Klimafolgenanpassung durch Dachbegrünung - Quantifizierung des Potenzials durch Vergleich internationaler Studien und Messungen an Hamburger Beispielen

Abstract

Städte sind besonders gefährdet durch die Auswirkungen des Klimawandels. Durch vermehrte Versiegelung infolge weiterer Urbanisierung und Nachverdichtung verstärken sich die negativen Klimafolgen. Aufgrund hoher Versiegelungsgrade und Bebauungsdichten weisen Städte veränderte wasserhaushaltliche und klimatische Bedingungen gegenüber dem Umland auf. Dadurch sind zukünftig verstärkt Auswirkungen wie Schäden durch Starkregen und Hitzewellen beziehungsweise Trockenperioden zu erwarten. Bereits heutzutage kann Hitzestress ein lebensbedrohliches Problem in europäischen Städten sein und durch die stetig steigende Anzahl der in Städten lebenden Menschen werden zukünftig auch immer mehr Menschen dem Risiko von Hitzestress und weiteren Klimawandelfolgen ausgesetzt sein. Der urbane Wasserhaushalt ist gekennzeichnet durch starke Versiegelung und demzufolge schnelleren Regenwasserabflüssen von Flächen wie Dächern und Straßen direkt in die Kanalisation, geringere Verdunstung aufgrund fehlender Vegetation und geringere Versickerung und somit gestörter Grundwasserneubildung. Bei Starkregenereignissen kommt es häufig zur Überlastung von Kanalisationen und somit zu oberflächlichen Überflutungen innerstädtischer Flächen mit teilweise erheblichen Schäden. Mit dem fortschreitenden Klimawandel kann es zu einer Erhöhung der sommerlichen Starkregenintensitäten und damit häufigerer Überlastung von Kanalisationen kommen, was wiederum zu wirtschaftlichen und gesundheitlichen Schäden führen kann. Um den genannten zukünftigen Herausforderungen der Stadtentwicklung zu entgegnen, haben in den letzten Jahren urbane Grünflächen an Bedeutung gewonnen. Da heutzutage in Städten kaum noch Raum zur Schaffung „klassischer“ Grünanlagen wie Parks besteht, bieten vor allem grüne Infrastrukturen wie Dachbegrünungen zukünftiges Umsetzungspotenzial. Positive Wirkungen begrünter Dächer wie die Reduzierung von Heiz- und Kühlungskosten und die Reduzierung der urbanen Wärmeinsel, Speicherung von Regenwasser, Lärmreduktion, Filterung von Luftschadstoffen und die Erhöhung der urbanen Biodiversität sind seit einigen Jahrzehnten bekannt. Im Kontext der Klimafolgenanpassung urbaner Gebiete sind insbesondere die Aspekte der Verringerung des städtischen Wärmeinseleffektes und der Verminderung des Risikos urbaner Sturzfluten von Bedeutung bzw. in den vergangenen Jahren weltweit intensiv beforscht worden. Trotzdem ist es derzeit noch schwer, die tatsächlichen quantitativen Wirkungen abzuschätzen. Häufig ist nicht klar, inwiefern die Ergebnisse bestimmter Studien übertragbar sind auf andere spezifische Konditionen und räumliche Aspekte. Die Ziele dieser Dissertation war es, die Leistungen zur Anpassung an die Folgend des Klimawandels bezüglich Verminderung der urbanen Hitzeinsel und Verringerung des Überflutungsrisikos von Dachbegrünungen zu analysieren und für verschiedene urbane Räume zu quantifizieren. Zusätzlich sollten Rahmenbedingungen, welche die Anpassungsleistungen beeinflussen, ermittelt werden und in ein Vorhersagemodell übersetzt werden. Schließlich sollten betreffende Regelwerke analysiert und bewertet werden. Die Bewertung von Klimafolgenanpassungsleistungen von Dachbegrünungen erfolgte im ersten Teil anhand eines systematischen Reviewverfahrens und der vertieften Untersuchung und statistischen Analyse von insgesamt 123 wissenschaftlichen Studien. Durch Übertragung der Erkenntnisse in eine Datenbank konnten die potenziellen Wirkungen und deren Abhängigkeiten von geographischen Regionen, meteorologischen Vorbedingungen und technischen Konstruktionsdetails quantifiziert werden. Im Weiteren wurden die hydrologischen Wirkungen und deren Abhängigkeiten anhand von mehrjährigen Messreihen Hamburger Gründächer bewertet. Die Erstellung des Vorhersagemodells zur wasserwirtschaftlichen Wirksamkeit von Dachbegrünungen erfolgte mit einem Ansatz der multiplen linearen Regression. Dachbegrünungen zeigten in jedem Fall einen gewissen Regenwasserrückhalt und Verzögerungen von Abflussbeginn und Abflussspitzen. Im Mittel wurden langfristig von unterschiedlichen Dachbegrünungstypen etwa 40 % in den Wintermonaten bis 73 % in den Sommermonaten zurückgehalten. Für Einzelereignisse wurden Werte von 60 % Regenwasserrückhalt, Spitzenabflussbeiwerte von 0,37 und Verzögerungen von Abflussbeginn bzw. –maximum von 235 bzw. 250 Min. erreicht. Parameter wie die Substratstärke, Vorfeuchte, das Alter des Daches, das Gefälle, die Regenmenge und –intensität, die Jahreszeit bzw. der Breitengrad, Pflanzenarten sowie Substratzusammensetzung können die Wirksamkeit beeinflussen. Die multiple lineare Regression lieferte für die Vorhersagemodelle jedoch hauptsächlich die Regenmenge als abflussbestimmenden Parameter. Durch Dachbegrünungen konnten bezüglich deren stadtklimatischen Potenzials deutliche Reduktionen der Temperaturen in der Umgebung von Gebäuden bzw. in gesamten Stadtteilen nachgewiesen werden. Durchschnittstemperaturen wurden im Mittel um 0,6 °C (max. 1,8 °C) herabgesenkt, die maximalen Abkühlungspotenziale erreichten bis zu 3,8 °C. Dafür waren insbesondere das verfügbare Wasserdargebot und großflächige Umsetzung von Dachbegrünungen entscheidende Parameter. Der Vergleich von Regelwerken zur hydrologischen Bemessung von Dachbegrünungen zeigte große Spannbreiten in der Wirkungsberechnung. Bei nahezu allen vergleichenden Berechnungen wurden mit den derzeit in der deutschen Planungspraxis relevanten Verfahren erhöhte Überflutungssicher-heiten durch Unterschätzung des Rückhalts von Dachbegrünungen, andererseits mögliche systematische Überdimensionierung nachgelagerter Entwässerungsanlagen aufgezeigt.

Cities are particularly at risk from the effects of climate change. Increasing sealing as a result of further urbanization and redensification intensifies the negative climate impacts. Due to high degrees of sealed surfaces and building densities, the water balance and climatic conditions in cities have changed compared to the surrounding countryside. As a result, increased impacts such as damage caused by heavy rainfall and heat waves or dry periods are to be expected in the future. Heat stress can already be a life-threatening problem in European cities today, and due to the steadily increasing number of people living in cities, more and more people will be exposed to the risk of heat stress and other climate change impacts in the future. The urban water balance is characterized by a high degree of sealing and consequently faster rainwater runoff from surfaces such as roofs and streets directly into the sewage system, lower evaporation due to a lack of vegetation and lower infiltration and thus disturbed groundwater recharge. During heavy rainfall events, sewer systems are often overloaded, resulting in flooding of inner-city areas, sometimes causing considerable damage. As climate change progresses, there may be an increase in summertime heavy rainfall intensities and thus more frequent overloading of sewer systems, which in turn may lead to economic and health damage. In order to meet the aforementioned future challenges of urban development, urban green spaces have gained importance in recent years. Since there is hardly any space left in cities today for the creation of "classic" green spaces such as parks, green infrastructure and in particular green roofs, offer future implementation potential. Positive effects of green roofs such as the reduction of heating and cooling costs and the reduction of the urban heat island effect, storage of rainwater, noise reduction, filtering of air pollutants and the increase of urban biodiversity have been known for several decades. In the context of climate change adaptation of urban areas, reducing the UHI effect and reducing the risk of urban flash floods are have become especially important or have been intensively researched worldwide in past years. Nevertheless, it is currently still difficult to estimate the actual quantitative effects. It is often not clear to what extent the results of certain studies are transferable to other specific conditions and spatial aspects. The objectives of this dissertation is to analyze and quantify the adaptation performance of green roofs in terms of urban heat island reduction and flood risk reduction for different urban spaces. In addition, framework conditions that influence adaptation performance are identified and translated into a predictive model. Finally, relevant regulations are analyzed and evaluated. In the first part, an assessment of the climate impact adaptation services of green roofs was carried out by means of a systematic review procedure and an in-depth investigation and statistical analysis of a total of 123 scientific studies. By transferring the findings into a database, the potential effects and their dependencies on geographic regions, meteorological preconditions and technical design details could be quantified. Furthermore, the hydrological effects and their dependencies were evaluated on the basis of several years of measurement data of green roofs in Hamburg. The prediction model for the hydrological effectiveness of green roofs was developed using a multiple linear regression approach. In each case, green roofs showed a degree of rainwater retention and delays of runoff onset and runoff peaks. On average, over the long term different types of green roofs retained about 40% in the winter months to 73% in the summer months. For individual events, values of 60% stormwater retention, peak runoff coefficients of 0,37 and delays of runoff onset and peak of 235 and 250 min, respectively, were achieved. Parameters such as substrate thickness, pre-moisture, roof age, slope, rainfall amount and intensity, season or latitude, plant species and substrate composition can influence effectiveness. However, the results of the multiple linear regression show mainly rainfall as the runoff determining parameter for the predictive models. Green roofs were shown to significantly reduce temperatures in the vicinity of buildings and in entire city districts with respect to their urban climatic potential. Average temperatures were lowered by 0.6 °C (max. 1.8 °C), the max-imum cooling potential reached up to 3.8 °C. This was due in particular to the available water resources. The decisive parameters for this were, in particular, the available water supply and the large-scale implementation of green roofs. A comparison of regulations for the hydrological design of green roofs showed large ranges in the calculation outcomes of rainwater retention effects. In almost all comparative calculations, the methods currently relevant in German planning practice showed increased flood safety due to underestimation of the retention of green roofs on the one hand, and possible systematic oversizing of downstream drainage systems on the other hand.