Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis   2

Abbildungsverzeichnis   3

Tabellenverzeichnis 3   

Anhangsverzeichnis 3   

Kurzfassung   4

1  Einführung  5

1.1  Zielsetzung  7

1.2  Vorgehensweise  7

2  Grundlagen  8

2.1  Projektfläche  8

2.2  Arten wasserdurchlässiger Verkehrsflächenbefestigungen  10

2.3  Voraussetzungen für den Bau wasserdurchlässig befestigter Verkehrsflächen  12

2.4  Geeignete bzw. zugelassene Verkehrsflächen für die Anwendung wasserdurchlässiger  

Verkehrsflächen   13

2.5  Die Wasserhaushaltsgleichung  13

2.5.1  Der Niederschlag  14

2.5.2  Die Verdunstung  14

2.5.3  Der Abfluss  18

3  Berechnung  21

3.1  Berechnungsvorlage: Eingabemaske  22

3.2  Variation plausibler Flächenkombinationen  26

3.2.1  Möglichkeit 1: Kombinationen mit Asphalt, fugenloser Beton fest als Straßenfläche  27

3.2.2  Möglichkeiten 2 und 3: Kombinationen mit Pflaster, dichte Fugen  

bzw.  Pflaster, offene Fugen fest als Straßenfläche  28

3.2.3  Möglichkeit 4: Kombinationen mit Verbundstein fest als Straßenfläche  28

3.2.4  Möglichkeit 5: Kombinationen mit Sickerstein fest als Straßenfläche  29

3.2.5  Zusammenfassung aller Kombinationen  29

4  Auswertung  31

4.1  Die Wasserhaushaltsgrößen  31

4.1.1  Die Verdunstung  31

4.1.2  Der Direktabfluss  33

4.1.3  Die Grundwasserneubildung  35

4.2  Wasserhaushaltsbilanzen  37

4.2.1  Ermittlung geeigneter Kombinationen für alle Szenarien  40

4.2.2  Wahl geeigneter Kombinationen für jedes Szenario  41

4.2.3  Bilanzierung mittels alternativer Verdunstungswerte  42

5  Interpretation  45

6  Fazit  47

Literaturverzeichnis   49

Anhang 51   

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Abbildungsverzeichnis

Seite:

Abb. 1: ^{Veränderung der Wasserhaushaltsgrößen mit zunehmender Versiegelung; nach ATV-DVWK 2000b. 5} Abb. 2: Modellstraße. 8

Abb. 3: Darstellung von zwei Modellgrundstücken der Größe 250 m ² mit jeweils anteiliger Straßenfläche von 40 m ² . 9

Abb. 4: Wasserhaushaltsgrößen in Abhängigkeit von der Befestigung für drei Bodenarten

^{mit Flurabständen > 3,0 m und einem Niederschlag N von 800 mm/a (Meßer 2007).} Abb. 5: ^{Eingabemaske zur Berechnung der Wasserhaushaltsbilanzen} Abb. 6: ^{Wasserhaushaltsbilanzen für die Flächenkombination A, V, Po für das Szenario N = 799 mm/a und} m .

Abb. 7: Verdunstungsverlauf für alle Kombinationen, jeweils für die Szenarien mit N = 799 mm/a und 921 mm/a. 32

Abb. 8: Der Anteil des Direktabflusses am Niederschlag für alle Szenarien und Kombinationen. 34

Abb. 9: Höhe der jährlichen mittleren Grundwasserneubildung in mm für alle Szenarien und Flächenkombinationen. 35

Abb. 10: Wasserhaushaltsbilanzen ausgewählter Flächenkombinationen. 39

Tabellenverzeichnis

Tab. 1: ^{Zuordnung der Flächentypen nach GWneu zu Flächentypen nach Merkblatt DWA-M 153.} Tab. 2: ^{Verdunstungsverlauf ausgewählter Flächennutzungstypen nach GWneu (Meßer 2007).} Tab. 3: Empfohlene Abflussbeiwerte nach Flächentyp und Art der Befestigung DWA-M 153 (August 2007).

Tab. 4: verwendete Kürzel der einzelnen Flächenbeläge.

Tab. 5: ^{Kombinationsmöglichkeiten mit Asphalt bzw. fugenloser Beton fest als Straßenfläche.} Tab. 6: ^{Kombinationsmöglichkeiten mit Pflaster, offen und Pflaster, dicht fest als Straßenfläche.} Tab. 7: ^{Kombinationsmöglichkeiten mit Verbundstein fest als Straßenfläche.} Tab. 8: ^{Kombinationsmöglichkeiten mit Sickerstein fest als Straßenfläche.} Tab .9: ^{Gesamtdarstellung der Wasserhaushaltsbilanzen aller Kombinationsmöglichkeiten.} Tab. 10: ^{Ausschnitt des Vergleichs der Kombinationen aller Szenarien bzgl. des Niederschlags.} Tab. 11: ausgewählte Flächenkombinationen pro Szenario bzgl. der Grundwasserneubildungsraten der Freifläche und die Flächen mit den höchsten bzw. niedrigsten GWneu-Raten.

Tab. 12: ^{Erweiterung geeigneter Kombinationen des Szenarios 921_end.} Tab. 13: Ausschnitt aus Tabelle 11, Szenario 799_mittel.

Tab. 14: Wasserhaushaltsbilanzen der besten Kombinationen für alle Szenarien; in der letzten Spalte die Wasserhaushaltsbilanz nach Variation der Verdunstung. 42

Anhangsverzeichnis

Anh. 1.1: Wasserhaushaltsbilanzen für Szenario N = 799 mm/a und Endabflussbeiwerte. 51

Anh. 1.2: Wasserhaushaltsbilanzen für Szenario N = 799 mm/a und mittlere Abflussbeiwerte. 52

Anh. 1.3: Wasserhaushaltsbilanzen für Szenario N = 921 mm/a und mittlere Abflussbeiwerte. 53

Anh. 1.4: Wasserhaushaltsbilanzen für Szenario N = 921 mm/a und Endabflussbeiwerte. 54

Anh. 2.1: Freilandmessungen: 1 (Sickerstein) / 6 (gefügedicht mit Fuge). 55

Anh. 2.2: Freilandmessungen: 1 (Sickerstein) / 7 (Rasengitterstein). 55

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Kurzfassung

Die zunehmende Flächenversiegelung bei gleichzeitiger zentraler

Regenwasserversickerung hat, besonders in dichten Ballungsgebieten, weitreichende negative Folgen für den natürlichen Wasserhaushalt. Um diesen Folgen entgegenzuwirken, hat ein Umdenken zu einer dezentralen Regenwasserversickerung stattgefunden. Bei einer dezentralen Regenwasserversickerung kommt der Versickerung über wasserdurchlässig gestaltete Verkehrsflächen eine besondere Bedeutung zu. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Schaffung einer Berechnungsgrundlage zur Wasserhaushaltsbilanzierung sickerfähiger Flächenbefestigungen, unter Anwendung gängiger Literaturwerte. Anhand der Berechnungsgrundlage sollen für eine Modellfläche Wasserhaushaltsbilanzen unterschiedlicher Flächenbefestigungen berechnet werden.

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1 Einführung

Heute werden, bei steigender Tendenz, bereits 12 % der Fläche Deutschlands als Siedlungs- und Verkehrsflächen genutzt, wobei die großen Ballungsgebiete sogar schon eine Bebauung von bis zu 50 % ihrer Fläche aufweisen.

Die dadurch zunehmende Versiegelung hat weitreichende negative Auswirkungen auf die Wasserhaushaltsbilanzen urbaner Räume. Verursacht werden diese durch einen erhöhten Oberflächenabfluss bei gleichzeitig verringerter Verdunstung. Mit zunehmendem Versiegelungsgrad steigt der oberflächliche Abfluss stark an und damit verbunden sinkt die Rate der Grundwasserneubildung und somit der Grundwasserspiegel. Gleichzeitig werden die Vorfluter im Einzugsgebiet stark versiegelter Flächen negativ beeinflusst. So kommt es in Zeiten starker Niederschläge zu extremen Hochwasserspitzen und in relativ trockenen Perioden zu geringen Niedrigwasserständen. Die Hochwasserspitzen gehen mit dem erhöhten Oberflächenabfluss, bei gleichzeitig verkürzten Abflusswegen und erhöhten Fließgeschwindigkeiten, einher. Die Niedrigwasserstände stellen sich ein, weil durch die zunehmende Versiegelung keine genügende Wasserzufuhr über das Grundwasser gewährleistet werden kann.

Abb. 1: Veränderung der Wasserhaushaltsgrößen mit zunehmender Versiegelung;

nach ATV-DVWK 2000b.

Abbildung 1 zeigt die Beeinflussung des Wasserhaushalts durch die Flächenversiegelung. Im unbebauten Zustand verdunsten durchschnittlich 63 % der anfallenden Niederschläge, nur geringe 13 % fließen oberflächlich ab, die übrigen 24 % versickern und tragen zur Grundwasserneubildung teil. Mit zunehmenden Versiegelungsgrad sinkt die Verdunstung auf bis zu 30 % und der Oberflächenabfluss erreicht 70 %. Das heißt bei einem

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Versiegelungsgrad von 100 % kann die Rate der Grundwasserneubildung auf bis zu null sinken. Der in Abbildung 1 veranschaulichte Extremfall einer ausbleibenden Grundwasserneubildung setzt allerdings voraus, dass die Flächenversiegelung vollkommen wasserundurchlässig ist und der Oberflächenabfluss vollständig in die Kanalisation abgeführt wird.

Es hat deshalb ein Umdenken von der bis heute gängigen Praxis, der ausschließlichen Einleitung anfallender Regenwässer in die Kanalisation, zu einer dezentralen Versickerung stattgefunden. Bei einer dezentralen Versickerung wird das Regenwasser dem Grundwasser an dem Ort zugeführt, an dem es anfällt.

Kombiniert mit einer teilweisen Entsiegelung und Begrünung versiegelter Flächen bietet diese Methode zur Rückführung der Regenwässer in den Wasserkreislauf eine Vielzahl von Vorteilen.

Aufgrund des Platzmangels ist es in den großen Ballungsgebieten meist nur in geringem Maße möglich, Regenwässer auf freien Flächen oder Mulden versickern zu lassen. Geringe Flurabstände machen daneben häufig eine unterirdische Versickerung über Rigolen unmöglich, so dass bei geeigneter Sickerfähigkeit der Verkehrsfläche das gesamte anfallende Regenwasser eines Siedlungsgebiets über diese abgeführt werden könnte. Durch eine dezentrale Regenwasserversickerung über wasserdurchlässige Verkehrsflächen sind Entlastungen von Kanalnetzen, zentraler Versickerungsanlagen und

Abwasserkläranlagen möglich. Darüber hinaus kann durch eine steigende Versickerung eine Annäherung der Grundwasser-Neubildungs-Raten an den Ursprungszustand und eine Entspannung der Situation der Vorfluter erreicht werden.

Daneben wird auch der positive Einfluss einer erhöhten Verdunstung durch den Einsatz sickerfähiger Verkehrsflächen, auf die stadtklimatischen Bedingungen, diskutiert. Mit zunehmender Verdunstung steigt die Luftfeuchtigkeit an und die in großen Ballungsgebieten erhöhte Lufttemperatur kann sinken.

Als nachteilig können bei der Versickerung über wasserdurchlässige Verkehrsflächen das Fehlen der belebten Bodenzone und damit die ausbleibende natürliche biologische Filterung der anfallenden Niederschläge angesehen werden. Ein weiterer nachteiliger Aspekt ist der Rückgang der Wasserdurchlässigkeit der Flächenbefestigungen im Lauf der Zeit durch Verschmutzungen. Das heißt sickerfähige Verkehrsflächen müssen regelmäßig, beziehungsweise bei Bedarf, gereinigt werden.

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1.1 Zielsetzung

Im Rahmen dieser Arbeit soll nun ein Berechnungsmodell erstellt werden, dass eine Bilanzierung des Wasserhaushalts von wasserdurchlässig gestalteten Verkehrsflächen ermöglicht. Dieses Modell soll als Grundlage dienen, für beliebige Flächen geeignete Verkehrsflächenbefestigungen zu finden, die den erläuterten Problemen einer zunehmenden Flächenversiegelung entgegenwirken.

Das Ziel dabei ist es, die Wasserhaushaltsbilanz wasserdurchlässig gestalteter Verkehrsflächen dem entsprechenden Zustand der unbebauten Fläche möglichst anzugleichen, beziehungsweise die maximale Versickerungsleistung einer Verkehrsfläche zu ermitteln.

1.2 Vorgehensweise

Als Grundlage für das Berechnungsmodell dient die Wasserhaushaltsgleichung. Das Berechnungsmodell wird aus einer Eingabemaske auf Excel-Basis erstellt, die es ermöglicht für beliebige Flächenarten und -größen die Wasserhaushaltsgrößen im Einzelnen und für alle Flächenanteile summiert die Gesamtbilanzen zu berechnen. Durch eine Zuordnung einer Fläche in Quadratmeter zu einer Flächenbefestigung werden die Wasserhaushaltsgrößen über dieser Fläche berechnet.

Die für die Wasserhaushaltsbilanzierungen notwendigen Eingangsgrößen werden aus Literaturwerten zusammengestellt.

Die Unterteilung der Flächenbefestigungen sowie die Verwendung der Abflussbeiwerte erfolgt nach Merkblatt DWA-M 153 (2007), die notwendigen Verdunstungsraten dieser Flächenbefestigungen werden nach MEßER (2007) ermittelt. Zu Beginn muss die zu berechnende Verkehrsfläche, soweit es möglich ist, in ihre einzelnen Flächennutzungen unterteilt und deren Fläche in Quadratmetern ermittelt werden. Darüber hinaus legt man die Höhe des Niederschlags und die gewünschten Berechnungsparameter, Art des Abflussbeiwerts und Verdunstungsraten, fest. Aus diesen Berechnungsparametern werden dann vier Szenarien unterschiedlicher Niederschlagshöhen und Abflussbeiwerte erstellt. Danach folgend werden für die einzelnen Flächennutzungen, unter Zuteilung von Flächenarten, unterschiedliche

Flächenkombinationen erstellt. Für diese werden dann die Wasserhaushaltsbilanzen berechnet und ausgewertet.

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2 Grundlagen

Im Rahmen der Grundlagen soll die Projektfläche vorgestellt werden und die Wasserhaushaltsgleichung mit den einzelnen Wasserhaushaltsgrößen, wie sie bei den Wasserhaushaltsbilanzierungen dieser Arbeit Verwendung finden, erläutert werden. Darüber hinaus werden Arten wasserdurchlässiger Verkehrsbefestigungen vorgestellt und die für ihre Verwendung notwendigen Voraussetzungen aufgeführt.

2.1 Projektfläche

Die Berechnungen der Wasserhaushaltsbilanzen erfolgen für eine Verkehrsfläche von 80 m ² , bestehend aus einer Modellstraße mit einer Breite von 8 m und einer Länge von 10 m. Die Modellstraße besteht, wie in Abbildung 2 gezeigt, aus einer Fahrbahn der Breite 3 m, einem einseitigen Parkstreifen mit einer Breite von 1,75 m und zwei Fußwegen mit den Breiten 1,75 m und 1,5 m.

1,75 1,75 1,50 3,00

Abb. 2: Modellstraße.

Diese Modellstraße ist Teil des Neubaugebiets, das in dem Fachbeitrag „Einfluss von Gründächern und Regenwassernutzungen auf Wasserhaushalt und Grundwasserstand in Siedlungen“ von GÖBEL ET AL. (2007) Eingang gefunden hat. Das Neubaugebiet wurde aus Mustergrundstücken mit Doppelhaushälften und einer Grundstücksgröße von 250 m ² entworfen (Abb. 3, S. 9), wobei die zu jedem Grundstück zugehörige Verkehrsfläche eine Fläche von 40 m ² einnimmt. Dies entspricht pro Grundstück idealisiert jeweils der Hälfte der einzelnen Nutzungsflächen der Modellstraße, also einem halben Parkstreifen, usw. Die 80 m ² sind also die Verkehrsfläche, die sich zwischen zwei gegenüberliegenden Grundstücken befindet und stellen die Fläche dar, auf der Niederschläge von den Grundstücken zur Versickerung zugeführt werden können.

Da bei der Bilanzierung der Wasserhaushaltsgrößen nicht die Gesamtfläche, sondern die

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Verhältnisse der einzelnen Flächen zueinander maßgebend sind, ist es möglich, die Wasserhaushaltsbilanzen, bei bekannten Flächenverhältnissen, für beliebige Gesamtflächen zu ermitteln. So kann durch Division durch 2 die Wasserhaushaltsbilanz der Verkehrsfläche (80 m ² ) anteilig zum Gesamtgrundstück von 290 m ² ermittelt werden.

Ausgehend von einer vollständigen Versiegelung der Projektfläche, bei gleichzeitig geringen Neigungen, können verdunstungs- und abflussbeeinflussende geologische Faktoren vernachlässigt werden.

Die Modellstraße wird mit unterschiedlichen Flächenbefestigungen belegt, zu denen die entsprechenden Wasserhaushaltsbilanzen ermittelt werden.

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2.2 Arten wasserdurchlässiger Verkehrsflächenbefestigungen

Entscheidend bei der Ermittlung von Wasserhaushaltsbilanzen von Verkehrsflächen ist eine vorausgehende Definition der wasserdurchlässigen Flächenbeläge. Dies ist notwendig, weil in der Literatur keine Einigkeit über eine gängige Bezeichnung vorherrscht und gleiche Flächenbeläge mit einer Vielzahl von Bezeichnungen versehen werden. Hier sollen die Beschreibungen bzw. Bezeichnungen der FGSV (Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen) Verwendung finden. In dem Merkblatt für wasserdurchlässige Befestigungen von Verkehrsflächen (1998) und dem Allgemeinen Rundschreiben Straßenbau Nr. 3/2000 werden diese Flächen und die Voraussetzungen für die Verwendung definiert und haben allgemeine Gültigkeit.

Zuerst soll eine Unterteilung versiegelter Flächen im Allgemeinen getroffen werden. Man unterscheidet grundsätzlich undurchlässig versiegelte Flächen und teildurchlässig versiegelte Flächen und diese untereinander nach einem Anschluss an die Kanalisation.

• Versiegelung undurchlässig an Kanalisation angeschlossen / nicht angeschlossen

• Versiegelung teildurchlässig an Kanalisation angeschlossen / nicht angeschlossen

Wasserundurchlässige Flächenbeläge sind herkömmliche Asphalt-und

Betondeckschichten. Sie erreichen Abflussbeiwerte von bis zu eins. Grundsätzlich sind alle anderen Flächenbefestigungen, abgesehen von Sonderbauweisen, teildurchlässig, das heißt sie haben Abflussbeiwerte kleiner eins.

Das Merkblatt für wasserdurchlässige Befestigungen von Verkehrsflächen (FGSV 1998) unterscheidet wassergebundene Befestigungen in Pflaster-, Asphalt und Betonbauweise sowie gebundene Beläge (Deckschichten ohne Bindemittel).

Aufgrund fehlender Literaturangaben zum Abflussverhalten wasserdurchlässiger Asphalt-und Betondeckschichten sollen diese nicht weiter behandelt werden und keinen Eingang in die Wasserhaushaltsbilanzierungen finden.

Zu den wasserdurchlässigen Pflastersystemen zählen dabei:

• Sickerfugensteine

• haufwerksporige Steine

• begrünte Pflastersysteme

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• Sickerfugensteine:

Sickerfugensteine sind Pflastersysteme mit Sickeröffnungen und/oder aufgeweiteten Fugen. Die Versickerung erfolgt ausschließlich über die Fugen oder Sickeröffnungen. Das Fugenmaterial ist in der Regel Splitt oder feiner Brechsand. Um eine optimale Filterstabilität zu gewährleisten, sollte möglichst das Fugenmaterial gleich dem Bettungsmaterial sein. Die Fugenbreiten betragen nach DIN 18318 3 mm bis 5 mm, bei aufgeweiteten Fugen müssen entsprechende Abstandshalter verwendet werden. Im Folgenden werden sie nach DWA-M 153 (2007) als Verbundsteine mit Fugen bezeichnet.

• Haufwerksporige Steine: Dränbetonsteine

Die Versickerung haufwerksporiger Steine oder auch Dränbetonsteine erfolgt über das hohlraumreiche (offenporige) Gefüge des Steins. Wie bei den Sickerfugensteinen, sollte, wenn möglich, auch bei diesen Pflastersystemen das Fugenmaterial gleich dem Bettungsmaterial sein, um die Filterstabilität zu gewährleisten. Haufwerksporige Steine werden aus Beton hergestellt und sind entweder ein- oder zweischichtig. In der Literatur erfahren sie eine Vielzahl von Bezeichnungen. Sie werden als Filtersteine, Porensteine, Sickersteine oder auch wasserdurchlässige Steine bezeichnet. Hier sollen sich nach DWA-M 153 (2007) als Sickersteine bezeichnet werden, nicht zu verwechseln mit den Sickerfugensteinen.

• Begrünte Pflaster und Plattenbeläge: Rasengittersteine Rasengittersteine versickern das Wasser über die begrünten (Sicker-)Öffnungen und Fugen. Nach FGSV (1998) sind diese Pflastersysteme aufgrund der Verwendung von Oberboden und des Wurzelfilzes für eine hohe und dauerhafte Versickerungsleistung nicht geeignet. Es wird von einem Versickerungsanteil von höchstens 20 % ausgegangen, aufgrund des großen Rückhaltevermögens von einem Abflussbeiwert von 0,5. DWA-M 153 (2007) geht jedoch von einem mittleren Abflussbeiwert von bis zu 0,15 aus. Aufgrund der Überprüfung und Bestätigung der von der DWA vorgegebenen Abflussbeiwerte (ILLGEN 2000) sollen diese Verwendung finden und die Angaben der FGSV vernachlässigt werden.

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