Kitabı oku: «Waldbrandfrüherkennung»
Dirk Schneider
Für meine Tochter Lea Nicole, die in ihren jetzt sehr jungen Jahren in einem Waldkindergarten mit Rehen und Eichhörnchen um die Wette rennt und dies hoffentlich auch in der Zukunft mit ihren Kindern dort noch lange kann.
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1. Auflage 2021
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© W. Kohlhammer GmbH, Stuttgart
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ISBN 978-3-17-036505-6
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Vorwort
Die Idee zur Ausarbeitung dieses Themenkomplexes, der auch die Grundlage meiner Dissertation war, entwickelte sich aus dem Einsatz und den dabei persönlich gewonnenen Erfahrungen bei der Bekämpfung des zur Katastrophe erklärten Waldbrandes am Thumsee, Landkreis Berchtesgadener Land, im Jahr 2007.
Während die technischen und taktischen Erkenntnisse der luftgestützten Brandbekämpfung dieses Einsatzes durch mich bereits aufgearbeitet und veröffentlicht wurden, stellt sich mir auch heute noch, viele Jahre nach dem Brand, die Frage, auf welchem Weg und mit welchen Methoden Brände in Wäldern und Vegetationsgebieten schnell und zuverlässig erkannt sowie ausreichend präzise lokalisiert und eingeschätzt werden können. Dies immer mit dem Ziel, entstehende Schäden an Leben, Umwelt und Gütern zu verringern sowie den oftmals hohen logistischen Aufwand für die Gefahrenabwehr und die Entstehung solcher Brandkatastrophen allgemein zu vermeiden.
Die großen Wald- und Vegetationsbrände auf dem amerikanischen Kontinent oder in Russland haben mich immer sehr beeindruckt und waren steter Anschub für die Erstellung des vorliegenden Buches. Die durch diese Brände verlorenen Menschenleben, darunter immer wieder auch Kollegen und Kameraden der Feuerwehr, die enormen Schäden an Umwelt und Sachwerten und zuletzt die Bilder aus dem Wald fliehender und dabei brennender Koala-Bären in Australien, haben mich oft berührt und niemals losgelassen.
Was mag in diesen wehrlosen und flüchtenden Tieren vorgehen, die ihre Heimat, den Wald als ihr natürliches zu Hause, durch meist von Menschenhand verursachte sinnlose Brände verloren haben? Wenn sie sich umdrehen und auf das brennende Inferno zurückblicken, machtlos, stumm und sich teils nur mit schweren Verbrennungen retten konnten? Welche Qualität hat ihr weiteres Leben, wenn sie überleben? Dies sind zugegeben einige etwas pathetische Überlegungen. Man stelle sich nur vor, das Leben im Wald verbringen zu müssen, weil es der einzige Raum ist, in dem eine Vielzahl von Organismen leben können, Nahrung, Schutz und Zuflucht finden. Grund genug für den Menschen, sich des Schutzes der in Waldökosystemen existierenden Lebewesen anzunehmen! Für den Menschen ist es an der Zeit sich der Arroganz zu entledigen, sich stets über andere Lebensformen zu erheben und über deren Schicksal durch Missachtung von Grundwerten des Lebens zu entscheiden.
Mit der Erstellung des vorliegenden Buches, das im Vergleich zur Dissertation noch um einige Kapitel erweitert und in vielen Kapitel noch inhaltlich verfeinert wurde, eröffnete sich die faszinierende Welt der angewandten Wissenschaften, wie – hier hervorhebend genannt – die Bereiche Forstwesen sowie Luft- und Raumfahrt, aber ebenso auch das breite Ideenspektrum von Forschern und Wissenschaftlern auf der ganzen Welt. Ihren vorausgehenden Arbeiten gebührt an dieser Stelle mein Dank.
Besonderer Dank gebührt auch den Herren Univ.-Prof. Dr. Michael Müller, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Uli Barth und Prof. Dr.-Ing. Peter Protzel für ihre Bereitschaft, sich dieses Themas während meiner Promotion nicht nur anzunehmen, sondern durch ihre konstruktive Kritik und ihr besonderes Fachwissen in unterschiedlichsten Fachgebieten mich auch immer wieder zu weiteren Leistungen zu beflügeln. Großer Dank gebührt auch meinen Eltern, Herrn Dipl.-Ing. Eugen und Rita Schneider, die sich wieder einmal der ungeliebten Aufgabe des Korrekturlesens stellten und durch ihre Verständnisfragen und Korrekturhinweise einen wesentlichen Anteil daran haben, dass die so aufbereitete Materie auch für den Laien verständlich wurde.
Ebenfalls sei meiner Familie gedankt, die die Zusatzbelastung der Dissertation und der anschließenden Entwicklung des nun vorliegenden Buches, neben den vielen Verpflichtungen und belastenden »Überraschungen«, die sich aus dem aktiven Berufsfeuerwehrdienst und Ehrenämtern ergeben, einmal mehr, fast stillschweigend, hingenommen hat. Es war ein nicht einfacher Verzicht auf viele Dinge. Aber das mit dem vorliegenden Buch anvisierte Ziel, einen Beitrag zu leisten, unseren Nachkommen durch den Schutz von Wald- und Vegetationsflächen eine Umwelt zu hinterlassen, die unser Leben schön, bunt, lebendig und lebenswert macht, war diesen hohen Preis wert. Es ist oft die Entscheidung eines Einzelnen, die das Schicksal vieler bestimmt.
Höhenkirchen-Siegertsbrunn, Landkreis München, im Januar 2021
Dirk Schneider
Branddirektor Dr.-Ing. M. Sc. Dipl.-Ing.
Inhaltsverzeichnis
1 Vorwort
2 1 Einleitung
3 2 Die Waldbrandsituation in Deutschland
4 3 Brandursachen in Wäldern und Vegetationsgebieten
5 4 Methoden der Waldbrandfrüherkennung
6 4.1 Herkömmliche Methoden der Waldbrandfrüherkennung
7 4.1.1 Notrufmeldung durch die Öffentlichkeit
8 4.1.2 Feuerwachtürme
9 4.1.3 Luftbeobachtung
10 4.1.3.1 Feuerwehrflugdienst Niedersachsen
11 4.1.3.2 Die Polizeifliegerstaffel Hessen
12 4.1.3.3 Luftrettungsstaffel Bayern
13 4.1.3.4 Avialesookhrana
14 4.1.4 Waldbrandstreife
15 4.2 Moderne Systeme
16 4.2.1 Terrestrische Systeme
17 4.2.1.1 FireWatch
18 4.2.1.2 Firehawk Forestwatch
19 4.2.1.3 Integriertes Waldbrand-Beobachtungssystem (IPNAS)
20 4.2.1.4 FireALERT
21 4.2.1.5 Fire Wall
22 4.2.1.6 Radio-Akustisches-Sondierungssystem (RASS)
23 4.2.1.7 Mobile Biological Sensors (MBS)
24 4.2.1.8 Light Detection And Ranging (LIDAR)
25 4.2.1.9 Golden Eye
26 4.2.1.10 Blitzanalyse
27 4.2.1.11 Differenzielle optische Absorptionsspektroskopie (DOAS)
28 4.2.2 Aeronautische Systeme
29 4.2.2.1 National Infrared Operations Program (NIROPS)
30 4.2.2.2 Wildfire Airborne Sensor Program (WASP)
31 4.2.2.3 Unmanned Aerial Vehicles (UAV)
32 4.2.2.4 Luftschiffe
33 4.2.3 Orbitale Systeme
34 4.2.3.1 Nomos
35 4.2.3.2 Bispectral Infrared Detection (BIRD)
36 4.2.3.3 Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS)
37 4.2.3.4 Polar Operational Environmental Satellite Project (POES)
38 4.3 Methoden zur Erkennung unterirdischer Brände
39 4.3.1 Thermal Imaging Systeme
40 4.3.2 Hyperspektraldaten
41 4.3.3 Pyrometer
42 4.3.4 Gasmesstechnik
43 4.3.5 Ground Penetrating Radar
44 4.3.6 Transienten-Elektromagnetik (TEM)
45 5 Wirtschaftlichkeit
46 5.1 Wirtschaftlichkeit unter betriebs- und finanzwirtschaftlicher Betrachtung
47 5.2 Wirtschaftlichkeit in der öffentlichen Verwaltung
48 5.3 Personalkosten
49 5.4 Kostenvergleich verschiedener Früherkennungssysteme
50 6 Entwicklung eines Leistungspositionskataloges
51 6.1 Funktionale Anforderungen
52 6.1.1 Melde- und Dispositionszeiten
53 6.1.2 Einsatzbereitschaft
54 6.2 Nicht-Funktionale Anforderungen
55 6.2.1 Zuverlässigkeit
56 6.2.2 Leistungsvermögen
57 6.2.3 Benutzbarkeit
58 6.3 Sicherheitsanforderungen
59 6.3.1 Umweltsicherheit
60 6.3.2 Technische Betriebssicherheit
61 6.4 Wirtschaftlichkeit
62 6.5 Der Leistungspositionskatalog
63 7 Beurteilung und Bewertung der Methoden
64 7.1 Die Notwendigkeit des Einsatzes von Früherkennungssystemen
65 7.2 Grundlegende Bewertung der Leistungsfähigkeit
66 7.2.1 Public Report (Notrufmeldung durch die Öffentlichkeit)
67 7.2.2 Feuerwachtürme
68 7.2.3 Luftbeobachtung
69 7.2.4 Unmanned Aerial Vehicles (UAV)
70 7.2.5 Luftschiffe
71 7.2.6 Terrestrische CCTV-Technik
72 7.2.7 Terrestrische OSS-Videotechnik
73 7.2.8 Erdgebundene Infrarotsysteme
74 7.2.9 Erdgebundene Temperatursensoren
75 7.2.10 Light Detection And Ranging (LIDAR)
76 7.2.11 Sonic Detection and Ranging (SODAR) und Radio-Akustische-Sondierungssysteme (RASS)
77 7.2.12 Mobile biologische Sensoren (MBS)
78 7.2.13 Satellitentechnologie
79 7.2.14 Zusammenfassung der grundlegenden Bewertung
80 7.3 Bewertung nach dem Leistungspositionskatalog
81 7.3.1 Public Report (Notrufmeldung durch die Öffentlichkeit)
82 7.3.2 Feuerwachtürme
83 7.3.3 Luftbeobachtung
84 7.3.4 Unmanned Aerial Vehicles (UAV)
85 7.3.5 Luftschiffe
86 7.3.6 CCTV-Technik
87 7.3.7 OSS-Videotechnik
88 7.3.8 Erdgebundene Infrarotsysteme
89 7.3.9 Erdgebundene Temperatursysteme
90 7.3.10 Light Detection And Ranging (LIDAR)
91 7.3.11 Sonic Detection and Ranging (SODAR) und Radio-Akustische-Sondierungssysteme (RASS)
92 7.3.12 Mobile biologische Sensoren (MBS)
93 7.3.13 Satellitentechnologie
94 7.3.14 Zusammenfassung der Bewertung nach dem Leistungspositionskatalog
95 7.4 Bewertung anhand komplexer Kriterien
96 7.5 Die Vulnerabilität von Ökosystemen
97 7.6 Kostenvergleich ausgewählter Früherkennungssysteme
98 7.7 Bewertung der betriebs- und finanzwirtschaftlichen Methoden
99 7.8 Wirtschaftlichkeit und beeinflussende Nebenaspekte
100 7.9 Die Anwendung von Analysemethoden
101 8 Diskussion
102 8.1 Grundlagen und Methoden der Waldbrandfrüherkennung
103 8.2 Die Komplexität der Findung eines geeigneten Früherkennungssystems
104 8.3 Der Kostenvergleich von Früherkennungssystemen
105 9 Schlussfolgerungen
106 Fazit
107 Abkürzungsverzeichnis
108 Literatur- und Quellenverzeichnis
109 Stichwortverzeichnis
1 Einleitung
»Holz ist ein einsilbiges Wort,
aber dahinter verbirgt sich eine Welt der Märchen und Wunder.«
Theodor Heuss
Die Bedeutung von Wäldern und Vegetationsgebieten für den »Lebensraum Deutschland« wird seitens der Bevölkerung, der Politik, aber auch von Dienststellen zur Gefahrenabwehr zum Teil stark unterschätzt. Selbst Eigentümer oder Pächter von Waldgebieten verkennen häufig die ökologische Bedeutung des Waldes bzw. orientieren sich bei der Wertschätzung ihres Waldes vielfach nur an Rohholzpreisen, den Pachteinnahmen für die Jagd oder den finanziell gering bewerteten Waldgrund. Führt man sich aber vor Augen, dass insbesondere Wälder für das Umweltsystem wichtige und multifunktionale Aufgaben erfüllen, ändert sich diese am kurzfristigen Profit orientierte Einschätzung schnell.
Wälder sind nicht nur ein wertvoller Lebensraum für Fauna und Flora, sondern auch Lieferanten für den wichtigen und nachwachsenden Rohstoff Holz. Holz ist wiederum unverzichtbarer Werkstoff u. a. für die Bauwirtschaft, für die Möbel- oder Verpackungsindustrie und nicht zuletzt für die Printmedien.
Für den Menschen stellt der Wald einen wertvollen Erholungsraum dar, sei es um sich in den Wäldern zu erfrischen oder schlicht den Anblick zu genießen. Nicht ohne Grund werden Freizeit-, Kur-, Hotel- und Sportanlagen bevorzugt in der Nähe des Waldes oder sogar innerhalb von Waldgebieten angesiedelt.
Wälder sind darüber hinaus für unser Klima wertvolle »Verbraucher« von Kohlendioxid und absorbieren weitere, die lebensnotwendige Atemluft belastende Schadstoffe. Zudem binden Wald- und Vegetationsgebiete große Mengen an Umweltstäuben und fungieren als natürliche Reduktionsquelle für Lärm. Ferner tragen Wälder dazu bei, extreme Witterungen zu vermeiden. So werden Erosion, Hitze, Frost und die Auswirkungen von Starkregenfällen und Stürmen deutlich reduziert. Auch sind die Wälder der Lebensraum vieler Tier- und Pflanzenarten. Nicht zuletzt dienen Wälder als gewaltige Trinkwasserspeicher und Sauerstofflieferanten (König, 2007).
Somit ist ersichtlich, dass dem Schutz unserer Wälder eine weitaus größere Bedeutung beigemessen werden muss, als dies in weiten Teilen der Bevölkerung und verantwortlichen Stellen tatsächlich der Fall ist.
Betrachtet man nun den forstwissenschaftlich erbrachten Nachweis, dass ein Waldgebiet, welches durch einen Vollbrand vernichtet wurde, ca. 60 bis 70 Jahre Zeit benötigt (König, 2007) (etwa die Dauer eines durchschnittlichen Menschenlebens oder die Dauer zweier Generationen!), um sich wieder zu regenerieren oder sich zumindest in Teilen zu erholen, muss klar sein, dass die Wälder vor Brandeinwirkung und anderen Schadenseinflüssen zu schützen sind. Diese Aussage muss aber insofern eingeschränkt werden, da einige Ökosysteme durch Einwirkung von Feuer auch Nutzen ziehen oder für die weitere Entwicklung sogar darauf angewiesen sind. Der WWF Deutschland schätzt, dass ca. 46 % der weltweiten Ökoregionen von Feuer abhängig sind oder dadurch positiv beeinflusst werden. Innerhalb dieser Regionen sind Feuer ähnlich wichtig wie z. B. Regen oder Sonneneinwirkung (Hirschberger, 2012). Dieser Schätzung folgend verbleiben 54 % an weltweiten Ökosystemen, in denen ein Feuer keinen natürlichen Nutzeffekt aufweist und somit in vielerlei Hinsicht nur eine in unterschiedlichen Ausprägungen schädigende Wirkung eintritt.
Betrachtet man nun noch die Erfahrungswerte von Feuerwehren und Forstdienststellen, die belegen, dass die Brandbekämpfung in Waldgebieten nicht nur körperliche Schwerstarbeit ist, sondern die Gefahrenabwehr auch vor große strategische und logistische Probleme stellt, liegt nahe, dass ein Brand in einem feuerunabhängigen Ökosystem schon so früh wie möglich entdeckt, zuverlässig eingeschätzt, gemeldet und mit Einsatzkräften beschickt werden muss.
Waldbrände stellen eine konstante Gefahr für feuerunabhängige ökologische Systeme, Infrastruktur und alle Lebensformen dar. Betrachtet man die Prognosen für die zukünftigen Waldbestände, ist festzustellen, dass Waldbrände und die Rodung des Regenwaldes die Hauptursachen dafür sind, dass sich die Waldbestände mit Stand des Jahres 2000 bis zum Jahr 2030 weltweit halbiert haben werden (Stipaničev et al., o. A. und Kührt et al., 2000).
Bild 1: Momentaufnahme der Entstehung des Waldbrandes am Thumsee, Stadt Bad Reichenhall, Landkreis Berchtesgadener Land, am 13.04.2007. Dieser Entstehungsbrand entwickelte sich über einen Zeitraum von drei Tagen zu einer der größten Waldbrandkatastrophen im Freistaat Bayern (Quelle: Florian Weiß).
Jedes Jahr zerstören Brände mehrere Millionen km2 Pflanzenbewuchs in der Savanne und – zusätzlich zu dessen Rodung – ca. 100.000 km2 tropischen Regenwald (Kührt, o. A.). In Europa werden jedes Jahr ca. 10.000 km2 Wald durch Brände vernichtet (Bild 1). In den Regionen Nord Amerikas und Russland fallen jedes Jahr ca. 100.000 km2 Wald, den meist von Menschen verursachten Bränden, zum Opfer. Rund 20 % der das Weltklima beeinflussenden CO2-Emmissionen werden durch Waldbrände verursacht (Stipaničev et al., o. A.).
Im Jahr 2009 fanden sich Spezialisten verschiedener Dienststellen der Vereinigten Staaten von Amerika zusammen, um u. a. die von Bränden in der Vegetation ausgehenden Risiken und Gefahren zu bewerten, aber auch die Wirksamkeit der Strategien von Brandschutzprogrammen der Vergangenheit und Gegenwart zu untersuchen und daraus eine Prognose für künftige Anforderungen an das »Fire Management« zu erstellen (National Association Of State Foresters, 2009). Beteiligte Dienststellen waren u. a. das
U.S. Department of the Interior, Bureau Of Indian Affairs,
U.S. Department of the Interior, Bureau of Land Management,
U.S. Department of the Interior, U.S. Fish & Wildlife Service und
U.S. Department of Agriculture, Forest Service
sowie der National Park Service, die National Association of State Foresters und Dienststellen einzelner Bundesstaaten der USA, darunter Feuerwehren, Universitäten und Spezialisten von Nicht-Regierungsorganisationen (National Association Of State Foresters, 2009).
Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden im »Quadrennial Fire Review 2009« zusammengefasst, der für die kommenden vier Jahre – daher der Name des Berichtes – und darüber hinaus die Rahmenbedingungen aller Maßnahmen zur Gefahrenabwehr in Wald- und Vegetationsgebieten prognostiziert. Ergebnisse dieser Untersuchungen waren unter anderem (MV Group Ltd., 2009 und National Association Of State Foresters, 2009):
Die Auswirkungen des Klimawandels führen aller Wahrscheinlichkeit nach zu einer Verlängerung der Waldbrandsaison mit größeren und intensiveren Brandverläufen. Ferner werden Brände in mehreren Gebieten (der USA) ausbrechen, als dies früher üblich war.
(…)
Zunehmende Dürreperioden führen zu einer vermehrten Anhäufung von Brennstoffen, einer schnelleren Austrocknung der Vegetation und einer leichteren Entzündbarkeit der Brennstoffe.
(…)
Trotz eines größeren Bewusstseins der Öffentlichkeit besteht ein kontinuierliches Risiko für die Entstehung von Bränden in Wäldern und Vegetationsgebieten.
(…)
Der Finanzmittelhaushalt von Gefahrenabwehrdienststellen wird durch steigende Anforderungen und Kosten in der Zeit, in der eine Regierung nur geringe Einnahmen verzeichnet, überlastet.
(…)
Neue Denkansätze und Modelle, die neuesten wissenschaftlichen Erkenntnisse und neu entstehendes Wissen über Zuverlässigkeit, Sicherheit und Risikomanagement müssen gefördert werden und in allen Ebenen des »Fire Managements« integriert werden.
Bild 2: Erderwärmung seit dem Jahre 1850. Deutlich erkennbar ist der Anstieg der Temperatur oberhalb des globalen Temperaturdurchschnittes (Nulllinie) (Quelle: Umweltbundesamt).
Die Ergebnisse dieses Berichtes, aber auch die vielfältigen Schäden betrachtend, die jährlich durch Brände in Wald- und anderen Vegetationsgebieten entstehen, lassen daher nur eine logische Schlussfolgerung zu: Wald- und Vegetationsgebiete müssen einer steten Überwachung zugeführt werden, um die sich durch Brände ergebenden negativen Folgen für das Ökosystem im Allgemeinen und den Menschen im Besonderen deutlich zu reduzieren.
Alle Methoden der Waldbrandfrüherkennung haben dabei gemeinsam, dass diese die Anzahl der Waldbrände nicht reduzieren können, wohl aber deren Auswirkungen. Je früher und sicherer das Brandereignis dabei detektiert und gemeldet werden kann, desto
mehr Waldflächen können geschützt werden,
mehr Finanzmittel können eingespart werden,
früher und effizienter kann die Brandbekämpfung aufgenommen werden,
weniger Löschmittel und kostenintensive Löschmittelzusätze müssen eingesetzt werden,
mehr Lebensformen von Fauna und Flora können geschützt werden und
größer sind die globalen Erfolge des Umweltschutzes.
All dies sind Gründe, der Waldbrandfrüherkennung in vorliegendem Buch besondere Aufmerksamkeit zu widmen.
Ziel des Buches ist der Erhalt einer Übersicht über systemtechnisch völlig unterschiedlich wirkende herkömmliche und moderne Methoden der Waldbrandfrüherkennung. Auf Basis dieser Übersicht sind die unterschiedlichen Systeme und Methoden einem vorwiegend technischen und in begrenztem Umfang einem wirtschaftlichen Leistungsvergleich zu unterziehen, der sich sowohl an spezifischen technischen Funktionsmerkmalen als auch am Wirkbetrieb für einen frei gewählten Schutzbereich und folgend an einem realen Schadensfall, der Waldbrandkatastrophe in der Lüneburger Heide im Jahre 1975, orientiert.
Wesentliches Ziel ist auch die Entwicklung definierter Anforderungskriterien an Systeme zur Früherkennung von Wald- und Vegetationsbränden, die in einem Leistungspositionskatalog zu bündeln sind. Die zu definierenden Anforderungskriterien sollen die praktischen Erfordernisse des Einsatzdienstes der Feuerwehr sowie Belange der Sicherheitstechnik, der freien Wirtschaft und des öffentlichen Dienstes berücksichtigen. Dabei ist davon auszugehen, dass dieser so entwickelte und nachfolgend dargestellte Leistungspositionskatalog Neuigkeitscharakter aufweist. Im Weiteren sind auch die Einflussfaktoren zu ermitteln, die sich auf die Beschaffung bzw. den Einsatz eines Früherkennungssystems auswirken. Für ein weitergehendes Verständnis wird neben der Darstellung unterschiedlicher Methoden der Früherkennung von Wald- und Vegetationsbränden auch auf die Waldbrandsituation speziell in der Bundesrepublik Deutschland und ihre Ursachen eingegangen.
