Digitale Simulation gegen Erosion: Wie IPROconsult mit EROSION-3D Umweltschäden reduziert

Immer häufiger kommt es zu Starkregenereignissen – und immer größer werden die Schäden für Landwirtschaft, Infrastruktur und Umwelt. Mit dem physikalisch basierten Modell EROSION-3D und einem neuen webbasierten Service bietet IPROconsult konkrete Unterstützung für Behörden, Unternehmen und Landwirte. Im Interview erläutern Dr. Kerstin Hartsch, Leiterin des Büros Umweltconsulting, und Mischa Sethi, Leiter Digitalisierung und Technologie, wie Risiken frühzeitig erkennbar und gezielte Präventionsmaßnahmen möglich werden.

Dr. Hartsch: Da ist einmal das sogenannte On-Site-Schadensbild, das sich im Bereich der Einzugsgebiete darstellt, in denen der Starkniederschlag, das Extremereignis stattfindet. Gleichzeitig können aber durch das Extremereignis auch außerhalb des Einzugsgebietes sogenannte Off-Site-Schäden entstehen – durch Wasser- und Bodeneinträge zum Beispiel in Kommunen und Infrastrukturgebieten. Neben diesen landseitigen Auswirkungen haben wir als weitere wichtige Komponente die durch Starkniederschläge ausgelösten fluviatilen Überschwemmungen, das heißt Hochwasser über Flüsse und Vorfluter.

Die entsprechenden Frühwarnsysteme werden in Deutschland durch den Deutschen Wetterdienst entwickelt und angeboten. Es ist wichtig festzuhalten, dass wir sowohl die landseitigen Einflüsse, Auswirkungen oder Zerstörungen haben, als auch die von der Flussseite, die fluviatil, also durch Hochwasser bedingten. Diese beiden überschneiden sich sehr oft. Mit unseren Arbeitswerkzeugen erfassen wir die landseitigen On-Site- und Off-Site-Auswirkungen von Starkniederschlagsereignissen.

Sethi: Eine kurze Ergänzung dazu: Die Ursachen für viele Starkregenereignisse liegen im Klimawandel. Jedes Grad Erderwärmung erhöht die Gefahr um sieben Prozent, dass solche Starkregenereignisse auftreten. Schon heute entstehen dadurch Schäden im Milliardenbereich in Europa. Laut Statistik waren es vor drei Jahren ungefähr 1,25 Milliarden Euro in Europa und weltweit zehn Milliarden nur an Schäden durch Produktivitätsverlust. Und das wird natürlich in den nächsten Jahren stark steigen. Deswegen ist das Thema so extrem wichtig für uns.

Dr. Hartsch: Diese Schadensbilder und Zahlen, die gerade genannt wurden, betreffen weltweit zu großen Teilen landwirtschaftliche Flächen, auf denen Nahrungsmittel produziert werden. Die Sicherung der Nahrungsmittelproduktion stellt international eine der größten Herausforderungen dar, insbesondere in Regionen, die besonders stark von klimatischen Veränderungen betroffen sind.

Dr. Hartsch: Starkregen- und Erosions-Risikomanagement sind eigentlich zwei Seiten einer Medaille. Es gibt die regulatorische Aufforderung der EU, dass die Staaten und in Folge auch die Bundesländer Starkregen-Risikovorsorge betreiben müssen. Baden-Württemberg setzte das mit als eines der ersten Länder schon seit vielen Jahren um. Starkregen-Risikomanagement umfasst im fachlichen Verständnis bisher deutschlandweit nur den Bereich der starkregenbedingten Überflutungen; das heißt der Bodenabtrag aus den Einzugsgebieten wird hier bisher nicht mitberücksichtigt. Deshalb hat Baden-Württemberg in einem ersten Schritt die Kopplung von Erosions- an das Starkregen-Risikomanagement untersucht und im Rahmen eines Pilotprojektes mit IPRO und unserer Partnerfirma Geomer umgesetzt.

Dr. Hartsch: Ich glaube generell, dass es nur selten möglich ist, Risiken auszuschließen. Wir sprechen daher von Minimierung der Risiken. Dies können wir durch verschiedene Anpassungsmaßnahmen erreichen – um zum Beispiel Infrastruktur besser off-site zu schützen oder negative Auswirkungen auf das Schutzgut, zum Beispiel „Boden“, durch entsprechende On-Site-Maßnahmen zu reduzieren. Hier kommt der Bauplaner, der Generalplaner IPROconsult an den Start, der dann entsprechende bauliche Schutzmaßnahmen plant und umsetzen lässt.

Dr. Hartsch: Mit EROSION-3D können wir für jeden beliebigen Punkt innerhalb des Einzugsgebiets die Abflussmengen und den Sedimentaustrag beziehungsweise -eintrag quantitativ ermitteln. Für die Planung von Anpassungsmaßnahmen werden zur Entscheidungsunterstützung unterschiedliche Szenarien berechnet um zu zeigen, wie zum Beispiel die Implementierung von Rückhaltebecken oder Landnutzungsänderungen den Sediment- und Abflussaustrag reduzieren können. Das sind für Kommunen, Infrastrukturbetreiber oder Landwirte entscheidende Informationen! Den Kunden interessiert, welche Abfluss- und Bodenmengen ein- oder ausgetragen werden, wann und unter welchen Bedingungen. Und direkt daran anschließend: Welche praktischen Maßnahmen bringen welche Minderungseffekte?  Erfahrungsgemäß kann eine Risikoreduktion bis zu 60, 70 Prozent durch die Kombination verschiedener Maßnahmen im Einzugsgebiet erreicht werden. Der Dialog zwischen dem potenziell Betroffenen und uns als Fachberater ist dabei entscheidend für die konkret auf den Kundenbedarf zugeschnittene Maßnahmenplanung.

Dr. Hartsch: Die Entwicklung des Arbeitswerkzeugs EROSION-3D ist über etwa 30 Jahre gelaufen. Die Entwickler sind nach wie vor bei uns im Team der IPROconsult. Der ursprüngliche Ansatz für dieses Werkzeug war es, eine praktikable, pragmatische Möglichkeit zu finden, Landwirte zu beraten. Die Basis ist natürlich ein hoch auflösendes Geländemodell. Wir sind ja heute in der Lage, viele Datenprodukte auf Satellitenbasis nutzen zu können. Die Geodatendienste der Bundesländer bieten sich laufend verbessernde Produkte an, die eingebunden werden können. Wichtig sind weiterhin die Daten vom DWD, wobei wir hier immer Intensität, Frequenz und Dauer von Einzelereignissen benötigen. Die dritte Datenebene sind Informationen zu Boden- und Landnutzung. Wir können hier auf eine große Datenbank zurückgreifen, in der verschiedene Varianten von Boden- und Landnutzung abgebildet sind und entsprechend für das Modell parametrisiert werden können. Deshalb können wir in Szenarien denken und konkrete Empfehlungen zum Beispiel für Landwirte geben: zur Begrünung von Abflusspfaden, zu konservierender Bodenbearbeitung oder Fruchtfolgenrotationen.

Dr. Hartsch: In den letzten Jahren haben wir den Umwelt- und Landwirtschaftssektor auf Bundeslandebene in Sachsen und Baden-Württemberg beratend unterstützt. In diesem Rahmen wurden neue Erosionsprognosekarten entwickelt, die unmittelbar der Beratung von Landwirten dienen. Darüber hinaus konnten wir in Marokko über mehrere Jahre mit dem Autobahnkonzern Marokkos das Thema öffnen und die Beratung für den Infrastrukturbereich starten. Ich denke, da waren wir ganz erfolgreich: Wir haben Aussagen getroffen über die Gefahrenlage für bestehende Infrastruktur der Autobahnen, über zu berücksichtigende Aspekte bei neuen Planungen et cetera sowie ein System entwickelt, das innerhalb des marokkanischen Konzerns webbasiert für die Planung, die Maintenance und das Monitoring genutzt werden kann.

Dr. Hartsch: Wir haben in den letzten Jahren sehr oft von der öffentlichen Hand, von Landesämtern, Partnern oder Regierungspräsidien die indirekte Frage bekommen: „Könnte man nicht euer Beratungsmodell auch app- oder webbasiert weiterentwickeln?“ Wir haben uns im Rahmen eines Forschungsprojekts der IPROconsult dieser Aufgabe gestellt und eine Applikation entwickelt, die eine erste Beurteilung des Gefahrenpotenzials ermöglicht: Einzugsgebietsableitungen, Abflusssimulationen und Erosionsgefährdungen sind automatisiert mit dieser Ersteinschätzung möglich. Die daran anknüpfende Beratungsleistung erfolgt weiterhin unter Nutzung des eigentlichen Entscheidungsunterstützungstools EROSION-3D, um die szenarienbasierten Maßnahmen im Dialog mit dem Kunden planen zu können.

Sethi: Eine Mischung aus beiden. Es wird ein Webservice mit Funktionalitäten per Schnittstellen. Wenn beispielsweise Versicherungsgesellschaften sagen, wir möchten für ein Gebiet eine Erosionsrisikoeinschätzung haben, dann ist das ebenso möglich, wie eine Simulation für Privatpersonen. Es lassen sich aber auch die Fragen beantworten: Wie kann Prävention betrieben werden? Was kann ich machen, um mögliche Schäden zu minimieren? Auch dafür gibt es diesen Webservice.

Sethi: Die ist breit gefächert: Eigentlich die gesamte Volkswirtschaft mit Industrieunternehmen, Landwirtschaft, Versicherungsunternehmen; auch im Finanzwesen sind zukünftige Risikobewertungen immer interessanter. Es wird zukünftig auch nicht reichen, nur Hochwasser zu bewerten, sondern zusätzlich die Sediment- und Materialeinträge – denn oft entsteht der höhere Schaden durch das transportierte Sedimentmaterial.

Sethi: Unser Service ist weltweit anwendbar. Derzeit liegt der Fokus noch auf dem DACH-Raum – aber er ist nicht begrenzt auf einzelne Regionen.

Dr. Hartsch: Das ist natürlich ein Beispiel und man muss es immer fallbezogen sehen. Erfahrungsgemäß können wir durch Nutzungsänderungen in der Flächenbewirtschaftung gekoppelt mit Landschafts-Anpassungsmaßnahmen in den Einzugsgebieten von diesen Werten ausgehen.

Sethi: Die direkten Schäden sind das eine, aber auch der indirekte Produktivitätsverlust muss berücksichtigt werden, zum Beispiel, wenn ein Industriestandort stillsteht oder überflutet ist, mit Sedimenten bedeckt ist. Schäden durch Naturphänomene lassen sich nicht gänzlich verhindern, aber sie können stark reduziert werden.

Dr. Hartsch: Eine weitere wichtige Anwendungskulisse für unser Instrument sind die auf EU-Ebene formulierten Anforderungen der Wasserrahmenrichtlinie. Einträge in Oberflächengewässer unterliegen strengen Regularien: Hier können wir unterstützen, indem wir die im Oberflächengewässer eingeschwemmte Tonfraktionen, an die Phosphor und Schwermetalle gebunden sein können, quantifizieren – und so das Risikomanagement das Einzugsgebietes beratend begleiten.

Sethi: Man muss nur das Gebiet definieren, das man separieren möchte. Dann werden über die Weboberfläche oder über die API gewisse Optionen angeboten, zum Beispiel welches Geländemodell genutzt wird, welche Landnutzung erfolgt und wie detailliert die Simulation sein soll. Je feiner die Simulation, desto genauer die Ergebnisse, desto höher sind aber auch gegebenenfalls die Kosten, die im Hintergrund anfallen.

Dr. Hartsch: Momentan können wir die Gefahreneinschätzung für eine Fläche weitestgehend automatisiert durchführen lassen. Unser Ziel ist es, dem Nutzer auch die Möglichkeit einer interaktiven Szenariomitarbeit zu geben. Das ist aber noch ein Entwicklungsthema.

Sethi: Sowohl als auch. Reden wir über Versicherungen oder große Unternehmen mit vielen Anfragen, werden wir ein Subscription-Modell anbieten. Dahinter steht heute immer noch das Consulting-Geschäft, bei dem Präventionsmaßnahmen interaktiv mit dem Kunden erarbeitet werden. Deshalb sprechen wir noch von einem Gesamtpaket, einer Kombination aus App und Consulting.

Dr. Hartsch: Eine weitere Anwendung, die zunehmend im Fokus steht, ist die Rekonstruktion von Schadensereignissen; relevant zum Beispiel für Versicherungen oder aktuell für die Bahn. Da wir immer etwas großzügig in der Begriffsnutzung von Risiko und Gefahr sind, an dieser Stelle als Hinweis: Wir bieten eine Gefahrenabschätzung an. Wenn wir dazu die Vulnerabilität, also die Verletzlichkeit oder Empfindlichkeit von Bausubstanz oder Infrastrukturen et cetera gegenüber Material- und Wassereinträgen kennen, dann können wir dort auch Risiken ableiten. Wir sprechen also immer über die Schnittmenge von Gefahr und Vulnerabilität, aus der sich das Risiko ergibt. Das ist wichtig, weil es sehr oft vermischt wird.

Dr. Hartsch: In dieser Form nicht, deshalb suchen wir aktiv nach Wegen, dieses app-basierte Gesamtpaket als Consultingleistung weiter auszubauen.

Sethi: Unser großes Alleinstellungsmerkmal ist die Landnutzungs-Datenbank, die über mehr als 30 Jahre aufgebaut wurde und mit der unser Modell arbeitet.

Sethi: Man kann die Beta-Version zur Demonstration buchen. Wir zeigen das auch unseren Interessenten in deutschen Landkreisen, Kommunen, auf nationalen und internationalen Fachkonferenzen Aber wir reden immer noch über die Kombination mit dem klassischen EROSION-3D-Consulting. Als Einzel-App wird es derzeit nicht angewandt, aber in Verbindung mit Consulting-Leistungen permanent und mehrfach.

// Das Interview führte Dominik Schilling.