Hochwasser – wie sie entstehen und wie der Mensch sie beeinflusst

Überflutete Elbaue bei Dessauzum Vergrößern anklicken
Überflutete Elbaue bei Dessau
Quelle: Jörg Rechenberg / UBA

Hochwasser sind natürliche Ereignisse, sie treten regelmäßig auf und sind fester Bestandteil des Abflussgeschehens. Die Entstehung von Hochwasser hängt von der Stärke der Niederschläge, den Eigenschaften des Einzugsgebietes und vom Fluss ab. Der Mensch kann Hochwasser, ihren Verlauf und die Auswirkungen beeinflussen und verstärken.

Inhaltsverzeichnis

 

Hochwasser sind natürliche Ereignisse

Hochwasser in Bächen und Flüssen gibt es seit jeher. Sie sind fester Bestandteil des Abflussgeschehens und wichtiger Strukturgeber der Landschaft. Viele Lebewesen entlang der Flüsse und in den Flussauen sind an den Wechsel zwischen Überflutung und Austrocknung angepasst und auf die wechselnden Bedingungen und die vielfältigen Lebensräume angewiesen, die ein sich ständig ändernder Wasserstand hervorruft.

Wie Hochwasser entstehen

Hochwasser entstehen in Folge langanhaltender und großräumiger Niederschläge, kurzzeitigem und lokal begrenztem ⁠Starkregen⁠ oder im Winter und Frühjahr durch die Schneeschmelze. Trifft Regen auf die Erdoberfläche, versickert ein Teil im Boden und trägt zur ⁠Grundwasserneubildung⁠ bei. Ein weiterer Teil wird im Boden zwischengespeichert oder verdunstet und der Rest fließt über die Bodenoberfläche als Oberflächenabfluss in die Gewässer (Abbildung 1).

Entstehung von oberflächlichem Abfluss
Abbildung 1: Die Entstehung von oberflächlichem Abfluss
Quelle: Matthias Rothe / UBA

Wieviel Niederschlag versickert und wieviel an der Oberfläche abfließt, hängt von den Eigenschaften des Bodens, dem Versiegelungsgrad und der Topographie der Landschaft ab: Ist der Boden mit Wasser gesättigt, weil es zuvor viel geregnet hat, oder der Boden ist gefroren, fließt der größte Teil des Niederschlags auf der Bodenoberfläche ab. Auch die Bodenart, der Grad der Bodenverdichtung und der Bewuchs bestimmen, wieviel Wasser pro Zeiteinheit im Boden versickern kann. Steile Täler, begradigte, kanalisierte Gewässer und ein hoher Versiegelungsgrad des Bodens, wie er in vielen bebauten Gebieten anzutreffen ist, begünstigen einen schnellen Oberflächenabfluss.

Das Wasser der kleinen Flüsse lässt verzögert auch den Wasserstand in den großen Strömen steigen. Die Größe des Flussbetts bestimmt, welche Wassermenge das Gewässer aufnehmen kann, bevor es über die Ufer tritt. Je mehr Platz der Fluss zum Ausufern hat, desto langsamer fließt das Wasser ab – es wird in der Landschaft zurückgehalten: die Hochwasserwelle ist weniger steil.

 

Hochwasser werden vom Menschen verstärkt

Obwohl Hochwasser natürliche Ereignisse sind, beeinflusst der Mensch die Wahrscheinlichkeit für Hochwasser, dessen Verlauf und die Schäden, die es verursacht.

Die menschengemachte Erderhitzung

Die Erderhitzung führt dazu, dass sich der Wasserkreislauf intensiviert. Die ⁠Atmosphäre⁠ kann bei hohen Temperaturen viel Wasserdampf aufnehmen, bei niedrigen Temperaturen weniger. Pro Grad Erwärmung steigt die Aufnahmekapazität für Wasserdampf um etwa sieben Prozent. Mehr Wasserdampf in der Atmosphäre bedeutet mehr Niederschlag. In einem wärmeren ⁠Klima⁠ ist deshalb vor allem in den Sommermonaten mit einer Zunahme von Niederschlagextremen zu rechnen. Analysen über Landflächen weisen auf einen Anstieg der Häufigkeit und Intensität von Extremniederschlagsereignissen in den letzten Jahrzehnten hin. Die Ergebnisse unterscheiden sich jedoch erheblich je nach Region und Jahreszeit (⁠IPCC⁠ 2014).

Neben der Intensivierung des Wasserkreislaufs führt die Abschwächung des Temperaturgefälles zwischen Subtropen und der Arktis - die sich in den letzten Jahrzehnten dreimal so stark erwärmt wie der Rest der Erde - zu länger andauernden und sich immer wieder regenerierenden Wetterlagen (ESKP). Dies kann sowohl zu länger anhaltenden Hitze- und Trockenperioden wie auch zu langanhaltendem Dauerregen führen. Wetterextreme hat es zwar immer gegeben, doch der ⁠Klimawandel⁠ verstärkt die Häufigkeit und Intensität solcher Extremereignisse.

Klimabedingte Veränderungen des Abflussgeschehens

Wissenschaftliche Untersuchungen zeigen, dass ⁠Flusshochwasser⁠ in Nordwest-Europa in den vergangenen Jahrzehnten verstärkt aufgetreten sind. Gleichzeitig gingen Flusshochwasser in Südeuropa zurück, was auf geringere Niederschläge und eine stärkere ⁠Verdunstung⁠ zurückzuführen ist (Blöschl et al., 2019).

Die auf Grund der Erderhitzung zu erwartende Bandbreite von Änderungen des Abflussgeschehens kann auf Basis verschiedener Klimamodellprojektionen (sogenannte Ensembles) gegenüber einem Bezugszeitraum quantifiziert werden. Die Berechnungen werden mit Hilfe von Wasserhaushaltsmodellen durchgeführt. Die modelltechnische Umsetzung wird laufend verbessert und ist Gegenstand der Forschung. Berechnungen (KWRA 2021) zu den jährlichen Hochwasserabflüssen (Kennwert: Mittleres jährliches Hochwasser MHQ) der großen Flüsse Deutschlands zeigen für die Mitte des Jahrhunderts (2031-2060) deutliche Unterschiede zwischen dem optimistischen (15.⁠Perzentil⁠ des RCP8.5) und dem pessimistischen (85.Perzentil des RCP8.5) Fall auf (Abbildung 2). Ergeben sich im optimistischen Fall keine oder nur moderate Änderungen der Hochwasserabflüsse, so erfolgt im pessimistischen Fall eine deutliche Zunahme. Am Ende des Jahrhunderts (2061-2100) werden im optimistischen Fall vereinzelt moderate Zunahmen der Hochwasserabflüsse und im pessimistischen Fall allgemein erhöhte, teilweise deutlich erhöhte jährliche Hochwasserabflüsse projiziert (Abbildung 2).

Simulierte Änderung der jährlichen Hochwasserabflüsse für verschiedene 30-Jahreszeiträume
Abbildung 2: Simulierte Änderung der jährlichen Hochwasserabflüsse für versch. 30-Jahre

Dargestellt sind die simulierten relativen mittleren Änderungen der jährlichen Hochwasserabflüsse (MHQ) für verschiedene 30-Jahreszeiträume im Vergleich zur Bezugsperiode 1971-2000. Angegeben sind jeweils ein optimistisches (15. Perzentil) und ein pessimistisches (85. Perzentil) Szenario basierend auf dem repräsentativen Konzentrationspfad 8.5 – „weiter-so-wie-bisher“.

Quelle: Verändert nach Klimawirkungs- und Risikoanalyse 2021 für Deutschland Teilbericht 3: Risiken und Anpassung im Cluster Wasser. Datenquelle: Bundesanstalt für Gewässerkunde
 

Exkurs: Klimamodelle, Klimamodellprojektionen und Modellensembles

Mit Hilfe von Klimamodellprojektionen wird die Reaktion des Klimasystems auf unterschiedliche Treibhausgasemissionen abgeschätzt. Eine Bandbreite von Annahmen über die Menge und das Tempo zukünftiger Emissionen hilft Wissenschaftlern, verschiedene Emissionsszenarien zu entwickeln – sogenannte „relative concentration pathways“, kurz „RCPs“ - auf denen Klimamodellprojektionen basieren. Klimamodelle erlauben es, die wichtigsten Prozesse in unserem ⁠Klimasystem⁠ zu reproduzieren und für unterschiedliche plausible Zukunftsszenarien mögliche Klimaänderungen zu berechnen. In den vergangenen Jahrzehnten wurden immer detailliertere Modelle des Klimasystems der Erde entwickelt. Jedes ⁠Klimamodell⁠ bildet dabei die Prozesse im Klimasystem unterschiedlich ab. Alle Klimamodelle zusammen werden als Modellensemble bezeichnet. Ein Modellensemble beschreibt die Bandbreite möglicher Klimaänderungen und hilft uns, deren Unsicherheiten zu verstehen (⁠IPCC⁠ 2014).

Klimaprojektionen sind ausdrücklich keine Prognosen, da jede Modellsimulation künftiger Entwicklungen auf bestimmten Annahmen fußt. Diese Annahmen sind kaum vorhersagbar, weil sie durch die Menschen und ihr Verhalten beeinflusst werden (Deutsches Klimakonsortium).

Weiterführende Informationen zu Klimamodellprojektionen sowie Fakten zum ⁠Klimawandel⁠ finden Sie auf den Seiten des Umweltbundesamts (Klimamodelle und Szenarien und Klimawandel) und auch unter folgenden Links:

Der massive menschliche Eingriff in den Lauf von Gewässern

Neben den klimabedingten Veränderungen des Wasserhaushalts hat auch der massive Eingriff des Menschen in den Lauf von Bächen und Flüssen und in die Landschaft direkte Auswirkungen auf den Verlauf eines Hochwassers. Die meisten Fließgewässer in Deutschland wurden in der Vergangenheit begradigt, eingedeicht und gestaut, um Siedlungsraum oder landwirtschaftliche Flächen zu gewinnen oder sie für die Schifffahrt oder Wasserkraft zu nutzen (Beispiel Rhein in Abbildung 3). So stehen heute weniger natürliche Überschwemmungsflächen zur Verfügung, auf denen sich das über die Ufer tretende Wasser ausbreiten kann. Auch die Flussläufe sind verkürzt worden. Dadurch hat die Fließgeschwindigkeit der Flüsse zugenommen. Der ⁠Abfluss⁠ vieler Zuflüsse konzentriert sich schneller in einem Flussbett. Hochwasserwellen laufen deshalb heute schneller ab: In kürzerer Zeit wird mehr Wasser transportiert, die Hochwasserwelle ist steiler – die Pegelstände sind höher.

 

Veränderungen des Rheins durch Ausbaumaßnahmen
Abbildung 3: Veränderungen des Rheins durch Ausbaumaßnahmen
Quelle: Generallandesarchiv Karlsruhe; es gelten die Veröffentlichungs- und Vervielfältigungsrechte des Landesarchivs BW / Geobasisdaten LGL
 

Veränderung der Landschaft durch Bebauung und Landwirtschaft

Die Landschaft in Deutschland ist stark zersiedelt und urbanisiert. Regenwasser kann teilweise nur noch zu einem geringen Teil lokal versickern. Der Wasserrückhalt in der Landschaft ist eingeschränkt oder findet gar nicht mehr statt. Um Flächen für die Landwirtschaft nutzbar zu machen, wurden Feuchtgebiete trockengelegt und Böden durch die Anlage von Drainagen entwässert. Die intensiv betriebene Landwirtschaft und der Einsatz schwerer Landmaschinen führen zu einer Verdichtung des Bodens und in Folge zu einer schlechteren Wasserdurchlässigkeit. Auch der Bewuchs ist für den Wasserrückhalt in der Landschaft von Bedeutung: Eine ganzjährige Bodenbedeckung auf landwirtschaftlichen Flächen reduziert den ⁠Abfluss⁠ an der Bodenoberfläche; auf forstwirtschaftlich genutzten Flächen ist die Dichte des Waldes für den Wasserrückhalt im Gebiet ausschlaggebend.

Flächen für Siedlung und Verkehr wirken sich auf die Entstehung von Hochwasser aus, da diese einen besonders hohen Versiegelungsgrad aufweisen. Regenwasser kann gar nicht oder nur sehr eingeschränkt versickern und wird über die Kanalisation direkt in die Gewässer geleitet. Für Deutschland weist die amtliche Flächenstatistik zum Ende des Jahres 2018 51.315 Quadratkilometer (km²) Siedlungs- und Verkehrsflächen aus. Davon waren laut Umweltökonomischen Gesamtrechnungen der Länder etwa 45,1 % versiegelt. Bezogen auf die Gesamtfläche beträgt der Anteil der Siedlungs- und Verkehrsfläche 14,4 % und der Anteil der versiegelten Fläche 6,5 % - und täglich kommen 52 Hektar neue Siedlungs- und Verkehrsfläche hinzu. Dies entspricht der Fläche von circa 73 Fußballfeldern (UBA 2021).

 

Schadenspotenzial

Neben den klimabedingten Veränderungen im Wasserhaushalt und dem menschlichen Eingriff in den Lauf von Gewässern steigen die Sachwerte in ehemaligen Auen und in Überschwemmungsgebieten an, was zu einem weiteren Anstieg der potenziellen Schäden beiträgt. Es wurden Wohngebäude, Industrieanlagen sowie Verkehrsinfrastruktur gebaut. Schäden durch Hochwasser entstehen vor allem dort, wo sich der Mensch in den ursprünglichen Überschwemmungsgebieten niedergelassen hat. Trifft ein Hochwasser auf eine Siedlung oder ein Industriegebiet, können sehr hohe Schäden entstehen – das Schadenspotenzial ist hoch.

Um die Gesellschaft vor den negativen Folgen von Hochwasser zu schützen, bedarf es eines umfassenden Risikomanagements, das die Vorsorge, die Hochwasserwarnung, die akute Gefahrenabwehr sowie die Nachsorge und Auswertung einschließt. Auf den folgenden Seiten können Sie sich zu den genannten Aspekten informieren:

 

 

Literaturverzeichnis:

Deutsches Klimakonsortium: Webseite des Klimakonsortiums

Blöschl (2019): Blöschl, G., Hall, J., Viglione, A. et al. Changing climate both increases and decreases European river floods. Nature 573, 108–111 (2019).

ESKP: Earth System Knowledge Platform – die Wissensplattform des Forschungsbereichs Erde und Umwelt der Helmholtz-Gemeinschaft: Wie beeinflusst der Klimawandel den Jet-Stream?

IPCC⁠ 2014: ⁠Klimaänderung⁠ 2013: Naturwissenschaftliche Grundlagen. Häufig gestellte Fragen und Antworten – Teil des Beitrags der Arbeitsgruppe I zum Fünften Sachstandsbericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC) [T.F. Stocker, D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex und P.M. Midgley (Hrsg.)]. Deutsche Übersetzung durch die deutsche IPCC-Koordinierungsstelle und Klimabüro für Polargebiete und Meeresspiegelanstieg, Bonn, 2017.

KWRA 2021: Klimawirkungs- und Risikoanalyse 2021 für Deutschland. Teilbericht 3: Risiken und Anpassung im Cluster Wasser, Hrsg. Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau, 2021.

UBA⁠ 2021: Bodenversiegelung in Deutschland