Wie Satelliten für besseren Hochwasserschutz sorgen

Im August 2002 verwandelte sich Österreich innerhalb weniger Tage von einer sommerlichen Landschaft in ein Katastrophengebiet. Durch den unaufhörlichen Regen sammelte sich das Wasser in Bächen, die zu reißenden Strömen wurden. Alles vermischte sich zu einer tosenden Masse aus Wasser, Schlamm und Trümmern. Besonders betroffen waren kleinere Orte entlang der Flüsse. Als das Wasser zurückging, blieben zerstörte Häuser, eine kaputte Infrastruktur und unzählige Tonnen von Schlamm zurück. 

Mit dem voranschreitenden Klimawandel werden sich Extremwetterereignisse wie Rekordhitze, Starkregen und Überflutungen häufen. Eine Studie des Centre for International Climate Research in Oslo und der britischen University of Reading zeigt: Bis 2040 könnten – je nach Entwicklung des Klimas – 20 bis 70 Prozent der Weltbevölkerung von Extremtemperaturen und starken Niederschlägen betroffen sein.

Sentinel-1-Daten

Es braucht daher ein effektives und nachhaltiges Naturgefahrenmanagement. Während bei Überschwemmungen in Österreich bislang vorrangig lokale Bauwerkskontrollen und geodätische Vermessungen zum Einsatz kommen, erforscht Vazul Boros, Projektleiter am AIT Austrian Institute of Technology, innovativere Überwachungsmethoden. Im Projekt „HoSMoS“ untersucht er, wie Weltraumsatelliten dabei helfen können, Hochwasserschutzanlagen wie Erddämme zu überwachen und weiterzuentwickeln. Genutzt werden überwiegend Radardaten der Mission Sentinel-1 der Europäischen Weltraumorganisation (ESA). Boros analysiert, inwiefern die satellitengestützte Fernerkundungstechnik InSAR (Interferometrisches Radar mit synthetischer Apertur) langfristige Verformungen an Hochwasserschutzbauten erkennen kann.  

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Das Prinzip: Beim Überflug eines Gebietes sendet der Satellit Radarwellen aus, die von sogenannten Rückstreupunkten an der Erdoberfläche reflektiert werden. „Der Satellit misst dabei die Eigenschaften des zurückkehrenden Signals. Einige dieser Punkte liefern über lange Zeiträume stabile Reflexionen, wodurch eine hochpräzise Verformungsüberwachung möglich wird“, erklärt Boros.

Im Allgemeinen erzeugen besonders Kanten, Ecken sowie Oberflächen aus Stahl oder Beton viele Rückstreupunkte und reflektieren die Radarwellen zuverlässig. „Bei Hochwasserschutzanlagen wie Erddämmen stellt die Vegetation hingegen eine Herausforderung dar, da sie die Radarreflexion reduziert und die Anzahl von Rückstreupunkten verringert“, so der Forscher. In solchen Fällen können bauliche Elemente wie Durchlässe, Schotter, Asphalt oder Bordsteinkanten zusätzliche Reflexionspunkte liefern.

Vertikale Bewegungen

Während herkömmliche Kontrollen aktuell auf einen gewissen Bereich eines Dammes beschränkt sind, funktioniert die satellitengestützte Technologie nicht nur flächendeckend, sondern auch kosteneffizient. Ein weiterer Vorteil ist laut Boros, dass die Auswertungen auch rückwirkend durchgeführt werden können. „Mit Radarsatelliten können wir Verformungszeitreihen von Dämmen über mehrere Jahrzehnte hinweg mit hoher Genauigkeit erfassen.“

Dadurch ließe sich erkennen, ob sich einzelne Dammabschnitte bewegen. „Besonders zuverlässig ist die Messung vertikaler Bewegungen, wie Setzungen. Ursachen dafür können eine langfristige Auswaschung des Materials oder eine Absenkung infolge eines veränderten Grundwasserspiegels sein“, so Boros. Nach Hochwasserereignissen könne überprüft werden, ob sich Verformungen verändert haben und der Damm strukturell beansprucht wurde.  

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Rückstreupunkte steigern

Werden Verformungen festgestellt, welche die Standsicherheit beeinträchtigen könnten, können gezielt Verstärkungen oder Sanierungen umgesetzt werden. „Der Fokus liegt dabei nicht nur auf großen Flüssen wie der Donau, sondern insbesondere auch auf kleineren Zuflüssen, die ebenfalls durch Dämme geschützt sind und ein relevantes Risiko darstellen.“ In einem nächsten Schritt sollen Radardaten der ESA zum Hochwasser im Jahr 2024 ausgewertet werden.  Ein mögliches Folgeprojekt soll verschiedene Ansätze beinhalten, um die Herausforderung einer geringen Anzahl von Rückstreupunkten zu behandeln. 

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„Eine Option ist die Nutzung alternativer Satellitensysteme, die eine höhere Messgenauigkeit bieten, jedoch kostenpflichtig sind. Alternativ könnten Satellitendaten mit geringerer räumlicher Auflösung eingesetzt werden, die jedoch weniger anfällig gegenüber Vegetationseinflüssen sind und für die großräumige Verformungsüberwachung dennoch geeignet sein könnten“, so Boros. Eine weitere Möglichkeit bestehe darin, gezielt künstliche Objekte auf Dämmen zu installieren, um zusätzliche Rückstreupunkte zu schaffen und damit die Messqualität zu verbessern.