Wasserhaushalt 2022

Einleitung

Eine möglichst genaue Kenntnis über den Wasserhaushalt ist Voraussetzung für eine wasserwirtschaftliche Planung und Bewirtschaftung der Wasserressourcen, die sich an den Grundsätzen der Nachhaltigkeit orientiert. Gerade im Berliner Raum, der im Vergleich zu anderen Ballungsräumen über nur begrenzte Wasserressourcen verfügt, die in einem deutlichen Missverhältnis zur Zahl der Einwohner und ihrem Trink- und Brauchwasserbedarf und dem damit verbundenen Abwasseranfall stehen, ist die Bilanzierung der Komponenten des Wasserhaushaltes von besonderer Bedeutung. Darüber hinaus ist es

• für den Gewässerschutz wichtig, die anfallende Menge Oberflächenwasser abschätzen zu können, die in die Gewässer eingeleitet wird, da mit dem Niederschlagswasser erhebliche Schadstofffrachten in die Gewässer gelangen,
• für den Grundwasserschutz wichtig, über Kenntnisse zur Versickerungsfähigkeit der Böden zu verfügen, da der Stofftransport aus kontaminierten Böden zum großen Teil über das Sickerwasser erfolgt,
• für Naturschutz und Landschaftspflege wichtig, die Wasserverfügbarkeit für die Vegetation aus Grundwasserneubildung und kapillarem Wasseraufstieg aus dem Grundwasser abzuschätzen.

Das durch Niederschläge einem Gebiet zugeführte Wasser wird in Abhängigkeit von klimatologischen Bedingungen und anderen Gebietseigenschaften mit unterschiedlichen Anteilen in die Wasserhaushaltsgrößen Verdunstung, oberirdischer Abfluss (Oberflächenabfluss), unterirdischer Abfluss (Versickerung bzw. Grundwasserneubildung) und Wasservorratsänderung aufgeteilt. Der zunächst zu ermittelnde Parameter ist der Gesamtabfluss als Summe des ober- und unterirdischen Abflusses.

Nach der allgemeinen Wasserhaushaltsgleichung entspricht der Gesamtabfluss der Differenz aus Niederschlag minus realer Verdunstung. Die Verdunstung ist bei dieser Berechnung die entscheidende Größe, die unter natürlichen Verhältnissen hauptsächlich durch die Vegetation, die klimatischen Bedingungen und die Bodenverhältnisse bestimmt wird.

In einem Stadtgebiet ist die reale Verdunstung gegenüber dem Umland jedoch stark modifiziert. Durch Bebauung und Versiegelung ist die Verdunstung in der Stadt deutlich geringer als auf den mit Vegetation bestandenen Flächen. Während die Pflanzen durch ihr Blätterwerk ständig transpirieren, verdunstet von Bauwerken und versiegelten Flächen nur das wenige Wasser, das auf den Oberflächen nach dem Regen haften geblieben ist. Der Gesamtabfluss ist also in urbanen Gebieten deutlich höher als in vegetationsreichen Gebieten.

In Berlin werden seit einigen Jahren vermehrt Dachbegrünungen als ein Element der Regenwasserbewirtschaftung eingesetzt. Damit werden der Ablauf von Regenwasser reduziert und Verdunstungsflächen geschaffen. Um diesen Effekt in den Wasserhaushaltskarten des Umweltatlas zu berücksichtigen, fließen seit 2017 die Gründächer Berlins (vgl. Umweltatlaskarte 06.11) in die Berechnungen ein.

Die hier präsentierten Karten von 2022 sind Teil der Ergebnisse des Forschungsprojekts „AMAREX – Anpassung des Managements von Regenwasser an Extremereignisse“. Das Verbundvorhaben wird vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) innerhalb der Fördermaßnahme Wasserextremereignisse (WaX) gefördert (Förderkennzeichen: 02WEE1624A-H). Die Fördermaßnahme läuft unter dem Dach des Bundesprogramms Wasser: N und ist Teil der BMFTR-Strategie Forschung für Nachhaltigkeit (FONA).

Das Wasserhaushaltsmodell Berlin ABIMO 3.2 (AbflussBIldungsMOdell) wurde hierfür vorab als freie Software veröffentlicht (https://github.com/umweltatlas/abimo). Im Laufe der Projektzeit wurde ABIMO 3.2 vom Kompetenzzentrum Wasser Berlin (KWB, https://www.kompetenz-wasser.de/de) umfangreich getestet und weiterentwickelt. Die erfolgten Weiterentwicklungen werden, sofern sie die Methode und neue Parameter betreffen, unter Methode beschrieben:

• Validierung der Modellberechnung durch Vergleich mit Abflussdaten der Berliner Klärwerke (vgl. Exkurs),
• Technischer Umbau der C++-Anwendung zu einer R-Anwendung,
• Getrennte Wasserhaushaltsmodellierung von Block(teil)- und Straßenflächen,
• Behebung eines Fehlers, der in der bisherigen Berechnung zu der Überschätzung der Größe des unversiegelten Flächenanteils bei der Berechnung der Versickerung von Block(teil)flächen inklusive anteiliger Straßenfläche geführt hat,
• Integration der Einflussgröße Dachbegrünung in die Wasserhaushaltsmodellierung innerhalb der R-Anwendung,
• Möglichkeit zur Integration der Effekte von Versickerungsmulden (Dies wurde aufgrund von mangelnder Datengrundlage für die Gesamtstadt nicht in den Karten berücksichtigt. Im AMAREX Webtool besteht jedoch die Möglichkeit, Versickerungsmulden für die Planung zu berücksichtigen.),
• Verwendung der Grünvolumenzahl 2020 (vgl. Umweltatlaskarte 05.09) zur Bestimmung von individuellen Verdunstungsparametern pro Block(teil)- bzw. Straßenfläche, anstelle der bisher verwendeten pauschalen Zuweisung über die Flächennutzung,
• Entwicklung des neuen Parameters Delta-W, die Abweichung zum natürlichen Wasserhaushalt in Prozent,
• Generalisierung der Modellogik zur erleichterten Übertragbarkeit auf andere Standorte. (Berlinspezifische Eingangsgrößen wie der Stadtstrukturtyp und die Nutzungskategorie wurden vom Modellinput entfernt. Stattdessen wurden davon abgeleitete Parameter wie Ertrag und Beregnung direkt als Eingangsgrößen integriert. Dadurch konnte das Modell auf Köln übertragen werden.),
• Entwicklung des AMAREX Webtools (https://amarex-staging.netlify.app/amarex): hierbei handelt es sich um ein Planungstool, mit dem im Berliner Stadtgebiet für eine individuelle Gebietsauswahl verschiedene Maßnahmen (Entsiegelung, Dachbegrünung, Anschluss an Mulden) ausgewählt werden können. Für die gewählte Maßnahmenplanung werden anschließend die Wasserhaushaltsgrößen des Status quo und nach Ausführung der Planungen aufgezeigt. Die Ergebnisse können gespeichert, neu geladen sowie als Report gedruckt werden.

Die innerhalb des AMAREX-Projekts weiterentwickelte Version von ABIMO ist unter https://github.com/KWB-R/kwb.rabimo veröffentlicht.
Weitere Ergebnisse des Forschungsprojekts, die über das Thema Wasserhaushalt hinausgehen, sind in der Umweltatlaskarte 02.25 sowie unter https://www.amarex-projekt.de/de veröffentlicht.

Abb. 1: Typischer Wasserhaushalt von versiegelten Flächen und Vegetationsflächen (blaue Pfeile: Verdunstung, gelbe Pfeile: Oberflächenabfluss, grüne Pfeile: Versickerung) (© Kompetenzzentrum Wasser Berlin)

Der Gesamtabfluss charakterisiert am besten die hydrologischen Bedingungen von Teilflächen und Einzugsgebieten. Für geschlossene Einzugsgebiete entspricht die Summe des gebildeten Abflusses aller Teilflächen dem gesamten ober- und unterirdischen Abfluss des Gebietes, dem Wasserdargebot.

In städtischen Gebieten mit versiegelten Flächen fließt abhängig vom Anschlussgrad dieser Flächen an die Kanalisation ein Teil des Gesamtabflusses den Wasserläufen direkt über die entsprechenden Einleitungsstellen oder indirekt über die Klärwerke zu. Der verbleibende Teil der Abflussbildung versickert am Rande der versiegelten oder innerhalb der teilversiegelten Flächen in tiefere Schichten unterhalb der verdunstungsbeeinflussten Zone und speist das Grundwasser. Für diese Flächen kann somit bei Kenntnis des Ausbauzustands der Regenwasserkanalisation die Versickerung bzw. die Grundwasserneubildung aus der Abflussbildung durch Abzug der Regenwasserableitung ermittelt werden.

Die auf diese Weise ermittelten Werte der Versickerung und des Oberflächenabflusses sind in erster Linie für wasserwirtschaftliche Fragestellungen von Bedeutung und sind wichtige Kenngrößen für den Wasserhaushalt urbaner Gebiete.

Im Rahmen der Bewertung der Leistungsfähigkeit von Böden für den vorsorgenden Bodenschutz oder für die Eingriffsbewertung nach dem Naturschutzgesetz ist jedoch die Ermittlung der Versickerung auf unversiegelten Böden von besonderem Interesse. Aus diesem Kennwert kann einerseits die unterschiedliche Leistungsfähigkeit der Böden für die Versickerung abgeleitet werden. Andererseits kann im Rahmen von Planungen abgeschätzt werden, welchen Einfluss eine geplante zukünftige Versiegelung auf die Versickerungsleistung eines Plangebietes haben würde. Diese Aussagen können mit den Werten der Karte „02.13.2 Versickerung aus Niederschlägen“ nicht getroffen werden, da hier für die jeweiligen Bezugsflächen Mittelwerte aus versiegelten und unversiegelten sowie aus kanalisierten und nicht kanalisierten Flächenanteilen dargestellt sind.

Aus diesen Gründen ist zusätzlich zur Karte 02.13.2 die Ermittlung und Darstellung der Versickerung unversiegelter Flächen (Karte 02.13.4) vorgenommen worden. Dargestellt wird die Versickerung aus Niederschlägen ohne Berücksichtigung der Versiegelung. Hier wurde im Rahmen des Forschungsprojekts AMAREX die Annahme geändert. Wie bisher wurde die Versiegelung für alle Flächen auf 0 % gesetzt und zusätzlich wurde bei den in der Realität versiegelten Flächen eine Stadtparklandschaft mit einer Mischung aus begrünten und baumbestandenen Flächen angenommen. Bei Vegetationsflächen, die eine höhere Vegetationsintensität (ehemals Ertragsklasse) als Stadtparklandschaft hatten, wie z. B. Wald, wurde nichts geändert. Die Versickerung von Niederschlägen auf unversiegelten Böden fließt in die Bodenfunktionskarte „Regelungsfunktion für den Wasserhaushalt der Böden“ ein (Umweltatlaskarte 01.12.4).

Die DWA-Richtlinie M 102-4 empfiehlt, bei Neubauprojekten die Abweichung vom natürlichen Wasserhaushalt möglichst gering zu halten. Um diese Abweichung zu quantifizieren wurde im Rahmen des Forschungsprojekts AMAREX auf Basis der drei Wasserhaushaltskomponenten Oberflächenabfluss, Verdunstung und Versickerung der Parameter Delta-W (Karte 02.13.6) entwickelt. Dieser beschreibt die prozentuale Abweichung vom Wasserhaushalt eines natürlichen Referenzszenarios (Stadtparklandschaft mit einer Mischung aus begrünten und baumbestandenen Flächen). Das Referenzszenario ist grundsätzlich unversiegelt und unbebaut.

Unter Grundwasserneubildung wird hier der Vorgang verstanden, bei dem durch Versickerung von Niederschlägen Grundwasser entsteht. Die Höhe der Grundwasserneubildung unterscheidet sich von der Höhe der Sickerwasserbildung. Sie ist gegenüber der Sickerwasserrate zusätzlich um den Anteil des Zwischenabfluss oder Interflows (Anteil des Abflusses der den Vorflutern aus den oberflächennahen Bodenschichten zufließt) vermindert.

Die Kenntnis der Höhe der Grundwasserneubildung ist insbesondere unter der zu erwartenden Veränderung des Wasserhaushalts durch Klimaänderungen für eine langfristige und auf Nachhaltigkeit angelegte Nutzung der Grundwasserressourcen wichtig und darüber hinaus für die Abschätzung der potentiellen Gefahr eines Transportes von Schadstoffen aus der ungesättigten Zone in das Grundwasser (Verleger und Limberg 2013, Löschner 2008).