Klimaexperten bezeichnen den Sommer des Jahres 2016 – global betrachtet – als den heißesten seit dem Beginn der Wetteraufzeichnungen im Jahr 1781. In Deutschland und Mitteleuropa allerdings sei er, verglichen mit Wetterbeobachtungen zwischen 1961 und 1990, nur geringfügig zu warm gewesen. Auch die durchschnittlichen Niederschlagsmengen waren demnach eher normal. Ausnahmen bildeten jedoch jene Tage im Mai, in denen es in Teilen Bayerns und Baden-Württembergs so stark regnete, dass in den betroffenen Gemeinden große Schäden entstanden. Die für das reichliche Nass verantwortliche intensivste Gewitterzelle in diesem Zusammenhang wütete im Einzugsgebiet des Orlacher Bachs in und um Braunsbach (Baden-Württemberg). Am 29. Mai fielen hier innerhalb von nur zwei Stunden 100 bis 140 Millimeter Regen pro Quadratmeter. In der Folge entwickelte sich eine starke Sturzflut, die den Ort mit voller Wucht traf. Eine Task-Force des an der Universität Potsdam angesiedelten Graduiertenkollegs „Natural Hazards and Risks in a Changing World“ („NatRiskChance“) untersuchte dieses Ereignis näher.
Die Hauptverkehrsstraße war weggeschwemmt
„Am Bachlauf lag noch immens viel Geröll, große Bagger und Lastkraftwagen fuhren ständig hin und her, alles war mit einem Lehmfilm verschmiert“, erinnert sich Berry Boessenkool, der der ersten Gruppe der Task-Force „Flash Floods“ angehörte, die am 3. und 4. Juni den Ort aufsuchte. Ihre Aufgabe bestand darin, sich einen Eindruck zu verschaffen und abzuschätzen, wie viel Wasser (Abfluss) durch Braunsbach gerauscht war. Eine schwierige Mission. Wie würden die Menschen, von denen nicht wenige gerade ihr Hab und Gut verloren hatten, auf die Wissenschaftler im Uni Potsdam-Shirt reagieren? Die Hochwasservorhersagezentrale Baden-Württembergs und auch der Bürgermeister hatten zwar zuvor die Initiative erlaubt, doch würden auch die Einwohnerinnen und Einwohner die Forschenden akzeptieren? „Wir trafen auf eine Bevölkerung, die noch fassungslos war, aber bereits tatkräftig aufräumte“, schildert Boessenkool die damalige Situation. „Es war der Moment des Anpackens.“ Letzteres traf auch für die Nachwuchsforscher zu. Denn von einem Arbeitstag aus dem Lehrbuch konnte keine Rede sein. Immer wieder galt es, geschickt zu improvisieren, mit Unerwartetem umzugehen. „Die Hauptverkehrsstraße war weggeschwemmt, sodass uns schon allein die Umleitungen viel Zeit kosteten“, erzählt Boessenkool. Die Herausforderung, die vor ihm und seinen Teamgefährten stand, war ohnehin nicht einfach. Fünf Tage nach dem Akutereignis ging es vor allem darum zu rekonstruieren, was passiert war, das Geschehnis aus theoretischer Sicht und mit mathematischen, aber auch praktischen Methoden aufzuarbeiten. Forensische Hydrologie nennen das die Fachleute. Die Berechnungen ergaben einen maximalen Durchfluss des Wassers von etwa 100 Kubikmetern in der Sekunde (plus/minus 50 Kubikmeter pro Sekunde) am Gebietsauslass. Ein extrem hoher Wert. „Er entspricht einer Größenordnung, die ein „normales“ Hochwasser um das 500fache übertrifft“, so Boessenkool. Herausgefunden wurde das enorme Volumen mithilfe verschiedener, durchaus auch ungenauer Daten: der an den Häusern erkennbaren und von Anwohnern übermittelten Wassertiefe, der Geschwemmsellinie – also der Geometrie des Fließquerschnittes – und Annahmen zur mittleren Fließgeschwindigkeit. Gerade das Tempo des Wassers erwies sich dabei als unsicherer Faktor. Deshalb griffen die Nachwuchsforscher zu einem Hilfsmittel: Videoaufnahmen. Da vom Ereignisdurchfluss selbst keine existierten, werteten sie Filmmaterial von anderen Teilen der Ortschaft aus – und nahmen am Ende eine Schätzung vor. Durch die Zählung von Videoframes war gemessen worden, wie viel Zeit vom Wasser mitgerissene Objekte für bestimmte Strecken, etwa entlang eines Hauses, benötigt hatten. „Die Geschwindigkeit ließ sich nicht 1:1 auf den breiteren Talabschnitt übertragen, aber wir konnten damit die Größenordnung von 50 bis 150 Kubikmetern pro Sekunde bestimmen“, so Boessenkool. Bei einer Feldbegehung, die vier Tage nach der Sturzflut erfolgte, fanden dann Vergleichsmessungen statt. Das Resultat: 0,18 Kubikmeter pro Sekunde Durchfluss. Eine völlig andere Zahl! Die Bilanzrechnung machte dennoch deutlich, dass der ermittelte Wertebereich für das Ereignis selbst durchaus plausibel war. Die Forscher kamen auf eine Fließgeschwindigkeit von 107 Kubikmetern pro Sekunde –ausgehend von einer maximalen 30-minütigen Regenintensität von 40 Millimetern sowie einem Abfluss von 80 Prozent.
Das Unglück hatte eine komplexe Entstehungsgeschichte
Zu der Naturkatastrophe hatten Niederschläge in völlig ungewohntem Ausmaß geführt. Sie resultierten hauptsächlich aus der Großwetterlage „Tief Mitteleuropa“, das schon in der Vergangenheit ähnlich schwere Hochwasser verursachte. Zur Sturzflut von Braunsbach führte zudem, dass das Hochdruckgebiet „Sören“ über Skandinavien das Tief blockierte und die Luftmassen so statt aus westlicher Richtung aus südlicher bzw. südöstlicher Richtung nach Zentraleuropa kamen. Das Bodentief „Elvira“ sorgte dann für die Gewitterzellen in Baden-Württemberg und Bayern, die sich zu einer ganzen Gewitterlinie formierten und festsetzten. Analysen des Lehrstuhls für Hydrologie und Klimatologie der Uni Potsdam auf der Basis von Regenradardaten des Deutschen Wetterdienstes belegen, dass im Einzugsgebiet während der Kernzeit zwischen 16:45 Uhr und 18 Uhr etwa 100 bis 140 Millimeter Regen pro Quadratmeter fielen. Das kommt im statistischen Mittel deutlich seltener als alle 100 Jahre vor.
Ungewöhnlich waren auch die Bodenerosion, die Hangrutschungen im Gebiet sowie die Sedimentbewegungen im Bachverlauf aufgrund des entstehenden Abflusses. „Es sind Steine mit einem Durchmesser von über einem Meter durch das Dorf gespült worden“, konstatiert Prof. Dr. Axel Bronstert, der das Graduiertenkolleg leitet. „Das sind Steine, die sich alle 1000 Jahre mal bewegen.“ Seine Doktorandinnen und Doktoranden haben Talabschnitt für Talabschnitt unter die Lupe genommen. Allein für den ersten kartierten sie 30 große Hangrutschungen. Die Erdbewegungen führten dazu, dass sich Lockersedimente ansammelten, die den Weg nach unten nahmen – wie wenig später auch große Mengen an Bäumen und Pflanzenmaterial, Kiesschutt und Gesteinsgeröll. Über 8000 Kubikmeter Material haben die Hangrutschungen ins Gewässer eingetragen, so die vorliegende Dokumentation. Der Orlacher Bach, sonst ganze zwei Meter breit und rund 20 Zentimeter tief, war zum reißenden Strom geworden. Statt nur einem brachte er es plötzlich auf 54 Quadratmeter Querschnittsfläche. Welche Schäden er im Ort selbst hinterließ, hielten die jungen Leute ebenfalls fest. Dazu verwendeten sie die Open Source Software „KoBoToolbox“, die speziell für die Aufnahme von Daten in Notsituationen und Krisengebieten entwickelt wurde. Aber auch Wärmebildkameras kamen zum Einsatz, um zum einen den jeweiligen Höchstwasserstand und zum anderen die Zerstörungen an der Bausubstanz aufzunehmen. Das Fazit ist ernüchternd: Die entstandenen Schäden sind extrem hoch. Besonders betroffen ist das Zentrum Braunsbachs, dessen Wiederaufbau vermutlich noch lange dauern wird.
Es war ein Zusammenspiel verschiedener Faktoren, welches das Unglück bewirkte, betonen die Wissenschaftler. „Solche extremen Vorkommnisse besitzen eine komplexe Entstehungsgeschichte“, unterstreicht auch Axel Bronstert. Neben dem Wasserstand haben demnach vor allem die hohe Fließgeschwindigkeit und die große Menge an Geschiebefracht eine entscheidende Rolle bei der Schadensbildung gespielt. „Nicht nur die starken Regenfälle führten dazu, dass so viel kaputt ging, sondern die Kombination aus weiteren ungünstigen Bedingungen – wie das existierende Relief und die Bodenbeschaffenheit“, ergänzt der Hydrologe. Wie viel menschliche Schuld zudem vorliegt, lasse sich nicht seriös beantworten. „Kommen solche Wassermassen vom Himmel, spielt der Mensch als ‚Schuldiger‘ eine vergleichsweise geringe Rolle“, ist Axel Bronstert überzeugt. Dass der eigentlich schmale Bach im Dorf einige Hundert Meter lang verdohlt, also mit Platten überbaut war, habe die Überschwemmungssituation im Ortskern zwar verschlimmert, aber nicht grundlegend verändert.
Ähnlich realistisch gibt sich der Geoökologe hinsichtlich der Effekte der Landnutzung. Nicht zuletzt einige Medien hatten die an Braunsbach angrenzenden Maisfelder mitverantwortlich für die Sturzflut und ihre Folgen gemacht. „Bei Maiskulturen, die sich in der Jugendentwicklungsphase befinden, wirken hohe Niederschlagsintensitäten verschlämmend (verstopfend – Anm. d. Red.) auf die Grob- und auf die Feinporen des Oberbodens“, erklärt Axel Bronstert. „Das setzt die Infiltrationskapazität der Bodenoberfläche deutlich herab; es entsteht ein verstärkter Oberflächenabfluss.“ Frühere Untersuchungen seiner Arbeitsgruppe haben gezeigt, dass sich verschlämmter Boden während überaus intensiver Niederschläge sichtbar auf die lokale Hochwasserentstehung auswirkt. Die Resultate der Studien beziehen sich allerdings auf häufige bis mittelhäufige Starkregen. „Wir wissen, dass der prozentuale Rückhalteanteil des Bodens eine klare Funktion der Niederschlagsmenge ist“, sagt Axel Bronstert. „Für geringere Ereignisse kann dieser Rückhalt eine wichtige Rolle spielen, für sehr intensive Niederschläge ist er aber fast egal.“ Landschaft werde seiner Ansicht nach bei Extremereignissen wie diesem überschätzt. „Vielleicht wäre 20 Prozent weniger Wasser abgeflossen, aber auch dann hätte es noch für eine derart starke Zerstörung gereicht.“ Axel Bronstert vermutet, dass es ein solches, äußerst seltenes Naturschauspiel in der Region schon einmal gegeben haben könnte. Darauf deuten die Schwemmfächer am Unterlauf des Baches hin, die die Wissenschaftler fanden. Sie zeugen von ungewöhnlichen Abfluss- und Sedimenttransportereignissen im Zeitraum von mehreren Tausend Jahren.
Künftig sollen genauere Warnungen über Ort, Zeit und Stärke solcher Ereignisse möglich werden
Axel Bronstert fordert, die Vorhersagen für lokale Extremniederschläge und daraus resultierende Sturzfluten zu verbessern und sich dabei an den USA oder Australien zu orientieren. Man müsse die möglichen Entwicklungen von Gewitterzellen in Zeitskalen von Stunden erfassen und prognostizieren – damit genauere Warnungen über Ort, Zeit und Stärke solcher Ereignisse möglich werden. Kurzfristige Prognosen dieser Art dürften sich jedoch auch künftig als schwierig erweisen. Denn das System Gewitterzelle ist ein stochastisches, es enthält große Zufallsanteile. Deshalb ist die Fehlerrate bei präzisierten Vorhersagen für kleine Flächen hoch. „Und das ist ein Problem. Nach mehreren Fehlwarnungen hört niemand mehr hin“, sorgt sich der „NatRiskChange“-Sprecher. Wenn es den Braunsbachern wieder besser geht, wollen er und seine Studierenden noch einmal den Ort besuchen: um ihren Forschungsbericht in einer Bürgerversammlung vorzustellen und sich über die aktuelle Situation vor Ort zu informieren.
Sturzfluten sind plötzlich eintretende Hochwasserereignisse, die durch kleinräumige, konvektive Starkregenereignisse ausgelöst werden. Sie unterscheiden sich von Hochwassern an größeren Flüssen durch den zeitlichen Versatz zwischen dem auslösenden Niederschlag und dem Eintreten des Hochwasserscheitels. Bei Sturzfluten sind das einige Minuten bis höchstens sechs Stunden, Fluss-Hochwasser entwickeln sich deutlich langsamer.
Das Projekt
Die Sturzflut in Braunsbach. Eine Bestandsaufnahme und Ereignisbeschreibung Leitung: Prof. Dr. Axel Bronstert, Prof. Dr. Annegret Thieken (Universität Potsdam) Projekt der Task Force „Flash Floods“ des DFGGraduiertenkollegs „Natural Hazards and Risks in a Changing World“ („NatRiskChange“) der Universität Potsdam und der Partnerinstitutionen GFZ, PIK und FU Berlin
Das Graduiertenkolleg „Natural Hazards and Risks in a Changing World“ („NatRiskChance“) wurde 2015 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) an der Universität Potsdam eingerichtet. Partnerinstitutionen sind die Freie Universität Berlin, das Helmholtz-Zentrum Potsdam, Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ) sowie das Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK). Zwölf Doktoranden bzw. Doktorandinnen und eine Postdoktorandin untersuchen hier beobachtete sowie zukünftig mögliche Veränderungen von Naturgefahren. Sie werden von 19 Wissenschaftlern aus der Universität Potsdam und aus den Partnereinrichtungen fachlich betreut. Es entstehen Arbeiten auf den Gebieten der Geomorphologie, Seismologie, Mathematik und Hydrologie. Teil des strukturierten Graduiertenprogramms sind sogenannte Task Force- Einsätze, bei denen die Promovierenden zeitlich begrenzt ein aktuelles Ereignis auswerten.
Die Wissenschaftler
Prof. Dr. Axel Bronstert studierte Bauingenieurwesen/ Wasserwirtschaft an der Universität Karlsruhe; 1993 Promotion auf dem Gebiet Hydrologie und Wasserwirtschaft, ebenfalls an der Universität Karlsruhe. Seit 2000 ist Axel Bronstert Professor für Hydrologie und Klimatologie an der Universität Potsdam.
Universität Potsdam
Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Karl-Liebknecht-Str. 24–25, 14476 Potsdam
axelbronuuni-potsdampde
Prof. Dr. Annegret Thieken studierte Geoökologie an der Technischen Universität Braunschweig; 2001 Promotion auf dem Gebiet der Geoökologie an der Universität Halle; 2009 Habilitation auf dem Gebiet des Hochwasserrisikomanagements. Seit 2011 ist Annegret Thieken Professorin für Geografie und Naturrisikenforschung an der Universität Potsdam.
thiekenuuni-potsdampde
Die hier vorgestellte Forschung ist verbunden mit der Forschungsinitiative NEXUS: Earth Surface Dynamics, die unterschiedlichste wissenschaftliche Aktivitäten der Region Berlin-Brandenburg aus dem Themenfeld Dynamik der Erdoberfläche bündelt. Die Universität Potsdam (UP), gemeinsam mit ihren Partnern des Helmholtz-Zentrums Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ), des Alfred-Wegener-Instituts für Polar und Meeresforschung (AWI) sowie mit Partnern des Potsdam Instituts für Klimafolgenforschung (PIK), des Naturkundemuseums Berlin (MfN) und der Technischen Universität Berlin (TUB) verbindet hierzu die herausragende Expertise in den Geo-, Bio, Klima- und Datenwissenschaften.
Text: Petra Görlich
Online gestellt: Daniela Großmann
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