1 Einleitung

Neue Bestrebungen in der Siedlungswasserwirtschaft zielen darauf ab, leitungsgebundene (graue) Wasserinfrastruktur und die damit verbundene rasche Ableitung von Niederschlagswasser zu vermeiden. Neben einer Annäherung an den natürlichen Wasserkreislauf besteht die Erwartung, dass „grün-blaue“ Konzepte flexibler und robuster hinsichtlich zukünftiger Veränderungen wie Klimawandel oder Urbanisierung sind (Kuzniecow Bacchin et al. 2014; Cunha et al. 2016). Aus technischer Hinsicht sollen dabei der Spitzenabfluss und das Abflussvolumen im Kanalsystem sowie die Belastung der Vorfluter verringert werden. Des Weiteren spielen auch sozio-ökonomische Faktoren, wie naturnahe und attraktive Lebensraumgestaltung in Siedlungsgebieten, positive Auswirkungen auf das Mikroklima und die nachhaltiger Bewirtschaftung der Wasserressourcen, eine wichtige Rolle.

Die Umsetzung solcher grün-blauen Strategien kann z. B. durch die Bereitstellung von zusätzlichen Grünflächen, Gründächern, Infiltrationsanlagen oder Retentionsanlagen usw. erfolgen, welche auch unter den Begriffen „Best Management Practices“ (BMP), „Sustainable Urban Drainage Systems“ (SUDS) oder „Low Impact Development“ (LID) bekannt sind (Fletcher et al. 2015). Im Folgenden wird der Begriff LID in diesem Zusammenhang verwendet. Um den wachsenden Anforderungen von Klimawandel und Urbanisierung gerecht zu werden, und vor allem die Unsicherheiten in der Prognose der Auswirkungen zu berücksichtigen, werden verschiedene Szenarien mit unterschiedlichen Randbedingungen modelltechnisch untersucht. Somit können potenzielle Schwachstellen im System aufgezeigt werden und Aussagen über die Robustheit der gewählten Strategie getroffen werden. Des Weiteren bildet es den Anknüpfungspunkt für mögliche Adaptierungskonzepte (Urich et al. 2013).

2 Material und Methoden

In Abb. 1 ist die Vorgehensweise dieser Arbeit grafisch dargestellt und wird in den nachfolgenden Abschnitten genauer beschrieben.

Abb. 1
figure 1

Masterplan mit Stadtumwandlung der Fallstudie Kiruna (links); Erstellung der verschiedenen Planungsvarianten und Szenarienanalyse (Mitte); Analyse der Leistungsfähigkeit (rechts)

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2.1 Fallstudie und Masterplan

Als Fallstudie wird die schwedische Stadt Kiruna mit etwa 20.000 EinwohnerInnen verwendet. Die Stadt muss aufgrund sich ausdehnender Bergbauarbeiten in einer Eisenerzmine im Untergrund schrittweise umgesiedelt werden. Aus diesem Grund wird ein neues Stadtzentrum etwa 4 km weiter östlich gebaut (siehe neues Stadtzentrum, Abb. 1 links), während Teile der derzeitigen Stadt wegen eines erhöhten Risikos von Rissen und Setzungen verlassen werden müssen (siehe Sperrbereich Abb. 1 links). Diese Umsiedlung betrifft auch die gesamte Wasserinfrastruktur, wobei Teile der derzeitigen Systeme rück- und andere Teile neu gebaut werden. Ebenso ist die Wasserversorgungsanlage entsprechend umzugestalten (Zischg et al. 2015). Durch den Neubau eines Stadtteils wird versucht, die Stadt möglichst naturnah und attraktiv zu gestalten, wobei vor allem dezentrale Anlagen der Niederschlagswasserbehandlung und die Bereitstellung von zusätzlichen Grünflächen im Einzugsgebiet von 320 Hektar (neuer Stadtteil) angestrebt werden. Eine weitere Vorgabe ist die Beschränkung des Abflusses von befestigten Flächen in den Vorfluter auf 15 l/(s*ha). Gleichzeitig soll die zukünftige Stadt aus architektonischer Sicht verdichtet werden. In Kiruna sind die Abwasserkanäle derzeit als Trennsystem ausgeführt, welches auch in Zukunft beibehalten wird (siehe Abb. 2 links). Die schrittweise Umsetzung der Umsiedelung basiert auf einem detaillierten Masterplan, welcher in Zusammenarbeit von Geologen, Architekten/Stadtplanern und Entscheidungsträgern entwickelt wurde (Leonhardt et al. 2015).

Abb. 2
figure 2

Ausgangssystem und Vorgehensweise

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2.2 Strategien und Modellerstellung

In dieser Arbeit werden drei verschiede Planungsvarianten verfolgt und miteinander verglichen, welche die Strategien darstellen (siehe Abb. 3). Das zukünftige Kanalnetz wird basierend auf Stadtentwicklungsplänen, dem geplanten Straßennetz und dem Masterplan erstellt, welcher zeitliche Bau- und Rückbauabschnitte vorsieht (siehe Abb. 1 links). Das neu anzuschließende Einzugsgebiet wird mittels der Thiessen-Methode auf die einzelnen Einläufe des Kanalnetzes aufgeteilt. Die maximalen Fließwege sowie die Neigungen von Einzugsgebiet und Kanalnetz werden mithilfe eines digitalen Geländemodells ermittelt. Des Weiteren wird der erwartete Flächenversiegelungsgrad aus Stadtentwicklungsplänen ermittelt und in Folge als „Basisszenario“ bezeichnet.

Abb. 3
figure 3

Implementierungsstrategien des zukünftigen Regenwassersystems

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In Strategie 1 wird ein traditioneller Ansatz einer leitungsgebundenen Entwässerung, ohne Berücksichtigung von LIDs, verfolgt. Dabei ist zur Beschränkung des Abflusses vor der Einleitung in den Vorfluter ein Retentionsvolumen vorzusehen (Sitzenfrei et al. 2015). In Strategie 2 wird die Implementierung von drei zentralen Retentionsbecken innerhalb der Stadt untersucht, welche als temporäre Speicherteiche geplant werden. Dabei werden ungefähr 40 % des Abflusses des neuen Zentrums in diesen zentralen LIDs behandelt (prognostizierter Bemessungsregen für das Jahr 2100). Strategie 3 verfolgt einen dezentralen Ansatz, wobei das Regenwasser bereits lokal und räumlich verteilt behandelt wird. Zusätzlich zu den von der Stadtplanung gewünschten Speicherteichen, werden Bio-Retentionszellen und Infiltrationsanlagen an geeigneten Standorten eingeführt. Da Infiltration nur an bestimmten Orten zulässig bzw. möglich ist (hoher Grundwasserspiegel bzw. felsiger Untergrund), muss teilweise eine Drainage mitverlegt werden, welche das filtrierte Wasser wieder zurück in den Kanal leitet. Auch bei dieser Alternative werden rund 40 % des anfallenden Abflusses in den LIDs behandelt.

Im Folgenden wird die automatisierte, iterative Bemessung mittels hydrodynamischer Simulation mit SWMM5.1 (Rossman 2010) der LIDs und des neuen Kanalsystems bzw. des dadurch hydraulisch beeinflussten Bereiches beschrieben:

  1. 1.

    In einem ersten Schritt werden alle neu geplanten Regenwasserkanäle gemäß den geltenden regulativen Vorgaben auf ein 15-minütiges Blockregenereignis mit einer Auftretenswahrscheinlichkeit von 10 Jahren (16,3 mm/15 min) bemessen, ohne Überstau zuzulassen, aber eine maximale Auslastung der Kanalquerschnitte zu erreichen. In diesem Schritt werden die Speicherelemente (LIDs und Becken) so angesetzt, dass sie das gesamte Zuflussvolumen gerade noch aufnehmen können. Es wird ein Mindestdurchmesser für die Kanäle (Kreisquerschnitte) von 200 mm angesetzt.

  2. 2.

    Anschließend wird die Regendauer bei gleicher Jährlichkeit variiert, um das Regenereignis für die optimale LID-Bemessung zu bestimmen. Als maßgebendes Ereignis wird jene Dauer herangezogen, bei der das nun auftretende gesamte Überstauvolumen, verursacht durch Überlastung der LIDs, ein Maximum erreicht (DLID,design). Folglich wird für dieses Ereignis die LID-Fläche so verändert, bis der Auslastungsgrad des Volumens der LIDs maximal ist, aber kein Überlauf auftritt. Dabei werden auch die im Stadtentwicklungsplan ausgewiesenen Flächen eingehalten. Die Speicherbeckenbemessung für Strategie 1 („traditionell“) erfolgt nach dem Arbeitsblatt DWA-A 117 (2006).

  3. 3.

    Im letzten Schritt wird das Kanalnetz vergrößert, um eine Überstausicherheit für längere Regendauern (D > DLID,design) eines 10-Jahre-Ereignisses (Modellregen) zu garantieren (Ableitung des Überlaufs der LIDs). Zusammenfassend wird für längere Regen (D > DLID,design) ein Überlauf der LID-Anlagen in den Kanal zugelassen, Überstau jedoch verhindert. Zudem wird bei allen drei Planungsvarianten die maximal zulässige Einleitung in den Vorfluter von 15 l/(s*ha) eingehalten.

Im Zuge dieser Arbeit werden alle Abschnitte (Jahr 2018, 2023, 2033, 2050 und 2100) des neu zu planenden Entwässerungsnetzes, separat für die drei verschiedenen Strategien (Abb. 3) und ausgehend von dem Basisszenario (Abb. 4), bemessen. Dabei werden auch überlastete Leitungen des existierenden Systems angepasst um den Neuanschluss effizient nach aktuellem Stand der Technik zu gewährleisten.

Abb. 4
figure 4

Szenarien von klimatischen und anthropogenen Einflüssen

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2.3 Szenarienanalyse

Nördlich des Polarkreises, wo sich Kiruna befindet, wird der Klimawandel laut Prognosen noch deutlicher als in Mitteleuropa zu spüren sein (Olsson et al. 2009). Schätzungen bezüglich der Jahresniederschlagsveränderungen belaufen sich in dieser Region auf eine Zunahme von 15 % bis 50 % in diesem Jahrhundert, wobei vor allem Starkregenereignisse zunehmen werden (SMHI 2012). Weitere große Unsicherheitsfaktoren bei dieser Fallstudie stellen Urbanisierung und Bevölkerungswachstum, im Zusammenhang mit der Wirtschaftlichkeit der Eisenerzmine, dar. Eine zuverlässige Vorhersage dieser Einflüsse ist nicht möglich. Um trotzdem all diese zukünftigen Unsicherheiten berücksichtigen zu können, wird eine Szenarienanalyse durchgeführt, bei welcher zum einen die Regenintensität über die Zeit vereinfacht linear erhöht wird (Szenario „Klima“) und zum anderen die versiegelte (undurchlässige) Fläche, ausgehend von einem Basisszenario, variiert wird. Dabei wird eine Zunahme der versiegelten Flächen untersucht und als Szenario „Grau“ definiert. Andererseits wird eine Reduktion aller stark versiegelten Flächen der Teileinzugsgebiete (Undurchlässigkeit > 50 %), wie z. B. Parkplätze, untersucht, um die Vision einer naturnahen Stadt zu realisieren (Szenario „Grün“). In Abb. 4 sind die untersuchten Szenarien zusammengefasst.

2.4 Leistungsfähigkeit

Die hydraulische Leistungsfähigkeit wird für den östlichen Teil der Stadt untersucht, wo das neue Zentrum schrittweise gebaut und an das existierende System angeschlossen wird (siehe eingerahmter Ausschnitt in Abb. 2). Die untersuchten Zeitpunkte sind, in Übereinstimmung mit dem Masterplan, die Jahre 2018, 2023, 2033, 2050 und 2100. Zur hydraulischen Berechnung wird die Software SWMM verwendet. Als Regenereignis wird ein Euler-II-Bemessungsregen, mit der zuvor ermittelten maßgebenden Dauer von 180 Minuten und 10-jähriger Auftretenswahrscheinlichkeit herangezogen, um gleichzeitig das Leitungssystem und die LID-Anlagen aussagekräftig bewerten zu können. Zum Nachweis der Leistungsfähigkeit der Systeme zu verschiedenen Zeitpunkten, Strategien und Szenarien, werden globale Leistungsindikatoren (LIs) verwendet (Sitzenfrei et al. 2012). Dies ermöglicht einen einfachen Vergleich zwischen Varianten auf Systemebene. Beim ersten Indikator „Überstau LI“ wird ein Überstaunachweis geführt. Dabei wird das Verhältnis aus Überstauvolumen und Oberflächenabflussvolumen bestimmt und von 1 abgezogen. Dieser globale Leitungsindikator ist 1, wenn kein Überstau auftritt, während bei Werten kleiner 1 diese Bedingung nicht erfüllt wird (Mair et al. 2012). Um die hydraulische Auslastung des Kanalnetzes zu bestimmen, wird ein globaler Kapazitätsfaktor als „Ausnutzungsgrad der Kanäle η K “ berechnet, bei welchem die maximale Füllhöhe der Kanäle im Verhältnis zum Rohdurchmesser längennormiert berechnet wird. Der „Ausnutzungsgrad der Speicherbauwerke η LID “ (Becken oder LIDs) wird auf dieselbe Weise bestimmt. Die letzten beiden Faktoren können auch als Wirtschaftlichkeitsindikatoren angesehen werden, denn je näher der Wert bei 1 ist, desto größer ist der mittlere Ausnutzungsgrad der vorhandenen Kapazitäten.

3 Ergebnisse und Diskussion

3.1 Modellerstellung und Dimensionierung

Durch die LID-Implementierung ergibt sich eine geringfügige Verringerung der undurchlässigen Fläche im Untersuchungsgebiet von ca. 0,4 %, basierend auf der Annahme, dass die LID-Fläche jeweils 50 % von undurchlässiger und durchlässiger Fläche einnimmt. Die LID-Anlagen werden schrittweise in den Abschnitten 2018, 2023 und 2033 implementiert (abhängig vom Ausbauzustand). Die maßgebende Regendauer für LID-Dimensionierung (DLID,design), unter Betrachtung wirtschaftlicher Größen, ergab 180 Minuten (siehe Abschnitt 2.2). Längere Regen mit gleicher Wiederkehrdauer führen zu einem Überlauf, ohne jedoch Überstau in dem nachfolgenden Kanal zu verursachen. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Zwischenspeicherung und die Retentionswirkung der LIDs (Strategie 2 und 3) die Kanaldurchmesser gegenüber Strategie 1 deutlich verringert werden können. Dies erkennt man beispielsweise bei Betrachtung der gemittelten Spitzenabflüsse, welche bei Strategie 1 um ca. 1/3 größer sind. Die Überstausicherheit LI = 1 wird bei allen Abschnitten gewährleistet und die mittlere Ausnutzung der Kanäle (ηK) ist größer als 65 %. Ein Erreichen von ηK = 1 und LI = 1 würde ein vollständig eingestautes Kanalsystem, ohne Überstau, bedeuten.

3.2 Leistungsfähigkeit

Abb. 5 zeigt die Ergebnisse der Szenarienanalyse für den Überstau-Indikator und den gemittelten Ausnutzungsgrad der Speicherbauwerke (LIDs und Retentionsbecken) für die 3 Strategien: 1 (traditionell), 2 (LID zentral) und 3 (LID dezentral). Während die unterschiedlichen Regenintensitäten als grün, blau und rot für gering, mittel und extreme Zunahme dargestellt sind, wird die Zunahme der Flächenversiegelung als dunklerer Farbton und die Abnahme als hellerer Farbton dargestellt. Beispielsweise wird eine extreme Zunahme der Regenintensitäten mit einer gleichzeitigen hohen Zunahme der versiegelten Flächen als dunkelroter Farbton und eine geringe Zunahme der Regenintensität mit gleichzeitiger Abnahme der versiegelten Flächen als hellgrüner Farbton dargestellt. Eine Abnahme des Ausnutzungsgrades der Speicherbauwerke (Abb. 5 rechts) indiziert lediglich eine Überdimensionierung und stellt kein unmittelbares Schadensereignis dar. Bei der Überstauleistungsfähigkeit hingegen kann ein Wert kleiner eins (LI = 1: kein Überstau, LI < 1: Überstau), durchaus zu einem unmittelbaren Schadensereignis führen. Bei Betrachtung der Überstauleistungsfähigkeit ist eine Verbesserung von Strategie 1 bis Strategie 3 ersichtlich.

Abb. 5
figure 5

Leistungsfähigkeit der 3 Strategien unter zukünftigen Unsicherheiten; LI-Überstau (links) und Ausnutzungsgrad der Speicherbauwerke (rechts)

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Zusammenfassend stellen Strategie 2 und Strategie 3 ähnlich robuste Planungsvarianten gegenüber klimatischen und anthropogenen Veränderungen dar (geringerer Abfall der Leistungsfähigkeit für unterschiedliche Szenarien). Lediglich der Ausnutzungsgrad der LIDs, infolge einer Abnahme von undurchlässigen Flächen (dargestellt als Farbhelligkeit), unterscheidet sich bei Strategie 2 und 3. Der Grund dafür ist die Reduktion der versiegelten Flächen auch in Teileinzugsgebieten mit LID-Anlagen, was sich verstärkt auf Ausnutzung bei der dezentralen LID-Verteilung auswirkt. Auch kann ermittelt werden, welche Kombination aus klimatischen und anthropogenen Szenarien dieselben Leistungsfähigkeiten bewirken. Beispielsweise bewirkt eine Zunahme von 20 % der versiegelten Fläche im Jahr 2100, dass jeweils nur noch 85 %, 82 % oder 85 % (Strategie 1 bis 3) des derzeitigen 10-jährigen Bemessungsregens vom System aufgenommen werden können, ohne Überstau zu bewirken (entspricht 6‑jährigen Ereignissen (Dahlström 2010)).

Durch die Verschlechterung der Überstauleistungsfähigkeit, vor allem durch den zu erwartenden Klimawandel, müssen Adaptierungskonzepte entwickelt werden. Einerseits kann ein zusätzlicher Sicherheitsfaktor in der Dimensionierung berücksichtigt werden, andererseits empfiehlt sich ein verstärkter Einsatz von „grün-blauer“ Infrastruktur wie hier gezeigt wurde. Dies kann durch gezielte Reduktion undurchlässiger Flächen, aber auch durch dezentrale Speicher (z. B. LID-Anlagen) erfolgen. In dieser Arbeit konnte eine deutliche Verbesserung der Robustheit hinsichtlich unsicherer zukünftiger Entwicklungen durch den Einbau von LID-Anlagen erreicht werden.

4 Schlussfolgerungen

In dieser Arbeit wurde gezeigt, wie der zukünftige Masterplan einer Stadttransformation, in Zusammenhang mit der Siedlungsentwässerung, schrittweise umgesetzt werden kann. Dabei wurden mehrere Planungsalternativen, von traditioneller bis naturnaher Regenwasserbehandlung, optimiert und verglichen. Die Ergebnisse ergaben eine deutliche Robustheitssteigerung durch Einsatz von naturnahen Entwässerungskonzepten (LIDs), unter denselben Randbedingungen. Basierend auf diesen Ergebnissen werden Adaptierungskonzepte, basierend auf „grün-blauer“ Infrastruktur, entwickelt und getestet, um auf zukünftige Unsicherheiten besser vorbereitet zu sein. Darüber hinaus dienen die ermittelten Leistungsfähigkeiten und Infrastrukturanpassungen als Grundlage für Kosten-Nutzen-Analysen.