Since 2015 the SinoGerman research project SIGN supports water quality improvement in the Taihu region, China

The Taihu (Tai lake) region is one of the most economically prospering areas of China. Due to its location within this district of high anthropogenic activities, Taihu represents a drastic example of water pollution with nutrients (nitrogen, phosphate), organic contaminants and heavy metals. High nutrient levels combined with very shallow water create large eutrophication problems, threatening the drinking water supply of the surrounding cities. Within the international research project SIGN (SinoGerman Water Supply Network, www.water-sign.de), funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF), a powerful consortium of fifteen German partners is working on the overall aim of assuring good water quality from the source to the tap by taking the whole water cycle into account: The diverse research topics range from future proof strategies for urban catchment, innovative monitoring and early warning approaches for lake and drinking water, control and use of biological degradation processes, efficient water treatment technologies, adapted water distribution up to promoting sector policy by good governance. The implementation in China is warranted, since the leading Chinese research institutes as well as the most important local stakeholders, e.g. water suppliers, are involved

Das Versickerungsverhalten durchlässig befestigter Siedlungsflächen und seine urbanhydrologische Quantifizierung

Pflasterflächen bilden heute einen hohen Anteil der befestigten Siedlungsfläche. Dabei kommen diverse Pflastersysteme mit ganz unterschiedlichem VErsickerungsvermögen zum Einsatz. Die Quantifizierung des Abflussbeitrages der unterschiedlichen Befestigungsarten ist jedoch bislang mit erheblichen Unsicherheiten behaftet, da fundierte und ausreichend differenzierte Kennwerte zum Versickerungsvermögen fehlen. Im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit wurde das Versickerungsvermögen gängiger Pflasterbauweisen systematisch untersucht. Den Kern der Untersuchung bilden mehrere hundert Messungen an Bestandflächen sowie im Labor. Im Zuge der Untersuchungen konnte eine Vielzahl gewinnbringender und teilweise neuer Erkenntnisse zur Charakterisierung und Quantifizierung des Versickerungsphänomens auf durchlässig befestigten Siedlungsflächen gewonnen und zur Ableitung substanzieller Anwendungsempfehlungen genutzt werden. Mit den erarbeiteten Versickerungskennwerten wird eine deutlich verbesserte und zugleich durch umfangreiche Messungen und Analysen abgesicherte Grundlage zur quantitativen Bewertung des Versickerungsvermögens bereit gestellt. Die Kennwerte tragen hierbei dem Einfluss wesentlicher Randbedingungen wie dem Eintrag von Feinpartikeln in den Fugenraum, der Niederschlagsintensität, dem Gefälle, der Liegezeit sowie der Nutzung Rechnung. Vielfach konnten anhand der Messwertanalysen Erkenntnisse früherer Untersuchungen bestätigt und mit messtechnisch abgesicherten Zahlenwerten untermauert werden. Ferner konnten für zahlreiche Belagsarten Häufigkeitsverteilungen des Versickerungsvermögens generiert werden, mit denen der ausgeprägte stochastische Charakter des Versickerungsverhaltens, der sich in einer enormen Variabilität des Versickerungsvermögens äußert, erstmals quantitativ umschrieben werden kann. Darüber hinaus wurde ein erster Schritt zu einer verbesserten urbanhydrologischen Erfassung des Abflussverhaltens versickerungsfähiger Siedlungsflächen getätigt. Neben der Ableitung von bauartspezifischen Abflussbeiwerten und Parameterempfehlungen zur Niederschlagsabflusssimulation wurde ein urbanhydrologischer Modellbaustein konzipiert. Die Infiltrationsprozesse werden hierbei über eine modifizierten Ansatz nach Horton/Paulsen abgebildet, bei dem die Berechnungsflächen in Teilflächen diskretisiert und mit nach Auftretenshäufigkeiten gestaffelten Parameterwerten verbunden werden. Der Ansatz hat sich als äußerst effektiv erwiesen und wird daher ausdrücklich zur weiteren programmtechnischen Umsetzung empfohlen.Of all the structures built by human beings, pavements are the most ubiquitous. Hence, the stormwater runoff that pavements control is vast, whereas manifold types of more or less permeable structures exist. However, a lack of validated parameter recommendations as well as adequate methods for modelling stormwater runoff and infiltration processes on pavement structures reflect an evident knowledge deficit regarding the particular infiltration performance of pavements, which can lead to considerable uncertainties of urban drainage computations. Driven by these deficits, the infiltration performance of various pavement structures has been systematically evaluated within a comprehensive research work. Over 230 field and lab scale experiments have been completed and analyzed for surface runoff and infiltration characteristics as well as for water content changes inside the construction. The test series comprises several types of conventional and explicitly permeable structures under various boundary conditions. In addition, the field data have been superimposed on the results of former infiltration tests accomplished by several researchers to a unique database containing over 350 single infiltration tests and enabling substantive statistical analyses. To verify and to even extend the database, the very detailed finite element model HYDRUS-2D has been applied on the executed lab tests as well as on additional lab scale scenarios. Based on these widespread monitoring results together with the simulation results of the HYDRUS-2D application, the primary characteristics of the specific infiltration phenomenon on pavements have been determined. The analyses yield to an identification of the governing constraints, to a quantification of their impacts on the infiltration capacity of the entire pavement construction and finally to the development of an advanced conceptual approach for modelling runoff and infiltration processes on pavement structures. Moreover, profound recommendations for type specific infiltration rates, runoff coefficients and parameter values for conventional applications have been worked out, which facilitate planners a better estimation of the stormwater runoff contributed by the manifold types of more or less permeable pavements

Überprüfung von Standard-Abflussbeiwerten durch Niederschlag-Abfluss-Simulation

Zur Untersuchung des Abflussverhaltens gängiger Befestigungsarten wurden mit Hilfe des Modells KOSMO Niederschlag-Abfluss-Simulationen durchgeführt. Betrachtet wurden hier-bei sowohl Einheitsflächen als auch ganze Einzugsgebiete verschiedener städtebaulicher Struktur. Die Berechnungen erfolgten unter Vorgabe empfohlener Verlustparameter zur Benetzung und zur Muldenauffüllung sowie angepasster Parameterwerte zur Beschreibung der Versickerung. Die Abflusssimulationen wurden für ein weitreichendes Spektrum bemessungsrelevanter Niederschlagsbelastungen vollzogen. Es wurden Einzelregen konstanter und variabler Intensität unterschiedlicher Regendauer sowie eine neunmonatige Nieder-schlagsreihe simuliert. Aus der Bilanzierung des Niederschlag-Abfluss-Prozesses wurden die verschiedenen Abflussbeiwerte der unterschiedlichen Flächenarten ermittelt. Die Modellsimulationen haben gezeigt, dass eine signifikante Abhängigkeit der rechneri-schen Abflussbeiwerte von der zugrunde gelegten Niederschlagsbelastung besteht, die mit zunehmender Versickerungsfähigkeit der Flächen ansteigt. Während die weitestgehend undurchlässigen Flächentypen recht konstante Werte aufweisen, sind die Abflussbeiwerte der durchlässig befestigten Flächen großen niederschlagsbedingten Schwankungen von bis zu 0,5 unterlegen. Hierbei spielen sowohl die Regenintensität als auch die Regendauer und der zeitliche Verlauf des Regens eine Rolle. Die Berechnungsergebnisse für den mittleren Abflussbeiwert, den Endabflussbeiwert sowie den Spitzenabflussbeiwert zeigten für die Simulation von Einzelereignissen unter Berück-sichtigung der belastungsbezogenen Abhängigkeit eine gute Übereinstimmung mit den Richtwerten. Den Berechnungen des mittleren Abflussbeiwertes und des Endabflussbeiwertes wurden hierbei wesentlich geringere Parameterwerte zur Versickerung zugrunde gelegt als für den Spitzenabflussbeiwert, für den die Richtwerte nur mit deutlich höher angesetzten Infiltrationsleistungen bestätigt werden konnten. Diese Versickerungsleistungen liegen zwar noch deutlich unter den von Borgwardt und Muth in neueren Untersuchungen festgestellten Werten und sind somit wissenschaftlich begründet. Dennoch erscheint es fraglich, ob das Versickerungsvermögen durchlässig befestigter Flächen tatsächlich derart hoch ist. Diese Frage kann jedoch anhand der vorliegenden Untersuchung nicht geklärt werden. Des Weiteren wurde festgestellt, dass die Langzeitsimulation von Niederschlagsreihen mit den an Einzelereignisse angepassten Modellparametern sehr geringe Ergebniswerte für den mittleren Abflussbeiwert und teilweise auch für den Endabflussbeiwert der durchlässigen Flächenbefestigungen liefert. Hier stellt sich die Frage, ob der Abflussbeitrag von diesen Flächen im Jahresmittel tatsächlich derart gering ausfällt. Dies wäre aufgrund der Abhängigkeit der Abflussbeiwerte von der Regenbelastung durchaus plausibel, da ein Großteil der jährlichen Niederschlagsereignisse nur geringe Intensitäten aufweist. Der Ansatz geringerer Parameterwerte zur Versickerung erscheint im Hinblick auf die in der Literatur genannten Untersuchungsergebnisse nicht sinnvoll. Darüber hinaus trat hinsichtlich der Endabflussbeiwerte die Problematik auf, dass sich aus der Definitionsgleichung für stark durchlässige Flächenbefestigungen unzutreffenden Werte ergeben. Die Langzeitsimulation von Einzugsgebieten mit einem hohen Anteil versickerungsintensiver Flächen muss daher als problematisch beurteilt werden. Betrachtungen zur Genauigkeit der durchgeführten Untersuchungen (hier nicht aufgeführt) haben gezeigt, dass zahlreiche gebiets- und modellspezifische Faktoren Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Berechnungsergebnisse haben. Die rechnerischen Abflussbeiwerte weisen insbesondere hinsichtlich der Parameterwerte im Versickerungsansatz nach Horton eine starke Sensitivität auf, die bei der Anwendung von Abflussmodellen zur Berechnung des Oberflächenabflusses berücksichtigt werden muss. Aufgrund der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Modellberechnungen kann die Kompatibilität von Berechnungen des Oberflächenabflusses durch Abflusssimulation mit den empfohlenen Standardwerten der einschlägigen Literatur grundsätzlich festgestellt werden. Durch die Anwendung gängiger Modellansätze zur Beschreibung der Abflussbildung unter Ansatz angepasster Parameterwerte können insbesondere bei der Simulation von Einzelereignissen weitgehend übereinstimmende Ergebnisse erzielt werden. Es ist jedoch zu beachten, dass die Simulationsergebnisse entscheidend von der angesetzten Niederschlagsbelastung bestimmt werden, so dass die Anwendung von Berechnungsmodellen nur bezogen auf bestimmte Niederschlagsbelastungen erfolgen kann. Darüber hinaus empfiehlt es sich dringendst, das eingesetzte Modell vorab unter Berück-sichtigung der gebietsspezifischen Gegebenheiten bezüglich der angesetzten Parameterwerte zu eichen. Die Anwendung von Abfluss- und Schmutzfrachtmodellen setzt daher stets voraus, dass die abflussrelevanten Randbedingungen sorgfältig erfasst und bei der Abflusssimulation ausreichend berücksichtigt werden. Die Anwendung von Abflussmo-dellen zur Berechnung des Oberflächenabflusses ist insbesondere im Hinblick auf eine differenzierte Betrachtung der Teilflächen und der Berücksichtigung des Versickerungsbei-trages durchlässiger Befestigungsarten sinnvoll, während diesbezüglich die Angaben des ATV-Arbeitsblattes A 118 nicht ausreichend sind. Des Weiteren machten die Untersuchungen deutlich, dass der derzeitige Kenntnisstand bezüglich des Infiltrationsvermögens durchlässig befestigter Flächen nicht ausreicht. Die vorzugebenden Modellparameter zur Versickerung sind bislang noch mit größeren Unsicherheiten behaftet, die sich unmittelbar auf die Zuverlässigkeit der Berechnungsergebnisse niederschlagen. Hier werden langfristige und großflächig angelegte Freilandmessungen empfohlen, die zur Erarbeitung von Versickerungswerten als Eingangsgrößen in die Abflussberechnungen und zur Festlegung von Abflussbeiwerten dienen können

Überprüfung von Standard-Abflussbeiwerten durch Niederschlag-Abfluss-Simulation

Zur Untersuchung des Abflussverhaltens gängiger Befestigungsarten wurden mit Hilfe des Modells KOSMO Niederschlag-Abfluss-Simulationen durchgeführt. Betrachtet wurden hier-bei sowohl Einheitsflächen als auch ganze Einzugsgebiete verschiedener städtebaulicher Struktur. Die Berechnungen erfolgten unter Vorgabe empfohlener Verlustparameter zur Benetzung und zur Muldenauffüllung sowie angepasster Parameterwerte zur Beschreibung der Versickerung. Die Abflusssimulationen wurden für ein weitreichendes Spektrum bemessungsrelevanter Niederschlagsbelastungen vollzogen. Es wurden Einzelregen konstanter und variabler Intensität unterschiedlicher Regendauer sowie eine neunmonatige Nieder-schlagsreihe simuliert. Aus der Bilanzierung des Niederschlag-Abfluss-Prozesses wurden die verschiedenen Abflussbeiwerte der unterschiedlichen Flächenarten ermittelt. Die Modellsimulationen haben gezeigt, dass eine signifikante Abhängigkeit der rechneri-schen Abflussbeiwerte von der zugrunde gelegten Niederschlagsbelastung besteht, die mit zunehmender Versickerungsfähigkeit der Flächen ansteigt. Während die weitestgehend undurchlässigen Flächentypen recht konstante Werte aufweisen, sind die Abflussbeiwerte der durchlässig befestigten Flächen großen niederschlagsbedingten Schwankungen von bis zu 0,5 unterlegen. Hierbei spielen sowohl die Regenintensität als auch die Regendauer und der zeitliche Verlauf des Regens eine Rolle. Die Berechnungsergebnisse für den mittleren Abflussbeiwert, den Endabflussbeiwert sowie den Spitzenabflussbeiwert zeigten für die Simulation von Einzelereignissen unter Berück-sichtigung der belastungsbezogenen Abhängigkeit eine gute Übereinstimmung mit den Richtwerten. Den Berechnungen des mittleren Abflussbeiwertes und des Endabflussbeiwertes wurden hierbei wesentlich geringere Parameterwerte zur Versickerung zugrunde gelegt als für den Spitzenabflussbeiwert, für den die Richtwerte nur mit deutlich höher angesetzten Infiltrationsleistungen bestätigt werden konnten. Diese Versickerungsleistungen liegen zwar noch deutlich unter den von Borgwardt und Muth in neueren Untersuchungen festgestellten Werten und sind somit wissenschaftlich begründet. Dennoch erscheint es fraglich, ob das Versickerungsvermögen durchlässig befestigter Flächen tatsächlich derart hoch ist. Diese Frage kann jedoch anhand der vorliegenden Untersuchung nicht geklärt werden. Des Weiteren wurde festgestellt, dass die Langzeitsimulation von Niederschlagsreihen mit den an Einzelereignisse angepassten Modellparametern sehr geringe Ergebniswerte für den mittleren Abflussbeiwert und teilweise auch für den Endabflussbeiwert der durchlässigen Flächenbefestigungen liefert. Hier stellt sich die Frage, ob der Abflussbeitrag von diesen Flächen im Jahresmittel tatsächlich derart gering ausfällt. Dies wäre aufgrund der Abhängigkeit der Abflussbeiwerte von der Regenbelastung durchaus plausibel, da ein Großteil der jährlichen Niederschlagsereignisse nur geringe Intensitäten aufweist. Der Ansatz geringerer Parameterwerte zur Versickerung erscheint im Hinblick auf die in der Literatur genannten Untersuchungsergebnisse nicht sinnvoll. Darüber hinaus trat hinsichtlich der Endabflussbeiwerte die Problematik auf, dass sich aus der Definitionsgleichung für stark durchlässige Flächenbefestigungen unzutreffenden Werte ergeben. Die Langzeitsimulation von Einzugsgebieten mit einem hohen Anteil versickerungsintensiver Flächen muss daher als problematisch beurteilt werden. Betrachtungen zur Genauigkeit der durchgeführten Untersuchungen (hier nicht aufgeführt) haben gezeigt, dass zahlreiche gebiets- und modellspezifische Faktoren Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Berechnungsergebnisse haben. Die rechnerischen Abflussbeiwerte weisen insbesondere hinsichtlich der Parameterwerte im Versickerungsansatz nach Horton eine starke Sensitivität auf, die bei der Anwendung von Abflussmodellen zur Berechnung des Oberflächenabflusses berücksichtigt werden muss. Aufgrund der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Modellberechnungen kann die Kompatibilität von Berechnungen des Oberflächenabflusses durch Abflusssimulation mit den empfohlenen Standardwerten der einschlägigen Literatur grundsätzlich festgestellt werden. Durch die Anwendung gängiger Modellansätze zur Beschreibung der Abflussbildung unter Ansatz angepasster Parameterwerte können insbesondere bei der Simulation von Einzelereignissen weitgehend übereinstimmende Ergebnisse erzielt werden. Es ist jedoch zu beachten, dass die Simulationsergebnisse entscheidend von der angesetzten Niederschlagsbelastung bestimmt werden, so dass die Anwendung von Berechnungsmodellen nur bezogen auf bestimmte Niederschlagsbelastungen erfolgen kann. Darüber hinaus empfiehlt es sich dringendst, das eingesetzte Modell vorab unter Berück-sichtigung der gebietsspezifischen Gegebenheiten bezüglich der angesetzten Parameterwerte zu eichen. Die Anwendung von Abfluss- und Schmutzfrachtmodellen setzt daher stets voraus, dass die abflussrelevanten Randbedingungen sorgfältig erfasst und bei der Abflusssimulation ausreichend berücksichtigt werden. Die Anwendung von Abflussmo-dellen zur Berechnung des Oberflächenabflusses ist insbesondere im Hinblick auf eine differenzierte Betrachtung der Teilflächen und der Berücksichtigung des Versickerungsbei-trages durchlässiger Befestigungsarten sinnvoll, während diesbezüglich die Angaben des ATV-Arbeitsblattes A 118 nicht ausreichend sind. Des Weiteren machten die Untersuchungen deutlich, dass der derzeitige Kenntnisstand bezüglich des Infiltrationsvermögens durchlässig befestigter Flächen nicht ausreicht. Die vorzugebenden Modellparameter zur Versickerung sind bislang noch mit größeren Unsicherheiten behaftet, die sich unmittelbar auf die Zuverlässigkeit der Berechnungsergebnisse niederschlagen. Hier werden langfristige und großflächig angelegte Freilandmessungen empfohlen, die zur Erarbeitung von Versickerungswerten als Eingangsgrößen in die Abflussberechnungen und zur Festlegung von Abflussbeiwerten dienen können

Das Versickerungsverhalten durchlässig befestigter Siedlungsflächen und seine urbanhydrologische Quantifizierung

Pflasterflächen bilden heute einen hohen Anteil der befestigten Siedlungsfläche. Dabei kommen diverse Pflastersysteme mit ganz unterschiedlichem VErsickerungsvermögen zum Einsatz. Die Quantifizierung des Abflussbeitrages der unterschiedlichen Befestigungsarten ist jedoch bislang mit erheblichen Unsicherheiten behaftet, da fundierte und ausreichend differenzierte Kennwerte zum Versickerungsvermögen fehlen. Im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit wurde das Versickerungsvermögen gängiger Pflasterbauweisen systematisch untersucht. Den Kern der Untersuchung bilden mehrere hundert Messungen an Bestandflächen sowie im Labor. Im Zuge der Untersuchungen konnte eine Vielzahl gewinnbringender und teilweise neuer Erkenntnisse zur Charakterisierung und Quantifizierung des Versickerungsphänomens auf durchlässig befestigten Siedlungsflächen gewonnen und zur Ableitung substanzieller Anwendungsempfehlungen genutzt werden. Mit den erarbeiteten Versickerungskennwerten wird eine deutlich verbesserte und zugleich durch umfangreiche Messungen und Analysen abgesicherte Grundlage zur quantitativen Bewertung des Versickerungsvermögens bereit gestellt. Die Kennwerte tragen hierbei dem Einfluss wesentlicher Randbedingungen wie dem Eintrag von Feinpartikeln in den Fugenraum, der Niederschlagsintensität, dem Gefälle, der Liegezeit sowie der Nutzung Rechnung. Vielfach konnten anhand der Messwertanalysen Erkenntnisse früherer Untersuchungen bestätigt und mit messtechnisch abgesicherten Zahlenwerten untermauert werden. Ferner konnten für zahlreiche Belagsarten Häufigkeitsverteilungen des Versickerungsvermögens generiert werden, mit denen der ausgeprägte stochastische Charakter des Versickerungsverhaltens, der sich in einer enormen Variabilität des Versickerungsvermögens äußert, erstmals quantitativ umschrieben werden kann. Darüber hinaus wurde ein erster Schritt zu einer verbesserten urbanhydrologischen Erfassung des Abflussverhaltens versickerungsfähiger Siedlungsflächen getätigt. Neben der Ableitung von bauartspezifischen Abflussbeiwerten und Parameterempfehlungen zur Niederschlagsabflusssimulation wurde ein urbanhydrologischer Modellbaustein konzipiert. Die Infiltrationsprozesse werden hierbei über eine modifizierten Ansatz nach Horton/Paulsen abgebildet, bei dem die Berechnungsflächen in Teilflächen diskretisiert und mit nach Auftretenshäufigkeiten gestaffelten Parameterwerten verbunden werden. Der Ansatz hat sich als äußerst effektiv erwiesen und wird daher ausdrücklich zur weiteren programmtechnischen Umsetzung empfohlen.Of all the structures built by human beings, pavements are the most ubiquitous. Hence, the stormwater runoff that pavements control is vast, whereas manifold types of more or less permeable structures exist. However, a lack of validated parameter recommendations as well as adequate methods for modelling stormwater runoff and infiltration processes on pavement structures reflect an evident knowledge deficit regarding the particular infiltration performance of pavements, which can lead to considerable uncertainties of urban drainage computations. Driven by these deficits, the infiltration performance of various pavement structures has been systematically evaluated within a comprehensive research work. Over 230 field and lab scale experiments have been completed and analyzed for surface runoff and infiltration characteristics as well as for water content changes inside the construction. The test series comprises several types of conventional and explicitly permeable structures under various boundary conditions. In addition, the field data have been superimposed on the results of former infiltration tests accomplished by several researchers to a unique database containing over 350 single infiltration tests and enabling substantive statistical analyses. To verify and to even extend the database, the very detailed finite element model HYDRUS-2D has been applied on the executed lab tests as well as on additional lab scale scenarios. Based on these widespread monitoring results together with the simulation results of the HYDRUS-2D application, the primary characteristics of the specific infiltration phenomenon on pavements have been determined. The analyses yield to an identification of the governing constraints, to a quantification of their impacts on the infiltration capacity of the entire pavement construction and finally to the development of an advanced conceptual approach for modelling runoff and infiltration processes on pavement structures. Moreover, profound recommendations for type specific infiltration rates, runoff coefficients and parameter values for conventional applications have been worked out, which facilitate planners a better estimation of the stormwater runoff contributed by the manifold types of more or less permeable pavements