Auswirkungen von naturbasierten Maßnahmen zum Schutz vor extremen Überschwemmungen und Dürren

Derzeit ist jedoch noch nicht gut erfasst , unter welchen Bedingungen naturbasierte Maßnahmen zur Verringerung von Hochwasser- und Dürrerisiken beitragen. Eine zuverlässige Bewertung ist wichtig, da die Umsetzung dieser Maßnahmen komplex und zeitaufwändig ist. Außerdem können sich Maßnahmen zur Verringerung der Trockenheit negativ auf das Hochwasserrisiko auswirken und umgekehrt. Es erweist sich auch als schwierig, Kosten und Nutzen mit anderen Arten von Maßnahmen (z. B. Deichbau) zu vergleichen, die Hochwasser- und Dürrerisiken verringern.

Bei der Beantwortung der Wissensfragen verwenden wir empirische Daten und Berechnungsmodelle. In der Wasserwelt gibt es viele Arten von Berechnungsmodellen, die sich in der Art und Weise unterscheiden, wie sie das Wassersystem beschreiben, zum Beispiel in Bezug auf Zeiteinheiten, Auflösung und die einbezogenen Prozesse. Damit unterscheiden sich auch die Annahmen, die die ModelliererInnen treffen (müssen), um die Wirksamkeit von Maßnahmen zu quantifizieren. JCAR ATRACE verwendet daher verschiedene Modelle, um eine Bandbreite von Erwartungen darüber aufzuzeigen, wie effektiv naturbasierte Maßnahmen in der Praxis funktionieren.

Um fundierte Entscheidungen in der Wasserwirtschaft zu treffen, ist es wichtig, den Einfluss der Modellwahl auf die erwartete Wirksamkeit von Maßnahmen zu kennen. Im Rahmen von JCAR ATRACE versuchen wir daher, unterstützte "gute Modellierungspraktiken" zu entwickeln, die ein Verständnis für die Verfügbarkeit und den angestrebten Abdeckungsbereich verschiedener Rechenmodelle vermitteln, so dass auch in diesem Bereich einheitliche Methoden entwickelt werden.

Julius Overhoff, Romijn Servaas und Huub Koper schlossen kürzlich ihr Studium an der VU Universität Amsterdam mit einer Studie zur Bestimmung der Auswirkungen einiger naturbasierter Maßnahmen auf das Hochwasserrisiko im internationalen Einzugsgebiet von Göhl und Maas ab. Die Studenten verwendeten drei verschiedene Berechnungsmodelle, um herauszufinden, inwieweit diese Modellierungswerkzeuge für die Bestimmung der Auswirkungen geeignet sind und inwieweit die Wahl des Modells das Ergebnis beeinflusst.

Die abgeschlossenen Studien für das Einzugsgebiet der Göhl bestätigen einige frühere Schlussfolgerungen, u. a. von Asselman et al. (2023) und Slager et al. (2022), dass nur eine sehr groß angelegte Umsetzung von (naturbasierten) Maßnahmen (Aufforstung) im Einzugsgebiet die Spitzenabflüsse (wie im Jahr 2021) sowohl in Valkenburg als auch in Meerssen erheblich reduzieren kann (jeweils 18-35 %). Die Realisierung kleinerer (neuer) Waldflächen oder die massive Anpflanzung von Heckenreihen sind zwar im Rahmen der derzeitigen Politik realistischer, führen aber bei einem Großereignis wie 2021 nur zu einer begrenzten Verringerung der Spitzenabflüsse von bis zu einigen Prozent.

Die Studien zeigen auch, dass die Waldmerkmale, insbesondere der Grad der Waldentwicklung, einen großen Einfluss auf die berechneten Reduktionen haben.  In einem kaum entwickelten Wald (junge Plantage) werden Abflussspitzenreduzierungen von nur 5 % berechnet, während in einem reifen Wald die berechneten Reduzierungen mehr als 80 % erreichen. Dies liegt vor allem daran, dass sich mit dem Wachstum des Waldes auch der Boden entwickelt. In einem alternden Wald nehmen der Gehalt an organischer Substanz und die Porosität des Bodens zu. Dies erhöht auch die Infiltrationskapazität und die Durchlässigkeit des oberen Teils des Bodens. Außerdem wird mehr Regen von der Vegetation aufgefangen. Es ist jedoch (noch) nicht ganz klar, welche Rolle der (tiefere) Unterboden im Einzugsgebiet für die Abflussspitzen spielt: Wenn das Regenwasser erst einmal in den Boden eingedrungen ist, gibt es im Unterboden oft genug Platz, um dieses Wasser zu speichern und so den Abfluss zu verlangsamen. Klar ist, dass es Zeit braucht, um den vollen Nutzen der Aufforstung zu erreichen.

Einige Simulationen, bei denen 20 oder 50 % weniger Niederschlag als im Juli 2021 angenommen wurde, zeigen, dass unter diesen Bedingungen der Spitzenabfluss relativ stärker reduziert wird als bei den größeren Niederschlagsereignissen. Dies deutet darauf hin, dass die relative Wirkung naturnaher Maßnahmen bei größeren Niederschlagsmengen geringer wird.

Die Wahl der verschiedenen hydrologischen und hydrodynamischen Modelle und die gewählten Modellannahmen scheinen ebenfalls wichtig zu sein. OpenLISEM und das in früheren Untersuchungen verwendete kombinierte Modell wflow-SOBEK scheinen gut in der Lage zu sein, die geschätzten Spitzenabflüsse im Jahr 2021 anzunähern, und bieten auch mehrere Möglichkeiten, naturbasierte Maßnahmen im Modell nachzuahmen.

OpenLISEM, ein kombiniertes hydrologisches und hydrodynamisches Modell, hat den Vorteil, dass es viele Möglichkeiten bietet, Landnutzungsänderungen vorzunehmen. Diese Änderungen wirken sich auf die Funktionsweise des Bodens und damit auf den Regenwasserabfluss aus.

Das Modell wflow-SOBEK wiederum kann Maßnahmen im Flussbett besser beschreiben und scheint auch besser geeignet zu sein, die Auswirkungen von Dürreperioden zu berechnen. Beide Modelle benötigen aufgrund des gewählten Detaillierungsgrades eine recht lange Berechnungszeit (6 - 12 Stunden) pro Modellsimulation eines Ereignisses, so dass es relativ zeitaufwändig ist, zahlreiche Simulationen durchzuführen.

Ein weiteres hydrodynamisches Modell - SFINCS -, welches wir getestet haben, ist für seine sehr kurzen Berechnungszeiten (einige Minuten) bekannt, die auf rechnerische Vereinfachungen der hydrologischen Prozesse zurückzuführen sind. Dieses Modell erwies sich als fähig, den Spitzenabfluss vom Juli 2021 anzunähern und kann auch einige der Einflüsse der NBS-Maßnahmen simulieren, wie z. B. Änderungen der Flächennutzung und der Abflussraten. Es bietet jedoch weniger als die anderen getesteten Modelle die Möglichkeit, NBS-Maßnahmen realistisch im Modell abzubilden und ihre Auswirkungen zu simulieren.

Das (sozio-)hydrologische Modell GEB ist aufgrund seiner groben Auflösung von etwa 1 x 1 km in Raum und Zeit (Tagesbasis) weniger geeignet, diese Art von Überschwemmungen im relativ kleinen Einzugsgebiet der Göhl zuverlässig zu simulieren. Daher wurde beschlossen, den Schwerpunkt dieser Diplomarbeit auf das gesamte Einzugsgebiet der Maas zu verlagern und speziell die Auswirkungen der Aufforstung auf den Abfluss flussabwärts aufgrund von Veränderungen bei der Interzeption, dem Boden, der Verdunstung und dem Grundwasser zu untersuchen.