Adaptive und sensorgestützte Bewässerung extensiver Gründächer zur Optimierung des urbanen Wassermanagements im Hinblick auf Niederschlagsrückhalt und Verdunstungskühlung

Begrünte Dachflächen spielen eine wichtige Rolle im städtischen Wassermanagement. Sie sind in zweierlei Hinsicht zentrale Bausteine von Mitigationsstrategien bezogen auf die Auswirkungen des Klimawandels im urbanen Raum. Zum einen sollen sie die Gefahr von urbanen Sturzfluten in Folge von Stark- bzw. Extremregenereignissen durch eine Verzögerung des Regenwasserabflusses mindern, zum anderen die zunehmende Hitzebelastung im städtischen Raum durch eine möglichst hohe Evapotranspirationsleistung reduzieren. In der praktischen Umsetzung stellen die gleichzeitige Maximierung von Verdunstungsleistung und Regenwasserrückhalt jedoch einen nur schwer zu lösenden Zielkonflikt dar. Um eine hohe Verdunstungskühlung zu erzielen, müssen die Flächen gut mit Wasser versorgt sein, was aber ihr Wasserrückhaltevermögen mindert.

Abb. 1: Einbau volumetrischer Bodenfeuchtefühler in ein extensives Dachsubstrat

Abb. 2: Wägbarer Teststand zur Kalibrierung volumetrischer Bodenfeuchtefühler mit Lupine als Testpflanze

Zur Lösung dieses Konflikts soll ein sensorgestütztes, adaptives Bewässerungssystem für Dachbegrünungen entwickelt werden, in dem der bisher nur temporäre Wasserspeicher von Retentionsdächern aktiv für das urbane Wassermanagement genutzt wird. Im ersten Projektabschnitt werden unterschiedliche volumetrische Bodenfeuchte-fühler auf ihre Eignung zur Messung des Wassergehaltes von extensiven Dachsubstraten geprüft (Abb. 1).

Unter anderem auf Basis solcher Sensordaten soll eine innovative Bewässerungssteuerung entwickelt werden. Zusätzlich zur Bodenfeuchte sollen der Wasservorrat im Unterbau der Dachbegrünung, aktuelle Wetterdaten sowie die Wettervorhersage einfließen. Für die Entwicklung der entsprechenden Steueralgorithmen werden derzeit sechs kleinmaßstäbliche Dachbegrünungsmodelle mit einer Fläche von jeweils 8 m² aufgebaut (Abb. 3).

Zusätzlich zu den Bodenfeuchtesensoren werden in und an den Modellen weitere Klimasensoren verbaut. Desweiteren sind die Modelle wägbar und mit einer Niederschlagssimulationsanlage ausgestattet. Über weitere Wägezellen kann zudem der Regenwasserablauf präzise erfasst werden. Abschließend sollen die auf Basis dieser Modelle entwickelten Bewässerungsstrategien unter Freilandbedingungen validiert werden.

Abb. 3: Kleinmaßstäbliches Dachbegrünungsmodell mit eingebauter Unterflurbewässerung

Publikationen

Lohr, D.; Schmitz, H.; Walker, R.; Meinken, E. (2020): Dachbegrünungen als Baustein der Klimafolgenanpassung: Verbesserung der Überflutungs- und Hitzevorsorge durch ein IoT-basiertes Wassermanagement . INUAS-Konferenz Book of Abstracts 2021, S.310-312.
Abstract | Volltext

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.

Wissenschaftliche Poster

Lohr, D.; Schmitz, H.; Walker, R.; Meinken, E. (2021): Dachbegrünungen als Baustein der Klimafolgenanpassung: Verbesserung der Überflutungs- und Hitzevorsorge durch ein IoT-basiertes Wassermanagement . INUAS-Konferenz 2021.

Presseberichte und Medienbeiträge

Medienbeitrag, .; Meinken, E.; Lohr, D.; Hertle, B.; Kell, K. (2021): Faszinierende Pflanzen: Wie wir die Vielfalt retten können. W wie Wissen (ARD).
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