In diesem Beitrag wird das am Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung eV. (IÖR) entwickelte Informations- und Entscheidungsunterstützungssystem „Weißeritz-Info“ vorgestellt, das der Aufbereitung und Bereitstellung von Informationen zum Hochwasserrisikomanagement für das Einzugsgebiet der Weißeritz dient. Zielgruppen sind sowohl Bürger und Landnutzer als auch Entscheidungsträger in Kommunen, Behörden und Verbänden. Erstellt wurde das WebGIS-basierte System für die Initiative „Weißeritz-Regio“, einem Verbund von 26 Institutionen, die seit Ende 2003 auf informeller Basis zusammenarbeiten, um die Hochwasservorsorge im Flussgebiet zu verbessern.

Der Werkstatttag für Bestandserhaltung fand am 20. September 2012 in Tharandt statt, am Standort Forstwissenschaften der TU Dresden und der SLUB, der 2002 von den Regenfluten aus dem Erzgebirge besonders stark betroffen war. Zur Fortbildung „Kultureinrichtungen nach der Jahrhundertflut im Jahr 2002 – Rückblicke und Schlussfolgerungen“ kamen 45 Teilnehmer aus Sachsen, Berlin und Brandenburg, darunter Vertreter aus damals betroffenen Einrichtungen und den seither gegründeten Notfallverbünden, aber auch aus der vom Neiße-Hochwasser 2010 heimgesuchten Lausitz mit großen Schäden in Zittau, in Görlitz und im Kloster St. Marienthal.

Aus den Mängeln bisher verwendeter Modelle zur Abbildung des Wellenablaufes zu Prognosezwecken im Hochwasserfall wird in dieser Arbeit eine Methodik entwickelt, die die Schnelligkeit und Robustheit künstlicher neuronaler Netze mit der Zuverlässigkeit hydrodynamisch-numerischer Modellierung verbindet. Ein eindimensionales hydrodynamisches Modell beinhaltet die genaue Kenntnis der Geometrie des Flußlaufes und der Vorländer und berücksichtigt die physikalischen Prozesse des Wellenablaufes. Mit diesem deterministischen Modell ist eine Grundlage für umfangreiche Szenarienrechnungen zur Erstellung einer Datenbasis geschaffen, die die weite Spanne theoretisch möglicher Hochwasserereignisse abdeckt. Mit dieser Datenbasis können dann künstliche neuronale Netze trainiert werden, die auch im Bereich extremer Hochwasserereignisse zuverlässige Prognosen liefern. In dieser Arbeit werden mit Multilayer-Feedforward-Netzen und selbstorganisierenden Merkmalskarten zwei Netztypen als Vertreter überwacht und unüberwacht lernender neuronaler Netze auf ihre diesbezügliche Eignung untersucht und beurteilt. Desweiteren wurde die Methodik auf die Einbeziehung von Merkmalen für die Niederschlags-Abfluß-Prozesse im unbeobachteten Zwischengebiet zur Berücksichtigung lateraler Zuflüsse entlang der modellierten Fließstrecken erweitert. Die Datenbasis wurde hierfür mit einem Niederschlags-Abfluß-Modell erstellt. Ein Hauptschwerpunkt liegt in der Überführung der Eingangsdaten in charakteristische Merkmale zur Abbildung der Zielgrößen, in diesem Falle des Durchflusses und Wasserstandes am Zielpegel. So dienen die deterministischen Modelle nicht nur zur Erstellung einer verläßlichen Datenbasis für das Training der Netze, sondern ermöglichen – sowohl für die Niederschlags-Abfluß-Prozesse, als auch für die hydrodynamischen Prozesse – Analysen betreffs der Sensitivität der Modellergebnisse infolge von Änderungen der Inputdaten. Mit Hilfe dieser Analysen werden wichtige Informationen zur Findung der relevanten Merkmale erlangt. Ein Schlüssel für die erfolgreiche Eingliederung der Niederschlags-Abfluß-Prozesse in das Prognosenetz ist die Einführung eines einzigen Zustandsmerkmals, welches die gesamte meteorologische Vorgeschichte des Ereignisses zur Charakterisierung des Gebietszustandes vereinigt. Die entwickelte Methodik wurde anhand des Einzugsgebietes der Freiberger Mulde erfolgreich getestet.

Der Hochwasserschutz stellt für die gegenwärtige Gesellschaft eine Thematik von zunehmender Aktualität dar, besonders unter Berücksichtigung der Verschärfung der extremen meteorologischen Ereignisse infolge des Klimawandels einerseits und der Vergrößerung des Schadenpotenzials in den Auengebieten andererseits. Zu den möglichen Schutzmaßnahmen im Flussmittellauf zählt die in ökologischer Hinsicht sehr effektive Deichrückverlegung (DRV). Um ihre Wirksamkeit bei der Dämpfung der Hochwasserspitzen zu untersuchen, wird eine Parameterstudie mit einem eindimensionalen hydronumerischen Modell (MIKE11) durchgeführt. Dabei wird besonderes Augenmerk auf die Hüllkurve der sich einstellenden Wassertiefe gerichtet, sowohl oberhalb als auch innerhalb bzw. unterhalb des DRV-Abschnitts. Zunächst wird der Effekt einer Flussaufweitung bei stationärer Strömung theoretisch analysiert. Ausgehend von den Strömungseigenschaften und vom Breitenverhältnis wird eine Bestimmungsgleichung für die effektive Mindestlänge LAeff einer Aufweitung abgeleitet, ab der eine Wasserspiegelabsenkung stromauf hervorgerufen wird. Die darauffolgenden Untersuchungen beschreiben die Auswirkungen einer solchen Maßnahme bei instationärem Abfluss auf zwei ausgewählte synthetische Hochwasserwellen unter jeweils vier verschiedenen Ansätzen zur Erfassung einer Aufweitung. Die Beiträge zur Retention vom Hauptgerinne und von der Querschnittsvergrößerung werden getrennt berücksichtigt. Darüber hinaus werden Überlegungen über das Verhalten von Hochwasserwellen mit gleichem Abflussscheitel aber unterschiedlicher Fülle beim Durchlaufen der Flussaufweitung angestellt. Der Gültigkeitsbereich des stationären Ansatzes für die eindimensionale numerische Simulation einer DRV wird mithilfe eines Kriteriums definiert, das auf einer für die Abminderung des Wassertiefenscheitels im Hauptgerinne semi-empirisch abgeleiteten Formel und auf einer Abschätzung der Retention in der DRV basiert. Die Anwendung des o. g. Kriteriums auf die betrachteten Hochwasserereignisse zeigt, dass eine stationäre Betrachtungsweise lediglich für extrem flache Hochwasserwellen (ab einer Anstiegszeit von einigen Tagen) gerechtfertigt ist. Durch die Ergebnisauswertung von 960 Kombinationen der geometrischen bzw. hydrodynamischen Parameter bei einer DRV im Hochwasserfall konnte der Zusammenhang zwischen den einzelnen Kenngrößen (Länge und Breite der DRV, Rauheit im Hauptgerinne bzw. im Vorland, Hochwasserganglinie) und der Auswirkung der DRV auf Wasserstand und Durchfluss hergestellt werden. Während oberhalb einer DRV mit einer Länge größer LAeff immer mit einer Wasserspiegelabsenkung zu rechnen ist, profitieren die Unterlieger von dieser Schutzmaßnahme nur bei kleineren Hochwasserereignissen oder bei Deichrückverlegungen mit erheblicher Ausdehnung. Dank einer gezielten Auswahl der Ausgangsgeometrie lassen sich die numerischen Ergebnisse auch auf den Elbabschnitt bei Dresden als Anhaltswerte übertragen. / Flood protection is a topic of increasing urgency in today’s society considering two main factors. Firstly, the growth in damage potential on the riparian zones and secondly, the increase in extreme meteorological events due to climate change. Among the possible flood protection measures for a river’s middle reach, dike relocation (DRV) is especially effective from an ecological point of view. To investigate its effectiveness in flood peak attenuation, a parametric study is performed using a one-dimensional hydro-numerical model (MIKE11). Special attention is given to the envelope of the resulting water depths upstream, downstream and within the DRV stretch. Initially, the effects of river enlargement under steady flow conditions are analysed theoretically. Key hydraulic parameters and the width ratio are used in deriving an equation to determine the minimum effective length LAeff of an enlargement that will reduce the upstream water depth. An investigation of an enlargement in unsteady flow conditions is then made, focussing on two specific synthetic flood waves with four different models for the enlargement. The contributions to discharge retention from the main channel and the cross section expansion are successfully separately examinated. Considerations are then made for the behaviour of flood waves passing the river enlargement with the same peak discharge but different volumes. A criterion for the validity range of the steady flow approach of the one-dimensional, numerical simulation of a DRV is then defined. This is based on a semi-empirically derived formula for water level attenuation in the main channel, and an estimate of discharge retention in the DRV. The application of this criterion to the observed flood events shows that the steady flow assumption is only valid for extremely flat flood waves (with time to peak of a few days or more). An analysis of the results from 960 combinations of geometric and hydraulic parameters for the DRV during a flood event is then made. This allowed to derive the relation between individual characteristics (length and width of the DRV, roughness in the main channel and flood plain, flood hydrograph) and the effect of the DRV on water level and discharge. Whilst one can always expect a decrease in the water level upstream of a DRV with length greater than LAeff , the riverside dwellings downstream would only benefit in small scale flood events or with a dike relocation of extensive dimensions. Thanks to the purposefully selected initial geometry, the numerical results can now provide reference values for Dresden’s reach of the river Elbe. / La difesa dalle piene rappresenta per la società odierna una tematica di crescente attualità se si considera in particolare da una parte la crescita del potenziale di danno nelle zone di pertinenza fluviale e dall’altra l’acuirsi di eventi meteorologici estremi dovuto al cambiamento climatico in atto. Tra i possibili interventi di protezione dalle piene nei fiumi di pianura si colloca l’espansione golenale, misura che risulta oltretutto assai efficace dal punto di vista ecologico. Al fine di indagarne anche l’efficacia nei confronti della laminazione del colmo di piena si effettua uno studio parametrico con un programma di modellazione idrodinamica monodimensionale (MIKE11), ponendo particolare attenzione all’inviluppo dei tiranti nel tratto dell’espansione, nonché nei tratti confinanti rispettivamente a monte e a valle della stessa. Dapprima si analizza dal punto di vista teorico l’effetto di un allargamento fluviale in moto stazionario. A partire dalle condizioni idrauliche della corrente e dal rapporto di restringimento si ricava una formula per la lunghezza minima efficace LAeff dell’allargamento, a partire dalla quale si genera un abbassamento del pelo libero nel tratto di monte. Nella successiva analisi di un allargamento in moto vario se ne studia l’effetto su due onde di piena sintetiche e per quattro differenti schematizzazioni dell’allargamento, considerando separatamente i contributi alla laminazione dovuti all’alveo principale e all’allargamento della sezione. Ciò consente tra l’altro di trarre conclusioni sul comportamento di onde di piena aventi la stessa portata al colmo ma differente volume al passare per l’allargamento. Per mezzo di un criterio basato su una formula semiempirica della riduzione del tirante al colmo per l’alveo principale e su una stima della laminazione all’interno dell’espansione golenale, sviluppate nell’ambito di questo lavoro, é possibile definire il campo di validità dell’approccio stazionario alla simulazione monodimensionale di un’espansione golenale. L’applicazione di tale criterio agli eventi di piena presi in considerazione rivela che l’approccio stazionario si giustifica solo per onde di piena estremamente piatte (tempo di crescita a partire da alcuni giorni). Attraverso l’analisi dei risultati di 960 combinazioni dei parametri geometrico-idraulici di un’espansione golenale al passaggio di un’onda di piena si è potuto ricavare il rapporto tra le singole grandezze significative (lunghezza e larghezza dell’espansione golenale, scabrezza dell’alveo e della golena, idrogramma dell’onda di piena) e l’effetto dell’espansione sui tiranti e sulle portate. Se a monte di un’espansione golenale di lunghezza superiore a LAeff si presenta sempre una abbassamento del pelo libero, a valle della stessa si può trarre profitto da un simile intervento solo nel caso di onde di piena modeste o per espansioni golenali di dimensioni notevoli. Una scelta mirata della geometria iniziale consente di estendere i risultati numerici, quali valori indicativi, al tratto del fiume Elba all’altezza di Dresda.

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Die bisherigen Untersuchungen zu den Folgen extremer Hochwasserereignisse beschäftigten sich überwiegend mit den durch hohe Wasserstände und Fließgeschwindigkeiten verursachten direkten und tangiblen Schäden an Gebäuden und Infrastrukturen. Den durch schadstoffhaltiges Hochwasser hervorgerufenen direkten und indirekten sowie in der Regel intangiblen Konsequenzen für Mensch und Umwelt ist - insbesondere im Hinblick auf deren räumliche Verteilung - im Rahmen des Hochwasserrisikomanagements nur geringe Aufmerksamkeit gewidmet worden. Während Hochwasserereignissen können toxische Stoffe - wie beispielsweise Arsen, Blei, Cadmium oder Quecksilber sowie persistente organische Kontaminanten wie DDT oder HCH - aus belasteten Gewässer- und Ufersedimenten sowie Altstandorten und Altablagerungen freigesetzt werden. Diese Stoffe werden von der Hochwasserwelle aufgenommen, zum überwiegenden Teil partikulär gebunden transportiert und bei nachlassender Fließgeschwindigkeit und ablaufendem Hochwasser als Sedimente in den Überflutungsbereichen deponiert. In Abhängigkeit von der Nutzung der überschwemmten Gebiete sind nach einem Hochwasser unterschiedliche Rezeptoren den abgelagerten Sedimenten und darin enthaltenen Schadstoffen in der Regel langfristig ausgesetzt. Mögliche Rezeptoren sind zum Beispiel Menschen, Nutz- und Wildtiere, Futter- und Nahrungspflanzen sowie Böden mit ihren spezifischen Bodenfunktionen. Kern dieser Arbeit ist die Entwicklung einer räumlich differenzierten Methodik zur integrierten Analyse und Bewertung von stofflichen Hochwasserrisiken. Um deren Anwendbarkeit zu überprüfen, wird die entwickelte Methodik im Rahmen einer Fallstudie an Überflutungsbereichen entlang des Unterlaufes der Vereinigten Mulde zwischen Bitterfeld und Priorau erprobt, wobei der Fokus auf dem Rezeptor Mensch liegt. Die Methodik basiert auf der Integration von Verfahren der Hochwasserrisikoanalyse und der Schadstoffrisikoanalyse. Diese werden unter Verwendung eines angepassten Source-Pathway-Receptor-Consequence-Konzeptes kombiniert. Die Methodik besteht aus drei größeren Hauptelementen: (1.) der Gefahrenanalyse, (2.) der Expositionsanalyse und (3.) der Schadstoffrisikocharakterisierung und -bewertung. Die Gefahrenanalyse beschreibt die Freisetzung, den Transport und die Ablagerung der Stoffe in Abhängigkeit von der Hochwassercharakteristik, den Substanzeigenschaften sowie den Verteilungsprozessen nach der Ablagerung, beispielsweise dem Transfer vom Boden in die Pflanze. Ergebnisse der Gefahrenanalyse sind Karten der Schadstoffquellen in Form räumlich verteilter Stoffkonzentrationen in Umweltmedien wie Böden und Pflanzen. Die Expositionsanalyse stellt die Verbindung zwischen den Schadstoffquellen und den Rezeptoren her. Bindeglied sind Expositionspfade, beispielsweise die orale Aufnahme von kontaminiertem Boden oder der Verzehr von Pflanzen, die auf belasteten Böden angebaut werden. Teil der Expositionsanalyse ist eine so genannte Rezeptoranalyse, die - aus Landnutzungstypen abgeleitet - Vorkommen bestimmter Rezeptoren identifiziert und diese charakterisiert. Dabei bezieht die Rezeptoranalyse sowohl die räumliche Verteilung der Rezeptoren als auch deren Eigenschaften ein. Für den Rezeptor Mensch sind dies etwa physiologische Parameter wie Körpergewicht oder Atemrate sowie verhaltensbezogene Parameter wie Zeit-Aktivitätsbudgets oder Nahrungsaufnahmeraten. Daran anschließend wird mit der Expositionsanalyse im engeren Sinne die Exposition der Rezeptoren gegenüber bestimmten Stoffen quantifiziert, indem Transfer- und Aufnahmeraten von Expositionsmedien wie Boden, Nahrung oder Luft ermittelt und mit den darin enthaltenen Stoffkonzentrationen in Beziehung gesetzt werden. Ergebnis der Expositionsanalyse sind räumlich explizite Darstellungen der inneren Exposition, d.h. täglich aufgenommener resorbierter Schadstoffmengen. Darauf folgend werden im Zuge der Risikocharakterisierung die Effekte der Exposition mit Hilfe von Dosis-Wirkungsbeziehungen analysiert, die dann in Form von toxikologisch begründeten Referenzwerten als Basis für die finale stoffbezogene Risikobewertung dienen. Diese erfolgt durch Vergleich der inneren Exposition mit toxikologischen Referenzwerten in Form von tolerablen Aufnahmeraten. Die gesundheitlichen Risiken werden durch den Quotienten aus resorbierter Dosis und tolerabler Dosis beschrieben und als stoff- und pfadspezifischer Risikoindex flächenhaft dargestellt. Abschließend erfolgt eine Bewertung der Risiken mittels einer die Unsicherheiten der Referenzwerte berücksichtigenden Bewertungsfunktion. Die Methodik ist in Form eines GIS-basierten Rechenmodells umgesetzt und im Rahmen einer Fallstudie an der Vereinigten Mulde für verschiedene hydraulische Szenarien im Sinne simulierter Abflüsse verschiedener Jährlichkeiten - 100, 200 und 500 Jahre - erprobt worden. Als ausgewählte Ergebnisse liegen räumlich differenzierte Risikobewertungen für die Stoffe Arsen, Cadmium, Quecksilber und Blei unterschieden nach den Expositionsmedien Boden/Hausstaub, Luft sowie pflanzliche Nahrung vor. Exemplarisch seien hier ausgewählte Bewertungsergebnisse in Form des sogenannten Gefahrenwertes für ein HQ500-Szenario dargestellt: Durch die orale Aufnahme von Arsen über Boden/Hausstaub wird für den Rezeptor Kleinkinder räumlich begrenzt die Risikoschwelle überschritten, wobei die Handlungsschwelle nicht erreicht wird. Die Ergebnisse für Cadmium, Quecksilber und Blei liegen deutlich unter der Risikoschwelle. Ein ähnliches Bild zeigt sich für die Aufnahme über die Luft. Hier wird bei lebenslanger Exposition für Arsen die Risikoschwelle überschritten, für die anderen Stoffe werden Gefahrenwerte weit unter der Risikoschwelle ermittelt. Bezogen auf den Verzehr von Nahrungspflanzen aus Eigenanbau zeigen sich bei lebenslanger Exposition für Cadmium großräumig erhebliche Überschreitungen des Handlungsschwellenwertes. Für die anderen Stoffe finden sich nahezu flächendeckend Überschreitungen des Risikoschwellenwertes, die aber nicht an die Maßnahmenschwelle heranreichen. / Research on the consequences of flood events has so far focused on direct tangible damages to buildings and infrastructure caused by high water levels and flow velocities. In the context of flood risk management only little interest has been paid to direct and indirect as well as dominantly intangible consequences caused by flood pollutants to human and ecological receptors - especially taking their spatial distribution into account. During floods toxic substances such as trace elements (e.g. Arsenium, Cadmium, Mercury, Lead, Zinc) and persistent organic pollutants (e.g. HCHs, DDX) can be released from contaminated river bank sediments or former industrial sites. These substances are taken up by the flood water, get transported - mainly bound to fine particles - and get deposited as sediments in the floodplain in case of decreasing flow velocities. Depending on the land use in the floodplain, different receptors can be exposed to the sediments with the associated contaminants. Potential receptors are humans, livestock, wild animals, food and fodder plants as well as soils with their specific soil functions. The core of this thesis is the development of a spatially explicit methodology which enables the integrated analysis and evaluation of substance-based flood risks. To test the applicability, the developed methodology is applied within a case study dealing with floodplains along the lower reaches of the Vereinigte Mulde River situated between Bitterfeld and Priorau (Saxony-Anhalt, Germany). In this case study, the focus is on the receptor man or, more specifically, human health. The methodology is based on an integration of procedures from the fields of flood risk analysis and contaminant risk analysis. These procedures are integrated using an adopted Source-Pathway-Receptor-Consequence concept. The three main elements of the methodology are hazard analysis, exposure analysis and contaminant risk determination and evaluation. At first, the hazard analysis describes the release, transport and deposition of substances based on flood characteristics and substance properties as well as fate and transfer processes after sedimentation (e.g. soil-to-plant transfer). Results of the hazard analysis are maps of spatially distributed substance concentrations in environmental media such as soils and plants, i.e. the (secondary) contaminant sources. Within the exposure analysis the linkages between the contaminant sources and the receptors are described. Connecting elements are exposure pathways such as the ingestion of contaminated soil or the consumption of food produced on such soils. Part of the exposure analysis is a so-called receptor analysis which indicates and characterises potential human receptors that are derived from land-use types. The receptor analysis takes the receptors\' spatial distribution as well as certain properties into account. Taking the receptor human, these properties are physiological parameters such as body weight or respiration rate and behavioural parameters, e.g. activity budgets or food consumption patterns. Subsequently, with the exposure analysis in a narrower sense, the exposure of the receptors to a certain substance is quantified by calculating transfer and intake rates of exposure media such as soil, food or air taking into account the corresponding substance concentrations in these media. Results of the exposure analysis are spatially explicit representations of absorbed contaminant amounts for a certain receptor, i.e. daily resorbed exposure doses. In the course of the contaminant risk determination, the effects (consequences) of the receptors\' exposure are analysed by dose-response relationships, setting the basis for the final substance-based risk assessment in terms of toxicologically derived reference values. Health risks are expressed as ratio between calculated resorbed dose and tolerable resorbed dose and are presented as maps of substance- and pathway-specific risk indices. In a final step, an evaluation is carried out based on a method that takes the uncertainty of the toxicological reference values into account. The methodology has been implemented in a GIS-based calculation model and was applied within a case study to simulate floods with certain return periods (100, 200, and 500 years). Selected results are spatially differentiated risk evaluations for the substances arsenic, cadmium, mercury and lead distinguished based on the exposure media soil/house dust, air and home-grown vegetable food. Taking the 500-year flood-scenario and the risk evaluation value as an example, the following results have been derived: the oral intake of arsenic via soil/house dust leads to a spatially restricted exceedance of the risk level of the receptor infant, whereas the action level is not reached. The results of cadmium, mercury and lead are clearly below the risk level. A similiar pattern shows for the pulmonary intake via air. Based on lifetime exposure, the risk level for arsenic is exceeded, for all other substances the values are far below the risk level. Considering the intake of cadmium via consumption of home-grown vegetables, the action level is notably exceeded in large areas. The other substances show a nearly general exceedance of the risk level without reaching the action level.

Die bisherigen Untersuchungen zu den Folgen extremer Hochwasserereignisse beschäftigten sich überwiegend mit den durch hohe Wasserstände und Fließgeschwindigkeiten verursachten direkten und tangiblen Schäden an Gebäuden und Infrastrukturen. Den durch schadstoffhaltiges Hochwasser hervorgerufenen direkten und indirekten sowie in der Regel intangiblen Konsequenzen für Mensch und Umwelt ist - insbesondere im Hinblick auf deren räumliche Verteilung - im Rahmen des Hochwasserrisikomanagements nur geringe Aufmerksamkeit gewidmet worden. Während Hochwasserereignissen können toxische Stoffe - wie beispielsweise Arsen, Blei, Cadmium oder Quecksilber sowie persistente organische Kontaminanten wie DDT oder HCH - aus belasteten Gewässer- und Ufersedimenten sowie Altstandorten und Altablagerungen freigesetzt werden. Diese Stoffe werden von der Hochwasserwelle aufgenommen, zum überwiegenden Teil partikulär gebunden transportiert und bei nachlassender Fließgeschwindigkeit und ablaufendem Hochwasser als Sedimente in den Überflutungsbereichen deponiert. In Abhängigkeit von der Nutzung der überschwemmten Gebiete sind nach einem Hochwasser unterschiedliche Rezeptoren den abgelagerten Sedimenten und darin enthaltenen Schadstoffen in der Regel langfristig ausgesetzt. Mögliche Rezeptoren sind zum Beispiel Menschen, Nutz- und Wildtiere, Futter- und Nahrungspflanzen sowie Böden mit ihren spezifischen Bodenfunktionen. Kern dieser Arbeit ist die Entwicklung einer räumlich differenzierten Methodik zur integrierten Analyse und Bewertung von stofflichen Hochwasserrisiken. Um deren Anwendbarkeit zu überprüfen, wird die entwickelte Methodik im Rahmen einer Fallstudie an Überflutungsbereichen entlang des Unterlaufes der Vereinigten Mulde zwischen Bitterfeld und Priorau erprobt, wobei der Fokus auf dem Rezeptor Mensch liegt. Die Methodik basiert auf der Integration von Verfahren der Hochwasserrisikoanalyse und der Schadstoffrisikoanalyse. Diese werden unter Verwendung eines angepassten Source-Pathway-Receptor-Consequence-Konzeptes kombiniert. Die Methodik besteht aus drei größeren Hauptelementen: (1.) der Gefahrenanalyse, (2.) der Expositionsanalyse und (3.) der Schadstoffrisikocharakterisierung und -bewertung. Die Gefahrenanalyse beschreibt die Freisetzung, den Transport und die Ablagerung der Stoffe in Abhängigkeit von der Hochwassercharakteristik, den Substanzeigenschaften sowie den Verteilungsprozessen nach der Ablagerung, beispielsweise dem Transfer vom Boden in die Pflanze. Ergebnisse der Gefahrenanalyse sind Karten der Schadstoffquellen in Form räumlich verteilter Stoffkonzentrationen in Umweltmedien wie Böden und Pflanzen. Die Expositionsanalyse stellt die Verbindung zwischen den Schadstoffquellen und den Rezeptoren her. Bindeglied sind Expositionspfade, beispielsweise die orale Aufnahme von kontaminiertem Boden oder der Verzehr von Pflanzen, die auf belasteten Böden angebaut werden. Teil der Expositionsanalyse ist eine so genannte Rezeptoranalyse, die - aus Landnutzungstypen abgeleitet - Vorkommen bestimmter Rezeptoren identifiziert und diese charakterisiert. Dabei bezieht die Rezeptoranalyse sowohl die räumliche Verteilung der Rezeptoren als auch deren Eigenschaften ein. Für den Rezeptor Mensch sind dies etwa physiologische Parameter wie Körpergewicht oder Atemrate sowie verhaltensbezogene Parameter wie Zeit-Aktivitätsbudgets oder Nahrungsaufnahmeraten. Daran anschließend wird mit der Expositionsanalyse im engeren Sinne die Exposition der Rezeptoren gegenüber bestimmten Stoffen quantifiziert, indem Transfer- und Aufnahmeraten von Expositionsmedien wie Boden, Nahrung oder Luft ermittelt und mit den darin enthaltenen Stoffkonzentrationen in Beziehung gesetzt werden. Ergebnis der Expositionsanalyse sind räumlich explizite Darstellungen der inneren Exposition, d.h. täglich aufgenommener resorbierter Schadstoffmengen. Darauf folgend werden im Zuge der Risikocharakterisierung die Effekte der Exposition mit Hilfe von Dosis-Wirkungsbeziehungen analysiert, die dann in Form von toxikologisch begründeten Referenzwerten als Basis für die finale stoffbezogene Risikobewertung dienen. Diese erfolgt durch Vergleich der inneren Exposition mit toxikologischen Referenzwerten in Form von tolerablen Aufnahmeraten. Die gesundheitlichen Risiken werden durch den Quotienten aus resorbierter Dosis und tolerabler Dosis beschrieben und als stoff- und pfadspezifischer Risikoindex flächenhaft dargestellt. Abschließend erfolgt eine Bewertung der Risiken mittels einer die Unsicherheiten der Referenzwerte berücksichtigenden Bewertungsfunktion. Die Methodik ist in Form eines GIS-basierten Rechenmodells umgesetzt und im Rahmen einer Fallstudie an der Vereinigten Mulde für verschiedene hydraulische Szenarien im Sinne simulierter Abflüsse verschiedener Jährlichkeiten - 100, 200 und 500 Jahre - erprobt worden. Als ausgewählte Ergebnisse liegen räumlich differenzierte Risikobewertungen für die Stoffe Arsen, Cadmium, Quecksilber und Blei unterschieden nach den Expositionsmedien Boden/Hausstaub, Luft sowie pflanzliche Nahrung vor. Exemplarisch seien hier ausgewählte Bewertungsergebnisse in Form des sogenannten Gefahrenwertes für ein HQ500-Szenario dargestellt: Durch die orale Aufnahme von Arsen über Boden/Hausstaub wird für den Rezeptor Kleinkinder räumlich begrenzt die Risikoschwelle überschritten, wobei die Handlungsschwelle nicht erreicht wird. Die Ergebnisse für Cadmium, Quecksilber und Blei liegen deutlich unter der Risikoschwelle. Ein ähnliches Bild zeigt sich für die Aufnahme über die Luft. Hier wird bei lebenslanger Exposition für Arsen die Risikoschwelle überschritten, für die anderen Stoffe werden Gefahrenwerte weit unter der Risikoschwelle ermittelt. Bezogen auf den Verzehr von Nahrungspflanzen aus Eigenanbau zeigen sich bei lebenslanger Exposition für Cadmium großräumig erhebliche Überschreitungen des Handlungsschwellenwertes. Für die anderen Stoffe finden sich nahezu flächendeckend Überschreitungen des Risikoschwellenwertes, die aber nicht an die Maßnahmenschwelle heranreichen.:1 Zielstellung und Einführung 1.1 Zielstellung 1.2 Problemaufriss 1.3 Stand der Forschung 1.4 Kapitelübersicht 2 Grundlagen und Rahmenkonzepte zu Risiken 2.1 Grundbegriffe 2.2 Risikobegriffe und -konzepte 2.2.1 Risikodefinitionen 2.2.2 Analyse und Bewertung von Risiken 2.2.3 SPRC-Konzept 2.2.4 Zyklus-Konzepte des Risikomanagements 2.3 Hochwasserrisiken 2.3.1 Hochwasserrisikomanagement 2.3.2 Hochwassergefahrenanalyse 2.3.3 Vulnerabilitätsanalyse 2.3.4 Hochwasserrisikoermittlung 2.4 Schadstoffrisiken 2.4.1 Gefahrenidentifikation 2.4.2 Dosis-Wirkungsanalyse 2.4.3 Expositionsanalyse 2.4.4 Risikocharakterisierung 2.5 Risikobewertung 2.5.1 Allgemeine Grundlagen 2.5.2 Bewertung von Hochwasserrisiken 2.5.3 Bewertung von Schadstoffrisiken 2.5.4 Vergleichende Risikobewertung 2.6 Risikosteuerung 2.6.1 Maßnahmen 2.6.2 Rechtliche Instrumente 3 Konzeption der Methodik 3.1 Gesamtkonzept einer integrierten Analyse- und Bewertungsmethodik 3.2 Gefahrenanalyse 3.3 Expositionsanalyse mit Rezeptoranalyse 3.4 Risikocharakterisierung 3.5 Risikobewertung 3.6 Unsicherheitsanalyse 3.7 Gesamtablauf der Methodik 4 Erprobung und Implementierung der Methodik 4.1 Fallstudie Vereinigte Mulde bei Bitterfeld 4.1.1 Beschreibung des Untersuchungsgebietes 4.1.2 Szenarioansatz und Szenarien 4.2 Gefahrenanalyse 4.3 Rezeptoranalyse 4.4 Expositionsanalyse 4.4.1 GIS-Implementierung 4.4.2 Expositionsmodellierung 4.4.3 Expositionsmedien Sediment, Boden, Hausstaub 4.4.4 Expositionsmedium Luft 4.4.5 Expositionsmedium pflanzliche Nahrung 4.5 Risikocharakterisierung 4.6 Risikobewertung 4.7 Unsicherheitsanalyse 5 Empirische Ergebnisse 5.1 Gefahrenanalyse 5.1.1 Bodenkonzentrationen Basisszenario 5.1.2 Bodenkonzentrationen Hochwasserszenarien 5.2 Rezeptoranalyse 5.3 Expositionsanalyse und Risikocharakterisierung 5.4 Risikobewertung 5.4.1 Expositionsmedien Boden und Hausstaub 5.4.2 Expositionsmedium Luft 5.4.3 Expositionsmedium pflanzliche Nahrung 5.5 Unsicherheitsanalyse 5.5.1 Expositionsmedium Boden/Hausstaub 6 Diskussion und Ausblick 6.1 Methodik 6.2 Empirische Ergebnisse 6.3 Ausblick Literaturverzeichnis Abkürzungs- und Akronymverzeichnis Anhang / Research on the consequences of flood events has so far focused on direct tangible damages to buildings and infrastructure caused by high water levels and flow velocities. In the context of flood risk management only little interest has been paid to direct and indirect as well as dominantly intangible consequences caused by flood pollutants to human and ecological receptors - especially taking their spatial distribution into account. During floods toxic substances such as trace elements (e.g. Arsenium, Cadmium, Mercury, Lead, Zinc) and persistent organic pollutants (e.g. HCHs, DDX) can be released from contaminated river bank sediments or former industrial sites. These substances are taken up by the flood water, get transported - mainly bound to fine particles - and get deposited as sediments in the floodplain in case of decreasing flow velocities. Depending on the land use in the floodplain, different receptors can be exposed to the sediments with the associated contaminants. Potential receptors are humans, livestock, wild animals, food and fodder plants as well as soils with their specific soil functions. The core of this thesis is the development of a spatially explicit methodology which enables the integrated analysis and evaluation of substance-based flood risks. To test the applicability, the developed methodology is applied within a case study dealing with floodplains along the lower reaches of the Vereinigte Mulde River situated between Bitterfeld and Priorau (Saxony-Anhalt, Germany). In this case study, the focus is on the receptor man or, more specifically, human health. The methodology is based on an integration of procedures from the fields of flood risk analysis and contaminant risk analysis. These procedures are integrated using an adopted Source-Pathway-Receptor-Consequence concept. The three main elements of the methodology are hazard analysis, exposure analysis and contaminant risk determination and evaluation. At first, the hazard analysis describes the release, transport and deposition of substances based on flood characteristics and substance properties as well as fate and transfer processes after sedimentation (e.g. soil-to-plant transfer). Results of the hazard analysis are maps of spatially distributed substance concentrations in environmental media such as soils and plants, i.e. the (secondary) contaminant sources. Within the exposure analysis the linkages between the contaminant sources and the receptors are described. Connecting elements are exposure pathways such as the ingestion of contaminated soil or the consumption of food produced on such soils. Part of the exposure analysis is a so-called receptor analysis which indicates and characterises potential human receptors that are derived from land-use types. The receptor analysis takes the receptors\' spatial distribution as well as certain properties into account. Taking the receptor human, these properties are physiological parameters such as body weight or respiration rate and behavioural parameters, e.g. activity budgets or food consumption patterns. Subsequently, with the exposure analysis in a narrower sense, the exposure of the receptors to a certain substance is quantified by calculating transfer and intake rates of exposure media such as soil, food or air taking into account the corresponding substance concentrations in these media. Results of the exposure analysis are spatially explicit representations of absorbed contaminant amounts for a certain receptor, i.e. daily resorbed exposure doses. In the course of the contaminant risk determination, the effects (consequences) of the receptors\' exposure are analysed by dose-response relationships, setting the basis for the final substance-based risk assessment in terms of toxicologically derived reference values. Health risks are expressed as ratio between calculated resorbed dose and tolerable resorbed dose and are presented as maps of substance- and pathway-specific risk indices. In a final step, an evaluation is carried out based on a method that takes the uncertainty of the toxicological reference values into account. The methodology has been implemented in a GIS-based calculation model and was applied within a case study to simulate floods with certain return periods (100, 200, and 500 years). Selected results are spatially differentiated risk evaluations for the substances arsenic, cadmium, mercury and lead distinguished based on the exposure media soil/house dust, air and home-grown vegetable food. Taking the 500-year flood-scenario and the risk evaluation value as an example, the following results have been derived: the oral intake of arsenic via soil/house dust leads to a spatially restricted exceedance of the risk level of the receptor infant, whereas the action level is not reached. The results of cadmium, mercury and lead are clearly below the risk level. A similiar pattern shows for the pulmonary intake via air. Based on lifetime exposure, the risk level for arsenic is exceeded, for all other substances the values are far below the risk level. Considering the intake of cadmium via consumption of home-grown vegetables, the action level is notably exceeded in large areas. The other substances show a nearly general exceedance of the risk level without reaching the action level.:1 Zielstellung und Einführung 1.1 Zielstellung 1.2 Problemaufriss 1.3 Stand der Forschung 1.4 Kapitelübersicht 2 Grundlagen und Rahmenkonzepte zu Risiken 2.1 Grundbegriffe 2.2 Risikobegriffe und -konzepte 2.2.1 Risikodefinitionen 2.2.2 Analyse und Bewertung von Risiken 2.2.3 SPRC-Konzept 2.2.4 Zyklus-Konzepte des Risikomanagements 2.3 Hochwasserrisiken 2.3.1 Hochwasserrisikomanagement 2.3.2 Hochwassergefahrenanalyse 2.3.3 Vulnerabilitätsanalyse 2.3.4 Hochwasserrisikoermittlung 2.4 Schadstoffrisiken 2.4.1 Gefahrenidentifikation 2.4.2 Dosis-Wirkungsanalyse 2.4.3 Expositionsanalyse 2.4.4 Risikocharakterisierung 2.5 Risikobewertung 2.5.1 Allgemeine Grundlagen 2.5.2 Bewertung von Hochwasserrisiken 2.5.3 Bewertung von Schadstoffrisiken 2.5.4 Vergleichende Risikobewertung 2.6 Risikosteuerung 2.6.1 Maßnahmen 2.6.2 Rechtliche Instrumente 3 Konzeption der Methodik 3.1 Gesamtkonzept einer integrierten Analyse- und Bewertungsmethodik 3.2 Gefahrenanalyse 3.3 Expositionsanalyse mit Rezeptoranalyse 3.4 Risikocharakterisierung 3.5 Risikobewertung 3.6 Unsicherheitsanalyse 3.7 Gesamtablauf der Methodik 4 Erprobung und Implementierung der Methodik 4.1 Fallstudie Vereinigte Mulde bei Bitterfeld 4.1.1 Beschreibung des Untersuchungsgebietes 4.1.2 Szenarioansatz und Szenarien 4.2 Gefahrenanalyse 4.3 Rezeptoranalyse 4.4 Expositionsanalyse 4.4.1 GIS-Implementierung 4.4.2 Expositionsmodellierung 4.4.3 Expositionsmedien Sediment, Boden, Hausstaub 4.4.4 Expositionsmedium Luft 4.4.5 Expositionsmedium pflanzliche Nahrung 4.5 Risikocharakterisierung 4.6 Risikobewertung 4.7 Unsicherheitsanalyse 5 Empirische Ergebnisse 5.1 Gefahrenanalyse 5.1.1 Bodenkonzentrationen Basisszenario 5.1.2 Bodenkonzentrationen Hochwasserszenarien 5.2 Rezeptoranalyse 5.3 Expositionsanalyse und Risikocharakterisierung 5.4 Risikobewertung 5.4.1 Expositionsmedien Boden und Hausstaub 5.4.2 Expositionsmedium Luft 5.4.3 Expositionsmedium pflanzliche Nahrung 5.5 Unsicherheitsanalyse 5.5.1 Expositionsmedium Boden/Hausstaub 6 Diskussion und Ausblick 6.1 Methodik 6.2 Empirische Ergebnisse 6.3 Ausblick Literaturverzeichnis Abkürzungs- und Akronymverzeichnis Anhang

Um historische Durchflussangaben an Flüssen, die in die Hochwasserstatistik eingehen, überprüfen und bewerten zu können, werden 1-D- und 2-D-Wasserspiegellagenberechnungen unter Verwendung historischer morphologischer Daten durchgeführt. Die Methodik sowie ihre Möglichkeiten und Grenzen werden am Beispiel der Elbe im Stadtgebiet von Dresden erläutert.Es wird deutlich, dass die notwendigen Korrekturen auch Auswirkungen auf die Hochwasserstatistik und damit auf die Schutzgrade haben.

Full protection from forces of nature can not be achieved. A residual risk will always remain. Compromises must be found between the expectations and demands on flood protection on the one hand and the technical, economical and ecological possibilities on the other. The calls for full flood protection by victims of the Weißeritz flood in 2002 and by some politicians can not be satisfied. However, the valid design criterias concerning the upgrading of the Weißeritz regarding flood protection do not meet the requirements. A more sophisticated approach by the Saxonian Dam Authority and the City of Dresden led to much greater design discharge values. Therefore the Institute for Hydraulic Engineering and Applied Hydromechanics of TU Dresden developed physical and numerical models which will function as assisting tools during the decision process for the planned flood measures. / Der Schutz vor Naturgewalten ist kein vollständiger Schutz, ein Restrisiko bleibt immer. Hier sind Kompromisse erforderlich, Kompromisse zwischen den Erwartungen und Forderungen an den Hochwasserschutz und den technischen, ökonomischen und ökologischen Möglichkeiten. Die Forderungen vom Hochwasser betroffener Bürger sowie einiger Dresdner Politiker, sich vollständig vor Hochwasser an der Weißeritz zu schützen, sind nicht realisierbar. Andererseits sind Bemessungsgrößen nach derzeit geltenden Regeln für den Ausbau der Weißeritz nicht zeitgemäß. Eine differenziertere Betrachtungsweise für Dresden führte in den Verhandlungen zwischen der sächsischen Landestalsperrenverwaltung und der Stadt zu einem weit höheren Bemessungsabfluss. Die Hochwassermodelle am Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik der TU Dresden haben diesen Prozess unterstützt.

Aus den Mängeln bisher verwendeter Modelle zur Abbildung des Wellenablaufes zu Prognosezwecken im Hochwasserfall wird in dieser Arbeit eine Methodik entwickelt, die die Schnelligkeit und Robustheit künstlicher neuronaler Netze mit der Zuverlässigkeit hydrodynamisch-numerischer Modellierung verbindet. Ein eindimensionales hydrodynamisches Modell beinhaltet die genaue Kenntnis der Geometrie des Flußlaufes und der Vorländer und berücksichtigt die physikalischen Prozesse des Wellenablaufes. Mit diesem deterministischen Modell ist eine Grundlage für umfangreiche Szenarienrechnungen zur Erstellung einer Datenbasis geschaffen, die die weite Spanne theoretisch möglicher Hochwasserereignisse abdeckt. Mit dieser Datenbasis können dann künstliche neuronale Netze trainiert werden, die auch im Bereich extremer Hochwasserereignisse zuverlässige Prognosen liefern. In dieser Arbeit werden mit Multilayer-Feedforward-Netzen und selbstorganisierenden Merkmalskarten zwei Netztypen als Vertreter überwacht und unüberwacht lernender neuronaler Netze auf ihre diesbezügliche Eignung untersucht und beurteilt. Desweiteren wurde die Methodik auf die Einbeziehung von Merkmalen für die Niederschlags-Abfluß-Prozesse im unbeobachteten Zwischengebiet zur Berücksichtigung lateraler Zuflüsse entlang der modellierten Fließstrecken erweitert. Die Datenbasis wurde hierfür mit einem Niederschlags-Abfluß-Modell erstellt. Ein Hauptschwerpunkt liegt in der Überführung der Eingangsdaten in charakteristische Merkmale zur Abbildung der Zielgrößen, in diesem Falle des Durchflusses und Wasserstandes am Zielpegel. So dienen die deterministischen Modelle nicht nur zur Erstellung einer verläßlichen Datenbasis für das Training der Netze, sondern ermöglichen – sowohl für die Niederschlags-Abfluß-Prozesse, als auch für die hydrodynamischen Prozesse – Analysen betreffs der Sensitivität der Modellergebnisse infolge von Änderungen der Inputdaten. Mit Hilfe dieser Analysen werden wichtige Informationen zur Findung der relevanten Merkmale erlangt. Ein Schlüssel für die erfolgreiche Eingliederung der Niederschlags-Abfluß-Prozesse in das Prognosenetz ist die Einführung eines einzigen Zustandsmerkmals, welches die gesamte meteorologische Vorgeschichte des Ereignisses zur Charakterisierung des Gebietszustandes vereinigt. Die entwickelte Methodik wurde anhand des Einzugsgebietes der Freiberger Mulde erfolgreich getestet.