44 4 · 2016 TR ANSFORMING CITIES THEMA Städtische Infrastrukturen Relevanz der kleinräumigen Betrachtungsperspektive für die Wasserwirtschaft Die Zukunftsfähigkeit städtischer Wasserinfrastrukturen wird von verschiedenen Rahmenbedingungen beeinflusst. Neben der fortschreitenden Siedlungsflächenexpansion und dem Klimawandel, mit häufiger auftretenden Starkregenereignissen einerseits und länger andauernden Hitze- und Trockenperioden andererseits, übt insbesondere der demografische Wandel einen wesentlichen Handlungsdruck auf die bestehenden Infrastrukturen aus. Der Rückgang der Einwohnerzahlen, die Veränderung der Alters- und Haushaltsstrukturen sowie die Ausdifferenzierung der Lebensstile führen Langfristige Planung von Wasserinfrastrukturen - ein Plädoyer für die kleinräumige und integrierte Betrachtungsperspektive Demografischer Wandel, Wasserwirtschaft, Abwasserinfrastruktur, Stadtentwicklung, Strukturtypen, Modellierung Benjamin Scholz, Martin Schulwitz Die langfristige Planung von Wasserinfrastrukturen unterliegt den ambivalenten Herausforderungen des demografischen Wandels und des Klimawandels. Insbesondere auf kleinräumiger Betrachtungsebene besteht zusätzlicher Informationsbedarf. Als methodischer Zugang werden unterschiedliche Baustrukturtypen in einem Bevölkerungsentwicklungs- und Wasserinfrastrukturkostenmodell verwendet, um die kleinräumige (Kosten-)Entwicklung der Wasserinfrastruktur besser abschätzen zu können. Einige Modellierungsergebnisse werden exemplarisch dargestellt und die Relevanz einer integrierten Planung von Wasserinfrastrukturen und Stadtentwicklung erläutert. © pixabay 45 4 · 2016 TR ANSFORMING CITIES THEMA Städtische Infrastrukturen zu ambivalenten Entwicklungen, an welche die Wasserversorgungs- und Abwasserentsorgungssysteme angepasst werden müssen [1]. Insbesondere die Abwasserinfrastruktur ist von den Folgen des demografischen Wandels betroffen. Lange Abschreibungszeiträume der Kanalsysteme bedingen eine betriebswirtschaftliche Inflexibilität, die Netzstruktur führt zur technischen Pfadabhängigkeit. Zudem benötigen die meist verwendeten Freispiegelleitungen eine gewisse Mindestauslastung, damit ein störungsfreier Betrieb gewährleistet werden kann. Unter diesen Bedingungen reicht die übergeordnete Betrachtung der Bevölkerungsentwicklung für die genaue Abschätzung der konkreten Auswirkungen auf die lokale Wasserinfrastruktur nicht aus. Vor allem in Städten, wie beispielsweise Dortmund, ist der demografische Wandel auf kleinräumiger Betrachtungsebene gekennzeichnet durch ein direktes Nebeneinander von Bevölkerungswachstum und -schrumpfung. Insgesamt ist die Einwohnerzahl Dortmunds im Betrachtungszeitraum von 2004 bis 2013 um 0,5 % gesunken; sie stagnierte somit weitestgehend. Eine differenziertere Betrachtung auf Ebene der Statistischen Unterbezirke zeigt jedoch die kleinräumige Heterogenität der Bevölkerungsentwicklung auf (siehe Bild 1). Ein pauschaler Wachstums- oder Schrumpfungstrend ist nicht erkennbar. Tatsächlich grenzen Quartiere, die einen deutlichen Einwohnerrückgang von -8 % bis unter -3 % verzeichnen mussten, oftmals unmittelbar an Bezirke an, in denen die Einwohnerzahl um 8 % und mehr gestiegen ist. Für die Siedlungswasserwirtschaft ist diese kleinräumige Dynamik der Bevölkerungsentwicklung eine besondere Herausforderung, da die Effizienz der Abwasserinfrastruktur wesentlich von der Bevölkerungsdichte bzw. der Zahl der Nutzer abhängt. In wachsenden Quartieren führt dies z. B. zu einem weiteren Ausbau der bestehenden Leitungsnetze während in den Schrumpfungsräumen eine Unterauslastung infolge einer Überdimensionierung der Abwasserhaltungen droht. Daraus können sich Folgewirkungen für die Nutzer in Form von höheren Gebührensätzen ergeben. Bedingt durch die langen Abschreibungszeiträume, infolge von hohen Investitionskosten und angestrebten Nutzungsdauern der Infrastrukturen von bis zu 80 Jahren, ist die Kostenstruktur in der Abwasserwirtschaft gekennzeichnet durch einen hohen Fixkostenanteil von durchschnittlich 70 % bis 85 % [2]. Diese verbrauchsunabhängigen Kosten setzen sich größtenteils aus Kapitalkosten (Abschreibungen und Zinsen für Investitionen) und Personalkosten zusammen und ändern sich somit nicht im gleichen Maße, wie sich das Abwasseraufkommen verändert (Remanenzkosteneffekt, [3]). Die verbrauchsabhängigen Kosten machen demgegenüber nur einen geringen Anteil aus. Sie sinken jedoch ebenfalls in Folge von rückläufigen Nutzerzahlen nicht wesentlich, da bei Unterschreitung bestimmter Schwellenwerte zusätzlicher Wartungs- und Instandhaltungsaufwand in unterausgelasteten Netzabschnitten notwendig wird und sich Kläranlagen nicht stufenlos an veränderte Abwasseraufkommen anpassen können [3]. Insgesamt stehen Planungsakteure somit vor dem Problem, den statischen und netzgebundenen Infrastrukturbestand langfristig an ein dynamisches und in höchstem Maße durch Unsicherheiten geprägtes Umfeld anzupassen. Vor diesem Hintergrund ist es wichtig, Möglichkeiten und Instrumente zu entwickeln, mit deren Hilfe eine Modellierung der funktionellen und finanziellen Folgen des demografischen Wandels für die Wasserinfrastruktur auf kleinräumiger Ebene realisiert werden kann. Einwohner/ -innen am Ort der Hauptwohnng: Entwicklung 31.12.2004 - 31.12.2013 in Prozent unter -8 -8 bis unter -3 -3 bis unter 0 0 bis unter 3 3 bis unter 8 8 und mehr Datengrundlage: KOSTAT - Arbeitsgemeinschaft Kommunalstatistik, eigene Berechnung Geometrische Grundlage: Ortsteile/ Statistische Bezirke der jeweiligen Kommunen Dortmund (-0,5 %) Bild 1: Nebeneinander von Bevölkerungswachstum und -schrumpfung auf Ebene der Statistischen Unterbezirke in Dortmund (Quelle: eigene Darstellung) 46 4 · 2016 TR ANSFORMING CITIES THEMA Städtische Infrastrukturen Strukturtypenmodell zur Vorausberechnung der Kostenentwicklung urbaner Abwasserinfrastruktur Einen geeigneten Zugang zur Modellierung grundsätzlicher Entwicklungstrends technischer Infrastrukturen auf Quartiersebene bietet der Strukturtypenansatz. Zentraler Bestandteil dieses Ansatzes ist die Übertragung von repräsentativen Bebauungs- und Nutzungsstrukturtypen (BNT) auf den zu modellierenden städtischen Raum. Bei den BNT handelt es sich um urbane Raumeinheiten die hinsichtlich ihrer baustrukturellen Eigenschaften eine größtmögliche Homogenität aufweisen [4]. Tabelle 1 illustriert auszugsweise fünf BNT mit spezifischen Kennwerten zum Versiegelungsgrad und zur Einwohnerdichte. Mit dem Modellansatz wird das Ziel verfolgt, die Kostenentwicklung der Abwasserinfrastruktur auf der kleinräumigen Ebene der BNT zu prognostizieren, um damit eine konkretere Informationsgrundlage für die langfristige und integrierende Planung von Wasserinfrastruktur- und Stadtentwicklung zu schaffen. Neben der (angebotsseitigen) Modellierung der Entwicklung der Wasserinfrastrukturen, enthält das Modell auch die (nachfrageseitige) Vorabschätzung der kleinräumigen Bevölkerungsentwicklung, jeweils berechnet anhand der spezifischen Charakteristika der BNT. Das Modell wurde im Rahmen des Forschungsprojektes „ZUKOWIS - Finanzierbare Zukunftsoptionen der kommunalen Wasserinfrastrukturen in Nordrhein-Westfalen“ entwickelt 1 . Die in diesem Beitrag dargestellten Ergebnisse entstammen der exemplarischen Modellierung für eine nordrhein-westfälische Mittelstadt. In dieser Kommune wurde ein Beispielquartier zur Modellierung ausgewählt, das eine große Heterogenität bezüglich der BNT und eine klare städtebauliche Abgrenzbarkeit aufweist. Spezifische Eigenschaften der BNT, die zur Modellierung herangezogen werden sind: Alter und Material der Kanäle, die Zahl und Altersstruktur der Einwohner sowie das lokal resultierende Abwasseraufkommen. Zur Modellierung der Betriebs-, Instandhaltungs- und Herstellungskosten wurden Realdaten zu BNT-spezifischen Kostenstrukturen analysiert und anhand von Literaturkennwerten auf Plausibilität geprüft. Das Modell setzt sich aus zwei Teilmodellen zusammen: in einem dreistufigen Bevölkerungsmodell können zunächst auf gesamtkommunaler Ebene anhand eines Kohorten-Komponenten Modells verschiedene Szenarien der Bevölkerungsentwicklung vorausberechnet werden. Anschließend erfolgt eine zweistufige Disaggregation der gesamtkommunalen Ergebnisse anhand von BNT-spezifischen Kennwerten sowie der optionalen Eingabe von Faktorenwerten (mögliches Einbringen lokalen Know-hows zu ortsspezifischen Gegebenheiten oder künftigen Entwicklungen). Ergebnis dieser Schritte ist die spezifische Einwohnerzahl und Altersstruktur für eine bestimmte Menge an BNT-Fläche, die zu Beginn in das Modell eingegeben wurde. Auch lässt sich aus diesen Ergebnissen die anfallende Abwassermenge abschätzen. Das zweite Teilmodell ist das Infrastrukturkostenmodell. Für die eingegebene Fläche eines bestimmten BNT kann anhand BNT-spezifischer 1 Das Projekt ZUKOWIS wurde im Auftrag der Stiftung Zukunft NRW durch das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI in Kooperation mit dem Institut für Landes- und Stadtentwicklungsforschung gGmbH und der Kommunal Agentur NRW sowie unter Beteiligung von drei Beispielkommunen in NRW zwischen 2013 und 2015 durchgeführt. 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Mischbebauung freistehende Einfamilienhäuser dichte Ein- und Zweifamilienhausbebauung Mehrfamilienhäuser nach 1990 Geschosswohnungsbau in offener Baustruktur Zeilenbebauung 2015 2065 +46 % +282 % +92 % +26 % +3 % +174 % Euro/ Nutzer p.a. Bild 2: Modellierungsergebnisse für die Abwasserinfrastrukturkosten in Euro/ Nutzer/ -in und Jahr für ausgewählte BNT des Beispielquartiers. (eigene Darstellung) BNT Schematische Darstellung Versiegelungsgrad (%) Einwohner/ ha Zeilenbebauung 45 - 55 174 - 290 Geschosswohnungsbau in offener Baustruktur (Platte) 45 - 55 143 - 227 Mehrfamilienhäuser nach 1990 45 - 55 120 - 168 Lockere Ein- und Zweifamilienhausbebauung 30 - 40 30 - 41 Mischbebauung 70 - 90 204 - 254 Tabelle 1: Bebauungs- und Nutzungsstrukturtypen. (Quelle: eigene Darstellung; Datengrundlage: Siedentop et. al. 2006 und eigene Erhebungen) 47 4 · 2016 TR ANSFORMING CITIES THEMA Städtische Infrastrukturen Kennwerte (s.o.) ein Infrastrukturmengenmodell hochgerechnet werden, das die idealtypische Infrastrukturausstattung für die zu berechnende BNT-Fläche wiedergibt. Dieses Mengenmodell wird mit den ermittelten Herstellungs-, Betriebs- und Instandhaltungskosten multipliziert, sodass die jährlich entstehenden Gesamtkosten für die betrachtete BNT-Fläche berechnet werden. Dabei beeinflusst die anfallende Abwassermenge aus dem Bevölkerungsmodell auch die Betriebskosten im Kostenmodell. Durch Verschneidung der beiden Teilmodelle ergibt sich ein „fiktiver Gebührensatz“, der die langfristige Entwicklung der quartiersspezifischen, einwohnerbezogenen Kostenbelastung darstellt. Ein derartiger Gebührensatz wäre also notwendig, um die unter den spezifischen Bedingungen im Quartier lokal anfallenden Kosten durch die ansässigen Nutzer/ -innen decken zu können [5]. Der Ergebniskennwert kann als Grundlage zur ersten Einschätzung und Diskussion der langfristigen Effizienz, Finanzierbarkeit und Verursachergerechtigkeit von Wasserinfrastrukturen im Kontext der Stadtentwicklung herangezogen werden [6]. Die Ergebnisse für die fünf BNT des Beispielquartiers sind in Bild 2 dargestellt. Sowohl bei den Ausgangsniveaus als auch bei den Entwicklungsperspektiven zeigen sich deutliche Unterschiede zwischen den BNT. Die Ergebnisse für 2015 bestätigen weitestgehend den Zusammenhang zwischen der Einwohnerdichte und den Kosten für die Abwasserinfrastruktur. Die drei BNT mit der höchsten Einwohnerdichte (Mischbebauung, Geschosswohnungsbau und Zeilenbebauung) weisen mit Kostensätzen unter 100 EUR pro Jahr und Nutzer/ -in die vergleichsweise geringsten Kosten für die Abwasserentsorgung im Ausgangsjahr auf. Die prognostizierte Kostenentwicklung zeigt jedoch, dass in diesen Gebieten (insbesondere Mischbebauung und Geschosswohnungsbau) die personenbezogenen Kosten bis zum Jahr 2065 sehr drastisch steigen werden. Dass in diesen BNT trotz der eigentlich höheren Wasserinfrastruktureffizienz eine hohe Kostensteigerung modelliert wird, ist im konkreten Beispiel zum einen auf die deutlichen Bevölkerungsverluste (Geschosswohnungsbau) und zum anderen auf erhebliche Erneuerungsbedarfe überalterter Netzabschnitte (Mischbebauung) zurückzuführen. Stark nachgefragte Wohnformen wie die freistehenden Einfamilienhäuser werden voraussichtlich geringere Einwohnerverluste hinnehmen müssen als der Geschosswohnungsbau oder die Mehrfamilienhäuser. Die Ergebnisse lassen Rückschlüsse auf den Einfluss des Alters des Kanalnetzbestandes auf die Kostenentwicklung zu. In älteren Gebieten sind über Studierende lesen Transforming Cities als ePaper ein Jahr lang kostenlos. Anschließend zum Vorzugspreis. www.transforming-cities.de/ magazin-abonnieren/ Wer´s früher liest, ist länger schlau. TranCit StudiAbo 48 4 · 2016 TR ANSFORMING CITIES THEMA Städtische Infrastrukturen den Prognosezeitraum von 50 Jahren auch höhere Instandhaltungskosten zu erwarten. Als Beispiel sind hierfür die innenstadtnahe Mischbebauung und die Zeilenbebauung zu nennen [6]. Fazit Angesichts der Langfristigkeit und Pfadabhängigkeit von Wasserinfrastrukturen ist die Abschätzung kleinräumiger Entwicklungstrends eine wesentliche Entscheidungsgrundlage für die Planung einer nachhaltigen Siedlungsentwicklung. Der hier dargestellte Modellierungsansatz und die exemplarischen Beispielergebnisse verdeutlichen die Heterogenität der Kostenentwicklung von Abwasserinfrastrukturen auf kleinräumiger Ebene. Diese unterschiedlichen Entwicklungstrends lassen sich auf die spezifischen Eigenschaften (z. B. Altersstruktur, Einwohnerdichte, bestehendes Kanalnetz) verschiedener BNT zurückführen. Somit wird die langfristige Wasserinfrastruktureffizienz auch maßgeblich durch städtebauliche Einflussfaktoren bestimmt. Stadtplanung mit dem Ziel einer nachhaltigen Siedlungsentwicklung sollte daher im Sinne eines integrierenden Planungsverständnisses bei der künftigen Siedlungsentwicklung auch die Herausforderungen der Wasserinfrastrukturen in hohem Maße berücksichtigen. Besonders vor dem Hintergrund des demografischen Wandels kann eine langfristig sozial verträgliche Finanzierung der Wasserver- und Abwasserentsorgung nur durch die Verknüpfung von Siedlungs- und Wasserinfrastrukturentwicklung erreicht werden. Ansatzpunkte hierzu sind beispielsweise die Nutzung gemeinsamer Handlungsfenster, das Ausschöpfen bereits erschlossener Siedlungsflächen bzw. bestehender Infrastrukturen anstelle von großräumigen Flächenneuausweisungen sowie die Konzentration auf kompakte Siedlungsformen [7]. Als Basis für die Identifikation von zukünftigen Handlungsoptionen für die Wasserwirtschaft und Stadtentwicklung können die kleinräumigen Strukturtypen und das vorgestellte Kostenmodell hilfreiche Informationen liefern. Die Ergebnisse dieses Modellansatzes, der sich notwendigerweise auf Verallgemeinerungen stützt, ersetzen keinesfalls die ingenieurstechnische Planung. Vorteilhaft ist jedoch neben der einfachen Anwendbarkeit des Modells und dem geringen Datenbedarf auch die Möglichkeit verschiedene Szenarien für ein Untersuchungsgebiet zu simulieren und auf diese Weise grundsätzliche Trends frühzeitig erkennen zu können. Diese Informationen können Ausgangspunkt für die Einleitung eines integrierten Planungsprozesses sein, oder Argumente für die Diskussion über Alternativen der künftigen Siedlungsentwicklung liefern. LITERATUR [1] Hillenbrand, T., Niederste-Hollenberg, J., Menger-Krug, E., Klug, S., Holländer, R., Lautenschläger, S., Geyler, S.: Demografischer Wandel als Herausforderung für die Sicherung und Entwicklung einer kosten- und ressourceneffizienten Abwasserinfrastruktur. UBA- Texte, 36/ 2010, Umweltbundesamt, Dessau. (abrufbar unter: https: / / www.umweltbundesamt.de/ sites/ default/ files/ medien/ 461/ publikationen/ 3779. pdf) [2] DWA (Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V.) (2015): Branchenbild der deutschen Wasserwirtschaft 2015. Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft: Bonn. [3] Dittrich-Wesbuer, A., Mayr, A., Schulwitz, M.: Demographischer Wandel, Siedlungsentwicklung und Abwasserinfrastrukturen - eine integrierte Betrachtung lokaler und regionaler Entwicklungsperspektiven (Chapter 5). In: E. Gawel (Hrsg.): Die Governance der Wasserinfrastruktur. Band 1: Rahmenbedingungen, Herausforderungen und Optionen. Duncker & Humblot, Berlin, (2015), S. 117-138. [4] Siedentop, S., Schiller, G., Koziol, M., Walther, J., Gutsche, J.-M.: Siedlungsentwicklung und Infrastrukturfolgekosten - Bilanzierung und Strategieentwicklung - Endbericht Mai 2006. Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (Hrsg.). Bonn. [5] Dittrich-Wesbuer, A., Mayr, A.: Infrastrukturen im demographischen Wandel - das Beispiel Abwasser (=ILS - Institut für Landes- und Stadtentwicklung, trends 1/ 13), Dortmund, 2013. [6] Schulwitz, M., Hillenbrand, T.: Small-scale modelling of urban structure types for the cost evalution in sanitary environmental engineering. In: WIT Transactions on the Built Environment, Volume 165 (2016), S. 93-105. [7] Schiller, G., Siedentop, S.: Infrastrukturfolgekosten der Siedlungsentwicklung unter Schrumpfungsbedingungen. (= disP - The Planning Review, 41: 160), (2005) S. 83-93. Benjamin Scholz M.Sc. Wirtschaftsgeographie Wissenschaftlicher Mitarbeiter Forschungsgruppe „Metropole und Region“ ILS - Institut für Landes- und Stadtentwicklungsforschung gGmbH, Dortmund Kontakt: benjamin.scholz@ils-forschung.de Martin Schulwitz M.Sc. Raumplanung Wissenschaftlicher Mitarbeiter Forschungsgruppe „Metropole und Region“ ILS - Institut für Landes- und Stadtentwicklungsforschung gGmbH, Dortmund Kontakt: martin.schulwitz@ils-forschung.de AUTOREN