Adaptive and sensor-based irrigation of extensive green roofs to optimise urban water management in terms of precipitation retention and evaporative cooling (Intelligent rooftop irrigation management)

Raum ist in urbanen Gebieten eine umkämpfte Ressource. Durch die zunehmende Verdichtung der Städte und die damit einhergehende Versieglung erwachsen für Städte durch den Klimawandel zwei große Herausforderungen die zukünftig bewältigt werden müssen: Urbane Sturzfluten durch Extremregenereignisse und die Bildung städtischer Hitzeinseln. Begrünte Dachflächen spielen eine zentrale Rolle bei der Bewältigung dieser Herausforderungen. Zum einen sollen sie die Gefahr von urbanen Sturzfluten durch eine Verzögerung des Regenwasserabflusses mindern, zum anderen gleichzeitig die zunehmende Hitzebelastung durch eine hohe Evapotranspiration reduzieren. Allerdings erzeugt die gleichzeitige Maximierung der Verdunstungsleistung und des Regenwasserrückhalts einen nur schwer zu lösenden Zielkonflikt dar: Für eine hohe Verdunstungskühlung ist eine hohe Substratfeuchte notwendig, was aber das Wasserrückhaltevermögen mindert.

Zur Lösung dieses Konflikts muss das Wassermanagement begrünter Dachflächen intelligent gestaltet werden. Hierfür soll ein IoT-basiertes Bewässerungsmanagement für Dachbegrünungen entwickelt werden, in das lokal erhobene Messwerte (Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit und -richtung, Substratwassergehalt), die kurz- und mittelfristige Wettervorhersage (z.B. anstehende Niederschläge, potentielle Evapotranspiration) und die zur Verfügung stehende Wasserressource (Grau-, Trink- oder Regenwasser) einfließen.

Extensive green roofs are a key component of urban water management in the future. On the one hand, they should mitigate urban heat islands, for which evapotranspiration has to be maximized, and on the other hand, they are supposed to reduce the risk of urban floods after heavy precipitation events. To achieve these goals, an exact measurement of the water supply status is necessary. In arable soils as well as in organic growing media, dielectric sensors are widely common. However, there is only little knowledge about the suitability of this kind of sensors for mineral and coarse-textured substrates used for extensive green roofs. In the current research four dielectric sensors (EC-5, 10 HS, SMT 100 and Aquaflex TR) were tested using five different green roof substrates. The five substrates were filled in plastic boxes of 80 x 60 cm. Substrate height was 15 cm and the four sensors were placed at half height. Afterwards, white lupine was sown and cultivated up to a height of about 30 cm. For testing the sensors, the substrates were saturated with water and then they have been left to dry out until plants show severe signs of wilt. During dry out, the sensor signals as well as the weight of the boxes were recorded automatically every five minutes. For each substrate six consecutive drying cycles were done. With exception of the Aquaflex TR, for all sensors output signals were closely linear correlated to the weight loss and signal ranges were comparable for the six drying cycles. However, significant differences in output signals of the sensors between the five tested substrates were observed. This indicates a need for substrate specific calibrations. The relation between the output signal of the Aquaflex TR and the weight loss was not linear, but also reproducible and suitable to assess water supply status of plants.

Green roofs play a crucial role in climate change mitigation strategies. On the one hand, they should reduce the risk of urban floods after heavy rainfalls. On the other hand, they should cool the city by evapotranspiration and avoid the formation of urban heat islands. However, concurrently most green roofs in Germany are extensive ones. They are designed as dry sites, with shallow and well-drained vegetation layers, no additional irrigation and greened with highly drought-adapted plants - mainly sedum. Indeed, during the last years a new kind of extensive green roofs – still with shallow vegetation layers – but equipped with sub-surface irrigation and voluminous retention elements as temporary water storage beneath the vegetation layer as well as greened with plants with high transpiration, were developed. But also these new kind of green roofs are facing a conflict of objectives between storm water retention and cooling performance.

To solve this conflict of objectives an adaptive and sensor based water management system was developed. It consists of two main components: Irrigation management of the plants and management of storm water runoff, especially the control of the retention element. For the irrigation management a decision matrix was developed which adapts the irrigation strategy, depending if cooling performance or water retention has higher priority. Prioritization is based on thermal discomfort and rain forecast. The decision matrix uses environmental data, data of the weather forecast and information about water resources (e.g. grey water, water supply in the retention element). For management of storm water, run-off is actively controlled and the vegetation layer used as temporary water storage. In combination with a retention element, this can quadruple water retention capacity of green roofs. The amount of water stored in the green roof system – especially the retention element – is mainly controlled on basis of real-time, radar-based precipitation data.

Hintergrund

Begrünte Dachflächen sind in zweifacher Hinsicht Kernelemente von Mitigationsstrategien bezogen auf die Auswirkungen des Klimawandels im urbanen Raum. Einerseits sollen sie bei zukünftig häufiger auftretenden Starkregenereignissen das Risiko von Sturzfluten durch eine Verzögerung des Regenwasserabflusses reduzieren. Andererseits soll durch die Evapotranspiration der Flächen das thermische Milieu verbessert und die Entstehung von städtischen Hitzeinseln verhindert werden. Beides können die aktuell üblichen Extensivbegrünung auf Grund ihrer grundlegenden Konzeption – dünnschichtiger Aufbau mit schnelldrainenden Substraten und trockenheitsadaptierte Pflanzen – nicht leisten. In den letzten Jahren wurden daher neue Typen von Extensivbegrünungen entwickelt, die unter den Bezeichnungen Klima- bzw. Retentionsdach am Markt eingeführt wurden. Bei diesen Konzepten werden zum einen andere Pflanzengesellschaften verwendet und zum zweiten verfügen sie über ein größeres Wasserspeichervermögen ohne grundlegend höhere Anforderungen an die Gebäudestatik zu stellen. Allerdings bleibt bei diesen Systemen ein schwer lösbarer Zielkonflikt zwischen maximalem Wasserrückhalt und maximaler Evapotranspiration bestehen. Ersteres verlangt nach einem maximalen Speichervolumen und damit einem geringen Wassergehalt im Substrat, während für den zweiten Aspekt eine gleichbleibend hohe Substratfeuchte notwendig ist.

Zielstellung und Forschungsansatz

Im Forschungsvorhaben werden diese beiden gegenläufigen Aspekte bei der Entwicklung eines adaptiven, sensorgestützten Bewässerungsmanagements für neuartige, extensive Dachbegrünungen berücksichtigt. Grundlage für das Bewässerungsmanagement sind zum einen Vor-Ort gemessenen Umweltdaten (z.B. Substratfeuchte, Wasservorrat im Unterbau, Lufttemperatur), Daten der kurz- und mittelfristigen Wettervorhersage (Niederschläge, Temperatur, Einstrahlung, Evapotranspiration) sowie die zur Verfügung stehenden Wasserressourcen für die Bewässerung (Trink-, Grau- oder Regenwasser). Die Parametrisierung des Bewässerungsmanagements erfolgt auf Basis von Messwerten (z.B. zur Evapotranspirationsleistung von Dachbegrünungen in Abhängigkeit von den Wetterbedingungen sowie der Substratfeuchte) die an sechs realitätsnahen, kleinmaßstäblichen Dachbegrünungsmodellen (s. Abb. 1) erhoben werden. Der Wasserhaushalt in den Modulen wird über eine kontinuierliche Wägung erfasst, zudem sind in den Modellen unter anderem Sensoren zur Erfassung der Substratfeuchte und -temperatur sowie der Luftfeuchte und -temperatur verbaut. Des Weiteren sind alle Modelle mit einem Niederschlagssimulator, mit dem Regenereignisse von einem leichten Dauerregen bis zu einem extremen Gewitterschauer nachgestellt werden können, ausgestattet. Des Weiteren kann der Regenwasserabfluss mit hoher zeitlicher Auflösung gemessen werden.

Aktueller Stand der Arbeiten

Der Aufbau der sechs Dachbegrünungsmodelle ist inzwischen abgeschlossen. Nach grundlegenden Funktionstest wurden die ersten Niederschlagsereignisse simuliert und mit der fortlaufenden Datenerfassung begonnen. Zudem wurden automatisierte Schnittstellen zum Abruf und zur Auswertung der benötigten Vorhersagewerte geschaffen. Dabei handelt es sich um Daten, die vom DWD über den Serverservice Open-Data allgemein zugänglich zur Verfügung gestellt werden. Zum einen werden kurz- und mittelfristige Vorhersagen (bis + 72 h) u.a. zum Niederschlag, der Einstrahlung, der Temperatur und der potentiellen Evapotranspiration herangezogen, die aus den MOSMIX-L-Datensätzen – einer statistisch optimierten Punktvorhersage, die viermal täglich aktualisiert wird und stündliche Prognosewerte für die nächsten zehn Tage liefert – stammen. Auf Basis dieser Daten soll insbesondere die Bewässerung der Vegetation gesteuert werden. Der zweite Datensatz sind räumlich hochaufgelöste, radarbasierte Niederschlagskarten (RADVOR). Diese Karten werden alle 15 min mit einer Zeitverzögerung von einer Stunde bereitgestellt. Sie liefern für 1 km² große Rasterpunkte die aktuelle Niederschlagsmenge sowie zwei Kurzeitvorhersagen (+60 und +120 min). Auf Basis dieser Daten soll der Wasserstand im Retentionselement reguliert werden. Zum einen soll bei angekündigten Starkregenereignissen das Wasser aus dem Retentionselement frühzeitig abgelassen werden, zum zweiten soll die Geschwindigkeit des Wasserablaufs während eines Starkregens reguliert werden.

Geplante Arbeiten

Mit Beginn der Vegetationsperiode werden fortlaufende Messserien gestartet, bei denen vor allem die Evapotranspirationsleistung der Pflanzen in Abhängigkeit von den Wetterbedingungen und der Substratfeuchte sowie der Verlauf des Drainwasserablaufs nach unterschiedlichen Niederschlagsereignissen ermittelt werden. Mit diesen Daten wird das Bewässerungsmanagement parametrisiert. Zeitglich sollen Messungen unter Realbedingungen mit einer mobilen Sensorplattform, deren Prototyp aktuell von der Fa. ZinCo getestet wird, erfolgen, um die Übertragbarkeit der gewonnenen Daten zu prüfen.

Begrünte Dachflächen spielen eine wichtige Rolle im städtischen Wassermanagement und sind in zweierlei Hinsicht zentrale Bausteine von Mitigationsstrategien bezogen auf die Auswirkungen des Klimawandels im urbanen Raum. Einerseits sollen sie bei immer öfter auftretenden Starkregenereignissen das Risiko von Sturzfluten durch eine Verzögerung des Regenwasserabflusses reduzieren. Zum zweiten soll durch die Evapotranspiration der Flächen das thermische Milieu verbessert und die Entstehung von städtischen Hitzeinseln verhindert werden. Derzeit wird jedoch ein Großteil der Dachbegrünungen extensiv gestaltet, d.h. als Trockenstandorte mit dünnen Vegetationstragschichten und einer trockenheitsadaptierten, verdunstungsarmen Vegetation. Dies läuft beiden Aspekten - Verbesserung des Stadtklimas sowie Verzögerung des Wasserablaufs - zuwider.

Im Rahmen eines früheren Forschungsprojektes konnte gezeigt werden, dass mit extensiven, relativ kostengünstigen Dachbegrünungen bei Verwendung verdunstungsstarker Pflanzen eine erhebliche Verdunstungskühlung erzielt werden kann. Ein Ansatz zur Verbesserung des Wasserrückhalts sind Retentionsdächer, bei denen der Wasserablauf durch spezielle Drainelemente, die von der Vegetationstragschicht kapillar entkoppelt sind, stark verzögert wird. Im Forschungsvorhaben sollen diese beiden Aspekte verknüpft und ein adaptives, sensorgestütztes Bewässerungsmanagement für modifizierte, extensive Dachbegrünungen unter Nutzbarmachung des Retentionsspeichers entwickelt werden. Unter Einbeziehung von Umweltdaten (Substratfeuchte, Lufttemperatur, Einstrahlung), der Wettervorhersage (z.B. anstehende Niederschläge) sowie der verfügbaren Wasserressourcen (Regen- oder Trinkwasser) wird die Bewässerungsstrategie kontinuierlich angepasst. So soll z.B. bei angekündigten Starkregenereignissen der Wasservorrat im System (Substrat und Drain-/ Retentionselemente) minimiert werden, um einen maximalen Wasserrückhalt zu erzielen. Gleichzeitig sollen unnötige Wasserverluste bei der Bewässerung vermieden werden.
Die Untersuchungen sind in drei aufeinander aufbauende Phasen gegliedert. In der ersten Projektphase, die schon weitgehend abgeschlossen ist, wurde aus fünf grundsätzlich geeigneten Sensoren der für die Bodenfeuchtemessung in Substraten für extensive Dachbegrünungen am besten geeignetste ermittelt und kalibriert. Die derzeitige zweite Phase des Projekts bildet das Kernstück des Vorhabens. Hierfür wurden im Gewächshaus sechs realitätsnahe kleinmaßstäbliche Dachbegrünungsmodelle mit unterschiedlichem Systemaufbau (Substratdicke, Vegetation, Drain- und Retentionselemente) errichtet und mit den in Phase I ermittelten Bodenfeuchtesensoren sowie Sensoren zur Erfassung von Klimadaten (Temperatur, Einstrahlung u.ä.) ausgestattet. Um den Wasserhaushalt im Substrat detailliert nachverfolgen zu können, sind die Modelle wägbar und das entstehende Drainwasser kann aufgefangen werden (siehe Abbildung). In einem der sechs Modelle wurde zudem ein modifiziertes Retentionselement eingebaut, dessen Wasservorrat kontinuierlich erfasst und aktiv beeinflusst werden kann. Um Starkregenereignisse simulieren zu können, werden die Modelle mit einem Niederschlagssimulator ausgerüstet. Über zwei Vegetationsperioden hinweg werden verschiedene Wetterszenarien (Niederschlag, Temperatur, Luftfeuchte) simuliert und ein adaptives Modell für die Bewässerungssteuerung entwickelt. Zentrale Fragestellungen sind dabei: Welchen Beitrag leisten einzelne Komponenten zum Regenwasserrückhalt? Wie lange dauert es, den Wasservorrat im Substrat auf ein Minimum zu reduzieren? Auf welchem Minimalniveau kann der Wassergehalt im Substrat gehalten werden ohne die Vegetation zu schädigen? Welche Bewässerungsstrategie ist für eine maximale Verdunstungsleistung notwendig?
In der dritten Phase, die parallel zur zweiten Vegetationsperiode von Phase II stattfinden wird, soll das Bewässerungsmodell unter Freilandbedingen validiert werden. Hierfür ist geplant, auf bereits vorhandene, gut etablierte Dachbegrünungen zurückzugreifen.

Der gesamte Forschungsansatz stützt sich auf bewährte Komponenten, die - sofern notwendig - lediglich modifiziert und adaptiert werden. Dies betrifft zum Beispiel Sensoren zur Messung der Bodenfeuchte oder die Komponenten zur Erfassung und Nutzung des Wasservorrats im Retentionselement. Bei der Softwareentwicklung werden nur Module genutzt, die eine spätere Veröffentlichung des Quellcodes unter GNU-Lizensierung möglich machen. Somit können die Ergebnisse einfach und schnell in die Praxis umgesetzt werden. Zusätzlich wird darauf geachtet, dass durch die notwendige Technik bzw. die Bewässerungsstrategie keine erhöhten Anforderungen an die Gebäude-/Dachstatik entstehen, so dass auch bereits bestehende extensive Dachbegrünungen entsprechend nachgerüstet werden können.