Katastrophenschutz Schnelle Vorhersage der Schadstoffausbreitung bei Störfällen

Wenn in Folge eines industriellen Störfalls oder eines terroristischen Anschlags Gefahrstoffe in die Atmosphäre freigesetzt werden, gilt es zum Schutz der Bevölkerung schnell zu handeln. Deutsche und US-amerikanische Forscher haben nun im Rahmen des „Pilotprojekts Hamburg“ ein Einsatzinstrument entwickelt, das in der Lage sein soll, sofort eine sichere Vorhersage über die Bewegung von Schadstoffwolken zu liefern - und das unter Berücksichtigung der jeweiligen komplexen städtischen oder industriellen Bebauung.

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Nach einem Unfall mit Freisetzung von Schadstoffen ist jede Sekunde wertvoll: Zum Schutz der Bevölkerung ist es augenblicklich wichtig zu wissen, in welche Richtung sich die Gefahrstoffe bewegen werden. Dies ist allerdings von vielen Faktoren, unter anderem Wetter, Klima und Bebauung abhängig. Die bisher im Bevölkerungsschutz verwendeten Modelle zur Ausbreitungsvorhersage von Gefahrstoffen sind üblicherweise nicht in der Lage, den Einfluss beispielsweise von Gebäuden, Straßenzügen, aber auch den Wetterverhältnisse angemessen zu berücksichtigen. Auch die komplexeren Modelle aus der Wissenschaft boten bisher keine brauchbare Alternative, da für die Durchführung eines Modelllaufs erheblich mehr Zeit benötigt wird als die wenigen Minuten, die dem Einsatzleiter für seine Entscheidungsfindung zur Verfügung stehen. Fortschritte auf den Gebieten Numerische Mathematik, Wissenschaftliches Rechnen und

Hardwareentwicklung haben nun jedoch neue Möglichkeiten eröffnet.

In Sekundenschnelle: Darstellung von Simulationsrechnungen auf dem PC

Unter Federführung der Universität Hamburg zusammen mit dem Naval Research Laboratory (NRL) in Washington, D.C. sowie der Hamburger Innenbehörde, Feuerwehr und Polizei entstand im Rahmen des „Pilotprojekts Hamburg“ das Störfall-Einsatzinstrument „CT-Analyst“ (ContaminantTransport-Analyst). Das Werkzeug wurde exemplarisch für das Gebiet der Hamburger Innenstadt entwickelt und seine Eignung anhand von Ausbreitungsexperimenten in diesem Gebiet nachgewiesen.

Das neue Werkzeug basiert auf einem sehr leistungsfähigen LES Strömungs- und Transportmodell. Mit diesem wurden auf Hochleistungs-Computern bereits Ausbreitungsrechnungen für Gebiete von der Größe Manhattans hindernisauflösend und instationär (zeitlich variabel), also der Realität entsprechend, durchgeführt. Das Besondere ist nun, dass die Ergebnisse der Monate dauernden Simulationsrechnungen abgespeichert und so aufbereitet werden, dass sie in Sekundenschnelle auf einem PC oder Notebook dargestellt werden können. Die Einsatzleitung bekommt damit ein schnelles, einfach handhabbares, die komplexe Wirklichkeit aber dennoch realistisch beschreibendes Werkzeug in die Hand, das sie bei ihren schwierigen Entscheidungen unterstützt.

Das Werkzeug erlaubt es, fortwährend neue Erkenntnisse vom Katastrophenfall online in die Verbesserung der Gefahrenvorhersage einzubringen. Da auf vorhandene Daten zugegriffen wird, sind auch sogenannte „Rückrechnungen“ möglich, das heißt es lässt sich anhand mehrerer Sensorsignale feststellen, welches Gebiet für den Quellort überhaupt in Frage kommen kann. Natürlich lassen sich auch die meteorologischen Daten fortlaufend korrigieren. Der Nutzer erhält somit stets auf die aktuelle Situation bezogene Ergebnisse. Dies ist besonders wichtig wenn, wie in der Praxis häufig der Fall, der Quellort und die Quellstärke zunächst nicht genau bekannt sind.

Ausbreitungsexperimente für die Hamburger Innenstadt

Im Rahmen der Projektdurchführung wurden Simulationsrechnungen für einen 4 km mal 4 km großen Kernbereich Hamburgs mit einer räumlichen Auflösung von 2,5 m und ein Umgebungsgebiet von 16 km mal 12 km mit einer räumlichen Auflösung von 10 m durchgeführt. Der US-amerikanische Projektpartner setzte die Modellläufe auf, führte sie auf seinem eigenen Computer mit dem hochauflösenden Simulationsmodell „Fast 3D-CT“ durch und ermittelte die an die Darstellungssoftware CT-Analyst zu übergebenden Datensätze. Dabei wurden zahlreiche Verbesserungen an den beiden Programmen durchgeführt.

Das Team von der Universität Hamburg sorgte für die Projektkoordination, stellte die Eingangsdaten für die Modellrechnungen zusammen und kümmerte sich um die Qualitätssicherung der Modellergebnisse. Hierzu wurde ein physikalisches Modell der Hamburger Innenstadt angefertigt. Sodann wurden Ausbreitungsexperimente im Grenzschicht-Windkanal des Meteorologischen Instituts unter kontrollierten meteorologischen Bedingungen durchgeführt, um die numerischen Vorhersagen mit Daten überprüfen zu können.

Die Arbeiten wurden durch ein Naturexperiment ergänzt, in dem typische Ausbreitungsfälle nachgestellt worden sind. Einzelne Wolken wurden mit Rauch sichtbar gemacht und es wurde ein Videofilm gedreht. Die Videosequenzen bildeten die Basis für einen ebenfalls im Projekt erstellten Lehrfilm für Katastrophenhelfer, in dem die Besonderheiten der Gefahrstoffausbreitung in Städten allgemeinverständlich dargestellt und durch Bildmaterial belegt werden.

Die Partner von der Behörde für Inneres und Sport sowie von der Hamburger Feuerwehr und Polizei wirkten vor allem bei den Naturversuchen und bei der Filmerstellung mit. Als zukünftige Endnutzer des zu erstellenden Einsatzwerkzeugs wurden sie aber auch in alle anderen Arbeiten einbezogen, um von vornherein sicherzustellen, dass das Endprodukt den Wünschen der Praktiker in der Einsatzzentrale auch tatsächlich entspricht. Ferner achteten sie auf die Entwicklung notwendiger Schnittstellen, um das Produkt in das in Hamburg bereits bestehende Sicherheitskonzept einbinden zu können.

VDI-Konferenz „Anlagensicherheit“

Das Projekt Hamburg wird auch Thema sein bei der 3. VDI-Konferenz „Anlagensicherheit“, die vom 27. bis 28. April 2016 in Düsseldorf stattfinden wird. Herr Prof. Schatzmann vom Metrologischen Institut der Universität Hamburg, der am Projekt beteiligt war, wird es im Rahmen eines umfangreichen Vortrags präsentieren. Weitere Themenschwerpunkte der Konferenz werden sein: Effektiv vorbereitete und sichere Durchführung von Abstellungen, Cyber-Sicherheit in kritischen IT-Systemen, Risikobasierte Instandhaltung, Methodik zur Aufarbeitung und Kommunikation von Ereignissen, angemessene Sicherheitsabstände nach Leitfaden KAS-18, Gefahrenübergang an der Schnittstelle Hersteller und Betreiber.

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