Regenwasserbewirtschaftung: So funktioniert das Prinzip der Schwammstadt

Die fortschreitende Flächenversiegelung durch Bebauung sowie die Folgen des Klimawandels führen vielerorts zur Überlastung der öffentlichen Kanalisation und somit zu verheerenden Sturzfluten bei Starkregenereignissen. Das sogenannte Schwammstadt-Prinzip, auch Sponge City genannt, soll solche Ereignisse verhindern, der Stadt bzw. ihren Bewohnern eine höhere Lebensqualität bieten und das Klima besser schützen. Doch wie kann das funktionieren?

Ziel und Maßnahmen der Schwammstadt

Das Ziel des Konzepts der Schwammstadt ist, Überflutungen bei Starkregenereignissen zu vermeiden. Dafür soll das Niederschlagswasser möglichst nicht in den öffentlichen Kanal eingeleitet, sondern dezentral zwischengespeichert und dem natürlichen Wasserkreislauf zugeführt werden.

Gleichzeitig trägt das Konzept der Schwammstadt dazu bei, das Stadtklima zu verbessern und die Gesundheit von Stadtbäumen und anderer Vegetation zu fördern. Denn in den Sommermonaten entstehen bei längeren Trockenperioden urbane Hitzeinseln. Hier sorgt Verduns­tungskühlung – hervorgerufen zum Beispiel durch Dach- und Fassadenbegrünung bei Gebäuden oder durch Begrünung von Außenflächen im öffentlichen Bereich und auf Grundstücken – für ein besseres Stadtklima.

Zu den wichtigsten Maßnahmen zur Umsetzung des Konzepts gehören:

• Entsiegelung (Rückbau undurchlässiger Flächen)
• Regenwasserrückhaltung (Retention)
• Versickerung von Niederschlagswasser
• Erhöhung der Verdunstung
• Regenwassernutzung.

Entsiegelung: Rückbau undurchlässiger Flächen

Versiegelte Flächen sind durch einen Bodenbelag, etwa Asphalt, Beton oder Pflastersteine, luft- und wasserdicht abgedeckt. Zur Wiederherstellung einer möglichst natürlichen Bodenfunktion sind dann Entsiegelungsmaßnahmen und damit der Rückbau undurchlässiger Flächen erforderlich.

Die Entsiegelung beim Schwammstadt-Prinzip führt zu einer Minderung des Direktabflusses von Regenwasser und einer Erhöhung der Grundwasserneubildung durch Versickerung. Für vollständig entsiegelte Flächen fallen im Gegensatz zu versiegelten bzw. teilversiegelten Flächen keine Niederschlagswassergebühren an und die Kanalisation wird entlastet.

Bei der Umsetzung werden die versiegelnd wirkenden Schichten entfernt und in der Regel durch einen wasserdurchlässigen Bodenbelag ersetzt. Besonders geeignete wasserdurchlässige Bodenbeläge sind zum Beispiel Rasen, Schotterrasen, Holzroste, Rasengittersteine oder Pflaster mit offenen Zwangsfugen. Nach Durchführung der Entsiegelung kann das Niederschlagswasser durch Versickerung wieder direkt dem natürlichen Wasserkreislauf (Grundwasser) zugeführt werden.

Regenwasserrückhaltung

Die Regenwasserrückhaltung (Retention) wird schon seit Langem im öffentlichen Bereich (zentral) und auf Grundstücken (dezentral) gefordert und umgesetzt, um eine Risikominimierung bei Ereignissen mit Starkregen zu erreichen. Zur Rückhaltung der Regenwassermengen stehen beim Schwammstadt-Prinzip zahlreiche technische Lösungen zur Verfügung, so etwa Muldenanlagen, Stauraumkanäle, Rigolen sowie Regenwasserretention auf Flachdächern oder in Regenrückhaltebecken.

Oberirdische Regenrückhaltemaßnahmen – wie zum Beispiel Mulden oder Becken – leisten durch Verdunstung zusätzlich einen Betrag zur Verbesserung des Stadtklimas. Im öffentlichen Bereich muss die Berechnung des erforderlichen Regenrückhaltevolumens gemäß Arbeitsblatt DWA‑A 117 „Bemessung von Regenrückhalteräumen“, Ausgabe ­Dezember 2013, erfolgen.

Städte ergreifen Maßnahmen

Viele Stadtentwässerungsbetriebe verlangen mittlerweile im Zuge des Entwässerungsantrags bei Grundstücksentwässerungsanlagen einen Überflutungsnachweis bzw. die Bemessung von Regenrückhalteräumen bei Einleitungsbeschränkungen.

Im Abschnitt 14.9.2 der DIN 1986‑100 „Entwässerungsanlagen für Gebäude und Grundstücke“, Ausgabe Dezember 2016, werden die Anforderungen zum Überflutungsnachweis und zur Regenrückhaltung auf Grundstücken beschrieben. Die Berechnungsmethoden zum Überflutungsnachweis befinden sich im Abschnitt 14.9.3 der Norm; die zur Bemessung von Regenrückhalteräumen – basierend auf dem Arbeitsblatt DWA‑A 117 – sind im Abschnitt 14.9.4 enthalten.

Der Überflutungsnachweis bzw. die Kontrolle der schadlosen Überflutung auf dem Grundstück erfolgt in Anlehnung an DIN EN 752 „Entwässerungssysteme außerhalb von Gebäuden – Kanalmanagement“ und ist unabhängig von der Einleitung in den öffentlichen Kanal oder ein Gewässer zu führen.

Versickerung von Niederschlagswasser

Unter der Voraussetzung geeigneter Untergrundbedingungen soll bei der Schwammstadt das Niederschlagswasser von öffentlichen Flächen sowie von Grundstücken möglichst vor Ort versickern und so auf direktem Weg dem natürlichen Wasserkreislauf (Grundwasser) zugeführt werden.

Die Anforderungen an Versickerungsanlagen enthält das Arbeitsblatt DWA‑A 138 „Planung, Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser“, Ausgabe April 2005. Zusätzlich sind die Empfehlungen zur mengen- und gütemäßigen Behandlung von Regenwasser gemäß dem Merkblatt DWA‑M 153 „Handlungsempfehlungen zum Umgang mit Regenwasser“, Ausgabe August 2007, zu beachten.

Die zentrale Versickerung von Niederschlagswasser erfolgt in der Regel über Versickerungsbecken. Das Niederschlagswasser wird hierzu in Regenwasserkanälen gesammelt und dem Versickerungsbecken zugeführt, dort zwischengespeichert und kann dann über eine flächige bewachsene Bodenzone versickern.

Verfahren zur Versickerung von Wasser

Bei der dezentralen Versickerung auf Grundstücken kommen folgende Verfahren infrage:

• Flächenversickerung
  
  Bei der Flächenversickerung wird das anfallende Niederschlagswasser von befestigten Flächen direkt ohne Zwischenspeicherung auf benachbarte Flächen (in der Regel begrünte bzw. teildurchlässige befestigte Flächen) zur Versickerung abgeleitet. Die Flächenversickerung findet ohne wesentlichen Aufstau statt und kommt der natürlichen Versickerung am nächsten.
• Muldenversickerung
  
  Bei der Muldenversickerung versickern die Oberflächenabflüsse nach kurzfristiger Speicherung über eine flächig bewachsene Bodenzone. Die Einstauhöhe des Wassers in der Mulde ist in der Regel auf 0,3 m zu begrenzen.
• Rigolenversickerung
  
  Die Rigolenversickerung wird im Allgemeinen eingesetzt, wenn die zur Verfügung stehende Fläche für eine Muldenversickerung nicht ausreicht. Das Niederschlagswasser wird der Rigole über eine vorgeschaltete Behandlungsanlage zugeführt. Die Bauweisen unterscheiden sich in Rigolen aus Fertigteilen (zum Beispiel aus Kunststoff) oder aus Schütt­material mit hoher Speicherfähigkeit (zum Beispiel Kies) mit eingebetteten Dränagerohren.
• Mulden-Rigolen-Element
  
  Ein Mulden-Rigolen-Element besteht aus einer Versickerungsmulde und einer da­runter angeordneten Rigole mit jeweils eigenständigen Füll- und Entleerungsprozessen. Mulden-Rigolen-Elemente verfügen in der Regel über eine hohe Speicherkapazität (Mulde plus Rigole) und sind dadurch besonders gut bei geringer Wasserdurchlässigkeit des Bodens oder geringem Platzangebot einsetzbar.
• Mulden-Rigolen-System
  
  Bei einem Mulden-Rigolen-System handelt es sich um ein Mulden-Rigolen-Element, bei dem ein Teil des in der Rigole gespeicherten Regenwassers über einen Schacht mit Drossel in ein nachfolgendes System abgeleitet wird.
• Versickerungsschacht
  
  Im Versickerungsschacht wird das Niederschlagswasser zwischengespeichert und verzögert in den Untergrund abgeleitet. Das Wasser sollte dem Schacht stets über eine vorgeschaltete Behandlungsanlage zugeführt werden. Bei den Bauarten der Schächte gibt es grundsätzlich die Unterscheidung in Typ A (Schachtringe mit seitlichen Austrittsöffnungen) und Typ B (Entleerung des Speichervolumens erfolgt vollständig durch die Filterschicht im Sohlenbereich).

Hydrogeologisches Gutachten empfohlen

Bereits im Vorfeld der Planung einer Regenwasserversickerung sollte immer eine hydrogeologische Untersuchung vor Ort durchgeführt werden. Die zur Regenwasserversickerung erforderliche Datenermittlung erfolgt durch Geländeuntersuchungen und Grundwasserstandsmessungen. Im hydrogeologischen Gutachten werden detailliert die Boden- und Grundwasserverhältnisse beschrieben. Die wichtigsten Kenndaten sind hierbei:

• die Tiefenlage des Grundwasserspiegels sowie dessen Schwankungsbreite
• die Wasserdurchlässigkeit des Bodens (Durchlässigkeitsbeiwert k_f in m/s).

Der Abstand der Sohle der Versickerungsanlage zum mittleren höchsten Grundwasserstand (MHGW) sollte mindestens 1,0 m betragen. In Ausnahmefällen kann der Abstand bei geringer stofflicher Belastung der Niederschlagsabflüsse auch weniger als 1,0 m betragen, wobei aber in jedem Fall ein Mindestabstand von 0,5 m berücksichtigt werden muss.

Bei der Regenwasserversickerung liegen die Durchlässigkeitsbeiwerte (k_f-Werte) in der Regel in einem Bereich von 10^-3 bis 10^-6 m/s. Besonders geeignete Bodenarten sind zum Beispiel sandiger Kies, sandiger Schluff sowie Grob-, Mittel- und Feinsande.

Versickerungsanlagen mit Zwischenspeicherung führen durch Regenrückhaltung zu einem höheren Überflutungsschutz. Oberirdische Versickerungsanlagen – wie zum Beispiel Muldenversickerungen oder Versickerungsbecken – leisten ebenso wie oberirdische Regenrückhaltemaßnahmen durch Verdunstung zusätzlich einen Beitrag zur Verbesserung des Stadtklimas.

Erhöhung der Verdunstung

Eine Erhöhung der Verdunstungskühlung – etwa durch Dach- und Fassadenbegrünungen bei Gebäuden, durch Begrünung von Außenflächen und auch durch Bäume – wirkt bei längeren Trockenperioden in den Sommermonaten der Entstehung urbaner Hitze­inseln entgegen und trägt damit zu einer Verbesserung des Stadtklimas bei.

Dachbegrünungen haben in den letzten Jahrzehnten aufgrund der ökologischen, funktionalen und gestalterischen Vorzüge für Städte erheblich an Bedeutung gewonnen. Für die Planung, den Bau und die Instandhaltung von Dachbegrünungen gelten die sogenannten „FLL Dachbegrünungsrichtlinien“, Ausgabe 2018. Sie finden Anwendung bei Intensivbegrünungen, einfachen Intensivbegrünungen und Extensivbegrünungen auf Dächern und Decken, zum Beispiel Hallendächern, Dachterrassen, Tiefgaragen und anderen Bauwerksdecken mit einer Überdeckungshöhe bis 2 m.

Die zugehörigen Regenentwässerungsanlagen müssen in Übereinstimmung mit der DIN 1986‑100 und der DIN EN 12056‑3 „Schwerkraftentwässerungsanlagen innerhalb von Gebäuden – Teil 3: Dachentwässerung, Planung und Bemessung“, Ausgabe Januar 2001, geplant und ausgeführt werden.

Intensivbegrünungen sind nur durch eine intensive Pflege mit regelmäßiger Wasser- und Nährstoffversorgung dauerhaft zu erhalten. Die verwendeten Pflanzen stellen sehr hohe Ansprüche an den Schichtaufbau der Dachbegrünung. Intensivbegrünungen können zum Beispiel aus Stauden, Gräsern, Gehölzen, im Einzelfall auch Bäumen, sowie Rasenflächen bestehen.

Bedingt durch den hohen Schichtaufbau wird bei der Intensivbegrünung ein großer Anteil des anfallenden Regenwassers gespeichert. Dadurch ergeben sich günstigste Bedingungen bei der Minderung des Direktabflusses und der Verduns­tungskühlung.

Unterschiede Intensiv- und Extensivbegrünung

Einfache Intensivbegrünungen sind eine kostensparende Sonderform der Intensivbegrünung. Sie sind in der Regel mit Gräsern, Stauden und Gehölzen ausgebildet. Die verwendeten Pflanzen stellen geringere Ansprüche an den Schichtaufbau.

Extensivbegrünungen hingegen sind naturnah angelegte Vegetationsformen, die sich weitgehend selbst erhalten und weiterentwickeln. Deshalb werden Pflanzen mit besonderer Anpassung an die mitunter extremen Standortbedingungen und mit hoher Regenerationsfähigkeit verwendet. Extensivbegrünungen sind mit relativ niedrigem Aufwand herstellbar und auch der Pflegeaufwand ist im Normalfall sehr gering. Trotz des niedrigen Schichtaufbaus ergeben sich bei Extensivbegrünungen immer noch gute Bedingungen bezüglich der Minderung des Direktabflusses und der Verdunstungskühlung.

Fassadenbegrünung

Bei der Fassadenbegrünung handelt es sich um den planmäßigen und mindestens kontrollierten Bewuchs geeigneter oder speziell vorgerichteter Fassaden mit Pflanzen. Für die Planung, den Bau und die Instandhaltung von Fassadenbegrünungen gelten die sogenannten „FLL Fassadenbegrünungsrichtlinien“, Ausgabe 2018.

Bei Fassadenbegrünungen wird zwischen boden- und fassadengebundenen Begrünungen unterschieden. Bei der bodengebundenen Begrünung haben die Pflanzen eine direkte Verbindung zum gewachsenen Boden. Die Versorgung der Pflanzen mit Wasser und Nährstoffen erfolgt in der Regel auf natürliche Weise über den Boden. Regelmäßige Pflege ist notwendig, aber erfahrungsgemäß mit relativ geringem Aufwand verbunden.

Lesen Sie dazu auch: Wie eine Fassadenbegrünung Städte aufblühen lässt

Bei der fassadengebundenen Begrünung besteht keine Verbindung zum Boden. Die Versorgung der Pflanzen mit Wasser und Nährstoffen erfolgt über automatische Anlagen. Der Pflegeaufwand ist hier in der Regel größer als bei bodengebundenen Begrünungen.

Bäume in der Schwammstadt

Durch das Schwammstadt-Prinzip können Bäume einen erheblichen Beitrag zur Verbesserung des Stadtklimas durch Verduns­tungskühlung leisten. Bei optimaler Wasser-, Luft- und Nährstoffversorgung sind Bäume zudem in der Lage, über einen langen Lebenszyklus zu mehr Lebensqualität für Mensch und Tier beizutragen.

Zur Optimierung der Wachstumsbedingungen für Bäume entscheiden sich Kommunen und Städte immer häufiger für den Einsatz von Wurzelkammersystemen. Hiermit können sich die Baumwurzeln frei entfalten, sodass dem Stadtbaum dauerhaft genügend Nährstoffe für ein gesundes und nachhaltiges Gedeihen zur Verfügung stehen.

Regenwassernutzung

Bei der Regenwassernutzung wird Regenwasser gesammelt, behandelt, gespeichert und als Betriebswasser (Nicht-Trinkwasser) – zum Beispiel zur WC-Spülung, zum Wäschewaschen oder zur Gartenbewässerung – verwendet. Das spart wertvolle Ressourcen und schützt so die Umwelt.

Die Planung und Bemessung, der Einbau sowie die Kennzeichnung, Inbetriebnahme und Wartung von Regenwassernutzungsanlagen müssen gemäß DIN EN 16941‑1 „Vor-Ort-Anlagen für Nicht-Trinkwasser – Anlagen für die Verwendung von Regenwasser“, Ausgabe Juni 2018 (Entwurf vom September 2022 liegt vor), erfolgen.

In Deutschland gelten für Regenwassernutzungsanlagen neben der DIN EN 16941‑1 noch weitere Regelwerke, wie zum Beispiel die Trinkwasserverordnung (TrinkwV) und die „Verordnung über Allgemeine Bedingungen für die Versorgung mit Wasser (­AVBWasserV)“. Seit Juli 2022 sind noch zusätzlich die Anforderungen der DIN 1989‑100 „Regenwassernutzungsanlagen – Teil 100: Bestimmungen in Verbindung mit DIN EN 16941‑1“ zu berücksichtigen.

Der Einbau von Regenwassernutzungsanlagen ist in Deutschland meldepflichtig. Beim Konzept der Schwammstadt ist die Regenwassernutzung zur Gartenbewässerung besonders günstig, da hierbei nicht nur eine Minderung des Direktabflusses durch die Speicherung erfolgt, sondern zusätzlich das Stadtklima durch Verdunstungskühlung verbessert wird.

Erstellung der Wasserhaushaltsbilanz

Ziel der Wasserhaushaltsbilanz ist der Erhalt eines naturnahen Wasserhaushaltes und damit die Reduzierung der abzuleitenden Niederschlagsmengen über die Kanalisation. Die Ermittlung erfolgt über die Bilanzierung aus Niederschlag, Verdunstung, Abfluss und Speicheränderung, bezogen auf ein Gebiet und einen Zeitraum.

Mit der Arbeits- und Merkblattreihe DWA‑A/M 102 „Grundsätze zur Bewirtschaftung und Behandlung von Regenwetterabflüssen zur Einleitung in Oberflächengewässer“ wurde erstmals der Erhalt des lokalen Wasserhaushaltes als Zielgröße formuliert.

Im Merkblatt DWA‑M 102, Teil 4 „Wasserhaushaltsbilanz für die Bewirtschaftung des Niederschlagswassers“ vom März 2022 ist ein Rechenverfahren für den langjährigen lokalen Wasserhaushalt in Siedlungsgebieten enthalten. Bereits in der Entwurfsphase des Merkblatts DWA‑M 102‑4 (Gelbdruck vom Dezember 2020) forderten einige Genehmigungsbehörden bei neuen Erschließungsmaßnahmen die Aufstellung einer Wasserhaushaltsbilanz nach dem Rechenverfahren gemäß Entwurf.

Bei der Bilanzierung muss gemäß Abschnitt 5.3.3 des Merkblatts DWA‑M 102‑4 der Vergleich zwischen dem langjährigen Mittel der Wasserbilanz des unbebauten Gebiets (Referenzzustand) und dem langjährigen Mittel der Wasserbilanz des geplanten bebauten Gebiets erfolgen. Hierbei sollen die Bilanzgrößen im bebauten Zustand bzw. Planungszustand denen des unbebauten Referenzzustands so weit wie möglich angenähert werden. Sind durch unvermeidbare Randbedingungen größere Abweichungen zu erwarten, müssen diese fachlich begründet und im Rahmen von Ersatz- und Ausgleichsregelungen berücksichtigt werden.

Der Autor Bernd Ishorst ist Berater, Fachautor und Referent für Entwässerungs­technik.