen Wasserständen abgeleitet wurde, zu hohe Werte und kann als Eingangsrandbedingung für Modellberechnungen nicht verwendet werden. Unter anderem auch deshalb wurde zur Simulation des Hochwassers 2011 (und der weiteren genannten historischen Hochwasser) ein gekoppeltes, hydrodynamisch-numerisches Elbe-Saale-Modell verwendet, welches diesen Rückstaueffekt abbilden kann. Tabelle 3: Scheitelabflüsse der Hochwasser 2002, 2006 und 2011 an der Elbe und den wichtigen Nebenflüssen in Tschechien und Deutschland Pegel Gewässer Elbe-km / Mündung bei Elbe-km August 2002 April 2006 Januar 2011 [m³/s] [m³/s] [m³/s] Brandýs n.l. Elbe 865.2* 530 1020 645 Praha-Chuchle Moldau 837.2* 5160 1430 1010 Louny Eger 792.3* 174 250 345 Ústí n.l. Elbe 765.9 */ -38.2** 4700 2540 1900 Dresden Elbe 55.6 4580 2870 2280 Torgau Elbe 154.2 4420 2880 2270 Priorau Mulde 259.6 971 607 749 Aken Elbe 274.7 4020 3180 2820 Calbe-Grizehne Saale 290.8 295 483 728 Barby Elbe 294.9 4290 3580 3600 Tangermünde Elbe 388.2 3840 3560 3660 Rathenow Havel 438 156 170 248 Wittenberge Elbe 453.9 3830 3700 3770 Neu Darchau Elbe 536.4 3420 3600 3600 (* tschechische Elbestationierung (ggf. der Nebenflussmündung), ** entsprechend der deutschen Elbestationierung) 28
Da das Hochwasser vom Januar 2011 erst rund ein Jahr nach Projektbeginn aufgetreten ist, konnte es nicht mehr zur Erstellung der Modellhochwasser herangezogen werden (vgl. Kap. 4.2). Trotzdem wurde dieses Hochwasser auf Anfrage der deutschen Flussgebietsgemeinschaft Elbe (FGG) im Rahmen einer kleinen Teilstudie bezüglich der Wirkung von Rückhaltemaßnahmen in Tschechien (an Moldau und Eger) und in Thüringen (an der Saale) modelltechnisch untersucht. Die Ergebnisse hierzu können - wie auch die der Auswertungen für die historischen Ereignisse der Jahre 2002 und 2006 - in Kapitel 5.1 gefunden werden. 29
30
3 Talsperren in der Tschechischen Republik 3.1 Übersicht Talsperren werden in Tschechien in der Regel als Mehrzweckspeicher betrieben. Hauptsächlich dient deren Einsatz zu folgenden Zwecken: (i) Wasserversorgung, (ii) Erzeugung elektrischer Energie in Wasserkraftwerken, (iii) Hochwasserschutz usw. Die Steuerung dieser Speicherbecken erfolgt auf der Grundlage von Betriebsanweisungen. Im Falle des Einsatzes als Hochwasserrückhaltebecken ist dabei als Hauptkriterium zu beachten, dass mit der Abgabe aus der Stauanlage unterhalb bestimmte Schutzniveaus eingehalten und somit keine nennenswerten Schäden verursacht werden. Diese auf den Schutz der Unterlieger gesteuerte Abgabe variiert zwischen HQ 1 und HQ 5. Die Lage der Talsperren im tschechischen Gewässernetz, deren Einflüsse in den Simulationsberechnungen berücksichtigt sind, ist aus der Abbildung 15 ersichtlich. Abbildung 15: Gewässernetz des tschechischen Einzugsgebiets der Elbe und Lage der in den Untersuchungen berücksichtigten Talsperren (rote Dreiecke: in Simulationsberechnungen für Modell- und historische Ereignisse berücksichtigt; gelbe Dreiecke: nur in Simulationsberechnungen für historische Ereignisse berücksichtigt) 31
Für die einzelnen historischen Hochwasser erfolgt die Einbeziehung der Becken in den Simulationen ereignisabhängig. Bei der Auswahl wurde der jeweilige Scheitelabfluss und das Rückhaltevolumen besonders beachtet. In den Tabellen 6 bis 9 sind die in den Untersuchungen der Hochwasserereignisse berücksichtigten tschechischen Talsperren aufgeführt und enthalten Angaben über ihre wesentlichen Charakteristiken. Tabelle 4 gibt einen allgemeinen Überblick über die Talsperren im tschechischen Teil des Elbegebiets. Demnach verfügen die 136 Talsperren im tschechischen Elbegebiet insgesamt über einen Stauraum von 2.567 Mio. m³, was in etwa 25% des mittleren jährlichen Abflusses dieses Gebiets entspricht. Davon beträgt gegenwärtig der gewöhnliche Hochwasserrückhalteraum 231 Mio. m³ bei kontrolliertem Einsatz der Becken für Rückhaltungen im Sommer und vergrößert sich auf 264 Mio. m³ während Hochwasser im Winter. Bedeutsame Rückhalteräume liegen an der Moldau und an der Eger, insbesondere sind hier die Talsperren Lipno und Orlík an der Moldau und Nechranice an der Eger zu nennen. An der Moldau befindet sich eine weitere große Talsperre Slapy, die zwar nicht über einen gewöhnlichen Hochwasserrückhalteraum verfügt (Tab. 5), aber für den Fall von schneeschmelzbedingten Winterhochwassern vorentleert werden kann. Da diese Becken eine größere Rolle als die übrigen Becken spielen, wurden sie für die Simulationsberechnungen der Modellhochwasser ausgewählt (NOVICKY ET AL. 2008). Tabelle 4: Überblick über Talsperren im tschechischen Elbegebiet (IKSE, Stand: 31.12.2008) Teilflussgebiet davon gewöhnlicher Anzahl der Hochwasserrückhalteraum Talsperren Stauraum Winterhalbjahr Sommerhalbjahr [Mio. m³] [Mio. m³] [Mio. m³] Elbe oberhalb der Mündung der Moldau (Talsperren) 16 163.25 43.81 34.99 Elbe oberhalb der Mündung der Moldau (grüne Rückhaltebecken) 6 4.99 4.65 4.65 Elbe unterhalb der Mündung der Moldau bis zur Staatsgrenze CZ/D 18 27.59 7.13 5.63 Moldau 72 1895.34 137.4 137.40 Eger 22 404.33 69.78 47.14 Mulde 2 72.03 1.27 1.27 Summe 136 2567.53 264.04 231.08 Tabelle 5 enthält charakteristische Angaben zu den großen an Moldau und Eger gelegenen Talsperren, die in den Untersuchungen mit synthetisch erzeugten Modellhochwassern verwendet wurden (obere Tabelle 5a) und zu kleineren Talsperren, die zusätzlich in den Untersuchungen der historischen Hochwasser 2002, 2006 und 2011 berücksichtigt wurden (untere Tabelle 5b). Erklärungen zu den wichtigsten Größen hinsichtlich des Betriebs von Talsperren werden in der Abbildung 16 gegeben. 32
Abbildung 16: Schematische Darstellung einer Talsperre mit unterschiedlichen Betriebswasserständen und Speicherräumen (IKSE 2005) In den vergangenen Jahren beschäftigten sich mehrere Studien mit der Ermittlung und Auswertung der Auswirkungen von gesteuerten Hochwasserrückhaltungen in Talsperren auf den Hochwasserablauf. Hierin wurden auch die anteiligen Wirkungen von großräumigen Überschwemmungsgebieten an der Elbe untersucht (HLADNY ET AL. 2004, KASPAREK ET AL. 2006A, KASPAREK ET AL. 2006B). Der Schwerpunkt dieser Studien lag auf der Bewertung des Einsatzes der tschechischen Talsperren auf die Hochwasserscheitelreduktionen an wichtigen Pegeln in Tschechien, insbesondere auf den grenznahen Pegel Dĕčín. Tabelle 5: Liste der vorrangigen Talsperren und ihrer wesentlichen Merkmale (oberer Tabellenteil a: bedeutendste Talsperren) Talsperre (Gewässer) Lipno I (Moldau) Orlík (Moldau) Kamýk (Moldau) Slapy (Moldau) Štĕchovice (Moldau) Vrané (Moldau) Nechranice (Eger) Fluss-km 329.54 144.65 134.73 91.69 84.32 71.33 103.44 Einzugsgebiet [km²] 948 12106 12218 12957 13298 17785 3590 Jahr der Inbetriebnahme 1959 1962 1966 1955 1945 1935 1968 Staufläche bei Vollstau [ha] 4870 2733 195 1163 96 263 1338 höchstes Stauziel [m+nn] 725.60 353.60 284.60 270.60 219.40 200.10 273.05 Vollstau [m+nn] 725.60 353.60 284.60 270.60 219.40 200.10 271.90 Stauziel [m+nn] 724.90 351.20 284.60 270.60 219.40 200.10 269.00 Absenkziel [m+nn] 716.10 329.60 282.10 246.60 215.80 199.10 235.40 Gesamtstauraum [Mio. m³] 309.50 716.50 12.98 269.30 10.44 11.10 287.63 Stauraum [Mio. m³] 309.50 716.50 12.98 269.30 10.44 11.10 272.43 davon gewöhnlicher Rückhalteraum [Mio. m³] 33.16 62.07 0 0 0 0 36.56 33
Tabelle 5 fortgesetzt; unterer Tabellenteil b: Talsperren bedeutend für einzelne Hochwasser Talsperre (Gewässer) Březova (Teplá) Skalka (Eger) Jesenice (Odrava) Hracholusky (Mže) Švihov (Želivka) Žlutice (Střela) Seč (Chrudimka) Rozkoš (Úpa) Les Království (Elbe) Klabava (Klabava) Rimov (Malše) Fluss-km 8.21 242.4 4.17 22.67 4.29 70.82 50.72 3.59 1041 14.74 21.85 Einzugsgebiet [km²] 294 672 411 1609 1178 214 216 415 532 330 488 Jahr der Inbetriebnahme 1937 1964 1960 1964 1975 1968 1947 1972 1923 1957 1978 Staufläche bei Vollstau [ha] 77 378 760 490 1603 167 220 1001 85 128 211 höchstes Stauziel [m+nn] 431.40 443.60 440.70 357.97 379.80 509.72 490.11 283.00 324.85 351.10 471.48 Vollstau [m+nn] 430.15 442.60 439.70 354.70 377.00 507.95 488.61 282.60 323.40 345.70 471.40 Stauziel [m+nn] 424.50 437.6w 437.6 w 354.10 377.00 507.05 486.81 280.50 314.6w 345.70 470.65 442.2 s 439.2 s 315.6 s Absenkziel [m+nn] 422.70 435.60 427.30 339.60 343.10 493.60 469.61 272.00 307.60 344.40 442.50 Gesamtstauraum [Mio. m³] 5.69 19.55 60.15 56.65 309.00 15.61 21.79 76.15 9.15 5.66 33.80 Stauraum [Mio. m³] 4.70 15.92 52.75 41.92 266.56 12.80 18.49 76.15 7.98 1.19 33.63 davon gewöhnlicher Rückhalteraum (So/Wi) (w = Winter, s = Sommer) 3.10 12.55 w 13.15 w 1.349 s 3.486 s 2.41 0.00 1.30 3.17 25.4 w 4.92 w 18.2 s 4.515 s 0.00 1.55 Die Reihe mehrerer gestaffelter Talsperren entlang der Moldau wird auch als Moldaukaskade bezeichnet. Hierfür wurden insgesamt 9 Sperranlagen errichtet, die in einem schematisierten Längsschnitt in Abbildung 17 dargestellt sind. Abbildung 17: Talsperren an der Moldau im Überblick 34
In der Moldaukaskade liegt die größte tschechische Talsperre im Hinblick auf den Speicherraum (Talsperre Orlík) und hinsichtlich der Wasseroberfläche (Talsperre Lipno I). Für Hochwasserschutzzwecke steht in diesen Talsperren insgesamt ein gewöhnlicher Rückhalteraum mit einem Speichervolumen von 95,23 Mio. m³ zur Verfügung, der ca. 7% des Gesamtstauraums der Moldaukaskade von 1.330 Mio. m³ ausmacht (obere Tab. 5a). Die in den Wasserkraftwerken der Kaskade installierten Turbinen produzieren eine elektrische Leistung von 750 MW. Da die Moldau-Kaskade mit ihren großen Speicherbecken oberhalb von Prag liegt, kann durch ihren kontrollierten, gesteuerten Einsatz die tschechische Hauptstadt effektiv vor Hochwassern der Moldau geschützt werden. Die Talsperre Lipno I (Moldau) wurde in den Jahren 1952 bis 1959 gebaut. Ihre Staumauer befindet sich bei Moldau-km 329,5, so dass Lipno I als oberst gelegene Talsperre in der Moldaukaskade fungiert. Mit einer Wasseroberfläche von 4870 ha bildet diese im südböhmischen Bezirk gelegene Talsperre das flächenmäßig größte Speicherbecken in der Tschechischen Republik. Ihr Rückstaubereich erstreckt sich auf eine Länge von 42 km bei einer maximalen Breite von 5 km. Der Gesamtstauraum umfasst ein Volumen von 309,5 Mio. m³, wovon 33 Mio. m³ im gewöhnlichen Hochwasserrückhalteraum gespeichert werden können. Der Absperrdamm besteht zu einem Drittel aus Beton und zu zwei Drittel aus einem geschütteten Erddamm. Im Betonfundament befinden sich zwei Grundablässe (2 x 86,1 m³/s), die Hochwasserentlastung verfügt über zwei Überläufe (148,42 m³/s). Die Turbinen im Wasserkraftwerk haben eine Kapazität von 2 x 46 m³/s. Ungefähr 10 km unterhalb liegt die Staumauer des Ausgleichsbeckens Lipno II, das zur Vergleichmäßigung des Abflusses aus Lipno I eingesetzt werden kann. Es verfügt über keinen kontrollierbaren gewöhnlichen Hochwasserschutzraum. Der einzuhaltende, schadlose Hochwasserabfluss aus Lipno beträgt zwischen 60 m³/s und 92 m³/s. Die wichtigsten Nutzungszwecke der Talsperre Lipno I sind: (i) (ii) (iii) (iv) (v) (vi) (vii) (viii) (ix) (x) (xi) Gewährleistung eines Mindestabflusses in der Moldau unterhalb von Lipno II Niedrigwasseraufhöhung der Moldau in den unterhalb gelegenen Bereichen der Talsperren Hněvkovice und Kořensko Betrieb des Wasserkraftwerks zur Erzeugung von Spitzenlaststrom Wasserversorgung Elektrizitätserzeugung Verbesserung der biologischen und chemisch-physikalischen Wasserqualität in der Moldau Hochwasserrückhaltung in der Moldau und Beitrag zum Hochwasserschutz der Unterlieger Beeinflussung des winterlichen Abflussregimes und Vermeidung von Beeinträchtigungen durch Eisbildung Freizeit und Sport Fischfang Schifffahrt auf dem Stausee 35
Die Staumauer der Talsperre Orlík (Moldau) befindet sich bei Moldau-km 144,65. Bezogen auf den Stauraum ist die Talsperre Orlík das größte Speicherbecken in der Tschechischen Republik. Sie wurde zwischen 1954 und 1962 gebaut. Der Absperrdamm wurde als geradlinige Betonschwergewichtsstaumauer errichtet, deren Dammkrone eine Länge von 450 m aufweist. Die Wasserabfuhr erfolgt über die Überfallkrone mit drei Feldern und Wehrverschlüssen (2183 m³/s) und über zwei Grundablässe (371 m³/s). Das Wasserkraftwerk ist mit vier Turbinen ausgerüstet (4 x 150 m³/s). Der Betrieb der Talsperre Orlík ist mit dem ca. 10 km unterhalb gelegenen Ausgleichsbecken Kamýk, das über ein Stauvolumen von 12,98 Mio. m³ verfügt (Tab. 5), rückgekoppelt. Mit der Errichtung des Stausees wurde der Wasserlauf der Moldau auf einer Länge von 68 km künstlich überprägt. Sogar die Ufer der Nebenflüsse Otava und Lužnice, die in den Stausee münden, sind noch vom Rückstau der Talsperre betroffen, so dass der gesamte Stausee eine Uferlänge von mehr als 300 km erreicht. Seine Wasseroberfläche hat eine Größe von 2732,7 ha. Der Gesamtstauraum umfasst ein Speichervolumen von 716,5 Mio. m³, wovon 62 Mio. m³ zur Speicherung im gewöhnlichen Hochwasserrückhalteraum herangezogen werden können. Für Hochwasserschutzzwecke kann in Abhängigkeit von den Witterungsverhältnissen (z.b. der Höhe des Wassergehalts der Schneedecke im Bergland) eine Vorentleerung des Betriebraums durch Absenkung des Stauziels um bis zu 20 m vorgenommen werden (siehe: Hochwasser 2006). Die wichtigsten Nutzungszwecke der Talsperre Orlík sind: (i) (ii) (iii) (iv) (v) (vi) (vii) (viii) (ix) (x) Gewährleistung eines Mindestabflusses in der Moldau unterhalb von Orlík Betrieb des Wasserkraftwerks zur Erzeugung von Spitzenlaststrom Wasserversorgung Hochwasserrückhaltung in der Moldau und Beitrag zum Hochwasserschutz der Unterlieger (mit besonderem Schwerpunkt des Schutzes der Stadt Prag mit einem dort einzuhaltenden schadlosen Abfluss von 1500 m³/s) Niedrigwasseraufhöhung in der Moldau und im weiteren Verlauf auch der Elbe zur Verbesserung der Schifffahrtsbedingungen Lieferung von Zuschusswasser zur Verbesserung Wasserqualität in der Moldau (insbesondere Prag) und Minderung der Auswirkungen von Störfällen Beeinflussung des winterlichen Abflussregimes und Vermeidung von Beeinträchtigungen durch Eisbildung Freizeit und Wassersport Schifffahrt auf dem Stausee Fischfang Die Talsperre Slapy (Moldau), mit einer Wasseroberfläche von 1162,6 ha, wurde im Jahr 1955 fertig gestellt. Ihr Gesamtstauraum beträgt 269,3 Mio. m³. Der Nutzungszweck der Talsperre Slapy liegt hauptsächlich in der Erzeugung elektrischer Energie zu Spitzenzeiten des Strombedarfs, der Gewährleistung eines Mindestabflusses im Unterwasser, der Verbesserung der Schiffbarkeit und der Bereitstellung von Trinkwasser und von Brauchwasser für die In- 36
dustrie. Sie besitzt keinen gewöhnlichen Hochwasserrückhalteraum. Ihr Beitrag zum verbesserten Hochwasserschutz der Unterlieger und besonders zum Schutz der Stadt Prag vor Hochwasser erfolgt nur bei schneeschmelzbedingten Winter-/Frühjahrsereignissen. Dann kann das Stauziel abgesenkt und somit freie Kapazitäten für nachfolgende Speicherungen im Betriebsraum geschaffen werden. Dies ist in Abhängigkeit von den Schneeverhältnissen im Einzugsgebiet und den Informationen der Vorhersagestelle des Tschechischen Hydrometeorologischen Instituts (CHMI) aus der operationellen Vorhersage möglich. Die Staumauer der Talsperre Slapy verfügt über zwei Grundablässe (2 x 185 m³/s) und vier Überläufe an der Dammkrone (3225 m³/s); außerdem existiert ein Wasserkraftwerk. Die Talsperre Nechranice (Eger) stellt mit ihrer Wasseroberfläche von 1338 ha die fünftgrößte Talsperre in der Tschechischen Republik dar und besitzt den längsten Erdabsperrdamm in Mitteleuropa (3280 m). Sie wurde zwischen 1961 und 1968 gebaut. Die wichtigsten Nutzungszwecke der Talsperre Nechranice sind: (i) (ii) (iii) (iv) Niedrigwasseraufhöhung der Eger unterhalb der Talsperre Zuschusswasser der Eger zur Sicherung der Abgaben für: a. Wasserversorgung, b. Industrie und Energiewirtschaft, c. Landwirtschaft und Urbarmachung Hochwasserrückhaltung in der Eger und Beitrag zum Hochwasserschutz der Unterlieger Erzeugung von elektrischer Energie im Wasserkraftwerk Nechranice Weiterhin kann die Talsperre Nechranice für die folgenden Zwecke genutzt werden: (i) (ii) (iii) (iv) Minderung der Auswirkungen von Störfällen Bewirtschaftung der Talsperre im Winter zur Vermeidung von Beeinträchtigungen durch Eisbildung im unterstromigen Flusslauf Wassersport und Erholung Fischfang Die Staumauer der Talsperre verfügt über zwei Grundablässe (2 x 50,7 m³/s) und Überläufe an der Dammkrone (1193 m³/s); außerdem existiert ein Wasserkraftwerk (2 x 16 m³/s). Die Talsperre Nechranice besitzt einen Stauraum von 288 Mio. m³, wovon 36,6 Mio. m³ als gewöhnlicher Hochwasserschutzraum genutzt werden können. Unterhalb der Talsperre soll für Hochwasserschutzzwecke ein schadloser Abfluss von 170-200 m³/s in der Eger eingehalten werden. 37
3.2 Talsperrenbetrieb während der Hochwasser 2002, 2006 und 2011 Die Steuerungsanweisungen zum Betrieb der Talsperren wurden in der Vergangenheit mehrmals angepasst, um neue Gesichtspunkte des Hochwasserschutzes zu integrieren und novellierte Gesetze in der Wasserwirtschaft zu berücksichtigen. Im Verlauf eines Jahres kann demnach für einige Talsperren das Stauziel aufgrund der Betriebsanweisungen jahreszeitlich variieren. Grundsätzlich muss der gewöhnliche Hochwasserschutzraum (vgl. Abb. 16) frei gehalten werden; weiterhin gibt es keine starr zu befolgenden Betriebsanweisungen, jedoch allgemeine, sich auf Erfahrungen stützende Richtlinien für die Vorentleerung der Speicherbecken bei anlaufendem Hochwasser. Der Betrieb der Talsperren hängt somit von den jeweiligen hydrologischen Verhältnissen ab und unterscheidet sich im Winter- und Sommerhalbjahr normalerweise voneinander. Die Vorentleerung einiger Speicherbecken (z.b. Talsperre Orlík) erfolgt sukzessive mit ansteigender Abgabe. Mit den Möglichkeiten des gesteuerten Einsatzes der Speicherbecken kann die für den Betrieb der Anlagen zuständige Behörde alle notwendigen Hochwasserschutzmaßnahmen anordnen, insbesondere für Prag. Bezug nehmend auf bestehende Notfallpläne und die Errichtung mobiler Schutzwände und weiterer Schutzmaßnahmen, muss die maximal zulässige Abgabe aus den Becken solange eingehalten werden, bis die erforderlichen Schritte für den Hochwasserschutz abgeschlossen sind. Der Zeitplan kann im Verlauf eines Hochwassers geändert werden, wenn sich die Größe und die Ankunftszeit der Hochwasser von den hydrologischen Vorhersagen unterscheiden. Im Sommer hängt die Vorentleerung vom Ausmaß des vorhergesagten Hochwassers ab. Aufgrund der kurzen Wellenlaufzeiten und der Weiterverwendung vorhergesagter Niederschlagsintensitäten, beinhalten die hydrologischen Vorhersagen eines hohes Maß an Unsicherheiten (Kap. 5.2.1). Unter diesen Voraussetzungen ist es einleuchtend, dass in den an den Oberläufen der Flüsse gelegenen Talsperren kein großer Zeitraum für die Absenkung der Beckenwasserstände mit dem Ziel der Vorentleerung vorhanden ist. Zudem sind zeitliche Randbedingungen für die maximale Abgabe aus den Talsperren zu beachten. Im Winter herrschen ganz andere Bedingungen. Die Vorentleerung (Abb. 18, Hochwasser 2006) hängt vom für die Schneedecke im Einzugsgebiet ermittelten Wasseräquivalent ab. Somit kann zusätzlich zum gewöhnlichen Hochwasserrückhalteraum ein größeres verfügbares Volumen des Betriebsraums in den Talsperren zum Hochwasserrückhalt bereitgestellt werden. In der nachfolgenden Beschreibung und in den Tabellen 6 bis 9 sind Angaben zu den wichtigsten Betriebsgrößen der Talsperren, zu den Zuflüssen und Abgaben und zu Jährlichkeiten der Hochwasser 2002, 2006 und 2011 enthalten. 38
Abbildung 18: Vorentleerung der Talsperre Orlík während des Hochwassers 2006 (IKSE 2007) Von entscheidender Bedeutung im Einsatz der Moldau-Kaskade ist die Hochwassersteuerung durch die Talsperre Orlik. Die Talsperre Lipno befand sich vor dem Hochwasser 2002 im normalen Betriebszustand. Der Wasserstand in diesem Speicherbecken betrug 724,64 m ü.m. (also 71 cm unter dem damals maximal möglichen Wasserstand von 725,35 m ü.m. im Sommerhalbjahr, vgl. auch S. 79f). Dadurch stand für die Hochwasserrückhaltung ein zusätzliches freies Volumen von 12 Mio. m³ zur Verfügung, so dass mit dem gewöhnlichen Hochwasserrückhalteraum insgesamt ein Speichervolumen von 45 Mio. m³ bereit für den Einsatz war (Tab. 6). Die erste Hochwasserwelle konnte durch die Rückhaltungen in Lipno I vollständig gefahrlos nach unterstrom abgegeben werden. Bei Anlaufen der zweiten Hochwasserwelle umfasste das Speicherbecken dann allerdings nur noch ein freies Volumen von ca. 23 Mio. m³. Die größte Abgabe aus der Talsperre Lipno betrug in der zweiten Welle 320 m³/s (HQ 100 ) bei einem maximalen Zufluss in den Speicherraum von 470 m³/s (HQ 500 ). Dies führte zu einer Hochwasserscheitelreduzierung von mindestens 150 m³/s alleine schon durch den Einsatz der Talsperre Lipno (Tab. 7). In der Talsperre Orlik war zu Beginn des Hochwassers 2002 der gewöhnliche Hochwasserrückhalteraum (62,07 Mio. m³) vollständig freigehalten. Der Beckenwasserstand lag am 05.08.2002 mit einem Wasserstand von 348,50 m ü.m. deutlich unter dem Stauziel von 351,20 m ü.m. (Abb. 19, Tab. 6), so dass insgesamt ein Volumen von 126 Mio. m³ als Speicherraum verfügbar war. Aufgrund ergiebiger Niederschläge im oberen Einzugsgebiet wuchsen die in die Talsperre Orlik mündenden Zuflüsse aus der Otava, Malše und Lužnice an, so dass im ersten Wellenscheitel ein Scheitelabfluss von 1.700 m³/s (08.08.2002, abends) als Talsperrenzufluss in der Moldau auftrat. Nachdem alle notwendigen Hochwasserschutzmaß- 39