Die Besonderheiten des Wasserhaushaltes und des Klimas von Stadtökosystem

Inhaltsverzeichnis

1. Definitionen

2. Die Besonderheiten des Wasserhaushaltes von Stadtökosystemen
2.1 Charakteristik der Böden städtisch- industrieller Ballungsräume
2.2 Wasserhaushalt urbaner Böden
2.2.1 Wichtige hydrologische Bodeneigenschaften
2.2.2 Wasserhaushaltskomponenten
Grundwasserneubildung unter besonderer Berücksichtigung der Versiegelung
2.2.3 Auswirkungen von Grundwasserstandsänderungen
2.2.4 Belastung des Sicker- und Grundwassers

3. Stadtklima
3.1 Ursachen und Auswirkungen
3.2 Struktur der Stadtatmosphäre
3.3 Strahlungs- und Energiehaushalt der Stadtatmosphäre
Die Anthropogene Wärmeproduktion ist aufgrund von der Lage und Größe der Stadt unterschiedlich. Diese Unterschiede werden durch die hohen Einwohnerdichten und dem hohen Pro- Kopf- Energieverbrauch verursacht.
3.4 Städtische Überwärmung
Einfluss auf städtische Wärmeinsel
Bioklimatische Auswirkungen der städtischen Überwärmung
3.5 Stadtbedingte Einflüsse auf Luftfeuchte und Niederschlag
3.6 städtisches Windfeld
3.7 Verunreinigung der Stadtluft
3.8 Klimatische Bedeutung innerstädtischer Grün- und Wasserflächen Grünflächen

4. Hinweise zur Verbesserung des Stadtklimas

5. Fazit

Literaturverzeichnis:

Die Besonderheiten des Wasserhaushaltes und des Klimas von Stadtökosystemen

Der Wasserhaushalt und das Klima von Stadtökosystemen sind durch seine besonderen Wechselwirkungen gekennzeichnet.

Im folgenden Verlauf sollen Besonderheiten und der Zusammenhang zwischen dem Klima und dem Wasserhaushalt von Stadtökosystemen aufgezeigt werden.

1. Definitionen

Der Wasserhaushalt wird „ allgemein, durch die Wasserzufuhr, Wasserentzug und Änderung des Wasserinhaltes gekennzeichneten Umsetzungsvorgänge des Wassers in einem System und zwischen einem System und seiner Umgebung“^[1] charakterisiert.

„ Die für einen Ort, eine Landschaft oder einen größeren Raum typische Zusammenfassung der erdnahen und die Erdoberfläche beeinflussenden atmosphärischen Zustände und Witterungsvorgänge während eines längeren Zeitraumes in charakteristischer Verteilung der häufigsten, mittleren und extremen Werte. (...)“^[2]

Die Stadtökologie „ (...) ist diejenige Teildisziplin der Ökologie, die sich mit den städtischen Biozönosen, Biotopen und Ökosystemen, ihren Organismen und Sandortbedingungen sowie mit Struktur, Funktion und Geschichte urbaner Systeme beschäftigt.“^[3]

Die Stadt ist ein vielseitiger Ökosystemkomplex und auch das Ergebnis menschlichen Handelns. Es ist demnach festzuhalten, dass die Erforschung des Stadtökosystems nicht nur auf naturwissenschaftlicher Basis, sondern auch auf geistes- oder kulturwissenschaftlicher Basis erfolgen muss um alle Zusammenhänge zu verdeutlichen.

Denn der Mensch gestaltet Stadt beziehungsweise seinen Lebensraum nach eigenen Vorstellungen zum Beispiel durch Traditionen, Politik und Wirtschaft.

2. Die Besonderheiten des Wasserhaushaltes von Stadtökosystemen

Allgemein ist der städtische Wasserhaushalt ist dadurch gekennzeichnet, dass der städtische Wasserinput über Niederschlägen höher ist als im Umland. Begründet ist dies in der Lage der Stadt und der Reliefierung der Bausubstanz. Weitere Ursachen sind die stärkere Turbulenzen und der hoher Anteil an Kondensationskernen in der städtischen Lufthülle. Intensive vertikale Luftbewegungen sind die Folge der Überwärmung. Dadurch entstehen wiederum häufiger Gewitter und Starkregen.

Der hohe Wasserinput hat negative Folgen auf den Wasserhaushalt, was soweit führen kann, dass die Grundwasserganglinien absinken.

Die Ursachen dafür sind der hoher Grad an Bodenversiegelung und Bodenverdichtung und der dagegen sehr geringe Anteil an Grünflächen. Eine schwerwiegende Folge der niedrigen Versickerungsrate der Niederschläge ist der hohe Oberflächenabfluss.

2.1 Charakteristik der Böden städtisch- industrieller Ballungsräume

Städtische Böden sind durch die Versiegelung der Oberflächen, eine starke Verdichtung und erhöhte Skelett- Steingehalte gekennzeichnet. Weiterhin sind die Ablagerungen von technogenen Substraten und erhöhte Humusgehalte bis in Tiefen von 40- 50 cm, sowie die Veränderungen des Grundwasserflurabstandes charakteristisch.

Die hervorgerufenen Veränderungen beeinflussen wichtige Reglungsgrößen des Boden- und Grundwasserhaushaltes (z.B. die Evapotransipiratin, die Wasserspeicherung, die Grundwasserneubildung und der kapillarer Aufstieg und auch der oberirdischer Abfluss und die Stoffverlagerung).

Circa ein Drittel der städtischen Siedlungsfläche ist versiegelt, die Erhöhung des Oberflächenabflusses, die Verminderung der Grundwasserneubildung und die Veränderungen des Wärmehaushaltes, sowie die Verstärkung des Hochwasserabflusses in natürlichen Gewässern können die Folgen sein.

2.2 Wasserhaushalt urbaner Böden

2.2.1 Wichtige hydrologische Bodeneigenschaften

Die Wasserleitfähigkeit ist für die Wasserbewegung im Boden entscheidend, sie wird stark von der Bodenart beeinflusst.

Neuversiegelte Flächen, mit einem Fugenanteil von mehr als 10%, weisen eine relativ hohe Infiltrationsrate auf. Lediglich bei Starkniederschlägen besteht die Möglichkeit eines Oberflächenabflusses.

Alte (nichtveränderte) Versiegelungsflächen zeigen dagegen eine drastische Verminderung der Wasserdurchlässigkeit gegenüber dem ursprünglich verwendeten Fugensand, auf grund des Eintrag von Straßenstaub, der zu einer deutlichen Erhöhung von Ton- und Schluffanteilen führen kann. Zudem wird die Wasserdurchlässigkeit durch erhebliche Humusanreicherung im Fugenraum begünstigt.

Durch die stofflichen Veränderungen in Verbindung mit einer Verdichtung, als Folge mechanischer Belastungen, verringert sich die ungesättigte Wasserleitfähigkeit in den Fugen.

2.2.2 Wasserhaushaltskomponenten

Durch eine urbane Flächennutzung wird die Wasserhaushaltsgleichung stark verändert.

Zur Verdeutlichung werden die allgemeine Gleichung und die Wasserhaushaltsgleichung gegenüber gestellt.

Die allgemeine Wasserhaushaltsgleichung besagt, dass sich der Niederschlag wie folgt berechnet.

N= V+ A+ (R- B)

Die Wasserhaushaltsgleichung für Stadtökosysteme ist dagegen umfangreicher.

N = T + I + E + V + kA + Δ S + Ao

N = Niederschlag ; T= Transpiartion ; I= Interzeption ; E= Evapotranspiration ; V= Versickerung ; kA= kapillarer Anstieg ; ΔS= Wassergehaltsänderung ; Ao= Oberflächenabfluss

Bezogen auf die Gesamtfläche führt die urbane Nutzung und die, damit verbundene, Versiegelung zu einer Verringerung der Grundwasserneubildung und Evapotranspiration und zur Erhöhung des Oberflächenabflusses.

Kleinräumig betrachtet sind Unterschiede der Komponenten möglich. So ist beispielsweise die Evatranspiration von innerstädtischen Grünflächen, aufgrund der steigenden Erwärmung, um 10 – 40 mm/a höher als außerhalb liegende Grünflächen.

Dieser Unterschied steigt, je höher die pflanzenverfügbare Wassermenge ist. Zudem treten besonders niedrige Evatranspirationswerte bei versiegelten Flächen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Quelle: Sukopp, H.: Stadtökologie, S. 190)

Die Tabelle zeigt die Wasserhaushaltskomponenten in Abhängigkeit von Nutzung, Bodenart und Versiegelungsgrad.

Es wird deutlich, dass bei einer Bebauung auf stark sandigem Lehm 390 mm/a von 580 mm/a Niederschlag lediglich 70 mm/a zur Grundwasserneubildung beitragen.

Der Oberflächenabfluss ist jedoch mit 390 mm/a stark erhöht. Bei einer Bebauung auf sandigem Untergrund, trägt dagegen mit 120 mm/a eine etwas größere Niederschlagsmenge zur Grundwasserneubildung bei. Hier beträgt die reale Evapotranspiration 230 mm/a.

Der Oberflächenabfluss ist hier mit 240 mm/a zwar geringer, aber immer noch sehr kritisch zu betrachten. In Kleingartenanlagen und Parks zeigt sich ein anderes Bild. Hier tragen, von den betrachteten 580 mm/a Niederschlag, rund 230 mm/a zur Grundwasserneubildung bei und die reale Evapotranspiration beträgt 470 mm/a.

Daraus lässt sich erkennen, dass der Belag und die Fugenanteile einen Einfluss auf Höhe der Verdunstung bzw. Interzeption ausüben.

Bei vollversiegelte Flächen, wie zum Beispiel Dachflächen von Gebäuden, Asphaltdecken und ähnliche, ist die Auffüllung des Porenvolumens nicht mehr gegeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Quelle: Sukopp, H.: Stadtökologie, S. 189)

Zusammenfassend zeigt die Abbildung die schematische Darstellung der Wasserhaushaltskomponenten urbaner Böden. Zu erkennen ist, dass ein Großteil der Niederschläge aufgrund der hohen Versiegelung und dem daraus resultierenden Oberflächenabflusses über Kanalisationssysteme, Dachrinnen, etc. abfließt. Die Folgen werden im anschließenden Unterpunkt genauer besprochen.

Des Weiteren zeigt diese Darstellung, dass die Versickerung durch das Kanalisationssystem eingeschränkt wird.

Grundwasserneubildung unter besonderr Berücksichtigung der Versiegelung

Die hohe Versiegelung der städtischen Oberflächen führt zur Verringerung der Grundwasserneubildung und des Basisabflusses urbaner Gewässer. Im Extremfall können Gewässerabschnitte urbaner Ökosysteme in niederschlagsarmen Perioden trocken fallen. Da zur Vorbeugung von Überflutungen Regenwasser von den Straßen, Plätzen und Gebäuden aufgefangen und über Kanäle abgeleitet wird fließt das Wasser nicht mehr über den Boden dem natürlichen Vorfluter zu.

Damit entfällt wichtige Funktion des Bodens zur Regelung des Wasserhaushaltes.

Die geringe Grundwasserneubildung führt zu Grundwassersenkungen.

Die mittlere jährliche Verdunstung auf versiegelten Flächen beträgt ca. 140 mm/a, 75% davon im Sommerhalbjahr.

Es müssen also Möglichkeiten zur Erhöhung der Versickerung in Betracht gezogen werden.

Schon die Verwendung durchlässiger Beläge mit einem hohen Fugenanteil kann die Versickerung erhöhen.

Sinnvoll ist außerdem die Verlegung gemischter Versiegelungsmaterialien mit Aussparungen für Versickerungsmöglichkeiten. Auch regelmäßige mechanische Straßenreinigungen, um die Fugen „offen“ zu halten und um das Zusetzten von Straßenstäuben zu vermeiden, würden einen Teil zur Versickerungserhöhung beitragen. Zudem können Entsiegelungsmaßnahmen, dort wo es hydrologisch sinnvoll ist, durchgeführt werden.

2.2.3 Auswirkungen von Grundwasserstandsänderungen

In den städtischen Gebieten ist die Grundwasserstandsänderungen meist die Folge der Kanalisierung der Gewässer, von Baumaßnahmen oder Trinkwasserentnahmen aus dem Grundwasser. Weiterhin können Bauwerke, die luvseitig zu einem Anstieg und leeseitig zur Absenkung des Grundwasserspiegels führen, wenn sie quer zur Grundwasserströmung liegen, als Staukörper wirken.

Entscheidend ist auch, dass Grundwasserstandsänderungen Auswirkungen auf den Wasser- und Lufthaushalt von Böden und auf das Wachstum von Pflanzen haben.

[...]

^[1] Leser, h. (1991): DIERCKE Wörterbuch der Allgemeinen Geographie Band 2 N-Z, S.368, 5. Auflage, München.

^[2] Leser, h. (1991): DIERCKE Wörterbuch der Allgemeinen Geographie Band 1 A-M, S.308, 5. Auflage, München.

^[3] Sukopp, H.[Hrsg.] (1998): Stadtökologie, S.2