Wasserwirtschaft und Hydrosystemmodellierung

Dr.-Ing. Mathias Riechel

Integrated modelling of stormwater management strategies and CSO impacts on urban rivers

The dissertation compiles work done between 2012 and 2022 at Kompetenzzentrum Wasser Berlin in cooperation with the Chair of Water Resources Management and Modeling of Hydrosystems, Institute of Civil Engineering, School VI Plannung Building Environment, Technische Universität Berlin.

Advisors:

  • Prof. Dr.-Ing. Reinhard Hinkelmann, Technische Universität Berlin
  • Dr.-Ing. Pascale Rouault, Kompetenzzentrum Wasser Berlin

Day of scientific discussion: 17 February 2022

Committee:

    • Prof. Dr.-Ing. Matthias Barjenbruch, Technische Universität Berlin (Head)
    • Prof. Dr.-Ing. Reinhard Hinkelmann, Technische Universität Berlin
    • Prof. Dr.-Ing. Dirk Muschalla, Technische Universität Graz, Austria
    • Dr.-Ing. Pascale Rouault, Kompetenzzentrum Wasser Berlin
    • Dr.-Ing. Ivana Kabelková, Technical University in Prague, Czech Republic

    Abstract

    Abstract

    Die diffuse Verschmutzung durch Mischwasserüberläufe ist eine der größten Herausforderungen für urbane Gewässer. Besonders problematisch für abflussregulierte Fließgewässer und die darin lebenden Organismen ist das akute Absinken der Sauerstoffkonzentration infolge des Abbaus von eingeleitetem organischen Material, wie es in der Berliner Stadtspree und ihren Nebenkanälen regelmäßig beobachtet wird. In einigen Gewässern führen auch erhöhte Konzentrationen von Ammonium zu ökologischen Beeinträchtigungen. Darüber hinaus resultieren aus den über Mischwasserüberläufe eingetragenen pathogenen Keimen auch Risiken für die menschliche Gesundheit in stromabwärts gelegenen Badegewässern. Unter fortschreitendem Klimawandel werden sich diese negativen Auswirkungen weiter verschärfen.

    Um die Auswirkungen von Mischwasserüberläufen abzumildern, werden Maßnahmen der Kanalnetz- und der Regenwasserbewirtschaftung eingesetzt, z. B. unterirdische Speicherbecken, Reinigungsanlagen, Gründächer oder Versickerungsmulden. Die Auswahl geeigneter Maßnahmen erfolgt jedoch in den meisten Fällen emissionsbasiert, d. h. ohne Nachweis des ökologischen Nutzens für das Gewässer. Ein zentrales Hindernis ist die geringe Verbreitung integrierter Kanalnetz- und Gewässergütemodelle, insbesondere für komplexe Systeme mit einer Vielzahl unterschiedlicher Mischwasserauslässe. Über die konkrete Wirkung von Maßnahmen und die im Gewässer ablaufenden Prozesse ist daher nur wenig bekannt. Auch die positiven Effekte der dezentralen Regenwasserbewirtschaftung auf die Wasserqualität und die aquatischen Organismen wurden bisher kaum quantifiziert.

    Ziel der vorliegenden Dissertation ist es, die Auswirkungen von Mischwasserüberläufen auf den Sauerstoffhaushalt urbaner Fließgewässer, die damit verbundenen Prozesse sowie die positiven Effekte der Kanalnetz- und insbesondere der Regenwasserbewirtschaftung aufs Gewässer zu quantifizieren. Zu diesem Zweck wurde ein integriertes Modellwerkzeug basierend auf dem Kanalnetzmodell InfoWorks, dem Gewässergütemodell Hydrax-QSim und einem immissions-basierten Bewertungsansatz für fischkritische Sauerstoffdefizite am Beispiel von Berlin aufgebaut. Das Modellwerkzeug wurde verwendet, um die nach Mischwasserüberläufen im Gewässer vorherrschenden Prozesse des Sauerstoffhaushaltes und die Auswirkungen verschiedener Bewirtschaftungsstrategien, auch unter Berücksichtigung des Klimawandels, zu quantifizieren. In einem zweiten Schritt wurde das Modellwerkzeug um ein detailliertes Niederschlag-Abfluss-Modell erweitert, das über Modellkomponenten für verschiedenste Maßnahmen der Regenwasserbewirtschaftung verfügt. Mit dem erweiterten Modellwerkzeug wurden unterschiedliche, konkret in einem Stadtquartier verortete Maßnahmen hinsichtlich ihres Potenzials zur Reduzierung von Mischwasserüberläufen und zur Vermeidung kritischer Sauerstoffdefizite im Gewässer untersucht. Darüber hinaus wurde ein virtueller Tracer-Ansatz zur Ermittlung des mikrobiologischen Verschmutzungspotenzials verschiedener Mischwasserauslässe entwickelt und getestet. Der Ansatz ermöglicht es, Maßnahmen zur Verbesserung der Badegewässerqualität optimal zu verorten.

    Zunächst konnte gezeigt werden, dass integrierte Modelle für das Kanalnetz und das Gewässer in der Lage sind, die Auswirkungen von Mischwasserüberläufen auch unter komplexen Bedingungen in guter Übereinstimmung mit Messungen abzubilden. Das aufgebaute integrierte Modell reagiert sensitiv auf Veränderungen im Stadtgebiet, im Kanalnetz sowie im Gewässer, was eine wichtige Plausibilitätsprüfung und Voraussetzung für die Szenarienanalyse ist. Drei Gewässerprozesse wurden identifiziert, die den Sauerstoffhaushalt nach Mischwasserüberläufen in Abhängigkeit der Fließzeit dominieren: i) der Abbau von organischem Material durch heterotrophe Bakterien, ii) die reduzierte Photosyntheseaktivität aufgrund erhöhter Trübung und iii) die Einmischung von sauerstoffarmem Mischwasser in die Gewässerströmung.

    Die identifizierten Prozesse werden durch verschiedene Bewirtschaftungsmaßnahmen in unterschiedlicher Weise beeinflusst. Bedeutende positive Effekte wurden für eine Erhöhung der Speicherkapazität im Kanal und für eine Reduzierung des Oberflächenabflusses durch Maßnahmen der Regenwasserbewirtschaftung ermittelt, die alle drei identifizierten Gewässer-prozesse beeinflussen. Mit beiden Maßnahmentypen können fischkritische Sauerstoffdefizite in Häufigkeit und Dauer deutlich reduziert und im Falle der Regenwasserbewirtschaftung sogar vollständig verhindert werden. Der Klimawandel würde diese positiven Effekte jedoch zum Teil kompensieren und zudem die Hintergrundbelastung des Sauerstoffhaushaltes während Trockenwetter erhöhten. Die durch einige Maßnahmen der Regenwasserbewirtschaftung erzielte Abflussdämpfung und verzögerung kann je nach Regenereignis einen wichtigen Anteil an der Reduzierung von Mischwasserüberläufen haben. Daher sollten diese Effekte für die detaillierte Maßnahmenplanung möglichst gut im Modell abgebildet werden.

    Zuletzt zeigte der entwickelte Tracer-Ansatz für Emissionen pathogener Keime, dass Hotspots mikrobieller Verschmutzung nicht immer dort liegen, wo auch die größten Volumina eingeleitet werden. Daraus resultieren wichtige Schlussfolgerungen für die Verortung von Maßnahmen zur Verbesserung der Badegewässerqualität.

    Die Ergebnisse dieser Arbeit bringen wertvolle Erkenntnisse zu Auswirkungen von Mischwasserüberläufen und den Effekten unterschiedlicher Maßnahmen aufs Gewässer. Die verwendeten und erweiterten Ansätze der integrierten Modellierung können für die immissionsbasierte Maßnahmenplanung, insbesondere in urbanen Systemen mit regelmäßig auftretenden akuten Sauerstoffdefiziten, eingesetzt werden.