zukunftsfähige entwässerungssysteme

PRAKTISCHE KANALISATIONSRECHNIK –
ZUKUNFTSFÄHIGE ENTWÄSSERUNGSSYSTEME:
STRAßEN UND GEWÄSSER - EIN LÄSTIGES ÜBEL DER STADTENTWÄSSERUNG?
29. LINDAUER SEMINAR AM 10. UND 11. MÄRZ 2016 IN LINBAU
„LEISTUNGSFÄHIGKEIT DER ENTWÄSSERUNGSANLAGEN IN DER THEORIE UND
PRAXIS – AM BEISPIEL DER STADT SOLINGEN“
DIPL.-ING. TYCHO KOPPERSCHMIDT, TECHNISCHE BETRIEBE SOLINGEN
DIPL.-ING. REINHARD BECK, INGENIEURBÜRO REINHARD BECK GMBH & CO.KG
Einleitung
„Mut zu neuen Wegen“ – der Titel dieser regelmäßigen Veranstaltung in Lünen fordert die Siedlungswasserwirtschaft immer wieder erneut auf, ihre teilweise Jahrzehnte alten Lösungsansätze zu hinterfragen und nach
neuen Wegen für aktuelle Herausforderungen zu suchen.
Der Klimawandel gilt für alle Lebensbereiche als enorme Herausforderung. Die prognostizierte Zunahme von
Wetterextremen verursacht Gefahren für Menschenleben und vernichtet Vermögenswerte. Die zunehmende
Versiegelung der Innenstädte verschärft zusätzlich die Auswirkungen.
Von der Siedlungsentwässerung werden für die niederschlagsbedingten Auswirkungen in den Innenstädten
Lösungswege erwartet um schadhafte Auswirkungen in den Siedlungsbereichen zu reduzieren.
Es gilt daher, die Stadtentwässerung für die veränderten Wetterphänomene fit zu machen. Die Technischen
Betriebe Solingen möchten hierbei mit ihren Erfahrungen beitragen.
Leistungsfähigkeit der Entwässerungsleitungen – Reinhard Beck – Vortrag in Lindau am 10.03.2016 – Seite 1 von 20
Ziele der Stadtentwässerung
Die Ziele der heutigen Stadtentwässerung haben sich im Vergleich zu früher nicht geändert. Es geht darum,
möglichst wirtschaftlich das in den Siedlungsgebieten anfallende Abwasser schadlos zu beseitigen (Gewässerschutz, Grundwasserschutz) und der Bevölkerung einen Entwässerungskomfort (Ableitung von Niederschlagswasser) zu bieten.
Vor allem hinsichtlich der Abwasserreinigung konnten in den letzten Jahrzehnten durch immer neue Reinigungsstufen sichtbare Erfolge erzielt werden. Im Vergleich zu den 1970er Jahren gelten die Flüsse wieder als
sauber.
Zur Sicherstellung des Entwässerungskomforts musste mit der rasanten städtebaulichen Entwicklung der letzten Jahrzehnte Schritt gehalten werden. Zudem wurde der bauliche Zustand der die in die Jahre gekommenen
Kanalnetze erhalten.
Beide Aufgaben, „Abwasserreinigung“ und „Entwässerungskomfort“ sind in der sogenannten Generalentwässerungsplanung konzeptionell angesiedelt. In NRW obliegt die Abwasserreinigung i.d.R. den Wasserverbänden.
Die Sicherstellung des Entwässerungskomforts für seine Bürger obliegt den Kommunen mit ihrer Stadtentwässerung.
Aufgrund der erfahrenen und weiter prognostizierten Zunahme von Starkregenereignissen und deren Überflutungsfolgen kommt der „Sicherstellung eines Entwässerungskomforts“ eine bislang nicht gekannte Bedeutung
zu: der innerstädtische Überflutungsschutz.
Umdenken in der Stadtentwässerung
Bisher hat die Generalentwässerungsplanung den Aspekt des Entwässerungskomforts mit Hilfe der hydrodynamischen Kanalnetzberechnung nachgewiesen. Die hydrodynamische Kanalnetzberechnung simuliert recht
zuverlässig die Abflussvorgänge in dem geschlossenen System „Kanalnetz“.
Eine umfassende Betrachtung der Siedlungsbereiche mit seiner Topografie ist bei der klassischen Kanalnetzberechnung nicht möglich.
Sobald die Simulationshydraulik das geschlossene System „Kanalnetz“ verlässt, werden beim klassischen Ansatz Annahmen getroffen, die den Realitätsgehalt der Ergebnisse negativ beeinflussen.
Bei der Abflussbildung werden Abflussbeiwerte für Haltungsflächen angenommen, die, unabhängig der Regenstärke, ein gleichbleibendes Abflussverhältnis des Niederschlages von der Oberfläche in den Kanal generieren.
Bei Überlastungen aus dem Kanalnetz werden fiktive Wasserspeicher über den Schachtbauwerken angenommen, die das Wasser erst nach dem Regenereignis wieder in das Kanalnetz einleiten.
Die Oberflächenabflüsse werden nicht simuliert, so dass ein bedeutender Teil der abgeregneten Wassermengen nicht berücksichtig wird.
Trotz dieser unrealistischen Simulation gilt noch immer die hydraulische Sanierung als fachgerechte Lösungsvariante. Auch auf Grund der eigenen Netzerfahrungen sind die Technischen Betriebe Solingen davon überzeugt, dass nicht die Kanalnetze, sondern die Ansätze und Methoden der klassischen Kanalnetzberechnung am
„Limit der Leistungsfähigkeit“ angelangt sind.
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Zunahme der Überflutungsgefahr
Die Zunahme von Wetterextremen wird prognostiziert und dem Klimawandel zugeschrieben. Durch eine Erwärmung der Atmosphäre werden Wetterphänomene weltweit extremer: häufigere und längere Hitzeperioden und intensivere Regenereignisse werden vorausgesagt. Entsprechende Statistiken bestätigen diesen
Trend. Die Folge ist die Zunahme von Überflutungsgefahren in den Siedlungsbereichen.
Allerdings ist der Klimawandel nicht allein für die Zunahme der Überflutungen im Innenstadtbereich verantwortlich. Ganz konkret beeinflusst die städtebauliche Entwicklung die Abflussmengen bei Regenereignissen. Je
mehr Grün- und Freiflächen innerhalb eines Innenstadtbereichs zur Verfügung stehen, umso weniger Wassermengen sind aus der Innenstadt abzuleiten. Zudem können in Freiflächen Wassermengen aus befestigten Bereichen zwischengespeichert werden. Im Umkehrschluss gilt: je mehr Fläche bebaut ist, umso mehr und
schneller kommen Wassermengen zum Abfluss und belasten das bestehende Kanalnetz.
Die Entwicklung der Innenstädte geht dahin, dass die verbleibenden Freiflächen städtebaulich ausgenutzt und
versiegelt werden. In Abbildung 1 ist diese Entwicklung dargestellt. Demnach gibt es heute in den Ballungszentren und Innenstädten kaum noch ungenutzte Flächen (ca. 10%), während um 1990 immerhin noch ca. ¼ der
Innenstadtflächen nicht städtebaulich genutzt waren.
Abb. 1: Entwicklung der städtebaulich genutzten Fläche in Ballungszentren und Innenstädte
Dies hat zur Folge, dass der Niederschlag zunehmend auf befestigte Flächen fällt und über das vorhandene
Entwässerungssystem aus den Siedlungsbereichen entwässert werden muss.
Bei zunehmenden Wassermengen – verursacht durch stärkeren Regen und/oder durch zunehmende Versiegelung – gelangt das Entwässerungssystem früher an seine Belastungsgrenze. Infolge kommt es häufiger zu Überflutungen im Siedlungsbereich.
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Die weltweite Klimaveränderung wird im Umfeld einer Stadt nicht zu bremsen sein wird. Jedoch für die innerstädtische Versiegelung ihrer Siedlungsbereiche trägt die Kommune die alleinige Verantwortung.
Die wirtschaftlichen Interessen der Kommunen, Bauland zu schaffen ringen dabei mit der notwendigen Begrenzung der weiteren Versiegelung.
Wie beide konträren Zeitungsartikel aus Solingen in Abbildung 2 andeuten, wird trotz des Wissens dieser Zusammenhänge der wirtschaftliche Druck so groß, dass in letzter Konsequenz weitere Bauflächen ausgewiesen
werden.
Abb. 2: Konflikt der Stadtplanung: Bauland oder Klimafolgeanpassung?
(links Rheinische Post vom 11.09.2014, rechts: Solinger Tageblatt vom 13.08.2015)
Verantwortlichkeiten
Die Abwasserbeseitigungspflicht obliegt gem. WHG und LWG den Kommunen. Die Stadtentwässerung als Teil
der Kommune hat die Aufgabe, einen bestimmten Entwässerungskomfort nach DIN EN 752 und ATV-A118 im
Siedlungsbereich sicherzustellen. Hierfür steht ihm das gebührenfinanzierte Kanalnetz zur Verfügung, welches
nach Bedarf erweitert und unterhalten wird.
Die Stadtentwässerung besitzt keine planungsrechtliche Kompetenz hinsichtlich städtebaulicher Entwicklung.
Auch hat sie keinen direkten Zugriff auf Oberflächen und die oberflächigen Entwässerungssysteme (Entwässerungsrinnen und Straßeneinläufe).
Daher kann eine, auch den Starkregen umfassende, Entwässerung nur gesamtkommunal als eine integrierte
Planung verschiedener Fachbereiche konzipiert werden.
Abbildung 3 zeigt die Verantwortlichkeiten der Entwässerung in Abhängigkeit der bemessungsrelevanten Regenhäufigkeiten. Das Kanalnetz ist (gem. ATV-A118 bei Unterführungen) maximal bis zu einem 10-jährigen
Regenereignis auszulegen. Die Verantwortung liegt allein bei der Stadtentwässerung.
Schadlose Überflutungen aus dem Kanalnetz sind nach DIN EN 752 je nach Innenstadtlage bis zu einer Wiederkehrhäufigkeit von maximal 30 Jahre akzeptabel. Um Maßnahmen zum schadlosen Abfluss bei Überflutungen
umzusetzen, wird in die Oberfläche eingegriffen, wofür die Mitwirkung anderer Fachbereiche erforderlich ist.
Darüber hinausgehender Überflutungsschutz ist zentral von der Kommune zu konzipieren, wobei die Stadtentwässerung aufgrund ihres entwässerungstechnischen Fachwissens maßgeblich beteiligt sein wird.
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Abb. 3: Zuständigkeiten der innerstädtischen Entwässerung
und Starkregenereignisseder letzten Jahre in Solingen
Stadtweite Ermittlung des Überflutungsrisikos in Solingen
In Solingen nimmt die Stadt bereits ihre Verantwortung für die Folgen von Starkregen wahr, in dem sie die
Technischen Betriebe mit der Ermittlung des stadtweiten Überflutungsrisikos bei Starkregen beauftragt hat.
Gemeinsam mit den jeweiligen Fachbereichen wird aktuell bis zum April 2016 die Sensibilität der städtischen
Infrastruktur (Vulnerabilität) ermittelt.
Parallel werden die Überflutungsgefahren zunächst auf Grundlage der stadtweit vorliegenden Fließwegakkumulation mit Abgleich der Starkregeneinsätze von Feuerwehr und Kanalbetrieb sowie mit vorhandenem Bildmaterial abgeschätzt.
Im Zuge der zukünftigen Kanalnetzberechnung wird die Überflutung einzugsgebietsweise detailliert simuliert
und auf dieser Grundlage die Überflutungsgefahr ermittelt.
Das jeweils gewichtete Schadens- und Gefährdungspotential wird überlagert, um das Überflutungsrisiko zu
erhalten. Abschließend können im Auftrag der Fachbereiche Schutzmaßnahmen entwickelt werden.
Der Ablauf der Risikoermittlung ist in Abbildung 4 schematisch dargestellt.
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Fließwegakkumulation
städtische Infrastruktur
wichtige Funktionen
gekoppelte Simulation
Starkregeneinsätze
Bilddokumente
GEFAHRENPOTENTIAL
SCHADENSPOTENTIAL
ÜBERFLUTUNGSRISIKO
MAßNAHMENENTWICKLUNG
oberflächig Änderung von Fließwegen, Schaffung von Rückhalt
 Objektschutz am Gebäude
 konzeptionell Freiraumplanung, B-Plan, Notfallplanung
 Information der Bürger / Gewerbe

Abb. 4: Ermittlung des Überflutungsrisikos in Solingen: Überlagerung der Gefahr und des Schadenpotentials
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Verschärfung von Hitzephänomenen
Es wurde bereits auf die direkten negativen Folgen der weitergehenden Versiegelung der Innenstädte eingegangen: Fehlende Grünflächen können kein Regenwasser versickern oder die Abflussbildung verzögern. Stattdessen belasten die zusätzlichen Abflüsse aus diesen Flächen schnell das vorhandene innerstädtische Entwässerungssystem. Die neu versiegelten Flächen stehen nicht mehr als potentielle Überflutungsflächen zur Verfügung.
Bei näherer Betrachtung der Versiegelungsproblematik scheint ein weiterer Negativaspekt für das innerstädtische Entwässerungssystem durchaus wahrscheinlich: Die zunehmende Versiegelung der Ballungsräume verschärft die Starkregengefahr.
Infolge der innerstädtischen Versiegelung erfolgt in Hitzeperioden eine zusätzliche Erwärmung der Innenstädte. Freiflächen mit Begrünung wirken im Sommer als Kühlung und können Regenwasser aufnehmen und längere Zeit im Boden speichern um dem Stadtgrün als Wasserspeicher zur Verfügung zu stehen.
Fehlen Dank der weitergehenden Versiegelung Grünflächen im Innenstadtbereich nimmt der natürliche Wasserspeicher im Boden mit den bekannten Folgen ab: verbleibende Grünflächen trocknen schneller aus, die
Bäume müssen von den Kommunen künstlich bewässert werden.
Befestigte Flächen, vor allem Asphalt und Beton, fördern die Aufwärmung der Luft über dem Boden. Wie in
Abbildung 5 schematisch dargestellt, steigt die Temperatur im Sommer über den Ballungszentren im Vergleich
zur Peripherie erheblich an und kühlt in der Nacht weniger ab.
Die zusätzliche Erwärmung trägt dazu bei, dass noch mehr warme Luft in die Atmosphäre getragen wird. Erreicht die feuchtwarme Luft das Kondensationsniveau steigt die Wahrscheinlichkeit von lokalen Hitzegewittern. Dies bedeutet sicherlich nicht, dass die Ballungszentren die Sommergewitter selber verursachen. Es kann
aber vermutet werden, dass dieser Effekt Hitzegewitter in der Intensität verstärken wird.
aus: www.scinexx.de
Abb. 5: sommerliche Temperaturverteilung über Ballungsräume
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Vermutlich nicht allein durch den Klimawandel, sondern
auch mit der durch die Versiegelung zunehmenden Erwärmung der Innenstädte lässt sich erklären, dass die
Anzahl der meteorologischen „Heißen Tage“ (Definition
des DWD: Lufttemperatur über 30°C) im Laufe der letzten
Jahrzehnte erheblich zugenommen hat.
Dies lässt sich anhand einer ARD-Wetterkarte vom August 2015 für die 4 deutschen Millionenstädte ablesen
(Abbildung 6).
Auch deutschlandweit ist gem. den Daten des Deutschen
Wetterdienstes (DWD) erkennbar, dass die Anzahl der
Heißen Tage zunimmt (siehe Abbildung 7).
Die klimabedingte Zunahme von Hitzeperioden und die
vermutete Verstärkung der Erwärmung über den Ballungszentren lassen vermuten, dass Starkregenereignisse
in der Anzahl zunehmen und in der Intensität extremer
ausfallen.
Abb. 6: ARD-Wetterkarte 15.08.2015:
Anzahl der Heißen-Juni Tage 2015 und (1995)
Diese Vermutung bestätigt Abbildung 9, in der die Häufigkeit von Starkregenereignissen deutschlandweit dargestellt ist. Vergleicht man diese Karte mit der Bebauungsdichte (Abbildung 8) lässt dich erkennen, dass Starkregen häufiger in Ballungszentren zu finden ist.
Die Versiegelung spielt demnach nicht nur bei der Abflussbildung auf den Siedlungsbereichen eine negative
Rolle, sondern wirkt sich scheinbar auch bei Intensität von Starkregen negativ aus.
Abb. 7: Entwicklung der Heißen Tage (>30°C) deutschlandweit, DWD 2014
Leistungsfähigkeit der Entwässerungsleitungen – Reinhard Beck – Vortrag in Lindau am 10.03.2016 – Seite 8 von 20
Abb. 8: Darstellung der Bebauungsdichte deutschlandweit
Abb. 9: Starkregenhäufigkeiten deutschlandweit:
Korrelation zwischen Bebauungsdichte und
Starkregenhäufigkeit?
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Zukünftige Generalentwässerungsplanung in Solingen (GEP 2.0)
Das innerstädtische Entwässerungssystem wird zukünftig häufiger und intensiver mit hohen Abflussmengen
konfrontiert. Um konzeptionell darauf reagieren zu können, muss die Generalentwässerungsplanung nach
realistischen Möglichkeiten der Identifizierung und Begegnung von Gefahren aus Starkregen suchen.
Die klassischen Werkzeuge der Generalentwässerung sind bei der Bewältigung dieser Aufgaben nicht allein
geeignet. Zwar simuliert die klassische Kanalnetzberechnung die Abflussvorgänge im Kanalnetz mit einem hohen Realitätsgrad. Sobald jedoch – wie bei Starkregen – Wassermengen das Simulationsmodell „Kanalnetz“
verlassen, bieten die klassischen Ansätze wenig brauchbare Ergebnisse.
Die Softwareindustrie bietet seit Kurzem mit den sogenannten „gekoppelten Simulationsmodellen“ die Möglichkeit, neben dem Kanalnetz auch die Abflüsse an der Oberfläche gekoppelt zu simulieren. Da im Starkregenfalle an den Oberflächen über gefährliche Abflussvorgänge entschieden wird, bietet dieser Ansatz mehr Realitätsnähe und mehr Nutzen im Alltag der Stadtentwässerung.
Wie bei jeder neuen Entwicklung sind auch bei der gekoppelten Kanalnetzberechnung viele Fragen und Unbekannte zu klären. Die Technischen Betriebe Solingen beteiligen sich an der Weiterentwicklung dieser Verfahren
mit Forschungsprojekten und eigenen Pilotprojekten.
Der Straßeneinlauf als Schnittstelle zum Kanalnetz
Die Abflussbildung erfolgt über Rinnen (Sammlung des Niederschlags) und Straßeneinläufe (Fassung) in das
Kanalnetz (Ableitung aus dem Stadtgebiet). Die jeweiligen Abflüsse an den Oberflächen und im Kanalnetz können jeweils recht gut über vorhandene Simulationsmodelle (Hochwassermodelle, hydrodynamische Simulation) abgebildet werden. Der Austausch der Wassermengen zwischen diesen beiden Ebenen stellt die entscheidende neue Komponente in der Simulation dar.
In der Praxis erfolgt der Austausch zwischen Oberfläche und Kanal über den Straßeneinlauf. Trifft ein simulierter Oberflächenfließweg auf einen Straßeneinlauf, entscheidet die Schnittstelle über die Zuflussmenge in das
Kanalnetz und über den restlichen Verbleib an der Oberfläche.
Über das Leistungsvermögen von Straßeneinläufen haben die Technischen Betriebe Solingen zusammen mit
der Bergischen Universität Wuppertal ein gefördertes Forschungsvorhaben initiiert. Darin wird in Labor- und
vergleichend in Feldversuchen das Leistungsvermögen der Einlaufroste von Straßeneinläufen in Abhängigkeit
des Straßenlängsgefälles und der Wassermengen ermittelt (Abbildung 10). Über die Möglichkeit der Implementierung der Ergebnisse in die Simulationssoftware fanden bereits erste Gespräche mit den Softwareentwicklern statt.
Die wissenschaftlichen Untersuchungen bezogen sich zunächst auf die Einlaufroste, ohne das weitere Gesamtsystems „Straßeneinlauf“ zu berücksichtigen. Die TBS streben eine Fortsetzung der Untersuchungen an, um
Auswirkungen des Leistungsvermögens durch Verlegungen und möglichem Rückstau im weitern Ablaufsystem
realistischer abschätzen zu können.
Letztendlich ist zu erwarten, dass erheblich weniger Regenwasser über die Straßeneinläufe in das Kanalnetz
gelangen kann, als bislang bei der klassischen Kanalnetzberechnung angenommen.
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Abb. 10: Untersuchung der Leistungsfähigkeit von Straßeneinläufen, im Labor der Bergischen Universität
Wuppertal und im Feldversuch in einer Straße in Solingen
Neben der Frage der hydraulischen Leistungsfähigkeit stellt sich die Frage, ob die Lage der Straßeneinläufe für
eine weitere Realitätsnähe der Simulation entscheidend ist. In einer von den Technischen Betrieben Solingen
initiierten wissenschaftlichen Untersuchung (Masterarbeit der FH Münster 2014) gab es noch keine Hinweise,
dass die Lage aller Straßeneinläufe zu realistischen Simulationsergebnissen führt.
Zur näheren Untersuchung fließt die aktuell im Aufbau befindliche Datenbank für Straßeneinläufe in die 2016
vorgesehene gekoppelte Kanalnetzberechnung des Einzugsgebietes Gräfrath mit ein. In vergleichenden Simulationsläufen sollen Unterschiede der Fließwege und Überflutungsbereiche untersucht und bewertet werden.
Die Simulationsläufe unterscheiden sich in der Anzahl und Lage der berücksichtigten Straßeneinläufe.
Gekoppelte Kanalnetzberechnung
Die simulationstechnischen Grundannahmen der klassischen Kanalnetzberechnung lassen sich wie folgt beschreiben und in Abbildung 11 darstellen:
•
•
•
•
Beregnung von Haltungsflächen
mit grob ermittelten Befestigungsgraden,
woraus sich ein Abflussverhältnis unabhängig der Regenintensität ergibt.
Bei Überlastungen aus dem Kanalnetz werden Wassersäulen über den Schächten simuliert.
Entgegen den Ansätzen der klassischen Kanalnetzberechnung werden bei der gekoppelten Kanalnetzberechnung keine fiktiven Haltungsflächen, sondern die tatsächliche Oberfläche mit seinen hydrologischen Eigenschaften beregnet. Hieraus ergeben sich Abflüsse an der Oberfläche, die während des gesamten Simulations-
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vorgangs bis zum Austritt aus dem Entwässerungsgebiet vollständig simuliert werden. Die klassische Variante
berechnet dagegen nur die Mengen, die in das Kanalnetz gelangen.
Abb. 11: Ansätze der klassischen Kanalnetzberechnung
Bei der in Abbildung 12 dargestellten gekoppelten Kanalnetzberechnung wird ein dreidimensionales Geländemodell des betrachteten Einzugsgebiets beregnet. Entsprechend der Oberflächenbeschaffenheit und der Topografie bilden sich Überflutungsbereiche oder oberflächige Fließwege. Kreuzen Fließwege die Schnittstellen
zum Kanal (Straßeneinläufe oder Schächte) erfährt das Kanalnetz einen Zufluss.
Lediglich die Dachflächen von Gebäuden entwässern bis zum Bemessungsansatz der Dachentwässerung (T=5
Jahre) direkt in das Kanalnetz. Der bei den Dachflächen darüberhinausgehende Regenanteil wird auf das restliche Oberflächenmodell verteilt. Damit wird der Tatsache entsprochen, dass die Dachflächen unabhängig der
Topografie direkt in den Kanal entwässern.
Abb. 12: gekoppelte Kanalnetzberechnung: Abflussbildung durch Oberflächenbeschaffenheit
Leistungsfähigkeit der Entwässerungsleitungen – Reinhard Beck – Vortrag in Lindau am 10.03.2016 – Seite 12 von 20
Die Abflussvorgänge auf der Oberfläche können mit der gekoppelten Simulation erstmals in der Stadtentwässerung dargestellt werden. Die simulierten Fließwege und Überflutungsbereiche konnten durch vereinzelte
Bilddokumente vergangener Starkregen bestätigt werden.
Nach dem Abgleich mit den Erfahrungen des Kanalbetriebs scheint die Anzahl der Überflutungsschächte durch
die gekoppelte Simulation deutlich realistischer dargestellt zu werden.
Aufgrund der bei Starkregen begrenzten Zulaufmöglichkeit findet ein Großteil des Abflusses nicht im Kanalnetz, sondern auf den Oberflächen statt. Infolgedessen besitzt das Kanalnetz i. d. R. auch bei Starkregen oberhalb der Bemessungsansätze Kapazitätsreserven, die bei Bedarf genutzt werden könnten.
Die Gebrauchstauglichkeit der Ergebnisse haben die Technischen Betriebe zu der Entscheidung veranlasst,
zukünftig alle 26 Einzugsgebiete nur noch mit der gekoppelten Kanalnetzberechnung simulieren zu lassen.
Pilotprojekt Einzugsgebiet Krausen
Im Jahr 2014 haben die Technischen Betriebe Solingen das erste kleinere Einzugsgebiet „Krausen“ nach den
neuen Methoden als Pilotprojekt berechnen lassen. Das teils dicht besiedelte Einzugsgebiet ist ca. 225 ha groß
und mit einem 17 km langen Mischwassernetz durchzogen.
Zum direkten Vergleich der Ergebnisse wurden einmal die klassische hydromechanische Kanalnetzberechnung
und anschließend die mit einem Oberflächenmodell gekoppelte Kanalnetzberechnung durchgeführt.
Die vergleichenden Ergebnisse werden in den Abbildungen 13 und 14 dargestellt: Die Anzahl der Überstauschächte sinkt auf ein realistisches Maß, die potentiellen Fließwege sowie Überflutungen in Geländesenken
lassen sich lokalisieren.
Abb.13: Überstauschächte bei klassischer und gekoppelter Kanalnetzberechnung
Leistungsfähigkeit der Entwässerungsleitungen – Reinhard Beck – Vortrag in Lindau am 10.03.2016 – Seite 13 von 20
Anzahl der Überlaufschächte
Aufstau
Fließwege
Abb. 14: Vergleich der klassischen (oben) und gekoppelten (unten) Kanalnetzberechnung
Leistungsfähigkeit der Entwässerungsleitungen – Reinhard Beck – Vortrag in Lindau am 10.03.2016 – Seite 14 von 20
Wie in Abbildung 15 dargestellt, konnte die simulierte Überflutung in einem Tiefpunkt des Einzugsgebiets
durch ein Bilddokument eines Anwohners eindrucksvoll bestätigt werden. Auch die übertragenen Starkregeneinsätze der Feuerwehr und des Kanalbetriebs deuten auf einen Überflutungsschwerpunkt hin.
Abb. 15: Darstellung der gekoppelten Simulation mit eingetragenen Starkregeneinsätzen (links),
das Bild (rechts) bestätigt eindrucksvoll das Ausmaß einer tatsächlichen Überflutung 2006
Im Herbst 2015 wurde das gekoppelt berechnete Kanalnetz des Einzugsgebietes Krausen der zuständigen Bezirksregierung angezeigt. Die Ergebnisse bestätigen, dass die meisten Überflutungen nicht aus dem Kanalnetz
stammen, sondern aus oberflächigen Abflüssen, die über die Straßeneinläufe gar nicht in den Kanal gelangen.
Daher können hier die klassisch empfohlenen Sanierungsmaßnahmen in Form der Dimensionsvergrößerung
keine Abhilfe schaffen. Vielmehr sind Lösungen an der Oberfläche gefragt, die gemeinsam mit anderen städtischen Fachbereichen in einer integrierten Planung erarbeitet werden: Rückhalt in Freiflächen, Umleitungen
von Fließwegen und letztendlich ein konkreter Schutz der gefährdeten Objekte!
Schutzmaßnahmen gegen Überflutungsschäden
Aus dem gekoppelt berechneten Einzugsgebiet Krausen konnten mehrere Überflutungsbereiche lokalisiert
werden. Neben dem o. g. Beispiel in der Heukämpchenstraße wurde in einem weiteren Geländetiefpunkt in
der Adolf-Clarenbach-Straße eine Überflutung simuliert, die bei tatsächlichen Starkregenfällen in der Vergangenheit immer wieder Schäden an einer Tennisanlage verursacht hat. Auch hier konnte die Überflutung der
Straße oberhalb der Tennisanlage mit vorhandenem Bildmaterial bestätigt werden (Abbildung 16).
Die geplanten oberflächigen baulichen Schutzmaßnahmen wurden vor Bauausführung durch eine Simulation
überprüft und vor kurzem umgesetzt:
Die beiden vorhandenen Straßeneinläufe im Straßentiefpunkt können die zulaufenden Wassermengen bei
Starkregen nicht aufnehmen, so dass es bislang zu einem Aufstau von bis zu 30 cm gekommen ist. Nach der
Kanalnetzberechnung ist im Kanalnetz auch bei Starkregen noch Abflusskapazität vorhanden. Daher wurde der
vorhandene geschlossene Schachtdeckel mit einem durchlässigen Rosteinlauf (Abbildung 17) versehen. Hierdurch wird bei Starkregen der Aufstau auf unter 10 cm reduziert.
Leistungsfähigkeit der Entwässerungsleitungen – Reinhard Beck – Vortrag in Lindau am 10.03.2016 – Seite 15 von 20
Abb. 16: Überflutung im Straßenbereich der Adolf-Clarenbach-Straße bis zu 30 cm
Sollte es bei einem Extremereignis zu einem weiteren Aufstau kommen, wird zukünftig durch den abgesenkten
Gehweg das Regenwasser von der Straße in eine der Tennisanlage vorgelagerte Grünfläche geleitet (Abbildung
17). Zum Schutz der Tennisanlage wurde in dem ungenutzten Teil der Grünfläche ein kleiner Erddamm erstellt,
der das aus dem Straßenbereich zufließende Wasser einem Toskolk und von dort dem weiteren Kanalnetz
zuführt (Abbildung 18).
Gehwegabsenkung
Einbau Rosteinlauf
Abb. 17: Reduzierung der Überflutung im Straßenbereich
durch Einbau eines Rosteinlaufs und der Absenkung eines Gehweg
Leistungsfähigkeit der Entwässerungsleitungen – Reinhard Beck – Vortrag in Lindau am 10.03.2016 – Seite 16 von 20
Erddam
Abb. 18: Schutz der Tennisanlage mit Erddamm mit Ablaufmulde
Pilotprojekt Historische Altstadt Solingen - Gräfrath
Im Jahr 1999 zog über den Solinger Stadtteil Gräfrath ein Starkregen, der zu extremen Überflutungen führte.
Der denkmalgeschützte Altstadtbereich von Gräfrath liegt in einem Tiefpunkt. Die natürlichen Gewässer wurden zu Beginn des letzten Jahrhunderts verrohrt und durch den Altstadtbereich (siehe Abbildung 19) geführt.
Bei dem Starkregen floss das Regenwasser weiträumig über die Straßen dem Tiefpunkt zu. Die Straßeneinläufe
konnten nur ein Bruchteil der Wassermengen aufnehmen und dem Kanal zuführen. Entsprechend kam es zu
massiven Überflutungen von Straßen und des Altstadtbereichs.
Abb. 19: Stadtteil Gräfrath, in der Tiefenlage (rot) die Altstadt
Leistungsfähigkeit der Entwässerungsleitungen – Reinhard Beck – Vortrag in Lindau am 10.03.2016 – Seite 17 von 20
Abb. 20: Altstadt von Gräfrath: Überflutungen bei Starkregen 1999
In einem ersten Schritt wurde zunächst die Anzahl von Straßeneinläufen erhöht und deren Lage optimiert, um
die vorhandenen Kapazitätsreserven des Kanalnetzes auszunutzen.
Mit den neuen Möglichkeiten der Simulationstechnik soll nun eine umfängliche Lösung der Überflutungsgefahr
erarbeitet und im integralen Planungsprozess umgesetzt werden.
Mit den neuen Kanalberechnungsmethoden wird 2016 im Rahmen der Generalentwässerungsplanung für das
Einzugsgebiet Gräfrath das Abflussverhalten des Einzugsgebiets komplett neu untersucht. Es wird zunächst das
Regenereignis von 1999 simuliert und die Fließwege und Überflutungen mit den Erfahrungen von 1999 abgeglichen.
Leistungsfähigkeit der Entwässerungsleitungen – Reinhard Beck – Vortrag in Lindau am 10.03.2016 – Seite 18 von 20
Ein erster Hinweis auf potentielle Gefahren bei Starkregen bietet die stadtweit vorhandene Fließwegakkumulation (Abbildung 21), die als rein topografisches Kartenwerk mögliche Fließwege und Senken aufzeigt. Diese
Karte ist keine hydraulische Karte und stellt keine Wassermengen oder Wassertiefen dar.
In Abbildung 22 findet sich eine vorgezogene Simulation der Abflussvorgänge an der Oberfläche von Gräfrath.
Um möglichst rasch eine Übersicht der Überflutungsgefährdung zu erhalten, wurde hierbei zunächst nur der
Abfluss an der Oberfläche simuliert, ohne eine Berücksichtigung und Kopplung mit dem Kanalnetzes.
Im Zuge der weiteren Bearbeitung der Kanalnetzanzeige des Einzugsgebietes Gräfrath erfolgt die vollständige
Abflusssimulation an der Oberfläche mit der gekoppelten Kanalnetzberechnung. Die nachfolgend beschriebenen Lösungsansätze werden dabei auf Wirksamkeit untersucht.
Abb. 21 (links): die Fließwegakkumulation (links) von Gräfrath stellt lediglich potentielle Fließwege und Geländesenken auf Grundlage der Topografie dar; hydraulischen Komponenten werden nicht dargestellt
Abb. 22 (rechts): Voruntersuchung zur Gefährdungsbeurteilung:
Oberflächensimulation, ohne Berücksichtigung des Kanalnetzes
geplanter Überflutungsschutz in Gräfrath
Die bisherigen Konzepte zum Überflutungsschutz sehen gezielte Überflutungen oberhalb der Altstadt gelegener Freiflächen vor, um den Zufluss zum Tiefpunkt zu reduzieren bzw. zu verzögern (Abbildung 23).
Im Weiteren sollen die Bachverrohrungen und das Kanalnetz für Starkregenabflüsse besser ausgenutzt werden. Hierfür sind die Einlaufsituationen weiter zu optimieren.
Die bei Extremereignissen weiterhin dem Tiefpunkt zufließenden Wassermengen werden auf der Straße gezielt aber schadlos durch die Altstadt geführt. Um in der Altstadt eine schadhafte Überflutung zu vermeiden,
müssen leistungsfähige Einlaufsysteme in die vorhandene Bachverrohrungen geschaffen werden.
Im Zuge dieser Anpassungen können die einst verrohrten Bäche durch eine Rinnenführung in der Straße wieder an die Oberfläche geholt werden. Diese Rinnen (Abbildung 24) werden Bestandteil der Ableitungen von
Starkniederschlägen.
Leistungsfähigkeit der Entwässerungsleitungen – Reinhard Beck – Vortrag in Lindau am 10.03.2016 – Seite 19 von 20
Abb. 23:
geplante Retention
oberhalb der Altstadt
Abb. 24:
geplante Rinnensysteme zur
Offenlegung des Baches
Fazit
Die klassische Siedlungsentwässerung hat für die seinerzeit relevanten Fragestellungen der Kanalnetzauslegung ausreichend gute Antworten geben können. Im Zuge der heutigen Klimaveränderung und städtebaulichen Entwicklung steht die zukünftige Siedlungsentwässerung vor der Herausforderung des Umgangs mit
Starkregen.
Die Technischen Betriebe Solingen haben daher ihre Generalentwässerung umgestellt. Aufgrund der Erkenntnis, dass die entscheidenden Abflüsse bei Starkregen auf der Oberfläche erfolgen, liegt auch dort der künftige
Fokus der Abflusssimulation und der Schutzmaßnahmen.
Die neu aufgestellte Siedlungsentwässerung ist zukünftig Bestandteil eines gesamtkommunalen integralen
Planungsansatzes, der die Anforderungen seiner Bürger hinsichtlich Entwässerungskomfort und Überflutungsschutz unter Berücksichtigung der ökologischen, wirtschaftlichen und rechtlichen Belange erfüllt.
Leistungsfähigkeit der Entwässerungsleitungen – Reinhard Beck – Vortrag in Lindau am 10.03.2016 – Seite 20 von 20