Naturnahe Regenwasserbewirtschaftung Potential und Grenzen für Überflutungsvorsorge und Hangwasser - Fachtagung ...
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WISSEN
TECHNIK
LEIDENSCHAFT
Naturnahe Regenwasserbewirtschaftung
Potential und Grenzen für
Überflutungsvorsorge und Hangwasser
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dirk Muschalla
DI Stefan Reinstaller, DDI Johannes Leimgrubger, DI Markus Pichler, Alber König MSc
• www.sww.tugraz.at
Traditionelle Stadtentwässerung
Mischsystem
© ÖWAV 2008
Trennsystem
© ÖWAV 2008
Wandelprozesse
• Klimawandel
• Veränderung der Niederschlagscharakteristik, der Verdunstung und der Temperatur
• Demographie
• Flächenbedarf, Mobilität, Wasserbedarf und Abwasseranfall, Stoffemissionen, Refinanzierung von
Infrastruktur
• Mobilität
• Stoffemission, Flächenbedarf
• Technologie
• IT / MSR-Technik, Emissionsminderung, Verfahrenstechnik, Betrieb, Planungsinstrumente
• Politik
• Rechtliche und technische Vorgaben, Sicherheit
• Ökonomie
• Volkswirtschaftliche Rahmenbedingungen
Klimawandel
IPCC Klimaszenarien
Erhöhung des Wasserdampfvermögens in
der Atmosphäre um 7% / Grad
(ZAMG, 2020)
Klimawandel
© Johannes Leimgruber
IPCC Klimaszenarien
Erhöhung des Wasserdampfvermögens in
der Atmosphäre um 7% / Grad
(ZAMG, 2020)
Klimawandel
© Johannes Leimgruber
IPCC Klimaszenarien © Johannes Leimgruber
Erhöhung des Wasserdampfvermögens in
der Atmosphäre um 7% / Grad
(ZAMG, 2020)
Urbanisierung
© Johannes Leimgruber
Bevölkerung
© Österreichischen RaumordnungskonferenzBodenverbrauch
Flächenversiegelung
© UmweltbundesamtUrbane Hitzeinseln in der Stadt
© Wiener UmweltschutzabteilungUrbane Hitzeinseln in der Stadt
© Wiener UmweltschutzabteilungUrbane Hitzeinseln in der Stadt © Wiener Umweltschutzabteilung
Urbanisierung Klimawandel
Welche Methoden der Entwässerung sind kostengünstiger in Bau, Betrieb und Wartung, reagieren robuster auf
Veränderungen und können einfacher an neue strukturelle und finanzielle Randbedingungen angepasst
werden?
Forderung nach flexiblen, ökologischen und kosteneffizienten EntwässerungssystemenAnnäherung an die Natürliche Wasserbilanz
= + + +
mit
P – Niederschlag
R – Abfluss
ET – Evapotranspiration
ΔS – Speicheränderung
GR – Grundwasseranreicherung
© Johnscher 2016Kopplung Wasser- und Energiebilanz
• Geben Sie hier eine Formel ein.
Klima / Wetter
Wasserbilanz: Wärmebilanz:
= + + = + +
Nieder- Netto-
fühlbare Wärem
schlag N Evaporation strahlung
H RN
E lE
Abfluss R
Bodenspeicheränderung Bodenwärmestrom
nach Dyck / Peschke (modifiziert)Mulden-Rigolen Teilversiegelte Gründächer Mulden Grünfassaden
Systeme Flächen
Zielgrößen:
Reduktion des Oberflächenabflusses Überflutungsschutz
Anreicherung des Grundwasserspeichers Ressourcenmanagement
Erhöhung der Verdunstungsrate Reduktion urbaner Hitzeinseln
Abdämpfen von Abflussspitzen ÜberflutungsschutzFunktionen des Stadtbaumes unterstützt durch das Schwammstadtprinzip aus Stoisser und Schmidt (2019)
Multifunktionale Flächennutzung
© MUST Städtebau, aus KLAS – Merkblatt
für eine wassersensible Stadt- und FreiraumgestaltungMultifunktionale Flächennutzung
© MUST Städtebau, aus KLAS – Merkblatt
für eine wassersensible Stadt- und FreiraumgestaltungMultifunktionale Flächennutzung
© MUST Städtebau, aus KLAS – Merkblatt
für eine wassersensible Stadt- und FreiraumgestaltungUrbane Überflutungen
© Michael Reinstaller © Holding Graz © Michael Reinstaller © Michael Reinstaller
Oberflächenabfluss Hangwasser Kanalüberstau Verklausung Überflutung durch
kleine FließgewässerUrbane Überflutungen 2021
© UWZ
Kufstein 17.07.2021: 165 mm in 48h,
Spitze: 7 mm/5min
Überflutungscharakter:
© Michael Reinstaller
Verklausung mehrerer Einlaufbauwerke von
überbauten Nebenzubringern in Kombination mit © Michael Reinstaller
pluvialen Überflutung durch sehr starken
Oberflächenabfluss im StadtgebietUrbane Überflutungen 2021
© UWZ
Graz 30.07.2021: 172 mm in 5h,
Spitze: 32 mm/5min
Überflutungscharakter:
Kombination aus pluvialen Überflutung durch stark erhöhten
Oberflächenabfluss und fluvialer Überflutung an kleinen
Wiederkehrperiode jeder Dauerstufe > 100a
Nebenzubringer!Fallbeispiel Graz-Annabach
489 m.ü.A
• Beschreibung:
Annabach EZG
DGM • Hanglage
373 m.ü.A
• Kleiner Nebenzubringer Annabach
Gebäude • Urbane Randlage
Annabach Gerinne • Kanalisation als Mischsystem
• 2 veraltete Regenrückhaltebecken
• 42 Gründächer derzeit im EZG
vorhanden
• Boden NICHT versickerungsfähig
758 m.ü.A
Stadt Graz
DGM
N
325 m.ü.AEvaluierung des Grundmodells Datengrundlage: Regenschreiber am Annabach seit 2,5 Jahren HOT SPOTS (Einsatzdaten Feuerwehr und Erfahrungsberichte Einwohner) Seit 1,5 Jahren Kamera + Pegel
Evaluierung des Grundmodells
Parameteranpassung:
Anpassung der sensitiven Modellparameter (Verlustgrößen, Rauigkeiten, Infiltrationskapazität)
Anpassung der Parameter vor allem in den Hanglagen zielführend
2 Kalibrierungsereignisse plus 1 Validierungsereignis (2020)
Quantitative Evaluierung basierend auf Messdaten (Zeitliche
Verteilung)
NSE = 0,67 - 0,74 [-]
Qualitative Evaluierung basierend auf Hot Spots (räumliche
Verteilung)
ACC = 0,88 – 0,98 (bei einem Grenzwert von 0,3 m2/s (d*v) für
die Definition der simulierten ÜberflutungsflächenModellkonzept
Gründach Modell SWMM 5.1: 1D-2D Modell (PCSWMM2D, CHI-Water):
Vereinfachter hydrologischer 3- Räumlich Hochaufgelöstes Niederschlags-Abfluss
Schichten Modellansatz Modell parallel integriert mit hydrodynamischen
Abflussmodell (Oberfläche, Kanal, Fließgewässer)
Integration in das
Grundmodell
Oberfläche
Boden
EntwässerungEreignisse und Szenarien
17.06.2020 (Tmax = 6,4 a (45 23.07.2020 (Tmax = 13,3a (10 13.08.2020 (Tmax = 94,3a
min)); 38,52 mm in 2h; Spitze = min); 26,52 mm in 1,5 h; Spitze (20min); 45,3 mm in 3h; Spitze
2,3 mm/min) = 2,6 mm/min) 3,3 mm/min)
Szenarien Vergleichsindikatoren (Differenzen)
• O-Szenario (Grundmodell) • Überflutungsfläche
• MAX-GD-Szenario (280 Gründächer) • Wasserstand Hot Spot
• Gesamter OberflächenabflussErgebnisse: Überflutungsflächen 0-Szenario
Definition der Überflutungsflächen:
Überlagerung von Wasserstand [m] und Fließgeschwindigkeit [m/s]
A = d x v [m²/s]
Grenzwert: A > 0,3 m/s (Smith et al.,2014; Ball et al., 2019)
Ereignis 17.06.2020 Ereignis 23.07.2020 Ereignis 13.08.2020
Hot Spots Hot Spots Hot Spots
Überflutungsflächen Überflutungsflächen ÜberflutungsflächenErgebnisse: Überflutungsflächen Gründach-Szenario
Definition der Überflutungsflächen:
Überlagerung von Wasserstand [m] und Fließgeschwindigkeit [m/s]
A = d x v [m²/s]
Grenzwert: A > 0,3 m/s (Smith et al.,2014; Ball et al., 2019)
Ereignis 17.06.2020 Ereignis 23.07.2020 Ereignis 13.08.2020
Hot Spots Hot Spots Hot Spots
Überflutungsflächen Überflutungsflächen ÜberflutungsflächenErgebnisse: Differenzen der Überflutungsflächen
Differenz der Überflutungsflächen:
ΔA = A0 – AGR [m²] ( mit Ai > 0,3 m²/s)
A0: Überflutungsflächen 0-Szenario
AGR: Überflutungsflächen Gründach Szenario
Ereignis 17.06.2020 Ereignis 23.07.2020 Ereignis 13.08.2020
Hot Spots Hot Spots Hot Spots
Δ Delta Überflutungsflächen Δ Delta Überflutungsflächen Δ Delta Überflutungsflächen
(ΔA 126,77 m²) (ΔA = 665 m²) (ΔA = 282,82 m²)Ergebnisse: Wasserstand Hot Spot
HOT SPOT, 17.06.2020
O-scenario
GR-scenario
0.13 m
10 min
HOT SPOT, 13.08.2020
O-scenario
GR-scenario
0.132 m
5 minZusammenfassung der Ergebnisse
Vergleichsindikatoren Ereignis 17.06.2020 Ereignis 23.07.2020 Ereignis 13.08.2020
(Tmax = 6,4a) (Tmax = 13,3a) (Tmax = 90,4a)
Oberflächenabfluss (RO-0) 11,6 mm 11,5 mm 13,8 mm
0-Szenario
Überflutungsfläche (A-0)* 485 m² 665 m² 899
Hot Spot Wasserstand (HS-0) 0,55 m 0,99 m 1,12 m
Oberflächenabfluss (RO-GR) 9,1 mm 7,5 mm 11,4 mm
Differenzen GR-Szenario
Überflutungsfläche (A-GR)* 357 m² 0 m² 616 m²
Hot Spot Wasserstand (HS-GR) 0,41 m 0,79 m 0,988 m
Δ Oberflächenabfluss 2,5 mm 4,0 mm 2,4 mm
Δ Überflutungsfläche 127 m² 665 m² 283 m²
Δ Hot Spot Wasserstand 0,13 m 0,2 m 0,13 m
*Definition der Überflutungsfläche: Wasserstand x Fließgeschwindigkeit > 0,3 m²/s (Smith et al.,2014; Ball et al., 2019)Wirksamkeit von Gründächern
Wirksamkeitsanalyse über relativen
Wirksamkeitskoeffizienten:
(X , -X ./ )
η% = X, [-]
X " = Nullszenario der drei Indikatoren
X #$ = Gründachszenario der drei Indikatoren
Über drei Vergleichsindikatoren (X % ):
• Summe Oberflächenabfluss (η&' )
• Überflutungsfläche (η( )
• Wasserstand Hot Spot (η)* )Grünraum und Stadtplanung:
Bäume und Grünstreifen als
Grüne Wasserspeicher, begrünte Dächer
Infrastruktur und Wände
Entsiegelung
RW Retention
Stadtplanung: an der
Wandlung der Versiegelung
Oberfläche
in grüne Infrastruktur
Baudirektion:
Nachhaltige Verfolgung der Strategie der
OberflächenretentionVision: Ökologische Stadtentwässerung
Grünraum und Stadtplanung:
Bäume und Grünstreifen als
Grüne Wasserspeicher, begrünte Dächer
Infrastruktur und Wände
Reorganisation
Revitalisierung
des
der Bäche
Kanalsystems
Grünraum: Rückbau der offenen Erstellung systemrelevanter
Abwassergerinne zu Bächen mit Ökologische Kanäle um das Potential des
nachhaltige Steigerung Stadtentwässerung Kanalnetzes überproportional
der Biodiversität zu steigern
Entsiegelung AI Einsatz
RW Retention
Stadtplanung: an der Artificial Intelligence in der WW:
Wandlung der Versiegelung Modelle,
Oberfläche
in grüne Infrastruktur Integrale Kanalnetzsteuerung
Baudirektion:
Nachhaltige Verfolgung der Strategie der Sensorik, Robotik
OberflächenretentionZukünftige Handlungsstrategien • Zukünftige Handlungsstrategie erfordert einen • interdisziplinären und • integrierten • Planungsansatz und Einbeziehung aller Akteure • Stadt- und Raumplanung • Grünraum und Gewässer • Stadtentwässerung • Straße • ...
THINK GREEN
Dirk Muschalla
d.muschalla@tugraz.at
© Johannes LeimgruberSie können auch lesen
