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Untersuchung zum quantitativen Abfluss- und Versickerungsverhalten wasserdurchlässiger Flächenbeläge

Beschreibung

Projektlaufzeit: 10/2003 - 08/2007

Bearbeiter:

  • Dipl.-Ing. Marc Illgen
  • PD Dr.-Ing. habil. Antje Welker

Veranlassung

Die realitätsnahe Erfassung des Oberflächenabflusses ist bei entwässerungstechnischen Planungen von überragender Bedeutung, um eine gleichermaßen sachgerechte wie wirtschaftliche Dimensionierung der einzelnen Entwässerungsanlagen sicherzustellen. Bei herkömmlichen Berechnungsverfahren wird der Abflussbeitrag der an das Entwässerungssystem angeschlossenen Flächen vereinfachend mittels flächenspezifischer Abflussbeiwerte bestimmt. Die unterschiedlichen Abflussbeiwerte können je nach Anwendungsfall und Flächentyp den geltenden technischen Regelwerken entnommen werden. Neben den konventionellen Berechnungsmethoden werden heute zudem in der Entwässerungsplanung vielfach Abflussmodelle eingesetzt, welche das Niederschlagsabflussverhalten der Oberflächenbeläge mittels Einzelverlustansätzen erfassen. Diese Ansätze haben sich für die herkömmlichen, weitgehend Wasser undurchlässigen Flächenbefestigungen bewährt

Im Rahmen nachhaltiger Entwässerungskonzepte werden darüber hinaus vielfach versickerungsfähige Flächenbeläge eingesetzt. Seitens der Baustoffindustrie sind diverse Befestigungssysteme wie Pflaster mit aufgeweiteten Fugen, Pflaster mit Sickeröffnungen, Rasengittersteine, haufwerksporiges Pflaster, Drainbeton oder Drainasphalt entwickelt worden. Bei diesen Flächenbefestigungen ist – im Gegensatz zu den überwiegend undurchlässigen Belägen – die Komponente Versickerung von maßgebender Bedeutung. Die bislang gängigen Abflussmodelle sind jedoch nicht in der Lage, den u.U. stark verzögerten Oberflächenabfluss, die Speicherwirkung sowie die zeit- und intensitätsabhängige Versickerungsleistung solcher Flächenbeläge sachgerecht nachzubilden.

Die zunehmende Bedeutung wasserdurchlässiger Flächenbeläge in der Siedlungsplanung war in den letzten 10 - 15 Jahren Anlass für einzelne, jedoch isoliert vollzogene messtechnische Untersuchungen zum Abfluss- und Versickerungsverhalten derartiger Befestigungssysteme. Die verschiedenen Untersuchungsergebnisse sind nur bedingt miteinander vergleichbar, da die Messungen unter unterschiedlichen Randbedingungen durchgeführt, nach unterschiedlichen Gesichtspunkten ausgewertet und/oder unterschiedliche Flächenarten und Materialien betrachtet wurden. De facto weisen die Untersuchungsergebnisse jedoch z.T. erhebliche Diskrepanzen untereinander als auch zu den ohnehin inkonsistenten Angaben der verschiedenen technischen Regelwerke auf (Abflussbeiwerte, Versickerungsleistungen). Darüber hinaus wurden die Untersuchungen vorwiegend an Flächenbelägen im Neuzustand durchgeführt. Der sukzessive Eintrag von Feinpartikeln (Kolmation), der zu einer beträchtlichen Abnahme des Versickerungsvermögens mit zunehmender Standzeit führen kann, blieb i.d.R. unberücksichtigt. An dieser Stelle ist ein erheblicher Kenntnismangel zum tatsächlichen Abfluss- und Versickerungsverhalten wasserdurchlässiger Entwässerungsflächen zu konstatieren.

Forschungsziele

Um finanziell ausgewogene Planungskonzepte realisieren zu können, sind vor allem eindeutige, zuverlässige und möglichst exakte Bemessungsgrößen bzw. Bemessungsgrundlagen erforderlich. Die aktuellen technischen Richtlinien werden diesem Anspruch im Hinblick auf die wasserdurchlässigen Flächenbefestigungen nur in begrenztem Umfang gerecht. Hiervon betroffen sind insbesondere die einschlägigen Regelwerke der Kanalisationsdimensionierung, deren Angaben bezüglich der Abflussbeiwerte und der Modellparameter zur Abflusssimulation nicht ausreichend differenziert und nur sehr bedingt aufeinander abgestimmt sind. Die angegebenen Werte können zudem nicht durch die Ergebnisse bislang durchgeführter Einzeluntersuchungen bestätigt werden. Darüber hinaus fehlen bislang Modellansätze zur Niederschlagsabflusssimulation, die in der Lage sind, das Abfluss- und Versickerungsverhalten wasserdurchlässiger Flächen realitätsnah nachzubilden. Damit fehlt ein adäquates Hilfsmittel, um insbesondere nachhaltige Entwässerungsmaßnahmen und deren Auswirkungen zuverlässig berechnen und die Entwässerungsanlagen dimensionieren bzw. optimieren zu können.

Mit dem Forschungsprojekt werden daher die folgenden Ziele verfolgt:

  • Gewinn vertiefter Kenntnisse zum Abfluss- und Versickerungsverhalten wasserdurchlässiger Flächenbeläge
  • Ableitung gesicherter Abflussbeiwerte für unterschiedliche Flächentypen, verschiedene Randbedingungen und unterschiedliche Anwendungsbereiche
  • (Weiter-)Entwicklung von Modellansätzen zur urbanen Niederschlagsabflusssimulation
  • Ausweisung flächenspezifischer Parameterwerte
  • Schaffung zuverlässiger Planungsgrundlagen und verbesserter Berechnungsmethoden zur Dimensionierung, Bewertung und Optimierung von Entwässerungsanlagen
  • Steigerung der Berechnungsgenauigkeit und der Wirtschaftlichkeit entwässerungstechnischer Planungen 

Vorgehensweise

Zur (Weiter-)Entwicklung von Berechnungsansätzen sowie zur Ableitung von Abflussbeiwerten sind zunächst weiter gehende Kenntnisse zum quantitativen Abfluss- und Versickerungsverhalten o.g. Flächentypen zwingend erforderlich. Diese Kenntnisse können nur mihilfe systematischer messtechnischer Untersuchungen gewonnen werden. Im Rahmen des Forschungsprojektes werden gemeinsam mit dem IKT - Institut für Unterirdische Infrastruktur und der Firma HydroCon GmbH umfangreiche Messungen an einem breiten Spektrum repräsentativer Flächenbeläge sowohl unter Laborbedingungen als auch in situ durchgeführt. Die Laboruntersuchungen werden zusammen mit dem IKT - Institut für Unterirdische Infrastruktur an einem hoch modernen Versuchsstand unter Berücksichtigung der maßgebenden Einflussfaktoren vollzogen: 

  • Niederschlagsbelastung (Intensität, Dauer, Verlauf, vorherige Trockenperiode)
  • Abnahme der Versickerungsleistung mit der Standzeit (Kolmation)
  • Gefälle der Fläche
  • Aufbau (Schichthöhen)
  • Material für Fugen, Bettung und Tragschicht

Darüber hinaus werden an bestehenden Flächen in situ Messungen mit einem Tropf-Infiltrometer durchgeführt, um zuverlässige Aussagen zum Zusammenhang zwischen der Standzeit der Flächen und der Abnahme der Versickerungsleistung durch den Eintrag von Feinpartikeln zu gewinnen und bei den Messungen im Labor berücksichtigen zu können.

Durch die Kopplung von Einzelmessungen an bestehenden („realen“) Flächen nach mehrjähriger Standzeit in situ mit detaillierten Messungen an einem Versuchsstand im Labormaßstab, die den Vorteil klar definierter Randbedingungen haben, sollen mit der vorgeschlagenen Untersuchung gleichermaßen realitätsnahe wie repräsentative Ergebnisse erzielt werden. Eine vergleichbare Untersuchung in Deutschland, wie auch weltweit, ist nicht bekannt und wird somit nennenswert dazu beitragen, das Kenntnisdefizit zum Abfluss- und Versickerungsverhalten wasserdurchlässiger Siedlungsflächen zu reduzieren und die Planungssicherheit entwässerungstechnischer Berechnungen zu steigern.

Finanzierende Institution(en)

  • Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen - MUNLV

Partner-Institution(en)

  • IKT - Institut für Unterirdische Infrastruktur
  • HydroCon GmbH