Begleitdokumentation zur Richtlinie Hydraulische Beurteilung in der Siedlungsentwässerung

In der Begleitdokumentation werden die anzuwendenden Methoden von der technischen Seite erläutert. Die Unterschiede zur heute gängigen Praxis und damit verbundenen Konsequenzen werden beschrieben. Auch wird auf das Zusammenspiel bzw. die Abgrenzung mit bestehenden relevanten Richtlinien und Normen eingegangen.

1 Einführung

1.3 Anwendungsbereich und Verweise auf Normen und Richtlinien (Richtlinie Kap. 1.3)

Abgrenzung zu geltenden Normen und Richtlinie Europa

Die Überprüfung von Entwässerungssystemen mittels Schutzzielen ist in der EN-752 [EN 752 (2017)] verankert. Dabei werden in der EN (Europäische Norm) keine konkreten Vorgaben an die Schutzanforderungen gemacht, sondern lediglich Beispiele genannt. In Deutschland wird dieser Ansatz schon seit einigen Jahren praktiziert. Die DWA 118 (2006), welche das Vorgehen für Deutschland beschreibt, wurde aufgrund der zwischenzeitlich erfolgten Weiterentwicklungen des Normen- und Regelwerks, der modelltechnischen Möglichkeiten, der verfügbaren Datengrundlagen sowie der Rahmenbedingungen für die Entwässerungsplanung grundlegend überarbeitet und ist im Januar 2024 publiziert worden [DWA-A 118 (2024)]. Dabei wurden folgende Punkte überarbeitet oder neu aufgenommen:

• Überarbeitung der Kriterien für einen hinreichenden Schutz vor Überflutungen in Abhängigkeit eines anzustrebenden Schutzniveaus anhand von Überstau- und Überflutungshäufigkeiten
• neu aufgenommen: Bewertung der hydraulischen Leistungsfähigkeit bestehender Entwässerungssysteme auf der Grundlage des 2004 veröffentlichten Arbeitsberichts
• neu aufgenommen: Berücksichtigung einer ergänzenden Betrachtung zu Überflutungsrisiken bei seltenen und aussergewöhnlichen Starkregen nach Merkblatt DWA-M 119 [DWA-M 119 (2016)] als verbindlicher Bestandteil der hydraulischen Überprüfung von Bestandssystemen
• neu aufgenommen: Berücksichtigung von Entwicklungsszenarien und Auswirkungen des Klimawandels
• neu aufgenommen: Hinweise zu Aussengebietszuflüssen
• neu aufgenommen: Hinweise zur hydraulischen Auslegung bauzeitlicher Vorfluten

Stand der Technik

Im Rahmen der Erarbeitung der Richtlinie wurde der aktuelle Stand des Wissens in einem Projektteam bestehend aus Mitgliedern der Forschung (Eawag / Meteo Schweiz), den kantonalen und kommunalen Behörden (AfU SO, AWA BE, Stadt Luzern) sowie den Ingenieurunternehmungen (HBT, HOLINGER AG) zusammengetragen. Die Projektleitung lag beim VSA und dem BAFU.

Schnittstellen

Die Thematik der vorliegenden Richtlinie ist Gegenstand mehrerer abgeschlossener, laufender oder identifizierter Projekte des VSA, des VSS sowie des BAFU. Im Folgenden sind die Schnittstellen zur vorliegenden Richtlinie und die möglichen Synergien beschrieben. Es wird aufgezeigt, wie die Stellung der Richtlinie zu den einzelnen Projekten ist und in welchen Bereichen inhaltliche Ergänzungen und Abgrenzungen bestehen bzw. angedacht sind. 

VSA-Richtlinie «Abwasserbewirtschaftung bei Regenwetter» [VSA (2019)]:
Wichtig ist eine saubere Abgrenzung der vorliegenden Richtlinie zu den Vorgaben hinsichtlich der Dimensionierung von Bauwerken und Anlagen zur Versickerung und Retention (Modul DA) und den Entlastungs- und Behandlungsbauwerken (Modul DB). Erkenntnisse zu Regenserien, Dimensionierungsregen etc., welche im Rahmen dieses Projektes noch erarbeitet werden sollen, haben wiederum Einfluss auf die Langzeitsimulationen im Rahmen der Massnahmenprüfung nach STORM (Modul S) und die Überprüfung der Mindestanforderungen (Modul B).

Meta-Datenbank Regendaten [Metadatenbank Regendaten VSA, Homepage]:
Die Datenbank, welche auf der Homepage des VSA aufgeschaltet ist, gibt eine umfassende Übersicht über die vorhandenen Regendaten und stellt somit eine wichtige Datengrundlage für den Methodischen Teil «Regendaten» dar.

GEP-Leitfaden VSA [VSA (2025):
Erkenntnisse aus dem vorliegenden Projekt haben relevante Auswirkungen auf die Vorgaben im neuen GEP-Leitfaden, insbesondere für die Wahl der Regendaten und über den Ansatz der Schutzzieldefinition auf das Entwässerungskonzept und die Massnahmenplanung im Rahmen von GEP. Zudem findet neu das TP Oberflächenabfluss Einzug in die GEP-Bearbeitung. Die beschriebenen Leistungen decken sich mit dem in der vorliegenden Richtlinie beschriebenen Grobanalyse. Die Publikation des GEP-Leifadens findet darum zeitglich mit der neuen Richtlinie statt.

GEP-Datenmodell (VSA DSS 2020):
Attribute wie die Schutzgutklasse sollten künftig in der Datenbank erfasst werden können. Ein Update der Datenstruktur soll in Angriff genommen werden, sobald sich der neue Ansatz etabliert hat.

Klimawandel:
Ansätze für den Einbezug des Klimawandels in der Überprüfung von Kanalnetzen können zu einem späteren Zeitpunkt ergänzt werden, sobald Erkenntnisse aus der Forschung für die Anwendung in der Praxis vorliegen.

2 Schutzziele

2.2 Schutzgutklassen (Richtlinie Kap. 2.2)

In der Richtlinie werden drei Schutzgutklassen unterschieden. Die Zuordnung in die Klassen 1-2 erfolgt anhand der Nutzungsart von Gebäuden und Flächen. Sonderobjekte der Klasse 3 sind in jedem Fall objektspezifisch zu bestimmen. Die Zuordnung erfolgt in Rücksprache mit der Gemeinde, Betreiber:innen und zuständigen kantonalen Fachstellen.

Hinweise:

• Eine Grobeinteilung könnte beispielsweise auf Basis der Zonennutzungspläne erfolgen (vgl. Fallstudien).
• Anders als in der DWA 118 und dem DWA-Merkblatt 119 findet keine Unterscheidung in Abhängigkeit der aktuellen Nutzung der Untergeschosse (bewohnt oder unbewohnt) statt, da oftmals keine Daten zur Nutzung der Untergeschosse vorliegen und innerhalb der Lebensdauer der Kanalisation von etwa 80 Jahren jederzeit eine Umnutzung stattfinden kann.
• Eine weitere Differenzierung von «einfachen Wohngebieten» und «Stadtzentren» ist grundsätzlich möglich durch die Bildung von Unterklassen (Schutzgutklasse 2a und 2b). Die Schutzzielmatrix des ARE für Oberflächenabfluss sieht eine solche Unterscheidung jedoch nicht vor.
• Es können auch weniger als drei Klassen gebildet werden bzw. Klassen zusammengefasst werden (vgl. Fallstudien).
• Für Neubauten und Objektschutzmassnahmen gelten die Vorgaben der SIA 261.1, welche in Abhängigkeit der Bauwerksklassen definiert werden.
• Für die Zuteilung in die Klasse 3 sollten weitere Akteure wie beispielsweise die Feuerwehr, Naturgefahrenberater:innen oder regionale Führungsstäbe hinzugezogen werden.

2.2.2 Individuelle Schutzgutklassen (Richtlinie Kap. 2.2.2)

Kritische Infrastrukturen
Als kritische Infrastruktur nennt das Bundesamt für Bevölkerungsschutz BABS Einrichtungen, Objekte und Anlagen aus den nachfolgenden Bereichen [BABS, kritische Infrastrukturen]:

Faktenblätter zu den einzelnen Bereichen und mit konkretisierenden Angaben sind der Homepage des BABS zu entnehmen. Gemäss BABS ist das Inventar der kritischen Infrastruktur in der Schweiz klassifiziert und nicht öffentlich zugänglich. Es dient den zugriffsberechtigten Stellen (Bund, Kantone und Betreibende) als Planungs- und Priorisierungsgrundlage im Risikomanagement und in der Ereignisbewältigung.

2.3 Kriterien für die Überprüfung von Entwässerungssystemen (Richtlinie Kap. 2.3)

In der Richtlinie wird bewusst die hydraulische Prüfung des Kanalnetzes mit einer hydrodynamischen Simulation gefordert. Diese Berechnungsart entspricht dem Stand der Technik und hat weitgehend die Listenrechnung abgelöst. Für die Herausforderungen in der Siedlungsentwässerung wie die Innenverdichtung, die Anpassung an den Klimawandel und den alterungsbedingten Funktionserhalt kann die Listenrechnung nicht wirtschaftlich gerecht werden. Für die Simulation wird ein Regenereigniskatalog verwendet, welcher eine Regenserie historischer Aufzeichnungen mit einer Länge von 20 – 40 Jahren repräsentiert.
Die Schutzziele für die Defizitanalyse werden spezifisch für jedes Entwässerungssystem festgelegt. Die in der Richtlinie angegebenen Bandbreiten für die Häufigkeiten basieren nicht auf einer gesamtschweizerischen Betrachtung (keine Studie zu wirtschaftlichen Folgen bei Anwendung der Richtlinie), sondern wurden in Zusammenarbeit mit der interkantonalen Arbeitsgruppe Siedlungsentwässerung festgelegt. Die Bandbreiten können im Anschluss an die Publikation der Richtlinie durch die Kantone weiter konkretisiert werden. Es empfiehlt sich bei diesem Schritt, die jeweilige kantonale Gebäudeversicherung beizuziehen.

2.4 Kriterien für die Detailanalyse (Richtlinie Kap. 2.4)

Die zulässigen Eintrittshäufigkeiten von Oberflächenabfluss inkl. kanalinduzierter Überflutung werden in Anlehnung an die Schutzzielmatrix zur Flächenvorsorge (ARE (2005)) definiert. Definiert die kantonale Naturgefahrenstrategie (generell) oder der Wasserbau Vorgaben an die Schutzzielmatrix, sind diese übergeordnet zu berücksichtigen.
Grundsätzlich sind bei der Festlegung der Schutzziele Naturgefahrenexpert:innen oder Wasser-bauexpert:innen und evtl. auch Kantonale Gebäudeversicherungen hinzuzuziehen.
In der Beispieltabelle in der Richtlinie werden die gleichen Häufigkeiten (Wiederkehrperioden) und Intensitäten betrachtet, wie für Überschwemmungen (Naturgefahr Hochwasser). Dieselben Intensitätsklassen werden gemäss SIA 261/1 für den Nachweis der Tragsicherheit und der Gebrauchstauglichkeit bzw. die Bemessung von Objektschutzmassnahmen berücksichtig. Für Neubauten und Objektschutzmassnahmen ist gemäss SIA 261/1 ein Bemessungsereignis mit einer Wiederkehrperiode von 300 Jahren massgeblich (Bauwerksklasse I). Bei Bauwerken der Bauwerksklassen II und III ist für Hochwasser auch das Extremereignis zu berücksichtigen. Diese Vorgabe gilt dabei nicht für die Prüfung bestehender Bauten, sondern ist Sache der Eigentümer:innen bei der Errichtung von Neubauten und Umsetzung von Objektschutzmassnahmen.
Anders als in der ARE-Schutzzielmatrix sind die Naturwerte (Naturlandschaften, landwirtschaftlich genutztes Land) in den Schutzgutklassen nicht explizit aufgeführt, da sich die Anwendung der Richtlinie i.d.R. auf das Siedlungsgebiet beschränkt.
Gemäss BAFU ist eine Flutung von Verkehrswegen grundsätzlich zugelassen (mit Ausnahme von Rettungsachsen der Blaulichtorganisationen). Sie können somit potenziell als Notwasserkorridore fungieren (geringe Intensitäten sind zugelassen). Dabei ist das Risiko für Personen und Verkehrsteilnehmende zu berücksichtigen. In der ARE-Matrix erhalten Verkehrswege von grosser kommunaler, kantonaler oder nationaler Bedeutung eine grosse Schutzbedürftigkeit. Wichtige Verkehrswege müssen grundsätzlich einer genaueren Prüfung unterzogen werden und sollen möglichst selten geflutet werden. Im Rahmen des Variantenstudiums sollte dafür eine Einzelfallbewertung durchgeführt werden.
Bei der Massnahmenkonzeption von Notwasserkorridoren auf Strassen ist weiter zu berücksichtigen, dass durch Wassereintritte über Einlaufschächte und Kontrollschächte kein Rückstau in private Liegenschaften verursacht wird. Für die Dimensionierung von Strassenentwässerungen gelten die Vorgaben des VSS, wobei der Anfall auf der Strasse selber massgeblich ist und nicht der Anfall von den Flächen, welche die Strasse als Notwasserkorridor nutzen. Der Zufluss in den Notwasserkorridor muss also nicht bis zum 1-jährlichen Ereignis über die Strassenentwässerung abgeleitet werden können.

3 Regendaten

3.2 Vorhandene Regendaten in der Schweiz (Richtlinie Kap. 3.2)

In der Schweiz sind Regendaten von verschiedensten Institutionen vorhanden. Heute werden an vielen Orten die Messdaten von MeteoSchweiz verwendet. Tab. 2 gibt es eine Übersicht über die Messdauer von hochaufgelösten (10 Min) Messdaten. Alle Messtationen, welche eine Messzeitreihe > 20 Jahre für 10 Min. Werte aufweisen sind blau eingefärbt.

Sobald für die Schweiz ein Werkzeug zur Generierung von synthetischen Regendaten zur Verfügung steht, soll dieses in der Praxis Anwendung finden. Das Vorgehen für die Wahl der geeigneten Regendaten (Richtlinie, Kap. 3.5) wird zu diesem Zeitpunkt angepasst. Bei einer zukünftigen Verwendung synthetischer Regendaten wird der grosse Unterschied zur heutigen Praxis sein, dass eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung der Daten vorliegen wird.

Die Ergebnisse von SYNOPSE II [INIS-Verbundprojekt SYNOPSE II (2019)] in Deutschland zeigen auf, dass die Verwendung von synthetischen Regendaten in der Siedlungsentwässerung sogar zu genaueren Ergebnissen führt als die Verwendung von herkömmlichen Regendaten.

3.4 Prüfung der Niederschlagsdaten (Richtlinie Kap. 3.4)

Die Prüfung von Niederschlagsdaten ist nicht abschliessend beschrieben. Es wird empfohlen, die Prüfung durch eine ausgewiesene Fachperson durchführen zu lassen. In der Fachliteratur wird die Prüfung von Regendaten in folgenden aufgelisteten Dokumenten abgehandelt: VERWORN (1999), DWA-A 531, DVWK Merkblätter 230/1994

Wie die Messdaten geprüft werden, hängt von der Nutzung der Daten ab. Wird beispielsweis eine Extremwertanalyse mit Block Maxima (Peak-over-Threshold) beabsichtigt, genügt es, die monatlichen Maxima (Werte über den Threshold) zu überprüfen. Wird eine Analyse beabsichtigt, die das ganze Spektrum der Daten verwendet, müssen auch kleine Werte (z.B. fehlerhaft wiederholte Werte von 1 mm alle 10 Minuten), deren Häufigkeit die Analyse beeinflussen kann, überprüft werden. Letzterer Fall wird hier nicht behandelt, da für die hydraulische Überprüfung des Entwässerungssystems Starkregenereignisse von Interesse sind.

Folgend werden einige Beispiele gezeigt, wie die Überprüfung der Maxima (Richtlinie, Kap. 3.4.3) erfolgen kann.

3.5 Regendaten für die hydraulische Überprüfung von Entwässerungssystemen

3.5.1 Übersicht (Richtlinie, Kap. 3.5.1)

Hydrologischer Atlas / Hydromaps [Hydromaps, Homepage]
Im Hydrologischen Atlas werden hydrologische Grundlageinformationen einem breiten Kreis von Nutzenden zur Verfügung gestellt. Die Karten zu extremen Punktniederschlägen beschreiben die Niederschlagshöhen für seltene Starkniederschlagsereignisse im heutigen Klima. Die zugrundeliegenden Daten und Methoden sind im Erläuterungstext «Extreme Punktniederschläge» [Frei und Fukutome (2018/2022)] beschrieben. Für jede Rasterzelle (Auflösung 1 km2) lässt sich eine Tabelle einblenden, welche die Wiederkehrwerte im Mittelpunkt der Zelle angeben (Median und Unsicherheitsbereich). Es ist zu beachten, dass die Farbskala zwischen den verschiedenen Wiederkehrperioden und Dauerstufen variiert. Aktuell sind Resultate für extreme 24-Stunden- und 60-Minuten-Summen der Niederschläge verfügbar. Später werden Auswertungen für weitere Dauern integriert.

Extremwertanalysen MeteoSchweiz [Klima Extreme, Homepage]
Seit 2016 stellt MeteoSchweiz Extremwertanalysen von Niederschlag an mehr als 300 Stationen ihres meteorologischen Messnetzes der Öffentlichkeit zur Verfügung. Im Technischen Bericht [Fukutome et al (2018)] werden die zugrunde liegenden Daten und Methoden dokumentiert. 2024 sind die Extremwertanalysen für die Standardperiode 1961 – 2020 für Minutensummen (10, 20, 30 Minuten), Stundensummen (1, 2, 3, 4, 6, 8, 12 Stunden) und Tagessummen (1, 2, 3, 4, 5 Tage) publiziert.

3.5.2 Anforderungen an die Auflösung, Aufzeichnungsdauer und räumliche Repräsentativität (Richtlinie, Kap. 3.5.2).

Heute stehen Regendaten mit einer Auflösung des kleinsten Messintervalls von 5 Minuten (z.B. einige kantonale und private Niederschlagsmessstationen) resp. von 10 Minuten (z.B. MeteoSchweiz) zur Verfügung. Eine Verwendung von Regendaten mit einer Auflösung von 10 Minuten ist in der Siedlungsentwässerung sinnvoll. Durch die Verwendung von 5 Minuten Daten können insbesondere in Anfangssträngen noch genauere Resultate erzielt werden. Es besteht auch von MeteoSchweiz die Absicht, in Zukunft 5 Minuten Daten zu publizieren. Die in der Richtlinie beschriebene Methodik zur hydraulischen Überprüfung von Entwässerungssystemen kann auch mit Regendaten mit einer 5 Minuten Auflösung angewendet werden. Regendaten mit einer Auflösung von 5 Minuten sollen verwendet werden, sobald diese verfügbar sind. Eine Verwendung von Regendaten mit einem noch kleineren Messintervall in der Überprüfung von Entwässerungssystemen (ausgenommen ist die Liegenschaftsentwässerung) muss im Einzelfall geprüft werden und eine Anpassung der Modellparameter ist erforderlich. Die Auflösung von zu verwendenden Regendaten in der Siedlungsentwässerung wird auch in der Publikation «Die Anwendung von Kanalnetzmodellen in der Stadthydrologie» [Verrworn (1999)] beschrieben.

Hagel wird von den Niederschlagsmessstationen nicht registriert. Somit besteht keine Möglichkeit, bei der Auswahl von Regenereignissen nach der Art des Niederschlags zu unterscheiden.

Die mindestens notwendige Aufzeichnungsdauer hängt von der nachzuweisenden Häufigkeit für Überstau oder Überflutung ab. Es können die Richtwerte nach DWA-A 118 verwendet werden (Richtlinie, Tabelle 8). Die Aufzeichnungsdauer muss ausreichend lang sein, damit Regenereignisse mit einer bestimmten Jährlichkeit mit einer hohen Wahrscheinlichkeit in der Messzeitreihe enthalten sind. Die statistische Repräsentativität der ausgewählten Starkregenereignisse kann anhand einer Niederschlagstatistik (z.B. Extremwertanalysen von MeteoSchweiz) geprüft werden.

3.5.5 Vorgehen für die Auswahl der Niederschlagsmessstation mit lokalen Regendaten (Richtlinie Kap. 3.5.4/5)

Die Methodik für die Auswahl der geeigneten Messstation basiert auf den zur Verfügung gestellten Daten der Extremwertanalysen von MeteoSchweiz. Die Daten sind als Extremwertanalysen von MeteoSchweiz [Klima Extreme, Homepage] und im Hydrologischen Atlas der Schweiz [Hydromaps, Homepage] publiziert. Für die publizierten Werte aus den Extremwertanalysen wurden bei den bei-den vorgenannten Quellen nicht die identischen Methoden und Parameter verwendet. Somit unter-scheiden sich die Wiederkehrwerte für die gleiche Wiederkehrperiode. Bei der Auswahl der geeigneten Niederschlagsmessstation ist zu beachten, dass alle verwendeten Daten von der gleichen Quelle (sprich aus dem Hydrologischen Atlas (Hydromaps)) stammen. Die Wiederkehrwerte für die gleiche Wiederkehrperiode unterscheiden sich insbesondere, da in den Extremwertanalysen von MeteoSchweiz Stundenstummen respektive Tagessummen verwendet werden und in Hydromaps 60 Minuten Summen respektive 24 Stunden.

• Auswahl der geeigneten Niederschlagsmessstation ohne lokale Regendaten: Es sind ausschliesslich Daten von Hydromaps zu verwenden.
• Auswahl der geeigneten Niederschlagsmessstation mit lokalen Regendaten: In Abhängigkeit, ob bei der Extremwertanalyse der lokalen Regendaten Stundensummen oder 60 Minuten Summen verwendet werden, sollen für die Wahl der geeigneten Messtation die Wiederkehrwerte von den Extremwertanalysen von Meteoschweiz oder von Hydromaps verwendet werden.

3.5.6 Repräsentativer Regenereigniskatalog für Regenserie (Richtlinie, Kap. 3.5.6)

Vergleich der Simulationsresultate einer Langzeitseriensimulation mit der Simulation mit einem Regenereigniskatalog.
Am Beispiel der Fallstudie von Laupen wurden die Ergebnisse der Langzeitseriensimulation mit jenen der Berechnung nach dem im Kapitel 3.5.6 beschriebenen Vorgehen mittels Regenkatalog verglichen.
Für die Berechnung wurden die Aufzeichnungen der Regenmessstation Mühleberg der Jahre 1988 bis 2020 verwendet.
Für die Definition des Regenereigniskatalogs wurden die stärksten Ereignisse der 10-, 20- und 60-minütigen sowie 4-stündigen Dauerstufe der Aufzeichnungsperiode verwendet. Die Dauerstufen von 30 min und 2 h standen für die Messstelle auf der Webseite von MeteoSchweiz zum Zeitpunkt der Betrachtung nicht zum Download zur Verfügung.
Die Regenereignisse wurden chronologisch sortiert und redundante Daten entfernt. Damit wurden 30 Regenereignisse in den Regenkatalog aufgenommen und jedem Ereignis wurde eine Nachlaufzeit von 4 Stunden hinzugefügt.
Die Berechnung mittels Langzeitsimulation enthält mit den gewählten Start- und Stopp-Kriterien 100 Regenereignisse.
Bei insgesamt 6% der Kontrollschächten weichen die berechneten Eintrittshäufigkeiten für Überstau voneinander ab. Die Schutzzielprüfung liefert aber identische Ergebnisse. Im Fallbeispiel von Laupen lässt sich die Langzeitseriensimulation demnach 1:1 durch eine Berechnung mittels Regenereigniskatalog ersetzten.
Ein Vergleich der rangierten Wasserspiegellagen in drei charakteristischen Kontrollschächten (Anfangsstrang, Sammelleitung am Ende des Netztes und Kontrollschacht mit festgestellter Überlastung) zeigt folgende Unterschiede in den Extremwerten:
Anfangsstrang:
Die 12 grössten Ereignisse sind identisch. Danach gibt es vereinzelte Ereignisse, die einzig in der Langzeitsimulation modelliert wurden. Damit könnten einzig für die Überprüfung der Schutzziele mit einer zulässigen Häufigkeit von seltener als 1x in 2.46 Jahren Abweichungen entstehen.
Sammelleitung:
Die 13 grössten Ereignisse sind identisch. Danach gibt es vereinzelte Ereignisse, die einzig in der Langzeitsimulation modelliert wurden. Damit könnten einzig für die Überprüfung der Schutzziele mit einer zulässigen Häufigkeit von seltener als 1x in 2.67 Jahren Abweichungen entstehen.
Leitung mit Überlastung:
Die 15 grössten Ereignisse sind identisch. Danach gibt es vereinzelte Ereignisse, die einzig in der Langzeitsimulation modelliert wurden. Damit könnten einzig für die Überprüfung der Schutzziele mit einer zulässigen Häufigkeit von seltener als 1x in 2 Jahren Abweichungen entstehen. Beim betrachteten Schacht wurde das Schutzziel sowohl bei der Simulation mittels Regenereigniskatalog als auch der Langzeitsimulation verletzt.

3.6 Regendaten für die Oberflächenabflussmodellierung (Detailanalyse) (Richtlinie Kap. 3.6)

In der Richtlinie wird festgehalten, dass für die Oberflächenabflussmodellierung Blockregen verwendet werden sollen. Die Vorgabe erfolgt in Anlehnung an die Publikation Werkzeuge zum Thema Oberflächenabfluss als Naturgefahr – eine Entscheidungshilfe [Bernet, et al., (2018)]. Falls zukünftige Studien aufzeigen, dass Regenereignisse mit einer variierenden Intensität über die Dauer aussagekräftiger sind, kann diese Erkenntnis in die Richtlinie aufgenommen werden und die Richtlinie zur Verwendung von Blockregen überarbeitet werden.

3.7 Auswirkung des Klimawandels (Richtlinie Kap. 3.7)

Bezüglich des Einflusses des Klimawandels gibt es nach heutigem Kenntnisstand keine allgemeine Empfehlung für einen Sicherheitszuschlag, beispielsweise durch die Erhöhung der Niederschlagsmengen um einen bestimmten Faktor. Dieser Faktor kann aufgrund der aktuellen Datenlage nicht zuverlässig bestimmt werden. Der methodische Ansatz in der Richtlinie erlaubt jedoch im Einzelfall die Verwendung synthetischer Regendaten oder die Anwendung von Zuschlägen. Statt einer quantitativen Anpassung an mögliche zukünftige stärkere Niederschläge soll nach heutigem Kenntnisstand der Fokus auf der Planung und Umsetzung von robusten Massnahmen liegen.

4 Hydraulische Überprüfung von Entwässerungsanlagen

4.3 Kurzerläuterung der Planungsschritte (Richtlinie, Kap. 4.3)

Defizitanalyse
Die Überprüfung von Entwässerungssystemen erfolgt mit der Ermittlung der Extremwertstatistik der Wasserspiegelniveaus in den Kontrollschächten auf Basis einer Langzeitsimulation bzw. vereinfacht eines Regenereigniskatalogs.
Können infolge der Komplexität eines Kanalisationsnetzes (z. B. Steilleitungen mit Wasser-Luft-Gemisch-Abfluss, hydraulisch komplexe Bauwerke, mögliche Pulsationen bei örtlichen Verlusten, etc.) die hydraulischen Verhältnisse im Entwässerungsnetz mit einer hydrodynamischen Kanalnetzmodellierung nicht ausreichend abgebildet werden, ist zur Einhaltung der Schutzziele zusätzlich ein hydraulischer Nachweis auf Basis einer Detailhydraulik für diese Anlagen zu erbringen.

Belastungszustände
Im Rahmen der Defizitanalyse wird zwischen den zwei Belastungszuständen Überstau und kanalinduzierte Überflutung unterschieden. Übersteigt der Wasserstand bei Regenereignissen in der Kanalisation die Schadensebene, spricht man von Überstau. Tritt Wasser über den Schachtdeckel an die Oberfläche, spricht man von kanalinduzierter Überflutung. Die Definition der Zustände weicht dabei von jener der deutschen Entwässerungspraxis wie folgt ab:
In der DWA ist die Schadensebene i.d.R. mit dem Geländeniveau gleichzusetzen. In der vorliegenden Richtlinie kann die Schadensebene aber zwischen dem Rohrscheitel und dem Terrain festgelegt werden. Für die Festlegung der Schadensebene wird in der Regel von einer pauschalen Annahme (z.B. 2 m unter Terrain, für Kellergeschosse) ausgegangen. Wo genaue Angaben zur Konstruktion der Liegenschaften (z.B. auf Basis der Baueingabepläne) vorliegen, kann diese auch schachtspezifisch festgelegt werden. Die Schadensebene kann dabei für Mischabwasser- bzw. Regenabwassersysteme unterschiedlich definiert werden. Kellergeschosse werden immer an Misch- oder Schmutzabwasserleitungen angeschlossen, wohingegen an das Regenabwassersystem im Normalfall keine unterirdischen Flächen angeschlossen sind. Folglich liegt die Schadensebene für Regenabwasser auf Höhe des Terrains. Für die Festlegung der Schadensebene soll der Vollzug hinsichtlich des Rückstauschutzes berücksichtig werden. Neuere Liegenschaften sollten nach SN 592000 Rückstauschutzmassnahmen bis zur Rückstauebene getroffen haben. Folglich kann, wo ein Rückstauschutz konsequent in der Auflage zum Baugesuch gefordert wird, die Schadensebene der Rückstauebene gleichgesetzt werden.

In der DWA spricht man erst von einer Überflutung (kanalinduziert), wenn durch den Wasseraustritt aus dem Schachtdeckel eine Schädigung entsteht. Wichtig ist, dass der Schaden über den Fluss via Schachtdeckel entsteht. Schäden durch Rückstau sind keine Überflutungsschäden. In der vorliegenden Richtlinie entspricht eine kanalinduzierte Überflutung einem rechnerischen, ungewollten Abwasseraustritt, wobei eine mögliche Schädigung im Rahmen einer anschliessenden Plausibilisierung des Wet-Spots im Feld untersucht wird. Eine Schädigung kann bei einer Verkehrstrasse beispielsweise auch der Ausfall der Infrastruktur sein. Der rechnerische Wasseraustritt kann dabei auch durch Rückstau verursacht werden.

Bei beiden Belastungszuständen sind Schäden möglich; bei Überstau durch Rückstau in die Kellergeschosse (Wasserspiegel über Schadensebene), bei kanalinduzierter Überflutung zusätzlich durch oberflächlich in Gebäude eintretendes Abwasser. Das Schadensbild von Kanalisationsrückstau und Oberflächenabfluss bei Liegenschaften weist Gemeinsamkeiten auf. Trotzdem werden unterschiedliche Schutzziele für Oberflächenabfluss und für Überstau mit Schadenspotential aus der Kanalisation angewendet. Als Kriterium für die Überprüfung der Entwässerungssysteme wird ein Überstau mit einer Häufigkeit von 5-10 Jahren für Wohngebiete (Schutzgutklasse 2) vorgeschlagen. Beim Oberflächenabfluss wird in Anlehnung an die ARE-Schutzmatrix für dieselbe Schutzgutklasse eine zulässige Eintretenswahrscheinlichkeit von grösser 100 Jahren vorgeschlagen. Der unterschiedlichen Betrachtungsweise liegen Kosten-/Nutzen-Überlegungen zu Grunde. Das Kanalnetz kann aus wirtschaftlichen Gründen nicht auf extreme Starkregenereignisse ausgelegt werden.

Rückstauschutz bis zur Rückstauebene ist gemäss SN 592:000 auf Seite der Grundstückentwässerung umzusetzen. Im GEP ist zu konkretisieren, ob die Rückstauebene berechnet wird, oder ob generell das Strassenniveau (das Terrain) als Rückstauebene im Baureglement festgelegt wird. Die errechnete Rückstauebene entspricht dem Niveau beim Ereignis der Häufigkeit gemäss Schutzziel.
Wasseraustritte an die Oberfläche sind im Rahmen eines modernen Regenabwassermanagements tolerierbar, wenn:

• Schäden durch ausreichende Objektschutzmassnahmen an Infrastrukturen oder Gebäuden auf ein akzeptiertes Mass reduziert werden können (Kosten-/Nutzen-Betrachtung),
• es sich um eine gezielte und kontrollierte Ableitung von Regenabwasser handelt (z.B. Ableitung von Regenabwasser im Strassenprofil bis zu einem definierten Rückhalteraum).

Die Eintretenshäufigkeiten beider Belastungszustände lassen sich zwar rein rechnerisch mit einer hydrodynamischen Modellierung des Kanalnetzes bestimmen. Bei der Massnahmenprüfung infolge kanalinduzierter Überflutung ist es aber empfohlen, mit Hilfe einer Überflutungsprüfung unter Berücksichtigung der Fliesswege eine Bewertung der Überflutungsrisiken vorzunehmen (Detailanalyse).

Ereigniskataster
Hinweise zu Ereigniskataster:

• Der «Schadenkataster» der Gemeinden ist ein wichtiges Hilfsmittel für die Modellvalidierung. Sehr viele Gemeinden führen jedoch (noch) keinen solchen Kataster. Für das künftige Systemverständnis ist es wertvoll, nicht nur die Schäden zu dokumentieren, sondern sämtliche beobachtete Wasseraustritte aus Kanalisationsschächten als Ereignisse zu dokumentieren, auch wenn keine Schäden eingetreten sind.
• Schäden aus dem Abwasserrückstau aus der Kanalisation in Liegenschaften sind nicht über die obligatorische Gebäudeversicherung versicherte Schadenereignisse. Diese können durch private Wasserschaden-Gebäudeversicherungen versichert werden. Ob die privaten Versicherer solche Schadenereignisse kommunizieren dürfen, ist im Einzelfall zu klären.

Darstellung hydraulische Überprüfung in Plänen
Nachfolgend wird ein Beispiel für die Darstellung von Auslastungsplänen inkl. Angaben zur Einhaltung der Schutzziele anhand der Wasserspiegellage in den Kontrollschächten abgebildet. Dabei beziehen sich die Auslastungen und Wasserspiegel auf das Ergebnis (max. Wasserspiegel, resp. max. Abfluss), welches der Häufigkeit gemäss Schutzzieldefinition entspricht.

4.4 Anforderungen an die Modellierung (Richtlinie Kap. 4.4)

Modellparameter

• In dieser Richtlinie finden sich keine spezifischen Anweisungen zur Bestimmung der abflusswirksamen Fläche oder Parametrisierung des Kanalnetzmodelles (z.B. Rauhigkeitswerte, Schachtverluste) oder des Niederschlag-Abflussprozesses (z.B. Vorfeuchte, Muldenverluste, Anlaufzeiten). Dafür wird auf DWA-Merkblätter DWA-M 165-1 (2021) und DWA-M-119 (2016) verwiesen. Eine Zusammenstellung möglicher Modellansätze für die Überflutungsberechnung wird im auf dem DWA-M-119 aufbauenden Praxisleitfaden KLAS (2017) aufgezeigt. Hinweise zu den Berechnungsmethoden und -Parametern finden sich im vorliegenden Dokument in Kapitel 6.3 hinsichtlich Oberflächenabfluss.
• Vorgaben zur Parametrisierung der Einzugsgebiete (z.B. mittels Messdatenmanagement, Orthofotoauswertung etc.) werden nicht Rahmen dieser Richtlinie erarbeitet, sondern sind Bestandteil eines möglichen Folgeprojektes des VSA.

Hinweise Berücksichtigung Gewässer
Folgende Fragestellungen sollen helfen zu entscheiden, ob die Gewässer für die Modellierung berücksichtig werden sollen:

• Aufgrund der Topografie (Auslaufkote der Einleitstelle relativ zum Gewässer, sehr flacher und somit rückstauanfälliger Kanalisationsverlauf, Höhenlage/Exponiertheit der an die Leitung angeschlossenen Schutzgüter), Erfahrungsberichten oder Hinweisen aus der Naturgefahrenkarte für Überflutungen wird erwartet, dass die Entwässerung im Hochwasserfall (bei zu definierender Jährlichkeit) nicht mehr funktioniert und Schäden somit möglich sind.
• Aufgrund der natürlichen Einzugsgebietscharakteristik wird erwartet, dass Starkniederschlagsereignisse unmittelbar zu einem für die Einleitungen der Siedlungsentwässerung relevanten Anstieg des Wasserspiegels im Gewässer führen oder dass oberliegende Einleitungen aus der Siedlungsentwässerung einen relevanten Anstieg des Wasserspiegels im Gewässer verursachen.
• Bei Einleitungen aus der Siedlungsentwässerung in eingedolte Gewässerabschnitte kann es sinnvoll sein, die natürliche Abflussganglinie des Gewässers bzw. das natürliche Einzugsgebiet zu modellieren, um die Abflusskapazität der Eindolung korrekt abzubilden. Alternativ können verschiedene Lastfälle durch Berücksichtigung konstanter (Spitzen-) Abflüsse in der Bachleitung modelliert werden. Als Grundlagen dienen die Angaben der Gefahrenkarten, Messwerte der hydrometrischen Stationen, hydrologische Gutachten oder einfache Abschätzungen der Hochwasserabflussspitzen natürlicher Einzugsgebiete (z. B. mittels HAKESCH).

Insbesondere bei Langzeitsimulationen sind die Ergebnisse in den letzten Haltungen vor der Einleitstelle stark von den angenommen Gewässerrandbedingungen abhängig. Die Wahrscheinlichkeit, dass bei einem für die Massnahmenauslösung relevanten Niederschlagsereignis gleichzeitig eine Hochwassersituation im Gewässer eintritt, ist deswegen im Einzelfall bei der Massnahmenplanung zu beurteilen. Bei solch komplexen Fragestellungen ist es immer zu empfehlen, eine Spezialist:in beizuziehen.

Mögliche betrachtete Szenarien können zum Beispiel sein:

• Hochwassersituation im Gewässer (HQ30, HQ100) mit gleichzeitigem Gewitterregen in der Siedlung (1-jährliches Ereignis)
• Starkregenereignis in der Siedlung (Eintretenshäufigkeit gemäss Schutzzieldefinition) bei gleichzeitigem jährlichem Spitzenabfluss im Gewässer (HQ1)

Eine grobe Abschätzung von hydrologischen Kenngrössen (Q347, MQ, HQ1) kann mit der Hilfestellung des BAFU über den Abflussregimetyp erfolgen [hydrologische Kenngrössen, BAFU].

4.4.1 Allgemeines (Richtlinie Kap. 4.4.1)

Berechnungsmethoden und Rechenmodelle
Die Anwendung von Modellen in der Siedlungsentwässerung erstreckt sich im Wesentlichen auf:

• Kanalnetzberechnungen zum Nachweis der hydraulischen Leistungsfähigkeit von Entwässerungssystemen und ihrer einzelnen Komponenten;
• Überflutungsberechnungen zur Ermittlung von Fliesswegen, Wasserständen und Fliessgeschwindigkeiten auf der Oberfläche;
• Schmutzfrachtberechnungen zum Nachweis des Entlastungsverhaltens von Sonderbauwerken im Mischsystem;
• Schmutzfrachtberechnungen zur Simulation des Stoffaustrags durch Regenabwasserabflüsse im Trennsystem.

Im folgenden Kapitel wird auf die für die vorliegende Richtlinie relevanten Modelle und deren Grundlagen der Kanalnetzberechnungen für die hydraulische Überprüfung eingegangen. Die Informationen stammen grösstenteils aus der DWA-M 165-1 [DWA-M 165-1 05/2021] und DWA-M-119 [DWA-M 119 (2016)].

Abflussbildung
Unter dem Begriff der Abflussbildung werden die physikalischen Vorgänge zusammengefasst, die den Anteil des auf eine Einzugsgebietsfläche gefallenen Niederschlags in den abflusswirksamen (effektiven) Niederschlag bestimmen. Eine «naturgetreue» Erfassung dieser Vorgänge ist nicht möglich, weswegen je nach Aufgabenstellung mehr oder weniger starke Vereinfachungen erforderlich sind:

• Die Gebietseigenschaften sind für die einzelnen Teilflächen als gleichmässig anzusehen
• Es sind Anfangsbedingungen festzulegen
• Es sind Annahmen über die Verlusthöhen als Summe während eines Ereignisses und über ihre zeitliche Verteilung zu treffen.

Dabei ergeben sich Unterschiede, abhängig von der zu bearbeitenden praktischen Aufgabenstellung:

a) Simulation von Bemessungsabflüssen aus Modellregen bzw. Modellregengruppen (Einzelregenereignisse)
Es sind die Anfangsbedingungen zu wählen. Bei undurchlässigen Flächen wird man im Allgemeinen von trockenen Anfangsbedingungen, bei durchlässigen von mittleren Bedingungen ausgehen.

b) Simulation mit über eine längere Zeit gemessenem Niederschlagsverlauf (Langzeit Kontinuumssimulation)
Die Anfangsbedingungen jedes Ereignisses ergeben sich aus den Endbedingungen des vorangegangenen Ereignisses und den Veränderungen der Verlusthöhen (Mulden- und Benetzungsverluste sowie Versickerung) während der dazwischen liegenden niederschlagsfreien Zeit.

c) Simulation von Einzelereignissen aus ausgewählten gemessenen Niederschlagsereignissen (Langzeit-Seriensimulation)
Je nachdem, ob die verwendeten Niederschlagsereignisse Regenpausen aufweisen oder nicht, gelten die Hinweise zu b) oder a).

d) Simulation von Einzelereignissen sehr hoher Intensität (Sturzfluten)
Hier haben die Anfangsbedingungen in der Regel keinen grossen Einfluss auf die Berechnungsergebnisse und es kann vereinfachend von trockenen Anfangsbedingungen ausgegangen werden.

Abflusskonzentration
Die Abflusskonzentration beschreibt die Umwandlung des flächenhaft verteilten abflusswirksamen Niederschlags in die am Tiefpunkt der betrachteten Teilfläche entstehende Abflussganglinie. Dabei spielen die Fliessvorgänge auf der Oberfläche (Translation) und Verzögerungseffekte (Retention) eine Rolle. Diese komplexen physikalischen Vorgänge können nur näherungsweise erfasst werden.
Die Festlegung der Abflusskonzentration erfolgt in den meisten Niederschlag-Abfluss-Modellen nach dem Ansatz der linearen Speicherkaskade. Die Berechnung des Abflusses kann aber auch durch Lösen der Kontinuitätsgleichung und dem Ansatz von Manning auf einer schiefen Ebene erfolgen. Die einzelnen Flächen sind hierbei entsprechend ihrer Geometrie zu idealisieren. Ein weiterer Ansatz berechnet mit Hilfe der Gitterzellen des digitalen Geländemodells die Abflusskonzentration durch die 2-dimensionale Berechnung auf der Oberfläche, wobei auch Senkenterme (z. B. Versickerung) berücksichtigt werden.

Abflusstransport
Im Gegensatz zum Oberflächenabfluss ist der Wellenablauf im Kanalnetz durch die Geometrie der Kanäle und Sonderbauwerke eindeutig definiert. Beim Transport einer Abflusswelle durch einen Kanal oder eine Gewässerstrecke sind zwei Effekte zu beobachten: Wellenverschiebung (Translation) und Wellendämpfung (Retention). Dieser instationäre Transportvorgang wird durch die Saint-Venant Gleichung für eindimensionale Strömungen mathematisch beschrieben. Bei 1-dimensionalen hydrodynamischen Transportmodellen wird diese Differentialgleichung entweder explizit oder implizit gelöst.

Den hydrodynamischen Transportmodellen ist es vorbehalten, bei instationärem Abfluss Wasserspiegellagen und damit auch Überflutungsereignisse (Wasserspiegel über Terrain) zu berechnen. Dabei ist die Druckhöhe nicht auf die Geländehöhe begrenzt. Sie kann durch Bildung von Seen oder durch Ausfluss unter Druck über Gelände ansteigen. Dies kann grössere Abflüsse nach Unterstrom und höheren Rückstau nach Oberstrom zur Folge haben.

Bei Überflutungsereignissen sind Annahmen über die Druckhöhe und den Verbleib des auf der Oberfläche rückgestauten Wassers zu treffen, sofern keine Überflutungsberechnung durchgeführt wird. Dafür können folgende Ansätze verwendet werden:

• Die Druckhöhe wird fiktiv soweit erhöht (z. B. in dem die Schachtabdeckung druckdicht modelliert wird), dass die gesamte Wassermenge im Kanal abgeleitet wird. Dies ist eine für Arbeitsrechnungen zur Sanierung überlasteter Netze geeignete Methode, da damit weiter unten liegende Engpässe erkannt werden. Werden die rückstauenden Haltungen saniert, ändern sich die Abflüsse für die nachfolgenden Haltungen in der Regel nur noch wenig.
• Es wird nur die Wassermenge berücksichtigt, die sich mit dem Wasserstand auf Geländehöhe im Kanal abführen lässt. Der ausgetretene Anteil wird in der Berechnung nicht mehr berücksichtigt. Dieser Ansatz ist sachgerecht, wenn das überstauende Wasser die Möglichkeit hat, anderweitig abzufliessen. Bei der Bilanzierung der Berechnung sind diese im Weiteren nicht berücksichtigten Mengen auszuweisen.
• Auf der Oberfläche werden fiktive Speicher angesetzt, die sich bei Überstau füllen und bei Druckhöhen unter Geländeoberkante wieder in den gleichen Schacht entleeren. Dieser Ansatz kommt zum Beispiel bei flachem Gelände in Betracht, wenn die Fliesswege auf der Oberfläche nicht ausgeprägt sind.

4.4.2 Modellvalidierung (Richtlinie Kap. 4.4.2)

Eine Kalibrierung beinhaltet immer eine spezifische Anpassung ausgesuchter Modellparameter aufgrund einer Auswertung von Messdaten und einer Sensitivitätsanalyse der Berechnungsresultate.
Eine Kalibrierung eines hydrodynamischen Kanalnetzmodells im Rahmen eines GEP ist mit verhältnismässigem Aufwand nicht realisierbar. Dies liegt insbesondere an der erheblichen Unsicherheit bei der Bestimmung der beitragenden Flächen (d.h. welche Bereiche tatsächlich angeschlossen sind) und am Fehlen von Messdaten während starker Regenfälle. Zudem können einzelne oder mehrere Modellparameter jeweils nur für ein bestimmtes untersuchtes Ereignis angepasst werden.
Für eine sinnvolle Kalibrierung des Kanalnetzmodells müssten Messdaten von relevanten, d.h. ca. der Dimensionierungshäufigkeit entsprechenden, Ereignissen vorliegen. Deswegen wird in der Richtlinie anstatt einer Kalibrierung eine Modellvalidierung gefordert. Diese hat zum Ziel, das Vertrauen in die Resultate des Berechnungsmodelles zu stärken, damit dieses über einen längeren Planungszeitraum als sinnvolles Planungsinstrument eingesetzt werden kann.
Da auch die Validierung meist nicht für Starkniederschläge erfolgt, müsste im Modell den hinterlegten Flächen (befestigt und unbefestigt) besonders für die Fragestellungen der Wet-Spot Definition besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Die Berechnung mit Starkregenereignissen zur Definition von Wet-Spots zielt aber vordergründig darauf ab, jene Schächte zu ermitteln, wo ein Wasseraustritt unabhängig von der konkreten Eintretenshäufigkeit oder austretenden Wassermenge am wahrscheinlichsten bzw. am häufigsten zu erwarten ist. An diesen Punkten soll vor Ort geprüft werden, ob das austretende Wasser Schäden verursachen kann oder nicht.

4.6 Vorgehen für die Dimensionierung von Kanalisationen (Richtlinie Kap. 4.6)

Der Dimensionierungsdurchfluss wird durch eine statistische Auswertung der Maximalwerte des Durchflusses in jeder Leitung festgelegt (berechnet mit allen Regenereignissen aus dem Regenereigniskatalog). Wenn das bestehende Kanalisationssystem im Ist-Zustand und Vollausbau analysiert wird, kann der maximale Durchfluss in einer Leitung stark beschränkt sein, weil nachfolgend an die Leitung ein hydraulischer Engpass besteht. In der Leitung entsteht ein Rückstau und der maximale Durchfluss ist kleiner als er im Freispiegelabfluss sein könnte.

Deswegen ist es wichtig, dass die Durchflüsse resp. vorgesehenen Massnahmen im Planungszustand überprüft werden. Damit kann sichergestellt werden, dass die verschiedenen Massnahmen aufeinander abgestimmt sind.

Wie in der SIA 190 gefordert, soll neue Abwasserableitung beim resultierenden Dimensionierungsdurchfluss unter Freispiegel erfolgen und ohne Rückstau funktionieren. Gegenüber der früheren Praxis wird die Dimensionierungsregenhäufigkeit für jede Schutzgutklasse unterschiedlich definiert. D. h. es wird nicht das gesamte Netz auf ein Regenereignis ausgelegt. Die Jährlichkeiten werden je Haltung festgelegt und sollen mit Schutzzielen für die Überprüfung der Überstau- und Überflutungssicherheit im Rahmen der Defizitanalyse harmonisiert werden. Die in der Richtlinie angegebenen Bandbreiten für die Häufigkeiten des Dimensionierungsdurchflusses wurden in Zusammenarbeit mit der interkantonalen Arbeitsgruppe Siedlungsentwässerung festgelegt.

Durch die Differenzierung der Schutzziele kann in einem Gebiet das Schutzziel und damit auch der Dimensionierungsdurchfluss am Anfang des Leitungsstrangs höher sein, als weiter unten im Netz. Wichtig ist, dass dadurch das Schutzziel weiter unten im Netz nicht verletzt wird und dass durch Massnahmen keine Querschnittsveränderungen in Fliessrichtung verursacht werden. Massnahmen an Leitungssträngen sind auf das bestehende untenliegende Netz abzustimmen. Dabei ist auch die Verhältnismässigkeit zu berücksichtigen. Wäre beispielsweise für die Einhaltung des Schutzziels eines Sonderobjekts der Klasse 3 am Anfang eines Strangs ein Netzausbau entlang des gesamten Strangs erforderlich, sind Objektschutzmassnahmen / ein Rückstauschutz seitens Grundeigentümer einem Kanalisationsausbau gegenüber zu setzen, und die wirtschaftlichere Variante zu wählen. Die Grundeigentümer sind entsprechend zu informieren.

5 Grobanalyse Oberflächenabfluss

5.2 Grundlagenanalyse (Richtlinie Kap. 5.2)

Die notwendigen Grundlagen sind in nachfolgender Abbildung 5 dargestellt und in Tabelle 3 zusammengefasst.
Neben Strukturen, Nutzungen und Infrastrukturanlagen werden insbesondere Ereignisse aus der Vergangenheit inklusive der entstandenen Schäden in die Analyse einbezogen. Damit wird Ereigniskatastern und Einsatzdokumentationen eine wichtige Rolle zugeschrieben.
Anwendungen haben ergeben, dass im Rahmen der Einsatzdokumentation eine Unterscheidung hinsichtlich der Einsatzursache (Wassereintritt aufgrund von Oberflächenabfluss, kanalinduzierte Überflutung) hilfreich ist. Um diese wertvollen Informationen nutzen zu können, sind eine Aufnahme, Auswertung und Dokumentation der Ereignisse und die Datenbankpflege elementar.
Weitere Grundlagen können situativ hinzugezogen werden. Für die Grobanalyse ist zunächst nur die Lage der Objekte, Personen und Gebäude von Interesse.

Für Sonderobjekte sind keine Nutzungsgrundlagen vorgegeben. In den minimalen Standards zur Risikobeurteilung wird den kantonalen Fachstellen empfohlen, als Minimallösung einen Auszug aus dem SKI-Inventar des BABS zu verwenden. Gemäss BABS ist das Inventar der kritischen Infrastruktur in der Schweiz klassifiziert und nicht öffentlich zugänglich. Es dient den zugriffsberechtigten Stellen (Bund, Kantone und Betreiber:innen) als Planungs- und Priorisierungsgrundlage im Risikomanagement und in der Ereignisbewältigung.

Sonderobjekte sind gemäss der Publikation des BAFU Güter und Dienstleitungen, die ein konzentriertes Risiko darstellen. Die lebenswichtigen Güter und Dienstleistungen werden demnach über Objekte des SKI-Inventars abgedeckt.

Die Bezugsquellen weiterer, relevanter Informationen, wie beispielsweise die Einsatzprotokolle der Feuerwehr für vergangene Einsätze bei Starkregen, Schadensmeldungen der Gebäudeversicherer, die Kanalisation inkl. Sonderbauwerke und weitere Werkleitungen, und die amtliche Vermessung sind vorgängig mit den beteiligten Stellen zu klären.

Ein digitales Höhenmodell kann direkt von swisstopo bezogen werden
(https://www.swisstopo.admin.ch/de/geodata/height/alti3d.html)

Die File-Geodatabase der Gefährdungskarte Oberflächenabfluss des BAFU kann für die ganze Schweiz (ohne Luzern) oder je Kanton heruntergeladen werden.

Ganze Schweiz OHNE Kanton Luzern (17GB!): https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss.zip

AG:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_AG.zip

AI:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_AI.zip

AR:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_AR.zip

BE:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_BE.zip

BL:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_BL.zip

BS:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_BS.zip

FR:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_FR.zip

GE:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_GE.zip

GL:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_GL.zip

GR:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_GR.zip

JU:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_JU.zip

NE:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_NE.zip

NW:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_NW.zip

OW:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_OW.zip

SG:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_SG.zip

SH:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_SH.zip

SO:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_SO.zip

SZ:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_SZ.zip

TG:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_TG.zip

TI:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_TI.zip

UR:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_UR.zip

VD:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_VD.zip

VS:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_VS.zip

ZG:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_ZG.zip

ZH:https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/gdb/2056/GefaehrdungskarteOberflaechenabfluss_ZH.zip

Informationen zur Datenbestellung Kanton LU: https://www.geo.lu.ch/map/oberflaechenabfluss/

Weitere Daten zur Gefahrenhinweiskarte Oberflächenabfluss des BAFU sind hier herunterzuladen: http://data.geo.admin.ch/ch.bafu.gefaehrdungskarte-oberflaechenabfluss/data.zip

5.3 Identifikation von Wet-Spots (Richtlinie Kap. 5.3)

Feststellung der Betroffenheit mit GIS
Die Betroffenheit der Objekte, Anlagen und Flächen kann mit Hilfe eines GIS ermittelt werden. Das nachfolgend beschriebene Verfahren basiert auf den minimalen Standards zur kantonalen Risikoübersicht für Naturgefahren Anhang C [BAFU 2020a].

Im Wesentlichen ergibt sich die Betroffenheit aus einem Verschnitt der Gefährdungskarte Oberflächenabfluss mit Gebäuden, anderen Objekten und Anlagen oder Flächen. Das Vorgehen ist exemplarisch in nachfolgender Abbildung dargestellt.

Nachfolgend wird das Vorgehen schrittweise beschrieben. Das beschriebene Vorgehen kann auch auf andere Objekte übertragen werden.

Schritt 1: Darstellung Wasserstiefen > 0.25 m (Gefährdungskarte Oberflächenabfluss)
Um einen Verschnitt der Gebäudekulisse mit Flächen mit einer Wassertiefe grösser 0.25 m vornehmen zu können, muss das geladene Shapefile auf diese Flächen reduziert werden. Dazu wird eine Abfrage (Query Builder) verwendet. Zur Auswahl der grössten Wassertiefe (> 0.25m) wird für die Spalte «UE_Tiefe_UG» 0.25 ausgewählt. Wurde die gesamtschweizerische Gefährdungskarte geladen, kann auch der betreffende Kanton ausgewählt werden.

Schritt 2: Auswahl betroffener Gebäude
Die Auswahl betroffener Gebäude erfolgt basierend auf ihrer Lage. Es sollen alle Gebäude ausgewählt werden, die von einer Wasserfläche mit einer Wassertiefe grösser 0.25 m berührt werden. Ein unterer Schwellenwert von 0.25 m wird damit begründet, dass a) Unsicherheiten der Karte für kleinere Fliesstiefen grösser sind und b) der Fokus auf dem Flächenschutz, also der Identifikation übergeordneter «Problemstellen», liegt.
In der Gefährdungskarte sind die Gebäude ausgespart. Daher ist es sinnvoll, die Auswahl auch um einen Suchradius zu ergänzen.
Die Suche erfolgt anhand der Lage (select by location/ Select within distance) mit einem Suchradius von beispielsweise 0.5 m.

Abb. 8: Auswahl betroffener Gebäude in einem Radius von 0.5 m

Schritt 3: Export betroffener Gebäude
Für die Weiterbearbeitung können die ausgewählten betroffenen Gebäude als exportiert und ergänzend dargestellt werden.

Zur Identifikation von (Tief-) Garageneinfahrten, öffentlichen Abgängen und Unterführungen kann das digitale Geländemodell verwendet werden, auf dessen Grundlage im GIS die Steigungen/Neigungen berechnet werden können. Eine Überlagerung der Neigungen mit der Amtlichen Vermessung gibt Hinweise auf die Lage von Einfahrten, Abgängen und Unterführungen. In den nachfolgenden zwei Abbildungen sind Beispiele dargestellt, die im Feld evaluiert wurden.

5.4 Plausibilisierung der Wet-Spots (Richtlinie Kap. 5.4)

Die anhand der GIS-Analyse identifizierten Wet-Spots gilt es vor Ort zu plausibilisieren. Folgende Punkte haben sich bei der Anwendung der Methodik herausgestellt:

• Das Auffinden von genutzten Untergeschossen im Rahmen einer GIS-Analyse ist schwierig. Grundsätzlich ist davon auszugehen, dass die meisten Wohnhäuser unterkellert sind. Ob diese Keller aber zu Wohnzwecken genutzt werden, kann über die öffentlich zugänglichen Daten nicht ermittelt werden. Ein besonders hohes Risiko besteht für Untergeschosse, in denen es zu Menschenansammlungen kommt, wie beispielsweise der Versammlungsraum einer Kirchgemeinde.
• Die Methode zur Identifizierung von Garageneinfahrten mittels digitalem Geländemodell und daraus berechneter Steigung hat sich als relativ zuverlässig herausgestellt. Die Gefährdung muss jedoch im Feld konkreter abgeschätzt werden, wie nachfolgende Abbildung zeigt.

6 Detailanalyse Oberflächenabfluss

6.2 Regenereignisse und Szenarien (Richtlinie Kap. 6.2)

Untersuchungen zum Thema Oberflächenabfluss als Naturgefahr haben gezeigt, dass nicht nur kurze Starkregen mit einer hohen Intensität zu Oberflächenabfluss und Schäden führen, sondern dass auch langanhaltende Regenereignisse mit einer hohen Niederschlagssumme für die Schäden durch Oberflächenabfluss verantwortlich sind [Bernet, et al., (2018)]. Es wird empfohlen, dies in den Untersuchungen zu Berücksichtigen.
Für ausgewählte Messtellen des Bundesamts für Meteorologie und Klimatologie lassen sich Intensitätsdiagramme sowie Daten herunterladen, vergleiche Kapitel 3.5 und nachfolgende Abbildung 13.

6.3 Methodenauswahl (Richtlinie Kap. 6.3)

Die untenstehenden Informationen stammen grösstenteils aus der DWA-M 165-1 [DWA-M 165-1 05/2021] und DWA-M-119 [DWA-M 119 (2016)] sowie dem darauf aufbauenden, im Rahmen des Forschungsprojekts KLASII entwickelten Praxisleitfaden [HSB (2017)].

Nachfolgende Tabelle zeigt eine Zusammenstellung der verschiedenen methodischen Ansätze zur Analyse des Oberflächenabflusses. Die Auswahl der Methoden und gegebenenfalls die Abfolge von im Detaillierungsgrad abgestuften Arbeitsschritten hängen von Zielsetzung der Gefährdungsanalyse sowie von der Datenverfügbarkeit und den besonderen örtlichen Gegebenheiten ab.

Basierend auf der Grobanalyse ist zu entscheiden, ob und auf welche Weise eine Detailanalyse erfolgen soll.

Grundsätzlich gilt, dass für die betrachteten Gebiete und die zu lösende Aufgabenstellung eine Methodik verwendet werden sollte, die eine Massnahmenkonzeption zulässt und mit der die Randbedingungen für die Massnahmenplanung zuverlässig bestimmt werden können.

Die nachfolgenden zwei Tabellen geben eine Entscheidungshilfe auf Grundlage der Aufgabenstellung. Darüber hinaus beschreiben [Bernet, et al., (2018)] verschiedene Werkzeuge zum Oberflächenabfluss als Naturgefahr. Die nachfolgende Abbildung zeigt das Entscheidungsschema mit den einzelnen Verfahren und ordnet diese der Ereignisanalyse, der Gefahrenanalyse und der Schutzmassnahmenprüfung zu.

Hervorzuheben sind insbesondere die feinskalige Modellierung des Oberflächenabflusses, die alle Fragestellungen betrachtet, und die zur Gefahrenanalyse und Massnahmenprüfung anwendbare punktuelle Gefahrenabklärung.

Die punktuelle Gefahrenabklärung ist ein im Kanton St. Gallen angewandtes Verfahren und wird in der Wegleitung «Punktuelle Gefahrenabklärung Oberflächenwasser» eingehend beschrieben [Rüttimann & Egli, 2010].

Im Rahmen des Forschungsprojekts KLASII wurde eine Vorgehensweise zur Auswahl einer geeigneten Berechnungsmethode vorgeschlagen, vgl. nachfolgende Abbildung.

Im Praxisleitfaden nach KLAS [HSB (2017)] findet sich eine Übersicht über mögliche Berechnungsmethoden in Abhängigkeit der Abflussbildung mit Hinweisen zu den Ergebnissen und Anwendungsbereichen. Dabei wird zwischen ungekoppelten und gekoppelten Berechnungsmethoden unterschieden.

Ungekoppelte Berechnung

Gekoppelte Berechnung

6.4 Simulation (Richtlinie Kap. 6.4)

6.4.1 Validierung und Sensitivität

Eine Kalibrierung und Validierung von kleinskaligen Modellen ist in der Regel notwendig. Bezogen auf den Oberflächenabfluss fehlen allerdings meistens Angaben zu Wasserständen oder Abflüssen an der Oberfläche. Daher ist eine Kalibrierung im klassischen Sinne selten möglich. Allerdings lassen sich die Modellergebnisse mit Beobachtungsdaten wie Schadensmeldungen und beobachteten Überschwemmungsflächen anpassen und überprüfen (Bernet, et al., 2018). Wo sinnvoll, kann auch die Gefährdungskarte Oberflächenabfluss zur Validierung der Modellergebnisse herangezogen werden. Dabei sind die zugrundeliegenden Annahmen der Gefährdungskarte zu berücksichtigen.
Ferner kann anhand einer Sensitivitätsanalyse bestimmt werden, welche Parameter einen grossen Einfluss auf das Ergebnis und welche Parameter einen untergeordneten Einfluss auf das Ergebnis haben. Aus diesem Grund wird eine Sensitivitätsanalyse empfohlen.
Orientierungswerte ergeben sich etwa aus den Anwendungen im Rahmen des KLASII Projektes [HSB (2017)] oder aus [Bernet, et al., (2018)]

Im Rahmen einer Fallstudie variierten [Bernet, et al., (2018)] die minimale Fliesstiefe, ab der ein Oberflächenabfluss erfolgt, den Niederschlagsinput, das Geländemodell, die Bodenparameter und die Rauhigkeitsparameter.

Die Simulationen ergaben, dass die minimale Fliesstiefe einen grossen Einfluss auf das Ergebnis hat. Ein höher aufgelöstes Geländemodell führte bedingt zu einer besseren Abbildung der beobachteten Überflutungsflächen, erhöhte die erforderliche Berechnungszeit jedoch deutlich.

Während der Niederschlag einen deutlichen Einfluss zeigte, beeinflussten der Rauhigkeitsbeiwert und die Variation der Bodenparameter im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse das Ergebnis nur geringfügig, vergleiche nachfolgende Abbildung.

6.4.2 Abflussabschätzung in kleinen Einzugsgebieten

Die Gefährdungskarte Oberflächenabfluss liefert Hinweise, welche Gebiete in der Schweiz durch Oberflächenabfluss potenziell gefährdet sind und wie tief sie bei einem Ereignis mit einer Jährlichkeit seltener als 100 Jahre unter Wasser stehen können. Aus der Karte können nicht nur die Fliesstiefen des Oberflächenabflusses abgelesen, sondern auch Abflussmengen in [l/s] abgeschätzt werden. Die Karte zeigt die Flächen, die bei seltenen bis sehr seltenen Regenereignissen (Wiederkehrsperiode > 100 Jahre) potenziell durch Oberflächenabfluss betroffen sind [Bernet et al (2018)]. Andere Jährlichkeiten lassen sich daraus nicht ableiten. Insbesondere für die Definition von Randbedingungen zur kleiräumigen Modellierung im Rahmen der Detailanalyse werden für verschiedene Szenarien Zuflüsse in das Untersuchungsgebiet benötigt. In der Begleitdokumentation wird eine Methodik vorgestellt, mit der insbesondere in kleinen Einzugsgebieten (< 1 km2) inner- und ausserhalb von Siedlungen die Abflussmengen anhand einfacher Massenbilanzen abgeschätzt werden können. Dabei werden folgende Modellannahmen getroffen:

• Für kleine Einzugsgebiete (< 1 km2) können Abflussprozesse in Form von Massenbilanzen pauschalisiert werden.
• Aufgrund der geringen Einzugsgebietsfläche wird das gesamte Einzugsgebiet gleichmässig beregnet (Blockregen).
• Es werden Annahmen von Bodeninfiltrationskoeffizienten, den Rauigkeitsbeiwerten, der Interzeption der Vegetation und den Abflusskoeffizienten sowie den Restkapazitäten von relevanten Fliessgewässern und der Kanalisation getroffen.

Nachfolgend wird ein Modellansatz beschrieben und anhand von zwei Fallbeispielen veranschaulicht, anhand dessen die Oberflächenabflüsse für Regenereignisse bestimmter Jährlichkeit entweder an der Grenze zum Siedlungsraum oder innerhalb der Siedlung ermittelt werden. Die Randzuflüsse können als Randbedingungen für hydrodynamische 2D-Modelle verwendet werden. Ferner kann die mittlere Fliesstiefe hergeleitet und der Einfluss von Massnahmen abgeschätzt werden. Die Methode ermöglicht auch, einen unteren Grenzwert für die Intensität des Regenereignisses beim Einsetzen von Oberflächenabfluss zu ermitteln und die entsprechende Jährlichkeit abzuleiten.

Betrachtet wird ein kleines Einzugsgebiet Atot bestehend aus einem Teileinzugsgebiet mit Siedlungsfläche As, die nahezu versiegelt ist und natürlichen Teileinzugsgebieten mit Flächen Aj, vergleiche die Abb. 18. Eine Übersicht aller verwendeter Parameter und Indizes findet sich in Tab. 8 und Tab. 9.

Die mittlere Fliesstiefe h_m innerhalb des überbauten Teileinzugsgebiets A_S kann wie folgt abgeschätzt

werden:

, für A_S>0                                                     (0)

mit:

A_j sind die Teileinzugsgebiete mit den jeweiligen Abflüssen q_j in das Betrachtungsgebiet A_S über die jeweiligen Einzugsgebietsgrenzen L_j (gelbe Linien);

A_S,f ist der Anteil des Siedlungsgebiets A_S, der potenziell überflutet werden kann (bspw. Strassen, Plätze, Wege). Diese Fläche kann aus digitalen Karten oder Modellen abgeschätzt werden;

dem Oberflächenabfluss qu der das betrachtete Siedlungsgebiet A_s über die Breite des Abflusskorridors L_s,u  beim Punkt P verlässt.

i und 𝜏u sind die Dauern, für die Oberflächenzuflüsse bzw. Abflüsse in das Siedlungsgebiet ein- und austreten.

Für D_z < t_S entspricht die Dauer der Hälfte der Konzentrationszeit.

Für D_z > t_S gilt

Q_k,c entspricht dem zur Verfügung stehende Kanalnetzvolumen im Siedlungsgebiet;

M_V entspricht dem Retentionsvolumen sämtlicher Verzögerungsmassnahmen;

M_D entspricht der Abflusskapazität sämtlicher Durchleitungsmassnahmen;

Dabei wird für jedes natürliche Teileinzugsgebiet Ai anhand der bewaldeten bzw. mit Vegetation bedeckte Teilfläche A_jv der Einfluss der Interzeption berücksichtigt, also das Abfangen bzw. Zurückhalten von Niederschlägen in der Vegetation. Der so resultierende Nettoniederschlag i_n, mit Wiederkehrsperiode z des Teileinzugsgebiet j, welcher tatsächlich auf den Boden gelangt, berechnet sich wie folgt:

                                                                                                                   (1)

Um den Abfluss aus den Teileinzugsgebieten abschätzen zu können, kommen Verfahren, wie beispielsweise im Paket HAKESCH enthalten (Müller, Mod. Fliesszeitverfahren, Kölla, Clark-WSL, Taubmann), zum Einsatz. Es kann auch folgende vereinfachte Beziehung angewendet werden:,

(2a)

(2b)

Die Konzentrationszeiten t_j und t_S der Teileinzugsgebiete können beschrieben werden als

wenn t_j > D_z     (3a)

t_j < D_z      (3b)

da bei kleinen Einzugsgebieten die Konzentrationszeit für den Abfluss wahrscheinlich kleiner ist als die Dauer D_z des Ereignisses, kommt meist die Formel (3b) zum Tragen.

In Gl. (2) nehmen wir an, dass das Niederschlagsereignis so intensiv ist, dass der Abfluss im Gewässer (falls vorhanden) der maximalen Gerinnekapazität Q_G,c,j entspricht.

Bemerkung 1: die Zuflüsse q_j können als Randbedingungen für hydrodynamische 2D-Modelle verwendet werden.

Bemerkung 2: Gleichung (2) zeigt, dass es ein kritisches Niederschlagsereignis gibt, bei welchem die Infiltrationskapazität der Böden überschritten wird, und Oberflächenabfluss einsetzt. Daraus lässt sich anschliessend die Jährlichkeit z für das Eintreten von Oberflächenabfluss vom natürlichen Einzugsgebiet ableiten:

.                                                                                                                            (4)

Bemerkung 3: Bei Regenereignissen, welche die Infiltrationskapazität der Böden nicht überschreiten, kann es im Siedlungsgebiet in Folge kanalinduzierter Überflutungen dennoch zu Oberflächenabfluss kommen. Dann berechnet sich die mittlere Wassertiefe, die durch Verzögerungsmassnahmen, d. h. Reduktion des Abflussbeiwertes c_s, reduziert werden kann, wie folgt:

,                                                                                                     (5)

Die Umstellung der Gl. (5) ermöglicht die Abschätzung des kritischen Abflusskoeffizienten, ab welchem bei gegebenem Niederschlag (mit Intensität i_z und Dauer D_z) Oberflächenabfluss auftritt

.                                                                                                                  (6)

Die Berechnung der kritischen Regenmenge ist ebenfalls möglich, muss aber numerisch erfolgen, da sich auch deren Dauer ändern kann.

Beispiel 1: Kleines Einzugsgebiet in Olsberg (AG)

Die Methodik wurde für ein kleines Einzugsgebiet in Olsberg (AG), das eine Gesamtfläche von 0.17 km² aufweist, getestet (Abbildung 18), um:

• die verteilten Flüsse, q1, q2, q3, die in das Siedlungsgebiet eintreten, zu bestimmen und
• den mittleren Wasserstand hm zu ermitteln.

Annahmen:

• Intensives Starkregenereignis der Intensität i15 = 0,52 l/min*m2 und Dauer D15 = 60 Minuten
• Die Wasserdurchlässigkeit ist für alle Teileinzugsgebiete stark gehemmt und das Wasserspeichervermögen ist gering.
• Der Strickler-Koeffizienten für die natürliche Überdeckung können mit 20 m1/3/s angenommen werden, da der Oberflächenabfluss eine Tiefe hat, die mit der Höhe der Vegetation (d.h. Gras) vergleichbar ist.
• Die Abflusskapazität des Hauptgewässers wird mit 250 l/s angenommen.

Die relevanten geometrischen Grössen wurden mit der Webgis Applikation ermittelt. Mithilfe der Gleichung (3) wurden die Konzentrationszeiten und dann die Abflüsse zu

q₁ = 0.25 l/sm,

q₂ = 10.2 l/sm,

q₃ = 0.2 l/sm

berechnet. Daraus resultiert eine Wassertiefe von 2 cm bzw. wenigen mm. Dieses Bild lässt sich bereits gut mit der Gefährdungskarte Oberflächenabfluss vergleichen, bei der die lateralen Flüsse fast null zu sein scheinen.

Bezieht man das besiedelte Einzugsgebiet mit ein, dann kann man den maximalen mittleren Wasserstand berechnen, der innerhalb des Siedlungsgebiets auf einer Fläche erwartet wird, die der Überflutungsfläche gemäss Gefährdungskarte Oberflächenabfluss entspricht. Das am roten Punkt geschlossene Siedlungsgebiet hat eine Gesamtfläche von 35’000 m². Das aus der Gefährdungskarte Oberflächenabfluss hervorgehende überflutete Gebiet hat eine ungefähre Fläche von 9’000 m² (Abb. 20).

Unter Anwendung von Gleichung (1) kann die mittlere Wassertiefe mit 11 cm abgeschätzt werden. Die Kanalisierung durch die Topografie des Terrains und Oberflächenstrukturen wurde hier nicht berücksichtigt, wie dies bei der Gefährdungskarte Oberflächenabfluss geschehen ist.

Beispiel 2: Kleines Einzugsgebiet im Quartier Lingeriz, Stadt Grenchen

Das kleine Einzugsgebiet in Lingeriz hat eine Gesamtfläche von 28’100 m².

Ziele:

• Bestimmung der Zuflüsse q1, q2, q3 zum Siedlungsgebiet und
• Abschätzung des mittleren Wasserstandes im Siedlungsgebiet auf der in der Gefährdungskarte dargestellten Fläche.

Annahmen:

• Intensives Starkregenereignis der Intensität i5 = 0,053 l/min*m² und Dauer D5 = 1’110 Minuten.
• Die Wasserdurchlässigkeit ist nicht definiert, wird aber im Oberlauf des Einzugsgebietes, in dem das Wasserspeichervermögen mässig ist, schwach gehemmt. Die Werte wurden auch für das betrachtete Gebiet angewendet. Daraus ergibt sich ein Niederschlags-Abfluss-Koeffizient von 0.44.
• Der Strickler-Koeffizient für die natürliche Überdeckung kann zu 20 m^1/3_/s angenommen werden, da der Oberflächenabfluss eine Tiefe hat, die mit der Höhe der Vegetation (d.h. des Grases) vergleichbar ist.
• Es gibt kein Fliessgewässer, welches die Teileinzugsgebiete entwässert.

Aus der Webgis-Karte werden die relevanten geometrischen Grössen abgeleitet. Mit Gleichung (3) werden die Konzentrationszeiten und die Flüsse zu

q₁ = 0 l/s m,

q₂ = 11 l/s m,

q₃ = 0 l/s m

berechnet, welche in einer Wassertiefe von 3 cm resultieren. Der Zufluss q₂ entspricht einer maximalen Durchflussmenge, die in das Siedlungsgebiet eintritt, Q₂=q₂ x 1 m (die Breite der Zugangstreppe, an der tatsächlich Oberflächenabfluss beobachtet wurde). Der tatsächlich beobachtete Zufluss entsprach etwa 12 l/s m.

Wenn man das kleine Siedlungseinzugsgebiet einbezieht (Abb. 22), kann man den maximalen mittleren Wasserstand, der innerhalb dieses überbautet Gebiets erwartet wird, über eine Fläche berechnen, die der in der Gefährdungskarte Oberflächenabfluss berechneten entspricht. Das am roten Punkt angeschlossene Siedlungsgebiet, wie in Abbildung 19 dargestellt, hat eine Gesamtfläche von 4’500 m². Die Ausdehnung der überfluteten Fläche, wie sie in der Gefährdungskarte Oberflächenabfluss dargestellt ist, hat eine Fläche von etwa 1’100 m² (siehe Abb. 22). Durch Anwendung von Gleichung (1) können wir die mittlere Wassertiefe zu 13 cm abschätzen.

Es ist festzustellen, dass, wenn man die Kanalisationskapazität von Q_K,c = 165 l/s einbezieht, die Wassertiefe gemäss Modellberechnung null sein würde, wie es während des realen Ereignisses geschah. Denn es wurde beobachtet, dass das Wasser über eine Zugangstreppe in das Siedlungsgebiet eintrat und dann vollständig von der Kanalisation aufgenommen wurde.

6.5 Intensitätskarten (Richtlinie Kap. 6.5)

Das Geoinformationsgesetz (GeoIG) und seine Ausführungsverordnungen verpflichten das BAFU, «minimale Geodatenmodelle» für seine Geobasisdaten des Bundesrechts zu definieren. Die Geodatenmodelle werden in enger Zusammenarbeit mit den Kantonen definiert.
Gemäss dem Datenmodell Gefahrenkartierung [BAFU (2021)] wird beim Prozess «Überschwemmung» empfohlen, die Intensität in einer verfeinerten Abstufung anzugeben (s. Tab. 4).

Da beim Oberflächenabfluss oft auch noch kleinere Überschwemmungstiefen auftreten, wurde zusätzlich die Tiefe h 0.1 eingeführt. Das BAFU schlägt deshalb vor, dass für den Oberflächenabfluss folgende Kennwerte (Intensitätsstufen) für den Oberflächenabfluss gewählt werden:

Mit dieser Einteilung kann der Oberflächenabfluss genügen detailliert beschrieben werden und die Einteilung entspricht den Empfehlungen des Bundes.

7 Massnahmen

7.1 Integrale Massnahmenkonzeption (Richtlinie Kap. 7.1)

Mögliche Massnahmen zum Umgang mit Starkregen und zur Regenwasserbewirtschaftung enthält der Leitfaden Regenwasser im Siedlungsraum (Bundesamt für Umwelt, 2022).

7.2 Massnahmentypen

Beispiele zu Massnahmen finden sich hier:

• Infoplattform Schwammstadt – Für ein klimaangepasstes Wassermanagement im Siedlungsgebiet (sponge-city.info)
• Naturgefahrensicher bauen mit dem Naturgefahren-Check – Informationsplattform Gebäudeschutz vor Naturgefahren (schutz-vor-naturgefahren.ch)
• Oberflächenabfluss: Nationale Plattform Naturgefahren PLANAT

8 Risikokommunikation

8.3 Kommunikationskanäle und Arbeitshilfen (Richtlinie Kap. 8.3)

Qualitative Risikobeurteilung
Das Risiko ist ein Mass für die Grösse einer Gefährdung und beinhaltet die Häufigkeit bzw. Wahr-scheinlichkeit und das Schadensausmass eines unerwünschten Ereignisses. Im Risiko ist die Unsicherheit enthalten, dass ein bestimmtes Ereignis eintritt und welches Schadensausmass das Ereignis aufweisen wird. Das Risiko beschreibt damit einen erwarteten Schaden, der mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit oder Häufigkeit eintritt. Im mathematischen Sinne entspricht es einem Schaden-erwartungswert. (Glossar der Risikobegriffe, BABS)
Eine qualitative Beurteilung des Risikos berücksichtigt nicht den zu erwartenden monetären Schaden, sondern das Schadenspotenzial. Es wird unter Berücksichtigung des Schadenpotenzials bzw. der definierten Schutzgutklassen und der Intensität bzw. der Betroffenheit je Jährlichkeit ermittelt.
Vereinfachend kann das Risiko in Klassen unterteilt und in einer aggregierten Karte je Objekt die maximale Risikoklasse dargestellt werden, die der Risikokommunikation dient.

Die Abb. 23 zeigt ein Beispiel zur Ermittlung des qualitativen Risikos. Im Beispiel wurden je Ereignis der Betroffenheit bzw. der Intensität ein Wert zwischen 1 und 100 zugewiesen. Dasselbe erfolgte für das Schadenspotenzial, welches sich aus den Schutzgutklassen ergibt. Der Schadenerwartungswert wurde als Produkt aus Betroffenheitswert und Schadenspotenzialwert geteilt durch die Ereignishäufigkeit ermittelt.

Das Produkt aus Betroffenheitswert und Schadenspotenzialwert entspricht dem potenziellen Schadensausmass.

Für ein z30 ergibt sich beispielsweise ein Tabellenwert von 333 (gerundet) bei einem sehr hohen Schadenspotenzial und einer starken Intensität/Betroffenheit. Die Tabellenwerte wurden entsprechend der definierten Grenzen einer Risikoklasse zugeordnet und entsprechend eingefärbt. Dieselbe Farbgebung kann auf Grundlage der Intensitätskarten je Ereignis (z30, z100, z300) auf die Objekte/Flächen/Anlagen übertragen werden. Auf diese Weise können die notwendigen Massnahmen priorisiert werden.  In einer aggregierten Risikokarte kann je Objekt auch die grösste Risikoklasse dargestellt werden.