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Hochwasser in der Wüste? Hochwassermodellierung am Beispiel der Großstadt Hafar Al Batin in Saudi Arabien

Ralph Heinrich1, Heiko Sieker2, Stefan Walter3, Halim Maamari2, Stefano Gilli2, Mariusz Merta2 und Lutz Vogel1 1UBB Dr. Klaus Möller GmbH Berlin · r.heinrich@u-bb.de 2Ingenieurgesllschaft Prof. Dr. Sieker mbH Hoppegarten 3Merkel Ingenieur Consult Potsdam

Short paper

1 Einleitung

Hafar Al Batin liegt in der Ostprovinz Saudi-Arabiens, ca. 70 km südlich der Grenze nach Kuwait und Irak und ca. 200 km im Landesinneren. Die Stadt hat rund 400.000 Einwohner und erstreckt sich im und entlang des Wadi al Batin. Dieses Wadi ist das größte der arabi-schen Halbinsel und entwässert ein Gebiet von rund 60.000 km2, was der 1,5 fachen Fläche der Schweiz entspricht. Zudem münden in Hafar al Batin zwei Nebenwadis ein.

Hochwasserabflüsse der Wadis treten unregelmäßig aber immer wiederkehrend auf und führen dann zu Überschwemmungen in der Stadt, wobei schwere Schäden entstehen. Zwar gibt es stellenweise eine Regenwasserkanalisation und Eindeichungen, diese sind aber lü-ckenhaft und den Wassermassen nicht gewachsen. Das Hochwasser vom November 2013 hat auch in Hafar Schäden an Straßen und Gebäuden verursacht. Bekannter wurde das No-vemberhochwasser aber durch die Überschwemmungen in Riad und in der Stadt Hail.

Zwar sind Hochwässer ein landesweites Phänomen, bei denen es auch zu zahlreichen To-desfällen gekommen ist (besonders dramatisch in JEDDAH 2009; HAGMANN 2012), eine durchgängige Planung basierend auf einer Hochwassermodellierung ist aber bisher nirgends im Land erfolgt. Wie eigene Begehungen in Hafar al Batin zeigten, wurden stattdessen eilige Einzelmaßnahmen ergriffen, die unvollständig und zum Teil kontraproduktiv sind.

Seitens der Provinzregierung wurde im April 2014 eine Hochwassermanagement-Planung beauftragt. Ziel ist es, basierend auf der Modellierung von Hochwasserabflüssen, ein Ge-samtkonzept zum Hochwasserschutz der Stadt zu entwickeln und die entsprechenden Bau-maßnahmen durchgängig zu planen und umzusetzen, um Hochwasserereignisse weitgehend schadlos durch die Stadt zu leiten. Zielgröße ist, wie auch in Mitteleuropa, ein Nieder-schlagsereignis mit einer 100-jährigen Wiederkehrwahrscheinlichkeit. Beauftragt wurde eine Arbeitsgruppe aus drei Berliner Ingenieurbüros unter Leitung einer Saudischen Firma.

2 Das Einzugsgebiet

Das Wadi al Batin entwässerte in prähistorischen Zeiten ein Gebiet von 174.400 km2 (Rhein ohne Maas: 185.300 km2). Der Dünengürtel des Nafud Thuwayrat schneidet heute

AGIT ‒ Journal für Angewandte Geoinformatik, 1-2015, S. 234-239. © Wichmann Verlag, VDE VERLAG GMBH · Berlin · Offenbach. ISBN 978-3-87907-557-7, ISSN 2364-9283, eISSN 2509-713X, doi:10.14627/537557033. Dieser Beitrag ist ein Open-Access-Beitrag, der unter den Bedingungen und unter den Auflagen der Creative Commons Attribution Lizenz verbreitet wird (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/).

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aber einen Großteil des Oberlaufes ab. Dieser umfasst allein 112.000 km2, sodass das ver-bleibende Gebiet deutlich kleiner ist. Für die Situation in Hafar ist zudem entscheidend, dass ca. 65 km oberhalb der Stadt in den letzten Jahren ein 12 m hoher Staudamm errichtet worden ist, der das Wadi absperrt. Somit reduziert sich das Einzugsgebiet oberhalb Stadt auf ca. 2.800 km2 (Luxemburg: 2.600 km2). Das Gelände im Einzugsgebiet ist sehr flach. Nebenwadis sind im Gelände kaum wahrnehmbar. Einzig das Wadi Al Batin ist deutlich als Einschnitt bzw. Senke zu erkennen.

Die in Hafar al Batin einmündenden Neben-Wadis, North-Fleij und South-Fleij, sind deut-lich kleiner und in o.g. Einzugsgebiet einberechnet. Entscheidend ist aber, dass sich bei Starkregenereignissen die Abflüsse aller drei Zuflüsse im Stadtgebiet aufsummieren. Hinzu kommt das Stadtgebiet selbst, das großflächig versiegelt ist, keine Einrichtungen zum Re-genwasserrückhalt aufweist, bei einem Boden, der kaum Versickerung ermöglicht.

3 Datengrundlage

Basis für die Modellierung der zu erwartenden Spitzenabflüsse bilden einerseits die raum-bezogenen Daten zur Topografie, Bodenkunde, Geologie sowie Landnutzung und anderer-seits die meteorologische Daten wie Niederschlagsmenge und -intensität, Verdunstung und Temperatur.

3.1 Geländedaten

Für das gesamte Einzugsgebiet wurde ein DGM in 10 m Auflösung von der KACST (King Abdulaziz City for Science and Technology in Riad) zur Verfügung gestellt. Auf dieser Basis konnte das Einzugsgebiet hinreichend genau modelliert werden. Für die Modellierung des Stadtgebietes ist diese Auflösung nicht ausreichend. Mit dem Ziel ein 1-Meter-Raster der Stadt zu erhalten wurden daher zwei Wege verfolgt. Zum einen wurde eine terrestrische Vermessung der Gebiete von hydraulischem Interesse (Gewässerbett, Erdwälle, Niederun-gen, usw.) durchgeführt. Zum anderen wurden LiDAR-Daten des Stadtgebietes und der Umgebung erhoben, wofür Befliegungen durchgeführt wurden. Diese Daten weisen eine Dichte von ca. 4,3 Punkten je m² auf. Damit lassen sich auch städtische Einzugsgebiete hinreichend genau modellieren, um die innerstädtische Regenentwässerung zu planen.

3.2 Bodendaten

Daten zur Bodenklassifikation liegen seitens der FAO (2007) vor, weisen aber eine geringe räumliche Auflösung auf. Die Bodendaten sind vor allem bezüglich der Infiltrationsleistung für Regenwasser interessant. Hierzu wurden rund 40 Infiltrationstests im Einzugsgebiet durchgeführt und mit weiteren vorliegenden Daten aus dem Stadtgebiet sowie vorhandenen Baugrunduntersuchungen verglichen. Zum einen ist das Einzugsgebiet relativ homogen, sodass die Probenanzahl ausreicht, zum anderen decken sich die Ergebnisse im Wesentli-chen mit den Bodendaten der FAO-Karte.

3.3 Landnutzung

Die Landnutzung bzw. Bodenbedeckung wurde anhand von Landsat-Daten und hochauflö-senden Orthofotos klassifiziert. Letztere wurden von der KACST zur Verfügung gestellt.

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Im Ergebnis und für diesen Zweck ausreichend sind vier Nutzungsklassen herausgearbeitet worden: Rohboden, Dünen, Landwirtschaftsflächen und Siedlungsgebiet.

3.4 Vorhandenes Entwässerungssystem

Das vorhandene Entwässerungssystem in der Stadt Hafar Al Batin wurde durchgehend terrestrisch vermessen, einschließlich Fließprofil, Gefälle und vorhandenen Durchlässen. Die Daten wurden über die AutoCAD-Erweiterung GIPS in das Kanalnetzmodell Extran eingegeben, sodass z. B. die Abflusskapazität jeder Haltung bestimmt werden konnte.

3.5 Niederschlagsdaten

Niederschlagsdaten werden am nahe bei Hafar liegenden Flughafen erhoben und zur Ver-fügung gestellt, allerdings als Tagessummen und nur seit 2008. Um für das Gesamtgebiet eine Abschätzung zu erhalten, wurde deshalb auf Niederschlagsdaten aus dem TRMM-Programm (Tropical Rainfall Measuring Mission der NASA) zurückgegriffen. Die Daten liegen in einem 0.25°-Raster vor. Der Vergleich einzelner Regenereignisse zeigt, dass die TRMM-Daten mit den Messwerten im Wesentlichen übereinstimmen.

Bezüglich der Niederschlagsdaten sind vor allem die Spitzenabflüsse und deren Eintritts-wahrscheinlichkeit von Bedeutung. Entsprechende IDF-Kurven (IDF: Intensity-Duration-Frequency) für Hafar Al Batin liegen vor (ELSEBAIE 2012). Daran lassen sich die Nieder-schlagsintensitäten verschiedener Dauer und Häufigkeit ablesen.

4 Methodik der Hochwassermodellierung

Bezogen auf die Modellierung der zu erwartenden Hochwässer in der Stadt sind zwei Her-kunftsarten zu unterscheiden: Zum einen das von außen über das Wadi al Batin sowie die Nebenwadis eingetragene externe Hochwasser, zum anderen das sich bei Extremnieder-schlägen im Stadtgebiet selber bildende Hochwasser. Letzteres entwickelt sich, da keine funktionierende Kanalisation oder Rückhalteeinrichtungen vorliegen, ein sehr hoher Ver-siegelungsgrad besteht und der Boden kaum Wasser aufnimmt.

Auf Basis des Digitalen Geländemodells wurden Teileinzugsgebiete und das Abflussnetz berechnet. Mittels der zum Softwarepaket NASIM gehörenden ArcGIS-Extension wurde mit diesen Daten sowie der Landnutzung die Zeitflächenfunktion berechnet. Damit wird der zeitliche Ablauf des Durchflusses von Niederschlagswasser am Auslauf der Teileinzugsge-biete abgebildet.

Die weitere hydrologische Modellierung des Einzugsgebietes erfolgte mit der Software STORM, einer deterministischen Modellierungssoftware für städtische und ländliche Ein-zugsgebiete (IPS o. J.). In die Modellierung fließen GIS-Daten ein (Teileinzugsgebiete, Landnutzung und Bodentypen). Verschiedene Bodenparameter (Kf-Werte, Feldkapazität, permanenter Welkepunkt, effektive Feldkapazität, Anfangsversickerung) werden den Bo-dentypen zugeordnet. Die Landnutzung ist von Interesse bezüglich der Rauigkeit, der Inter-zeptionsspeicherung, der prozentualen Anteile undurchlässiger Flächen und der Wurzeltie-fe. Weiterhin werden die IDF-Kurven und Gewässerquerschnitte für die Berechnung benö-

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tigt. Im Ergebnis liefert das Modell STORM Abflussganglinien der Zuflüsse des Wadi Al Batin und der Nebenwadis sowie des Gesamtabflusses unterhalb der Stadt (Abb. 1).

Abb. 1: Abflussganglinien für die Zuflüsse zum Stadtgebiet und den Gesamtabfluss

Die Kapazität des vorhandenen Kanalnetzes, dessen Daten über die AutoCAD-Erweiterung GIPS eingegeben wurden, kann mittels der Software HYSTEM-EXTRAN simuliert wer-den. Die Simulation von Oberflächenabflüssen im Stadtgebiet erfolgt mittels der Software FloodArea, einem in ArcGIS integriertem 2D-hydronumerischen Modell zur Berechnung von Überschwemmungsflächen (GEOMER 2014). Damit lassen sich die überschwemmungs-gefährdeten Flächen und der Ablauf von Hochwasserereignissen überzeugend darstellen (Abb. 3).

Abb. 2: Verknüpfung der Modelle

5 Ergebnisse der Modellierung

Das Gefälle des Wadis ist sehr gering und beträgt im Stadtgebiet nur 1 0/00. Dementspre-chend werden große Abflussquerschnitte benötigt, um Hochwasserabflüsse durchzuleiten.

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Bei einem extremen Niederschlagsereignis mit hundertjährlicher Wiederkehrwahrschein-lichkeit muss mit einer Niederschlagsmenge von 80 Liter pro m² im Einzugsgebiet gerech-net werden. Die Maximalabflüsse betragen im Wadi Al Batin im Zulauf zur Stadt Hafar dann kurzzeitig bis zu 160 m³/s, die der Nebenwadis zusammen bis zu 100 m³/s.

Im Wadi Al Batin wird ein Rückhaltevolumen von 15 Mio. m³ benötigt, um die Stadt auch bei 100-jährlichen Niederschlägen vor Überschwemmung zu schützen. Dabei ist eine Durchflusskapazität des städtischen Kanalsystems von 10 m³/s erforderlich. Derzeit beträgt die Kapazität deutlich weniger als 1 m³/s.

Die notwendigen Abflussquerschnitte nur zur Durchleitung des Niederschlagswassers aus dem Wadi al Batin liegen in einer Größenordnung von bis zu 25 m² (z. B. ein offener Kanal mit Rechteckprofil mit 2,5 m Tiefe und 10 m Breite).

Allein durch den Niederschlag im Stadtgebiet selbst, also ohne Zuflüsse von außen, werden bei hundertjährlichen Ereignissen weite Bereiche der Innenstadt überschwemmt.

Abb. 3: Simulation der Überschwemmung des Stadtgebietes ohne Schutzmaßnahmen bei einem 100-jährlichen Hochwasser

6 Entwickelte Maßnahmen zum Hochwasserschutz

Grundsätzlich werden die Maßnahmen so geplant, dass sie möglichst wartungsarm sind und ohne aktive Steuerung auskommen. Oberhalb der Stadt Hafar werden zwei Rückhaltebe-cken mit einem Volumen von zusammen 15 Mio. m3 geplant. Die erforderlichen Dammhö-hen betragen bis zu 5 m. Die Gesamtfläche beläuft sich auf rund 600 ha. Da durch die Dämme das Regenwasser in kleineren Orten zurückgestaut wird, sind für diese kleinere Rückhaltebecken mit Pumpenentleerung vorgesehen.

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Die nordwestlichen Nebenwadis werden um die Stadt herumgeleitet, wofür ca. 10 km Grä-ben und Deiche erforderlich sind. Das von Süden einmündende Wadi wird ein tieferes und verbreitertes Bett erhalten, sodass es nicht mehr zu Überläufen in die Stadt hinein kommt.

Das innerstädtische Kanalsystem wird ganz erheblich vergrößert, sodass sowohl der ge-drosselte Abfluss aus dem Rückhaltebecken oberhalb der Stadt als auch das innerstädtisch anfallende Regenwasser abgeführt werden können.

Da sich unterhalb der Stadt im Wadi nach Regenereignissen ein See bildet und das Talge-fälle sehr gering ist, besteht die Gefahr des Rückstaus in die Stadt. Hierzu wird der Auslauf dieses Sees weiter entlang des Wadis auf einer Strecke von ca. 8 km vertieft.

7 Ausblick

Das Thema Hochwasser hat in Saudi-Arabien durch mehrere katastrophale Ereignisse an Aktualität gewonnen. Es bestehen nunmehr die Bereitschaft und der öffentliche Druck, sich dem Hochwasserschutz fachlich fundiert zuzuwenden und geeignete Schutzmaßnahmen für die Bevölkerung aufzubauen. Dies betrifft nicht nur Hafar Al Batin, sondern zahlreiche auch größere Städte im Land.

Trotz der z. T. unzureichenden Datenlage vor Ort ist es gelungen fachlich fundierte Hoch-wassersimulationen durchzuführen und darauf aufbauend ein Maßnahmenpaket zu entwi-ckeln und zu planen. Die Umsetzung der Baumaßnahmen scheint finanziell gesichert. Es ist davon auszugehen, dass entsprechende Maßnahmenplanungen flächendeckend im Land umgesetzt werden sollen. Das vorgestellte Projekt hat dabei Pilot-Charakter.

Literatur

ELSEBAIE, I. H. (2012), Developing rainfall intensity – duration – frequency relationship for two regions in Saudi Arabia. Journal of King Saud University – Engineering Sciences, 7/2012, 24 (2), 131-140.

FAO – FOOD AND AGRICULTURE ORGANIZATION OF THE UNITED NATIONS (2007), Digital Soil Map of the World. Stand 28.02.2007. www.fao.org/geonetwork/srv/en/metadata.show?id=14116 (01.04.2015)

GEOMER GMBH, INGENIEURGEMEINSCHAFT RUIZ RODRIGUEZ + ZEISLER +BLANK GBR (2011), FloodArea and FloodAreaHPC, ArcGIS-extension for calculating flooded areas, User Manual. Version 10.0, July 2011, Heidelberg, 1-49. www.geomer.de/fileadmin/templates/main/res/downloads/floodarea10_manual_englisch.pdf (01.04.2015).

HAGMANN, J. (2012), Regen von oben, Protest von unten – Eine Analyse gesellschaftlicher Mobilisierung infolge der Flutkatastrophe in Jidda, Saudi-Arabien, anhand von Presse, Petitionen & Facebook, Working Paper 4. Arbeitsstelle Politik des Vorderen Orients der Freien Universität, Berlin.

IPS – INGENIEURGESELLSCHAFT PROF. DR. SIEKER MBH (O. J), STORM.XXL. www.sieker.de/modules/wfsection/article.php?articleid=21 (01.04.2015).