Ermittlung und Eliminierung von Fremdwasserquellen. Kurzbericht

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1 Ermittlung und Eliminierung von Fremdwasserquellen Kurzbericht im Auftrag des Ministeriums für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen Projektleiter: Univ. Prof. Dr.-Ing. Max Dohmann Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen Sachbearbeitung: Dipl.-Ing. Jörg Hennerkes Dipl.-Ing. Agnieszka Speicher

2 2 Inhalt 1 Einleitung Veranlassung und Zielsetzung Vorgehensweise Eintritt von Niederschlagswasser durch die Öffnungen der Schachtdeckel Untersuchungen zum grundwasserbedingten Fremdwasseraufkommen Ergebnisse Eintritt von Niederschlagswasser durch die Öffnungen der Schachtdeckel Untersuchungen zum grundwasserbedingten Fremdwasseraufkommen Düsseldorf-Angermund Münster Fazit der Untersuchungen Zusammenfassung...18 Literaturverzeichnis...20

3 3 1 Einleitung Fremdwasser stellt bekanntlich einen unverschmutzten und somit aus heutiger Sicht unerwünscht in die Kanalisation gelangenden Teil des Abwassers dar. Bis vor etwa 20 Jahren galt Fremdwasser jedoch vielerorts als willkommenes Mittel, um einen ablagerungs- und geruchsfreien Kanalbetrieb gewährleisten zu können und Grundwasser gezielt abzuleiten. Fremdwasser bezeichnet nach DIN 4045 [1] In die Kanalisation ( ) eindringendes Grundwasser (Undichtheiten), unerlaubt über Fehlanschlüsse eingeleitetes Wasser (z. B. Dränagewasser, Regenwasser) sowie einem Schmutzwasserkanal zufließendes Oberflächenwasser ( ) (z. B. über Schachtabdeckungen). In der DIN EN [2] wird Fremdwasser als unerwünschter Abfluß in einem Entwässerungssystem beschrieben. Grundsätzlich lassen sich ein grundwasserbedingter und ein niederschlagsbeeinflußter Fremdwasseranteil unterscheiden. Veränderungen der Lage des Grundwasserspiegels führen auch zu einer Änderung des Fremdwasseraufkommens. Bei entsprechender Hydrogeologie lassen sich ein Maximum des Grundwasserstandes im Zeitraum von Herbst bis Frühjahr und ein Minimum im Sommer erkennen. Der niederschlagsbedingte Fremdwasseranteil ist auf konkrete Niederschlagsereignisse und deren Regennachlauf zurückzuführen. Das Niederschlagswasser gelangt beispielsweise über die Öffnungen der Schachtdeckel des Schmutzwasserkanals, Fehlanschlüsse oder Dränagen als Fremdwasser in den Abwasserkanal. Unter Berücksichtigung der Unterschiede von Misch- und Trennkanalisation ergeben sich die in Tabelle 1 dargestellten Herkunftsbereiche für Fremdwasser. Zur Identifikation der potentiellen Fremdwasserquellen bieten sich verschiedene Möglichkeiten an, z. B. TV-Inspektion, Nebel- und Farbuntersuchungen sowie gezielte Durchflußmessungen oder Netzbegehungen. Zu Beginn einer Untersuchung zum Fremdwasseraufkommen empfiehlt sich die Bestimmung der Gesamtfremdwassermenge in den jeweiligen Einzugsgebieten. Dies soll im Schmutzwasserkanal des Trennsystems i. d. R. bei Grundwasserhöchststand (Frühjahr / Herbst) und Regenwetter oder über die Betrachtung eines gesamten Kalenderjahres erfolgen. Der grundwasserbedingte Fremdwasserabfluß

4 4 Tabelle 1 Quellen und Ursachen von Fremdwasser in Kanälen verschiedener Entwässerungssysteme [6] Fremdwasserquelle im Schmutzwasserkanal soll bei Trockenwetter und Grundwasserhöchststand ermittelt werden, der niederschlagsbedingte Fremdwasserabfluß bei Regenwetter und Grundwassertiefststand. Mischwasserkanal SW-Kanal 1 ) RW-Kanal 2 Trennsystem ) Undichtheiten undichte Abwasserkanäle und Schachtbauwerke (kommunal / privat) G X X X undichte Hausanschlüsse / Grundleitungen G X X X Fehlanschlüsse Dränagen N ) (Grundstücke, Baustellen) N X X Dränagen G ) (Grundstücke, Baustellen) G X X Regenwasser N X Wegeseitengräben N X X Bacheinleitungen, Quellen, Brunnenüberläufe N X X nicht schädlich verunreinigtes Kühlwasser N X X durch die Öffnungen von Schachtdeckeln zufließendes Oberflächenwasser Wasser von Dach- und Hofflächen N X Wasser von unbefestigten Flächen, Außengebieten, Siefen 1 ) SW = Schmutzwasser N X N X X 2 ) RW = Regenwasser G grundwasserbedingtes Fremdwasser N niederschlagsbedingtes Fremdwasser 2 Veranlassung und Zielsetzung Unterschiedliche Forschungs- und Entwicklungsvorhaben haben in der Vergangenheit verschiedenste Aspekte zum Themenbereich Fremdwasser aufgegriffen und erarbeitet. Bekannt sind hier die Untersuchungen an einzelnen Kanalstrecken sowie umfangreiche Projekte, die gesamte Entwässerungsgebiete umfassen und Problemlösungsvorschläge liefern. Vielfach fehlen aber einheitliche Verfahren zur Quantifizierung des Fremdwassers und übertragbare Lösungskonzepte. Aus diesem Grund beauftragte das Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen das Institut für Sied-

5 5 lungswasserwirtschaft der RWTH Aachen, Erkenntnisse über spezifisch bedeutsame Fremdwasserquellen, gezielte Maßnahmen zu deren Beseitigung sowie Kosten und Nutzen von Maßnahmen als Entscheidungshilfe für nordrhein-westfälische Kommunen bei der Lokalisierung und Beurteilung von Fremdwasserquellen sowie bei der Reduzierung des Fremdwasseraufkommens zusammenzufassen. Ziel der Untersuchungen war, die Abhängigkeit zwischen dem Fremdwasseraufkommen und dem Grundwasserstand unter Berücksichtigung des Kanalnetzzustandes und evtl. vorhandenen Dränageanschlüssen zu ermitteln. Hierzu wurden im Stadtteil Düsseldorf- Angermund und in der Stadt Münster Untersuchungen an unterschiedlich strukturierten Einzugsgebieten durchgeführt. Die in Düsseldorf gewonnenen Ergebnisse wurden durch Untersuchungen zum Fremdwasseraufkommen in der Stadt Münster verifiziert. Neben dem durch Undichtheiten in die Kanalisation eindringenden Grundwasser stellt der Zutritt von Niederschlagswasser durch die Öffnungen der Schachtdeckel der Schmutzwasserkanäle im Trennsystem eine potentielle Fremdwasserquelle dar. Dieses Problem ist prinzipiell bekannt, wurde jedoch in der Vergangenheit immer wieder wegen zu großer Unsicherheit bei den beeinflussenden Randbedingungen als nicht quantifizierbar eingestuft. Ziel der Untersuchungen des ISA war herauszufinden, welche Mengen des Oberflächenwassers dem Schmutzwasserkanal durch die Öffnungen des Schachtdeckels zufließen. 3 Vorgehensweise 3.1 Eintritt von Niederschlagswasser durch die Öffnungen der Schachtdeckel Zur Durchführung der Versuche wird eine am Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen gebaute Anlage (siehe Bild 1) verwendet, die im Rahmen von Vorversuchen modifiziert und den Erfordernissen der Versuche angepaßt wird. Kernstück der Versuchsanlage ist eine Wanne mit eingebautem Schachtdeckel ohne Einlagen nach DIN Zur Verstellung der Neigung ist die Versuchswanne um eine Querachse unter dem Schachtdeckel kippbar gelagert. Durch Beregnungsdüsen, Leitbleche und ein Riffel-

6 6 Ermittlung und Eliminierung von Fremdwasserquellen (Kurzbericht) blech wird Trinkwasser gleichmäßig auf die Rahmenbreite verteilt dem Schachtdeckel zugeleitet. Das über und am Schachtdeckel vorbeifließende Wasser wird getrennt von dem durch die Öffnungen des Schachtdeckels fließenden Wasser gesammelt. Beide Wasserströme werden einer Abflußmessung zugeführt. In Abhängigkeit von der Längsneigung der Versuchswanne wird der Anteil des durch die Öffnungen des Schachtdekkels eindringenden Oberflächenwassers untersucht. Auf der Basis der gemessenen Werte wird ein vereinfachtes mathematisches Modell entwickelt. Eine Verifizierung des erarbeiteten Modells wird beispielhaft an einem kleinen Einzugsgebiet durchgeführt. Bild Ansicht des Versuchsstandes am ISA Untersuchungen zum grundwasserbedingten Fremdwasseraufkommen Zur Analyse des Fremdwasseraufkommens werden im Ortsteil Düsseldorf-Angermund zwei Durchflußmeßstellen im Schmutzwasserkanal des Trennsystems installiert und über einen Zeitraum von anderthalb Jahren betrieben. Die Durchflußmeßstelle Q-Bahn liefert Daten aus einem Einzugsgebiet mit Einwohnern und einer Höhenlage des Schmutzwasserkanals oberhalb von 32 m ü. NN. Die Meßstelle Q-PW befindet sich direkt vor einem Schmutzwasserpumpwerk und erfaßt ein Einzugsgebiet mit Einwohnern (einschließlich Q-Bahn ). Die Hälfte aller SchmutzwasserhaltunInstitut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen ISA 2002

7 7 gen liegt unterhalb von 32 m ü. NN. Der Grundwasserstand überschreitet nur selten ein Niveau von 31,5 m ü. NN. Das Abwasser aus dem Einzugsgebiet der Meßstelle Q-Bahn wird durch die Meßstelle Q-PW mit erfaßt. Die Durchflußmessungen werden durch Erhebung von Niederschlagsdaten und Grundwasserpegelmessungen ergänzt. Die Auswertung des gesamten Fremdwasseraufkommens an beiden Meßstellen erfolgt über eine Bilanzierung des täglichen Trinkwasserbedarfs. Zur Ermittlung des grundwasserbedingten Fremdwasseranteils wird die minimale nächtliche Schmutzwassermenge ausgewertet. Mit Hilfe des bereits erfaßten Zustands des Schmutzwasserkanals wird versucht, eine Abhängigkeit des Fremdwasseraufkommens von der Änderung des Grundwasserspiegels herzustellen. Eine eventuelle Abhängigkeit soll auf den Anteil der schadhaften Haltungen im Schmutzwasserkanal zurückgeführt werden. Zur Ergänzung der in Düsseldorf gewonnenen Ergebnisse und zur Verifikation der Vorgehensweise werden in der Stadt Münster in den drei trennentwässerten Einzugsgebieten Häger, Geist und Mariendorf Untersuchungen zum Fremdwasseraufkommen im Schmutzwasserkanal durchgeführt. Hierzu werden die Niederschlagsdaten und Aufzeichnungen der Zuflüsse der zugehörigen drei Kläranlagen für die Jahre 1999, und 2001 ausgewertet. Das Fremdwasseraufkommen wird mit Hilfe der Bilanzierung des spezifischen Trinkwasserverbrauchs und der modifizierten Trockenwettertagemethode nach BÄUMER ermittelt. Ähnlich wie in Düsseldorf wird auch in Münster durch Aufzeichnung verschiedener Grundwasserspiegel versucht, eine eventuelle Abhängigkeit zwischen Fremdwasseraufkommen und Stand des Grundwasserspiegels, resp. den fremdwasserrelevanten Schäden im Schmutzwasserkanalnetz, herzustellen. 4 Ergebnisse 4.1 Eintritt von Niederschlagswasser durch die Öffnungen der Schachtdeckel Der Ermittlung der abflußrelevanten Fläche werden die Parameter Straßenlängsneigung, Straßenquerneigung, resultierende Schrägneigung, Straßenbreite und Breite des Schachtdeckelrahmens zugrunde gelegt. Die Lage des Schachtdeckels in der Fahrbahn wird so angenommen, daß 2 / 3 der Straßenbreite abflußrelevant sind. Die Versuche

8 8 werden mit einer Regenspende von r = 190 l/(s ha) durchgeführt. Aus den Modellversuchen ergeben sich folgende Kernaussagen: Die Einlegetaschen des Rahmens haben einen maßgebenden Einfluß auf den Wasserdurchtritt. Mit zunehmender Neigung fließt bei gleichem Zufluß weniger Wasser durch Lüftungslöcher und Einlegetaschen. Mit steigendem Zufluß fließt bei gleichbleibender Neigung mehr Wasser durch Lüftungslöcher und Einlegetaschen. Bei geringem Zufluß findet ein Durchfluß zunächst nur durch die Einlegetaschen statt. Steigt der Zufluß, wird der Deckel überströmt und der Abfluß findet durch die Lüftungslöcher und Einlegetaschen statt. Bei besonderen Einstausituationen sind ggf. Wasserdurchtritte von vielen hundert Litern pro Minute durch die Lüftungslöcher möglich. Die Ergebnisse der gemessenen Durchflüsse sind als Abflußkurven in Bild 2 dargestellt. 12,0 ( ) rt= 10,n= 0,5= 190 l/(s ha) Q = 11 l/min 10,0 Durchfluß Deckel in [Liter/min] 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 Zufluß in [Liter/min] I=1% I=1%, berechnet I=2% I=2%, berechnet I=3% I=3%, berechnet I=4% I=4%, berechnet I=5% I=5%, berechnet I=6% I=6%, berechnet Bild 2 Darstellung von Meßwerten und den berechneten Durchflußkurven bei exponentiellem Ansatz

9 9 Das mathematische Modell zur Beschreibung des Abflusses Q [l/min] durch den runden Schachtdeckel (Fläche 0,48 m²) läßt sich zusammenfassend mit folgender Formel beschreiben: ( ) Q = N A ω + 0,48 L ρ Die beeinflussenden Parameter sind der Niederschlag N, die abflußwirksame Fläche A, der Abflußbeiwert Deckel ω, die Länge des Kanalabschnittes L und die Schachtdichte ρ. Für ein Teileinzugsgebiet eines Kanalnetzes im ländlichen Bereich in der Eifel wird das Modell verifiziert. Zur Anwendung des Modells werden die Randbedingungen durch Einsichtnahme in Planunterlagen und eine Ortsbegehung ermittelt. Das Haltungsgefälle wird als Näherung des Straßenlängsgefälles angesetzt, da die Tiefenlage der Kanäle weitgehend konstant ist. Die Einbausituation und der Lagebeiwert werden für jeden Schachtdeckel vor Ort einzeln abgeschätzt. Bei zwei ausgewerteten Regenereignissen im Oktober ist etwa ein Drittel des niederschlagsbedingten Fremdwasserabflusses durch die Öffnungen der Schachtdeckel in den Schmutzwasserkanal des Trennsystems gelangt. 4.2 Untersuchungen zum grundwasserbedingten Fremdwasseraufkommen Düsseldorf-Angermund Der Stadtteil Düsseldorf-Angermund ist ein reines Wohngebiet im Düsseldorfer Norden mit einer an die Kanalisation angeschlossenen Fläche von etwa 169 ha. Angermund wird im Trennsystem (23,4 km Schmutzwasserkanäle) entwässert. Im Jahr wurden 45 % der Haltungen des öffentlichen Kanalnetzes inspiziert und Schäden der Zustandsklassen 1 und 2 beseitigt. Westlich und direkt im Bereich von Angermund stehen bis knapp unterhalb der Geländeoberkante Sande und Kiessande an. Durch den nahe gelegenen Rhein kann es bei Hochwasser zu einer Beeinflussung des Grundwasserspiegels kommen. In einem ersten Schritt wird auf der Basis der gemessenen Durchflüsse an den Meßstellen der beiden Einzugsgebiete Q-Bahn und Q-PW das gesamte Fremdwasser-

10 10 aufkommen bestimmt. Zusätzlich wird noch das Einzugsgebiet Q-PW ohne Bahn betrachtet. Unter Ansatz eines spezifischen Schmutzwasseraufkommens von 140 l/(e d) ergibt sich für das Einzugsgebiet Q-Bahn bei Trockenwetter ein relativ geringer Fremdwasserzuschlag von i. M. nur 19 % im Vergleich zu i. M. 76 % bei Regen- und Trockenwettertagen. Werden nur die Trockenwettertage des Jahres mit hohem Grundwasserstand (März bis Mai) betrachtet, so liegt der mittlere Fremdwasserzuschlag bei 26 %. Daraus ist zu entnehmen, daß das Fremdwasseraufkommen im Einzugsgebiet Q-Bahn kaum durch das Grundwasser beeinflußt wird. Im Gegensatz dazu steht das Einzugsgebiet der Meßstelle Q-PW. Wird der Anteil des Einzugsgebietes Q-Bahn (Teilmenge von Q-PW ) abgezogen, so ergibt sich unabhängig vom Niederschlagsgeschehen eine sehr hohe Spannweite der Fremdwasserzuschläge mit einem im Vergleich zum Einzugsgebiet Q-Bahn erheblich höheren Fremdwasseraufkommen. Bei Trockenwetter liegt der Fremdwasserzuschlag bei i. M. 137 % (max. 273 %) und bei Betrachtung aller Tage i. M. bei 163 % mit Spitzenwerten um 465 %. Bei Trockenwetter und hohem Grundwasserstand liegt der Fremdwasserzuschlag i. M. bei 193 % (maximal 273 %). Aus dem Vergleich der Fremdwasserzuschläge wird deutlich, daß beide Einzugsgebiete durch Niederschlag beeinflußt werden. Im Gegensatz zum Einzugsgebiet Q-Bahn wird das Einzugsgebiet der Meßstelle Q-PW ohne Bahn erheblich durch das Grundwasser beeinflußt. Klassifiziert man das Fremdwasseraufkommen in den beiden Einzugsgebieten Q-Bahn und Q-PW ohne Bahn nach Kriterien von FISCHER [4], so ergeben sich folgende Bewertungen: Einzugsgebiet Q-Bahn : geringe Fremdwasserproblematik, kein Handlungsbedarf Einzugsgebiet Q-PW ohne Bahn : hohes Fremdwasseraufkommen, das Kanalnetz ist sanierungsbedürftig Grundwasserbürtiges Fremdwasser Unter der Annahme, daß in den frühen Morgenstunden an Trockenwettertagen kaum Schmutzwasser produziert wird, besteht das Abwasser neben einem minimalen nächtlichen Schmutzwasserabfluß von etwa 0,5 l/(s 1000 E) nahezu nur aus Fremdwasser.

11 11 Das an der Meßstelle Q-Bahn an Trockenwettertagen mit Hilfe der Nachtminimum- Methode ermittelte Fremdwasseraufkommen ist sehr gering und beträgt im Mittel 0,13 l/s. Der sich daraus ergebende Fremdwasseranteil von i. M. 3 % (max. 26 %) ist vernachlässigbar gering. In den Monaten Juli bis November wird an Trockenwettertagen kein Fremdwasser im Schmutzwasserkanal festgestellt. Die Situation an der 2 km entfernt gelegenen Meßstelle Q-PW stellt sich anders dar. Der Fremdwasserabfluß beträgt im Mittel 7 l/s und variiert zwischen 2 und 13 l/s. Der Fremdwasseranteil liegt i. M. bei 32 % mit Spitzenwerten um 50 %. Der jahreszeitliche Verlauf der Fremdwasseranteils und -zuschlags sind in Bild 3 dargestellt. Bei einer differenzierten Betrachtung des Einzugsgebietes Q-PW ohne Bahn ergibt sich ein Fremdwasseraufkommen von i. M. 5 l/s mit einer Spannbreite von 2-7 l/s. Der Fremdwasseranteil liegt i. M. bei 34 % mit einem Maximum bei 54 %. Die sich daraus ergebende minimale Fremdwasserabflußspende an Trockenwettertagen für das Jahr / 2001 beträgt 0,17 l/(s km) und ist größer als der Bemessungswert des Arbeitsblattes ATV-A 128. Die maximale Abflußspende beträgt 0,62 l/(s km). Der Fremdwasseranteil und -zuschlag für das Einzugsgebiet Q-PW ohne Bahn ist in Bild 4 dargestellt. Fremdwasseranteil FWA [%] FWA Q-PW FWA Q-Bahn FWZ Q-PW FWZ Q-Bahn Polynomisch (FWA Q-PW) Polynomisch (FWZ Q-PW) R 2 = 0,8311 R 2 = 0, Fremdwasserzuschlag FWZ [%] Sondenausfall für Durchflußmessung "Q-Bahn" 0 Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan 2001 Feb 2001 Mrz 2001 Apr 2001 Mai Bild 3 Fremdwasseranteile und -zuschläge bei Trockenwetter im Schmutzwasserkanal an den Meßstellen Q-Bahn und Q-PW

12 FWA Q-PW ohne Q-Bahn FWZ Q-PW ohne Q-Bahn Polynomisch (FWA Q-PW ohne Q-Bahn) Polynomisch (FWZ Q-PW ohne Q-Bahn) FWA [%] R 2 = 0,3939 FWZ [%] R 2 = 0, Sondenausfall für Durchflußmessung "Q-Bahn" 0 Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan 2001 Feb 2001 Mrz 2001 Apr 2001 Mai Bild 4 Fremdwasseranteile und -zuschläge bei Trockenwetter im Schmutzwasserkanal für das Einzugsgebiet Q-PW ohne Bahn Die Ergebnisse der Fremdwasserermittlung weisen auf starke jahreszeitliche Schwankungen und somit auf die Infiltration von Grundwasser hin, besonders bei den Meßwerten der Durchflußmeßstelle Q-PW. Der Einfluß des Grundwassers im Einzugsgebiet der Meßstelle Q-Bahn ist mit einem mittleren Fremdwasseranteil von 3 % als sehr gering zu bewerten. Im Gegensatz dazu wird das Einzugsgebiet der Meßstelle Q-PW ohne Bahn deutlich vom Grundwasser beeinflußt. Der Anteil des grundwasserbedingten Fremdwassers liegt i. M. bei 34 % (maximal 54 %). Für das Kanalnetz Angermund kann die Schlußfolgerung gezogen werden, daß mit einem Anstieg des Anteils der im Grundwasser liegenden Kanäle um 10 % Punkte (von 25 % auf 35 % der gesamten Kanalnetzlänge) ein Anstieg des Fremdwasseranteils um 11 % Punkte (von 21 % auf 32 %) einhergeht. Niederschlagsbedingtes Fremdwasser Im Düsseldorf-Angermund wird das entwickelte Modell zur Berechnung des durch die Öffnungen der Schachtdeckel zufließenden Niederschlagswassers eingesetzt. Die Schachtdeckel der Schmutzwasserkanäle in den Einzugsgebieten der jeweiligen Durchflußmeßstellen werden in Augenschein genommen, in spezifische Gruppen mit

13 13 gemeinsamen Eigenschaften (Straßenbreite, Straßengefälle) eingeteilt und entsprechend der Einbauart und Anordnung in der Straße bewertet. Die berechneten Anteile des dem Schmutzwasserkanal durch die Öffnungen der Schachtdeckel zufließenden Niederschlagswassers liegen für beide Gebiete bei ca. 4 %. Die Öffnungen der Schachtdeckel des Schmutzwasserkanals stellen somit in Düsseldorf-Angermund keine bedeutende Fremdwasserquelle dar. Das dem Schmutzwasserkanal zufließende niederschlagsbedingte Fremdwasser entstammt folglich größtenteils Fehlanschlüssen und Dränagen. Aus einem direkten Vergleich des berechneten gesamten und grundwasserbedingten Fremdwasseraufkommens ergibt sich für das Einzugsgebiet Q-Bahn ein mittlerer niederschlagsbedingter Fremdwasseranteil von FWA = 27 %, für das Einzugsgebiet Q-PW von 7 % und für Q-PW ohne Bahn ein Fremdwasseranteil von FWA = 4 %. In Bild 5 ist die Aufteilung der unterschiedlichen Abwasserarten dargestellt. Schmutzwasser grundwasserbedingtes Fremdwasser niederschlagsbedingtes Fremdwasser 100% % Aufteilung der Abwasserarten (Mittelwerte) 60% 40% 20% % "Q-Bahn" "Q-PW" "Q-PW ohne Bahn" Einzugsgebiet Bild 5 Aufteilung der Abwasserarten für die beiden Einzugsgebiete Q-Bahn und Q-PW in Düsseldorf-Angermund

14 Münster Die in der Stadt Münster untersuchten Einzugsgebiete Häger, Geist und Mariendorf entwässern im Trennsystem und sind voneinander hydraulisch unabhängig. Die Einzugsgebiete Häger im Nordwesten der Stadt Münster und Geist im Südwesten des Stadtgebietes weisen in der oberen Bodenschicht schluffige und tonige Sande sowie schwach sandigen, schluffigen Ton mit eingelagerten Sandlinsen auf. Aufgrund des darunter liegenden wasserundurchlässigen Kalkmergel kann es zur Bildung von Schicht- oder Stauwasser kommen. Das im Nordosten von Münster gelegene Einzugsgebiet der Kläranlage Mariendorf weist in seiner Hydrogeologie größtenteils eiszeitlich geprägte Kiessande auf. Aussagekräftige Daten zur Lage des Grundwasserspiegels lassen sich aufgrund der hydrogeologischen Eigenschaften des Bodens nur im Bereich des Einzugsgebietes Mariendorf finden. Das Schmutzwasserkanalnetz hat eine Höhelage von 43,32-54,03 m ü. NN. Die Berechnung des Fremdwasseraufkommens erfolgt mit Hilfe der Bilanzierung des spezifischen Trinkwasserverbrauchs und der nach BÄUMER modifizierten Trockenwettertagemethode. Die Ergebnisse sind für die drei Einzugsgebiete in Tabelle 2 zusammengefaßt. Tabelle 2 Fremdwasseranteile der Einzugsgebiete Häger, Geist und Mariendorf als arithmetisches Mittel der Jahre Berechnung der Fremdwasseranteils nach der modifizierten Trockenwettertagemethode Einzugsgebiet Häger Fremdwasseranteil (FWA) Einzugsgebiet Geist Einzugsgebiet Mariendorf grundwasserbedingtes Fremdwasser 19 % 23 % 22 % niederschlagsbedingtes Fremdwasser 18 % 13 % 9 % gesamtes Fremdwasser 1 37 % 36 % 31 % (35 %) 1 (32 %) 1 (32 %) 1 zum Vergleich gesamtes Fremdwasseraufkommen nach der Methode der Bilanzierung des spezifischen Trinkwasserverbrauchs mit 130 l/(e d) für Münster (nach Angaben der örtlichen Wasserwerke) Beide Berechnungsmethoden zeigen über die Jahre 1999 bis 2001 verteilt annähernd gleiche und sich kaum ändernde Ergebnisse für das gesamte Fremdwasseraufkommen. Klassifiziert man das Fremdwasseraufkommen nach Kriterien von FISCHER [4], so ist in allen drei Einzugsgebieten eine Reduzierung des Fremdwasseraufkommens anzustreben.

15 15 Eine differenzierte Betrachtung der im Grundwasser liegenden Haltungen ist aufgrund der hydrogeologischen Eigenschaften des Untergrundes nur im Einzugsgebiet der Kläranlage Mariendorf eindeutig möglich. Für eine Abschätzung des Grundwasserstandes im Untersuchungszeitraum 1999 bis 2001 werden die Ganglinien der Grundwassermeßstellen HO 098 und HO 082 sowie die Karte der Grundwasserhöhengleichen der Stadt Münster herangezogen. Die Ergebnisse der TV-Inspektion des Schmutzwasserkanals stammen aus den Jahren 1990 und Aus den zur Verfügung stehenden Daten kann geschlossen werden, daß im Einzugsgebiet Mariendorf ein Anteil der Schmutzwasserkanäle in den Monaten zwischen Oktober und Mai im Grundwasser liegt, so daß es zu einem Fremdwassereintritt kommt. Im Monat April (hochliegender Grundwasserspiegel) berühren etwa 13,7 % aller Haltungen (121 Stück) auf einer Länge von ca. 4,1 km das Grundwasser. Im Monat Oktober (Grundwassertiefstand) hingegen liegen nur 7,7 % der Haltungen (68 Stück) auf einer Länge von etwa 2,2 km im Grundwasser. Zur Ermittlung der Fremdwasserrelevanz werden die in den einzelnen Haltungen festgestellten Schäden jeweils den Klassen kein (Faktor 0), schwacher (Faktor 1), mittlerer (Faktor 2), starker (Faktor 3) und massiver (Faktor 4) Fremdwassereintritt zugeordnet. Im Einzugsgebiet Mariendorf werden 885 Haltungen (40,9 km) bewertet. Insgesamt 37 von 329 Haltungen weisen so starke Beschädigungen auf, daß im Zeitraum April Mai ein starker bis massiver Fremdwassereintritt zu erwarten ist. Ein schwacher bis starker Fremdwassereintritt ist bei 32 Haltungen zu erwarten. Die so bewerteten Haltungen haben eine Länge von 3,1 km. Insgesamt werden im Einzugsgebiet Mariendorf 27 % des Kanalnetzes als relevant für einen Grundwassereintritt bewertet, dabei ist bei 5 % des Kanalnetzes mit einem massiven Eintritt von Grundwasser zu rechnen. 4.3 Fazit der Untersuchungen Die untersuchten Einzugsgebiete in Düsseldorf-Angermund und Münster weisen unterschiedliche Fremdwasserabflüsse auf. Der niederschlagsbedingte Fremdwasserabfluß ist in der Regel auf Anschlüsse von Dränagen oder durch die Öffnungen der Schachtdeckel in den Schmutzwasserkanal gelangendes Niederschlagswasser zurückzuführen. Das grundwasserbedingte Fremdwasser gelangt durch Undichtheiten in den privaten

16 16 und öffentlichen Schmutzwasserkanal. Auch zeitweise oder ständig im Grundwasser liegende Dränagen tragen ihren Anteil zum Fremdwasserabfluß bei. Alle untersuchten Einzugsgebiete bestehen aus einem reinen Trennsystem. In Bild 6 sind die Abhängigkeiten des Fremdwasserabflusses von der Änderung des Grundwasserspiegels der beiden Einzugsgebiete Düsseldorf-Angermund und Münster- Mariendorf gegenübergestellt. Aus einem Vergleich wird deutlich, daß der Fremdwasserabfluß in Düsseldorf stärker ansteigt als in Münster. Als mögliche Ursachen kommen eine unterschiedliche Bodenbeschaffenheit, der Einfluß von Dränagen bzw. Undichtheiten im Kanalnetz (Sanierungsgrad) oder der Zustand der Schmutzwasserkanäle in Frage. 14,00 12,00 y = 2,8797e 2,9783x R 2 = 0,9253 Fremdwasserabfluß Q F [l/s] 10,00 8,00 6,00 4,00 y = 2,8509e 0,6956x R 2 = 0,6552 Mariendorf HO 098 2,00 Angermund Exponentiell (Mariendorf HO 098) Exponentiell (Angermund 00355) 0,00 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 Änderung des Grundwasserspiegels in Relation zum niedrigsten Wert der Meßperiode [m] Bild 6 Vergleichende Darstellung der funktionalen Abhängigkeit zwischen Fremdwasserabfluß und Änderung des Grundwasserspiegels in Düsseldorf-Angermund und Münster-Mariendorf Das Vorgehen zur Lokalisierung und Quantifizierung der Fremdwasserquellen wurde mit Hilfe der hier vorgestellten Untersuchungen beschrieben. In Bild 7 ist eine beispielhafte Vorgehensweise bei der Ermittlung und Eliminierung von Fremdwasserquellen schematisch dargestellt. Nicht immer abschätzbar sind die mit den Untersuchungen oder Sanierungsmaßnahmen verbundenen Kosten.

17 17 Fremdwasserproblem wird in einem Kanalnetz vermutet spezifischer Trockenwetterzufluss 120 l/(ew*d) nein ja Auswertung vorhandener Zuflussmessungen von Abwasserbehandlungsanlagen im Einzugsgebiet, in Pumpwerken oder von Abflussmessungen in der Kanalisation. Sollten keine entsprechenden Daten vorhanden sein, ist die Durchfuehrung von Messungen vorzunehmen. kein Fremdwasserproblem i. d. R. kein Handlungsbedarf Ermittlung des Fremdwasseraufkommens sowie des niederschlags- / grundwasserinduzierten Fremdwasseranteils FWA < 25 % FWA % FWA % geringe Fremdwasserprobleme i. d. R. kein Handlungsbedarf Reduzierung des Fremdwasseraufkommens ist anzustreben Ein dringender Handlungsbedarf ist gegeben Suche nach FW-Quellen, wie Baechen, Quellen oder Schachtdeckeln in Muldenlage Nebelung des Kanalnetzes ggf. mit Farbuntersuchungen (Lokalisierung der Fehlanschluesse) parallele Kontrolle der Grundstuecksentwaesserungsanlagen auf Dichtheit ggf. Sanierungsmassnahmen TV-Inspektion des Kanalnetzes und der Hausanschluesse Sanierungsmassnahmen Sanierungsmassnahmen Sanierungsmassnahmen Erfolgskontrolle durch Ermittlung des Fremdwasseraufkommens anhand der vorhandenen Messungen nach erfolgten Massnahmen ja gewuenschter Erfolg eingetreten nein Ende Einteilung des Einzugsgebietes in Teileinzugsgebiete; Anordnung von Durchflussmesseinrichtungen an Knotenpunkten im Kanalnetz zur genaueren Lokalisierung der Fremdwasserquellen Festlegung der Relevanz des Fremdwasserproblems Sanierungsmassnahmen Bild 7 Vorgehensweise bei der Ermittlung und Eliminierung von Fremdwasserquellen

18 18 5 Zusammenfassung Allgemein umschrieben bezeichnet Fremdwasser das in einem Abwasserkanal unerwünscht abfließende, unverschmutzte und nicht behandlungsbedürftige Abwasser. Fremdwasser entsteht auf unterschiedliche Weise und variiert deutlich in Zeit und Quantität. Ziel des vom Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalens geförderten Vorhabens war die Ermittlung und Zusammenstellung von Kenntnissen über spezifisch bedeutsame Fremdwasserquellen sowie gezielte Maßnahmen zu deren Beseitigung. Eine potentielle Fremdwasserquelle stellt der Durchfluß von Niederschlagswasser durch die Öffnungen der Schachtdeckel bei Schmutzwasserkanälen im Trennsystem dar. Am Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen (ISA) durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß der Durchfluß sowohl von der Gefällelage als auch vom Regenzufluß über die Straße abhängig ist. Dabei sind die Einlegetaschen im Rahmen des Dekkels von entscheidender Bedeutung. Die Lüftungslöcher spielen erst bei großen Zuflüssen eine maßgebende Rolle. Aus den Meßwerten konnte eine Modellformel entwickelt werden, die eine Abschätzung des Durchflusses in Abhängigkeit des Gefälles zuläßt. Eine Beispielrechnung für ein kleines Einzugsgebiet ergab einen regenbedingten Zufluß durch die Schachtdeckel in der Größenordnung von einem Drittel des niederschlagsbedingten Fremdwasserabflusses im Schmutzwasserkanal. Zur Bestimmung eines Zusammenhanges zwischen Fremdwasseraufkommen und Änderungen des Grundwasserspiegels sowie vorhandenen Schäden am Kanalnetz sind in den Jahren und 2001 im Kanalnetz des Stadtteiles Düsseldorf-Angermund Durchflußmessungen an zwei Meßstellen durchgeführt worden. Der daraus ermittelte Fremdwasserabfluß zeigte eine unterschiedliche Beeinflussung durch das Grundwasser an den beiden Meßstellen. Die Abhängigkeit des Fremdwasseraufkommens von den Änderungen des Grundwasserspiegels wurde funktional beschrieben. Die Anteile der durch Schachtdeckel zugeflossenen Niederschläge sind in dem sehr flachen Einzugsgebiet vernachlässigbar gering. Der bis zu dreifach erhöhte Abwasserabfluß in den Schmutzwasserkanälen an Regenwettertagen ist auf Fehlanschlüsse und Dränagen zurückzuführen, wodurch sich ein Bedarf an weiteren Untersuchungen ergibt.

19 19 Ergänzend sind Untersuchungen in den drei voneinander unabhängigen Einzugsgebieten Häger, Geist und Mariendorf in der Stadt Münster durchgeführt worden. Die Auswertung der Kläranlagenzuläufe und Niederschlagsereignisse zeigt eine annähernd gleichstarke Belastung mit Fremdwasser. Die Einzugsgebiete Häger und Geist weisen einen Fremdwasseranteil von knapp 40 %, Mariendorf etwa 30 % auf. Das Fremdwasser ist in allen drei Einzugsgebieten überwiegend durch das Grundwasser bedingt, zeigt aber auch eine deutlich durch Niederschlag beeinflußte Komponente. Durch eine Überlagerung der Ganglinien von Grundwassermeßstellen mit dem zeitlichen Verlauf des Fremdwasseraufkommens und fremdwasserrelevanten, schadhaften Haltungen wird ein funktionaler Zusammenhang zwischen dem Fremdwasseraufkommen und der Länge der im Grundwasser liegenden, schadhaften Schmutzwasserkanäle hergestellt. Der Fremdwasserabfluß für Düsseldorf-Angermund und das Einzugsgebiet Mariendorf wird in Abhängigkeit von der Änderung des Grundwasserspiegels funktional dargestellt. Abschließend wird die bei den Untersuchungen angewendete Vorgehensweise schematisch zusammengefaßt.

20 20 Literaturverzeichnis [1] DIN 4045: Abwassertechnik Grundbegriffe, Entwurf 1999, Deutsches Institut für Normung e.v. (DIN), Berlin [2] DIN EN 752-1: Entwässerungssysteme außerhalb von Gebäuden, Teil 1: Allgemeines und Definitionen, Europäisches Komitee für Normung (CEN), Brüssel 1998 [3] Dohmann, M., Bäumer, K. A.: Abschlußbericht zum Vorhaben Ermittlung der mitbehandelten Regenwassermengen in kommunalen Kläranlagen > E im Auftrag des MUNLV NRW, Aachen [4] Fischer, M.: Fremdwasser im Kanal - jetzt noch teurer, Korrespondenz Abwasser, Nr. 10, 1991 [5] Haußmann, R., Hennerkes, J.: Stand der Untersuchungen zur Sanierung von Kanalisationen bei Fremdwasserproblemen, 5. Tagung: Entwicklungen in der Kanalisationstechnik, Köln, September 2001 [6] Hennerkes, J.: Ermittlung und Eliminierung von Fremdwasserquellen, BEW- Seminar , Anforderungen an den Betrieb von Kanalisationsnetzen, Essen 2002 [7] Kölsch, T.: Untersuchungen zur Ermittlung des über Schachtdeckel der Kanalisation zufließenden Niederschlagswassers, Diplomarbeit, Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen, unveröffentlicht [8] Stepkes, H.: Ermittlung des grundwasserabhängigen Fremdwasseraufkommens, Diplomarbeit, Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen 2002, unveröffentlicht Kontakt: Dipl.-Ing. Jörg Hennerkes Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen Mies-van-der-Rohe-Straße Aachen hennerkes@isa.rwth-aachen.de