40 3 · 2021 TR ANSFORMING CITIES THEMA Zu viel oder zu wenig Wasser ? Unsere Städte sind kontinuierlicher Änderung unterworfen. Das Bevölkerungswachstum führt zu einem steigenden Bedarf an Wohn-, Gewerbe- und Verkehrsflächen und damit zu zunehmender Versiegelung von natürlichen Flächen. Aber auch das Klima ändert sich und führt unter anderem zu vermehrt auftretenden Starkniederschlagsereignissen aber auch zu längeren Trockenperioden und Hitzewellen, bzw. einer steigenden Anzahl an Hitzetagen und Tropennächten pro Jahr [1, 2, 3]. Ohne Anpassung führen diese Effekte zu einer Überlastung bestehender Entwässerungsnetze und einer Verschlechterung mikro- und bioklimatischer Bedingungen. Somit sehen sich Städte in naher Zukunft großen Herausforderungen gegenübergestellt, welchen sie mit nachhaltigen Anpassungsmaßnahmen entgegenwirken müssen. In der Planung der Niederschlagswasserbehandlung hat bereits ein Paradigmenwechsel eingesetzt, als im Neubau Niederschlagswasser nicht mehr in die bestehende Kanalisation einzuleiten ist, sondern auf eigenem Grund dezentral behandelt wird. Oft besteht diese Behandlung in einer Versickerung in den Untergrund, aber auch andere Verfahren (Gründächer, Regenwasserteiche, Regengärten, Regenwassernutzungen, etc.) sind möglich. Zunehmend gewinnt dabei der Mehrfachnutzen der Anlagen an Bedeutung. Derartige naturnahe Lösungen, so genannte „Nature-Based Solutions (NBS)“ [4], dienen nicht mehr nur der raschen Ableitung anfallender Niederschlagsvolumina, sondern zeichnen sich durch zusätzliche Ökosystemdienstleistungen aus. So können, zusätzlich zur Entwässerungsfunktion Mikroklima, Biodiversität und/ oder Grundwasserbilanz verbessert und auch Erholungsräume geschaffen werden [5]. Weltweit werden ähnliche Systeme und Konzepte zur Minderung der Auswirkungen des Klimawandels eingesetzt, die Bezeichnungen sind in den verschiedenen Ländern jedoch unterschiedlich [6]. Eine in den letzten Jahren immer häufiger verwendete Herangehensweise zur Klimawandelanpassung in den Städten ist das Schwammstadt-Prinzip, welches durch die Verbesserung der natürlichen Prozesse Infiltration, Versickerung, Evapotranspiration und Speicherung von Wasser sowie durch die Förderung von Synergien Konzepte für eine nachhaltige und klimaresiliente Stadtentwicklung darstellt [7]. Die wichtigsten Faktoren des Effekts der überwärmten Städte sind die Unterschiede in Evapotranspirations- und Konvektionseffizienz zwischen den städtischen Gebieten und deren Umland [8]. Somit verstärkt eine zunehmende Oberflächenversiegelung, die zu höheren Abflussraten, verringerter Grundwasserneubildung und in der Folge zu einer verringerten Evapotranspiration führt [9], die Temperaturunterschiede zwischen der Stadt und dem Umland, was als urbaner Wärmeinseleffekt bekannt Rolle der Energie- und Wasserflüsse im Stadtsystem Steigerung der Resilienz unserer Städte zur Anpassung an die Auswirkungen des Klimawandels Klimawandelanpassung, Resilienz, Stadtgrün, Stadtklima, Urbanisierung, Wasserwirtschaft Yannick Back, Wolfgang Rauch, Manfred Kleidorfer Die voranschreitende Versiegelung unserer Städte im Zusammenspiel mit den Auswirkungen des Klimawandels führt, durch höhere Abflussraten, verringerte Grundwasserneubildung und fehlende Evapotranspiration, vermehrt zu Überflutungen und einem Anstieg des urbanen Wärmeinseleffekts. Im Projekt cool-INN werden Synergien und die Multifunktionalität von Klimawandelanpassungsmaßnahmen genutzt, um eine ideale Anlage mit hohem Kühleffekt zu konzipieren. Wissenschaftlicher Schwerpunkt ist eine ganzheitliche Betrachtung des Energie- und Wasseraustauschs zwischen der Hydrosphäre, Atmosphäre und Biosphäre. 41 3 · 2021 TR ANSFORMING CITIES THEMA Zu viel oder zu wenig Wasser ? ist [10]. Dies führt zu einer Verschlechterung der Lebensqualität, sowie zu einer Erhöhung der Gesundheitsrisiken und hitzebedingter Sterblichkeit [11, 12]. Durch die zunehmende Versiegelung und die damit einhergehende fehlende Porosität in den Städten werden die negativen Effekte verstärkt. Gegenteiliges bewirkt die Erhöhung der Infiltrations- und Speicherrate, wodurch die Vegetation mit Wasser versorgt werden kann. Mittels einfallender Sonnenstrahlung nutzen Vegetationsflächen die Energie zur Photosynthese und tragen, neben der Aufnahme von Kohlendioxid (CO 2 ) und der Abgabe von Sauerstoff (O 2 ), durch den Prozess der Evapotranspiration zur Verdunstungskühlung bei. Die hierfür aufgebrachte Energie kann auch als latente Wärme (LE) bezeichnet werden. Auf versiegelten Flächen wird weder Wasser gespeichert, noch kann Wasser in den Untergrund versickern. Die durch die Sonneneinstrahlung ankommende Energie wird auf helleren versiegelten Oberflächen reflektiert und auf dunkleren Oberflächen absorbiert. Tagsüber trägt die absorbierte Energie zur Erhöhung der Oberflächentemperatur bei. Die über den Bodenwärmestrom (G) im Unterboden gespeicherte Energie trägt durch den Wärmeaustausch zwischen Boden und Atmosphäre bereits tagsüber, aber vor allem nachts, wenn die Energiezufuhr durch die Sonneneinstrahlung versiegt, zur Aufheizung der bodennahen Luft bei. Im Gegensatz zu vegetativen Flächen nutzen versiegelte Flächen die Energie zur Erhöhung der bodennahen Lufttemperatur. Diese Energie wird auch als sensible Wärme (H) bezeichnet. Daraus folgt eine Erhöhung der städtischen Hitzebelastung sowie eine Verschlechterung des menschlichen Wohlbefindens. Durch das vermehrte Auftreten von Hitzetagen pro Jahr wird diese Situation zunehmend verschlechtert. Das Verhältnis von H zu LE, was als Bowen-Verhältnis verstanden wird, ist essentieller Bestandteil der Oberflächenenergiebilanz, welche wiederum grundlegend für das interagierende System Boden-Atmosphäre ist [13]. Berücksichtigt man nun auch den Aspekt durch den Klimawandel stärker ausgeprägter Trockenperioden, wird ersichtlich, dass die Infiltration und die natürliche Speicherung auf und innerhalb innerstädtischer Vegetationsflächen an Grenzen stoßen, um die Vegetation über die Sommermonate hinweg ausreichend mit Wasser zu versorgen. Eine trockene, unter Stress stehende Vegetation ist nicht mehr in der Lage, entscheidend zur Verdunstungskühlung beizutragen. Um unsere Städte effizient gegen die Auswirkungen des Klimawandels anzupassen, bedarf es, neben der Entsiegelung, einer Optimierung der Anpassungsmaßnahmen hinsichtlich der Wasserversorgung, bzw. des Niederschlagswassermanagements. Die Steigerung der Reflektion durch hellere Oberflächen allein, wie beispielsweise auf Dächern durch das Konzept „white roofs“ bekannt, trägt nicht zu einer ganzheitlichen Betrachtung bei und nimmt zudem Platz und Raum weg, um Niederschlagswasser versickern, speichern und Verdunstungskühlung fördern zu können. Energie- und Wasseraustausch unterschiedlicher Oberflächen Um Synergien nutzen und die Multifunktionalität von dezentralen Entwässerungssystemen steigern zu können, bedarf es einer ganzheitlichen Betrachtung der komplexen Systeme und Prozesse, die den Energie- und Wasseraustausch zwischen der Hydrosphäre, Atmosphäre und Biosphäre steuern. Sowohl für die urbane Entwässerung als auch für die Temperaturentwicklung sind die Stadtstruktur und die Oberflächenbeschaffenheit (Versiegelungsgrad, Bowen- Verhältnis, Emissionswert und Gesundheitszustand der vorhandenen Vegetation) essentiell und müssen auf verschiedenen Maßstabsebenen betrachtet und analysiert werden. Ein eigens am Arbeitsbereich für Umwelttechnik der Universität Innsbruck entwickelter GIS-basierter Modellierungsansatz zur Analyse der urbanen Temperaturentwicklung [14], welcher in der Lage ist, räumlich verteilte Werte der Oberflächentemperatur, mittleren Strahlungstemperatur und des UTCI - Universal Thermal Climate Index mit einer räumlichen Auflösung bis zu unter einem halben Meter zu modellieren, wird laufend weiterentwickelt. Durch eine Verbesserung des Ansatzes können bereits weitere Parameter und Prozesse innerhalb des interagierenden Systems Boden- -- Atmosphäre analysiert werden (siehe Bild 1). Die verfügbare Energie, berechnet aus der Differenz der netto Oberflächenstrahlung und G, nimmt mit steigendem Versiegelungsgrad ab und versiegt im Schatten fast gänzlich. Der Versiegelungsgrad korreliert positiv mit dem Bowen-Verhältnis. In Form von LE stellt die verfügbare Energie zusammen mit dem Wassergehalt der Vegetation die Basis zur potenziellen Evapotranspiration dar. Überwiegt der Anteil von H, verringert sich das Potenzial der Verdunstungskühlung und G nimmt zu (Erhöhung der nächtlichen urbanen Hitze). Dies spiegelt sich in den Oberflächentemperaturen wieder und führt zur Erhöhung der tagsüber vorkommenden urbanen Hitze. Durch den Wärmeaustausch steigen in weiterer Folge die bodennahen Lufttemperaturen, wodurch das thermische Wohlbefinden negativ beeinflusst und der urbane Hitzeinseleffekt verstärkt wird. 42 3 · 2021 TR ANSFORMING CITIES THEMA Zu viel oder zu wenig Wasser ? Um ganzheitliche Aussagen über den oberflächeninduzierten Wärmebzw. Kühleffekt machen zu können, wurden H und G addiert (diese stellen die wärmezuführenden Determinanten dar) und LE gegenübergestellt. Die Interaktion beider Kurven (siehe Bild 1) zeigt einen Kipppunkt, welcher den Kühleffekt (höherer Anteil an LE führt zur Erhöhung der Verdunstungskühlung) vom Wärmeffekt (höherer Anteil an H + G führt zur Erhöhung der bodennahen Lufttemperaturen und des nächtlichen Bodenwärmestroms) trennt. Die Überlagerung dieser Ergebnisse mit den zuvor berechneten Werten der Oberflächentemperaturen und des UTCI zeigen, anhand genauer numerischer Werte des UTCI, die Korrelation der drei Energieflüsse (H, G und LE) mit dem menschlichen Wärmeempfinden. Des weiteren zeigen die Daten den Zusammenhang zwischen dem verfügbaren Wassergehalt, dem Gesundheitszustand der Vegetation und dem Potenzial der Verdunstungskühlung. Eine gesunde gut mit Wasser versorgte Vegetation ist in der Lage die Oberflächentemperaturen um 19 °C (ΔLST) und den UTCI um 2.55 °C (ΔUTCI) im Vergleich zu einer versiegelten Fläche zu reduzieren. Diese Erkenntnisse unterstreichen die Wichtigkeit einer inkludierten und nachhaltigen Wasserversorgung, bzw. eines Niederschlagswassermanagements zur optimierten Anpassung an die Folgen des Klimawandels. Um den Modellierungsansatz weiter zu verbessern, aber auch um die Auswirkungen verschiedener Klimawandelszenarien zu berücksichtigen, wird für zukünftige Studien eine Methodik der numerischen Strömungsmechanik herangezogen (engl. CFD - Computational Fluid Dynamics). Diese Methodik erlaubt die Simulation von Windströmungen und -geschwindigkeiten, sowie Lufttemperaturen auf Basis von bestimmten Eingabeparametern, deren Ergebnisse dann wiederum als Eingabeparameter im GIS-basierten Modell dienen (siehe Bild 2). Aus den daraus folgenden Untersuchungen kann, auch unter Berücksichtigung verschiedener Klimawandelszenarien, der Einfluss von Klimawandelanpassungsmaßnahmen durch die Veränderung der Oberflächeneigenschaften, auf die Lufttemperaturen im kleinräumigen Maßstab ermittelt werden. Von der Theorie in die praktische Umsetzung Neben den wissenschaftlichen Erkenntnissen geht es aber auch um deren praktische Umsetzung. Die vorab präsentierten Studien sind Teil des Anfang 2020 gestarteten Projektes cool-INN im Herzen der Stadt Innsbruck in Österreich. Das Projekt stellt eine Schnittstelle dar, Wissenschaft und Praxis zusammenzuführen. Innerhalb des von der Innsbrucker Kommunalbetriebe AG ins Leben gerufenen Projektes soll mit Hilfe wissenschaftlicher Konzeptionsarbeit und Simulation (durch die Projektpartner Universität Innsbruck und BOKU Wien) sowie in Zusammenarbeit mit kommunalen Entscheidungsträgern eine ideale Anlage mit hohem Kühleffekt, aber auch mit multifunktionalen Möglichkeiten konzipiert werden. Es ist geplant, den Stand der Technik mit der Expertise aller notwendigen Stakeholder und den Bedürfnissen der Bürger*innen zu vereinen, um einen nachweislichen Kühleffekt für Innsbruck zu erzielen. Das Projekt schafft so einen Experimentierraum für blaue und grüne Infrastruktur und die Steigerung von Mehrfachnutzen im urbanen Raum. Da es sich beim Untersuchungsgebiet und Umgestaltungsobjekt um einen Park (dem Ing.-Etzel-Park im Stadtteil Saggen der Stadt Innsbruck) handelt, Bild 1: Räumliche Verteilung der latenten Wärme (LE), sensiblen Wärme (H), des Wassergehalts der Vegetation ( VWC) und der potenziellen Evapotranspiration für unterschiedliche Oberflächeneigenschaften innerhalb einer Fallstudie in der Stadt Innsbruck in Österreich. Die Grafik beschreibt den Zusammenhang zwischen dem verfügbaren Wassergehalt, dem Gesundheitszustand der Vegetation und dem Potenzial der Verdunstungskühlung. Zudem beschreibt sie einen Kipppunkt, welcher den Kühleffekt vom Wärmeeffekt trennt. © Back et al. 43 3 · 2021 TR ANSFORMING CITIES THEMA Zu viel oder zu wenig Wasser ? stehen vor allem die Oberflächen im Vordergrund. Der Park ist aktuell zu fast 70 % versiegelt und lädt in der aktuellen Gestaltung daher wenig zum längeren Verweilen ein. Die konkrete Umgestaltung der Parkanlage in die Praxis wird ab Sommer 2021 in Angriff genommen und ist, wie in Bild 3 zu sehen, wie folgt geplant: Das Herzstück des Projektes bildet das Wasserkonzept und setzt sich aus den zwei Schwerpunkten Frischwasserkreislauf und Brauchwasserkreislauf zusammen. Von drei Seiten führen gepflasterte Wasserläufe zu einer zentralen ebenfalls gepflasterten Fläche. In diesen Bereichen werden unterschiedliche Wasserelemente angebracht, welche allein oder kombiniert betrieben werden können. Die Steuerung der Wasserelemente erfolgt automatisch in Kopplung mit einer Wetterstation. Aus hygienischen Gründen werden das zentrale Wasserelement, die Wasserwände und der Trinkbrunnen mit Frischwasser gespeist. Das zentrale Wasserelement verfügt über sechs Bodendüsen mit zwei unterschiedlichen Düsenarten: Vollstrahldüsen und Schaumeffektdüsen. Das verwendete Wasser wird in der zentralen Fläche etwa 5 cm aufgestaut und gelangt über einen Ablauf in die Versickerung bzw. in den Brauchwasserkreislauf. Drei aneinander gereihte Wasserwände sind am Ende eines Wasserlaufes angebracht und können mittels des anliegenden Leitungsdruckes von ungefähr 10 bar zwei unterschiedliche Sprühnebelarten erzeugen. Der Trinkwasserbrunnen liegt am Ende eines weiteren Wasserlaufes und ist als Umlaufbrunnen ausgeführt. Ein Teil des verwendeten Frischwassers wird über den Brauchwasserkreislauf wiederverwendet. Aus der zentralen Fläche wird das bereits verwendete Wasser über einen Bodenablauf in einen Schlammfang und anschließend in eine Versickerung geleitet. Aus dem Schlammfang wird mittels einer Saugleitung ein Teil des verwendeten Wassers entnommen und nach einer Filtration der Schwebstoffe und der Passage durch eine UV-Anlage an den Enden der Wasserläufe diesen bodennah wieder zugeführt. Die Wasserläufe werden abwechselnd einzeln beschickt, so dass die nicht verwendeten Wasserläufe abtrocknen können. Dadurch soll die Verdunstungsleistung erhöht sowie eine mögliche Algenbildung unterbunden werden. Im Zuge der Umgestaltung wird der kranke Pflanzenbestand erneuert und neue Bepflanzung hinzugefügt. Der Grünflächenanteil wird von rund 1 000- m² auf 1 500- m² erweitert. Ausgenommen Wasserläufe und zentrale Wasserfläche werden in der Gestaltungsfläche alle befestigten Flächen aus wasserdurchlässigen Materialen ausgeführt. In den Wegebereichen wird zunächst Drainbeton (530 m²) eingesetzt. Die Veranstaltungsfläche (Bild-3: B) sowie eine Vorplatzfläche (Bild 3: A) werden mit einer wassergebundenen Wegedecke (260 m²) ausgestattet. Bei der Umsetzung wird grundsätzlich auf den Einsatz hocheffektiver Baustoffe im Sinne des Projektziels, des Umweltschutzes und der Nachhaltigkeit geachtet. So werden zum Beispiel bei den wassergebundenen Wegedecken CO 2 -neutral produzierte Materialien der DISPOplus GmbH (ENREGIS-Gruppe) eingesetzt. Der Aufbau einer wassergebundenen Wegedecke ist in Bild 3 dargestellt. Die Deckschicht und die dynamische Tragschicht verfügen bei hoher Beanspruchbarkeit über die Eigenschaft, Niederschlagwasser zu speichern und sukzessive wieder an die Umwelt abgeben zu können. Die Deckschicht wird zudem in unterschiedlichen Farbtönen (hier grau und rot) aufgebracht, um auch hier die unterschiedlichen thermischen Auswirkungen der Farbgebung als Feldversuch analysieren zu können. Insgesamt werden durch die angeführten Maßnahmen Bild 2: Kopplung der Software GIS und CFD zur Verbesserung der Eingangsdatensätze Windgeschwindigkeit und Lufttemperatur und zur genaueren Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher Klimawandelanpassungsmaßnahmen, unter Berücksichtigung verschiedener Klimawandelszenarien, auf das Stadtklima auf mikroskalarer Ebene. © Back et al. 44 3 · 2021 TR ANSFORMING CITIES THEMA Zu viel oder zu wenig Wasser ? rund 1 198-m 2 (85-m 3 ) Asphalt abgetragen und durch Grünflächen oder wasserdurchlässige Flächen ersetzt. Die Oberflächen der Sitzmöglichkeiten sind aus Holz und werden mit Schlitzen ausgeführt. Dadurch kann die Luft unter der sitzenden Person zirkulieren und erzielt eine kühlende Wirkung. Bei der Farbgestaltung und Materialwahl der Oberflächen wird auf die Auswahl von nicht zu hellem und nicht zu dunklem Material geachtet, da dies entweder zu einer hohen Wärmeabsorption oder -rückstrahlung führt. Danksagung Diese Arbeit ist Teil des Projektes cool-INN (Projekt Nr. KR19SC0F14953), Förderungszeitraum: Februar 2020 bis Januar 2023, welches vom Österreichischen Klima- und Energiefonds gefördert wird. LITERATUR [1] Willems, P. et al.: Impacts of Climate Change on Rainfall Extremes and urban Drainage Systems. International Water Association (IWA) Publishing 11, (2012). [2] Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Summary for policymakers. IN: Climate Change 2014: Impacts, Adaptation and Vulnerability. Part A: Global and sectoral Aspects. Contribution of Working Group II of the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, (2014) p.1 - 32. [3] Bastin, J-F. et al.: Understanding climate change from a global analysis of city analogues. PLoS ONE 14, (2019) p. 1 - 13. [4] Nesshöver, C. et al.: The science policy and practice of nature-based solutions: An interdisciplinary perspective. Science of the Total Environment 579, (2017) p. 1215 - 1227. [5] Stangl, R. et al.: Wirkung der grünen Stadt - Studie zur Abbildung des aktuellen Wissenstandes im Bereich städtischer Begrünungsmaßnahmen. Für das Bundesministerium Verkehr, Innovation und Technologie, Österreich, Wien (2019). [6] Fletcher, T. D. et al.: SUDS, LID, BMPs, WSUD and more - The evolution and application of terminology surrounding urban drainage. Urban Water Journal 12, (2014) p. 525 - 542. [7] Nguyen, T. T. et al.: Implementation of a specific urban water management - Sponge City. Science of the Total Environment 652, (2019) p. 147 - 162. [8] Manoli, G. et al.: Magnitude of urban heat islands largely explained by climate and population. Nature 573, (2019) p. 55 - 60. [9] Bonneau, J. et al.: Stormwater infiltration and the ‘urban karst ’ a review. 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Bild 3: Umgestaltungsplan des Ing.-Etzel-Parks im Innsbrucker Stadtteil Saggen und vergrößertes Detail des Aufbaus der im Projekt eingesetzten wassergebundenen Wegedecken (A und B). © DI Lisa Stöllnberger vom Referat Grünanlagen - Planung und Bau der Stadt Innsbruck AUTOREN Yannick Back, MSc. Doktorand Wissenschaftlicher Mitarbeiter Universität Innsbruck, Arbeitsbereich Umwelttechnik Kontakt: yannick.back@uibk.ac.at Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Wolfgang Rauch technischer Institutsleiter Universität Innsbruck, Arbeitsbereich Umwelttechnik Kontakt: wolfgang.rauch@uibk.ac.at Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Manfred Kleidorfer technischer Professor für nachhaltige Wasserinfrastruktur Universität Innsbruck Arbeitsbereich Umwelttechnik Kontakt: manfred.kleidorfer@uibk.ac.at