Der Klimawandel und die damit einhergehende Zunahme von extremen Wetterereignissen stellt die Straßeninfrastruktur vor vielfältige Herausforderungen. Naturgefahren wie Stürme, Überschwemmungen, gravitative Massenbewegungen und Hitzeperioden können Schäden an der Infrastruktur verursachen, zu Verkehrseinschränkungen oder im schlimmsten Fall zu Unfällen führen. Mit dem Nachhaltigkeitsziel 13.1 (SDG 13) sieht die deutsche Nachhaltigkeitsstrategie die Stärkung der Widerstandskraft und Anpassungsfähigkeit gegenüber klimabedingten Gefahren vor (Bundesregierung 2020). Die Deutsche Anpassungsstrategie an den Klimawandel (DAS 2008) setzt den nötigen Rahmen, um den Herausforderungen des Klima- wandels zu begegnen. Die Klimawirkungs- und Risikoanalyse für Deutschland 2021 (KWRA; Kahlenborn et al. 2021) entwickelt auf nationaler Ebene die deutsche Strategie zur Anpassung an den Klimawandel weiter. Der Teilbericht 4 stellt hierbei den Cluster „Infrastruktur” dar, welcher die Handlungsfelder „Bauwesen“, „Energiewirtschaft“ und „Verkehr, Verkehrsinfrastruk- tur“ umfasst (Voß et al. 2021). Das Themenfeld 1 des BMDV-Expertennetzwerks leistet fachliche Beiträge für die KWRA, um die Anpassungsbedarfe seitens der Verkehrsinfrastruktur zu identifizieren.

Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) beschäftigt sich bereits seit 2011 mit den Auswirkungen des Klimawandels auf die Straßeninfrastruktur. Ziel des sogenannten AdSVIS- Forschungsprogramms (Adaptation der Straßenverkehrsinfrastruktur an den Klimawandel) war es, relevante Auswirkungen des Klimawandels zu identifizieren, die Verwundbarkeit einzelner Elemente der Straßeninfrastruktur zu bewerten und Anpassungsoptionen zu entwickeln.

Als Vertreter des Verkehrsträgers Straße im BMDV-Expertennetzwerk entwickelt die BASt seit 2016 die Methodik einer Klimawirkungsanalyse weiter und identifiziert somit die potenziellen Auswirkungen des Klimawandels und extremer Wetterereignisse. Insbesondere stehen hierbei die Wetterextreme Starkregen, Sturm und Hitze im Fokus.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Einleitung

Im Jahr 2016 gründete das Bundesministerium für Digitales und Verkehr das BMDV-Expertennetzwerk. Ziel des Themenfeldes 1 in diesem Netzwerk ist es, den Verkehr und die Infrastruktur des Bundes an Klimawandel und extreme Wetterereignisse anzupassen und somit die Klimaresilienz zu stärken. Basierend auf der Bewertung von Klimawirkungen auf das Verkehrssystem werden exemplarisch Anpassungsmaßnahmen entwickelt bzw. bewertet und damit die negativen Auswirkungen des Klimawandels auf das Verkehrssystem minimiert (Hänsel et al. 2020).

Bei der Analyse des klimatischen Einflusses auf das Verkehrssystem konzentrierte sich das Themenfeld 1 in der ersten Förderphase (2016-2019) auf die möglichen Klimawirkungen von Hochwasser (Rauthe et al. 2020), Stürmen (Bott et al. 2020) und gravitativen Massenbewegungen (Lohrengel et al. 2020) sowie auf wasserstraßenspezifische Aspekte der Schiffbarkeit (z. B. Niedrigwasser) und Wasserqualität (Nilson et al. 2020).

Um eine gemeinsame Struktur zu schaffen und vergleichbare Ergebnisse zu den Auswirkungen des Klimawandels auf die verschiedenen Verkehrsträger Straße, Schiene und Wasserstraße zu generieren, wurde ein gemeinsamer methodischer Rahmen der Klimawirkungsanalyse entwickelt. Dieser gliedert sich in drei Teilschritte (Bild 1).

In der Expositionsanalyse werden diejenigen Bereiche des Bundesverkehrswegenetzes lokalisiert, die potenziell von den genannten Naturgefahren betroffen sein könnten. Anschließend werden in der Sensitivitätsanalyse solche Infrastruktureigenschaften und Objekte identifiziert, die besonders anfällig gegenüber den betrachteten Klimawirkungen sind. Die Kritikalitätsanalyse identifiziert die Bedeutung der betroffenen Streckenabschnitte, indem verkehrliche, ökonomische und ökologische Faktoren bewertet werden.

Bild 1: Methodischer Rahmen der Klimawirkungsanalyse, angepasst nach Hänsel et al. 2020

1.1 Expositionsanalyse

Bei der Expositionsanalyse wird untersucht, inwieweit die Verkehrsinfrastruktur aufgrund ihrer räumlichen Lage bestimmten klimatischen Einflüssen und damit den zu erwartenden Klimaänderungen ausgesetzt ist (Hänsel et al. 2020).

Für die Straßeninfrastruktur wurden bereits erste Ergebnisse zu gravitativen Massenbewegungen, Flusshochwasser, Überschwemmungen durch Starkregenereignisse und potenziellen Auswirkungen durch Sturmwurf gewonnen.

Mit Hilfe von geographischen Informationssystemen (GIS) wurden Modelle und Kartenprodukte entwickelt, welche die Identifizierung von potenziell exponierten Abschnitten des Bundesfernstraßennetzes ermöglichen. Zusätzlich zu den genannten Modellen und Karten wurden erste Analysewerkzeuge für Starkregenereignisse (eine sogenannte „Blue-Spot-Analyse”) und die Erfassung von Vegetationsvorkommen entlang der Straße entwickelt. Diese ermöglichen eine variable Anwendung auf verschiedene Gebiete, auch im Hinblick auf die sich stetig aktualisierenden Eingangsdaten.

1.2 Sensitivitätsanalyse

Die Auswirkungen des Klimawandels sind nicht überall gleich stark ausgeprägt. Es gibt regionale Unterschiede, wie empfindlich der Verkehr bzw. die Verkehrsinfrastruktur in Deutschland auf veränderte Klimaeinflüsse bzw. daraus resultierende Klimafolgen reagiert. Ausschlaggebend sind hier regions-, strecken-, bauwerks- oder nutzungsbezogene Parameter (z. B. Bauwerksgestaltung, Bauweisen, Fahrzeugtypen etc.) und die daraus resultierenden regionalen Unterschiede, z. B. in Bauweisen oder Umwelteigenschaften (Geologie, Böden, Topographie, Landnutzung etc.) (Hänsel et al. 2020).

Für die Sensitivitätsanalyse wurden bisher erste mögliche Verwundbarkeiten der Straßeninfrastruktur gegenüber den genannten Naturgefahren berücksichtigt. Dazu gehört z. B. die Asphaltbauweise, die aufgrund ihrer Materialeigenschaften gegenüber anhaltenden Hitzeeinwirkungen Sensitivitäten im Sinne von Spurrinnenbildung aufweist. Im externen Forschungsprojekt der BASt „Asphaltoberbau und extreme Temperaturen“ konnte festgestellt werden, dass geänderte Materialkonzepte prinzipiell eine Anpassung an die zu erwartenden klimatischen Bedingungen ermöglichen (Beckedahl et al. 2020).

Die Sensitivitätsanalyse adressiert ebenfalls die unterschiedlichen Straßenbauwerke, inklusive der Ingenieurbauwerke (sogenannte Objekt-Betrachtung/Objektebene), die innerhalb eines Streckenabschnitts lokalisiert sind. Darunter sind auch die Bauwerke und technischen Maßnahmen, die zur Sicherung von Straßen (Durchlässe, Fels- und Hangsicherung, Stützkonstruktionen) eingerichtet wurden, zu verstehen.

1.3 Kritikalitätsanalyse

Die dritte Komponente der Klimawirkungsanalyse stellt schließlich die Bedeutung eines Straßenabschnitts dar. Wichtige Indikatoren für die Bedeutung des Infrastrukturabschnitts können verkehrliche Aspekte wie Frachtaufkommen und -werte, Verkehrsaufkommen oder alternative Routenoptionen sein.

Im Rahmen der Kritikalitätsanalyse wird die verkehrliche Bedeutung von Abschnitten des Bundesfernstraßennetzes anhand verschiedener Indikatoren auf Basis verkehrlicher und raumplanerischer Parameter bewertet.

Ein wichtiger Indikator für die Kritikalitätsanalyse ist das Verkehrsaufkommen, z. B. gemessen am durchschnittlichen Wochentagsverkehr (DTVw). Weitere Indikatoren wie der Anteil des Schwerverkehrs über 3,5 Tonnen sowie die durchschnittlichen Reiseweiten lassen sich daraus ableiten und fließen ebenfalls in die Analyse ein.

Darüber hinaus werden Verbindungsfunktionsstufen von Verkehrsachsen zwischen regional und überregional bedeutsamen Zentren als wichtiger Indikator der raumplanerischen Relevanz betrachtet.

Während die erste Phase des BMDV-Expertennetzwerks (2016 – 2020) in erster Linie verkehrsträgerspezifische Analysen im Fokus hatte, widmen sich die Forschungsfragen in Phase 2 (2020 – 2025) zunehmend den verkehrsträgerübergreifenden Aspekten. Das Thema Kritikalität bietet hierfür geeignete Inhalte. Es ist z. B. davon auszugehen, dass Streckenausfälle eines Verkehrsträgers ebenso Auswirkungen auf andere Verkehrsträger haben können. In diesem Sinne sind vor allem Verknüpfungspunkte (z. B. Hochsee- und Binnenhäfen, Umschlagterminals etc.) als neuralgische Punkte zu betrachten, die in verkehrsträgerübergreifende Betrachtungen einbezogen werden müssen. Aktuelle Forschungen des Expertennetzwerks beschäftigen sich mit der Analyse von diesen und weiteren verkehrsträgerübergreifenden Zusammenhängen des Bundesverkehrssystems, um nach Möglichkeit verkehrsträgerübergreifende Kritikalitätsindikatoren zu bilden.

2 Klimawirkungen

Die Verkehrsinfrastruktur ist bereits heute von meteorologischen und hydrologischen Einflüssen betroffen. Während für die Abschätzung der zukünftigen Exposition gegenüber Extremwetterereignissen keine robusten Klimasignale verfügbar sind, zeigen die Zukunftsprojektionen des RCP8.5-Szenarios (nachfolgend bezeichnet als „Weiter-wie-bisher-Szenario“) z. B. eine Zunahme der potenziellen Exposition gegenüber gravitativen Massenbewegungen (Hänsel et al. 2020). Für die Betroffenheit der Straßeninfrastruktur durch Flusshochwasser konnte eine Verkürzung der Wiederkehrintervalle von extremen Hochwasserereignissen festgestellt werden. Extremwetterereignisse wie Starkregen oder Stürme beeinträchtigen Verkehr und Infrastruktur bereits unter heutigen Klimabedingungen in solchem Maße, dass eine Klimawirkungsanalyse als Grundlage zur Prävention und Anpassung essenziell ist.

Um diese potenziellen Auswirkungen der Gegenwart und Zukunft auf das Bundesfernstraßennetz zu untersuchen, wurden verschiedene naturgefahrenspezifische Forschungsprojekte durchgeführt.

2.1 Überschwemmungen – Starkniederschläge

Zukünftig zu erwartende klimatische Veränderungen können die Exposition von Straßen gegenüber niederschlagsbedingten Überschwemmungen erhöhen.

Meist sind es Extremwetterereignisse, die Verkehr und Infrastruktur vor außergewöhnliche Herausforderungen stellen. Im Rahmen des Klimawandels ist mit einer Zunahme der Häufigkeit und Intensität von Starkniederschlägen zu rechnen (Hänsel et al. 2020). So hat die Anzahl der Starkniederschlagstage¹⁾ beispielsweise im Herbst über 65 Jahre des Beobachtungszeitraums (1951 – 2015) bereits um 38 % zugenommen. Für die Zukunft wird in allen Jahreszeiten mit einem weiteren verstärkten Anstieg der Häufigkeit von Starkniederschlägen gerechnet, wobei die stärkste Zunahme im Winter und im Frühling erwartet wird.

Insbesondere die Kombination aus langanhaltender Trockenheit und plötzlichen Starkniederschlägen in den Sommermonaten kann zu extremer Abflussbildung und Beeinträchtigung der Infrastruktur führen. Um die Betroffenheit des Bundesfernstraßennetzes durch potenzielle Überflutungen aufgrund lokaler Starkregenereignisse abzuschätzen und zu bewerten, wurde für das Bundesland Nordrhein-Westfalen (NRW) eine Analyse zur Identifizierung von potenziellen Überflutungsbereichen nach dem dänischen Vorbild Larsen et al. 2010a und Larsen et al. 2010b durchgeführt. Dabei wurden solche Streckenabschnitte identifiziert, die aufgrund ihrer räumlichen Lage und des Abflussverhaltens verschiedener Niederschlagszenarien potenziell exponiert sind.

Im ersten Schritt wurde eine hydrologische Modellierung durchgeführt, um die Abflussbeiwerte von drei verschiedenen Niederschlagsszenarien (50 mm/h, 80 mm/h, 110 mm/h) für das Projektgebiet auf der Grundlage von Landnutzungs-, Relief- und Bodeninformationen unter Verwendung des Lutz-Verfahrens (Lutz, 1984) zu berechnen. Der Abflussbeiwert beschreibt das Verhältnis zwischen Gesamtniederschlag und Oberflächenabfluss als dimensionslosen Wert zwischen 0-1 und ist ein wichtiger Eingangsparameter für die nachfolgende hydraulische Modellierung. Für jedes einstündige Niederschlagsszenario wurden 12 Abflussbeiwertraster berechnet (ein Raster pro 5-Minuten-Intervall). Aus dem Abflussbeiwert und der Niederschlagsmenge konnte somit der effektive Oberflächenabfluss pro Gitterzelle bestimmt werden (Büche et al. 2020).

Die hydraulische Modellierung ermöglichte die detaillierte Ableitung der Fließwege des Oberflächenabflusses mittels eines rasterbasierten hydrodynamischen 2D-Modells sowie die Berechnung der lokalen Fließgeschwindigkeiten und Überflutungstiefen.

¹⁾ Als Starkniederschlagstage sind Tage mit einer Niederschlagssumme von mindestens 20 mm definiert.

Eingangsgrößen waren die berechneten Abflussbeiwertraster, die aus Landnutzungsinformationen abgeleitete Oberflächenrauhigkeit, Informationen über Lage und Dimension von Durchlässen oder Straßenentwässerungsanlagen und ein hochauflösendes digitales Geländemodell mit einer Zellgröße von einem Meter (DGM1).

Um Rechenkapazität zu sparen, wurde ein Hydroresampling durchgeführt, das die Auflösung des DGM1 auf fünf Meter reduzierte, ohne Informationen über hydraulisch und hydrologisch bedeutsame Geländeeigenschaften zu verlieren. Informationen zu den Gewässernetzen, untergeordneten Verkehrswegen und dem Bundesfernstraßennetz werden in das aggregierte DGM5 übernommen. Durchlässe, Brücken, unterirdische und oberirdische Gewässer wurden mittels Pumplinien, die einen definierten Durchfluss simulieren, in das DGM integriert, um die Fließwege möglichst realistisch darstellen zu können.

Durch diese Methodik konnten solche Überflutungsflächen identifiziert werden, die sich im Einflussbereich des Bundesfernstraßennetzes befinden und somit einzelne Streckenabschnitte beeinträchtigen können. Diese identifizierten Überflutungsflächen liegen als georeferenzierte Flächen-Features vor, denen die in ihrem Einflussbereich befindlichen Abschnitte des Bundesfernstraßennetzes (Linien-Features) zugeordnet sind (Bild 2).

Bild 2: Ergebnis der hydrologisch-hydraulischen Analyse Überflutungstiefen und Gefährdungseinschätzung für Streckenabschnitte in NRW je Niederschlagsszenario von 50 mm/h, 80 mm/h und 110 mm/h, angepasst nach Büche et al. 2020

Anhand verschiedener Indikatoren erlaubte die abschließende Risikoanalyse die Bewertung der potenziellen Auswirkungen, welche die Überflutungen auf das Bundesfernstraßennetz haben können. Zu diesen Indikatoren gehören die Intensität, die sich aus der Kombination von Überflutungstiefe und Fließgeschwindigkeit ergibt sowie die hypothetische Eintrittshäufigkeit, abhängig von der notwendigen Niederschlagsmenge, welche die entsprechende Überflutung verursacht. Als dritter Indikator wurde die Relevanz des betroffenen Straßenabschnitts anhand des durchschnittlichen werktäglichen Verkehrsaufkommens und des Anteils des Schwerverkehrs bewertet.

Die Zusammenfassung aller notwendigen methodischen Bearbeitungsschritte der Analyse zur Identifizierung von potenziellen Überflutungsflächen in einer ArcGIS-Toolbox ermöglicht eine effiziente Anwendung auf weitere Untersuchungsgebiete. Darüber hinaus besteht durch die Implementierung in ein GIS die Möglichkeit zur Ausgabe von Kartenwerken, die an die Bedürfnisse unterschiedlicher Nutzer angepasst werden können.

2.2 Gravitative Massenbewegungen

Gravitative Massenbewegungen können den Verkehr und die Straßeninfrastruktur auf verschiedene Weise beeinträchtigen. Durch Hindernisse auf Straßen können Unfälle entstehen, die wiederum zu Behinderungen führen und Verzögerungen im Verkehrsfluss zur Folge haben können. Auch Schäden an der Verkehrsinfrastruktur selbst sind möglich, die weitere Beeinträchtigungen zur Folge haben können.

Die Hangstabilität hängt wesentlich von der Beschaffenheit bzw. der Art des Untergrundes und der Hangneigung ab. Unterschiedliche Witterungsbedingungen und extreme Wetterereignisse wie Dauer- und Starkniederschläge oder Frost-Tau-Wechsel können auslösende Faktoren für Hangrutschungen darstellen (Krauter et al. 2012). Schnelle, wasserhaltige Massenbewegungen sind für Fragestellungen im Rahmen des Klimawandels von besonderem Interesse. In Folge der sich ändernden Niederschlagsverhältnisse ist von einer zukünftigen Zunahme dieser Prozesse auszugehen.

Für die Expositionsanalyse gegenüber gravitativer Massenbewegungen wurde ein ingenieurgeologischer Modellansatz mittels eines wissensbasierten Verfahrens ermittelt (Schipek, Kallmeier 2019). Zunächst erfolgte die Durchführung für einen allgemeinen Ansatz, der nicht zwischen unterschiedlichen Massenbewegungsprozessen unterscheidet. Durch die Kombination einer Hangneigungs- und einer geotechnischen Gesteinsklassifikation wurden im ersten Schritt fünf Haupthinweisklassen in einem GIS entwickelt (DGM-Klassifikation; Tabelle 1). Zur weiteren technischen Verarbeitung wurden je Hauptklasse drei Unterklassen, demnach insgesamt 15 Hinweisklassen, gebildet.

Tabelle 1: Expertenwissenbasierte Hinweisklassen zur Ermittlung der Exposition des Bundesfernstraßennetzes gegenüber gravitativen Massenbewegungen durch Kombination der Gesteins- und der Hangneigungsklassifikation, verändert nach Schipek, Kallmeier 2019

Zur Spezifizierung der Hinweisklassen wurden weitere Parameter wie die Landnutzung, Trennflächen, Klüftung, Verformungsempfindlichkeit und Fließakkumulation herangezogen (Bild 3). Hierzu wurden jeweils Modifikatoren gebildet, die mit Hilfe eines Algorithmus kombiniert wurden, sodass sich letztendlich die Hinweisklassen entweder um eine Klasse verringern (-1), neutral bleiben (0) oder erhöhen (+1).

Im letzten Analyseschritt wurde für die potenziellen Massenbewegungsbereiche ein räumlicher Bezug zum Bundesfernstraßennetz hergestellt. Für die Auswertung wurden die Hinweisklassen ≥10 (hohes bis sehr hohes Expositionspotenzial) berücksichtigt. Um einen Überblick über die Streckenabschnitte zu erhalten, die sich direkt und in einem Radius von 50 m, 100 m oder 200 m um Gebiete der Hinweisklassen ≥10 befinden, wurden entsprechende Pufferzonen gebildet. Zuletzt wurde das Bundesfernstraßennetz mit diesen Zonen verschnitten.

Bild 3: Fließschema (Algorithmus) zur Berechnung der resultierenden Modifikation (Spezifizierung) der Hinweisklassen für allgemeine gravitative Massenbewegungen, Schipek, Kallmeier 2019

Um im Weiteren den klimatischen Einfluss der Gegenwart und zukünftige Klimawandeleinflüsse zu berücksichtigen, wurden die Parameter mittlerer Jahresniederschlag, mittlerer Sommerniederschlag, mittlerer Winterniederschlag, Anzahl der Tage mit Starkniederschlagsereignissen und Anzahl der Tage mit Frost-Tau-Wechseln aus Klimadaten des Deutschen Wetterdienstes (DWD) abgeleitet. In Anlehnung an den Fünften Sachstandsbericht des IPCC wurden Klimaprojektionen für das angenommene Weiter-wie-bisher-Szenario für die „nahe Zukunft“ (2031 – 2060) und die „ferne Zukunft“ (2071 – 2100) erstellt. Die generierten Klimadaten wurden ebenfalls über ein Modifikationsschema in das vorliegende Modell integriert.

Das Gesamtergebnis zeigte, dass unter der Annahme des Weiter-wie-bisher-Szenarios eine Zunahme der potenziell gegenüber gravitativen Massenbewegungen exponierten Bundesfernstraßenabschnitte zu erwarten ist (Lohrengel et al. 2020). Nach Modellanwendung liegen unter Berücksichtigung der Klimaparameter bereits heute etwa 5 % (2.590 km) des Bundesfernstraßennetzes potenziell in Bereichen der Hinweisklassen ≥10. In der nahen Zukunft könnten bereits etwa 6 % (2.980 km) und in der fernen Zukunft 7 % (3.650 km) des Bundesfernstraßennetzes potenziell durch gravitative Massenbewegungen betroffen sein.

Da die Prozessabläufe von gravitativen Massenbewegungen und die daraus resultierenden Auswirkungen differenziert zu bewerten sind, wurden bereits erste Modelle zur Prozessdifferenzierung entwickelt. Dabei wurde im Rahmen der Folgeforschung in Sturz- (Felsstürze), Rutsch- und Fließprozesse unterteilt. Weitere Arbeiten beschäftigen sich mit der Validierung und Weiterentwicklung von Klimaparametern und deren Schwellenwerten, welche die unterschiedlichen Arten von Massenbewegungsprozessen auslösen können.

2.3 Stürme

Stürme gehören ebenfalls zu den Extremwetterereignissen, die Infrastrukturbetreiber und Verkehr bereits heute – auch ohne Berücksichtigung des Klimawandels – vor Herausforderungen stellen (Hänsel et al. 2020). Häufig stellen umgeknickte oder entwurzelte Bäume, die auf die Fahrbahn stürzen, eine Unfallgefahr für Verkehrsteilnehmer dar oder führen zu temporären Verkehrsunterbrechungen.

Aus diesem Grund wurde beschlossen, eine Expositionsanalyse der Bundesfernstraßen in Bezug auf das Vegetationsvorkommen in Deutschland durchzuführen. In einem ersten Schritt wurde ein GIS-basierter Verschnitt des Bundesfernstraßennetzes mit dem Vegetationsvorkommen auf Grundlage des Digitalen Basis-Landschaftsmodells (Basis-DLM) vorgenommen. Dieses enthält verschiedene Waldtypen, Baumreihen und andere Gehölze.

Im Ergebnis wurde festgestellt, dass insgesamt etwa 25 % des Bundesfernstraßennetzes durch bewaldete Gebiete führen. Darüber hinaus verlaufen etwa 13 % des Bundesfernstraßennetzes entlang von Baumalleen. Es ist zu beachten, dass das DLM keine Aussage über Baumhöhen enthält, was jedoch eine essenzielle Information im Zusammenhang mit der Sturmwurfproblematik darstellt. Aus diesem Grund wurde das externe Forschungsprojekt FE 01.0201/2018/ NRB „Erfassung von Bäumen mittels Laserscan-Daten (LiDAR) zur Expositionsanalyse entlang des Bundesfernstraßennetzes von Nordrhein-Westfalen“ (Schipek et al. 2020) initiiert. Ziel war eine Einzelbaumerfassung entlang des Bundesfernstraßennetzes durchzuführen und mit entsprechenden Parametern (Lage, Höhe, Straßenabschnitt, Entfernung zur Straße etc.) zu attributieren. Als Datengrundlage wurden die für das Bundesland Nordrhein-Westfalen verfügbaren LiDAR-Daten (light detection and ranging) verwendet.

Die grundlegende Herangehensweise basierte auf der Berechnung eines Kronenhöhenmodells (KHM), welches durch das Entfernen von Ausreißern und der Anwendung von Rausch- und Glättungsfiltern weiter aufbereitet wurde. Das Kronenhöhenmodell berechnete sich dabei im Allgemeinen aus der Differenz des digitalen Oberflächenmodells (DOM) sowie des digitalen Höhenmodells (DGM): KHM = DOM – DGM.

Zur Ermittlung der Bäume, die potenziell bei einem Sturmwurfereignis die Straße betreffen können, wurden den Baumkandidaten verschiedene Parameter wie Lage, Höhe des Kronenmodells, Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) und der Abstand zum nächstgelegenen Straßenabschnitt zugewiesen.

Die endgültige Erkennungsrate wurde mit etwa 75 % für Laubbäume und etwa 65 % für Nadelbäume angenommen. Das Untersuchungsgebiet wurde auf einen 100 m breiten Puffer entlang der Straße festgelegt. Nach der Erkennung der Einzelbäume sowie besonders dichter Vegetation wurden die Baumkandidaten identifiziert, deren Höhe ihren Abstand zur Straße überschreiten (Bild 4, relevante Baumkandidaten).

Von insgesamt ca. 6.100.000 Individuen wurden schließlich ca. 16% als relevant für eine potenzielle Beeinträchtigung der Straßeninfrastruktur in Bezug auf Sturmwurf eingestuft.

Bild 4: Ergebnis ermittelter Baumkandidaten entlang der Bundesfernstraßen, Schipek et al. 2020

Die Ergebnisse können in Zukunft Infrastrukturbetreibern zur Verfügung gestellt werden, um z. B. ein nachhaltiges Vegetationsmanagementkonzept zu unterstützen. Mit geeigneten Datengrundlagen ist es möglich, ganze Bundesländer oder nur Detailgebiete auszuwerten. Eine erfolgreiche Anwendung des für Nordrhein-Westfalen entwickelten Tools ist bereits für das Bundesland Thüringen erfolgt.

2.4 Hitze

Stetig steigende Temperaturen und Häufungen von Hitzeereignissen belasten nicht nur die Gesundheit und das Wohlbefinden von Verkehrsteilnehmenden, sondern stellen auch besondere Anforderungen an bauliche Anpassungen im Straßenbau dar.

Laut aktuellen Klimadaten des DWD hat das Jahresmittel der Lufttemperatur im Beobachtungszeitraum (1951 – 2015) im Flächenmittel über Deutschland bereits um 1,6 °C zugenommen (Hänsel et al. 2020). Zunächst erscheint dieses Mittel über einen Zeitraum von 60 Jahren für die Auswirkungen im Straßenbau recht gering, da es meist extremerer Temperaturen bedarf, die bleibende Schäden an der Straßeninfrastruktur hinterlassen. Jedoch ist ebenfalls von einer Häufung und Intensivierung von Hitzewellen auszugehen. So ergeben sich für Parameter wie die Anzahl heißer Tage²⁾ in der fernen Zukunft für das Weiter-wie-bisher-Szenario ein Anstieg um 14 bis 28 Tage und eine Zunahme um 5 bis 16 Tropennächte³⁾ (Bild 5). Damit zusammenhängend ist schon in der nahen Zukunft im Deutschlandmittel bereits alle 5 bis 21 Jahre mit Hitzeperioden⁴⁾ zu rechnen. Simultan ist zu erwarten, dass es zukünftig weniger Tage mit einer Tagestiefsttemperatur von 0 °C geben wird (Frosttage) bzw. die Tageshöchsttemperatur seltener unter 0 °C sinken wird (Eistage).

Bild 5: Projizierte Klimaänderung (Deutschlandmittel; in Tagen) für sieben temperaturbasierte Klimaindizes für die nahe (dunkler Farbton) und die ferne Zukunft (heller Farbton) unter Verwendung des Klimaschutzszenarios (blau) und des Weiter-wie-bisher-Szenarios (rot), nach Hänsel et al. 2020 (aktualisierte Daten 2022)

In Bezug auf die Asphaltbauweise können diese Hitzeereignisse zu Schäden in Form von Spurinnen führen. Beckedahl et al. (2020) gehen unter Berücksichtigung des projizierten Klimawandels sogar von einer Verkürzung der Nutzungsdauer aller Asphaltschichten aus. So können sich infolge temperaturbedingter Steifigkeitsminderungen an der Unterseite der Asphalttragschicht Zugdehnungen erhöhen und damit Ermüdungsschädigungen ausprägen.

²⁾ Heiße Tage sind Tage mit einer Tageshöchsttemperatur von mindestens 30 °C.

³⁾ In sogenannten Tropennächten bleibt die Tagestiefsttemperatur über 20 °C.

⁴⁾ Hitzeperioden sind definiert als Aufeinanderfolge von mindestens drei Tagen mit einer Tageshöchsttemperatur > 30 °C und einer Tagestiefsttemperatur > 20 °C.

Nach Wellner et al. (2014) steht die Intensität der Nutzungszeitverkürzung für Asphaltstraßenbefestigungen neben dem gewählten Klimawandel-Szenario in Abhängigkeit zu thermophysikalischen Materialeigenschaften und unterschiedlichen Bauweisenvarianten (Schichtdicken, Schichtfolgen).

Um einer Aufheizung im Asphaltoberbau und somit der Gefahr für bleibende Verformungen entgegenzuwirken, wurden im bereits abgeschlossenen Forschungsprojekt „Asphaltoberbau und extreme Temperaturen“ (Beckedahl et al. 2020) Konzepte einer angepassten Asphaltzusammensetzung entwickelt. Prinzipiell wurde dabei zur Materialanpassung die lichttechnische Eigenschaft Albedo als Rückstrahlvermögen von Wärmestrahlung an der Fahrbahnoberfläche und die thermophysikalischen Eigenschaften Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität herangezogen. Durch den Einsatz von hellen Gesteinskörnungen (Quarzit) konnte eine Erhöhung des Rückstrahlvermögens erzielt werden. Gleichzeitig konnte eine Temperaturreduzierung im gebundenen Oberbau durch gezieltes Ableiten der Wärme in unterschiedliche Schichten erreicht werden. So wurde durch den Einsatz von Quarzit und synthetischem Bindemittel mit Pigmenten eine helle und wärmeleitende Asphaltdeckschicht entwickelt, die eine um 6,3 Kelvin (K) niedrigere Temperatur im Vergleich zum Referenzmaterial aufweist. Die Temperatur in der Asphalttragschicht dieser Variante mit Verwendung von Elektroofenschlacke in der Asphaltbinder- und Asphalttragschicht war um 5,3 K reduziert.

Bei der Betonbauweise können sich extrem hohe Temperaturverhältnisse in verschiedenen Schadensbildern mit stets fugennaher Lage äußern. Diese sog. Hitzeschäden an Betonfahrbahndecken entstehen bei lokaler Überschreitung der maximal aufnehmbaren Spannung im Deckensystem, die primär auf den Temperaturanstieg im Bauteil in Folge intensiver Sonneneinstrahlung und ggf. auch auf andere Einflüsse zurückzuführen ist. Grundvoraussetzung ist hierbei eine ausreichende Behinderung der Längsausdehnung im Deckensystem. Um die in diesem Zusammenhang kritischen Spannungszustände in den Betonfahrbahndecken zu identifizieren und prognostizieren zu können, wurde im Rahmen eines Forschungsprojektes ein Informationssystem entwickelt und erprobt. An ausgewählten Streckenabschnitten wurden Messstellen installiert, die über Sensorik sowohl Temperaturen in verschiedenen Horizonten der Betondecke als auch die Dehnungen im Fugenbereich aufzeichneten. Einige Messstellen wurden zusätzlich mit Wetterstationen ausgestattet, um simultan Klimadaten aufnehmen zu können. Mittels eigens entwickelter Analyse- und Prognosetools konnten die Messdaten entsprechend verarbeitet werden und im Resultat dazu beitragen, potenzielle Schäden zu vermeiden.

Dieses und weitere rechnerische Verfahren sind positive Beispiele für eine praxistaugliche Anwendung. Die reine Nutzung von Erfahrungswerten kann unter Voraussetzung der sich ändernden klimatischen Randbedingungen zukünftig bei der Dimensionierung unzureichend sein.

3 Anpassungsoptionen

Die Klimawirkungsanalyse ist ein methodischer Ansatz, um potenzielle Anpassungsoptionen an den Klimawandel und extreme Wetterereignisse für die Verkehrsinfrastruktur zu identifizieren und vorzubereiten. Im BMDV-Expertennetzwerk werden folgende Arten von Anpassungsmaßnahmen unterschieden: Informatorische Ansätze (Dienste), regulatorische Ansätze (Regelwerke und Bemessungsgrundlagen), ingenieurtechnische Ansätze (bauliche Anpassungsmaßnahmen) und das operative Management der Verkehrsinfrastruktur und des Verkehrsbetriebs.

Regelwerke und Bemessungsgrundlagen nehmen im Straßenbau eine wichtige Schlüsselrolle ein. So ist es essenziell, diese auch im Hinblick auf den Klimawandel auf dem aktuellen Stand der Wissenschaft und Technik zu halten.

In einer internen Arbeitsgruppe der BASt wurden im Jahr 2020 Regelwerke und Normen im Straßenwesen auf ihren Anpassungsbedarf an den Klimawandel und seine Auswirkungen überprüft.

Mittels einer teilautomatisierten, syntaxbasierten Recherche und einer manuellen expertenbasierten Recherche wurden insgesamt ca. 900 Normen und Regelwerke untersucht. Dabei wurde in die klimatischen Einflüsse Temperatur, Niederschlag, Wind und Gewitter unterteilt.

Im Ergebnis einer ersten Sichtung zeigten die Untersuchungen, dass rund 80 % der Regel- werke und Normen im Straßenwesen von klimawandelbedingten Veränderungen oder Auswirkungen betroffen sein könnten (Krieger et al. 2020). Bei ungefähr 28 % der untersuchten Regelwerke wird ein Anpassungsbedarf als wahrscheinlich angesehen. Für ca. 52 % ist jedoch der Anpassungsbedarf unklar, woraus sich wahrscheinlich für eine umfassende Prüfung und mögliche Anpassungen ein hoher zeitlicher und arbeitsintensiver Aufwand ergeben würde. Lediglich 20 % der klimarelevanten Regelwerke bedürfen keiner Anpassung.

Bild 6: Der prozentuale Anteil von Regelwerken bezogen auf den Anpassungsbedarf, nach Krieger 2020

Für eine Anpassung der Regelwerke ist es empfehlenswert, Überarbeitungen, während der ohnehin zyklischen oder auch fortlaufenden Überarbeitung von Regelwerken und Normen im Straßenwesen vorzunehmen, was eine strukturierte schrittweise Anpassung ermöglicht. Ein erhöhter Arbeitsaufwand ist dennoch zu erwarten. Aus Sicht der Aktualität von Erkenntnissen im Hinblick auf den Klimawandel im wissenschaftlichen, technischen sowie sozioökonomischen Sinne ist es denkbar, die Überarbeitungsintervalle zukünftig beispielsweise an die Veröffentlichung neuer IPCC-Sachstandsberichte (ca. alle 6 Jahre) oder Klimaprognosen zu koppeln.

Literaturverzeichnis

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Bott, F.; Lohrengel, A.-F.; Forbriger, M.; Haller, M.; Jensen, C.; Löwe, P.; Ganske, A.; Herrmann, C. (2020): Klimawirkungsanalyse des Bundesverkehrssystems im Kontext von Stürmen: Schlussbericht des Schwerpunktthemas Sturmgefahren (SP-104) im Themenfeld 1 des BMVI-Expertennetzwerks, Berlin

Büche, K.; Assmann, A.; Huber, B.; Henrichs, T.; Pulgrabja, J. (2020): Lokale Analyse und Kartierung von potenziellen Überflutungsflächen im Bundesfernstraßennetz von Nordrhein-Westfalen in Folge von Starkregenereignissen (Blue-Spot-Analyse). Schlussbericht zum Forschungsprojekt FE 01.0200/2017/ NRB, Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), Bergisch Gladbach (unveröffentlicht)

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Hänsel, S.; Herrmann, C.; Jochumsen, K.; Klose, M.; Nilson, E.; Norpoth, M.; Patzwahl, R.; Seiffert, R. (2020): Verkehr und Infrastruktur an Klimawandel und extreme Wetterereignisse anpassen: Ergebnis- bericht des Themenfeldes 1 im BMVI-Expertennetzwerk für die Forschungsphase 2016 – 2019. Bun- desministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI), Berlin

Kahlenborn, W.; Porst, L.; Voß, M.; Fritsch, U.; Renner, K.; Zebisch, M.; Wolf, M.; Schönthaler, K.; Schauser, I. (2021): Klimawirkungs- und Risikoanalyse für Deutschland 2021. Umweltbundesamt (UBA), Dessau-Roßlau

Krauter, E.; Kumerics, C.; Feuerbach, J.; Lauterbach, M. (2012): Abschätzung der Risiken von Hang- und Böschungsrutschungen durch die Zunahme von Extremwetterereignissen. Schlussbericht zum Forschungsprojekt FE 89.238/2009/AP, Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), Bergisch Gladbach

Krieger, B.; Meine, L.; Werner, T.; Bürger, M.; Golkowski, G.; Hübecker, S.; Kellermann-Kinner, C.; Meschede, R.; Zorn, M. (2020): F1100.3119000 Regelwerke und Klimawandel: Abschlussbericht zur internen Arbeitsgruppe der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), Bergisch Gladbach (unveröffentlicht)

Larsen, M.; Pihl, K. A.; Hansson, K.; Hellman, F.; Grauert, M. (2010a): The Blue Spot Concept: Methods to predict and handle flooding on highway systems in lowland areas (Report No. 181). Dänisches Stra- ßeninstitut, Kopenhagen

Larsen, M.; Pihl, K. A.; Nielsen, N. H.; Rasmussen, S. F. (2010b): The Blue Spot Model: Development of a screening method to assess flood risk on national roads and highway system (Report No. 183). Dänisches Straßeninstitut, Kopenhagen

Lohrengel, A.-F.; Brendel, C.; Herrmann, C.; Kirsten, J.; Forbriger, M.; Klose, M.; Stube, K. (2020): Klimawirkungsanalyse des Bundesverkehrssystems im Kontext gravitativer Massenbewegungen: Schlussbericht des Schwerpunktthemas Hangrutschungen (SP-105) im Themenfeld 1 des BMVI-Expertennetzwerks, Berlin

Lutz, W. (1984): Berechnung von Hochwasserabflüssen unter Anwendung von Gebietskenngrößen, Mitteilung des Instituts für Hydrologie und Wasserwirtschaft (24), Wien

Mayer, G.; Großmann, S.; Zulauf, C.; Roth, F.; Deublein, M.; Kohl, B.; Kammerer, H.; Dahl, A. (2020): Resilienz der Straßenverkehrsinfrastruktur: Stand der Forschung und Potenziale im Management von außergewöhnlichen Ereignissen. Schlussbericht zum Forschungsprojekt FE 01.0199/2017/ARB, Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), Bergisch Gladbach (unveröffentlicht)

Nilson, E.; Astor, B.; Bergmann, L.; Fischer, H.; Fleischer, C.; Haunert, G.; Helms, M. (2020): Beiträge zu einer verkehrsträgerübergreifenden Klimawirkungsanalyse: Wasserstraßenspezifische Wirkungszusammenhänge: Schlussbericht des Schwerpunktthemas Schiffbarkeit und Wasserbeschaffenheit (SP- 106) im Themenfeld 1 des BMVI-Expertennetzwerks, Berlin

Rauthe, M.; Brendel, C.; Helms, M.; Lohrengel, A.-F.; Meine, L.; Nilson, E.; Norpoth, M.; Rasquin, C.; Rudolph, E.; Schade, N.H.; Deutschländer, T.; Forbriger, M.; Fleischer, C.; Ganske, A.; Herrmann, C.; Kirsten, J.; Möller, J.; Seiffert, R. (2020): Klimawirkungsanalyse des Bundesverkehrssystems im Kontext Hochwasser: Abschlussbericht des Schwerpunktthemas Hochwassergefahren (SP 103) im Themenfeld 1 des BMVI Expertennetzwerks, Berlin

Schipek, M.; Kallmeier, E. (2019): Validierung und Weiterentwicklung des Dispositionsmodells und der Hinweiskarte zu Hang- und Böschungsrutschungen für das Bundesfernstraßennetz. Schlussbericht zum Forschungsprojekt FE 89.0338/2017/, Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), Bergisch Gladbach (unveröffentlicht)

Steffen, M.; Schipek, M.; Lohrengel, A.-F.; Meine, L. (2021): Identification of windthrow-endangered infrastructure combining LiDAR-based tree extraction methods using GIS. Journal of Applied Remote Sensing 15(1)

Voß, M.; Kahlenborn, W.; Porst, L.; Dorsch, L.; Nilson, E.; Rudolph, E.; Lohrengel, A.-F. (2021): Klimawirkungs- und Risikoanalyse 2021 für Deutschland, Teilbericht 4: Risiken und Anpassung im Cluster Infrastruktur. Umweltbundesamt (UBA), Dessau-Roßlau

Wellner, F.; Kayser, S.; Clauß, M. (2014): Projizierter Klimawandel und Dimensionierung von Straßenbefestigungen. Schlussbericht zum Forschungsbericht FE 09.0177/2011/ERB, Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), Bergisch Gladbach