Zusammenfassung

Neben der Überflutung bei Starkregen darf auch die Bedeutung der damit verbundenen Bodenerosion sowie des daraus folgenden Risikos nicht unterschätzt werden.

In der Gemeinde Eppelborn gab es in den Sommern 2016 und 2018 Starkregenereignisse, die zu erheblichen Schäden an Gebäuden sowie öffentlicher Infrastruktur (Kanäle, Leitungen, Straßen, Wege) führten und oft auch im Zusammenhang mit erheblicher Bodenerosion von landwirtschaftlich genutzten Flächen standen. Diese sind in der Gemeinde Eppelborn auf Grund der Nähe zur Biogasanlage Lebach besonders häufig anzutreffen. Nach den Ereignissen wurden für die Gemeinde in einem vom Ministerium für Umwelt- und Verbraucherschutz (MUV) geförderten Pilotprojekt Starkregengefahrenkarten erstellt. 

Der Starkregen selbst (und die damit verbunden Prozesse) ist ein natürliches Ereignis, der jedoch durch den Klimawandel deutlich häufiger und extremer geworden ist. Neben Schäden durch das Wasser, treten auch On- und Off-Site-Schäden durch Bodenmassen auf. Dabei werden sowohl Infrastruktur und Gewässersysteme (Off-Site) als auch Bodenfunktionen und Bodenfruchtbarkeit (On-Site) nachteilig beeinflusst. Der Boden als schützenswerte Ressource ist unter diesen Aspekten bedroht.

Die Thematik der Bodenerosion durch Starkregen im Gemeindegebiet sowie der Wunsch nach entsprechenden Erosionskarten wurde von den zuständigen Gemeindemitarbeitern regelmäßig angesprochen. Da es aktuell jedoch kein Simulationsmodell zur Erstellung dieser Karten gibt, ist der Bedarf einer ereignisbasierten Detailsimulation von Bodenerosion bei Starkregen als Basis zur Erstellung entsprechender Karten der Hauptgrund für das geplante Pilotprojekt. Die Ergebnisse des Projekts sollen insbesondere als Grundlage für ein saarlandweites Modell genutzt werden.

Ziele:

1. Bodenerosions-, Feststofftransport- und Feststoffsedimentationssimulation auf Basis einer detaillierten hydrodynamisch-numerischen Simulation der Flachwassergleichungen (hier als 2D-Modell bezeichnet) bereitstellen. Bestehende Ansätze beruhen stets auf einfachen hydraulischen Ansätzen. Die Fließgeschwindigkeiten sowie Schubspannungen sind die maßgeblichen Parameter in der Bodenerosions- und Bodensedimentationsbetrachtung und können mit Hilfe von 2D-Modellen exakt berechnet werden. 
2. Physikalisch-prozessorientiertes Erosionsmodell mit hohem Detaillierungsgrad hinsichtlich des hydraulischen Ansatzes entwickeln (Fokus auf  Starkregen bzw. auf ereignisspezifischen Prozessen ─ Parametrisierung dieser  Ansätze anders wählen, als bei einem Extremereignis)
3. Validierung und Kalibrierung des Erosionsmodells an Hand von bekannten Erosionsflächen in der Modellgemeinde Eppelborn und Erstellung von Erosionskarten.
4. Der Mehrwert des Pilotprojekts liegt somit in der Verwendung genauer hydraulischer Kenngrößen sowie in der Ableitung von Erosionsparametern mit dem Schwerpunkt für Starkregen im Rahmen von Bodenerosionsberechnungen.

Stand der Technik:

• Bisherige Ansätze und Modelle: Fokus auf Langzeitbetrachtungen.
• Bezug aktueller Parameter: Auf Erosionsgeschehen bei Dauerregen bzw. auf geringe Niederschlagsintensitäten
• Stand der Technik zur Erstellung von Starkregengefahrenkarten: i.d.R. zweidimensionales, hydrodynamisch-numerisches Modell (Nutzung der vereinfachten Navier-Stokes-Gleichungen; Flachwassergleichungen)
• Bisherige Erosionskarten anderer Länder (z.B. BY, NI, RP, SN):  auf Grundlage der ABAG (empirisches Modell)

Zielsetzung:

• „genaue“ Simulation der Gefahr infolge der Bodenerosion bei Starkregen (SR)
• Modelle zur Quantifizierung und Darstellung der Gefahrenquellen und Risikogebiete, zur Entwicklung und dem Nachweis von Maßnahmen

Folgende Ergebnisse werden angestrebt:

1. Entwicklung eines Erosionsmodells mit physikalisch-prozessorientiertem Lösungsansatz zur Anwendung bei Starkregenereignissen (Einzelereignissen)
2. Zur Simulation von SR-Ereignissen: Kopplung des zu entwickelnden Erosionsmodells mit dem hydrodynamisch-numerischem (2D-) Modell HYDRO_AS-2D und damit Heranziehen der hydraulischen Belastungsdaten aus der Lösung der Flachwassergleichung (keine vereinfachte Hydraulik)
3. Vorhersage von erosions- und sedimentationsgefährdeten Bereichen bei verschiedenen Szenarien.
4. Quantifizierung von Erosions- und Sedimentationsmengen bei Starkregen
5.  Erstellung von Gefährdungskarten durch Erosion oder auch Sedimentation für die Gemeinde Eppelborn.
6.  Schaffung von Grundlagen zur Abschätzung von On- und Off-Site-Schäden.
7. Abschätzung der Stoffeinträge in Fließgewässer durch die Erosionsraten im Zusammenhang mit Starkregenereignissen.

Eckdaten:

• Projektleitung: Prof. Dr. -Ing. Alpaslan Yörük
• Bearbeitung: Dipl.-Ing. (FH) Andreas Biehler, Rebecca Hinsberger (M.Eng.), Volker Missler (M.Eng.)
• Auftraggeber: Gemeinde Eppelborn
• Zeitraum: 2022 bis 2026