Entkoppelung von Niederschlägen mit DrainGardens

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Hochwasserschutz
Abb. 1: Substratmischung basierend auf Rezyklat. Foto: Bernhard Scharf, Ulrike Pitha, Roza Allabashi und Thomas Ertl
Hochwasserschutz
Abb. 1: Substratmischung basierend auf Granulit. Foto: Bernhard Scharf, Ulrike Pitha, Roza Allabashi und Thomas Ertl
Hochwasserschutz
Abb. 1: Substratmischung basierend auf Dolomit. Foto: Bernhard Scharf, Ulrike Pitha, Roza Allabashi und Thomas Ertl

Immer mehr Städte holen sich bei Regen nasse Füße. Die Entkoppelung des Oberflächenabflusses vom Kanalsystem durch den Einsatz grüner Infrastrukturen kann helfen. Diese ‚Sustainable Urban Drainage Systems’ stehen daher bei zahlreichen Forschungseinrichtungen weltweit auf der Agenda. Hier wird über ein praxisnahes Projekt aus Österreich berichtet.

Gummistiefel feierten auch diesen Sommer eine Renaissance. Jedoch leider nicht aus modischen Gründen, sondern, weil wieder zahlreiche zum Teil verheerende Starkniederschlagsereignisse stattfanden, die schwere Überschwemmungen und Schäden in urbanen Gebieten verursachten. Grund dafür sind oft Gewitterzellen, die sehr hohe Wassermengen in kurzer Zeit über stark versiegelten, dichten Stadtgebieten abregnen. Kommt noch eine ungünstige Topografie dazu, sind die bestehenden Kanalsysteme oft nicht in der Lage, den Oberflächenabfluss rasch genug abzuleiten. Die Folge sind urbane Hochwässer. Diese treffen aber nicht nur große Städte und Metropolen, sondern treten vermehrt auch in ländlichen Gemeinden und Kleinstädten auf.

In Verbindung mit wirtschaftlichem Aufschwung wachsen tendenziell Städte und ihre Umlandgemeinden, die sogenannten Speckgürtel, als attraktive Wohn- und Arbeitsräume. Täglich werden in Österreich rund 18 ha Boden neu versiegelt! Größter Treiber ist die Siedlungstätigkeit und die daran gekoppelten Versorgungsinfrastrukturen. Für Deutschland kann proportional der gleiche Trend festgestellt werden.

Aus zuvor gewidmetem Grün- und Ackerland wird Bauland, das im Vergleich einen wesentlich höheren Versiegelungsgrad aufweist und eine Änderung des Wasserhaushalts für die gesamte Region mit sich bringt.

Aus den Augen aus dem Sinn (oder ‚Ab in den Gulli’)

Oberflächenwässer werden traditionell in das oftmals Jahrzehnte alte Kanalsystem eingeleitet, das nicht für derart hohe Wassermengen konzipiert wurde und auch nicht die Klimawandel bedingte Häufung von Starkregen in der Dimensionierung berücksichtigt. Maßnahmen am Bestand werden im Zuge der Neuerschließung von Siedlungsräumen ­unausweichlich. Der am häufigsten gewählte Lösungsansatz ist die Errichtung von Retentionsbecken oder Speicherkanälen, je nach räumlichen Möglichkeiten. Ein technischer, zentralisierter Lösungsansatz also, der ­innerhalb des Systems mit den Mitteln der involvierten Profession verfolgt wird. Dieser Ansatz steht in der klassischen Tradition technischer Lösungsstrategien, der etwas ­launig formuliert lauten könnte: „Wir haben ein Problem, dann bauen wir eine Maschine.“ Für Gemeinden bedeutet die Adaption des Kanalsystems jedenfalls hohe Kosten, die sich wiederum negativ auf die Gemeindebudgets auswirken bzw. als hohe Aufschließungskosten auf die Zuzügler überwälzt werden müssen.

Entkoppelung

Manchmal ist es gut, Traditionen und eingefahrene Prozesse zu hinterfragen und neue Wege zu gehen. In diesem Kontext heißt das, Lösungen anzudenken, die eine Differenzierung in Oberflächenwässer und Schmutzwässer zulassen und zugleich leistbar und effizient sind. Eine Lösung, die über Professionsgrenzen hinausgeht und Synergien zwischen unterschiedlichen Disziplinen erschließt. Als Schlagwort sei hier dezentrales Regenwassermanagement genannt, jedoch neu übersetzt im Zusammenhang mit der Strategie für grüne Infrastrukturen der Europäischen Kommission (Europäische Kommission 2014), worin der Nutzen der Natur (verstanden als Bereitstellung von Nahrungsmitteln, Rohstoffen, sauberem Wasser und sauberer Luft, Klimaregulierung, Hochwasserschutz, Bestäubung und Förderung der Erholung) für die menschliche Gesellschaft als unverzichtbar angesehen wird.

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Forschungsprojekt Draingarden

Vor rund vier Jahren hat sich eine Gruppe innovativer Unternehmen gemeinsam mit der Universität für Bodenkultur Wien zum Ziel gesetzt, eine neue, dezentrale Lösung für Regenwassermanagement in Siedlungsräumen zu entwickeln. Zu Beginn wurden inhaltliche Kriterien festgelegt, die von diesem System namens Draingarden erfüllt werden müssen:

  • Ökologisch wertvoll, ästhetisch vielfältig gestaltbar mit unterschiedlichen Bepflanzungstypen
  • Voll integrierbar in Straßenquerschnitte von Siedlungsräumen und flexible Anpassung an Standortbedingungen möglich
  • Quantifizierbare und langfristig garantierte hydraulische Leistungsfähigkeit und Grundwasserschutz
  • Anwendung mit regionalen Materialien möglich
  • Einfach herstellbar und pflegeextensiv
  • Ökonomisch attraktive Alternative zu traditionellen technischen Lösungen
  • Beitrag zu Mikroklimaverbesserung

Die natürlichen Komponenten Pflanze und Substrat mussten daher soweit erforscht werden, dass sie in ziviltechnischen und landschaftsarchitektonischen Planungsprozessen gesichert eingesetzt werden können und landschaftsbaulich effizient umsetzbar sind. Unter dem System Draingarden ist in Folge nicht nur ein Substrat oder eine Bauweise, sondern eine interdisziplinäre Dienstleistung zu verstehen, die alle notwendigen Kompetenzen vereint.

Du sollst nicht auf Sand bauen

Die Analyse der Kriterien ergab, dass dem Substrat eine zentrale Rolle zukommt, da es gleichzeitig Raum für (Oberflächenabfluss) Wasser, Pflanzen und Mikroorganismen bereitstellen muss und diese

Abb. 2: Versuchsstraße Ober Grafendorf nach Errichtung. Foto: Bernhard Scharf, Ulrike Pitha, Roza Allabashi und Thomas Ertl
Abb. 2: Versuchsstraße Ober Grafendorf nach Errichtung. Foto: Bernhard Scharf, Ulrike Pitha, Roza Allabashi und Thomas Ertl
Abb. 2: Versuchsstraße Ober Grafendorf nach Errichtung und mit Herbstaspekt. Foto: Bernhard Scharf, Ulrike Pitha, Roza Allabashi und Thomas Ertl
Abb. 2: Versuchsstraße Ober Grafendorf nach Errichtung. Foto: Bernhard Scharf, Ulrike Pitha, Roza Allabashi und Thomas Ertl
Abb. 2: Versuchsstraße Ober Grafendorf nach Errichtung. Foto: Bernhard Scharf, Ulrike Pitha, Roza Allabashi und Thomas Ertl
Abb. 2: Versuchsstraße Ober Grafendorf nach Errichtung. Foto: Bernhard Scharf, Ulrike Pitha, Roza Allabashi und Thomas Ertl

unterschiedliche Anforderungen an das Substrat haben. Während aus hydraulischer Sicht eine hohe Infiltrationsgeschwindigkeit notwendig ist, soll für Pflanzen möglichst viel und lange Wasser zur Verfügung stehen. Mikroorganismen wiederum bevorzugen Materialien mit spezifisch hoher Oberfläche und benötigen eine gute Sauerstoffversorgung. Eine längere Aufenthaltszeit kontaminierter Oberflächenwässer begünstigt die Absorptions- bzw. die Abbauleistung. Zunächst wurden unterschiedliche potenzielle Komponenten für Draingarden-Substrate geotechnischen und hydraulischen Untersuchungen unterzogen (siehe Abb.1). Das Spektrum umfasste bewusst silikatische, karbonatische und rezyklatische Stützkörnungen, Sande sowie Bodenhilfsstoffe. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden erste Substratmischungen entwickelt, die eine Beurteilung der Wirkungen, insbesondere von Bodenhilfsstoffen, auf die Substrateigenschaften zuließen.

In Folge wurden für weiterführende Forschungen neun Substrate für Vegetationstragschichten entwickelt, die sich in der Wahl des Stützkorns und des Anteils an Bodenhilfsstoffen unterscheiden.

Geeigneten Stauden

Diese neun Substrate wurden in dreifacher Wiederholung und dreifachem Blockraster in einer realen Versuchsfläche eingebaut. Die Gemeinde Ober-Grafendorf in Niederösterreich hat dazu einen Pflanzstreifen neben einer Gemeindestraße, die ein neues Siedlungserweiterungsgebiet mit Einfamilienhäusern erschließt, zur Verfügung gestellt (siehe Abbildung 2). Parallel dazu, wurden auch zwei Staudenmischungen mit heimischen und exotischen Arten/Sorten entwickelt, wobei bei der Zusammenstellung der beiden Mischungen auf bekanntes Wissen der Staudenkunde zurückgegriffen wurde. Die erste Mischung wurde aus in Mitteleuropa heimischen Arten zusammengestellt, sowohl an Trockenheit und an feuchte Standorte angepasste Arten kamen zum Zug.

Abb. 3: Versuchsanlage in Lysimetern am ­Versuchsgelände der Universität für Bodenkultur Wien nach Errichtung. Foto: Bernhard Scharf, Ulrike Pitha, Roza Allabashi und Thomas Ertl
Abb. 4: Kumulative Reinigungsleistung von Draingarden Substraten im Lysimeterversuch. Foto: Bernhard Scharf, Ulrike Pitha, Roza Allabashi und Thomas Ertl
Abb. 5: Straßenquerschnitt gemäß RVS 03.04.12. Quelle: Vierthaler, 2016

Bei der zweiten Staudenmischung wurden Arten aus Asien, Amerika und Süd-Osteuropa gewählt, die durch ihr natürliches Herkunftsgebiet an Trockenheit und Hitze gut angepasst sind. Zusammenfassend kamen somit zur Auswahl Arten, die sowohl mit dem wechselfeuchten Standort „Regengarten“ zurechtkommen, und solche, die als Indikatorpflanzen mit gegensätzlichen Standortansprüchen in diesem Feldversuch fungieren sollten.

Die Substratvarianten der Versuchsstrecke in Ober-Grafendorf wurde in 3,0 x 3,0 m große Plots (9,0 m2) eingeteilt, wobei je Quadratmeter fünf bis sieben Pflanzen ausgepflanzt wurden. Somit wurden je Plot sechs Gerüststauden, 24 Begleitstauden und 30 bodendeckende Stauden gesetzt.

Alle Stauden auf den Versuchsplots wurden einem intensiven Eignungsmonitoring unterzogen, wobei hier vor allem das Erscheinungsbild, die Blüte, die Frucht, die Veränderung des Erscheinungsbilds und der Wuchshöhe über die Vegetationsperiode 2015 bewertet wurden.

Die Interpretation der Daten ergab, dass sich vier Arten der heimischen Staudenmischung (Achillea millefolium ‚White Beauty’, Salvia nemorosa ‚Ostfriesland’, Euphorbia cyparissias ‚Fens Ruby’ und Calamintha nepeta ssp. Nepeta) sowie vier Arten der exotischen Mischung (Achillea filipendulina ‚Coronation Gold’, Euphorbia seguieriana ssp. niciciana, Aster ericoides ‚Pink Star’, Nepeta racemosa ‚Superba’) am besten für die Verwendung in Draingardens eignen. Interessant erschien auch, dass die Entwicklung der Stauden in den verschiedenen Substratmischungen Unterschiede zeigte: Das Stützkornmaterial „Rezyklat“ schnitt hier am besten ab (Dorfner 2017). Das Eignungsmonitoring wurde weiter fortgesetzt. Es wird sich zeigen, wie sich die Staudengesellschaften dynamisch weiterentwickeln und ob sich eine Änderung der Eignung ergibt.

Substrate

Um überprüfbare Bedingungen bei der Betestung der Substratvarianten zu bekommen, wurde ein weiterer Feldversuch auf den Versuchsflächen des Instituts für Ingenieurbiologie und Landschaftsbau der Universität für Bodenkultur Wien errichtet. Dazu wurden die zuvor entwickelten neun Substratvarianten in dreifacher Wiederholung in 27 Lysimeterplots eingebaut und jeweils mit sechs Indikatorstauden bepflanzt (siehe Abbildung 3).

Anhand dieser Versuchsanlage sollte gezeigt werden, wie hoch die Reinigungsleistung der Substrate ist - ein essentieller Faktor bei Regengärten, in denen Straßenoberflächenwässer eingeleitet werden. Dafür wurden vom Institut für Siedlungswasserbau, Industriewasserwirtschaft und Gewässerschutz der Universität für Bodenkultur Wien gezielte Kontaminationen mit typischen Schadstoffen in Oberflächenabflüssen von Verkehrsflächen auf die Plots aufgebracht. Grundlage für die Auswahl und Konzentration der Schadstoffe bildeten die ÖNORM B 2506-3: 2016 01 01 Regenwasser-Sickeranlagen für Abläufe von Dachflächen und befestigten Flächen - Teil 3: Filtermaterialen - Anforderungen und Prüfmethoden’ sowie die ‚Verordnung des Bundesministers für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft über den guten chemischen Zustand des Grundwassers (Qualitätszielverordnung Chemie Grundwasser - QZV Chemie GW), BGBl. II Nr. 98/ 2010. Im Rahmen von Messkampagnen wurden rdie kontaminierten Lysimeterplots mit Regenspenden durchwässert, um Proben des Abflusswassers ziehen zu können. Diese Eluat-Proben wurden wiederum im Labor bezüglich ihrer Inhaltsstoffe untersucht und gaben Aufschluss darüber, wie hoch die Reinigungsleistung der einzelnen Substratvarianten ist.

Wie aus Abbildung 4 ersichtlich wird, erreichen mit Ausnahme von einem Plot alle Substrate die in ÖNORM B 2506-3 geforderten Reinigungsziele für Filtermaterialien.

Jedoch nicht nur die Reinigungsleistung ist bei Regengärten bedeutungsvoll, sondern auch ihre Wasserkapazität, also wieviel Wasser in den Regengärten gespeichert werden kann, und ihre Wasserdurchlässigkeit (kf-Wert). Auch dazu wurden umfangreiche Laboruntersuchungen getätigt, um die Leistung der einzelnen Substratvarianten kennenzulernen.

Die Wasserkapazität wurde gemäß ÖNORM B 2606-1: 2009 07 15 Sportplatzbeläge - Teil1: Naturrasen durchgeführt und ergab für alle Substrate zufriedenstellende Werte von über 30 Vol.-%. Dies gilt insbesondere unter Berücksichtigung der hohen hydraulischen Leistungsfähigkeit der entwickelten Substrate als sehr zufriedenstellend. Die Infiltrationsgeschwindigkeit wurde in Anlehnung an ÖNORM B 2506-3 nicht nur für die frischen Substrate festgestellt, sondern es wurde auch die Verschlämmung der Substrate über bis zu 50 Jahre simuliert. Als Grundlage für die Berechnung des Flächenverhältnisses Entwässerungsfläche zu Versickerungsfläche wurde ein in Österreich typischer Straßenquerschnitt gemäß RVS 03.03.12 gewählt (siehe Abbildung 5). Daraus ergibt sich das Flächenverhältnis 1:6 für die Versuche und eine Befrachtung mit 90 mg Gesteinsmehl gemäß ÖNORM B 2506-3. Abbildung 6 zeigt den Versuchsaufbau.

Als Schlämmkorn wurde ein standardisiertes Gesteinsmehl verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Substrate zu Beginn Infiltrationsgeschwindigkeit zwischen 1,7E-04 bis 1,9E-03 m/s aufweisen. Nach einer Simulationsdauer von 30 Jahren weisen noch alle Substrate eine hydraulisch zufriedenstellende Infiltrationsgeschwindigkeit von mindestens 3,6E-05 m/s auf. Vier der acht Substrate erreichten auch nach 50 Jahren simuliertem Schlämmkorneintrag Sickergeschwindigkeiten von 2,7E-05 bis 2,0E-04 m/s. In Abbildung 7 wird die Veränderung der Infiltration der Substrate dargestellt. Die Versuche zeigten, dass die Verschlämmung lediglich in den oberen Substratschichten stattfindet (siehe Abbildung 8).

Abb. 6: schematischer Versuchsaufbau. Quelle: Vierthaler und Dellantonio, 2016
Abb. 6: praktischer Versuchsaufbau Quelle: Vierthaler und Dellantonio, 2016
Abb. 6: Befrachtung der Messäulen mit Gesteinsmehl Quelle: Vierthaler und Dellantonio, 2016
Hochwasserschutz
Abb. 7: Veränderung der Infiltrationsgeschwindigkeit ausgewählter Draingarden Substrate. Quelle: Vierthaler und Dellantonio, 2016
Hochwasserschutz
Abb. 8: Oberflächliche Einlagerung des befrachteten Schlämmkorns. Quelle: Dellantonio, 2016

Resümee

Die Erhöhung der Häufigkeiten und Intensitäten von Regenereignissen als Folge des Klimawandels führt gemeinsam mit städtischem Wachstum zu einer Überforderung bestehender Kanalsysteme. Typische Lösungen wie Retentionsanlagen, die den Oberflächenabfluss ganzer Siedlungsräume in einem Becken speichern sind häufig auf Grund der räumlichen Erfordernisse oder Kosten nicht möglich; ein ungeklärter Überlauf von Siedlungsabwässern in Vorfluter durch strengere Umweltgesetze weitgehend unterbunden. Die Entkoppelung des Regenwassers vom Kanalsystem über „Sustainable Urban Drainage Systems“ (SUDS) stellt eine zukunftsweisende Lösung der beschriebenen Problematik dar. Draingardens sind ein solches SUDS und wurden an der Universität für Bodenkultur Wien in Bezug auf hydraulische Eigenschaften, Reinigungsleistung und Vegetationsentwicklung umfassend erforscht. Auf Basis der wissenschaftlichen Erkenntnisse der zweijährigen Forschungen ist ein gesicherter Einsatz in Siedlungsräumen möglich geworden. Tatsächlich werden in Österreich bereits zahlreiche Anlagen durch die Partner der Zenebio GmbH errichtet. Diese lädt interessierte Forscher und Unternehmen ein, Partner zu werden und gemeinsam neue Entwicklungen in der nachhaltigen Planung und Gestaltung unserer Siedlungsräume voran zu treiben. Es sind auch Vorträge in Deutschland zur Thematik geplant. Nähere Infos werden unter zenebio.at veröffentlicht. Eine noch offene Fragestellung betrifft den Umgang mit Taumitteln, die in SUDS vermehrt einsickern. Die Remobilisierung von Schwermetallen durch Taumittel wurde innerhalb des präsentierten Projekts bereits in Anlehnung an ÖNORM B 2506-3 erforscht. Die Wirkung auf Pflanzen und Salzkonzentrationen im Grundwasser sind Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten an der Universität für Bodenkultur Wien. Erfahrungen aus Stockholm aus der Anwendung von „structural soils“ als Baumwuchsstandorte zeigen jedoch, dass die Pflanzen nicht geschädigt werden, sondern der Nutzen der besseren Wasserversorgung überwiegt.

Literatur

Dorfner, Bettina (2017): Pflanzen für Versickerungsflächen. Untersuchung zur Vegetationsentwicklung von ausgewählten Staudenarten in versickerungsfähigen Pflanzbeeten. Masterarbeit an der Universität für Bodenkultur Wien. Wien.

Dellantonio, Sophia (2017): Versickerungsfähige Pflanzbeete zur konventionellen Regenwasserbewirtschaftung - Untersuchung und Bewertung von Wasserdurchlässigkeit und Wasserspeicherfähigkeit verschiedener Substratmischungen und deren ­Tauglichkeit für Bepflanzungen. Masterarbeit an der Universität für Bodenkultur Wien. Wien.

Vierthaler, Sarah (2017): Versickerungsfähige Pflanzbeete - eine Alternative zur konventionellen Regenwasserbewirtschaftung. Masterarbeit an der Universität für Bodenkultur Wien. Wien.

Europäische Kommission; 2013: Mitteilung der Kommission an das Europäische Parlament, den Rat, Den Europäischen Wirtschafts- und Sozialausschuss und den Ausschuss der Regionen, Grüne Infrastruktur (GI) — Aufwertung des europäischen Naturkapitals {SWD(2013) 155 final}; abgerufen unter: http://eur-lex.europa.eu/resource.html?uri=cellar:d41348f2-01d5-4abe-b817-4c73e6f1b2df.0012.04/DOC_1&format=PDFeur-lex.europa.eu/resource.html. am 1.9.2017.

ÖNORM B2506-3 (2016): Regenwasser-Sickeranlagen für Abläufe von Dachflächen und befestigten Flächen - Teil 3: Filtermaterialien. Austrian Standards Institute, Wien.

ÖNORM B2606-1 (2009): Sportlatzbeläge - Teil 1: Naturrasen. Austrian Standards Institute, Wien.

RVS 03.04.12 (2001): Stadtstraßen - Stadtstraßen Querschnitte - Querschnittgestaltung von Innerortsstraßen Forschungsgesellschaft für das Verkehrs- und Straßenwesen, Wien.

DI Dr. Roza Allabashi
Autorin

Universität für Bodenkultur Wien, Department für Wasser-Atmosphäre-Umwelt, Institut für Siedlungswasserbau, Industriewasserwirtschaft und Gewässerschutz

Universität für Bodenkultur Wien
Prof. Dipl.-Ing. Dr. Thomas Ertl
Autor

Universität für Bodenkultur Wien
Priv.-Doz. Dipl.-Ing. Dr. Ulrike Pitha
Autorin

stellvertretende Institutsleiterin

Universität für Bodenkultur Wien
Dipl.-Ing. Dr. Bernhard Scharf
Autor

Senior Scientist

Universität für Bodenkultur Wien

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