Baumrigolen als Be- und Entwässerungssysteme

Bewässerungstechnik

Baumrigolen als Be- und Entwässerungssysteme in urbanen Räumen

Helmut Grüning

+ 2

Nils Siering

Andreé Schulte

12.04.2023, 09:30 Uhr, aktualisiert 31.07.2023, 13:36 Uhr

MÜNSTER

Baumrigolen und (Stadt-)Bäume zeichnen sich durch eine multifunktionale Wirkung aus. Bäume prägen das Stadtbild, spenden Schatten und kühlen durch Verdunstung. Der Rigolenkörper speichert Wasser, das unmittelbar in den Untergrund eingetragen und teilweise auch zur Baumbewässerung verfügbar ist. Darüber hinaus leistet die Rigole einen Beitrag zur Überflutungsvorsorge.

Der Beitrag enthält Ergebnisse des Forschungsvorhabens „BeGrüKlim“, gefördert vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz (BMUV) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages (Förderkennzeichen: 67DAS196A).

Die Arbeitsgruppe von Professor Grüning forscht an der FH Münster an Konzepten zur klimaresilienten Stadtentwicklung. | Foto: FOTOARTWESSELS-STEINFURT-833131

Die Autoren erforschen an der FH Münster University of Applied Sciences Baumrigolensysteme, um Bäume mit dem vor Ort gespeicherten Regenwasser zu bewässern und damit gleichzeitig das Überflutungsrisiko durch dezentrale Rückhaltung zu begrenzen. Zu klären sind dabei u. a. Fragen zur baulichen Integration in den Verkehrsraum und zur optimalen Wasserzuführung in den Wurzelraum unter Berücksichtigung der Bedürfnisse der Bäume.

Arten und Funktion von Baumrigolen

Die gezielte Bewässerung von Stadtbäumen mit Oberflächenabflüssen von befestigten Flächen kann durch folgende Systeme erfolgen [1]: Hydraulisch optimierte Baumstandorte; Baumrigolen ohne Speicher; Baumrigolen mit Speicher.

Vor dem Hintergrund einer klimabedingten Zunahme ausgeprägter Hitze- und Trockenphasen mit Unterbrechung durch intensive Niederschläge während der Sommermonate stellen Baumrigolen ein wichtiges Element der blau-grünen Infrastruktur dar. Das Speicher-Baum-System kombiniert dabei die Bewässerung des Baumes mit gespeichertem Niederschlagswasser, Verdunstungskühlung und Stoffrückhalt (Luftschadstoffe) durch den Baum und die Überflutungsvorsorge durch dezentrale Retentionsräume.

Das auf den ersten Blick bestechend einfache Konzept erweist sich bei konkreter Umsetzung als komplex. Das zeigt bereits der Blick auf die beteiligten Institutionen im kommunalen Umfeld. Einzubinden sind die Bereiche „Straße und Verkehr“ sowie „Grünflächen und Freiraumgestaltung“ aber auch die „Stadtentwässerung“ und nicht zuletzt die „Genehmigungsbehörden“. Neben der baulichen Integration in den öffentlichen Verkehrsraum ist anschließend die dauerhafte Zuständigkeit inklusive der Finanzierungsfrage zu klären. Zudem fehlen bislang eindeutige Bemessungsvorgaben für Baumrigolen. Bei der Bemessung und Bewirtschaftung entsteht der grundlegende Nutzungskonflikt: „freier Speicher (Überflutungsvorsorge) vs. voller Speicher (Baumversorgung)“.

Im Rahmen des Projektes „Entwicklung eines Bewässerungskonzeptes von urbanem Grün während klimatisch bedingter Trockenphasen (BeGrüKlim)“ erfolgte eine Auseinandersetzung mit diesen Fragestellungen. Darüber hinaus sind zahlreiche Detailfragen zu berücksichtigen, die nicht zu klassischen Wasserwirtschaftsaufgaben zählen, wie beispielsweise die optimale Wasserzuführung in den Wurzelraum und die generellen Bedürfnisse des Baumes (Nährstoffe, Wasser und Luft). Dabei ist der Vorwurf, dass Bäume möglicherweise als „Entwässerungsmaschinen“ missbraucht werden, ernst zu nehmen.

Systeme und Standorte

Insgesamt werden im Rahmen des Forschungsprojektes BeGrüKlim an drei Standorten in Nottuln (Münsterland) Rigolensysteme untersucht. Davon befindet sich eines auf dem Firmengelände der Humberg GmbH und zwei im Nottulner Stadtteil Appelhülsen. Die drei Standorte repräsentieren die Anwendung im Bereich von Gewerbeflächen und den klassischen Fall als Straßenbegleitgrün im öffentlichen Verkehrsraum. An jedem Standort wird sowohl ein Baum mit dem Baumrigolensystem als auch zum Vergleich ein Referenzbaum untersucht. Der Referenzbaum entspricht dem klassisch gepflanzten Stadtbaum. Bei den Bäumen handelt es sich um Amerikanische Amberbäume und Kolchische Blutahorne. Der Amberbaum wird in der aktuellen GALK-Liste als geeignet für den Straßenraum geführt, der Kolchische Blutahorn ist dort nicht gelistet.

Abb. 1: Prinzipskizze des Baumrigolensystems ALVEUS (Fa. Humberg) | Foto: Humberg GmbH, FH Münster

In Abbildung 1 ist das Prinzip des Baumrigolensystems ALVEUS dargestellt. Am Standort der Fa. Humberg in Nottuln wird das Niederschlagswasser von der 300 m² großen Dachfläche in die beiden oberen Speicher geleitet. Von dort gelangt das Wasser über Perlschläuche in den Wurzelraum des Baumes oder aber ab einem gewissen Füllstand über den Überlauf in den unteren Speicher. Das Niederschlagswasser im unteren Speicher wird in den Untergrund versickert und steht dem Baum nicht unmittelbar zur Verfügung. Optional kann das Wasser aber auch über eine kleine Pumpe in den oberen Speicher zurück gepumpt werden. Bei starken Regenereignissen, die das ganze Speichervolumen des Systems füllen, entlastet das System über einen Notüberlauf in den Abwasserkanal. Das Rigolensytem (Typ ALVEUS) der Firma Humberg wurde in Abstimmung mit der FH Münster im Rahmen des Projektes optimiert. Ein Vorteil des Systems ist die Flexibilität, die eine individuelle Anpassung an unterschiedliche Standorte und Platzverhältnisse ermöglicht. Die Richtlinien der Forschungsgesellschaft Landschaftsentwicklung Landschaftsbau e.V. (FLL) [2] fordern ein Pflanzgrubenvolumen von 12 m³ für die Wurzelausbreitung. Das an zwei Seiten offene System erfüllt diese Voraussetzungen.

An jedem Standort werden Niederschlag, Bodenfeuchte und Bodentemperatur sowie die Füllstände der Systemspeicher in einem fünfminütigen Messintervall kontinuierlich erfasst sowie die Niederschlagshöhe zur Ermittlung des Zuflusses in das System aufgezeichnet. Zum Nachweis der Bewässerungsleistung wurden in den Substratkörpern der Pflanzgruben der untersuchten Projektbäume jeweils fünf bis zehn Sonden der Firma TRUEBNER des Typs SMT 100 eingesetzt.

Abb. 2: Bau der Baumrigole | Foto: Grüning, FH Münster

Abbildung 2 veranschaulicht den Bau und die Ausführung der Baumrigolen und Abbildung 3 zeigt Baumrigolenstandorte nach dem Einbau.

Abb. 3: Baumrigolen nach dem Einbau | Foto: bs

Modellierung des Speicherverhaltens

Um fundiertere Aussagen über die Funktionalität des Systems als langfristiges quasinatürliches Bewässerungselement und als Element der Überflutungsvorsorge treffen zu können, wurden die Speicher des Systems am Standort Humberg mit der Wasserabgabe in den Untergrund und in den Wurzelraum modelliert. Die Messungen der Speicherfüllstände und der Bodenfeuchte zeigten, dass die Einleitung des Wassers in den Wurzelraum des Baumes über die Perlschläuche hohen Schwankungen unterlag. Ein erhöhter Ablauf über die Perlschläuche stellte sich innerhalb der Vegetationsperiode ein. Dies wird bei der Modellierung durch Anpassung des Ablaufs über eine angenommene Vegetationsperiode von Anfang Mai bis Ende September berücksichtigt. Beispielhaft ist in Abbildung 4 der Vergleich der simulierten und gemessenen Werte für den Zeitraum vom 01.08.2022 bis 31.11.2022 dargestellt. Innerhalb der Messzeiträume nahm die Durchlässigkeit der Perlschläuche zur direkten Bewässerung der Wurzelräume zeitweise ab. Ursache sind sehr wahrscheinlich feine Partikel, die zu Verstopfungen der Poren führen. Durch Filtereinheiten soll künftig ein Rückhalt der feinpartikulären sowie weiterer Stoffe gewährleistet werden.

Abbildung 4: Vergleich des Simulationsergebnisses mit gemessenen Werten für die Wasserhöhen im oberen und unteren Speicher während eines Kalibrierungszeitraumes. | Foto: Grüning, FH Münster

Zur Überflutungsvorsorge sind maximale Speicherräume optimal, damit hohe Abflussspitzen durch intensive Niederschläge reduziert werden. Vor diesem Hintergrund wurden durch Simulationsrechnungen die Entleerungszeiträume ausgewertet (vgl. Tabelle 1). Maßgeblichen Einfluss haben dabei im Wesentlichen die jahreszeitlichen Niederschlagscharakteristiken (Dauer, Häufigkeit, Intensität) und die damit zusammenhängenden Bodenfeuchten und Grundwasserstände, die Wasseraufnahme der Bäume und auch die systemspezifische Durchlässigkeit der Perlschläuche zur Wurzelraumbewässerung. Dabei zeigte sich, dass eine Entleerung der oberen Speicherebene zur Wurzelraumbewässerung (V = 0,52 m³) während der angenommenen Vegetationsphase von Mai bis September innerhalb eines Tages über die Perlschläuche üblich ist. Während der Nichtvegetationsphase im Herbst/Winter-Zeitraum ist eine völlige Entleerung des Speichers dagegen selten. Für die Simulation wurde hier eine Entleerungszeit von 40 Tagen angenommen. Der untere Speicher am Standort der Firma Humberg ist häufig bereits nach etwa einem Tag entleert. Grundsätzlich kann beim begehbaren System ALVEUS der untere Speicher temporär abgedichtet werden. In diesem Fall wird dieser Speicheranteil durch kleine Pumpen in den oberen Bewässerungsspeicher gefördert und das Bewässerungsvolumen sowie der Bewässerungszeitraum dadurch gesteigert.

Tabelle 1: Entleerungszeiträume der jeweiligen Speicher in den angenommenen Vegetationsphasen:

Speicher/Einleitungsebene	Vegetationsphase Mai bis September	Nichtvegetationsphase Oktober bis April
Oben/Bewässerung	23 h	40 d
Unten/Versickerung	22 h	22 h

Derzeit fehlen Regeln zur Bemessung von Baumrigolen. Vor diesem Hintergrund wird im Rahmen des Projektes untersucht, welche Regenereignisse durch die Rigolen aufgenommen werden können. Bei den Systemen handelt es sich um dezentrale Speicher (vergleichbar mit dezentralen Regenrückhaltebecken), die unmittelbar vor Ort den Niederschlag aufnehmen und zeitlich stark verzögert in den Boden einleiten. Auf Basis der Koordinierten Starkregen-Regionalisierungs-Auswertung des DWD (KOSTRA) für den Bereich des Nottulner Gemeindegebietes wurde untersucht, welche Starkregen gespeichert werden können, ohne dass es zu einer Entlastung in die Kanalisation kommt. Voraussetzung dabei war, dass der Speicher zu Regenbeginn leer ist. Die Analyse ergab, dass Regen kurzer Dauerstufen im Bereich von 5 bis 10 Minuten mit Wiederkehrintervallen von 1 bis 2 Jahren komplett gespeichert werden können. Ähnlich zeigt sich das Verhalten bei sehr langen Regen mit entsprechend geringerer Intensität [3]. Werden mehrere Baumrigolen miteinander verbunden, ist ein nennenswerter unterirdischer Rückhalteraum gewährleistet.

Modellierung des Bewässerungsverhaltens

Zur Bewässerung des Baumes sind die Abflüsse maßgeblich, die dem Wurzelbereich zugeführt werden. Die Ermittlung dieser Abflussanteile über den oberen Speicher des Systems erfolgte durch Bilanzierung der gemessenen Speicherfüllstände. Zur Bestimmung dieses Volumens wurden die gemessen Niederschläge mit der angeschlossenen, befestigten Fläche (A_b= 285 m³) multipliziert. Für die Ermittlung der Vegetationsperiode sind Temperaturaufzeichnungen an der Wetterstation am Flughafen Münster/Osnabrück verwendet worden [4][5]. Die Vegetationsperiode wird im Allgemeinen durch eine im Tagesmittel höher als 5°C liegende Temperatur definiert [6]. Die exemplarisch für das Jahr 2022 bilanzierten Daten enthält Tabelle 2. Der Zufluss in den Wurzelraum während der Vegetationsperiode bei Lufttemperaturen über 5 °C lag bei etwa 11 m³. Das entspricht einem gemittelten Tageszufluss von rund 50 bis 80 Liter. Wie Abbildung 5 zeigt, lässt sich damit ein Baum bis zu einer Wuchshöhe von ungefähr 20 Metern mit Wasser versorgen [1].

Tabelle 2: Bilanzierung des Zuflusses in den Wurzelbereich für 2022

Zeitraum

Systemzufluss

(m³)

Zufluss Wurzelraum

(m³)

Zufluss Wurzelraum

(%)

Gesamter Messzeitraum

01.01.2022 bis 30.11.2022

123,747

16,049

12,96

Vegetationsperiode (> 5°C)

11.04.2022 bis 18.11.2022

69,882

10,909

15,61

Abbildung 5: Evapotranspiration gegen Baumhöhe an Sommertagen nach einer Auswertung von internationalen Messdaten zur Evapotranspiration von (Laub-)Bäumen (Angiosperme) in verschiedenen Klimazonen und mit unterschiedlichen Standortbedingungen (n=77; Sommerzeit). [1] | Foto: Grüning, FH Münster

Ausblick

Baumrigolen wirken als dezentrale Rückhalteräume und können einen Beitrag zur Überflutungsvorsorge leisten. Insbesondere kurze Starkregen und Starkregen mit langer Dauer können wirksam zurückgehalten werden. Die Verfügbarkeit der Niederschläge zur Baumbewässerung hängen maßgeblich von den Möglichkeiten der Einleitung der Oberflächenabflüsse in den Wurzelraum ab. Klassisch erfolgen die Zuflüsse von oben über die Baumscheibe. Das Wasser ist dann allerdings nur befristet für den Baum verfügbar. Ideal sind Speicherelemente, die eine längerfristige Baumbewässerung ermöglichen. Dazu muss das Wasser entweder oberhalb des Wurzelraumes gespeichert werden oder ggf. aus einem unteren Speicher in den Wurzelraum gelangen. Möglichkeiten der Speicherbewirtschaftung durch kleine Pumpen werden derzeit an den Standorten am Pastorskamp in Nottuln untersucht. Bei der direkten Wurzelraumbewässerung aus der oberen Speicherebene mit Perlschläuchen besteht die Gefahr der Verstopfung. Systemoptimierungen sind Gegenstand aktueller Untersuchungen. In [3] und [7] und sind zusätzliche Informationen zu den Systemuntersuchungen in Nottuln beschrieben. Neben den hier dargestellten Baumrigolen mit Speicherelement, sind weitere Varianten verfügbar [8], [9].

Literaturangaben

[1] BlueGreenStreets (Hrsg.) (2020), BlueGreenStreets als multicodierte Strategie zur Klimafolgenanpassung – Wissenstand 2020, April 2020, Hamburg. Statusbericht im Rahmen der BMBFFördermaßnahme „Ressourceneffiziente Stadtquartiere für die Zukunft“ (RES:Z).

[2] Forschungsgesellschaft Landschaftsentwicklung Landschaftsbau e.V. - FLL (Hg.) (2015): Empfehlungen für Baumpflanzungen – Teil 1. Planung, Pflanzarbeiten, Pflege. 2. Ausgabe, Bonn: FGSV

[3] Grüning H, Schulte A. und Siering N. (2023) Wirkung von Baumrigolen als Be- und Entwässerungssystem. In: Klimawandel – Trockenheit und Starkregen im urbanen Raum. Tagungsband der 7. Wassertage Münster, ISBN: 978-3-947263-34-9, S. 125 bis 136

[4] DWD Climate Data Center (CDC): Historische stündliche Stationsmessungen der Lufttemperatur und Luftfeuchte für Deutschland, Version v006, 2018.

[5] DWD Climate Data Center (CDC): Aktuelle stündliche Stationsmessungen der Lufttemperatur und Luftfeuchte für Deutschland, Qualitätskontrolle noch nicht vollständig durchlaufen, Version recent, abgerufen am 30.12.2022.

[6] DWD (Hg.): Wetter- und Klimalexikon. Vegetationsperiode. Online verfügbar unter https://www.dwd.de/DE/service/lexikon/Functions/glossar.html?lv2=102868&lv3=102890, zuletzt geprüft am 09.01.2023.

[7] Grüning H, Schulte A. und Siering N. (2021) Möglichkeiten der Be- und Entwässerung durch Baumrigolen. In: gwf-Wasser und Abwasser, Jahrgang 162, Heft 6/2021, ISSN 0016-3651, S. 69 bis 77

[8] Pallasch M., Geisler D. und Kluge B. (2022) Straßenbäume und dezentrale Versickerung als Beitrag wassersensibler Stadtentwicklung. KA Korrespondenz Abwasser, Abfall (69), Br. 9, S. 747-759

[9] Dickhaut W., Doobe G., Eschenbach A., Fellmer M., Gerstner J., Gröngröft A., Jensen K., Lauer J., Reisdorff C., Sandner A., Titel S., Wagner A. und Winkelmann A. (2019) Entwicklungskonzept Stadtbäume - Anpassungsstrategien an sich verändernde urbane und klimatische Rahmenbedingungen. Abschlussbericht des Projektes Stadtbäume im Klimawandel (SiK), HafenCity Universität Hamburg

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