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Neuartige Regenwasser-Management-Lösung für Kommunen

17.03.2022

Mit kapillarem Aufstieg speichern, kühlen, reinigen und bewässern

von Oliver Ringelstein, INTEWA GmbH

Abbildung 1: Globaler Wasserkreislauf. (Quelle: Max-Planck-Institut für Meteorologie 2011]

Im Rahmen von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten ist eine völlig neue und zum Schutzrecht angemeldete Regenwasser-Managementlösung entstanden. Diese stellt für urbane Gebiete eine hochinteressante Lösung für die immer häufiger auftretenden Starkregenereignisse auf der einen und Hitze- und Trockenheitsrekorde auf der anderen Seite dar. Entstanden aus dem BMBF geförderten Vorhaben AgRain mit dem Ziel der Sicherung der Naßreisernte in Burkina Faso, soll diese neuartige Technologie zur Regulierung des urbanen Kleinklimas beitragen und eine energielose Bewässerungsmöglichkeit bieten. Hintergründe, aktueller Forschungsstand, Funktionsweise und Vorteile der neuen Lösung werden in diesem Fachartikel erläutert.

Wasser verteilt sich sowohl in der Erdatmosphäre als auch auf dem Festland. Angetrieben durch die Energie der Sonne bildet der Transport von Wasser den für alle Lebewesen wichtigen Wasserkreislauf. (Ginzky 2005)

Dieser globale Wasserkreislauf ist in Abbildung 1 dargestellt. Er beinhaltet die Verdunstung von Wasser über den Ozeanen, welches daraufhin in Form von Niederschlag auf das Festland fällt. Dieses Niederschlagswasser kann anschließend ins Grundwasser versickern, in die Atmosphäre verdunsten oder in die Ozeane zurückfließen. Aufgrund zunehmender Urbanisierung und zunehmenden Versiegelung von 800 km² jährlich, wird dieser natürliche Kreislauf unterbrochen und kann somit zur Verstärkung von globalen Klimaveränderungen beitragen. Bei der Verdunstung von Wasser über die natürliche Begrünung beispielsweise, wird mit 1.888 Wh/m² und Tag die Umgebung gekühlt. (Abbildung 2).

Abbildung 2: Globale Strahlungsbilanz der Erdoberfläche. [Quelle: Marco Schmidt, TU Berlin]

Abbildung 3: Strahlungsbilanz urbaner Gebiete am Beispiel Bitumendach. [Marco Schmidt, TU Berlin]

Bei einem versiegelten, urbanen Raum hingegen wird die gleiche Umgebung mit 1.827 Wh/m² und Tag (Abbildung 3). aufgeheizt. Anstelle vor Ort zu verdunsten, verschwindet das wertvolle Regenwasser samt zahlreichen Schmutzstoffen in den Kanälen. Die lokalen Grundwasservorräte können nicht aufgefüllt werden, Schadstoffe werden nicht herausgefiltert und Starkregenereignisse werden nicht gepuffert und führen zu Überschwemmungskatastrophen. Das kleinräumige Klima verändert sich messbar.

Maßnahmen, die bereits umgesetzt werden, um den Wasserhaushalt wieder zu regulieren

Um einen möglichst naturnahen Umgang mit Regenwasser zu gewährleisten, werden bereits mehrere Maßnahmen der Regenwasserbewirtschaftung verfolgt und immer öfters umgesetzt. Hierzu gehören die dezentrale Rückhaltung, oberflächige und unterirdische Versickerung, oberirdisches Ableiten und zentrale Rückhaltung für eine verzögerte Ableitung. (Bayerisches Landesamt für Umwelt 2016). Auch gibt es bereits wichtige Änderungen in den Gesetzen vieler Länder.

Seit 2010 ist mit dem novellierten Wasserhaushaltsgesetz (WHG) beispielsweise jeder Bundesbürger im Grundsatz dazu verpflichtet, das auf seinem neubebauten Grundstück anfallende Regenwasser getrennt vom häuslichen Schmutzwasser (Toilettenspülung, Waschmaschine, Waschbecken) zu sammeln und entweder zu versickern oder ohne Vermischung mit Schmutzwasser direkt oder über eine Kanalisation in ein Gewässer einzuleiten (§55 WHG). In immer mehr Städten werden die Bauherren zudem durch die Bauordnung zur Begrünung der Gebäude verpflichtet.

Abbildung 4: DRAINMAX Tunnelsystem zur Versickerung von Ablaufwasser, versiegelter Flächen. [Quelle: INTEWA]

In den letzten Jahren sind so auch die unterschiedlichsten Systeme zur Regenwasser-Rückhaltung und -Versickerung entwickelt worden. Hierzu zählen kombinierte Retentions- und Begrünungssysteme, Retentions- und Versickerungselemente, durchlässige Bodenbeläge, Mulden-Rigolen und vieles mehr.

Einen völlig neuen und integrativen Ansatz bietet nun das innovative Unterflurbewässerungssystem von INTEWA. Bei diesem System werden ähnlich dem natürlichen Wasserkreislauf die Versickerung, die Retention, die Verdunstung und somit Kühlung, die Reinigung und die Bewässerung auf eine neue, einzigartige Weise miteinander kombiniert.

Das neue Regenwasser-Management mit dem kapillaren Unterflurbewässerungssystem

Das neuartige Regenrückhalte- und Bewässerungssystem speichert in einem flächigen Retentionssystem unterirdisch Sickerwasser aus Niederschlägen. Das gesammelte Wasser steigt anschließend über den kapillaren Effekt ohne Pumpenergie von alleine nach oben. Auf diese Weise werden entweder Grünflächen bewässert oder die Umgebung anhand des verdunstenden Wassers mit 670 kWh/m³ gekühlt. Aufgrund der dadurch entstehenden hohen Bodenfeuchte wird zugleich die Versickerungsfähigkeit des anstehenden Bodens drastisch vergrößert und somit bei stärkeren Niederschlägen ein Oberflächenabfluss vermindert. Dies und die konstruktive Ausgestaltung als Mulden-Rigolensystem, fangen Starkregenereignisse auf und füllen die Reservoirs immer wieder mit Regenwasser auf.

Abbildung 5: Die neue kapillare Unterflur Regenwassermanagement-Lösung: speichert, kühlt, reinigt und bewässert gleichzeitig. [Quelle: INTEWA]

So entsteht ein wertvoller Kreislauf, der das Kleinklima in den Städten verbessert und zugleich Entwässerungsproblematiken lösen kann. Als Wasserquelle dient vorrangig der Regenniederschlag. Neben der lokalen Versickerung kann das Wasser zusätzlich wie bei einem normalen Retentionssystem von den umliegenden versiegelten, teilversiegelten oder sonstigen Umgebungsflächen über einen Zulauf in das Speichersystem geleitet werden. Bei Bedarf können auch stehende Oberflächengewässer und hoch liegendes Grundwasser als Wasserquelle dienen, wenn es vorwiegend um die Bewässerung oder Kühlung geht. Überlaufendes Wasser aus dem Speicher kann unterhalb des Systems versickern und den Grundwasservorrat wieder auffüllen.

Die wesentlichen Vorteile der neuen Technologie im Überblick:
  • Kühlung der Umgebung durch Verdunstung
  • Die lokale Verdunstung schafft neue Niederschläge in der Umgebung und verhindert so die Verwüstung
  • Bewässern der Begrünung oberhalb des Systems ohne Energieeinsatz durch kapillaren Aufstieg  
  • Vermeiden von Überflutungen durch Retention und drastische Verbesserung der Versickerungsfähigkeit des Bodens  
  • Auffüllen von Grundwasservorräten
  • Reinigen von verschmutztem Niederschlagswasser
Technische Systembeschreibung

In Abbildung 6 ist exemplarisch eine Variante des neuen Regenrückhalte- und Unterflurbewässerungssystems dargestellt. Das System wird unterteilt in eine künstliche Wasserspeicherzone und in eine darüber liegende Wurzelzone. Die Wasserspeicherzone (14) besteht aus Wasserspeicherelementen (8) gefüllt mit Wasser und einer Luftschicht (15) sowie der umgebenden Bodenzone (7). Die Wasserspeicherelemente sind als DRAINMAX–Tunnel aus Kunststoff ausgeführt. In der gezeigten Ausführung bilden diese mit Rohren (9) untereinander verbundene Reihen und sind mit einem Abstand von mindestens 20 cm verlegt.

Abbildung 6: Systemskizze der kapillaren Unterflur Regenwassermanagement-Lösung mit DRAINMAX Rigolentunneln. [Quelle: INTEWA]

Das gespeicherte Wasser gelangt über Löcher in den Wänden der Speicherelemente in die Bodenzone (7). Diese liegt in der Wasserspeicherzone und dient dem Transport des Wassers mittels Kapillarwirkung aus den Öffnungen der Wasserspeicherelemente zu der darüber liegenden Wurzelzone. Eine Abgrenzung des Systems vom übrigen Bodenkörper erfolgt durch das Verlegen einer wasserdichten Folie (6). Die Speicherelemente besitzen ein Zu- bzw. Ablauforgan (10). Dieses ermöglicht eine Befüllung des Tunnels bzw. eine gesteuerte Versickerung in den umliegenden Boden außerhalb des Systems. Über Kontrollschächte kann der Zu- und Ablauf inspiziert und gespült werden.

Eine weitere Variante ist, das Wasser zusätzlich zu dem Ablauforgan mittels eines oberhalb angeordneten Retentionsbeckens (16) zu versickern. Hierbei erfolgt eine oberirdische Auskragung der Folie, sodass eine Folienwanne entsteht. In diesem Bereich wird das Niederschlagswasser zurückgehalten. Unterhalb der Folienwanne kann wiederum eine Drainageschicht (12) das übergelaufene Wasser in den Boden versickern lassen.

Neben der Wasserauffüllung ist eine Zugabe von Nährstoffen möglich. An der Oberfläche über dem System richtet sich die Art der Bepflanzung (1) nach der Aufbauhöhe des Systems sowie der Bodenart, den Umgebungsbedingungen und der Benutzung landwirtschaftlicher Maschinen bzw. der Bodenbelastbarkeit. Alternativ zur Bewässerung von Pflanzen kann auch nur eine Verdunstung über kapillare Deckschichten erfolgen. Prinzipiell sind für das betrachtete System alle Pflanzen bis zu einer Wurzeltiefe von 1,5m geeignet. Unterhalb der Folienwanne (6) befindet sich eine zusätzliche Drainageschicht (12). Diese hat die Aufgabe das Überlaufwasser aus dem Retentionsbecken (16) außerhalb des Systems gleichmäßig in die darunter liegende Bodenfläche zu verteilen.

Zusätzlich zum Überlauf kann auch Wasser aus der Ablaufvorrichtung (10) gezielt aus dem System geleitet und über die Drainageschicht (12) versickert werden. Dies kann zu einer Anreicherung des Grundwassers (11) führen. Um regelmäßig den Salzgehalt des gespeicherten Wassers überprüfen zu können, kann ein Leitfähigkeitssensor (13) im Wasserspeicherelement montiert werden.

Der kapillare Aufstieg

In Folge einer Austrocknung des Bodens kommt es nicht nur zur Veränderung des Bodengefüges, sondern auch zur deutlichen Beeinflussung der Bodenbiologie. Die Anzahl und Aktivität der Bakterien nimmt ab und damit auch die Stickstoffbindung im Boden. Die Atmungsfähigkeit des Bodens wird verringert und ein unerwünschtes Pilzwachstum gefördert. Selbst Wochen nach einer Wiederbefeuchtung des Bodens ist häufig keine Regeneration der Bodenbiologie erkennbar.

Im Bereich der Pflanzen macht sich eine Austrocknung des Bodens durch den Verschluss von Spaltöffnungen in den Blättern bemerkbar, was ein Rückgang der Photosynthese zur Folge hat und damit eine Reduzierung der CO2-Aufnahme und der Produktion von Sauerstoff. Durch das eingeschränkte Wachstum der Pflanze verstärkt sich der negative Einfluss auf das innerstädtische Klima.

Kapillare Steighöhe

Ein besonderes Augenmerk muss daher bei diesem System auf den Boden gelegt werden. Eine Bewässerung der Begrünung oder auch nur zur Verdunstung mit Hilfe des kapillaren Effekts ist eine Art der Mikrobewässerung. Die Wasserbewegung wird im Idealfall durch die Saugspannung des Bodens gesteuert, welche wiederum durch den Sog der Pflanzen entsteht. (Nalliah und Ranjan 2010)

Diese Saug- oder auch Kapillarspannung gibt an, wie stark das gespeicherte Wasser in der Bodenpore zurückgehalten wird. Sie entspricht der Kraft, welche von den Wurzeln aufgewendet werden muss, um der Pore das Wasser zu entziehen. Somit entspricht sie dem Wasserrückhaltevermögen des Bodens bzw. der kapillaren Steighöhe. Konkret bedeutet dies, dass je kleiner die Bodenpore ist, desto größer sind die kapillare Steighöhe und die Saugspannung. (Boley und Adam 2012)

Demnach ist die Funktionalität des kapillaren Aufstiegs im betrachteten System einerseits abhängig von der Bodenart aufgrund des Korndurchmessers. Andererseits wird die kapillare Steighöhe auch vom Grad der Bodenverdichtung bestimmt.

Tabelle 1: Bodenarten mit zugehörigen Korn- und Porendurchmessern sowie kapillare Aufstiege. [Quelle: Mull und Holländer 2002; Fetter 2014; Lohman 1972]

Tabelle 2: Teil des Porenvolumens und der Porengrößenbereiche am Gesamtvolumen von Feinböden. [Quelle: Amelung et al. 2018]

In der Tabelle 1 sind für verschiedene Bodenarten die Korn- und Porendurchmesser sowie die dazu korrespondierenden kapillaren Aufstiege dargestellt. Demnach werden in Feinsand, Schluff und Ton die höchsten kapillaren Aufstiege erreicht.

Nutzbare Feldkapazität

Jedoch ist die Versorgung der Pflanzen mit Wasser, sprich die nutzbare Feldkapazität, abhängig vom Vorhandensein von Mittelporen. (Schmitt et al. 2007) Aus der Tabelle 2 lässt sich schlussfolgern, dass bei Böden mit Schluff- und/oder Tonanteilen hohe nutzbare Feldkapazitäten zur Versorgung der Pflanzen erwartet werden können. Diese Böden eignen sich somit hinsichtlich sowohl ihrer kapillaren Aufstiegshöhe als auch der Wasserversorgung der Wurzeln.

Aufstiegsrate des Wassers

Für eine ausreichende Wasserversorgung der Pflanzen spielt weiterhin die sogenannte Aufstiegsrate eine Rolle. Diese gibt Auskunft darüber, wie schnell das Wasser von unten kapillar nachgeliefert wird. Diese Aufstiegsraten stehen in Zusammenhang mit der Bodenart und der Aufstiegshöhe ausgehend vom Grundwasserleiter bis zur effektiven Wurzelzone. Je höher der Aufstieg, desto niedriger fällt die Aufstiegsrate aus. Für eine ausreichende Versorgung der Pflanzen mit nachfließendem Wasser ist eine kapillare Aufstiegsrate zwischen 0,2 und 5 mm/Tag notwendig. (Mull und Holländer 2002). Die maximal mögliche Steighöhe in Böden liegt für die genannte Spanne der Aufstiegsraten bei insgesamt 2-3 m. (Amelung et al. 2018)

Ausgehend von der Höhe des DRAINMAX-Tunnels, welche bei ca. 80 cm liegt, und einer Mindestüberdeckung von 50 cm Erde, müsste das Wasser somit maximal 1,30 m aufsteigen, um die oberen Bodenschichten zu erreichen. Besonders hoch sind die Aufstiegsraten von reinem Schluff (U) und sandig-lehmigem Schluff (Usl) mit 2,8 bzw. 2,6 mm/Tag. Voraussetzung für eine ausschließlich kapillare Bewässerung ist eine geringe Bodenverdichtung.

Testsystem mit Demonstrator und Referenzsystem

Abbildung 7: Skizze des Demonstrators. [Quelle: INTEWA]

Abbildung 8: Demonstrator und Referenzsystem. [Quelle: INTEWA]

Im Projekt wurden Versuche zur Untersuchung des kapillaren Aufstiegs und der Versickerungsfähigkeit einer bestimmten Bodenzusammensetzung durchgeführt. Die Versuche fanden auf dem Gelände der INTEWA GmbH in Aachen statt. Der Versuch zur Untersuchung der kapillaren Aufstiegsrate erfolgte anhand zweier Lysimeter-Anlagen. Das eine System stellt hierbei das Demonstratorsystem mit einem verbauten DRAINMAX-Tunnel dar. Das andere System diente als Referenzsystem ohne Einbauten. Beide Systeme bestehen aus einer rechteckigen Holzverschalung mit den Innenmaßen 2,30 m x 1,49 m x 1,85 m (LxHxB) und einer Wanddicke von 2,7 cm (s. Abbildung 7).

Ergebnis Kapillarversuch

Anhand eines Kapillarversuchs wurde geprüft, nach welcher Zeit der kapillare Aufstieg die obersten Bodenschichten erreichen wird. Zu diesem Zweck wurden in verschiedenen Bodentiefen des Demonstrators Tensiometer zur indirekten Messung des Wassergehaltes eingebaut.

Abbildung 9: Bodenfeuchte im Demonstrator. [Quelle: INTEWA]

Es hat sich gezeigt, dass es im Bereich des Speichertunnels relativ schnell zu einem Anstieg des Wassergehaltes im Boden kam. Bereits 3 Stunden nach Befüllung des Speichers stieg die Bodenfeuchte deutlich an. Nach weiteren 2 bis 3 Tagen war der Bodenbereich unmittelbar oberhalb des Speichers durchfeuchtet. Bereits nach 7 Tagen reichte der kapillare Aufstieg bis zu einer Bodentiefe von 30 cm und setzte sich weiter fort (Abbildung 9).

Ergebnis Bepflanzung

Im Projekt wurde der Demonstrator und das Referenzsystem mit unterschiedlichen Gemüsesorten (Zwiebeln, Rote Beete, Blattsalat, Paprika bepflanzt. Im Vergleich zeigt sich, dass die Pflanzen im Demonstrator deutlich besser gewachsen und ausgebildet waren als im Referenzsystem ohne DRAINMAX Tunnel mit kapillarem Aufstieg. Sowohl die Blätter als auch die Früchte waren im Demonstrator mit dem Speichersystem ausgeprägter und größer. Im Referenzsystem kam es teilweise sogar zu einem Stopp des Wachstums oder Ausbleiben der Fruchtbildung.

Ergebnis Versickerungsversuch

Ist ein Boden nicht kontinuierlich durchfeuchtet, benötigt er mehr Zeit, um sich zu erholen. Diese ist umso kürzer, je leichter der Boden ist. Ein schwerer Boden mit hohem Tongehalt kann zwar Wasser gut speichern, braucht aber nach einer Austrocknung sehr lange Zeit, um das Wasser wieder aufzunehmen. Im Durchschnitt liegt dies bei etwa 5 mm pro Stunde Regen, während ein sandiger Boden in dieser Zeit bis zu 30 mm aufnehmen kann. Versickerungsversuche haben gezeigt, dass ein oberflächig ausgetrockneter Boden langsamer Wasser aufnehmen kann, als ein durchfeuchter Boden. In der Abbildung 10 zeigt sich dies anhand eines Säulenversuches zur Bestimmung der Wasserleitfähigkeit über einen Zeitraum von 40 Minuten nach Aufbringung einer Wassersäule.

Bei dem trockenen Boden lag die Anfangsleitfähigkei bei 7,0E-5 m/s und sank bereits nach 5 Minuten auf 1,0E-5 m/s ab (Abb. 10a).

Abbildung 10a: Wasserleitfähigkeit bei ausgetrocknetem Boden. [Quelle: INTEWA]

Abbildung 10b: Wasserleitfähigkeit bei durchfeuchtetem Boden. [Quelle: INTEWA]

Bei einem zweiten Säulenversuch zeigte sich deutlich der Einfluss einer Durchfeuchtung des Bodens auf die Wasserleitfähigkeit. Im Gegensatz zum trockenen Boden lag hier der Anfangswert bei 11,0E-5 m/s und sank erst nach 25 Minuten auf einen Wert von 1,0E-5 m/s ab, entsprechend der 5-fachen Zeit im Vergleich zum ausgetrockneten Boden (Abb. 10 b).

Nutzen für Städte und Kommunen, Fazit und Ausblick

Der Nutzen und die Vorteile des neuartigen Kapillar-Bewässerungssystems für Kommunen sind vielfältig:

  • Im urbanen Umfeld von Mehrfamilien- und Hochhäusern ist die Akzeptanz und Nutzen grüner Erholungsflächen groß. Durch den unterirdischen Einbau gehen keine Flächen verloren. Es werden Flächen umstrukturiert und in ihrem Nutzen wertvoller gestaltet. Bei entsprechender Bepflanzung wird die Biodiversität erhöht.
  • Ein hoher Pflegeaufwand durch künstliche Bewässerung entfällt und spart somit deutlich  Kosten- und Wasserressourcen ein. Es wird kein Energieaufwand für die Bewässerung mehr benötigt.
  • Eine erste Abschätzung ergibt relativ niedrige fertig eingebaute  Systemkosten von weniger als 300,00 / m³.  Seitens der Wirtschaftlichkeit und des kommunalen Haushalts ist von Bedeutung, dass Speichersystem aus Komponenten besteht, die bereits seit vielen Jahren erfolgreich im Bereich des Regenwasser-Managements im Einsatz sind und den Verantwortlichen in der Stadtplanung eine hohe Sicherheit zum Beispiel durch eine DibT Zulassung bieten. Die Systeme sind im Notfall auch mit Feuerwehrfahrzeugen befahrbar.
  • Die städtischen Hitzeinseln werden mit ca. 670 kWh/m³ verdunstetem Wasser gekühlt. Je nach Größe der Anlage können das im Sommer mehrere Grad Celsius sein. Dies erhöht deutlich die Lebensqualität der Bewohner
  • Neue Niederschläge werden durch die Verdunstung auch in der Umgebung generiert, was der Verwüstung entgegen wirkt.
  • Verschmutztes, zulaufendes Regenwasser versiegelter Flächen wird durch die belebten Bodenzonen gereinigt.
  • Die Versickerungsfähigkeit des Bodens wird deutlich erhöht und somit das Regenwasser-Management optimiert und günstiger. Kanalüberlastung und Überflutungsschäden werden vermindert.
  • Bei einem Überlauf werden die lokalen Grundwasservorräte wieder aufgefüllt.

Mit dem unterirdischen Speichersystem können im urbanen Umfeld nachhaltige, lokale Lebensräume gestaltet werden. Hierbei sind neben Grünanlagen auch offene, sich selbst regulierende, Wasserflächen möglich. Die Schaffung solcher kleinräumiger Ökosysteme steigern die Lebensqualität in der Städten und bewirken durch den Kühlungseffekt aufgrund der Verdunstung eine Verminderung des CO2- und Energieverbrauchs. Untersucht wird noch, inwieweit das System unter Verkehrsflächen mit kapillarwirkenden und versickerungsfähigen Decken eingesetzt werden kann, um den Einsatzbereich des Systems zu erweitern.

Genauer geprüft werden soll, ob das System auch im landwirtschaftlichen Bereich oder auch in Privatgärten sinnvoll eingesetzt werden kann. Im Rahmen des Forschungsprojektes werden hierzu weitere Untersuchungen durchgeführt und bewertet. Für das System werden nun Teststandorte in Städten und Gemeinden gesucht, um neben dem kleinmaßstäblichen Demonstrator auch eine Anwendung in der Praxis untersuchen zu können.

 

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