Naturnahe Regenwasserbewirtschaftung in einem Neubaugebiet in der Eifel

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1 Universität Trier Fachbereich VI: Geowissenschaften Abteilung Bodenkunde Diplomarbeit des Diplomstudiengangs Angewandte Umweltwissenschaften zu dem Thema: Naturnahe Regenwasserbewirtschaftung in einem Neubaugebiet in der Eifel Vorgelegt von: Martin Seimetz Erstbetreuung: Dr. R. Schneider Zweitbetreuung: Prof. Dr. D. Schröder Beuren, Mai 2004

2 Vorwort Für Themenvorschläge zu dieser Arbeit und intensive Betreuung möchte ich mich ganz herzlich bei Herrn Dr. Schneider bedanken. Ebenfalls herzlichen Dank an Herrn Prof. Dr. Schröder für die Übernahme der Zweitbetreuung und fruchtbare Diskussionen. Meinen Eltern und meiner Freundin Monika möchte ich für die vielgestaltige Unterstützung und den nötigen Anstoß zur rechten Zeit besonders danken. Ein herzliches Dankeschön geht auch an Steffi und Markus, die sich in der Hektik der Endphase die Zeit zum Korrigieren genommen haben. Beuren, Mai 2004 Martin Seimetz

3 Naturnahe Regenwasserbewirtschaftung in einem Neubaugebiet in der Eifel Vorwort Gliederung Abbildungs- und Tabellenverzeichnis Definitionen und Abkürzungen 1 Einleitung 1 2 Problemstellung / Ziel 2 3 Umgang mit Niederschlagswasser /Problematik der 3 Regenwasserbewirtschaftung 3.1 Einführung in die Problematik der Störung des Wasserkreislaufs Wasser und Boden Infiltration von Wasser in den Boden Wasser in der ungesättigten Zone Die Bewegung des Wassers im gesättigten Boden Lockerung des Bodens Abfluss und resultierende Wasserstands- Ganglinien von Gewässern Die Wasserbewegung im Einzugsgebiet Natürliche Wasserbewegung im Einzugsgebiet Gestörte Wasserbewegung im Einzugsgebiet 9 4 Möglichkeiten der Retention von Niederschlagswasser Retentionsanlagen Dachbegrünung Anlagen zur Versickerung Versickerungsflächen Versickerungsmulden Mulden-Rigolen-Elemente 17

4 Tieflockerungsrigolen Versickerungsschächte Versickerungsbecken Mulden-Rigolen-Systeme Grenzen der Regenwasserversickerung Nutzung von Regenwasser als Brauchwasser Ökonomie Kosten und Nutzen der Regenwasserretention Kosten und Nutzen der Verwendung von Regenwasser als Brauchwasser Abfluss-Modellierung 34 5 Das Untersuchungsgebiet Geologie Boden Hydrographie Klima Das Neubaugebiet Im Friedbüsch in Rodt 42 6 Methoden 46 7 Ergebnisse Grundlagen der Modellierung der Auswirkungen von Regenwasser- 48 Retentionsmaßnahmen 7.2 Umsetzung der Konzepte in STELLA - Modelle Ermittlung der Modell Eingabewerte Wasseraufnahmekapazitäten der Retentions- und Versickerungsanlagen Statistische Kenngrößen Ergebnisse der Simulationen Verlauf der Simulationen 78 8 Diskussion der Ergebnisse Diskussion der Ergebnisse der einzelnen Konzepte Diskussion der Ergebnisse für die Modellierung der Konzepte Diskussion der Ergebnisse für das Neubaugebiet Im Friedbüsch Weitergehende Konzeption der Niederschlagswasser-Retention im 123 Untersuchungsgebiet

5 9 Fazit Zusammenfassung Literatur 126

6 Abbildungs- und Tabellenverzeichnis Abbildung 1: Abflussganglinie und Trennung ihrer Komponenten 6 [HERRMANN] Abbildung 2: Wasserhaushalt natürlicher Flächen [MINISTERIUM FÜR UMWELT UND FORSTEN RHEINLAND-PFALZ 2000] 8 Abbildung 3: Wasserkreislauf im Einzugsgebiet [MINISTERIUM FÜR RAUMORDNUNG UND UMWELT SACHSEN-ANHALT] 8 Abbildung 4: Auswirkungen der Kanalisation von Niederschlagswasser [MINISTERIUM FÜR UMWELT UND FORSTEN RHEINLAND-PFALZ 2000] 9 Abbildung 5: Änderung der Wasserbilanz einer Siedlung mit zunehmendem Versiegelungsgrad [LANDRATSAMT] 10 Abbildung 6: Form und Größe von Hochwasserwellen in verschieden stark versiegelten Gebieten [GLÜCKLICH] 11 Abbildung 7: Abflussspende [l/(s? km²)] für Hoch- und Niedrigwasser bei unterschiedlicher Geländenutzung [GLÜCKLICH] 11 Abbildung 8: Versickerungsmulde nach SIEKER 2002 (verändert) 16 Abbildung 9: Versickerungsmulde [MINISTERIUM FÜR UMWELT UND FORSTEN RHEINLAND-PFALZ 2000] 16 Abbildung 10: Sicker-bloc der GRAF Gmbh 17 Abbildung 11: Kunststoffrigole nach SIEKER 2002 (verändert) 18 Abbildung 12: Einbaubeispiel der Kunsstoffrigole Sicker-bloc der GRAF GmbH 18 Abbildung 13: Tieflockerungsrigole nach SIEKER (verändert) 20 Abbildung 14: Sickerschacht nach GRAF 21 Abbildung 15: Retentions- und Versickerungsbecken [ 23 Abbildung 16: Eignung von aufgefangenem Regenwasser für verschiedene Versickerungsanlagen [ATV-DVWK-A 138] 25 Abbildung 17: Regenwassernutzungsanlage [GRAF] 27 Abbildung 18: Kosten der Regenwasserretention pro m² zu entwässernder Fläche [ATV-DVWK-A138, SCHNEIDER] 29 Seite

7 Abbildung 19: Beispiel eines Baukostenvergleichs für eine traditionelle Entwässerung und für eine naturnahe Niederschlagsbewirtschaftung in Neubaugebieten [MINISTERIUM FÜR UMWELT UND FORSTEN 2000] 30 Abbildung 20: Preise verschiedener Retentionsmaßnahmen der Firma GRAF (in Euro) 31 Abbildung 21: Preise für Trink- und Abwasser in Baden-Württemberg 1979 bis 2003 [STATISTTISCHES LANDESAMT BADEN-WÜRTTEMBERG] 33 Abbildung 22: Ausschnitt der geologischen Karte Trier und Umgebung [NEGENDANK] 37 Abbildung 23: Niederschlag und Niederschlagssumme 1991 bis 1994 auf Tagesbasis 40 Abbildung 24: Verdunstungsreihe nach HELBIG 41 Abbildung 25: Neubaugebiet Rodt [Ausschnitt aus der topographischen Karte 1: Blatt Schweich 6106] 42 Abbildung 26: Das Untersuchungsgebiet begrenzende Punkte (Gauß-Krüger- Koordinaten) 43 Abbildung 27: Planzeichnung des Neubaugebiets Rodt [Plan des ausführenden Ingenieurbüros Karst, Bitburg] 44 Abbildung 28: Ansicht der Fläche des Neubaugebiets Im Friedbüsch Rodt.Zu sehen ist durch die Fichtenreihe am linken Bildrand nur der rechte Teil des Baugebiets. Blick in Richtung Schleidweiler. 44 Abbildung 29: Zweite Ansicht der Fläche des Neubaugebiets Im Friedbüsch Rodt. Blick in Richtung Rodt. 45 Abbildung 30: Beschriftete Planzeichnung des Neubaugebiets Rodt [verändert nach der Planzeichnung des Ingenieurbüros KARST, Bitburg] 48 Abbildung 31: Fließschema des Konzepts 1 50 Abbildung 32: Fließschema des Konzepts 2 51 Abbildung 33: Neubaugebiet mit möglichem Tieflockerungsstreifen mit Gefälle zum bestehenden Entwässerungsgraben 52 Abbildung 34: Fließschema des Konzepts 3 53 Abbildung 35: Fließschema des Konzepts 4 55 Abbildung 36: Fließschema des Konzepts 5 56 Abbildung 37: Fließschema des Konzepts 6 57 Seite

8 Abbildung 38: Darstellung des STELLA- Modells des Konzepts 1 58 Abbildung 39: Darstellung des STELLA- Modells des Konzepts 2 59 Abbildung 40: Darstellung des STELLA- Modells des Konzepts 3 61 Abbildung 41: Darstellung des STELLA- Modells des Konzepts 4 62 Abbildung 42: Darstellung des STELLA- Modells des Konzepts 5 63 Abbildung 43: Darstellung des STELLA- Modells des Konzepts 6 64 Abbildung 44: Schemazeichnung der Tieflockerungsrigole 67 Abbildung 45: Schemazeichnung der Tieflockerungsrigole 68 Abbildung 46: Schemazeichnung des Retentionsteichs 69 Abbildung 47: Verlauf der Simulation von Konzept 1 bei einer Infiltration von 7,2 mm / d 78 Abbildung 48: Verlauf der Simulation von Konzept 1 bei einer Infiltration von 24 mm / d 70 Abbildung 49: Verlauf der Simulation von Konzept 1 bei einer Infiltration von 48 mm / d 81 Abbildung 50: Verlauf der Simulation von Konzept 2 bei einer Infiltration von 7,2 mm / d 82 Abbildung 51: Verlauf der Simulation von Konzept 2 bei einer Infiltration von 24 mm / d 84 Abbildung 52: Verlauf der Simulation von Konzept 2 bei einer Infiltration von 48 mm / d 86 Abbildung 53: Verlauf der Simulation von Konzept 3 bei einer Infiltration von 7,2 mm / d 88 Abbildung 54: Verlauf der Simulation von Konzept 3 bei einer Infiltration von 24 mm / d 91 Abbildung 55: Verlauf der Simulation von Konzept 3 bei einer Infiltration von 48 mm / d 94 Abbildung 56: Verlauf der Simulation von Konzept 4 bei einer Infiltration von 7,2 mm / d 96 Abbildung 57: Verlauf der Simulation von Konzept 4 bei einer Infiltration von 24 mm / d 99 Seite

9 Abbildung 58: Verlauf der Simulation von Konzept 4 bei einer Infiltration von 48 mm / d 102 Abbildung 59: Verlauf der Simulation von Konzept 5 bei einer Infiltration von 7,2 mm / d 104 Abbildung 60: Verlauf der Simulation von Konzept 5 bei einer Infiltration von 24 mm / d 105 Abbildung 61: Verlauf der Simulation von Konzept 5 bei einer Infiltration von 48 mm / d 106 Abbildung 62: Verlauf der Simulation von Konzept 6 bei einer Infiltration von 7,2 mm / d 108 Abbildung 63: summierter Überlauf der Retentionsspeicher im Messjahr hydrologisches Jahr 1994 (Modell 6, Infiltrationsklasse 7,2 mm / d) 109 Abbildung 64: Verlauf der Simulation von Konzept 6 bei einer Infiltration von 24 mm / d 111 Abbildung 65: summierter Überlauf der Retentionsspeicher im Messjahr hydrologisches Jahr 1994 (Modell 6, Infiltrationsklasse 24 mm / d) 112 Abbildung 66: Verlauf der Simulation von Konzept 6 bei einer Infiltration von 48 mm / d 114 Abbildung 67: summierter Überlauf der Retentionsspeicher im Messjahr hydrologisches Jahr 1994 (Modell 6, Infiltrationsklasse 24 mm / d 115 Abbildung 68: bisherige Fließbahn des ablaufenden Niederschlagswassers aus dem Neubaugebiet Im Friedbüsch in Rodt 123 Seite

10 Tabelle 1: Durchlässigkeiten verschiedener Bodenarten [nach LANDRATSAMT, nach AG BODEN] 24 Tabelle 2: Wasserverbrauch pro Person [UMWELTBUNDESAMT, STATISTISCHES LANDESAMT BADEN-WÜRTEMBERG,...] 26 Tabelle 3: Notwendige Investitionskosten nach Gemeindegröße [JACOBWITZ nach PECHER 1992] 31 Tabelle 4: Notwendige Investitionskosten zur Brauchwassernutzung [ 33 Tabelle 5: Wasseraufnahmekapazität der Tief lockerungs rigole nach Aufnahmekörpern untergliedert 67 Tabelle 6: Wasseraufnahmekapazität der Kunststoffrigole nach Aufnahmekörpern untergliedert 68 Tabelle 7: Wasseraufnahmekapazität des Retentionsteichs nach Aufnahmekörpern untergliedert 69 Tabelle 8: Statistisch abgeleitete Berechnungsparameter aller Konzepte 70 Tabelle 9: Modellübergreifende Kennwerte 71 Tabelle 10: Kennwerte des Konzepts 1 72 Tabelle 11: Kennwerte des Konzepts 2 72 Tabelle 12: Kennwerte des Konzepts 3 73 Tabelle 13: Kennwerte des Konzepts 4 74 Tabelle 14: Kennwerte des Konzepts 5 74 Tabelle 15: Kennwerte des Konzepts 6 75 Tabelle 16: Summe des Überlaufs der Konzepte 1-6 im hydrologischen Jahr 1994 nach Infiltrationsklassen 76 Tabelle 17: Summe des Überlaufs des Konzepte 6 im hydrologischen Jahr 1994 nach Infiltrationsklassen und Retentionsmaßnahmen untergliedert 77 und 107 Seite

11 Definitionen und Abkürzungen Begriff Kurzzeichen Einheit Definition Wasserdurchlässigkeit im wassergesättigten Boden (Durchlässigkeitsbeiwert, Wasserleitfähigkeit) Versickerung Infiltration (Einsickerung) Infiltrationsrate k f cm/d, Durchflussmenge je Flächeneinheit und m/d, Zeiteinheit (Filtergeschwindigkeit) im cm/s wassergesättigten Boden, geteilt durch das Wasserspiegelgefälle [AG BODEN] Abwärts gerichteter Abzug des Wassers [AG BODEN] Eintritt von Wasser in den Boden [AG BODEN] cm/d, Wassermenge, die in der Zeiteinheit je cm/min, Flächeneinheit senkrecht in den Boden cm/s, eindringt [AG BODEN] mm/h Evaporation E mm/d Verdunstung von der Bodenoberfläche oder von freien Wasserflächen [AG BODEN] Interzeptionsverdunstung Verdunstung von Niederschlagswasser, das an der Pflanzenoberfläche zurückgehalten wurde [AG BODEN] Transpiration Verdunstung aus den Pflanzen [AG BODEN] Grundwasser Ständig vorhandenes unterirdisches Wasser, das Hohlräume zusammenhängende ausfüllt, allein der Schwerkraft unterworfen ist und sich durch Gefälle bzw. unterschiedliche Druckpotentiale bewegen kann [AG BODEN] Hangwasser Unterirdisches Wasser, das sich unter Einwirkung der Schwerkraft abwärts bewegt [AG BODEN] Gesamtporenvolumen GPV Vol.-% Gesamtheit der Hohlräume im Boden [AG BODEN]

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13 1 Einleitung Naturnahe Regenwasserbewirtschaftung in einem Neubaugebiet in der Eifel Die Hochwasserereignisse der letzten Jahre haben die Suche nach deren Ursachen in die Öffentlichkeit gebracht und damit auch eine Diskussion über mögliche Gegenmaßnahmen entfacht. Dabei wurden als Verursacher von Hochwasserereignissen insbesondere erkannt: - moderne landwirtschaftliche Bearbeitungsweisen und die damit einhergehende Bodenverdichtungen, - Flussumbauten und Deichbau, - extreme Niederschlagsereignisse (die teilweise dem Klimawandel zugeschrieben werden) - natürliche Bodenverdichtungen (z.b. durch Fließerden) - Flächenversiegelung durch menschliche Siedlungsaktivitäten und die damit verbundene Kanalisation der entstehenden Oberflächenabflüsse. [HAASE, SCHNEIDER, JACOBWITZ] Da im natürlichen Zustand das Regenwasser in den Boden einsickern und dann der größte Anteil sich langsam im Boden fortbewegen kann, scheint dies auch ein Weg, um den schnellen Abfluss der über versiegelten Flächen gesammelten und über die Kanalisation weitergeleiteten Niederschläge zu vermeiden. [SIEKER] Somit muss die zunehmende Versiegelung durch bewusste Vermeidung eingeschränkt werden. Zudem sollten sich die Folgen der beim Bau teils notwendigen Versiegelung durch Wiederherstellung der natürlichen Fließwege des Regenwassers durch den Untergrund abschwächen lassen. Um dies zu gewährleisten, wurden vom Gesetzgeber in Form des Wasserhaushaltsgesetzes, der Landeswassergesetze und des Baugesetzbuchs Vorgaben für Neubaugebiete festgelegt, die durch technische Richtlinien und Vorgaben z.b. der ATV-DVWK ergänzt werden. [ΒOHLEN, SIEKER] Somit wurde der nachsorgende Hochwasserschutz vom vorsorgenden überführt, und dadurch die Kosten von der Öffentlichen Hand zum Bauherrn übertragen. Die langfristigen Auswirkungen dieser Entscheidung auf die Gefährdung durch Hochwasserereignisse werden sich erst durch Auswertung der in den nächsten Jahren zu gewinnenden Daten bewerten lassen. Diese Arbeit soll durch Simulation einen Beitrag zum Verständnis der Wirkung der möglichen Maßnahmen im mesoskaligen Bereich leisten. 1

14 2 Problemstellung / Ziel Im Ortsteil Rodt der Gemeinde Zemmer-Rodt in der Eifel befindet sich ein Neubaugebiet im Planungsstadium. Dabei wird den Möglichkeiten der Behandlung des anfallenden Regenwassers besondere Beachtung geschenkt, da die auf dem Oberen Buntsandstein (Voltziensandstein) aufliegenden Böden nur sehr eingeschränkte Infiltrations-Möglichkeiten bieten [HOFFMANN]. Somit muss die Planung der sonst als wirksam anerkannten Maßnahmen der Regenwasserretention und -versickerung in Frage gestellt werden. Um von vorneherein Anhaltspunkte für die Wirksamkeit einzelner Retentionsmaßnahmen bei den vorliegenden besonderen Bedingungen zu haben, werden erste Berechnungsmöglichkeiten für die Wirksamkeit der erdachten Rückhaltewerke abseits der im Ingenieurwesen [ATV-DVWK-A138] gebräuchlichen erdacht, so dass je nach Simulationsergebnis auch andere als die bewährten baulichen Möglichkeiten in die Planung mit einbezogen werden. Dabei werden verschiedene Verfahren hinsichtlich ihrer Wirksamkeit in Punkto Regenwasserrückhalt, Kosten und Annäherung an natürliche Verhältnisse verglichen. Um der zeitlichen Abfolge der auftretenden Phänomene Rechnung zu tragen, wird ein Modell erstellt, das die Zeitreiheneigenschaften des Untersuchungsobjekts simuliert und die sensiblen Prozessbereiche transparent gestaltet. Verschiedene Kombinationen der Einzelparameter werden in Betracht gezogen und gegeneinander abgewogen, um den Anteil des hochwasserwirksamen Abflusses aus dem Baugebiet zu minimieren. Als Folge wird eine Empfehlung zur Wahl bestimmter an den vermeintlich ungünstigen Vorraussetzungen ausgerichteter Retentionsmaßnahmen für das Neubaugebiet Rodt ausgesprochen. 2

15 3 Umgang mit Niederschlagswasser 3.1 Einführung in die Problematik der Störung des Wasserkreislaufs Ist es nicht viel ökologischer, wenn wir in den Naturkreislauf so wenig wie möglich eingreifen? Ist es nicht in unserem eigenen Interesse, wenn wir die Elemente des natürlichen` Wasserkreislaufes: Niederschlag, Abfluss, Versickerung, Verdunstung, Rückhalt und Aufbrauch möglichst unbeeinflusst lassen? [MARTINI] Hochwasserkatastrophen, Grundwasserabsenkungen, Austrocknungen von Bächen und Feuchtbiotopen, Wassernotstand Themen, die immer wieder für Schlagzeilen in den Medien sorgen, die uns bewusst machen, wohin menschliche Eingriffe in den Naturhaushalt führen können [JACOBWITZ] Der Wasserkreislauf stellt sich als ein komplexes System verschiedener ineinandergreifender Komponenten dar. Verdunstungsvorgänge (Verdunstung von freien Wasserflächen, Transpiration von Pflanzen, Interzeption von Pflanzenoberflächen), Niederschlag in Form von Regen, Schnee, Nebel etc., Versickerungsprozesse, Transportvorgänge und verschiedene Speicherungsmöglichkeiten greifen ineinander und bilden geschlossene Kreisläufe. Diese sind abhängig vom betrachteten Maßstab. [HERRMANN] 3.2 Wasser und Boden Wasser bewegt sich im Boden in zusammenhängenden Porenräumen, in Rissen, die z.b. durch Austrocknung entstehen, und in Röhren, die durch Wurzeln oder im Boden lebende Organismen gebildet werden. Die Poren werden hierbei unterteilt in weite Grobporen (Äquivalentdurchmesser > 50 µm), enge Grobporen (Äquivalentdurchmesser µm), Mittelporen (Äquivalentdurchmesser 10-0,2 µm) und Feinporen (Äquivalentdurchmesser < 0,2 µm). Den weiten Grobporen wird das schnell bewegliche und den engen Grobporen das langsam bewegliche Sickerwasser zugeordnet, das Haftwasser in den Mittelporen ist noch pflanzenverfügbar und das in den Feinporen nicht pflanzenverfügbar. Die Speicherkapazität der weiten Grobporen ist der Bodenluft bzw. dem Grund- und Stauwasser zugeordnet. [AG BODEN] 3

16 3.2.1 Infiltration von Wasser in den Boden Die Infiltration von Wasser in den Boden wird vom vorhandenen Porenvolumen und der Porengrößenverteilung, der Bodenstruktur und dem Bodenfeuchtegehalt zu Beginn der Beregnung beeinflusst. Große, offene Poren (z.b. durch Wurzelaktivität) erleichtern die Infiltration, und eine Zunahme der Bodenfeuchte behindert sie. [HERRMANN] HERRMANN unterscheidet bezüglich der Infiltration 5 Tiefenzonen: - die Zone mit voller Wassersättigung (bis etwa 1,5 cm Tiefe) - die Übergangszone mit rasch abnehmendem Wassergehalt (bis 5 cm Tief) - die Transportzone; hier wird die Wasserbewegung hauptsächlich von der Schwerkraft bestimmt - die Befeuchtungszone - die Befeuchtungsfront Durch verschiedene Maßnahmen und Hilfsmittel kann die Versickerung auf versiegelten Flächen und die Ausprägung der Zone mit voller Wassersättigung erheblich ausgeweitet werden. Die Infiltrationsrate nimmt nach Beginn der Beregnung ab und erreicht einen vom Boden abhängigen Grenzwert. [HERRMANN] Wenn die Infiltrationsrate kleiner ist als die Niederschlagsintensität entsteht oberirdischer Abfluss. [HERRMANN, KÖLLA] Wasser in der ungesättigten Zone Kennzeichnend für den Boden ist eine unterschiedlich große spezifische Oberfläche von ca. 1 x 10-2 m² / g bei grob texturierten (sandigen) bis zu ca. 10 x 10² m² / g bei feintexturierten (tonigen) Böden. Durch Zunahme der feinen Bestandteile (vor allem der Tonfraktion) steigt die Bindungsenergie, die zum Festhalten von Wasser führt. Dazu tragen die elektrostatische Bindung durch verschiedene Oberflächenladungen und die kapillare Bindung durch Adhäsion zwischen Wasser und Bodenteilchen bei. Bei gleichem Wassergehalt wird eine Matrix mit großer spezifischer Oberfläche und engen Poren das Wasser fester binden, weil ja mehr Kräfte je Volumeneinheit Boden verfügbar sind. [HERRMANN] 4

17 3.2.3 Die Bewegung des Wassers im gesättigten Boden Bei gesättigtem Boden lässt sich die Wasserbewegung mit dem Gesetz von Darcy beschreiben: v = - λ (dh / ds) v = Filtergeschwindigkeit λ = Durchlässigkeitsbeiwert (dh / ds) = hydraulischer Gradient (Höhendifferenz / Streckendifferenz) Der hydraulische Gradient gibt den Druckverlust über dem Fließweg an. Das negative Vorzeichen ergibt sich durch die zum tieferen Punkt gerichtete Wasserbewegung. [HERRMANN] Lockerung des Bodens Durch Lockerung des Bodens durch Bodenorganismen, den Einfluss des Wassers in flüssiger oder fester Form oder durch mechanische Bearbeitung wird der Gesamtporenraum größer und die Verteilung der Porengrößen im Boden verändert. Insbesondere die Zunahme des Anteils der Grobporen und hier insbesondere der weiten Grobporen ist für die Infiltration von Wasser in den Boden und von Versickerung von Wasser im Boden von Bedeutung. Anthropogen kann die Zunahme des Grobporenanteils durch Pflügen, Eggen oder Grubbern in den oberen Bodenbereichen und durch Tieflockerung in den unteren Bodenbereichen (bis ca. 1m) erreicht werden. Dabei ist besonders die Dauerwirkung der Maßnahmen von Bedeutung, um langfristig Fließbahnen und verfügbaren Porenraum im Boden zu schaffen. So wurden von SCHNEIDER (2001 und 2003) auch 10 und 35 Jahre nach Tieflockerungsmaßnahmen noch stark erhöhte Infiltrationsleistungen, Wasserleitfähigkeiten und Wasserspeicherpotentiale durch vergrößerten Porenraum auch bei tonigen und schluffigen Substraten festgestellt. Bei gelockertem Boden haben Pflanzen bessere Möglichkeiten zur Wurzelbildung. [SCHNEIDER 2001, SCHNEIDER 2003, SCHULTE-KARRING, TRESSEL] 5

18 3.3 Abfluss und resultierende Wasserstands-Ganglinien von Gewässern Abfluss kann nach verschiedenen Einteilungskriterien in Einzelkomponenten untergliedert werden. Nach der Herkunft erfolgt die Einteilung in Oberflächen-, Bodenwasser- und Grundwasser-Abfluss. Alternative Untergliederung nach dem Abflussentstehungsprozess und den Fließbahnen ergibt den Oberflächenabfluss (nach HORTON), den saturation overland flow, den Abfluss in Makroporen sowie den gesättigten und ungesättigten Matrixfluss. [HERRMANN, KÖLLA, JELINEK] Die Ganglinienanalyse wird unternommen, um aufgrund der erkannten Gesetzmäßigkeiten des Abflusses eine Vorhersage des Abflusses zu ermöglichen. [HERRMANN] Zudem lassen sich anhand der Ganglinie eines Gewässers bei einem Niederschlagereignis im Einzugsgebiet Aussagen über das Einzugsgebiet treffen (z.b. Verdichtungsgrad, Neigung der Oberfläche, Durchlässigkeit der Böden). Dabei sind absolute Angaben aufgrund der multivariaten Problemstellung nur schwer erreichbar, aber es lassen sich anhand von Vergleichen zwischen verschiedenen Einzugsgebieten Einflussfaktoren charakterisieren oder Veränderungen innerhalb eines Einzugsgebiets durch den zeitlichen Ablauf der Hochwasserwelle oder den Wasserchemismus feststellen. [HERRMANN, SCHOBEL, KREIN 1999] Zur Analyse einer Ganglinie wird zunächst der Basisabfluss (bestehend aus gesättigtem und ungesättigtem Matrixabfluss aus den Böden und dem eigentlichen Grundwasserbereich), der auch als Trockenwetterabfluss bezeichnet wird, vom Gesamtabfluss abgetrennt, damit sich der verbleibende Wellenteil untersuchen lässt. Abbildung 1: Abflussganglinie und Trennung ihrer Komponenten [HERRMANN] 6

19 Dabei macht man sich den starken Anstieg des Wasserspiegels beim Eintreffen des Niederschlagswassers im Vorfluter zunutze. Ebenso deutlich zeigt sich auch das Ende des Eintreffens des Niederschlagswassers, auch wenn hier das Leerlaufen des Bodenspeichers über einen längeren Zeitraum abläuft. Der Verlauf der Kurve lässt sich beschreiben durch: q (m) = u (m) * I q (m) = Abflusswelle u (m) = Übertragungsfunktion I = Impuls (Niederschlag, Dammbruch) Also ist der Wasserstand im Vorfluter ein Abbild des im Einzugsgebiet anfallenden Niederschlages. Dieses Modell wird als unit hydrograph oder Einheitsganglinie bezeichnet. [KÖLLA, HERRMANN] 3.4 Die Wasserbewegung im Einzugsgebiet Natürliche Wasserbewegung im Einzugsgebiet Ein Vorfluter ist ein der Vorflut dienendes Gewässer. Unter Vorflut wird die Möglichkeit des Wassers verstanden, mit natürlichem Gefälle oder künstlicher Hebung abzufließen. (DIN 4049) [HERRMANN] Das Einzugsgebiet eines Vorfluters wird durch die umgebenden Wasserscheiden begrenzt, wobei eine mögliche Diskrepanz zwischen der oberirdischen und unterirdischen Wasserscheide zu beachten ist. Das innerhalb dieser Wasserscheiden als Niederschlag anfallende Wasser fällt auf die Oberfläche. Es kann dann in diese eindringen, an der Oberfläche (und auf Pflanzen) gespeichert werden oder oberflächlich abfließen. Das oberflächlich gespeicherte oder abfließende Wasser kann entweder an anderer Stelle in den Boden eindringen, verdunsten oder der Schwerkraft zum Vorfluter folgend abfließen. Das in den Boden eindringende Wasser kann dort gespeichert werden, lateral (oberflächenparallel) abfließen oder in tiefere Schichten eindringen. Beim Abfließen wird es dabei dem Gefälle folgen. Weitere entscheidende Prozesse sind Evaporation und Transpiration. 7

20 Abbildung 2: Wasserhaushalt natürlicher Flächen [MINISTERIUM FÜR UMWELT UND FORSTEN RHEINLAND-PFALZ 2000] Die schnellste Wasserbewegung zum Vorfluter findet an der Oberfläche statt, gefolgt von der Bewegung in den durchlässigeren Schichten vor der Bewegung in undurchlässigeren Schichten. Außer Acht gelassen wird hier der (sehr schnelle) Wassertransport vom Ort der Entstehung zum Vorfluter per Druckimpuls. Abbildung 3: Wasserkreislauf im Einzugsgebiet [MINISTERIUM FÜR RAUMORDNUNG UND UMWELT SACHSEN-ANHALT] 8

21 Durch die Verzögerung der Wasserbewegung im Untergrund bildet sich ein relativ gleichmäßiger Abfluss im Vorfluter, auch Basis- oder Trockenwetterabfluss genannt. Der schnellere Transport durch durchlässigere Schichten und an der Oberfläche bildet dagegen die Spitzen der Wasserstandsganglinie. Das Leerlaufen des Untergrundes lässt sich durch Q t = Q 0 * e -α t beschreiben, wobei Q t = Abfluss zur Zeit t Q 0 = Abfluss zum betrachteten Null-Zeitpunkt α = Konstante (abhängig von Einzugsgebietseigenschaften) [HERRMANN, KÖLLA] Gestörte Wasserbewegung im Einzugsgebiet Durch Oberflächenversiegelung wird das Einsickern des Niederschlagswassers in den Boden verhindert. Um Überschwemmungen abzuwenden, muss das Wasser abgeleitet werden. Durch Einleitung in die Kanalisation der über den versiegelten Oberflächen anfallenden Niederschläge wird der verzögerte Abflussweg durch den Untergrund kurzgeschlossen. Es findet ein sehr schneller Abfluss durch das Kanalnetz statt, Verdunstung sowie der Transport des Wassers zum Grundwasserleiter oder zu den Pflanzenwurzeln werden unterbunden. Somit gelangt die gesamte auf der versiegelten Fläche anfallende Niederschlagsmenge in kürzerer Zeit als bei der Passage durch den Untergrund zum Vorfluter. [JACOBITZ] Abbildung 4: Auswirkungen der Kanalisation von Niederschlagswasser [MINISTERIUM FÜR UMWELT UND FORSTEN RHEINLAND-PFALZ 2000] 9

22 Abbildung 5: Änderung der Wasserbilanz einer Siedlung mit zunehmendem Versiegelungsgrad [LANDRATSAMT] Dies ist mit folgenden Auswirkungen verbunden: - Durch das durch das Kanalnetz schneller als durch die Bodenpassage zum Vorfluter gelangende Wasser steigen die Volumina der Spitzenabflüsse auf das 5-7fache eines unversiegelten Gebiets, die Abflussscheitel sogar auf das 7-13fache (im Vergleich zu einem naturbelassenen Gebiet). Hierzu tragen die Versiegelung der Oberfläche, die Glättung der übrigen Flächen in Ortsgebieten, die Verkürzung der oberirdischen und unterirdischen Vorfluter und die Dränwirkung des Kanalnetzes bei. Durch die schnelle stoßweise Ableitung über das Kanalnetz die zwischenspeichernde Wirkung des Bodens unterbunden. Bei fehlendem Niederschlag ist daher bereits das gesamte Niederschlagswasser durch den Vorfluter abtransportiert, der Trockenwetterabfluss sinkt, die Gefahr des Trockenfallens des Gewässers steigt. Dies hat nachteilige Auswirkungen für die Ökologie des Vorfluters und für die dauerhafte Sicherung der Wasserversorgung der Anrainer. [GLÜCKLICH, JACOBITZ] - Die Grundwasserneubildung wird durch die Umgehung der Bodenpassage vermindert. Die langfristigen Folgen sind nur schwer dimensionierbar und werden in heutige Kostenrechnungen nicht einbezogen. [JACOBWITZ] - Der Eintrag von Schadstoffen, die der Niederschlag aus der Luft oder von den getroffenen Oberflächen aufgenommen hat, in den Vorfluter wird erleichtert. Im natürlichen Zustand dient der Boden als mechanische und chemische Reinigungsstufe. Schadstoffe können hier entweder mechanisch aufgehalten, chemisch gebunden oder durch Bodenlebewesen abgebaut werden. [JACOBWITZ] 10

23 - Durch das Einleiten des Niederschlagswassers in das Kanalnetz wird ein Gemisch aus Niederschlagswasser und Schmutzwasser gebildet. Dies wird dann als Mischsystem bezeichnet. Dadurch muss das Schmutzwasserkanalnetz für Regenmengen ausgelegt sein, die etwa 100 mal so groß sind wie die Schmutzwasserabflüsse des betrachteten Einzugsgebiets. Es muss also ein wesentlich überdimensioniertes Mischwasserkanalnetz mit Zwischenspeichern aufgebaut und unterhalten werden. [JACOBWITZ, GLÜCKLICH, HABERLAND] - Auch die Kläranlagen müssen auf diese Wassermengen ausgelegt sein. Da dies zu enormen Problemen der Abwasserbehandlung führt, ist eine Überlaufwahrscheinlichkeit bei der Planung miteingerechnet. Bei sehr starken oder andauernden Niederschlägen wird verdünntes, kaum geklärtes Abwasser in den Vorfluter abgegeben. - Durch den Aufbau eines Trennkanalnetzes (eines für unbelastetes Niederschlagswasser, das andere für Schmutzwasser) ist die Dimensionierung der Abwasserbehandlung planbar. Trotzdem muss für die Retention und eventuell auch die Reinigung des Niederschlagswassers gesorgt werden. [GLÜCKLICH, HABERLAND] Abbildung 6: Form und Größe von Hochwasserwellen in verschieden stark versiegelten Gebieten [GLÜCKLICH] Abbildung 7: Abflussspende [l/(s? km²)] für Hoch- und Niedrigwasser bei unterschiedlicher Geländenutzung [GLÜCKLICH] 11

24 BRONSTERT zieht aus Simulationsreihen mit variabeln Landnutzungen folgende Schlüsse: Der Einfluss der Landnutzung ist für konvektive Ereignisse mit hohen Intensitäten größer als für großflächige und langandauernde, advektive Niederschlagsereignisse. Zudem stellt er heraus, dass bei der Einfluss der Landnutzung an der Hochwasserentstehung dann am größten ist, wenn die Infiltrationskapazität der Böden in der selben Größenordnung wie die Niederschlagsintensität liegt. Bei größerer Infiltrationskapazität spielt der Einfluss des Gesteinsuntergrundes die Entscheidende Rolle bei der Hochwasserentstehung. 12

25 4 Möglichkeiten der Retention von Niederschlagswasser Durch die Vermeidung der direkten Ableitung vom Niederschlagswasser mit dem Abwasser kann das gesammelte Regenwasser genutzt oder naturnah versickert werden. Damit werden bei Regenwassernutzung der Trinkwasserverbrauch gesenkt und die Abflussspitzen gekappt. Durch Regenwasserversickerung wird der schnelle Abfluss vermindert, die Grundwasserneubildung wird natürlichen Verhältnissen angenähert, und Schadstoffe können im Boden gespeichert und abgebaut werden. Wenn eine Versickerung des Niederschlagswassers aufgrund der örtlichen Gegebenheiten ausscheidet, sollte soviel sauberes Regenwasser wie möglich in naturnaher Weise zurückgehalten werden. [JACOBWITZ] Die beste (naturnahste, kostengünstigste) Art der Regenwasserbewirtschaftung sind die Vermeidung und Verminderung der Flächenversiegelung. Dies kann durch den Rückbau versiegelnder Materialien und den Einsatz durchlässiger Oberflächenbefestigungen auf Straßen, Gehwegen und Parkplätzen geschehen. [JACOBWITZ] Eine Vorraussetzung für den Rückhalt und die Bewirtschaftung von Niederschlagswasser ist die weitgehende Trennung von Schadstoff- und Wasserströmen. Das Niederschlagswasser muss also getrennt vom Abwasser des Haushaltes bleiben. Beim Trennkanalverfahren (im Gegensatz zum Mischkanalverfahren) werden daher Regen- und Abwasser in zwei getrennte Leitungssystemen transportiert. So können das Abwasser zur Kläranlage und das Regenwasser zum Retentions- / Nutzungsort befördert werden. Dem Kanalnetz sollte kein Wasser zugeführt werden, das weniger belastet ist als der Ablauf der zugehörigen Kläranlage. [JACOBWITZ] Das Ziel des Konzepts der naturnahen Regenwasserbewirtschaftung verknüpft Versickerung, Speicherung und gedrosselte Ableitung. Damit wird auch eine Regenwasserbewirtschaftung auf weitestgehend undurchlässigen Flächen durch die Bemessung von Kapazität und Fläche der Retentionsanlage ermöglicht. Ziel ist nicht die Aufhebung der Komponente Ableitung, sondern deren Minimierung im Rahmen der vorhandenen Möglichkeiten. [SIEKER] 13

26 4.1 Retentionsanlagen Dachbegrünung Dachbegrünungen sind bei geringeren Dachneigungen (maximal 25 ) eine Möglichkeit, platzsparend Regenwasser zurückzuhalten und verzögert weiterzugeben. Zudem reinigen sie das aufgefangene Niederschlagswasser schon mechanisch und biologisch vor. Dachbegrünungen isolieren durch den Schutz vor der direkten Sonneneinstrahlung und durch die im Boden und Wurzelfilz eingeschlossene Luft. Im Sommer wirkt das gespeicherte Wasser durch Verdunstung als Klimaanlage. In Industriegebieten spielen die Schalldämmung und das Auffangen von Stäuben ebenfalls eine wichtige Rolle. [WACK, GLÜCKLICH] Anlagen zur Versickerung Die ATV-DVWK-A 138 stellt verschiedene Anlagen zur Versickerung vor, die jeweils nach Speicherfähigkeit, Flächenbedarf, hydraulischer Beschickung, dies ist das Verhältnis von undurchlässiger Fläche zu Versickerungsfläche, und dezentraler oder zentraler Anlage unterschieden werden. Prinzipiell sind der Schutz des Grundwassers (mindestens 1 m unter Flur) und des Bodens zu gewährleisten. Bei dezentraler Anlage werden die Retentionsmaßnahmen in direkter Umgebung der sie beliefernden versiegelten Flächen ausgewiesen. So wird ein an den natürlichen Begebenheiten orientierter Bodenwasserhaushalt imitiert, außerdem können Kosten für größere Leitungsnetze eingespart werden. [JACOBWITZ] Die zentrale Anlage von Retentionsmaßnahmen, also das Speichern und Versickern der von mehreren liefernden Flächen zusammengefassten Niederschläge, hat dagegen den Vorteil, dass bestehende Bebauungen beibehalten werden können, Nutzungsbeschränkungen im Baugebiet umgangen und kostengünstige Grundstücke zur Regenwasserretention ausgewiesen werden können [QUELLE]. 14

27 Versickerungsflächen Die Flächenversickerung ist die naturnahste Möglichkeit der Regenwasserversickerung. Der gesammelte Abfluss wird hierbei auf in der Regel bewachsene Flächen (z.b. Rasenflächen) oder mit z.b. Rasengittersteinen oder durchlässig verfugten Pflastersteinen befestigte Flächen zwecks Versickerung geleitet. Dabei bildet der Oberboden einen wirkungsvollen mechanischen und biologischen Filter zum Schutz des Grundwassers, der allerdings auch je nach aufgeleiteter Regenwasser-Menge einer gewissen Wartung bedarf, um die Durchlässigkeit des Oberbodens zu erhalten. [ATV-DVWK-A 138, JACOBWITZ, LANDRATSAMT] Dabei ergeben sich folgende Vor- und Nachteile: Versickerungsflächen Vorteile - bei bewachsener Fläche gute Reinigungswirkung - gute Wartungsmöglichkeit, geringer Wartungsaufwand - geringer Herstellungsaufwand Nachteile - sehr geringes Speichervolumen - großer Flächenbedarf undurchlässige Fläche < 5 durchlässige Fläche (d.h. bei 100 m² versiegelter Fläche mindestens 21 m² Versickerungsfläche) Durch Tieflockerung der Flächen erhöht sich das Speichervolumen um %. Die Infiltrationsleistung des Bodens steigt. Die Wurzelbildung der Pflanzen wird verbessert und somit die Steigerung der Transpirationsleistung ermöglicht. (siehe auch Kapitel ) [SCHNEIDER 2001, SCHOBEL, SCHULTE-KARRING] 15

28 Versickerungsmulden Versickerungsmulden sind begrünte Mulden, in die Regenwasser eingeleitet wird. Dabei ist nur ein kurzzeitiger Einstau möglich, da sonst die Gefahr der Verschlickung und Verdichtung besteht und die Vegetation Schaden nehmen kann. Als Richtwert gilt maximal 1 Tag als Einstauzeitraum. Eine maximale Einstauhöhe von ca. 30 cm gilt als bewährt. Bei darüber hinausgehender Einstauhöhe sind Sicherungsmaßnahmen notwendig, zudem ist dann wieder die Einhaltung der maximalen Einstauzeiten zu beachten. Der Flächenbedarf beträgt im Allgemeinen % der angeschlossenen versiegelten Fläche. [ATV-DVWK-A 138, JACOBWITZ, LANDRATSAMT] Abbildung 8: Versickerungsmulde nach SIEKER 2002 (verändert) Abbildung 9: Versickerungsmulde [MINISTERIUM FÜR UMWELT UND FORSTEN RHEINLAND-PFALZ 2000] 16

29 Versickerungsmulden Vorteile - Speichermöglichkeit durch Muldenvolumen - Gute Reinigungsleistung durch Begrünung - Gute Wartungsmöglichkeiten - Geringer Herstellungsaufwand - Vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten Nachteile - mittlerer bis großer Flächenbedarf undurchlässige Fläche < 5-15 durchlässige Fläche (d.h. bei 100 m² versiegelter Fläche 7 bis 21 m² Versickerungsfläche) Mulden-Rigolen-Elemente Bei geringerer Durchlässigkeit des Untergrundes wird zur Vergrößerung des Speicherraumes und zur Verbesserung des Überlaufsystems ein Mulden-Rigolen-Element empfohlen. Dieses besteht aus einer begrünten Versickerungsmulde und einer darunter liegenden Rigole. Dabei handelt es sich um zwei getrennte Speicher mit jeweils eigenen Füll- und Entleerungsprozessen, die vom Abflussgeschehen und von den Versickerungsraten sowohl der Mulde als auch der Rigole bestimmt werden. [ATV-DVWK-A 138] Als Speicherraum werden dabei sowohl das durch Kiesschüttung entstehende Porenvolumen (ca. 35 % freier Porenraum) als auch neuerdings Kunststoffkästen (z.b. Sicker-Block mit mindestens 95 % freiem Volumen) verwendet. Als Nachteil müssen, sowohl wegen des Einsatzes in gering durchlässigem Material als auch wegen der Lage der Rigole in den unteren Bodenschichten, eventuell längere Verweilzeiten des Wassers im Speicherraum in Kauf genommen werden. Rigolen- und Rohr-Rigolen-Versickerung sind ebenfalls mögliche Lösungen. Dabei entfällt die oberirdische Mulde, das Wasser wird direkt in den Rigolenkörper geleitet. [ATV-DVWK-A 138, JACOBWITZ, LANDRATSAMT] Abbildung 10: Sicker-bloc der GRAF Gmbh 17

30 Abbildung 11: Kunststoffrigole nach SIEKER 2002 (verändert) Abbildung 12: Einbaubeispiel der Kunsstoffrigole Sicker-bloc der GRAF GmbH 18

31 Mulden-Rigolen-Elemente Vorteile - erhöhtes Speichervolumen durch Mulde und Rigole - auch bei schlecht durchlässigen Böden einsetzbar (k f < 10 6 m/s) - mittlerer Flächenbedarf Nachteile - erhöhter Wartungsaufwand - erhöhter Herstellungsaufwand undurchlässige Fläche < 5-15 durchlässige Fläche (d.h. bei 100 m² versiegelter Fläche 7 bis 21 m² Versickerungsfläche) Tieflockerungsrigole Durch Tieflockerung wird der Anteil der Grobporen langfristig um ca % erhöht und die Infiltrationstiefe und -geschwindigkeit des Wassers in den Boden wird je nach vorherigem Zustand des Bodens erhöht bis stark erhöht. Diese zugewonnene Kapazität kann zur Retention von Regenwasser verwendet werden. [SCHNEIDER 2001] Dabei funktioniert die tiefgelockerte Fläche wie ein Mulden-Rigolen-Element. Das zugeleitete Wasser infiltriert durch den belebten Oberboden in die Porenräume des Unterbodens. Der Oberflächenabfluss wird minimiert, der laterale Abfluss in den oberen Bodenschichten verringert. Im Bodenkörper kann das Wasser gespeichert werden oder im Untergrund versickern. Das gespeicherte Wasser steht Pflanzen zur Nutzung zur Verfügung (insbesondere durch den durch die Bodenlockerung erweiterten Wurzelraum) und kann somit durch Evapotranspiration aus dem Speicher entfernt werden. [SCHNEIDER 2001, SCHOBEL, SCHULTE-KARRING, TRESSEL] 19

32 Abbildung 13: Tieflockerungsrigole nach SIEKER (verändert) Tieflockerungsrigolen Vorteile - bei bewachsener Fläche gute Reinigungswirkung - gute Wartungsmöglichkeit, geringer Wartungsaufwand - geringer Herstellungsaufwand Nachteile - geringer Speicherraum - großer Flächenbedarf undurchlässige Fläche durchlässige Fläche < 5 (d.h. bei 100 m² versiegelter Fläche mindestens 21 m² Versickerungsfläche) 20

33 Versickerungsschächte Ein Versickerungsschacht wird in den Boden in ein umgebendes Filtersubstrat eingesetzt. Zum Schutz des Grundwassers und zum Schutz vor Verschlämmung wird ein Filtersack eingehängt. Der Schacht besteht entweder aus aufeinander gestapelten Betonschachtringen oder ist als Kunststoffelement ausgeformt. [ATV-DVWK-A 138, JACOBWITZ, LANDRATSAMT] Abbildung 14: Sickerschacht nach GRAF Versickerungsschächte Vorteile - fast beliebig großes Speichervolumen - auch bei schlecht durchlässigen Böden einsetzbar (kf < 10 6 m/s) - geringer bis kein (oberirdischer) Flächenbedarf Nachteile - erhöhter Wartungsaufwand - erhöhter Herstellungsaufwand - schlechte Kontrollmöglichkeit - in der Regel Vorbehandlung (wegen Schweb- und Schadstoffen) notwendig undurchlässige Fläche durchlässige Fläche < 50 (d.h. bei 100 m² versiegelter Fläche 2 m² Versickerungsfläche) 21

34 Versickerungsbecken Versickerungsbecken werden meist bei höheren hydraulischen Belastungen eingesetzt. Diese Belastungen werden erreicht, wenn das Verhältnis von angeschlossener undurchlässiger zu durchlässiger Fläche größer 15 ist. Dies setzt eine hohe Versickerungsfähigkeit des Untergrundes voraus, da sonst die Einstauzeiten zu lang werden. Besonders wichtig ist die richtige Einschätzung, wie sich die Versickerungsanlage im Laufe der Zeit selbst abdichtet. Ursache für eine Selbstabdichtung sind in erster Linie die in den Niederschlagswasserabflüssen mitgeführten Stoffe, die sich im Versickerungsbereich ablagern und dort dichtende Auflagen (äußere Kolmation) bilden. [ATV-DVWK-A 138] Eine vorgeschaltete Absetzanlage kann diesem Problem vorbeugen. [ATV-DVWK-A 138, JACOBWITZ, LANDRATSAMT] Versickerungsbecken Vorteile Nachteile - erhöhtes Speichervolumen durch Beckenform - eventuell erhöhter Wartungsaufwand durch Verschlämmungsgefahr - gute Reinigungsleistung durch Bewuchs und belebten Oberboden - - erhöhter Herstellungsaufwand Konzentration von Schweb- und - Gute Wartungsmöglichkeit durch offene Bauweise - Schadstoffen durch Flächenverhältnis Eventuell Gefahr für Kinder - verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten auch in Kombination mit Dauerstaubereichen - positive Wirkung auf das Regionalklima - geringer Herstellungsaufwand - mittlerer Flächenbedarf undurchlässige Fläche durchlässige Fläche < (d.h. bei 100 m² versiegelter Fläche 2 bis 7 m² Versickerungsfläche) - Die biologische Vielfalt offener Wasserflächen wird als Vorteil und Nachteil (Belästigung durch Fliegen, Lärmbelästigung durch Frösche) angesehen 22

35 Abbildung 15: Retentions- und Versickerungsbecken [ Mulden-Rigolen-Systeme Bei einer Durchlässigkeit des Untergrundes von k f < 10-6 m/s kann die geringe Versickerungsrate nicht mehr vollständig durch eine Zwischenspeicherung der Abflüsse ausgeglichen werden, so dass zusätzlich eine Ableitung erforderlich ist. Bei einem Mulden- Rigolen-Element erfolgt die Entleerung der Rigole zum einen durch die (geringe) Versickerung in den Untergrund, zum anderen durch die gedrosselte Ableitung in ein Rohrsystem oder offenen Graben." Durch Vernetzung der einzelnen Mulden-Rigolen- Elemente in Reihe und/oder parallel erhält man eine Mulden-Rigolen-System, das geringe bzw. gedrosselte Abflüsse in das Kanalnetz einspeist. [ATV-DVWK-A 138, JACOBWITZ, LANDRATSAMT] Mulden-Rigolen-Systeme Vorteile - erhöhtes Speichervolumen durch Mulde und Rigole - auch bei schlecht durchlässigen Böden einsetzbar (kf < 10 6 m/s) - mittlerer Flächenbedarf Nachteile - erhöhter Wartungsaufwand - erhöhter Herstellungsaufwand undurchlässige Fläche durchlässige Fläche < 5-15 (d.h. bei 100 m² versiegelter Fläche 7 bis 21 m² Versickerungsfläche) 23

36 4.2 Grenzen der Regenwasserversickerung Um Regenwasser versickern zu können, muss die Infiltrationsleistung der Böden gewährleistet sein. Dabei geht es weniger um die humosen Oberböden, die in der Regel durch Wurzeln und organische Substanz eine ausreichende Infiltrationsleistung haben, als um die dichteren Unterböden. Tonböden bilden bei Austrocknung tiefe Risse, damit entfällt ihre Filterwirkung beim nächsten stärkeren Niederschlag. In feuchtem Zustand können sie mit Durchlässigkeiten bis zu 1 cm pro Tag als fast undurchlässig bezeichnet werden. Anstehende Kiese mit fast ungehemmter Infiltration sind dagegen ebenfalls weitgehend ungeeignet, da fast keinerlei Reinigungswirkung vorhanden ist. Hier muss als Ausgleich eine Versickerungsmulde mit sehr sorgfältig aufgebautem Oberboden aufliegen. Zur Regenwasserversickerung eignen sich Böden, deren Durchlässigkeitsbeiwerte zwischen m/s (43200 cm / d) und m/s (43,2 cm / d) liegen. Je geringer die Durchlässigkeit des Bodens ist, um so größer ist der Flächenbedarf für die Versickerung bzw. um so mehr Speicherraum muss zur Verfügung gestellt werden. [ATV-DVWK-A138, AG BODEN] Bodenart Durchlässigkeit Durchlässigkeitsbeitwerte kf [cm / d] Bereich von bis Steingeröll sehr stark durchlässig unendlich Grobkies sehr stark durchlässig Fein-/ Mittelkies stark durchlässig Sandiger Kies stark durchlässig für die Versickerung Grobsand stark durchlässig geigneter Bereich der Mittelsand (stark) durchlässig 864 Durchlässigkeit Feinsand durchlässig 86,4 864 schluffiger Sand (schwach) druchlässig 0, Schluff schwach durchlässig 0, ,4 toniger Schluff (sehr) schwach druchlässig 0, ,64 schluffiger Ton, Ton (sehr) schwach druchlässig 0, ,00864 Tabelle 1: Durchlässigkeiten verschiedener Bodenarten [nach LANDRATSAMT, nach AG BODEN] Bei Hanglagen muss die Durchlässigkeit des Untergrundes berücksichtigt werden, um den Austritt des Wassers im Bereich der Unterlieger zu verhindern. Besondere Beachtung gilt auch der Beschaffenheit des zurückzuhaltenden Niederschlagswassers. Auf stark befahrenen Straßen sammeln sich Öl, Kraftstoff und Ruß, was zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Wasserqualität führen kann. Von verschiedenen Dachabdeckungen wie z.b. Kupfer drohen erhöhte Gehalte an Schwermetallen. 24

37 Daher müssen bei der Behandlung des Regenwassers die Qualität des Wassers und die Eignung der Retentionsmaßnahmen beachtet werden. Abbildung 16: Eignung von aufgefangenem Regenwasser für verschiedene Versickerungsanlagen [ATV-DVWK-A 138] 25

38 Boden- und Grundwasserschutz sind zentrale Themen bei der Versickerung von Regenwasser. Im Oberboden sollen mechanische und chemische Filterprozesse ablaufen, um das Grundwasser vor Schadstoffen zu schützen. Um diese Aufgabe erfüllen zu können, darf die Schadstofffracht des eingeleiteten Wassers nicht die Aufnahme und Abbaukapazität des Bodens übersteigen, da sonst eine Verschlämmung der Poren und eine Beeinträchtigung der Bodenbiologie durch Anreicherung von Schadstoffen droht. [MOHS, GUTSCH, HILLER] Unbeeinflusst von den Einschränkungen durch die Grenzen der Versickerung kann trotzdem Regenwasser zurückgehalten und dann langsam abgegeben werden. Dies kann bei unbelastetem Regenwasser direkt in den Vorfluter oder bei belastetem Wasser zur Kläranlage geschehen. Durch das Auffangen und langsames Abgeben werden die Abflussspitzen abgepuffert und so ein wirkungsvoller Beitrag zum Hochwasserschutz geleistet. [GUTSCH, SIEKER] 4.3 Nutzung von Regenwasser als Brauchwasser Die öffentliche Wasserversorgung in der Bundesrepublik Deutschland basiert abgesehen von einigen wenigen Einzelfällen auf einem einheitlichen Verteilungssystem, durch das alle Wasserverbraucher ausschließlich mit Wasser in Trinkwasserqualität versorgt werden [JACOBWITZ] Dadurch wird auch Trinkwasser für Bereiche verwendet, für die auch Wasser minderer Qualität genügte. Durchschnittlicher Wasserverbrauch pro Person in Deutschland Zweck pro Tag [l] pro Tag [in % des pro Jahr [l] Gesamtbedarfs] Toilettenspülung 41 30, Baden, Duschen 40 29, Wäsche waschen 17 12, Geschirrreinigung 8 6, Körperpflege 8 6, Wohnungsreinigung 7 5, Trinken, Kochen 4 3, Bewässerung (Garten, Blumen) 6 4, Autowaschen 3 2, gesamt Tabelle 2: Wasserverbrauch pro Person [UMWELTBUNDESAMT, STATISTISCHES LANDESAMT BADEN-WÜRTEMBERG,...] 26

39 Für welche Bereiche die Qualität von Niederschlagswasser (Dachablaufwasser) zum Ersatz des Trinkwassers ausreichend ist, wird unterschiedlich beurteilt. JACOBWITZ hält die Verwendung zur Gartenbewässerung, zum Toilettenspülen, zum Putzen und zum Händewaschen für unbedenklich. Andere Autoren [HARTUNG] schließen auch die Verwendung zum Wäsche waschen, zum Duschen und zur Körperpflege nicht aus. Dies wird jedoch kontrovers diskutiert. Die fehlende Kontrolle der biologischen und chemischen Qualität des Wassers wird für alle Anwendungen außer Toilettenspülungen, Autowaschen und Bewässerung als Grund für die Ablehnung der weitergehenden Nutzung des Niederschlagswassers angegeben. So könnten Keime je nach Verwendung des Wassers ungehindert und unkontrolliert in die Nahrungskette eindringen. Die Einhaltung der hygienischen Richtwerte für Badegewässer scheint jedoch gesichert, wodurch auch andere Verwendungen wie Wäsche waschen problemlos möglich sein sollten. Zudem sichern eine technisch einwandfreie Installation und Wartung der Anlagen auch gleichbleibend gute Qualität des Wassers. [JACOBWITZ, HARTUNG, WACK 1995, MOLL] Abbildung 17: Regenwassernutzungsanlage [GRAF] Wenn sowohl Belange der Wasserversorgung als auch der Regenwasserrückhaltung in Einklang gebracht werden sollen, ergeben sich folgende Konfliktfelder: - bei einem zu groß bemessenen Brauchwassertank entstehen lange Standzeiten des gespeicherten Wassers, was Keimbildung begünstigen kann 27

40 - zur Nutzung von Brauchwasser sollte der Speicher nie leer laufen, um kein Trinkwasser auffüllen zu müssen - zur Regenwasserretention sollte der Speicher nie voll sein, um die folgenden Niederschläge auch aufnehmen zu können - deutsche Wasserversorger haben Vorbehalte gegen Niederschlagswassernutzung, weil die Ausnutzung ihrer Anlagen sinkt und eventuell der Preis pro m³ Wasser wegen der eingebundenen hohen Fixkosten (ca. 80 %) steigt. Zudem ist mit der Niederschlagswassernutzung meist der Einbau eines zweiten Wasserzählers verbunden (je nach Gemeinde), um die Abwasserkosten korrekt berechnen zu können. [JACOBWITZ, WACK 1995, PREUß, RUDOLPH] Neben dem Qualitätsaspekt spielt die Frage der Deckung des Wasserbedarfs eine entscheidende Rolle für die Planung von Brauchwasseranlagen. [JACOBWITZ] Als vertretbare Speichervolumina werden 1-4 m³ pro 100 m² Dachfläche oder 20 bis30 l / m² Dachfläche genannt. Dabei werden einzelne Überläufe und auch ein Trockenfallen des Speichers hingenommen, da ein Ausschluss dieser Extreme einen unverhältnismäßig großen Aufwand an Speichervolumen und Technik mit sich bringen würde. [JACOBWITZ] Günstige Auswirkungen auf die Abflussverhältnisse in Siedlungsgebieten sind grundsätzlich vorhanden, ihre Größenordnung ist jedoch häufig nicht so bedeutend. Eine Versickerung ist hinsichtlich einer Abflussminderung im weiterführenden Kanalnetz wirksamer als eine Regenwassernutzung, selbst wenn diese flächendeckend angewendet wird. Je höher der Deckungsgrad einer Regenwassernutzungsanlage ist, desto geringer ist seine abflussmindernde Wirkung. Extreme Abflüsse (mit Rückstau oder gar Überstau) lassen sich durch eine Nutzung des Regenwassers als Brauchwasser nicht entscheidend dämpfen. [JACOBWITZ] Damit gehören Anlagen zur Nutzung von Regenwasser nicht zur Regenwasserretention im engeren Sinne. Allerdings sind inzwischen auch Retentionstanks mit abflussdämpfender Wirkung im Handel, die zumindest die Spitzen der Niederschlagsabflüsse dämpfen. Zudem ist eine sinnvolle Kombination von Regenwassernutzung und Regenwasserretention möglich. [JACOBWITZ, GRAF] 28