Entwicklung optimierter Wasserhaushaltsschichten mittels technischer Vegetationssubstrate

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1 Entwicklung optimierter Wasserhaushaltsschichten mittels technischer Vegetationssubstrate Dr.-Ing. Ernst Reuter IWA Ingenieurgesellschaft für Wasser- und Abfallwirtschaft D Minden Marienstrasse 122 Sachverständiger für D Hannover Kantplatz 3

2 Funktionsprinzip Die Wasserhaushaltsschicht speichert Wasser in der verdunstungsarmen Jahreszeit, die Pflanzenwurzeln entnehmen dieses Wasser in der Vegetationsperiode. Optimimierte Wasserhaushaltsschicht Achtung: Wasserangebot (Bodenfeuchte der Wasserhaushaltsschicht) und Wasserbedarf (der Vegetation) müssen aufeinander abgestimmt und mit den klimatischen Standortgegebenheiten im Gleichgewicht sein. 2

3 Funktionsprinzip Schluffreiche Böden werden für Wasserhaushaltsschichten bevorzugt Wasserbindung und Porengrößenverteilung verschiedener Böden (GDA E 2-31) 3

4 Funktionsprinzip Die Verdunstungsleistung der Vegetation ist zeit- und artabhängig! Verdunstungsleistung der Vegetation/Durchwurzelung optimal Gras-, Strauch- und Baumbewuchs Gras- und Strauchbewuchs gering Grasbewuchs Zeit [Dekaden] 4

5 Optimierungsbedarf In der Fachliteratur wird an verschiedenen Stellen über das Vorhandensein von Zielkonflikten beim Bau von Wasserhaushaltsschichten berichtet: Hohe nutzbare Feldkapazität! Ausreichende Luftkapazität! Lose Vor-Kopf-Schüttung! Schluffreiche Böden! Erosionsgefahr? Geringe Bauleistung? Nachweis der Standsicherheit? Nachträgliche Sackungen? 5

6 Optimierungsbedarf Gängige Einbauverfahren zur Erreichung lockerster Schüttdichte (Quellen: Melchior et al; Maier-Harth et al; in: 5. Deponieseminar 2005; Hrsg. Landesamt f. Geologie u. Bergbau Rheinland-Pfalz, Mainz) 6

7 Optimierungsbedarf Umfangreiche Untersuchungen an einer ausgeführten Wasserhaushaltsschicht aus Lössboden dokumentierten erhebliche Sackungen im ersten Winter nach dem (komplizierten) Einbau (Quelle: Egloffstein et al; in: 11. Braunschweiger Deponieseminar 2004; Hrsg. Institut f. Grundbau u. Bodenmechanik TU Braunschweig) 7

8 Optimierungsansätze 1. Erhöhung der Verdunstungsleistung durch größeren Anteil geeigneter und standortgerechter Gehölze. Ziel: Entwicklung einer mehrschichtigen Vegetation 2. Verbesserung der Speicherfähigkeit der Wasserhaushaltsschicht in den niederschlagsreichen Wintermonaten durch Erhöhung der nutzbaren Feldkapazität/Wasserkapazität 3. Verbesserung der Herstellbarkeit und des Langzeitverhaltens durch Entwicklung sackungsstabiler Wasserhaushaltsschichten (auch: Vegetationstragschichten) 8

9 Anforderungen an Wasserhaushaltsschichten 1) - ausreichende Mächtigkeit - gute Durchwurzelbarkeit - hohe nutzbare Feldkapazität und ausreichende Luftkapazität - ausreichende Durchlässigkeit zur Verhinderung von Stauwasserbildung (Gefahr: Rutschungen) - gute Standsicherheit - Beständigkeit gegen alle Formen der Erosion (Wind, Wasser, innere und äußere Erosion, Suffosion, Kontakterosion) - stabiles Korngerüst und Bodengefüge (nicht sackungs- oder lösungsgefährdet, kein Makroporengefüge) - geringes Lösungs- und Austragspotential von Stoffen, die in der Entwässerungsschicht und ggf. in einer Kapillarsperre ausfallen und deren Durchlässigkeit verringern können - ausreichende pflanzenverfügbare Nährstoffgehalte, günstige Bodenreaktion und Pufferung - Aufbau aus umweltverträglichen Materialien 1) Quelle: GDA-Empfehlung E Rekultivierungsschichten 9

10 Bauweisen 2-schichtige Bauweise ist die Regelbauweise Bodenarten: Versickerungs- und Wasserspeicherhorizont Sl 2, Sl 3 und Sl 4 1) Slu, Su 3, Su 4, Uu, Ul 1, Us, Ut 2, Ut 3 und Ut 4 1) 50 cm 150 cm 1) Bodenkundliche Kartieranleitung 10

11 Bauweisen welche Bauweise ist die richtige? Regelbauweise mit Versickerungs- und Wasserspeicherhorizont bodenkundliche Variante 50 cm vegetationstechnische Variante 15 cm 150 cm 185 cm Bodenmaterial gemäß vorgegebener Grenzbereiche (Landesamtes für Geologie und Bergbau Rheinland- Pfalz), feinteilreiche Bodengemische mineralische Mulchschicht als Abdeckung zur Verbesserung der Wasseraufnahme und zum Schutz (Erosion, Wildwuchs, Schädlingsbefall) Vegetationstragschichtgemisch in Anlehnung an die Vorgaben für Baumsubstrate der FLL mit definiertem Bodenluft- und Wasserhaushalt11

12 Materialauswahl Anforderungen an Wasserhaushaltsschichten Versickerungs- und Wasserspeicherhorizont Versickerungshorizont geeignete Bodenarten: Sl2, Sl3, Sl4 zzgl. max. 30 % Grobbodenanteil > 2mm Feinteilgehalt d < 0,063 mm ca. 40 M.-% vom Landesamtes für Geologie und Bergbau RheinlandPfalz vorgegebene Grenzbereiche für Bodengemische zur Eignung als Versickerungs- und Wasserspeicherhorizont Feinteilgehalt d < 0,063 mm ca. 73 M.-% Wasserspeicherhorizont geeignete Bodenarten Su3, Su4, Slu, Us, Ut2, Ut3, Uls, Ut4 zzgl. max. 30 % Grobbodenanteil > 2mm 12

13 Materialauswahl aus bodenkundlicher Sicht vertretbar aus vegetationstechnischer Sicht eine Katastrophe nicht sackungsstabil nicht ausreichend durchwurzelbar 13

14 Materialauswahl Substrate/Vegetationstragschichtgemische Für tragfähige und sackungsstabile Substrate sind hohe Anforderungen an den Bodenluft- und Bodenwasserhaushalt zwingend erforderlich. Diesbezüglich stellen die FLL-Empfehlungen für Baumpflanzungen, Teil 2 hohe Anforderungen an die Substrateigenschaften. 14

15 Materialauswahl Problemstellung Diskrepanz zwischen Bodenkunde und durch Verwendung unterschiedlicher Parameter z.b. Wasserspeicherfähigkeit - bodenkundlich immer als nutzbare Feldkapazität (nfk) angegeben (Porenraum von pf 1,8-4,2 = pflanzenverfügbares Wasser) - vegetationstechnisch wird immer die maximale Wasserkapazität WK max. angegeben (Porenraum von pf 1,8 > 4,2 = das gesamte Speichervermögen) 15

16 Materialauswahl Problemstellung Diskrepanz zwischen Bodenkunde und durch Forderung unterschiedlicher Ausführungspraktiken z.b. Verdichtung - bodenkundlich wird standardmäßig der Einbau von unverdichteten Boden-Mineralstoffgemischen gefordert (die nutzbare Feldkapazität (nfk) ist auf diesen Zustand bezogen) praxisfern - vegetationstechnisch wird immer ein verdichteter Zustand angenommen (die WK max. wird immer im verdichteten Zustand ermittelt) praxisnah 16

17 Optimierungsmöglichkeiten nach FLL-Richtlinie Kayptra Initialzone Luft ist das A + O für eine optimale Durchwurzelung! Wie wachsen Baumwurzeln? nach dem Prinzip des geringsten Widerstandes Die Wurzelhaube (Kalyptra) schützt die Initialzone vor Verletzungen. Dort wächst die Wurzel in die Länge und es werden neue Kalyptrazellen gebildet. Die auf Bodenverdichtungen sehr empfindlich reagierende Wurzelhaube gibt vor, in welche Richtung die Wurzel wachsen wird. 17

18 Optimierungsmöglichkeiten nach FLL-Richtlinie an der Dichtegrenze wächst die Wurzel immer in das weniger dichte Substrat hinein 18

19 Optimierungsmöglichkeiten nach FLL-Richtlinie Die Baumwurzel wächst immer in die (vorhandenen) Poren Der Porenraum im Bodengefüge 19

20 /Bewuchs Vegetationstragschicht bzw. Wasserhaushalts- und Rekultivierungsschicht (WHS - RKS) vegetationstechnische Anforderungen - grobporenreich - strukturstabil - wasserspeichernd vollständige Durchwurzelbarkeit 2 m Vergrößerung 20

21 /Bewuchs Filterschicht vegetationstechnische Anforderungen - grobporenarm - nährstoffarm zur Vermeidung von Einwurzelungen 2 m cm Vergrößerung 21

22 /Bewuchs Dränschicht vegetationstechnische Anforderungen - grobporenreich - nährstoffarm überdimensioniert, die WHS-RKS übernimmt auch Dränfunktion 2 m cm 25 cm Vergrößerung ein Schutz vor Einwurzelungen ist nahezu ausgeschlossen! 22

23 /Bewuchs Kunstoffabdichtung KDB vegetationstechnische Anforderungen - wasserdicht - durchwurzelungsfest 2 m cm 25 cm Vergrößerung nach vollständiger Durchwurzelung enden die Kunststoffdichtungsbahn Wurzeln auf der Kunststoffdichtungsbahn. Das Einwurzeln ist bei fachgerechter Ausführung nicht möglich. 23

24 /Bewuchs Bewuchs m Baumschicht Strauchschicht Gras/Krautschicht Pflanzarbeiten gemäß DIN Pflanzarbeiten gemäß DIN > 2 m maximale Durchwurzelungstiefe ca. 2 m, je nach Verfügbarkeit des Bodenraums und den substratspezifischen Eigenschaften in 2-5 Vegetationsperioden 24

25 /Bewuchs m Bewuchs Mykorrhiza-Beimpfung optimiert: - Wasserversorgung und - Nährstoffverfügbarkeit Pflanzarbeiten gemäß DIN Pilzhyphen auf Feinwurzel der Feinporenraum wird von Pilzhyphen erschlossen; die Begrenzung der nfk auf pf <4,2 wird in Frage gestellt 25

26 Optimiertes Anforderungsprofil Anforderungen an Vegetationstragschichtgemische geforderter Verdichtungsgrad D Pr für unterbaufähige Baumsubstrate gemäß FLL gefordertes Gesamtporenvolumen geforderte maximale Wasserkapazität gefordertes Luftvolumen geforderte Wasserdurchlässigkeit geforderte Gehalt an organischer Substanz 26

27 Gegenwärtig prüft die IWA gemeinsam mit Dr. Heidger, Hannover, Rezepturen zur Herstellung sackungsstabiler, wasserspeichernder Vegetationssubstrate für Wasserhaushaltsschichten auf Basis der FLL-Empfehlungen für Baumpflanzungen (2004) Anwendung 27

28 Anwendung RC-Ziegel Kompost Schlämmsand Erste Untersuchungen an mit aufbereitetem RC-Ziegelbruch vermischten Vegetationssubstraten zeigen positive Ergebnisse 28

29 Anwendung Max. WK (Ausgangsstoffe) Max. WK (Gemische) 29

30 Zusammenfassung 1. Bei der Entwicklung von Wasserhaushaltsschichten standen bisher vor allem bodenkundliche Aspekte im Vordergrund. 2. Weitere Optimierungen, insbesondere zur Verbesserung der Sackungsstabilität, ergeben sich aus den langjährigen Erfahrungen der mit Vegetationstragschichten im Straßenbau. 3. Örtlich vorhandene Grundstoffe können durch das Zumischen von RC-Ziegel sowohl in den Tragfähigkeitseigenschaften als auch im Wasserspeichervermögen deutlich aufgewertet werden. 30

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