The term global climate change is omnipresent since the beginning of the last decade. Changes in the global climate are associated with an increase in heavy rainfalls that can cause nearly unpredictable flash floods. Consequently, spatio-temporally high-resolution monitoring of rivers becomes increasingly important. Water gauging stations continuously and precisely measure water levels. However, they are rather expensive in purchase and maintenance and are preferably installed at water bodies relevant for water management. Small-scale catchments remain often ungauged. In order to increase the data density of hydrometric monitoring networks and thus to improve the prediction quality of flood events, new, flexible and cost-effective water level measurement technologies are required. They should be oriented towards the accuracy requirements of conventional measurement systems and facilitate the observation of water levels at virtually any time, even at the smallest rivers. A possible solution is the development of a photogrammetric smartphone application (app) for crowdsourcing water levels, which merely requires voluntary users to take pictures of a river section to determine the water level. Today’s smartphones integrate high-resolution cameras, a variety of sensors, powerful processors, and mass storage. However, they are designed for the mass market and use low-cost hardware that cannot comply with the quality of geodetic measurement technology. In order to investigate the potential for mobile measurement applications, research was conducted on the smartphone as a photogrammetric measurement instrument as part of the doctoral project. The studies deal with the geometric stability of smartphone cameras regarding device-internal temperature changes and with the accuracy potential of rotation parameters measured with smartphone sensors. The results show a high, temperature-related variability of the interior orientation parameters, which is why the calibration of the camera should be carried out during the immediate measurement. The results of the sensor investigations show considerable inaccuracies when measuring rotation parameters, especially the compass angle (errors up to 90° were observed). The same applies to position parameters measured by global navigation satellite system (GNSS) receivers built into smartphones. According to the literature, positional accuracies of about 5 m are possible in best conditions. Otherwise, errors of several 10 m are to be expected. As a result, direct georeferencing of image measurements using current smartphone technology should be discouraged. In consideration of the results, the water gauging app Open Water Levels (OWL) was developed, whose methodological development and implementation constituted the core of the thesis project. OWL enables the flexible measurement of water levels via crowdsourcing without requiring additional equipment or being limited to specific river sections. Data acquisition and processing take place directly in the field, so that the water level information is immediately available. In practice, the user captures a short time-lapse sequence of a river bank with OWL, which is used to calculate a spatio-temporal texture that enables the detection of the water line. In order to translate the image measurement into 3D object space, a synthetic, photo-realistic image of the situation is created from existing 3D data of the river section to be investigated. Necessary approximations of the image orientation parameters are measured by smartphone sensors and GNSS. The assignment of camera image and synthetic image allows for the determination of the interior and exterior orientation parameters by means of space resection and finally the transfer of the image-measured 2D water line into the 3D object space to derive the prevalent water level in the reference system of the 3D data. In comparison with conventionally measured water levels, OWL reveals an accuracy potential of 2 cm on average, provided that synthetic image and camera image exhibit consistent image contents and that the water line can be reliably detected. In the present dissertation, related geometric and radiometric problems are comprehensively discussed. Furthermore, possible solutions, based on advancing developments in smartphone technology and image processing as well as the increasing availability of 3D reference data, are presented in the synthesis of the work. The app Open Water Levels, which is currently available as a beta version and has been tested on selected devices, provides a basis, which, with continuous further development, aims to achieve a final release for crowdsourcing water levels towards the establishment of new and the expansion of existing monitoring networks. / Der Begriff des globalen Klimawandels ist seit Beginn des letzten Jahrzehnts allgegenwärtig. Die Veränderung des Weltklimas ist mit einer Zunahme von Starkregenereignissen verbunden, die nahezu unvorhersehbare Sturzfluten verursachen können. Folglich gewinnt die raumzeitlich hochaufgelöste Überwachung von Fließgewässern zunehmend an Bedeutung. Pegelmessstationen erfassen kontinuierlich und präzise Wasserstände, sind jedoch in Anschaffung und Wartung sehr teuer und werden vorzugsweise an wasserwirtschaftlich-relevanten Gewässern installiert. Kleinere Gewässer bleiben häufig unbeobachtet. Um die Datendichte hydrometrischer Messnetze zu erhöhen und somit die Vorhersagequalität von Hochwasserereignissen zu verbessern, sind neue, kostengünstige und flexibel einsetzbare Wasserstandsmesstechnologien erforderlich. Diese sollten sich an den Genauigkeitsanforderungen konventioneller Messsysteme orientieren und die Beobachtung von Wasserständen zu praktisch jedem Zeitpunkt, selbst an den kleinsten Flüssen, ermöglichen. Ein Lösungsvorschlag ist die Entwicklung einer photogrammetrischen Smartphone-Anwendung (App) zum Crowdsourcing von Wasserständen mit welcher freiwillige Nutzer lediglich Bilder eines Flussabschnitts aufnehmen müssen, um daraus den Wasserstand zu bestimmen. Heutige Smartphones integrieren hochauflösende Kameras, eine Vielzahl von Sensoren, leistungsfähige Prozessoren und Massenspeicher. Sie sind jedoch für den Massenmarkt konzipiert und verwenden kostengünstige Hardware, die nicht der Qualität geodätischer Messtechnik entsprechen kann. Um das Einsatzpotential in mobilen Messanwendungen zu eruieren, sind Untersuchungen zum Smartphone als photogrammetrisches Messinstrument im Rahmen des Promotionsprojekts durchgeführt worden. Die Studien befassen sich mit der geometrischen Stabilität von Smartphone-Kameras bezüglich geräteinterner Temperaturänderungen und mit dem Genauigkeitspotential von mit Smartphone-Sensoren gemessenen Rotationsparametern. Die Ergebnisse zeigen eine starke, temperaturbedingte Variabilität der inneren Orientierungsparameter, weshalb die Kalibrierung der Kamera zum unmittelbaren Messzeitpunkt erfolgen sollte. Die Ergebnisse der Sensoruntersuchungen zeigen große Ungenauigkeiten bei der Messung der Rotationsparameter, insbesondere des Kompasswinkels (Fehler von bis zu 90° festgestellt). Selbiges gilt auch für Positionsparameter, gemessen durch in Smartphones eingebaute Empfänger für Signale globaler Navigationssatellitensysteme (GNSS). Wie aus der Literatur zu entnehmen ist, lassen sich unter besten Bedingungen Lagegenauigkeiten von etwa 5 m erreichen. Abseits davon sind Fehler von mehreren 10 m zu erwarten. Infolgedessen ist von einer direkten Georeferenzierung von Bildmessungen mittels aktueller Smartphone-Technologie abzusehen. Unter Berücksichtigung der gewonnenen Erkenntnisse wurde die Pegel-App Open Water Levels (OWL) entwickelt, deren methodische Entwicklung und Implementierung den Kern der Arbeit bildete. OWL ermöglicht die flexible Messung von Wasserständen via Crowdsourcing, ohne dabei zusätzliche Ausrüstung zu verlangen oder auf spezifische Flussabschnitte beschränkt zu sein. Datenaufnahme und Verarbeitung erfolgen direkt im Feld, so dass die Pegelinformationen sofort verfügbar sind. Praktisch nimmt der Anwender mit OWL eine kurze Zeitraffersequenz eines Flussufers auf, die zur Berechnung einer Raum-Zeit-Textur dient und die Erkennung der Wasserlinie ermöglicht. Zur Übersetzung der Bildmessung in den 3D-Objektraum wird aus vorhandenen 3D-Daten des zu untersuchenden Flussabschnittes ein synthetisches, photorealistisches Abbild der Aufnahmesituation erstellt. Erforderliche Näherungen der Bildorientierungsparameter werden von Smartphone-Sensoren und GNSS gemessen. Die Zuordnung von Kamerabild und synthetischem Bild erlaubt die Bestimmung der inneren und äußeren Orientierungsparameter mittels räumlichen Rückwärtsschnitt. Nach Rekonstruktion der Aufnahmesituation lässt sich die im Bild gemessene 2D-Wasserlinie in den 3D-Objektraum projizieren und der vorherrschende Wasserstand im Referenzsystem der 3D-Daten ableiten. Im Soll-Ist-Vergleich mit konventionell gemessenen Pegeldaten zeigt OWL ein erreichbares Genauigkeitspotential von durchschnittlich 2 cm, insofern synthetisches und reales Kamerabild einen möglichst konsistenten Bildinhalt aufweisen und die Wasserlinie zuverlässig detektiert werden kann. In der vorliegenden Dissertation werden damit verbundene geometrische und radiometrische Probleme ausführlich diskutiert sowie Lösungsansätze, auf der Basis fortschreitender Entwicklungen von Smartphone-Technologie und Bildverarbeitung sowie der zunehmenden Verfügbarkeit von 3D-Referenzdaten, in der Synthese der Arbeit vorgestellt. Mit der gegenwärtig als Betaversion vorliegenden und auf ausgewählten Geräten getesteten App Open Water Levels wurde eine Basis geschaffen, die mit kontinuierlicher Weiterentwicklung eine finale Freigabe für das Crowdsourcing von Wasserständen und damit den Aufbau neuer und die Erweiterung bestehender Monitoring-Netzwerke anstrebt.

Die vorliegende Broschüre will für das Problem Klimawandel und seine Auswirkungen auf die Kommunen sensibilisieren. Sie bereitet den aktuellen wissenschaftlichen Kenntnisstand verständlich auf und zeigt anhand von konkreten Beispielen, wie sich sächsische Kommunen diesen Herausforderungen stellen. Das abstrakte Thema Klimawandel soll auf diese Weise in politische Handlungsoptionen übersetzt werden.:1. Einleitung 2. Abgrenzung Klimawandel und Klimaschutz 3. Klimawandel in Sachsen 4. Auswirkungen des Klimawandels auf Kommunen 4.1. Landwirtschaft 4.2. Waldwirtschaft, Parkanlagen und Straßengrün 4.3. Wasserwirtschaft 4.4. Hochwasserschutz 4.5. Stadtklima 4.6. Gebäude und Infrastruktur 4.7. Tourismus 5. Kommunale Handlungsfelder 5.1. Handlungsschritte 5.2. Erfolgsfaktoren 5.3. Planung 5.4. Wassermanagement 5.5. Hitzemanagement 5.6. Katastrophenschutz 6. Programme und Praxisbeispiele aus und für Sachsen 6.1. Kommunalrichtlinie 6.2. Energie- und Klimaprogramm Sachsen 2012 6.3. Life Local Adapt 6.4. Mitteldeutsches Klimabüro 6.5. Dresden 6.6. Leipzig 6.7. Zwickau 7. Fazit 8. Anhang 8.1. Abkürzungsverzeichnis 8.2. Literaturverzeichnis 8.3. Links 8.4. Adressen

Extreme Wetterlagen und Großschadensereignisse stellen uns immer wieder vor Notfallsituationen. Es kann jeden treffen. Die Broschüre gibt Auskunft über die mögliche Prävention, Selbsthilfe, Verhalten im Notfall und über die Möglichkeiten der Feuerwehren, Rettungsdienste und Katastrophenschutzeinheiten.

This doctoral thesis is based on three publications (two peer-reviewed, one submitted). Its objective was to test existing methods and to develop innovative methods for generating highly resolved climate data with focus on the spatio-temporal distribution of precipitation as both, the spatial and temporal resolution as well as the length of such data sets are limited. For this purpose, satellite and radar-based remote sensing data, ground-based station data, and modelling methods were applied and combined. The Free State of Saxony (Germany) served as an investigation area as its mountainous regions are prone to heavy precipitation events and related (flash) floods like e.g., in 2002, in 2010, and in 2013. Two approaches were developed to generate hourly data when there are no station data available or only daily data. The first approach applies four different algorithms to estimate area-wide rain rates by using the satellite data of Meteosat Second Generation (MSG-1) and compares them to the gauge adjusted radar data product RADOLAN RW. The analyses of five spatial und six temporal integration steps by means of four fit scores and statistical relations show a stepwise improvement. That means, the integration leads to increasing probability of detection (POD) and critical success index (CSI), decreasing false alarm ratio (FAR) and Bias, and improved statistical relations especially for heavy rain rates. The best results are achieved for the lowest resolution of 120 km × 120 km and 24 h. However, this resolution is too low for applications in (flash) flood risk management for small and medium sized catchments. Such satellite-based estimated rain rates may serve as a data source for unobserved regions or as an indicator for large catchments or longer periods. A second approach comprises the newly developed Euclidean distance model (EDM) that generates hourly climate data by means of a temporal disaggregation procedure. The delivered data are point data for the climate variables temperature, precipitation, sunshine duration, relative humidity, and wind speed. They show high correlations and conserve (i) the statistics in comparison to the observed hourly data and (ii) also the consistency over all disaggregated climate elements. The results reveal that the EDM performs best for climate elements with a continuous diurnal cycle like temperature, for the winter half-year, and when the basic climate stations are characterised by similar climate conditions. The EDM proves to be a very robust, flexible and fast working model. Hence, the work presented here succeeded in developing two innovative locally-independent approaches that are applicable to the climate data of any region or station without complex model parametrisation. Simultaneously, the method can be applied to future daily climate data allowing the generation of hourly data that are needed for climate impact models. / Diese Dissertation basiert auf drei Publikationen (zwei begutachtet, eine eingereicht). Ziel war es, existierende Methoden zur Generierung hochaufgelöster Klimadaten zu untersuchen und innovative Methoden zu entwickeln mit dem Fokus auf der raumzeitlichen Niederschlagsverteilung, da sowohl die räumliche und zeitliche Auflösung als auch die Länge solcher Datenreihen begrenzt sind. Hierfür wurden satelliten- und radarbasierte Fernerkundungsdaten, Bodenstationsdaten sowie Modellierungsverfahren angewendet und kombiniert. Als Untersuchungsgebiet wurde der Freistaat Sachsen (Deutschland) gewählt, da dessen Gebirgsregionen starkregen- und damit hochwassergefährdet sind, wie bei den Hochwasserereignissen von 2002, 2010 und 2013 sichtbar wurde. Es wurden zwei Ansätze entwickelt, die die Generierung von Stundendaten ermöglichen, wenn keine Daten oder nur Tagesdaten vorhanden sind. Der erste Ansatz verwendet vier verschiedene Algorithmen zum Abschätzen flächendeckender Niederschlagsintensitäten unter Verwendung der Daten des Satelliten Meteosat Second Generation (MSG-1) und vergleicht diese mit den an Bodenstationsdaten angeeichten Radardaten des RADOLAN RW Produktes. Die Analysen von fünf räumlichen und sechs zeitlichen Integrationsstufen mit Hilfe von vier Fit Scores und statistischer Kennwerte zeigen eine schrittweise Verbesserung der Ergebnisse. Das heißt, dass durch Integration steigende Werte der probability of detection (POD) und des critical success index (CSI), sinkende Werte der false alarm ratio (FAR) und des Bias sowie verbesserte statistische Kennwerte erreicht werden. Dies gilt insbesondere für Starkniederschlagsintensitäten. Die besten Ergebnisse werden bei der niedrigsten Auflösung von 120 km × 120 km und 24 h erreicht. Jedoch ist diese Auflösung für Anwendungen des Hochwasserrisikomanagements kleiner und mittlerer Einzugsgebiete zu gering. Solche satellitenbasierten Niederschlagsintensitäten können als Datenquelle für unbeobachtete Regionen oder als Indikator für große Einzugsgebiete oder längere Zeitintervalle dienen. Ein zweiter Ansatz beinhaltet das neu entwickelte Euclidean distance model (EDM), das mittels zeitlicher Disaggregierung stündliche Klimadaten generiert. Die erzeugten Daten sind punktbezogene Daten der Klimavariablen Temperatur, Niederschlag, Sonnenscheindauer, relative Feuchte und Windgeschwindigkeit. Sie weisen hohe Korrelationen auf und sie wahren (i) die statistischen Kenngrößen im Vergleich mit den beobachteten Stundendaten und (ii) die Konsistenz über alle Klimaelemente hinweg. Die Ergebnisse zeigen, dass das EDM für Klimaelemente mit einem kontinuierlichen Tagesgang, wie z.B. die Temperatur, für das Winterhalbjahr und bei der Verwendung von Basisstationen mit ähnlicher klimatischer Charakteristik die besten Ergebnisse liefert. Das EDM erweist sich als ein sehr robustes, flexibles und schnell arbeitendes Modell. Somit ist es mit der hier vorliegenden Arbeit gelungen, zwei innovative Ansätze zu entwickeln, die ohne komplexe Modellparametrisierung auf Daten einer jeden Klimaregion oder Klimastation angewendet werden können.

Während der Elbeflut im Juni 2013 wurde in Dresden erstmals eine über das Internet frei zugängliche Hochwasserkarte eingesetzt. Über 3 Millionen Zugriffe erfolgten innerhalb des einwöchigen Betriebes. Somit konnte ein großer Teil der Einwohner erreicht und über aktuelle Gefahren informiert werden. Mit den Möglichkeiten, die eine solche Plattform bietet, wird aber gleichzeitig auch die Frage aufgeworfen, wie sich Bürger in Zukunft besser koordinieren lassen. (...)

In Sachsen treten in regelmäßigen Abständen Eishochwasser auf. Dabei setzen sich Gewässer vor allem an Engstellen und Abflusshindernissen – wie beispielsweise Wehre und Brücken – mehr oder weniger mit Eis zu. Dort staut sich das Wasser und es kommt zu örtlichen Überflutungen. Die Broschüre zeigt, worauf geachtet werden muss, wenn Gewässer zufrieren und enthält Tipps für Bürger sowie wichtige Hinweise für Städte und Gemeinden zum Verhalten bei Eishochwasser. Redaktionsschluss: 06.12.2022

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Wald weist gegenüber anderen Landnutzungen meist die günstigeren Wasserrückhalteigenschaften auf. Diese sind jedoch begrenzt. Ob zusätzlicher Wald in einem Einzugsgebiet zur Reduktion eines Hochwassers führt, hängt ab von der Vorwitterung, den Eigenschaften des Bodens, auf dem die Aufforstung etabliert wurde, Dauer und Intensität des hochwasserauslösenden Niederschlagsereignisses und Lage und Größe der Aufforstungsfläche im betrachteten Einzugsgebiet. Weiterhin spielt das Waldmanagement, welches in dieser Arbeit nur am Rande diskutiert wurde, eine bedeutende Rolle. Bei der Umwandlung einer anderen Landnutzung in Wald sind noch nicht alle Prozesse, die den Wasserrückhalt betreffen, ausreichend untersucht und beschrieben. Dies gilt besonders für die Änderungen in der hydraulischen Architektur der Böden. Es wurde dargestellt, dass aufwachsende Wälder schon nach wenigen Jahren die Porenverteilung besonders in den oberen Bodenhorizonten verändern. Obwohl experimentelle Felduntersuchungen besonders durch die Suche nach geeigneten Teststandorten schwierig sind, wären weitere Messergebnisse von anderen Böden mit anderen Baumarten hier wünschenswert. Eine modellhafte Beschreibung einer Landnutzungsänderung hin zu Wald in Bezug auf den Hochwasserrückhalt ist demnach mit hohen Unsicherheiten behaftet. Modelle bleiben dennoch die einzige Möglichkeit, Auswirkungen von Landnutzungsänderungen mit vertretbarem Aufwand quantifizierend abzuschätzen. Allgemein gilt bei der Anwendung hydrologischer Modelle zur Prognose von Auswirkungen veränderter Landnutzungen, dass bislang wenig quantitativ verwertbares Wissen über Änderungen im Boden besteht. Weder der Zielzustand noch der Verlauf der Transformation können hier sicher prognostiziert werden. Vernachlässigt man aber solche Prozesse, dürfen bei einer Ergebnisdiskussion auch nur die berücksichtigten Prozesse angeführt werden. Die Weiterentwicklung der Modelle mit gezielter paralleler Datenerhebung ist hier unabdingbar. Die zunehmenden Fragestellungen hinsichtlich veränderter Landnutzungssysteme erfordern auch innovative Formen der Parametrisierung und Kalibrierung der Modelle. Der zunehmende Grad an Prozessabbildungen in den Modellen darf die Parametrisierbarkeit nicht unmöglich machen. Eine adäquate Prozessabbildung ist jedoch der Schlüssel für die szenarienfähige Modellierung. Die Kommunikation der Ergebnisse muss deshalb eine hohe Transparenz mit der Benennung aller bekannten Unsicherheiten aufweisen, da Entscheidungen in der Landnutzung Konsequenzen über sehr lange Zeiträume hinweg nach sich ziehen. Die qualifizierte Prognose von Landnutzungsänderungen ist eine disziplinübergreifende Aufgabe. Hier wirken soziologische, ökonomische und ökologische Prozesse zusammen, deren Resultat die zukünftige Landnutzung ist. Eine weitere wichtige Schlussfolgerung der vorliegenden Arbeit ist daher, dass für die Umsetzung von Maßnahmen, zur Erhöhung des Wasserrückhaltes, wie hier der Aufforstung, ein breiter wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Konsens herrschen muss. Es braucht integrierte Ansätze zur disziplinübergreifenden Beschreibung von Auswirkungen veränderter Landnutzung. Trotz aller Unsicherheiten bei der wissenschaftlichen Beweisführung wird erwartet, dass bis zur Umsetzung der Hochwasserrisiko-Managementpläne „nachhaltige Flächennutzungen“ zur „Verbesserung des Wasserrückhaltes“ definiert sind. Besonders für die politischen Entscheidungsträger ist zur Entwicklung geeigneter Steuerelemente festzuhalten, das Hochwasserschutzmaßnahmen in der Fläche ihre hauptsächliche Wirkung nicht am Punkt der Implementierung entfalten, sondern erst weiter flussabwärts. Daher sind die bisherigen Förderinstrumente der EU-Agrarflächenförderung für den Hochwasserschutz in der Fläche nahezu nicht anwendbar. Es gilt hier sektorales Denken zu überwinden. Unterschiedliche Ansprüche an Landnutzungssysteme sind durch Lösungsansätze auszubalancieren, die die unterschiedlichen Landschaftsfunktionen berücksichtigen, von denen Wasserrückhalt ein Teil sein kann. Andere Schutzziele wie Naturschutz, Bodenschutz, Ziele der Wasserrahmenrichtlinie, Fragen eines ästhetischen Landschaftsbildes und nicht zuletzt Fragen der wirtschaftlichen Ansprüche an die einzelnen Flächen spielen hier eine wichtige Rolle. Bei der Entwicklung begründeter Zukunftsszenarien ist diese transdisziplinäre Herangehensweise unbedingt zu empfehlen. Hochwasserschutz kann aber nicht die Aufgabe haben, Hochwasserereignisse vollkommen auszuschließen. Schon heute ist bekannt, dass das Ausbleiben kleiner und mittlerer Hochwässer ökologische Konsequenzen hat. Vielmehr könnte in Gebieten, wie dem hier untersuchten, eine Erhöhung des Waldanteils dazu beitragen, die anthropogenen Störungen zu reduzieren und den Wasserrückhalt dahingehend zu erhöhen, dass hochwasserverschärfende Eingriffe in den Einzugsgebieten zurückgebaut werden. / Forests show, compared to other land uses, in many cases good water retention potential. This is however limited. Whether additional forest area in a catchment leads to a reduction of flooding depends on the pre-event atmospheric conditions, the soil characteristics at the afforested site, the duration and intensity of the rain storm event, and location and size of the afforested area. Further, the forest management, which is only briefly discussed in this thesis, plays an important role. Many water retention related processes occurring during the transformation of a landuse into forest are not yet sufficiently investigated an described. This applies especially to the changes in the hydraulic architecture of the soil. It was shown that after a few years growing forests have already changed the pore distribution, especially in the upper soil horizons. However, further research under different soil and tree type would be desirable. Therefore, a model-based description of land use change towards forest with regard to flood retention comprises uncertainties which should be taken into consideration. Nevertheless, models are the only possibility to assess land use change effects with justifiable expenditure. In general, the application of hydrological models comprised sparse useful information about changes in the soil due to a changed land use. Neither the target state nor the progression of the transformation can be predicted with certainty. Further development of models with parallel observations and data gathering is essential. With increasing number of questions regarding modified land use systems, a need arises for innovative forms of parameterisation and model calibration. The increasing degree of process mapping in models may make parameterability difficult, however, adequate process mapping is the key to scenario capable modelling. The communication of results must therefore include a high degree of transparency in the definition of all known uncertainties, because decisions have long lasting consequences. A qualified prediction of land use changes is a cross-disciplinary task. Ecological, economical, and sociological processes together form the future land use distribution. An important conclusion from this thesis is that the implementation of measures targeting increased water retention requires must result in a consensus with society and economics. Integrated approaches and transdisciplinary assessment of impacts of land use modifications are needed. Although, the uncertainties in model-based land use change assessment are high, there is a need for the definition of “sustainable land use” and “increase of water retention” for the flood risk management plans. Adapted land use as a component of integrated flood risk management has a major constraint: the benefits of water retention in the landscape are mostly not directly noticeable at the place where a measure is implemented. This is highly important for stakeholders and decision makers. However, given that most of the land available for afforestation is a private property, it may be necessary to provide subsidies to encourage landowners to increase the percentage of forested land. Competitive land use system requirements need to be balanced with approaches dealing with different landscape functions. Water retention is part of this functioning. Other protection aims like nature protection, soil protection, aims of the Water Framework Directive, aesthetic land use pattern but also the agrar-economic production play an important role. Well-founded future land use scenarios should use this transdisciplinary view. Finally, it is also important to keep in mind that floods belong to a healthy river runoff regime. Floods are an important part of the natural hydrological cycle, and therefore the goal of watershed management should not be to eliminate them entirely. Additional forest can help to re-establish the natural water retention potential in anthropogenically disturbed river basins and to decrease the human-made contribution to flood generation.

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.

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.