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tremRisKXExtremsturmfluten an offenen Küsten
und in Ästuargebieten: Risikoermittlung und –beherrschung im Klimawandel
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. H. Oumeraci
Projektbearbeiter:
Dr. rer. nat. habil. Gabriele Gönnert, LSBG HamburgProf. Dr.-Ing. Jürgen Jensen, fwu, Universität SiegenProf. Dr.-Ing. Hocine Oumeraci undDr.-Ing. Andreas Kortenhaus, LWI, TU BraunschweigProf. Dr.-Ing. Erik Pasche IfW, TU Hamburg-Harburg
14. KFKI-SeminarBremerhaven, 28.10.2009
Andreas Kortenhaus 214. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Inhalt
• Projektübersicht• Teilprojekt 1 – Extreme Sturmfluten• Teilprojekt 2 – Hochwasser- und Küstenschutz-Werke• Teilprojekt 3 – Schadensermittlung• Teilprojekt 4 – Risikoanalyse• Ausblick
Andreas Kortenhaus 314. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Übergeordnetes Ziel des Verbundprojekts
• Ermittlung von physikalisch möglichen extremen Sturmfluten und integrierte Risikoanalyse auf der Basis des „Source-Pathway-Receptor - Konzepts” für offene Küsten (Beispiel Sylt) und den Ästuarraum (Beispiel Hamburg), einschließlich Unsicherheitsanalysen und Sensitivitätsanalysen
Andreas Kortenhaus 414. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Source-Pathway-Receptor - Konzept
Flutgefährdetes Gebiet (Krisenraum)Hochwasserschutzwerk
Sturmflut
Source Pathway Receptor
Städtische InfrastrukturMeer (Sturmflut)
Deich-brüche
Landwirtschaft
Industr. InfrastrukturÜberflutung
Ästuar (Sturmflut + Oberwasserzufluss)
Überflutung
ÜberflutungÜberflutung
Überflutung
TP1: Extreme Sturmfluten
TP2: Überflutungs-wahrscheinlichkeit
TP3: Schadens-ermittlung
TP4: Integration (Risikoanalyse, Risikobewertung und Risikobeherrschung)
Andreas Kortenhaus 514. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Teilprojekte im Überblick
• Teilprojekt 1 - Extreme Sturmfluten (Risikoquelle):Prof. Jensen (Teilprojektleiter), Dr. Gönnert (Teilprojektleiter)
• Teilprojekt 2 - Belastung, Bruch und Bruchentwicklung von Hochwasserschutzwerken (Risikowege): Prof. Oumeraci (Teilprojektleiter) und Dr. Kortenhaus
• Teilprojekt 3 - Schadensermittlung und –bewertung(Risikoempfänger): Prof. Pasche (Teilprojektleiter)
• Teilprojekt 4 – Risikoanalyse, Risikobewertung und Empfehlungen für Risikobeherrschung (Integration): Prof. Oumeraci (Teilprojektleiter), Dr. Gönnert, Prof. Jensen, Dr. Kortenhaus, Prof. Pasche
Andreas Kortenhaus 614. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Teilprojekt 1:Extreme Sturmfluten (Risikoquelle)
TP1a: LSBG, Dr. Gabriele Gönnert, Sigrid ThummTP1b: fwu, Prof. Jürgen Jensen, Thomas Wahl
Andreas Kortenhaus 714. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
TP 1: Extreme Sturmfluten (Risikoquelle)
• Zielsetzung– Welche Extremwerte der einzelnen Sturmflutkomponenten sind
physikalisch möglich?– Wie lassen sie sich physikalisch sinnvoll zu extremen
Sturmfluten kombinieren?– Wie können Unsicherheiten dabei explizit berücksichtigt werden?
• Zeitskala– Derzeitige Bedingungen (2010)– Zukünftige Klimaänderungen (2100)
• Ergebnisse– Verlaufskurven und Seegangsparameter der extremen Sturmflut,
inkl. deren Unsicherheiten (pdf, jpdf)– werden (für HH über BAW) an TP 2 und TP3 geliefert
Andreas Kortenhaus 814. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
• Fernwelle aus dem Atlantik:bis 110 cm in Cuxhaven
8
Windstau
Seegang
Fernwelle
T
Strömung
• Spring- und Nipptide: bis zu 58 cm Differenz zur mittleren Tide
Astronomisches Tidehochwasser
Nichtlineare Überlagerung - Faktoren einer Sturmflut
• Windstau bei Tnw445 cm (astronomische Tide)
Physik der Sturmflut
Andreas Kortenhaus 914. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Folgerung: Extremsturmfluten
Windstau 4,23 m
MThw 1,50 m (5jähriges Mittel)
Fernwelle 0,80 - 1,00 m
Astronomie 58 cm
Sturmflutverlauf unter linearer Berücksichtigung aller Faktoren
7,33 m ü. NN (Cuxhaven)
Extremsturmflut bei Berücksichtigung des Windstaus vom 03.01.1976
9
Andreas Kortenhaus 1014. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
MThw 1,50 m (5jähriges Mittel)
Sturmflutverlauf unter physikalischer Berücksichtigung aller Faktoren
Windstau 3,80 m
6,10 – 6,30 m ü. NN (Cuxhaven)
Folgerung: Extremsturmfluten
Extremsturmflut bei Berücksichtigung des Windstaus vom 03.01.1976
Windstau 4,23 m
10
Fernwelle 0,80 – 1,0 m
Astronomie 58 cm Astronomie 20-30 cm
Andreas Kortenhaus 1114. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Automatische Parametrisierung
Benötigte Parameter
Time
Sea Level
1 2
3 45
67
8
9
1011
1213
14
1516 17
1819
20 21 22 23 24 25
• 19 Wasserstandsparameter• 6 Zeitparameter
• z.B. Parameter 3 und 5: Wasserstand je 1h vor bzw. nach dem Scheitel (Parameter 4)
• z.B. Parameter 20: Zeitdifferenz zwischen Tnwund nachfolgendem Thw
Andreas Kortenhaus 1214. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Automatische Parametrisierung
Matlabtool „ParaXtremes“ – Bsp.-Ergebnisse
0 500 1000 1500 2000 2500350
400
450
500
550
600
650
700
750Pegel Westerland, Ereignis 40, RMSE = 8.4879
Zeit [Minuten]
Was
sers
tand
[cm
PN]
DigiSmoothParameterRekonstruktion
Andreas Kortenhaus 1314. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Kombinierte Eintrittswahrscheinlichkeiten
Zwischenergebnisse – Hörnum (1969 – 2008)
0 500 1000 1500 2000 2500700
750
800
850
900
950
1000
1050
Zeit [Minuten]
Was
sers
tand
[cm
PN
]
0 500 1000 1500 2000 2500550
600
650
700
750
800
850
900
950
1000
Zeit [Minuten]W
asse
rsta
nd [c
mP
N]
Andreas Kortenhaus 1414. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Teilprojekt 2:Hochwasser- und Küstenschutz-
Werke (Risikowege)LWI, Prof. Hocine Oumeraci,
Dr. Andreas Kortenhaus, Marie Naulin
Andreas Kortenhaus 1514. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
TP 2: HWKS-Werke (Risikowege)
• Zielsetzung– Belastung und Stabilitätsverhalten der Hochwasser-
Küstenschutz-Systeme (HWKS)– Bruch und Bruchentwicklung bei Versagen der HWKS-Bauwerke– Versagenswahrscheinlichkeiten der jeweiligen HWKS-Systeme
• Zeitskala– Derzeitige Bedingungen (2010)– Zukünftige Klimaänderungen (2100)
• Ergebnisse– Überflutungswahrscheinlichkeit des HWKS-Systems– Initialbedingungen für die Flutwelle an den Bruchstellen– Wird an TP 3 und 4 geliefert
Andreas Kortenhaus 1614. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Ergebnisse der Abschnittseinteilung Hamburg
• Teilgebiete in Hamburg– Wilhelmsburg: 69 Abschnitte– Polder Hamburg Süd: 85 Abschnitte– Altstadt (Innenstadt): 13 Abschnitte
Andreas Kortenhaus 1714. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
HWKS-Abschnitte Wilhelmsburg, Hamburg
Andreas Kortenhaus 1814. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Übersicht vorhandener Bauwerke
• Hamburg– Deich– HWS-Wand– HWS-Tor– Schleuse– Sperrwerk– Siel, Schöpfwerk– Dammbalkenverschluss– Sandsackwall
• Sylt– Düne– Deich– Deckwerk– (Strand-)Mauer– Stöpe
Hamburg: Dammbalken
Hamburg: Sperrwerk
HH: Schleuse
Hamburg: Deich
Hamburg: HWS-Wand
Sylt: Düne
Andreas Kortenhaus 1914. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Katalog der Versagensmechanismen
SyltH
amburg
Versagensmechanismen (VM)
Erf.Erf.-Erf.???Stöpe(Vorh.)--Erf.>2 VMMauerVorh.--Vorh.>3 VMDeckwerkErf.-Vorh.Erf.>2 VMDüneErf.Erf.-Erf.>2 VMSandsackErf.Erf.-Erf.???DammbalkenErf.Erf.-Erf.???Siel
Vorh.Erf.-Erf.>3 VMSperrwerkVorh.Erf.-Erf.>3 VMSchleuse
(Vorh.)--Erf.>5 VMHWS-WandVorh.-Vorh.Erf.>25 VMDeich
FehlerbaumBetriebBruchEntw.Vorh.
Bauwerk
Andreas Kortenhaus 2014. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Teilprojekt 3:Schadensermittlung (Risikoempfänger)
TUHH, Prof. Erik Pasche, Gehad Ujeyl
Andreas Kortenhaus 2114. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
TP 3: Schadensermittlung (Risikoempfänger)
• Zielsetzung– Modellierung der Wasserstände und Wellenhöhen in Hamburg– Direkte Schäden infolge Flutwellenausbreitung– Ermittlung der direkten und indirekten ökonomischen Schäden in
den Pilotgebieten
• Zeitskala– Derzeitige Bedingungen (2010)– Zukünftige Klimaänderungen (2100)
• Ergebnisse– Angabe der Wasserstände und Wellenhöhen an der HWKS-Linie– Wird an TP2 geliefert– Angabe des ökonomischen und direkten Schadens für
Überflutungen der Pilotgebiete– Wird an TP 4 geliefert
Andreas Kortenhaus 2214. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX22
Modellierung der Wasserstände und Wellenhöhen, HH
• Erweiterung der Modellplattform „Kalypso“
Andreas Kortenhaus 2314. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX23
Modellierung der Wasserstände und Wellenhöhen, HH
• Unterteilung des 2d-Modells in Teilgebiete
Andreas Kortenhaus 2514. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Simulation Simulation derder FlutungFlutung imim DeichhinterlandDeichhinterland
•Inflow from nextcompartment
•Dike Overtopping
•Inflow fromnextcompartment
•after 30 minutes
•1m/s
•after 60 minutes •after 90 minutes
Andreas Kortenhaus 2614. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Teilprojekt 4:Risikoanalyse, Risikobewertung und
Empfehlungen für Risikobeherrschung (Integration)
LWI, Prof. Hocine Oumeraci, Dr. Andreas Kortenhaus, Andreas Burzel
Andreas Kortenhaus 2714. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
TP 4: Risiko-Analyse/Bewertung/Beherrschung (Integration)
• Zielsetzung– Bestimmung der intangiblen Schäden und deren
Zusammenführung mit den tangiblen Schäden aus TP3– Durchführung der Risikoanalyse – Bewertung der ermittelten Flutrisiken und Bestimmung der
Akzeptanzgrenzen – Handlungsempfehlungen für die Reduzierung der Flutrisiken
• Zeitskala– Derzeitige Bedingungen (2010)– Zukünftige Klimaänderungen (2100)
• Ergebnisse– Risikoermittlung für Hamburg und Sylt– Risikobewertung und Maßnahmen für die Risikobeherrschung
Andreas Kortenhaus 2814. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Definition Intangible Schäden
• Intangible Schäden (intangible losses)– intangible (engl.) = nicht greifbar, vage, immateriell– nicht oder nur schwer in monetären Einheiten auszudrücken– sozioökonomische Schäden
• Schäden am Menschen• Schäden am Ökosystem• Schäden an Kulturgütern
Quelle: Wikipedia - Sturmflut 1962 in Wilhelmsburg
Andreas Kortenhaus 2914. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Probleme und Grenzen
• Hauptprobleme– Quantifizierung: Schadensfunktionen– Bewertung: Monetarisierung– Übertragbarkeit: Einzigartigkeit extremer Ereignisse– ethische Grenzen: Bewertung von Menschenleben
Quelle: (Jonkman, 2007: 101)
Andreas Kortenhaus 3014. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Ausblick
• TP1: – Entwicklung von Verfahren zur Ableitung von möglichen
Sturmflutverläufen und deren Eintrittswahrscheinlichkeiten– Ermittlung der maßgebenden Sturmflutwasserstände
• TP2:– Fehlerbaumanalyse– Bruchentwicklung
• TP3:– Ermittlung maßgebender Wasserstands- und Wellenhöhen (HH)– Vulnerabilitätsanalyse für Hamburg und Sylt
• TP4:– Modellierung sozio-ökonomischer intangibler Schäden für
Hamburg und Sylt (Forts.)– Bestimmung der Akzeptanzgrenzen
Andreas Kortenhaus 3214. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.
Andreas Kortenhaus 3414. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Ablaufdiagramm der Bearbeitung
Beschreibung aller Bauwerke
Katalog der Versagensmech. für Bauwerke
Sch
rifttu
mN
um. +
hyd
r. M
odel
leD
aten P
ilotgebieteV
orangeg. P
rojekte
Fehlende Versagensmech. + Unsicherheiten
GZG + Versagenswahrscheinlichkeit
Fehlerbaum für Bauwerke
Fehlerbaum + Überflutungswahrscheinlichkeit
Gesamt-Versagenswahrscheinlichkeit der Teilgebiete
Abschnittseinteilung der Teilgebiete
Andreas Kortenhaus 3514. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Integriertes Konzept für Risiko-Analyse und -Management
TP4
Tolerierbares Über-flutungsrisiko Rt
davorManagement des (Rest-) Risikos
während danach
TP4 und Alle Partner
Iter
atio
n &
Upd
ate
Iter
atio
n &
Upd
ate
Risikoquellen
Überflutungsgefährdung
Überflutungswahr-scheinlichkeit Pf
Risikowege
• Sturmflut• Windwellen• Abfluss
• Lasten und Widerstände
• Bauwerkvers.• Überflutung
TP1 TP2
TP1-TP2
Alle TPs und PartnerVulnerabilität
Erwartete Schäden u. Verluste E(D)
Risikoempf. • Menschen• Eigentum• Habitate
• Resilienz• Risikowahrnehmg.• Risikokommunik.
RisikoakzeptanzTP3
TP3-TP4
Überflutungsrisiko= ⋅fR P E(D)
TP4
RestrisikoTP4
Andreas Kortenhaus 3714. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Klimazuschlag
55 - 130 cmDeltacommissie, 2008
50 cm - > 1.00 mPotsdam-Institut
für Klimafolgenforschung, 2006
18 – 59 cmIPCC, 2007 35 – 85 cm
Koninklijk NederlandsMeteorologisch Instituut, 2006
bis 100 cmSchellnhuber, 2008
bis 80 cmPfeffert et al., 2008
29 – 36 cmMax-Planck-Institut für
Meteorologie, 2006
42 – 61 cm bis 2085Sturmflutzunahme (Cux)
Von Storch, 2007
40 – 60 cmDeutsche Küste
Sterr, 2007
bis 58 cmDeutsche Küste
Max-Planck-Institut für Meteorologie, 2006
30 – 80 cmNordost-Atlantik
Katsmann et al., 2008
+ 150 cmSturmflutzunahme heute
MUSE, 2006
+ 65 cmSturmflutzunahme
heuteGönnert, 2003
40 – 80 cm
37
Andreas Kortenhaus 3814. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Instationäre Extremwertstatistik bei partiellen Zeitreihen
• Zur Kollektivbildung wird ein dynamisches Peak-Over-Threshold (POT) Verfahren verwendet (XtremEvents.m)
• Krümmungsparameter der GEV wird sehr stark von den weniger extremenEreignissen geprägt
• Literatur (z.B. Coles, 2001) empfiehlt die Anwendung der 2-Parametrischen Allgemeinen Pareto Verteilung (GP) in Verbindung mit POT-Verfahren
• GP besitzt keinen Lageparameter
• Ansatz zur Berücksichtigung von Instationaritäten in der Extremwertstatistik nach Mudersbach (2009) nicht anwendbar
• MSL Szenarien können bei der Simulation von synthetischen Extremereignissen in Form des einzubeziehenden Thresholdsberücksichtigt werden
Andreas Kortenhaus 3914. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Schadenspotentialanalyse
• Beispiel: Wilhelmsburg
Quelle: (Sönnichsen et al., 1997: 118)
Andreas Kortenhaus 4014. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX40
Einteilung von Clustern - Klassifizierung nach Nutzung und Gebäudetypen
Andreas Kortenhaus 4114. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Untersuchte Szenarien
A) Szenario 2030
ohne Anpassung
B) Szenario 2085
ohne Anpassung
C) Szenario 2030
mit Flutkammersystem
D) Szenario 2085
mit Flutkammersystem
Andreas Kortenhaus 4214. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX42
Einstauhöhen der einzelnen Wohngebäude
Andreas Kortenhaus 4314. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX43
Modellierung der Wasserstände und Wellenhöhen, HH
• Erweiterung der Modellplattform „Kalypso“Darstellung Windeingabe
Andreas Kortenhaus 4414. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX44
Aktueller Stand des Teilprojekts 3.1
• Erweiterung der Modellplattform „Kalypso“Ergebnisdarstellung SWAN
Andreas Kortenhaus 4514. KFKI-Seminar, 28.10.2009, Bremerhaven
trem isKRX
Untersuchte Schäden
Schäden an Kulturgütern
Schäden bei Gewerbe- und Industriebetrieben•Schäden an Gebäuden•Schäden am Inventar, an Anlagen und an LagerproduktenKapitalschäden bei Produktionsausfall und Vertragsstrafen
Schäden an der Infrastruktur
Schäden an Pkw
Personenschäden•Todesfälle•psychische und physische Erkrankungen•EmigrationUmweltschäden
Direkte Schäden an Wohngebäuden• Gebäudeschäden• Inventarschäden
Intangible Schäden Tangible Schäden
aus: Projekttreffen_TUHH (2)