Projekt 04118/01

Einfluß unterschiedlicher Dachflächen auf Dynamik und Schadstoffbelastungen von Niederschlagswasser im urbanen Raum

Projektträger

Universität Gesamthochschule EssenFachbereich 10 BauingenieurwesenInstitut für Siedlungswasserwirtschaft
Universitätsstr. 15
45141 Essen
Telefon: 0201/1833792

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Versickerung von Regenwasser in Stadtgebieten wird trotz der günstigen Auswirkungen auf die Grundwasserneubildung und die Reduzierung von Abflüssen in städtischen Kanalisationen noch nicht in vollem Umfang genutzt, obwohl zwischenzeitlich die rechtlichen Voraussetzungen in einigen Bundesländern geschaffen wurden. Ursache hierfür sind bestehende Wissensdefizite bezüglich der Abflussdynamik und Schadstoffbelastung von Dachabflüssen. Ziel des Vorhabens ist es, den zeitlichen Verlauf des Niederschlagsabflusses von bestehenden Dachflächen und dessen Beschaffenheit festzustellen. Auf Grundlage dieser Messungen sollen Maßnahmen zur Behandlung von Dachabflüssen erarbeitet werden, die der Dynamik der Prozesse gerecht werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn einem städtischen Einzugsgebiet (Herten, Nordhrein-Westfalen) wurden die Regenabflussmengen von sechs Dächern aus unterschiedlichen Materialien bestimmt und Proben aus den Abflüssen gezogen. Dies erfolgte mit Hilfe einer automatischen Messstation für ausgewählte Regenereignisse. Die Auswahl von Einzelereignissen orientierte sich vorrangig an der Trockenwetterdauer und der Niederschlagsintensität. Gleichzeitig wurden meteorologische Daten am Standort gesammelt. Die Dauer der Messkampagne betrug 11 Monate. Für alle gewonnenen Dachabflussproben wurden die Stoffparameter AFS, Säurebildner und verschiedene Nährstoffe und Schwermetalle (SM) bestimmt. Stichprobenweise erfolgte außerdem die Analyse von Poly-Aromatischen-Kohlenwasserstoffen (PAK) und Tensiden. Auf Basis der gewonnenen Daten wurde der Einfluss des Dachmaterials auf quantitative und qualitative Pa-rameter des Abflusses untersucht. Außerdem wurden die maßgeblichen Einflussfaktoren auf den Akkumulations-Abtrag-Prozess erörtert. Das hydraulische und stoffliche Verhalten der unterschiedlichen Dächer wurde bezüglich zweier Gesichtspunkte betrachtet. Durch den Vergleich mittlerer Mengengrößen sind langfristig bezogene Aussagen möglich, besonders über die Belastung der aufnehmenden Systeme mit inerten toxischen Substanzen. Die Analyse der Dynamik innerhalb der Ereignisse gibt dagegen Auf-schluss über mögliche Grenzzustände, durch die in erster Linie Verfahren zur Behandlung der Dachab-flüsse beeinflusst werden. Dabei sind beide Aspekte relevant für die Bemessung und den Betrieb von Behandlungsmaßnahmen.


Ergebnisse und Diskussion

Trotz identischer Lokalität wiesen die untersuchten Materialien erhebliche Unterschiede sowohl in deren hydraulischem wie auch stofflichem Verhalten auf. Ursache hierfür sind vor allem lokale Schwankungen der Niederschlagsbelastung, unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheit und die konstruktive Gestaltung. Flache, rauhe oder poröse Dächer (Substrat, Tonziegel, Bitumen) haben ein beträchtliches hydraulisches und stoffliches Speichervermögen. Diese Dächer können akkumulierte Stoffe zeitverzögert abgeben. Glatte und geneigte Dächer geben tendenziell sauberere Abflüsse ab. Die pro Flächeneinheit abgespülten Stoffmengen schwanken dabei je nach Ereignis massiv über drei Größenordnungen. Die Trockenwetterdauer und die Niederschlagsintensität erweisen sich als primäre Einflussfaktoren vor allem bei rauhen Oberflächen mit hohem Speichervermögen und feststoffgebundenen Parametern. Die Jahreszeit spielt dagegen eine eher untergeordnete Rolle.
Viele Mikroschadstoffe (PAK, SM) kommen in Dachabflüssen teilweise partikelgebunden und teilweise gelöst vor. Deren zeitabhängige Phasenverteilung ist stark pH-Wert abhängig. Trifft der Regen auf das Dach, laufen heftige Säure-Base-Reaktionen ab, die zu starken pH-Wert Schwankungen im Abfluss sowohl in den sauren wie auch in den alkalischen Bereich führen. Deshalb ist es kaum möglich, den Ab-tragsvorgang mathematisch zu beschreiben. Die chemischen Vorgänge bedürfen einer thermodynamischen und reaktionskinetischen Modellierung. Eine Dachfläche ist aber mit den heute verfügbaren reaktionstechnischen Modellen kaum beschreibbar.
Basierend auf diesen Erkenntnissen wurden schließlich verschiedene Verfahren zur Behandlung von Dachabflüssen auf deren Wirkung und Eignung geprüft. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass ein Erstverwurf zwar je nach Dach und Inhaltsstoff zu einem gewissen Stoffrückhalt führt; das Verhältnis zwischen Wasserverlust und Stoffrückhaltegrad ist aber so schlecht, dass andere Behandlungsverfahren vorzuziehen sind. Durch Siebeinsätze können grobe Feststoffe mit einem Partikeldurchmesser größer 0,5 mm wirkungsvoll zurückgehalten werden. Der Rückhalt von partikelgebundenen Mikroschadstoffen mit Sieben ist aber unwesentlich.
Werden Dachabflüsse versickert, ist die Versickerung über die belebte Bodenzone der unterirdischen Versickerung vorzuziehen. Durch die Passage der belebten Bodenzone kann eine weitgehende und nachhaltige Behandlung der Dachabflüsse erreicht werden. Bei einer unterirdischen Versickerung sind verfahrenstechnische Maßnahmen zur Vorreinigung notwendig, die in der Regel wesentlich teurer sind als die Behandlung durch die belebte Bodenzone.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Ergebnisse des Forschungsprojekts wurden bisher noch nicht veröffentlicht.


Fazit

Die Untersuchung wurde an unterschiedlichen Dachmaterialien durchgeführt, die ohne das Ziel einer Untersuchung verbaut worden waren. Dadurch sollten praxisnahe Ergebnisse gewonnen werden. Es hat sich gezeigt, dass ein solches Vorgehen mit dem Ziel eines wissenschaftlich fundierten Vergleichs der Dachmaterialien bezüglich der Abflussverschmutzung nicht sinnvoll ist. Die Einflüsse von Unterschieden bei der Stellung zum Wind, der Beregnung und der Dachneigung sind zu groß, um übertragbare Vergleiche bezüglich des Dachmaterials zu ziehen.
Eine Modellierung des Akkumulations-Abtrags-Prozesses für Stoffe wie Schwermetalle, die teilweise partikulär und teilweise gelöst vorliegen, scheint auch auf Grundlage einer geänderten Versuchsmethodik nicht möglich. Es überlagern sich zu viele physikalische und chemische Prozesse. Diese können zwar einzeln im Labor unersucht werden, die Modellierung der Überlagerung erscheint aber auf dem derzeitigen Stand der Wissenschaft nicht möglich.
Als beste Behandlungsmöglichkeit für Dachabflüsse stellt sich weiterhin die Versickerung über die belebte Bodenzone dar.