Auswirkungen eines Meeresspiegelanstiegs auf das Ausmaß extremer Hochwasser in Hamburg

Lukas Traup

Einführung

Im Zuge der globalen Erderwärmung werden verschiedene Szenarien zum Anstieg des Meeresspiegels prognostiziert. Die Folgen dessen sind besonders für Küstenregionen fatal. Das Ausmaß hängt jedoch stark von der lokalen Topographie der unbebauten oder bebauten Umwelt ab, sowie von den soziokökonomischen Strukturen vor Ort. Für Küstenstädte können insbesondere die durch den Meeresspiegelanstieg verstärkten Sturmfluten und Hochwasserereignisse zur Gefahr werden.

Um diese Problemstellung für die Stadt Hamburg zu analysieren wird im folgenden der Einfluss eines Meeresspiegelanstiegs von 2 Metern auf das Ausmaß von extremen Küstenhochwasser untersucht. Zusätzlich wird ermittelt, welche Stadtteile besonders davon betroffen wären.

Für die Analyse werden folgende Datensätze Verwendet.

  1. Ein Geodatensatz der Stadtteile mit Zahlen zur Bevölkerung, verfügbar über das Geoportal Hamburg.

  2. Ein Geodatensatz über das räumliche Außmaß extremer Hochwasserereignisse mit einem Pegel von 7.62m über NHN (Normalhöhe Null) in St.Pauli, verfügbar über das Geoportal Hamburg.

  3. Ein Digitales Terrain Modell der Stadt Hamburg mit einer Auflösung von 20x20m und 0.1m in der Vertikalen, verfügbar über das OpenDataPortal Österreich

Packages und Working Directory

if (!require(raster)){install.packages("raster"); library(raster)}
if (!require(rgdal)){install.packages("rgdal"); library(rgdal)}
if (!require(sp)){install.packages("sp"); library(sp)}
if (!require(sf)){install.packages("sf"); library(sf)}
if (!require(tmap)){install.packages("tmap"); library(tmap)}
if (!require(fasterize)){install.packages("fasterize"); library(fasterize)}
if (!require(readr)){install.packages("readr"); library(readr)}
if (!require(tidyverse)){install.packages("tidyverse"); library(tidyverse)}
if (!require(viridis)){install.packages("viridis"); library(viridis)}

Daten laden

# Bevölkerungsdaten auf basis der Stadteile Hamburgs
stadt_bev <- st_read("stadtteile_bevdaten.shp")
# Risikogebiet für extreme Hochwasser shapefile
extr_risiko_sf <- st_read("hochwasser_risikozone.shp")
# Digital Terrain Model von Hamburg
DTM <- raster("DTM.tif")
# Risikogebiet extremer Hochwasser +2m 
DTM_ext_2 <- DTM <= 9.62 
DTM_ext_2_sub <- mask(DTM, DTM_ext_2, maskvalue = 1, inverse = TRUE)  

Visualisierung und Interpretation

Von einem extremen Hochwasserereignis mit einem Pegel von 7.63m in St. Pauli (Figure 1) wären insbesondere die Stadtteile Bergedorf, Hamburg Mitte, Hamburg Nord und Harburg betroffen. Ergänzt man die Karte mit den Bevölkerungszahlen der einzelnen Stadtviertel, wird sichtbar, dass ein extremes Hochwasser überwiegend weniger dicht besiedelte Stadttviertel trifft. Ausnahmen bilden Teile von Hamburg Mitte und Hamburg Nord.

Würde der Meerespiegel um zwei Meter ansteigen, würden die Stadtteile Eimsbüttel und Hamburg Nord zunehmend in Gefahr geraten stärker von extremen Hochwassern betroffen zu werden (Figure 2). Schaut man sich die Bevölkerungsverteilung in den einzelen Stadtvierteln an, wird schnell sichtbar, dass diese Viertel eine besonders hohe Bevölkerungsdichte aufweißen. Auch wenn die zunehmende überflutete Fläche bei einem Meerespiegelanstieg von 2m und einem extremen Hochwasserereignis sehr gering ist, wären somit viele Menschen von solch einem Ereignis betroffen.

tm_shape(stadt_bev) +
  tm_fill("Bezirk", title = "Stadtteill", palette = "Spectral",
                     alpha = 1,
                     legend.show = TRUE) +
tm_shape(stadt_bev) +
  tm_polygons("Stadttl",border.col = "black", alpha = 0,
                     border.alpha = 0.1, legend.show = FALSE) +
  tm_shape(extr_risiko_sf) +
            tm_polygons("XÜbrflt", 
                     title = "Extremes Hochwasser",
                     legend.show = TRUE, palette = "red", 
                     border.col = "red",
                     border.alpha = 0.9, alpha = 0.25)+
  tm_shape(stadt_bev)+
            tm_bubbles("bev",col = "grey23", 
                     border.alpha = 0, 
                     palette = "PuRd", 
                     scale = 1, legend.col.show = FALSE, 
                     title.size="Bevölkerung") +
tm_scale_bar(position = c("left", "bottom")) +
tm_compass(size = 2.5, position = c("right", "top")) +
tm_layout(main.title ="Extremes Hochwassers (7.63m ü. NHN)",
            main.title.size = 1.1,
            title.position = c("center", "top"),
            title.snap.to.legend = FALSE,
            inner.margins = c(0.04, 0.02, 0.02, 0.02),
            legend.outside = TRUE)
Ausmaß eines extremen Hochwassers mit einem Pegel von 7.63m ü. NHN

Figure 1: Ausmaß eines extremen Hochwassers mit einem Pegel von 7.63m ü. NHN

tm_shape(stadt_bev) +
    tm_fill("Bezirk", title = "Stadtteil", palette = "Spectral",
              alpha = 1,
              legend.show = TRUE) +
tm_shape(stadt_bev) +
    tm_polygons("Stadttl",border.col = "black", alpha = 0,
              border.alpha = 0.1, legend.show = FALSE) + 
tm_shape(DTM_ext_2_sub) +
    tm_raster(showNA = FALSE, pal = "Blues", n = 6,
              legend.show = TRUE, style = "cont",
              midpoint = -4,   legend.reverse = TRUE, 
              title = "Wasserstand bis 9.63m ü. NHN",
              labels = c("0m","10m"))+
tm_shape(extr_risiko_sf) +
    tm_polygons("XÜbrflt", 
              title = "Hochwasser 7.63m ü. NHN)",
              legend.show = TRUE, palette = "red", border.col = "red",
              border.alpha = 0.9, lwd = 0.5, alpha = 0)+
tm_shape(stadt_bev)+
    tm_bubbles("bev",col = "grey23", 
              border.alpha = 0, 
              palette = "PuRd", 
              scale = 1, legend.col.show = FALSE, 
              title.size="Bevölkerung") +
tm_scale_bar(position = c("left", "bottom")) +
tm_compass(size = 2.5, position = c("right", "top")) +
tm_layout(main.title ="Extremes Hochwassers + 2m (9.63m ü. NHN)",
              main.title.size = 1.1,
              title.position = c("center", "top"),
              title.snap.to.legend = FALSE,
              inner.margins = c(0.04, 0.02, 0.02, 0.02),
              legend.outside = TRUE)
Ausmaß eines extremen Hochwassers in Annahme eines Meerespiegelanstiegs von zwei Metern und somit mit einem Pegel von 9.63m ü. NHN

Figure 2: Ausmaß eines extremen Hochwassers in Annahme eines Meerespiegelanstiegs von zwei Metern und somit mit einem Pegel von 9.63m ü. NHN

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