Wasserhaushalt 2022

Methode

Mitte der 90er Jahre wurde in Kooperation mit der Bundesanstalt für Gewässerkunde, Außenstelle Berlin, ein Modell entwickelt, programmiert und angewendet, das die wichtigsten Größen des Wasserhaushaltes berechnet.

Das von Glugla entwickelte Wasserhaushaltsmodell ABIMO ist auf der Grundlage bereits seit den 70er Jahren entwickelter Modelle zur Berechnung des Grundwasserdargebots entstanden, und um Bausteine erweitert worden, die der speziellen Situation in urbanen Gebieten Rechnung tragen. Diese Erweiterung wurde gutachterlich durch das Institut für Ökologie (Bodenkunde) der TU Berlin und durch eine Diplomarbeit am Fachbereich Geographie der FU Berlin unterstützt. Bei der rechentechnischen Realisierung, die durch ein externes Softwarebüro erfolgte, wurde es außerdem an die spezielle Datenlage in Berlin angepasst. Seit 2022 ist ABIMO als freie Software in der Version 3.2 unter https://github.com/umweltatlas/abimo verfügbar.

Im Rahmen des Forschungsprojekts AMAREX wurde ABIMO 3.2 weiterentwickelt. Dabei erfolgte ein technischer Umbau der C++-Anwendung zu einer R-Anwendung. Diese Version ist unter https://github.com/KWB-R/kwb.rabimo ebenfalls frei verfügbar. Mit diesem weiterentwickelten Modell wurden die Karten 2022 aktualisiert. Eine Übersicht der Arbeitsschritte wird im Schema 2025 dargestellt.

Das Berechnungsverfahren ermittelt zunächst die tatsächliche Verdunstung, um den Gesamtabfluss (Niederschlag minus Verdunstung) zu errechnen. Im zweiten Arbeitsschritt wird der Oberflächenabfluss als Teil des Gesamtabflusses bestimmt. Die Differenz aus Gesamtabfluss und Oberflächenabfluss bildet dann den Versickerungsanteil. Einen Eindruck von der Komplexität des Verfahrens vermittelt Abb. 2.

Abb. 2: Flussdiagramm des Modells ABIMO (aus Bach 1997, verändert)

Abb. 2a: Symbolverzeichnis zum Flussdiagramm ABIMO

Der Gesamtabfluss wird aus der Differenz der langjährigen Jahresmittelwerte des Niederschlags und der realen Verdunstung berechnet. Die reale Verdunstung, wie sie im Mittel tatsächlich an Standorten und in Gebieten auftritt, wird aus den wichtigsten Einflussgrößen Niederschlag und potentielle Verdunstung sowie den mittleren Speichereigenschaften der verdunstenden Flächen berechnet. Bei ausreichender Feuchtezufuhr zur verdunstenden Fläche nähert sich die reale Verdunstung der potentiellen. Die reale Verdunstung wird zusätzlich durch die Speichereigenschaften der verdunstenden Fläche modifiziert. Höhere Speicherwirkung (z. B. größere Bindigkeit des Bodens und größere Durchwurzelungstiefe) bewirkt eine höhere Verdunstung.

Dem aufgezeigten Zusammenhang zwischen den mehrjährigen Mittelwerten der realen Verdunstung einerseits sowie des Niederschlags, der potentiellen Verdunstung und der Verdunstungseffektivität des Standorts andererseits genügt die Beziehung nach Bagrov (vgl. Glugla et al. 1971, Glugla et al. 1976, Bamberg et al. 1981 und Abb. 3). Die Bagrov-Beziehung beruht auf der Auswertung langjähriger Lysimeter-Versuche und beschreibt das nichtlineare Verhältnis zwischen Niederschlag und Verdunstung in Abhängigkeit von den Standorteigenschaften. Mit der Bagrov-Beziehung kann bei Kenntnis der Klimagrößen Niederschlag P und potentielle Verdunstung EP (Quotient P/EP) sowie des Effektivitätsparameters n der Quotient reale Verdunstung / potentielle Verdunstung (ER/EP) und somit die reale Verdunstung ER für Standorte und Gebiete ohne Grundwassereinfluss ermittelt werden. Zur Berechnung der grundwasserbeeinflussten Verdunstung wird ebenfalls das Bagrov-Verfahren in modifizierter Form genutzt, indem die mittlere Kapillarwasserzufuhr aus dem Grundwasser dem Niederschlag zugerechnet wird.

Abb. 3: Darstellung der Bagrov-Gleichung für ausgewählte Werte des Parameters n und Abhängigkeit dieses Parameters von Landnutzung und Bodenart (nach Glugla et al. 1995)

Mit wachsendem Niederschlag P nähert sich die reale Verdunstung ER der potentiellen Verdunstung EP, d. h. der Quotient ER/EP nähert sich dem Wert 1. Bei abnehmendem Niederschlag P (P/EP geht gegen den Wert 0) nähert sich die reale Verdunstung ER dem Niederschlag P. Die Intensität, mit der diese Randbedingungen erreicht werden, wird durch die Speichereigenschaften der verdunstenden Fläche (Effektivitätsparameter n) verändert.

Die Speichereigenschaften des Standorts werden insbesondere durch die Nutzungsform (zunehmende Speicherwirksamkeit in der Reihenfolge versiegelte Fläche, vegetationsloser Boden, landwirtschaftliche, gärtnerische bzw. forstliche Nutzung) sowie die Bodenart (zunehmende Speicherwirksamkeit mit höherer Bindigkeit des Bodens) bestimmt.

Maß für die Speicherwirksamkeit des unversiegelten Bodens ist die nutzbare Feldkapazität als Differenz der Feuchtewerte des Bodens für Feldkapazität (Beginn der Wasserversickerung im Boden) und für den permanenten Welkepunkt (bleibende Trockenschäden an den Pflanzen). Weitere Landnutzungsfaktoren, wie Hektarertrag, Baumart und -alter, modifizieren den Parameterwert n. Der Parameter n wurde in Auswertung von Beobachtungsergebnissen zahlreicher in- und ausländischer Lysimeterstationen und von Wasserhaushaltsuntersuchungen in Flusseinzugsgebieten quantifiziert.

Für Standorte und Gebiete mit flurnahem Grundwasser tritt infolge Kapillaraufstiegs von Grundwasser in die verdunstungsbeeinflusste Bodenzone je nach Grundwasserflurabstand und Bodeneigenschaften eine gegenüber grundwasserunbeeinflussten Bedingungen erhöhte Verdunstung auf. Die Abflussbildung vermindert sich. Übersteigt die reale Verdunstung den Niederschlag, tritt Wasserzehrung auf, und die Werte für die Abflussbildung werden negativ (z. B. Fluss- und Seeniederungen).

Bei Gewässerflächen tritt infolge höheren Wärmeangebots (geringeres Reflexionsvermögen der Einstrahlung) eine gegenüber Landflächen erhöhte potentielle Verdunstung auf. Die tatsächliche Gewässerverdunstung wird näherungsweise dieser erhöhten potentiellen Verdunstung gleichgesetzt.

Punktuelle Versickerung, z. B. durch die Grundwasseranreicherungsanlagen der Wasserwerke wurde nicht berücksichtigt. Bei gärtnerischer Nutzung (Kleingärten, Wochenendhäuser, Parks, Friedhöfe, Baumschulen/Gartenbau und z.T. bei Wohn- oder Gemeinbedarfs- und Sondernutzungen) wurde zum Niederschlag für die Bewässerung ein Näherungswert addiert (50 – 100 mm/Jahr).

Nachdem der mittlere Gesamtabfluss als Differenz aus Niederschlag und realer Verdunstung berechnet wurde, wird nun in einem zweiten Arbeitsschritt der Oberflächenabfluss bestimmt. Auf Dachflächen, die in die Kanalisation entwässern, entspricht der Oberflächenabfluss dem Gesamtabfluss. Flächen, die nicht an die Kanalisation angeschlossen sind, erzeugen keinen Oberflächenabfluss. Unbebaut versiegelte Flächen infiltrieren abhängig von der Art der Oberflächenbeläge (Belagsarten) einen Teil des Abflusses in den Untergrund. Dieser Infiltrationsfaktor ist abhängig von der Breite, dem Alter und der Art der Fugen. Der nicht versickernde Abfluss wird – abhängig von dem Anschlussgrad an die Kanalisation – als Oberflächenabfluss über die Kanalisation abgeleitet oder versickert, sofern er nicht von der Kanalisation erfasst, am Rande der versiegelten Flächen. Ebenso versickern die Anteile der nicht an die Kanalisation angeschlossenen Dachflächen (vgl. Tab. 1). Die Differenz aus Gesamtabfluss und Oberflächenabfluss entspricht somit der Versickerung als Ausgangsgröße für die Grundwasserneubildung. Die Verdunstung der Block(teil)flächen wird dann aus der Differenz von korrigiertem Niederschlag (Korrigierter Niederschlag = Niederschlag multipliziert mit dem Faktor 1,09 pauschal für Berlin) und Gesamtabfluss berechnet.

Für die Anwendung des Verfahrens für urbane Gebiete mussten die Parameter n und die Infiltrationsfaktoren für die unterschiedlichen Versiegelungsmaterialien bestimmt werden. Hierzu wurden sowohl Lysimeterversuche mit verschiedenen Versiegelungsmaterialien als auch Berechnungen zum Benetzungsverlust ausgewertet (vgl. Wessolek/Facklam 1997). Die gewählten Größen für die genannten Parameter sind in Tab. 2 aufgeführt. Die mit dem Alterungsprozess durch Verdichtung und Verschlämmung der Fugen einhergehende Veränderung dieser Parameter wurde dabei berücksichtigt. Aufgrund nach wie vor unzureichender wissenschaftlicher Grundlagen sind die Angaben jedoch noch mit gewissen Unsicherheiten verbunden. Darüber hinaus wäre für hydrologische Fragestellungen eine andere Zusammenfassung der Belagsarten zu Belagsklassen wünschenswert.

Für die Ermittlung der Versickerung ohne Berücksichtigung der Versiegelung (Karte 02.13.4) wurden die Eingangsdaten dahingehend verändert, dass die Versiegelung für alle Flächen auf 0 gesetzt und der Vegetationstyp Stadtparklandschaft mit einer Mischung aus begrünten und baumbestandenen Flächen angenommen wurde. Bei anderen realen Grünnutzungen wie z. B. Wald wurde sich nichts verändert.

Trennung der Modellierung von Block(teil)- und Straßenflächen 2022

Das bestehende Wasserhaushaltsmodell 3.2 ist besonders auf die vorhandenen Daten Berlins und insbesondere auf den Raumbezug des Informationssystems Stadt und Umwelt (ISU) angepasst. Da in der ISU lange Zeit Straßenflächen nicht als eigenständige Flächen kartiert wurden, wurden die Straßenflächen anteilig in den Block(teil)flächen integriert und berücksichtigt.

Für den ISU-Raumbezug 2020 stehen erstmals kleinteilige Straßenflächen mit entsprechenden Daten zur Verfügung. Innerhalb des Forschungsprojekts AMAREX wurde ABIMO so weiterentwickelt, dass die Straßenflächen getrennt von den Block(teil)flächen ausgewertet werden können.

Dafür wurden die zu den Straßenanteilen bezogenen Spalten als optional für das Input Format definiert. Im neuen Datensatz besitzen die Straßenflächen die gleiche Datenstruktur als die restlichen Blockteilflächen und werden vom Modell gleich behandelt.

Bei der Entwicklung dieser Trennung wurde auch ein Fehler behoben, der in der bisherigen Berechnung der Block(teil)flächen inklusive anteiliger Straßenflächen zur Überschätzung der Größe des unversiegelten Flächenanteils bei der Berechnung der Versickerung geführt hatte.

Verwendung von individuellen Verdunstungsparametern 2022

Im Forschungsprojekt AMAREX wurde ABIMO so weiterentwickelt, dass die vorhandenen Daten der Grünvolumenzahl 2020 (vgl. Umweltatlaskarte 05.09) zur Bestimmung von individuellen Verdunstungsparametern pro Block(teil)- bzw. Straßenfläche verwendet wird. Dies ersetzt die pauschale Zuweisung über die Flächennutzung bzw. den Flächentyp im Modell.

Dafür wurde basierend auf dem Verhältnis von Vegetationsvolumen zur unversiegelten Fläche aus dem Grundvolumen ein normierter Vegetationsindex berechnet. Dieser Index wurde anschließend linear auf den Wertebereich der ursprünglichen Vegetationsklassifikation skaliert, sodass typische Stadtblöcke Werte zwischen 20 und 30 und größere Parkanlagen Werte um 50 erreichten. Eine exponentielle Anpassung der Skalierung und eine Deckelung auf Maximalwerte (75, einem Wald entsprechend) sorgten für eine realitätsnahe Verteilung. Die Umsetzung wurde anhand mehrerer bekannten Parkanlagen (z. B. Tiergarten, Hasenheide) überprüft. Die resultierenden, skalierten Werte dienen nun als neue, differenzierte Eingangsgröße für die Verdunstungsmodellierung.

Berücksichtigung des Einflusses begrünter Dächer auf die Daten zum Wasserhaushalt

Durch die in der Umweltatlaskarte 06.11 Gründächer vorliegenden flächendeckenden räumlichen Daten zu begrünten Dachflächen konnten seit 2017 die Effekte der Gründächer auf den Wasserhaushalt mit berechnet werden.

Im Forschungsprojekt AMAREX wurde die Berechnung in ABIMO integriert. Da das ursprüngliche ABIMO-Modell keine explizite Berücksichtigung von Gründächern vorsieht, wurde ein Verfahren entwickelt, um deren Effekte dennoch in die Bilanz einzubeziehen.

Dazu wurde in ABIMO eine neue Flächenkategorie „Gründach“ eingeführt, der – analog zu anderen Kategorien – sowohl ein Bagrov-Wert (vgl. Abbildung 3) als auch ein Infiltrationsbeiwert (vgl. Tabelle 2) zugewiesen wurden. Wie bei der bestehenden Kategorie „Dach“ ist die Infiltration auf 0 gesetzt; ein abweichender Bagrov-Wert reguliert jedoch die Verdunstung und ermöglicht so die Abbildung des erhöhten Verdunstungsanteils von Gründächern.

Zur Bestimmung dieses Bagrov-Wertes wurde das Wasserbilanzmodell WABILA (DWA, o. J.) herangezogen. WABILA erlaubt eine detaillierte Simulation von Regenwasserbewirtschaftungsmaßnahmen und liefert entsprechend präzise Wasserbilanzwerte. Es wurde jeweils mit ABIMO und WABILA die Verdunstung berechnet und anschließend der Bagrov-Wert (Faktor) gewählt, der für die meisten Klimaszenarien die Verdunstungsergebnisse angeglichen hat.

Möglichkeit zur Integration der Effekte von Versickerungsmulden 2022

Es besteht der Bedarf, Maßnahmen der Regenwasserbewirtschaftung im Wasserhaushaltsmodell zu berücksichtigen. Dies konnte im Verlauf des Forschungsprojektes AMAREX für Versickerungsmulden umgesetzt werden. Da für die Gesamtstadt jedoch keine flächendeckenden Daten zu Versickerungsmulden vorliegen, wurden diese für die Karten 2022 nicht berücksichtigt. Im AMAREX Webtool (https://amarex-staging.netlify.app/amarex) besteht jedoch die Möglichkeit, Versickerungsmulden für die Planung zu berücksichtigen.

Dafür wird der Anteil der abflusswirksamen Fläche, die einer Mulde angeschlossen ist, als weiterer Inputparameter angegeben. Es wird angenommen, dass die Versickerungsmulde ideal funktioniert, das heißt, ein kleiner Teil des Zuflusses wird in Verdunstung umgewandelt, der verbleibende Anteil versickert vollständig. Der genaue Anteil der Verdunstung wird über einem Parameter in der Konfigurationsdatei definiert und beschreibt den Bruchteil des zufließenden Wassers, der in Verdunstung übergeht.

Delta-W: Abweichung vom natürlichen Wasserhaushalt 2022

Die Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall (DWA) formuliert als Zielsetzung, „die Veränderungen des natürlichen Wasserhaushalts durch Siedlungsaktivitäten in mengenmäßiger und stofflicher Hinsicht so gering zu halten, wie es technisch, ökologisch und wirtschaftlich vertretbar ist“ (DWA, 2022).

Im Forschungsprojekt AMAREX wurde aus diesem Anlass den Parameter Delta-W (ΔW) eingeführt:

der die Abweichung von einem ideellen natürlichen Zustand beschreibt. Dabei werden die drei Wasserhaushaltskomponenten – Verdunstung/Evapotranspiration (ev), Versickerung/Infiltration (ri) und Oberflächenabfluss (rs) – jeweils mit ihren natürlichen Referenzwerten verglichen. Das Ergebnis wird als Zahl zwischen 0 und 100 % angegeben.

Als Referenzszenario für einen natürlichen Wasserhaushalt wird eine unversiegelte und unbebaute Fläche in einer Stadtparklandschaft mit einer Mischung aus begrünten und baumbestandenen Flächen (Ertragsklasse = 50) angenommen.

Technische Neuerungen im Modell 2022

Im Rahmen des Forschungsprojekts AMAREX wurde ABIMO 3.2 weiterentwickelt. Im Folgenden wird kurz auf die technischen Neuerungen im Modell eingegangen:

• Technischer Umbau der C++-Anwendung zu einer R-Anwendung. Der Modell-Code wurde auf Englisch übersetzt. Diese Version ist unter https://github.com/KWB-R/kwb.rabimo frei verfügbar.
• Zur Verbesserung der Übertragbarkeit auf andere Städte wurde die Modelllogik generalisiert. Berlinspezifische Eingangsgrößen wie der Stadtstrukturtyp oder die Nutzungskategorie wurden aus dem Modell-Code entfernt. Stattdessen werden nun daraus abgeleitete Größen, wie z. B. Ertrag und Beregnung, direkt über die Inputdaten bereitgestellt. Auch zuvor fest im Modell verankerte Parameter, wie etwa die potenzielle Verdunstung, wurden aus dem Modellkern gelöst und können nun flexibel über die Eingabedaten definiert werden. Dadurch konnte das Modell auch in Köln angewendet werden.

AMAREX Webtool

Das AMAREX Webtool (https://amarex-staging.netlify.app/amarex) ist ein Prototyp eines Planungstools, 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 Umsetzung der Planungsszenarien aufgezeigt. Die Ergebnisse können gespeichert, neu geladen sowie als Report gedruckt werden.

Nutzerinnen und Nutzer können dafür in zwei Modi arbeiten:

• Quartiersebene: Hier können mehrere Block(teil)- und Straßenflächen gleichzeitig ausgewählt werden. Die Maßnahmen werden dann mithilfe von Schiebereglern pauschal auf das gesamte Auswahlgebiet angewendet. Dabei wird darauf geachtet, dass die Maßnahmen automatisch sinnvoll verteilt werden. Beispielsweise führt die Festlegung eines Zielwerts von 30 % für begrünte Dachflächen nicht dazu, dass bereits stärker begrünte Dächer „verschlechtert“ werden, sondern lediglich un- oder weniger begrünte Dächer ergänzt werden.
• Lokale Ebene: In diesem Modus kann gezielt eine einzelne Fläche ausgewählt werden. Auf dieser lassen sich vordimensionierte Maßnahmen an spezifischen Stellen platzieren, wodurch eine detaillierte und ortsgenaue Planung ermöglicht wird. Der genaue Ort der Platzierung innerhalb der Fläche hat allerdings keinen Einfluss auf die Modellberechnung und dient lediglich der besseren Veranschaulichung im Planungstool.

Endergebnis

Im Ergebnis der Berechnungen liegen für ca. 25.000 Block(teil)flächen und ca. 32.000 Straßenflächen aktualisierte langjährige Mittelwerte für den Gesamtabfluss, die Verdunstung, den Oberflächenabfluss und die Versickerung inkl. der Berücksichtigung der Gründächer vor. Die Werte wurden klassifiziert in mm/Jahr in den vorliegenden Karten dargestellt; die Gesamtmengen in m³/Jahr wurden ebenfalls errechnet und bilanziert. Es muss beachtet werden, dass die dargestellten Werte Mittelwerte über die als einheitliche Flächen dargestellten Block(teil)- und Straßenflächen sind, die in der Realität inhomogene Strukturen aufweisen. Die Abflüsse versiegelter und unversiegelter Flächen werden hier zu einem Durchschnittswert pro Fläche gemittelt. Aus den Karten kann z. B. nicht abgelesen werden, wie hoch die Versickerungsleistung eines Quadratmeters unversiegelten Bodens ist. Hierzu ist daher eine ebenfalls flächendeckende und blockbezogene Berechnung mit veränderten Randparametern – also unter der Annahme gänzlich unversiegelter Verhältnisse – vorgenommen worden, deren Ergebnisse in der Karte 02.13.4 dargestellt sind. Erstmals wird auch Delta-W, die Abweichung vom natürlichen Wasserhaushalt dargestellt.