Fachbeiträge

NAW

DIN 19657 - Hochwasserschutz und Klimawandel

Überarbeitung der DIN 19657

1      Einleitung und Historie

Im Zuge des Wiederaufbaus Deutschlands nach dem 2. Weltkrieg stand zunächst insbesondere in den Ballungs- und Industriegebieten Deutschland die schnelle Entwicklung von Infrastruktur, Städtebau und Industrialisierung im Vordergrund. Massive Eingriffe, z. B. des Verkehrswegebaus (Ausbau von Flüssen und Kanälen und deren steigenden technischen Anforderungen an Uferbefestigungen), aber auch Naturkatastrophen (z. B. Sturmfluten und Binnenhochwässer), Begradigungen und Verrohrungen von Fließgewässern gingen einher mit der Festlegung von Regelabflussprofilen durch Beton und Steine. Die zunehmenden, rein technischen Eingriffe in den Naturhaushalt führten vermehrt zu erheblichen Umweltschäden, deren Behebung mit zunehmenden Folgekosten verbunden war.

Insbesondere auf den extrem belasteten Standorten, wie den Küstendeichen und -dünen sowie in Wildbächen im Hochgebirge, wo der Baustoff Pflanze nie ganz vergessen wurde, zeigte es sich, dass naturnahe und ingenieurbiologische Bauweisen, richtig geplant, hergestellt und unterhalten, den technischen Bauweisen auf Dauer technisch und wirtschaftlich überlegen waren und sind. Eine Erkenntnis, die über Jahrhunderte gewachsen war. Dies führte zur vermehrten Beschäftigung mit und vor allem zur wissenschaftlichen Untersuchung der Pflanze als Baustoff auch in den urban und industriell geprägten Landschaften. Nur einige Beispiele seien hier genannt. BITTMANN setzte sich bereits Mitte der 1950-ziger Jahre für den Einsatz von Schilf an den Bundeswasserstraßen ein. Seine Bauweisen zur Sanierung der erodierten Geesthänge in Hamburg durch die Sturmflut von 1976 sind noch heute intakt. HILLER untersuchte nach den Sturmfluten von 1962 und 1976 die Grasnarben von Seedeichen und legte in diesem Bereich mit mehreren Veröffentlichen die Grundlagen für die weitere Erforschung und Optimierung der Deichgrasnarben. SCHLÜTER befasste sich 1971 insbesondere mit den ingenieurbiologischen Bauweisen des Flachlandes sowie der Mittelgebirge. SCHIECHTL setzte in dieser Zeit die Standards der Ingenieurbiologie im Wildbachverbau. Auch nicht lebende Bauweisen, wie starre Gewässerausbauten in Form von Betonsohlschalen und Stützwänden wurden durch naturnähere flexible Bauweisen, z. B. Steinschüttungen als Uferschutz oder als Sohlrampe ersetzt.

All diese Erkenntnisse führten zu einem Paradigmenwechsel im Wasserbau und 1973 zur Aufstellung der DIN 19657 als ein bis heute wertvolles Standardwerk zur Sicherung von Wasserbauwerken und Küstendünen.

Mit der Gründung der Gesellschaft für Ingenieurbiologie 1979 in Aachen, mit Herrn Prof. Pflug als erstem Vorsitzenden, wurden die Grundsteine zur weiteren Entwicklung der Verbindung zwischen Pflanze und Ingenieurtechnik sowie numerischen Erforschung ingenieurbiologischer Bauweisen gelegt. Weitere nationale ingenieurbiologische Gesellschaften entstanden, die 2015 die Europäische Föderation Ingenieurbiologie (EFIB) gründeten.

2      Anlass für die Überarbeitung der DIN 19657

Dank der heutigen technischen und mathematischen Weiterentwicklung von numerischen Rechenmodellen und der technischen Möglichkeiten in Forschungseinrichtungen, können naturnahe Fließgewässerläufe  mit Pflanzen, Wellenaufläufe und Erosionsvorgänge rechnerisch nachgewiesen werden. Insbesondere die wasserbautechnischen Lehrstühle, neben denjenigen der Ingenieurbiologie in Deutschland, Österreich und den Niederlanden, verknüpfen in besonderem Maße Pflanze und Ingenieurtechnik. Stellvertretend für zahlreiche Untersuchungen der Gegenwart seien zwei Hinweise gegeben. Die Europäische Richtlinie für Ingenieurbiologie (EFIB, 2015) beinhaltet neben den Grundzügen von rechnerischen Nachweisen für ingenieurbiologische Bauwesen eine umfassende Literaturzusammenstellung zu diesem Thema. Aktuell wird unter Leitung der RWTH Aachen das interdisziplinäre BMBF-Forschungsprojekt EcoDike durchgeführt, dass sich unter Verwendung der neuesten Rechenmodelle sowie versuchstechnischer Anlagen mit der Belastbarkeit von Deichgrasnarben beschäftigt. Die Standsicherheit ingenieurbiologischer Bauweisen kann mittlerweile nachgewiesen werden.

Zudem werden heute hohe Ansprüche an die naturnahe Gestaltung der Gewässer beim Bau und in Genehmigungsverfahren durch die Umweltrichtlinien und Gesetzgebungen wie derjenigen zur Umweltverträglichkeit, der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) sowie durch örtliche Behörden und Bürgerverbände eingefordert.

Die bautechnischen Möglichkeiten, z. B. beim Einsatz von Maschinen oder der Weiterentwicklung von Baustoffen machen ebenso eine Überarbeitung der Norm erforderlich.

Die konstituierende Sitzung fand am 04.09.2015 statt. Die Mitglieder kommen aus Nord- und Süd- und Ostdeutschland und bringen Ihre Erfahrungen aus dem Küstenschutz, dem Bereich der Flachlandgewässer, des Deichbaus, des Gebirges sowie der Ufersicherung an Wasserstraßen, unter Verwendung naturnaher als auch naturferner Sicherungsbauweisen mit.

Die inhaltliche Arbeit wird in drei Teams vorgenommen, die Teams befassen sich mit:

  • A  Bauweisen aus Steinen, Beton, Stahl und Kunststoff,
  • B  Bauweisen mit Holz, Reisig und Naturfasern sowie mit,
  • C  Bauweisen mit Pflanzen (Lebendbau und kombinierte Bauweisen).

3       Stand der Bearbeitung und Inhalt

Die Normenwelt hat sich in der letzten 47 Jahre wesentlich geändert, sodass eine Aufgabe die Klärung der Anwendungsgebiete im Hinblick auf bestehende angrenzende Normen wie DIN 19664 (Sohlenbauwerke), DIN 19663 (Wildbachverbauung), DIN 19700-13 (Stauanlagen), DIN 19712 (Hochwasserschutzanlagen an Fließgewässern) und Regelwerke des Wasserbaus z.B. die Empfehlungen für Küstenschutzwerke (EAK) ist. Weiterhin sind Normen des Landschaftsbaus (insbesondere die DIN 18918:2002-08 (Vegetationstechnik im Landschaftsbau-Ingenieurbiologische Sicherungsbauweisen) von den Sicherungsbauweisen nach DIN 19657 abzugrenzen.

Art/Charakter der DIN 19657:

Die DIN 19657 fungiert als eine Art Dachnorm, von der aus auf alle maßgeblichen DIN – Normen des Wasserbaus und des Bauwesens verwiesen wird. Lediglich in Bereichen, für die noch keine ausführlicheren Normen oder Regelwerke existieren, werden sehr detaillierte Angaben gegeben, damit die Dauerhaftigkeit der Sicherungsbauweisen und diejenige der zu schützenden Ingenieurbauwerke gewährleistet werden können. Eine grundlegende Qualitätssicherung wird durch die Angabe von Mindestabmessungen gewährleistet, die den Einwirkungen im Wasserbau widerstehen können.

Geltungsbereich

Die DIN 19657 dient der Sicherung von Wasserbauwerken. Ihr Anwendungsbereich beginnt

  • Wildbachbereich mit Verweis auf die Wildbachnorm DIN 19663 und erstreckt sich über alle Arten von Fließgewässern, stehenden Gewässern, die Tidegewässer, die Küstendünen an Nord- und Ostsee bis in das Deichvorland an Nord- und Ostseeküste, soweit es dem Küstenschutz planmäßig dient.
  • Bezogen auf den Querschnitt eines Gewässers umfasst der Geltungsbereich das gesamte Hochwasserbett sowie bei Deichen die landseitige Böschung und den Deichfuß mit Schutzstreifen.
  • An Steilufern gilt sie für denjenigen Bereich,der zur Sicherung des Abflussquerschnittes eines Gewässers erforderlich ist. Auch die Steilufer der Ostsee sind Inhalt dieser Norm.

Sie gilt nicht für

  • Sicherungsbauweisen nach DIN 18918, Kaianlagen in Häfen sowie für Bauweisen im Wildbachverbau nach DIN 19663 und
  • die zu schützenden Wasserbauwerke selbst, wie z. B. Deiche und Dämme.

4       Das ist neu

Der sehr weit gefächerte Inhalt der Norm verlangt, dass eine Vielzahl unterschiedlicher Fachgebiete, Gewässerformen und -strukturen vereint werden müssen. Demnach beginnt die heutige Version mit einem Planungsabschnitt, der den Stand der Technik und der Wissenschaft zur interdisziplinären, fachübergreifenden Planung von Sicherungsbauweisen beinhaltet. Wesentlich sind neben der Grundlagenermittlung die Darstellung klarer Kriterien zur Auswahl von Sicherungsbauweisen und deren erforderliche Bemessung, auch – und das ist ebenfalls neu – die Bemessung der ingenieurbiologischen Bauweisen. Auftraggeber sowie Auftragnehmer erhalten hier Hilfestellungen. Im Folgenden werden die Kernpunkte erläutert.

Zielvegetation:

Die Planung nach DIN 19657 beinhaltet als wesentliche Leitlinie möglichst naturnahe Sicherungen durchzuführen. Sofern die Möglichkeit besteht, sind zudem nicht naturnah ausgebaute Gewässer in einen naturnahen Zustand zurückzuführen. Grundsätzlich ist demnach bei der Auswahl von Bauweisen nachhaltig vorzugehen und den naturnahen Bauweisen der Vorrang zu geben. In einem ersten Schritt ist neben der allgemein üblichen Grundlagenermittlung auch für naturferne Gewässer die mögliche Zielvegetation festzulegen. Die Zielvegetation ist derjenige Vegetationsbestand, der im Endzustand bei entsprechender Unterhaltung die Sicherung eines naturnahen Gewässerufers, Deiches oder einer Küstendüne übernehmen soll oder sollte. Die Einsatzbereiche der Zielvegetation für die Gewässertypen des Anwendungsbereiches werden anhand einer Tabelle beschrieben. Falls wasserwirtschaftliche Daten zu Wasserständen nicht oder nur begrenzt zur Verfügung stehen sollten, können die Einsatzbereiche ingenieurbiologischer Bauweisen für die Gewässertypen des Anwendungsbereiches der DIN 19657 bezogen auf den Gewässerquerschnitt anhand zweier Tabellen ermittelt werden. Der für die bauliche Anordnung der Sicherungsbauweise im Gewässerprofil zentrale Orientierungswert ist die Lage der Weichholzzone, die mit Hilfe dieser Tabellen abgeschätzt werden kann. Damit liegen die Zielvegetation sowie mit weiteren Tabellen im Anhang der Norm deren wesentliche Bestandspflanzenarten fest.

Bemessung/Nachweis der Standsicherheit:

Alle Sicherungsbauweisen gemäß DIN 19657 sind zu bemessen und deren Standsicherheit nachzuweisen. Die Spannbreite der Nachweismöglichkeiten reicht von der Bemessung aus Erfahrung (empirisch) bis zur rein rechnerischen (numerischen) Bemessung nach Eurocode sowie der nationalen Normen. Neben den rein technischen Einwirkungen wird auch die Wirtschaftlichkeit einbezogen. Um das Verhältnis von planerischem und baulichem Aufwand zum Nutzen zu optimieren, orientiert sich die Bemessung an Schadenspotentialklassen, die an diejenigen der DIN 19712 angelehnt sind. Damit gelingt die Einteilung der Bauweisen in Klassen von 1 bis 3. Während die Sicherungsbauweisen der Klasse K1 weitestgehend aus Erfahrung oder aufgrund von Referenzstrecken bemessen werden können sind diejenigen der Kategorie K3 ausschließlich nach den Normen des Bauwesens zu bemessen. Auf weitere Bemessungsmöglichkeiten aufgrund von Grenzwerten wird ebenfalls verwiesen.

Auswahl der Bauweisen:

Mit diesen Planungsschritten wird die Auswahl der einzelnen Sicherungsbauweise durchgeführt. Orientierende Tabellen helfen die einzelnen Pflanzenarten der Zielvegetation mit Hilfe des Standortes, des Gewässertyps und der technischen Einwirkungen zu bestimmen. Die Tabellen stellen einen Bezug zwischen der Zielvegetation, dem Gewässertyp, qualitativ den Einwirkungen sowie den unbelebten Bauweisen in sehr komprimierter Form her. Gerade die zuletzt genannten Einsatzmöglichkeiten, die Zielvegetation in der Breite bei nicht belebten Bauweisen, ist ein in der Praxis noch fehlendes Werkzeug für die Planung, das in dieser Norm erstmalig hergestellt worden ist. Die Bemessung legt letztlich die Dimensionierung der nicht lebenden und lebenden Baustoffe fest. Falls erforderlich sind in Regelschleifen einzelne Pflanzenarten, lebende oder tote Bauteile oder auch die gesamte Bauweise anzupassen.

Auf der Grundlage der o. g. genannten Auswahlabläufe festgelegten Zielvegetation und ihrer Arten wird auch die Naturnähe einer Sicherung bestimmt. D. h., in erster Priorität sind naturnahe Bauweisen nach Abschnitt 6.9 „Sicherungen mitlebenden Bauweisen“ anzustreben. Ist dies nicht möglich, sind kombinierte Bauweisen nach Abschnitt 6.11 „Häufige Kombinationen“ oder die Hinweise zu den Kombinationsmöglichkeiten mit der Zielvegetation, die in den u. g. Abschnitten der nicht lebenden Bauweisen angegeben sind, zu beachten. Sind keinerlei Kombinationsmöglichkeiten mit Pflanzen herstellbar, so werden die Bauweisen mit ausschließlich nicht lebenden Baustoffen nach den Abschnitten 6.2 bis 6.8, die die Bauweisen unter Verwendung von Steinen, Beton, Stahl, Kunststoff und Holz beschreiben.

Sicherstellung der Entwicklung sowie des Erhalts der Zielvegetation

Erstmals wird der Unterschied zwischen Bauweisen aus nicht lebendem Material und ingenieurbiologischen Bauweisen in Bezug auf die Lebensdauer deutlich verankert. Bauweisen aus nicht lebenden Baustoffen müssen nach ihrer Abschreibungsdauer erneuert oder grundinstant gesetzt werden, während ingenieurbiologische Bauweisen eine dynamische Entwicklung zur Erreichung der Zielvegetation durchlaufen. Die Pflege- und Unterhaltungshinweise in verschiedenen Abschnitten sind so umfassend gegeben, dass unter Beachtung dieser Hinweise die Zielvegetation allein oder in Kombination mit nicht lebenden Baustoffen die Sicherung übernehmen kann.

5       Die Bedeutung der DIN 19657 für den Wasserbau

Die DIN 19657 umfasst einen großen Teil der Fachgebiete des Bauens an stehenden und fließenden Gewässern des Wasserbaus und verbindet damit wesentliche Arbeitsbereiche von Sicherungsbauweisen im Wasserbau in Deutschland. Hier liegt für den Wasserbau eine wertvolle Hilfe einerseits als Dachnorm wie andererseits als sehr detaillierte Norm für Planung, Bauausführung, Unterhaltung und Entwicklung einer Sicherungsbauweise vor – dort, wo noch konkrete Planungs- und Bemessungsgrundlagen fehlen. Dies gilt auch im Bereich der lebenden Bauweisen, wofür der aktuelle Stand mindestens des nationalen Wissens zu interdisziplinärer Planung und interdisziplinärem Bauen unter naturräumlichen Randbedingungen zusammengestellt ist. Die Norm engt nicht ein, soll nicht als „Kochbuch“ verwandt werden, sondern regt zu Innovation und Weiterentwicklung an. Dies wird unterstützt durch vielfältige Hinweise und Begründungen von Regelungen, damit auch die jüngere Generation der Fachleute, die verstärkt nachdem „Warum“ fragen, angesprochen werden.

6       Ausblick auf die künftigen Herausforderungen im Wasserbau mit zunehmendem Klimawandel

Die künftige Entwicklung des Wasserbaus ist u. a. geprägt vom Klimawandel. Der Klimawandel kann, wie es aus vielerlei Quellen ersichtlich ist, durch Maß und Zahl beschrieben werden. Steigende Temperaturen, Durchschnitts- und Extremwerte, längere und extremere Trockenperioden, extremere Hochwasserereignisse gehen einher mit sinkenden sommerlichen Wasserspiegeln der Binnengewässer. Schmelzendes Eis an den Polen und in Gebirgen führen wiederum zu steigenden Meeresspiegeln an Nord- und Ostsee.

Die Folgen für unsere Gewässer und unsere Küsten sind vielfältig. Immer länger anhaltende sinkende sommerliche Wasserspiegel in den Binnengewässern verstärken sinkende Grundwasserspiegel und somit die Austrocknung der angrenzenden Landschaft mit Folgen nicht nur für die Landwirtschaft und Forsten sondern auch für naturbelassene Landschaften. Die Binnenschifffahrt ist ebenso betroffen wie unsere Wasserbauwerke, sofern sie durch Pflanzen geschützt oder auf pflanzliche Baustoffe, aufgebaut sind. Zunehmende Schäden zeigen sich an Deichgrasnarben, die teilweise so stark austrocknen, dass sie vollständig erneuert werden müssen. Auch trockenfallenden Holzpfahlgründungen von Wasserbauwerken leiden in ihrer Tragfähigkeit, da sie nur noch zeitweise eingestaut sind. Hier sind gründliche Untersuchungen und der Klimaentwicklung angepasste Lösungen gefragt.

Auf der anderen Seite muss mit einem Zuviel an Wasser in der Fläche sowie in den Gewässern selbst gerechnet werden. Ein gewisser Strategiewechsel im Niederschlagswassermanagement zeichnet sich bereits ab, indem die Verweildauer des Niederschlagswassers in der Fläche bautechnisch erhöht und somit die Grundwasserneubildung unterstützt wird. Unterstützt wird dieses Management durch die rasante Entwicklung von mittlerweile dreidimensionalen Rechenmodellen. Für die praktische Umsetzung von Lösungen zur Abflussverzögerung in der Fläche und an kleineren Gewässern kann sehr gut die DIN 19657 als Planungshilfe herangezogen werden.

Dem steigenden Meeresspiegel versuchen die zuständigen Bundesländer mit erheblichen Anstrengungen zur Deicherhöhung an den Binnenflüssen und an den Küsten von Nord- und Ostsee entgegen zu treten. Auch die Deichquerschnitte werden weiter optimiert. Sie werden möglichst abgeflacht, die Basis verbreitert und mit einer breiteren Krone (Klimadeich) hergestellt, damit zu einem späteren Zeitpunkt eine weitere Erhöhung ohne komplizierten Verfahrensablauf und ohne aufwändige Bauausführung erfolgen kann.

Aber wie entwickelt sich der Klimawandel? Wann ist soviel Eis an den Polen geschmolzen, dass die nächste Deicherhöhung notwendig wird damit wir mit unseren Maßnahmen vor der Katastrophe bleiben? Selbst die Wissenschaftler der Polarsternexpedition vermögen hierzu nur Prognosen aufzustellen. Sie weisen jedoch darauf hin, dass sich die Abschmelzgeschwindigkeit des Polareises im Gegensatz zu früheren Prognosen erhöht hat.

Literatur

EUROPÄISCHE FÖDERATION FÜR INGENIEURBIOLOGIE (EFIB)(Herausg.) (2015): Europäische Richtlinie für Ingenieurbiologie;  http://www.efib.org/deutsch/ am 27.11.2020.

EcoDike, Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft der RWTH Aachen University (IWW) [Projektkoordinator]

Danksagung von Dr. Karl Hähne

Als Obmann bedanke ich mich bei den Mitgliedern des Ausschusses NA 119-02-17 AA für ihre konstruktive, kollegiale und in allen Phasen lösungsorientierte Zusammenarbeit. Das hat Freude gemacht. Ich bedanke mich weiterhin beim Projektmanagement des DIN, das uns in sehr kompetenter Weise unterstützt hat.

Frau Prof. Dr. Hacker, Herrn Prof. Johannsen und Herrn Dipl-Ing. Sven Wennekamp danke ich für Ihre konkreten und konstruktiven Hinweise zu diesem Festbeitrag.