Wasserhaushalt von Stadtgebieten und ökologische Folgen der Bodenversiegelung

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Bodenversiegelung
2.1 Erläuterung der Begrifflichkeit
2.2 Klassifizierung von Bodenversiegelung
2.3 Urbaner Wasserhaushalt
2.3.1 Siedlungshydrologie

3. Niederschlagswasser
3.1 Dezentrale Versickerung
3.1.1 Voraussetzungen
3.1.2 Flächenversickerung
3.1.3 Muldenversickerung
3.1.4 Rigolen- und Rohrversickerung
3.1.5 Schachtversickerung
3.1.6 Schadstoffbelastung von Niederschlagswasser
3.2 Regenwasserableitung
3.2.1 Querschnittsdimensionierung von Abwasserkanälen
3.2.2 Hochwasserschutz
3.3 Nutzung von Regenwasser

4. Fallbeispiele
4.1 Regenwassernutzung im Nürnberger Frankenstadion
4.2 Hannover Kronsberg

5. Ausblick

6. Zusammenfassung

7. Literatur
7.1 Internetquellen

8. Abbildungsverzeichnis

9. Tabellenverzeichnis

10... Kartenanlage

1 Einleitung

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist es, einen Einblick in die Wechselwirkungen von urbaner Bodenversiegelung und dem Wasserhaushalt von Stadtgebieten zu gewähren.

Zunächst wird aufgezeigt, in welcher Form Bodenversiegelung vorliegen und wie diese kartographisch erfasst werden kann. In der Folge werden die Grundlagen der Siedlungshydrologie abgehandelt und die unterschiedlichen Formen der Siedlungsentwässerung, mit besonderem Schwerpunkt auf der dezentralen Versickerung, angesprochen. Zudem wird auf die möglichen Risiken durch Schadstoffeinträge in das Grundwasser und die Entstehung von Hochwässern eingegangen. Die getroffenen Erkenntnisse werden schlussendlich auf zwei Fallbeispiele, zunächst das Frankenstadion in Nürnberg und danach den EXPO 2000- Stadtteil Kronsberg in Hannover, übertragen.

Ganz zu Beginn dieser Arbeit wird jedoch zunächst eine Erläuterung der Begrifflichkeit der „Bodenversiegelung“ vorgenommen.

2 Bodenversiegelung

Die Abhandlung der Problematik von Bodenversiegelung und dem Wasserhaushalt von Stadtgebieten lässt eine Einleitung und Erläuterung der jeweiligen Begrifflichkeiten als nötig erscheinen.

2.1 Erläuterung der Begrifflichkeit

Neben dem Begriff „Bodenversiegelung“ finden in der Literatur weitere Begriffe, wie zum Beispiel „Oberflächenversiegelung“ oder „Flächenversiegelung“, für die Versiegelung von Bodenoberflächen Verwendung. Generell wird unter Bodenversiegelung eine vollständige oder teilweise Isolierung von Böden von der Atmosphäre, Hydrosphäre und Biosphäre durch Ab- und Verdichtung, Aufschüttungen oder Auffüllungen, sowie durch unterirdische Baukörper verstanden. Unterschieden wird dabei zwischen bebaut versiegelten, wie zum Beispiel Gebäuden, und unbebaut versiegelten Flächen, wie Wegen und Stellflächen.

Bodenversiegelung lässt sich weiterhin in unterschiedlichen Kategorien betrachten. So unterscheidet man in der höchsten Kategorie in wasserundurchlässige Versiegelung, welche durch Gebäude und Asphaltbeläge gegeben ist und wasserdurchlässige Versiegelung, gegeben durch Platten- oder Pflastersteinbeläge. [Haid/ Treter (2004)]

2.2 Klassifizierung von Bodenversiegelung

Eine Klassifizierung von Bodenversiegelung, oder die Feststellung des Versiegelungsgrades, ist eine Notwendigkeit, um schlüssige Aussagen über die Grundwasserneubildung von Stadtgebieten, zu erwartende Abflussmengen nach Niederschlagsereignissen oder die Wasserspeicherfähigkeit einer Fläche treffen zu können.

Eine einfache mathematische Methode, den Versiegelungsgrad rechnerisch zu ermitteln, stellt nach Berlekamp/ Pranzas (1986) folgende Formel dar:

[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] mit:

[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]= Versiegelungsgrad

[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]= Anteil der bebauten Fläche

[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]= Anteil der unverbaut versiegelten Fläche

[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]= Summe aus bebauter, unverbaut versiegelter und unverbauter Fläche

Der Grad der Versiegelung variiert je nach Intensität der baulichen Maßnahmen, jedoch lässt sich auch unter Nutzungsgesichtspunkten mit der Bodenoberfläche so effektiv umgehen, dass die ökologischen Bodenfunktionen weitgehend erhalten werden können, oder Beeinflussungen selbiger gegebenenfalls durch extensive Bebauung (größere Grundstücksflächen, Bepflanzung, Regenwasserversickerung) wieder ausgeglichen werden können. [Schaal (2002)]

Durch Versiegelung von Bodenoberflächen wird die Infiltrationsfähigkeit des Niederschlagswassers behindert oder gar verhindert. Allgemein gilt, dass die Fähigkeit des Niederschlagswassers, eine Belagsart zu passieren, proportional mit der Fugenbreite des Belagsmaterials zunimmt.

Der nicht versickernde Anteil des Niederschlages fließt oberflächlich ab oder wird anderweitig behandelt. [Haid/ Treter (2004)]

Tabelle 1 stellt eine einfache Gruppierung der Bodenversiegelung anhand des Abflussbeiwertes dar. Der Wert 1 stellt einen Oberflächenabfluss von 100 % dar. Der Prozentwert des Oberflächenabflusses nimmt proportional zum Abflussbeiwert ab.

Tabelle 1: Abflussbeiwert unterschiedlicher Versiegelungskategorien und Belagsarten.

[nach: Haid/ Treter (2004)]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ersichtlich ist, dass die wasserdurchlässig versiegelnden Belagsarten der Gruppe 4 die geringsten Abflussbeiwerte aufweisen und somit eine hohe Versickerungsrate des Oberflächenwassers sicherstellen.

Als herausragendes Belagsmaterial, unter dem Aspekt der Versiegelungsintensität, erweist sich demnach der in Abbildung 1 in Form eines Parkplatzes dargestellte Schotter, welcher lediglich einen Abflussbeiwert von 0,2 bis 0,3 aufweist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Schotterbelag auf einem Parkplatz (Kiel/ Herthastraße)

[Foto: Heinrich, A. (2005)]

Die wasserundurchlässig versiegelnden Beläge der Kategorien 1 und 2 erweisen sich eher als problematisch, da sie eine Versickerung nahezu ausschließen und somit einen hohen Oberflächenabfluss generieren.

Beachtenswert ist auch, dass die Jahresverdunstung mit 110 bis 130 mm/ Jahr bei Asphaltdecken deutlich geringer ausfällt, als unter Belagsmaterialien der Gruppe 4. So liegt die Verdunstung unter einem Belag aus Rasengittersteinen, wie in Abbildung 2 dargestellt, bei ca. 280 mm/ Jahr. Somit kommen bei geschlossenen Asphaltdecken ca. 75 % der Niederschläge zum Oberflächenabfluss. [Wessolek/ Renger (1998)]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Belag aus Rasengittersteinen (Kiel/ Mecklenburger Straße)

[Foto: Heinrich, A. (2005)]

Es erscheint daher eingängig, dass eine Förderung der Verwendung von durchlässigen Belägen der Grundwasserneubildung zu gute kommt.

Eine weitere Maßnahme, um diese Aspekte zu gewährleisten, kann die Verlegung von gemischten Versiegelungsmaterialien mit Aussparungen für Versickerungsmöglichkeiten sein. So nimmt der Oberflächenabfluss bei Verwendung von Mosaikpflaster, beispielhaft in Abbildung 3 dargestellt, auf einen Wert von 15 bis 20 % des Jahresniederschlages ab, da hier zusätzlich durch Unebenheiten der Abfluss verzögert oder behindert werden kann.

[Wessolek/ Renger (1998)]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Mosaikpflaster mit deutlicher Sickerstelle (Kiel/ Rostocker Straße)

[Foto: Heinrich, A. (2005)]

Ausgehend vom Abflussbeiwert lässt sich die Bodenversiegelung in Versiegelungsklassen einteilen, welche die spätere mathematische Verwendung in Wasserhaushaltsberechnungen oder Abflussmodellen vereinfacht. Eine einfache Einteilung urbaner Siedlungen in Versiegelungsklassen stellt Tabelle 2 dar. Die Koppelung an den Abflussbeiwert wird anhand der Einteilung deutlich, so weisen Gewerbeflächen und Straßenverkehrsanlagen eine prozentuale Versiegelung von 80 bis 100 auf, während der Versiegelungsgrad von Grün- und Parkanlagen bei nur 0 bis 20 % angesiedelt ist.

Tabelle 2: Einteilung der Flächennutzung in Versiegelungsklassen

nach: [Magnucki/ Haase/ Frühauf (2004)]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Anhand dieser oder ähnlicher Einteilungen der Versiegelungsklassen ist mit Hilfe eines GIS die Kartierung von Flächenversiegelung in Stadtgebieten möglich.

2.3 Urbaner Wasserhaushalt

Urbane Flächennutzung bedingt eine wesentliche Veränderung der Wertigkeiten der Komponenten der Wasserhaushaltsgleichung, welche in Tabelle 3 noch einmal dargestellt sind.

Tabelle 3: Wasserhaushaltsgleichung

nach: [Wessolek/ Renger (1998)]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bezogen auf die Gesamtfläche eines urbanen Raumes lassen sich nach

Wessolek/ Renger (1998), auch als Folge der Bodenversiegelung, folgende Veränderungen beobachten:

- Erhöhung des Oberflächenabflusses
- geringere Grundwasserneubildung und geringere Evapotranspiration (besonders niedrige Evapotranspirationswerte bei versiegelten Flächen)
- geringere Auffüllung des Porenvolumens in der ungesättigten Zone

Die Auswirkungen der Bodenversiegelung auf die Elemente des Wasserhaushaltes lassen sich aus Graphik 4 ableiten:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Mittlere Wasserhaushaltsgrößen in mm/a für bebautes Gelände im Raum Berlin

eigene Darstellung nach: [Wessolek/ Renger (1998)]

Die Darstellung von im Raum Berlin erhobenen Daten verdeutlicht, dass mit zunehmender Bodenversiegelung bei konstanten Jahresniederschlägen der Oberflächenabfluss deutlich zunimmt, während die Grundwasserneubildung abnimmt. Außerdem ist die Abnahme der Evapotranspiration klar erkennbar, womit zusätzlich die Auswirkungen der Bodenversiegelung auf das Stadtklima ableitbar werden.

Aus wasserwirtschaftlicher Sicht von größter Bedeutung sind jedoch der mit der Bodenversiegelung zunehmende Oberflächenabfluss, sowie die geringere Grundwasserneubildung.

Eine geringe Grundwasserneubildung generiert langfristig einen fallenden Grundwasserspiegel, welcher ein schlechteres Pflanzenwachstum bedingt.

So reicht bei grundwasserfernen Standorten die Wasserversorgung häufig nicht mehr aus, wodurch Bäume derartig großem Wasserstress ausgesetzt werden, dass sie mit erhöhtem Nadel- oder Blattverlust reagieren. [Wessolek/ Renger (1998)]

Deutlich wird die Störanfälligkeit von Baumvegetationen am Beispiel von Fagus sylvatica, welche schon dann abstirbt, wenn der Grundwasserspiegel über einen Zeitraum von mehr als 3 Monaten um ca. 50 cm vom langjährigen Mittel abweicht. [Ellenberg (1996)]

Die Störung der Pflanzenentwicklung oder gegebenenfalls das Absterben von Pflanzengesellschaften aufgrund der eingeschränkten Wasserversorgung, führt ebenfalls zu einer Beeinträchtigung des Urbanklimas. [Craul (1999)]

Es ist mit einer Erwärmung zu rechnen, da die Verdunstungsoberfläche mit Abnahme der Blattfläche verringert wird.

2.3.1 Siedlungshydrologie

Weiterhin ist Wasser innerhalb und im Umfeld von Siedlungen unterschiedlichen Prozessen unterworfen, welche unter dem Oberbegriff „Siedlungshydrologie“ zusammenhängend betrachtet werden. Von besonderer Bedeutung ist in der Siedlungshydrologie die Abflussbildung in der Folge von Niederschlägen, im Speziellen in der Folge von intensiven Regenereignissen, welche die Bildung von mathematischen Modellen, die oberflächliche Regenabflüsse beschreiben, deutlich erschwert. [Gujer (2002)]

Jedoch ist die mathematische Modellierung von zu erwartenden Abflüssen unerlässlich, um eine ausreichende Dimensionierung der Kanalisationen zu gewährleisten. Gerade die Dimensionierung der urbanen Wassertransportsysteme stellt eine der größten Herausforderungen in der zukunftsorientierten Stadtplanung dar. [Eiswirth (2002)]

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