Kombination von GIS, hydraulischer Modellierung und öffentlicher Sicherheit: ein Frühwarnsystem für das Hochwasserrisikomanagement in der Region Zemgale (Lettland)

Die Region Zemgale ist ein Tieflandgebiet, das aufgrund seines flachen Geländes, des dichten Flussnetzes und der Entwässerungsineffizienzen stark Überschwemmungen ausgesetzt ist Der Lielupe-Fluss, einer der wichtigsten Flüsse in der Region, hat aufgrund des geringen Gefälles seines Flussbettes einen langsamen Verlauf. Die Höhe der Aue darf einen Meter über dem Wasserspiegel nicht überschreiten. Der Fluss flussabwärts von Jelgava fällt nur 5-10 cm pro Kilometer ab, während das Flussbett deutlich unter dem durchschnittlichen Niveau der Ostsee liegt. Diese Bedingungen machen das Gebiet von Natur aus anfällig für Wasseransammlungen, hohe Grundwasserspiegel und Entwässerungsschwierigkeiten, insbesondere in städtischen Gebieten wie Jelgava und in flachen ländlichen Landschaften.

Es wird erwartet, dass der Klimawandel diese bestehenden hochwasserbedingten Anfälligkeiten weiter verschärfen wird. Nach Angaben des lettischen Zentrums für Umwelt, Geologie und Meteorologie (Ministerium für Umweltschutz und regionale Entwicklung, 2019) werden die jährlichen Niederschläge in Lettland bis zum Ende des 21. Jahrhunderts (2071-2100) im Vergleich zum Bezugszeitraum 1961-1990 im RCP4.5 (Zwischenszenario für Treibhausgasemissionen) um etwa 13 % und im RCP8.5 (schlimmstes Emissionsszenario) um 16 % zunehmen. Der stärkste saisonale Anstieg wird für den Winter erwartet, wobei die Niederschläge im RCP4.5-Szenario um 24–37 % und im RCP8.5-Szenario um 35–51 % steigen dürften (LVŃMC, 2017). Copernicus Climate Change Service (C3S-Projektionen, die vom ECMWF umgesetzt und über Climate-ADAPT zugänglich sind) deuten auch auf zunehmende extreme Niederschläge sowohl unter RCP4.5 als auch unter RCP8.5 hin (siehe z. B. die an fünf aufeinanderfolgenden Tagen akkumulierten maximalen Niederschläge und die extremen jährlichen Gesamtniederschläge). Jüngste Forschungen zu Zemgale haben außerdem Starkregenereignisse von mehr als 30 mm in 24 Stunden als wichtige Hochwassergefahr identifiziert und hervorgehoben, dass sich ändernde Schnee- und Eisschmelzmuster zusammen mit intensiveren Niederschlägen sowohl das Fluss- als auch das pluviale Hochwasserrisiko in der Region erhöhen können (Veidemane et al., 2026).

Der Juli 2024 war mit 132,1 mm Niederschlag der drittfeuchteste Juli in Lettlands Beobachtungsaufzeichnung und lag damit 75 % über der monatlichen Norm (Überblick über das lettische Flussregime im Juli 2024). In Jelgava können längere Regenfälle zu Überschwemmungen und Infrastrukturschäden führen, während niedrige Topografie und hohe Wasserspiegel die Bedienung von Entwässerungs- und Regenwassersystemen erschweren. In ländlichen Gebieten können diese Ereignisse Siedlungen, Dörfer und fruchtbare landwirtschaftliche Flächen betreffen, die eine wichtige Rolle in der regionalen Wirtschaft spielen.

Die Herausforderung besteht nicht nur darin, die Hochwasserexposition zu verringern, sondern auch die Vorsorge, die Genauigkeit der Prognosen und die institutionelle Reaktionsfähigkeit zu verbessern. Extreme Niederschlagsereignisse sind oft kurzfristig und räumlich lokalisiert, was die Vorhersage erschwert und die Warnzeiten verkürzt. Gleichzeitig ist die Modellierung von Hochwasser in einem flachen Becken mit einem komplexen hydrographischen Netzwerk technisch anspruchsvoll. Die Prognosegenauigkeit hängt von der Verfügbarkeit und Qualität meteorologischer und hydrologischer Daten, der Gelände- und Flussbettmodellierung und der Fähigkeit zur schnellen Verarbeitung von Informationen ab.

Eine weitere Herausforderung besteht darin, von einem lokalen und teilweise manuellen Frühwarnansatz zu einem regionalen, automatisierten und koordinierten System überzugehen. Das Stadterlebnis von Jelgava bietet einen praktischen Ausgangspunkt. Das regionale Upscaling erfordert jedoch eine bessere Datenintegration, die Zusammenarbeit zwischen Kommunen und nationalen Überwachungsstellen, technisches Fachwissen und das Vertrauen der Öffentlichkeit. Falsche Alarme oder verpasste Ereignisse könnten das Vertrauen der Bürgerinnen und Bürger in das System untergraben. Aus diesem Grund konzentriert sich die Anpassungsmaßnahme auf die Verbesserung der Hochwasservorhersage, die Automatisierung des Datenflusses und die zeitnahe Bereitstellung von Informationen auf Eigentumsebene für Behörden und Anwohner.

Der Fall ist in den europäischen und lettischen politischen Rahmen für das Hochwasserrisikomanagement, die Anpassung an den Klimawandel und den Katastrophenschutz eingebettet. Auf EU-Ebene wird mit der Hochwasserrichtlinie ein gemeinsamer Rahmen für die Bewertung und Bewältigung von Hochwasserrisiken geschaffen, der die Mitgliedstaaten verpflichtet, Hochwassergefahrenkarten, Hochwasserrisikokarten und Hochwasserrisikomanagementpläne zu erstellen. In diesen Plänen müssen Prävention, Schutz und Vorsorge, einschließlich Hochwasservorhersagen und Frühwarnsystemen, behandelt werden.

In Lettland wird das Hochwasserrisikomanagement durch Bewirtschaftung der Einzugsgebiete und Hochwasserrisikomanagementpläne umgesetzt. Lettland hat für den Planungszeitraum 2022–2027 integrierte Bewirtschaftungs- und Hochwasserrisikomanagementpläne für die Flussgebietseinheiten Daugava, Gauja, Lielupe und Venta ausgearbeitet. Diese Pläne identifizieren Hochwasserrisikogebiete, potenzielle Hochwasserschäden und -verluste und enthalten Maßnahmenprogramme zur Hochwasserprävention und Hochwasserrisikominderung. Dies ist direkt relevant für Zemgale, das von den Flusssystemen Lielupe und Daugava durchzogen wird.

Der nationale Plan Lettlands für die Anpassung an den Klimawandel bis 2030 bildet den nationalen Rahmen für die Anpassung an den Klimawandel. In dem Plan werden klimabedingte Risiken für den Katastrophenschutz und das Katastrophenmanagement ermittelt, einschließlich extremer Niederschläge, Veränderungen des Flussabflusses und hochwasserbedingter Risiken. Sie enthält auch spezifische Hinweise auf Frühwarnsysteme. Darin heißt es, dass Frühwarnungen reaktionsschnell sein, regelmäßig aktualisiert werden und in der Lage sein sollten, hochauflösende Modellierungen für die Vorhersage der Auswirkungen extremer Wetterbedingungen sicherzustellen.

Die Maßnahme steht auch im Einklang mit dem lettischen Katastrophenschutzrahmen. Nach dem Katastrophenschutz- und Katastrophenmanagementgesetz umfasst die Katastrophenrisikobewertung die Ermittlung, Analyse und Bewertung von Risiken. Das Gesetz erkennt das Recht der Menschen an, Frühwarnungen und Empfehlungen zu erhalten, wie im Falle einer Katastrophe oder Bedrohung zu handeln ist. In diesem Zusammenhang unterstützt ein Hochwasserfrühwarnsystem sowohl die institutionelle Vorsorge als auch die öffentliche Risikokommunikation.

Auf regionaler Ebene bilden das Entwicklungsprogramm für die Planungsregion Zemgale 2021–2027 und der Klimaanpassungsplan für die Planungsregion Zemgale bis 2030 den Planungskontext für die regionale Anpassung an den Klimawandel.

Hauptziel der Maßnahme ist es, die Vorsorge für das Hochwasserrisikomanagement in der Region Zemgale zu verbessern, indem das lokale Hochwasserfrühwarnsystem in der Stadt Jelgava auf die regionale Ebene ausgeweitet und eine prädiktive Hochwassermodellierung eingeführt wird. Die Maßnahme unterstützt frühzeitige Hochwasserwarnungen, Entscheidungsfindung und Katastrophenschutz durch ein regionales System für den Informationsaustausch und die Analyse in Echtzeit.

Ein spezifisches Ziel besteht darin, die Bewertung von Hochwasserrisiken zu ermöglichen, bevor ein Ereignis eintritt, und öffentlichen Einrichtungen und Bürgern die Informationen zur Verfügung zu stellen, die sie benötigen, um geeignete Maßnahmen zum wirksamen Schutz von Menschen, Gesundheit, Umwelt und Wirtschaftstätigkeiten auszuwählen.

Das System verbessert auch die Zusammenarbeit zwischen Kommunen und nationalen Überwachungsstellen, erweitert das Hochwasserrisiko-Frühwarnsystem auf die gesamte Region und verbessert die Kommunikation mit Entscheidungsträgern und Bürgern.

Die Anpassungslösung besteht aus einem Frühwarnsystem für das Hochwasserrisikomanagement. Es kombiniert Hochwassermodellierung (HEC-RAS-Hydraulikmodell) mit auf dem geografischen Informationssystem (GIS) basierenden Informationen, einschließlich Gelände- und Flussgeometriedaten, hydrologischen Prognosen, Kataster- und Adressdaten und Hochwasserkarten, zusammen mit Entscheidungsunterstützungs- und Warnfunktionen (IMPETUS, Leistung D4.3 – Ermöglichung eines schnellen und weitreichenden Wandels durch innovative Technologien.

Das System wurde entwickelt, um die Herausforderungen im Zusammenhang mit der Vorhersage und Vorsorge von Hochwasserrisiken in einer Region zu bewältigen, die durch flaches Gelände und komplexe hydrologische Dynamik gekennzeichnet ist. Das System verwendet das HEC-RAS 2D-Hydraulikmodell, um den Wasserfluss in zwei Dimensionen zu simulieren. Dieses Modell wird für die Hochwassermodellierung und -vorhersage verwendet und kann mit GIS integriert werden, was die Datenverarbeitung und -visualisierung unterstützt. Das System liest automatisch hydrologische Vorhersagedaten aus dem Vorhersagesystem des lettischen Zentrums für Umwelt, Geologie und Meteorologie aus.

Anhand der Modellierungsergebnisse werden potenzielle Hochwassergebiete identifiziert. Das System unterstützt nicht nur die institutionelle Entscheidungsfindung, sondern informiert auch direkt die Bevölkerung und trägt zu einer verbesserten Vorsorge- und Reaktionsfähigkeit bei. Sie umfasst derzeit rund 93.000 Haushalte (rund 225.000 Einwohner) in der Region Zemgale.

Die webbasierte Anwendung hat eine hohe soziale Relevanz, da sie es den Bewohnern ermöglicht, sich zu registrieren und bis zu drei Standorte wie ein Zuhause, einen Arbeitsplatz oder eine Kinderschule auszuwählen, um gezielte Warnungen über mögliche Überschwemmungen zu erhalten.

Das System kann derzeit Überschwemmungen ein bis zwei Tage vorhersehen, bevor sie auftreten. Wenn ein Risiko erkannt wird, werden geschulte Experten alarmiert. Sie überwachen die Situation und verwenden bei Bedarf Drohnen, um Echtzeitbilder von bedrohten Gebieten aufzunehmen. Diese Bilder werden an die Katastrophenschutzkommission des betroffenen Kooperationsgebiets weitergegeben, die auch für die Erstellung lokaler Katastrophenschutzpläne zuständig ist. Diese Kommission bewertet das Risiko und entscheidet, ob Evakuierungspunkte und -verfahren vorbereitet werden oder ob die Überwachung fortgesetzt wird, wenn die Bedrohung begrenzt ist.

Neben der Bewältigung von Notfällen speichert das System Hochwasserdaten, die für die Langzeitanalyse relevant sind. Auf diese Weise können die Behörden in naher Zukunft beurteilen, wie häufig Überschwemmungen auftreten, welche Gebiete am stärksten betroffen sind und wie sich die Risiken im Laufe der Zeit verändern. Diese Erkenntnisse fließen in den Jelgava-Plan zur Anpassung an den Klimawandel ein, der parallel und in Abstimmung mit dem Frühwarnsystem entwickelt wurde. Es wird erwartet, dass der Plan künftige Entscheidungen für das Hochwassermanagement ausrichtet. Solche Optionen umfassen naturbasierte Lösungen wie die Wiederherstellung von Feuchtgebieten.

Eine künftige Ausweitung des Frühwarnsystems ist vorgesehen. Dies kann durch KI-gestützte Algorithmen geschehen, die mit dem nationalen Überwachungssystem und anderen Datenbanken verbunden sind. KI kann mehrere Datenquellen und Modellierungsprozesse in ein kohärentes System integrieren, das Hochwasserereignisse über längere Zeiträume und mit hoher räumlicher Auflösung simulieren kann.

Gleichzeitig ist das System flexibel. Basierend auf den bisherigen Erfahrungen in Jelgava soll es weiter verbessert und möglicherweise erweitert werden. Mögliche künftige Entwicklungen umfassen die Ausweitung des Systems auf die nationale Ebene und die Verbesserung der Modellierungsfähigkeiten, um regenbedingte Überschwemmungen über den Flusskontext hinaus anzugehen. Eine weitere mögliche zukünftige Entwicklung könnte darin bestehen, aktualisierte Datensätze Experten und der Gesellschaft als offene Daten zugänglich zu machen.

Die Robustheit des Systems wird derzeit jedoch durch Einschränkungen bei der Prognosegenauigkeit beeinflusst. Diese hängen von der Qualität der meteorologischen Daten, der Geländedarstellung und den hydrologischen Annahmen ab.

Seit der Inbetriebnahme des Systems im Jahr 2025 liegen noch keine Überwachungsdaten über seine tatsächliche Nutzung durch Gebietsansässige und Institutionen neben seiner Leistung vor. Sie werden jedoch zu einem späteren Zeitpunkt verfügbar sein, sobald das System über einen ausreichenden Zeitraum getestet wurde. Bis heute wurde das System durch Simulationen validiert und seine Funktionalität und Leistung unter modellierten Hochwasserszenarien bewertet.

Das Frühwarnsystem muss kontinuierlich weiterentwickelt und gewartet werden, insbesondere in Bezug auf:

• Verbesserung der Qualität und Dichte der Eingabedaten (z. B. Flussbettmessungen, Sensoren),
• Kalibrierung hydrologischer und hydraulischer Modelle,
• Optimierung der numerischen Einstellungen, um Genauigkeit und Rechenkosten auszugleichen.

Diese Aspekte deuten darauf hin, dass die Qualität der Lösung nicht statisch ist. Es erfordert laufende technische Updates, um die Leistung im Laufe der Zeit aufrechtzuerhalten und zu verbessern.

Das Frühwarnsystem ist das Ergebnis der Zusammenarbeit mehrerer Akteure. Das Jelgava Digital Centre ist eine kommunale digitale Einrichtung, die Katastrophenschutzprozesse koordiniert und die Webanwendung entwickelt, die als Frühwarnsystem für die Öffentlichkeit fungiert. Die Planungsregion Zemgale ist eine Institution, die sechs Gemeinden umfasst und die Planung der regionalen Entwicklung und der Anpassung an den Klimawandel unter der Aufsicht des Ministeriums für Umweltschutz und regionale Entwicklung koordiniert. Es war verantwortlich für die Entwicklung des HEC-RAS 2D-Hydraulikmodells. Das lettische Zentrum für Umwelt, Geologie und Meteorologie sammelt, speichert und liefert Umweltinformationen, einschließlich der meteorologischen und hydrologischen Daten, die vom Modell zur Vorhersage von Hochwassergebieten verwendet werden. Das Baltic Environmental Forum arbeitet an der Schnittstelle zwischen Wissenschaft, Zivilgesellschaft, Politik und Verwaltung. Sie koordinierte die Einbeziehung der Interessenträger bei der Entwicklung des Frühwarnsystems und des Anpassungsplans.

Die Beteiligung der Interessenträger war für die Entwicklung des Hochwasserfrühwarnsystems von zentraler Bedeutung. An der Strategie zur Einbeziehung der Interessenträger waren Gruppen beteiligt, die die Kategorien „Vierfachhelix“ (Hochschule, Regierung, Industrie und Gemeinschaft) vertreten, und es waren Vertreter lokaler, regionaler und nationaler Institutionen und Organisationen beteiligt. Der Prozess umfasste Information, Zusammenarbeit, Informationsaustausch, Beratung und Mitgestaltung der Lösung. Experten aus verschiedenen Bereichen wurden ebenfalls konsultiert und in den Informationsaustausch über Hochwasserrisikovorhersagen einbezogen.

Erfolgsfaktoren

Mehrere Faktoren unterstützten die Entwicklung und Umsetzung des Frühwarnsystems. Dazu gehören das starke Interesse lokaler und regionaler Interessenträger an der Verbesserung des Hochwasserrisikomanagements, das wachsende Bewusstsein für klimabedingte Hochwasserrisiken und die Verfügbarkeit von Beispielen für bewährte Verfahren wie digitale Zwillinge.

Ein entscheidender Faktor ist die Zusammenarbeit zwischen dem Digitalzentrum Jelgava, der Planungsregion Zemgale, dem lettischen Zentrum für Umwelt, Geologie und Meteorologie und dem Ostsee-Umweltforum. Das System baut auch auf der sensorbasierten Anwendung auf, die bereits in Jelgava City in Betrieb ist. Dieses erste Warnsystem stützte sich in erster Linie auf Flusssensoren zur Messung des Wasserstands und einen einfachen Meldemechanismus zur Warnung der Bewohner. Dieser Ansatz erwies sich auf lokaler Ebene als wertvoll, seine Funktionalität war jedoch begrenzt und es fehlte an Vorhersagefähigkeit. Diese bisherigen Erfahrungen lieferten eine konsolidierte technische und Wissensbasis für die Erweiterung des Systems auf die breitere Region Zemgale.

Die Lösung hat ein klares Upscaling-Potenzial. Es soll von der Stadt Jelgava auf die regionale Ebene Zemgale ausgedehnt und an das nationale Überwachungsnetz angeschlossen werden. Die im Rahmen des Projekts gewonnenen Erfahrungen, einschließlich des Handbuchs, können auch andere Gemeinden bei der Einrichtung und dem Betrieb von Hochwasserfrühwarnsystemen unterstützen.

Begrenzungsfaktoren

Gleichzeitig bleiben einige einschränkende Faktoren bestehen. Sie betreffen hauptsächlich die Verfügbarkeit von Daten, die Zusammenarbeit mit Kommunen, technische Kapazitäten und das Vertrauen der Öffentlichkeit. Zu den potenziellen Hindernissen gehören unvollständige Datensätze und Schwierigkeiten bei der Einigung mit den lokalen Gemeinden über die Datenspeicherung und die damit verbundenen Dienste.

Die begrenzte Verfügbarkeit hochqualifizierter Experten für den Betrieb von HEC-RAS-basierten Vorhersagesystemen auf kommunaler Ebene kann neben der Abhängigkeit von externen GIS-basierten Datenquellen auch den Betrieb des Systems beeinflussen. Auch Misstrauen der Anwohner gegenüber Warnungen, die über das Frühwarnsystem eingehen, ist möglich, insbesondere wenn Fehlalarme erzeugt werden.

Die Maßnahme wurde aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union (Projekt IMPETUS) finanziert. Es liegen keine Informationen über die spezifischen Kosten der Maßnahme vor.

Der Hauptvorteil ist die Ausweitung der Frühwarninformationen auf eine große Anzahl von Einwohnern und Haushalten. Das System umfasst rund 93.000 Haushalte, was rund 225.000 Einwohnern in der Region Zemgale entspricht. Somit ist die Maßnahme nicht auf institutionelle Nutzer beschränkt, sondern unterstützt die öffentliche Vorsorge direkt, indem sie Anwohnern und Behörden hilft, vor Hochwasserereignissen gezielte Informationen zu erhalten. Den Bürgerinnen und Bürgern die Möglichkeit zu geben, bestimmte Orte für gezielte Warnungen wie Schulen, Wohnungen oder Arbeitsplätze auszuwählen, bietet einen klaren sozialen Wert, indem direkt auf die Bedürfnisse der Gemeinschaft eingegangen wird.

Aus wirtschaftlicher Sicht hängt die Relevanz der Maßnahme mit der Rolle von Zemgale in der lettischen Wirtschaft und der Hochwasserexposition sowohl städtischer als auch ländlicher Gebiete zusammen. Im Jahr 2023 erwirtschaftete Zemgale 3,1 Mrd. EUR des BIP, was 7,8 % des BIP Lettlands entspricht, wobei das Pro-Kopf-BIP 13 626 EUR betrug. Aufgrund der hohen Bodenfruchtbarkeit hat die Region ein starkes landwirtschaftliches und bioökonomisches Profil. Eine verbesserte Hochwasserwarnung kann daher nicht nur den Schutz von Haushalten, Infrastruktur und öffentlichen Dienstleistungen unterstützen. Es kommt auch wirtschaftlichen Tätigkeiten zugute, einschließlich landwirtschaftlicher und lebensmittelbezogener Wertschöpfungsketten.

Die Maßnahme bietet Vorteile für öffentliche Planungs- und Investitionsentscheidungen. Durch die Verbesserung der Verfügbarkeit von Informationen über Hochwasserrisiken können Gemeinden und regionale Behörden dabei unterstützt werden, Vorsorgemaßnahmen, Notfallmaßnahmen und künftigen Anpassungsmaßnahmen Vorrang einzuräumen. Im Laufe der Zeit kann die Erhebung und Nutzung hochwasserbezogener Daten zu einem besseren Verständnis der Hochwasserhäufigkeit, der exponierten Gebiete und der sich ändernden Risikomuster beitragen. Dies würde dazu beitragen, die Planung der Anpassung an den Klimawandel und die Auswahl geeigneter struktureller oder naturbasierter Maßnahmen zu steuern.

Das Frühwarnsystem wurde über die vier Jahre des IMPETUS-Projekts entwickelt, im Rahmen von EU Horizon 2020 (2022-2025) gefördert und endete entsprechend mit der geplanten Projektzeit.

Da es sich bei der Maßnahme um einen digitalen und operativen Dienst handelt, sollte ihre Lebensdauer als kontinuierlich und nicht auf einen vordefinierten Zeitraum beschränkt verstanden werden.

Es wird erwartet, dass das System so lange in Betrieb bleibt, wie es von den zuständigen Behörden gewartet, aktualisiert und genutzt wird. Seine Kontinuität hängt von der regelmäßigen technischen Wartung, der Aktualisierung der Eingabedaten und -modelle sowie der Koordinierung zwischen den beteiligten Institutionen ab. Im Laufe der Zeit kann das System weiter verbessert werden, um die Prognosegenauigkeit zu erhöhen oder seine Funktionen an sich ändernde Bedürfnisse anzupassen.

Marija Stocka
Manager at Project Management Division
Information Technology Development Department, Jelgava City Municipality Institution “Jelgava Digital Centre”

Mārīte Ieviņa
Head of Project Management Division
Information Technology Development Department, Jelgava City Municipality Institution “Jelgava Digital Centre”

jdc@jelgava.lv

Handbuch für das Know-how der Interessenträger zur Frühwarnung bei Überschwemmungen

Anpassungspfade zur Bewältigung des durch den Klimawandel verursachten Hochwasserrisikos in der Region Zemgale, Lettland

Plan zur Anpassung an den Klimawandel in der Region Zemgale