Entwicklung und Umsetzung in Österreich
Das Schwammstadtprinzip für Bäume
von: Dipl.-Ing. Karl Grimm, Dipl. Ing. Erwin Murer, Dipl. Ing. Stefan Schmidt, Dipl.-Ing. Anna ZeiserBäume in der Stadt verbessern die Lebensqualität. Sie sind die ideale Beschattung im öffentlichen Raum, verdunsten Wasser und kühlen die Umgebung adiabatisch. Als Teil der blaugrünen Infrastruktur sind sie für die Steigerung der Klimawandelresilienz unersetzlich. Sie erfreuen die Menschen mit ihrem wechselnden Erscheinungsbild und sind Lebensraum für Tiere.
Die volle ökosystemische Wirksamkeit wird von großen, gut entwickelten Bäumen erbracht, die zumindest einige Jahrzehnte alt sind. Kronenwachstum und Wurzelmasse von Bäumen hängen unmittelbar zusammen. Deshalb stoßen Straßenbäume - vor allem im dicht bebauten Gebiet - rasch an ihre Grenzen, denn mit moderner Technik regelkonform hergestellte Verkehrsbauten erlauben nahezu keine Durchwurzelung in Tragschichten mit optimierter abgestufter Korngrößenverteilung und Verdichtung. Der Wurzelraum bleibt beschränkt auf kleine Baumgruben und randliche Grünstreifen. Deshalb stagnieren viele Straßenbäume zehn bis 20 Jahre nach der Pflanzung in ihrer Entwicklung, einige sterben ab.
Eine zunehmend kürzere Lebensdauer von Straßenbäumen und eine zunehmend kürzere Standzeit der Nachpflanzungen wurde wie in vielen europäischen Städten in den letzten Jahrzehnten auch in Wien beobachtet. Dies führte einerseits bei der zuständigen Dienststelle, den Wiener Stadtgärten, zur Entwicklung von Maßnahmen wie der Entwicklung eines Wiener Baumsubstrats und der Erweiterung des Wurzelraums bei Neupflanzungen im Straßenbereich. Andererseits führte dies in der Landschaftsarchitekturszene zur Suche nach Lösungsansätzen und internationalen Vorbildern.
Eine Pflanzung von Stadtbäumen in grobschottrigem Substrat wird in Schweden seit über zehn Jahren erfolgreich angewendet. Vorreiter war die Stadt Stockholm. Seit den 1990er Jahren wurde vom Urban Horticulture Institute der Cornell University aufbauend auf niederländischen Vorarbeiten das CU-Structural Soil entwickelt. Ebenfalls in den 2000er Jahren entwickelte die deutsche Forschungsgesellschaft Landschaftsentwicklung Landschaftsbau e. V. Kriterien für überbaubare Baumstandorte. Darauf aufbauend ließ die Stadt Wien von der Höheren Bundeslehr- und Forschungsanstalt für Gartenbau, HBLFA, Schönbrunn gemeinsam mit dem Bundesamt für Wasserwirtschaft (BAW) ein überbaubares Baumsubstrat entwickeln, das auf gängigen Straßenbaumaterialien basiert.
Angeregt von den Ergebnissen in Stockholm entwickelten diese beide Institutionen das "Schwammstadt-Prinzip für Bäume" ebenfalls auf Basis einfacher lokaler und regionaler Baumaterialien. 2018 wurde unter dem losen organisatorischen Mantel der ÖGLA, der Österreichischen Gesellschaft für Landschaftsarchitektur, der Arbeitskreis Schwammstadt (www.schwammstadt.at) zur Weiterentwicklung und Verbreitung der Methode gegründet.
Im Vordergrund stand die Zielsetzung gesunde, langlebige und raschwüchsige Bäume unter schwierigen urbanen Standortbedingungen zu ermöglichen, möglichst unter Verwendung lokaler oder regionaler mineralischer Rohstoffe und von Reststoffen aus dem lokalen Gartenbau und der Grünflächenpflege. Das Substrat des sogenannten Schwammkörpers besteht aus Gerüstkorn und Feinsubstrat. Das Feinsubstrat setzt sich aus mineralischen und organischen Komponenten zusammen. Es ist so herzustellen, dass durch eine geeignete Porenstruktur die Wasserspeicherfähigkeit für pflanzenverfügbares Wasser, das Retentionsvermögen, die Wasserleitfähigkeit und der Gasaustausch sowie die Nährstoffversorgung langfristig sichergestellt werden.
Durch das Gerüstkorn ist das Substrat geeignet, Verkehrslasten abzutragen und kann als Unterbau unter befestigten Flächen eingebaut werden. Unter versiegelten Flächen ist für das eingeleitete Wasser und die Bodenluft ein Verteilsystem vorzusehen. Das eingebrachte Wasser folgt der Schwerkraft. Soweit es nicht in Feinsubstrat gegen die Schwerkraft festgehalten wird, perkoliert es nach unten und versickert. Deshalb sind auch die rechtlichen und normativen Bestimmungen für Versickerungsanlagen zu beachten.
Vergleichbar dem Open-source-Konzept bei Software soll sich das "Schwammstadtprinzip für Bäume" weiterentwickeln. Dahinter steht ein ausgeprägter Kollektivgedanke: Der Input einer Entwickler-Community, die Probleme löst und sich austauscht, verbessert das Produkt für alle Nutzer. Lokale Anwender sind nach einer Einführung durch Experten in der Lage, das System selbstständig und an die jeweiligen Standorte angepasst einzusetzen. Für neue Situationen und Herausforderungen steht mit dem Arbeitskreis Schwammstadt ein Pool von Experten aus der Praxis und der Forschung zur Verfügung.
Im Unterschied zum skandinavischen Vorbild können beim Schwammstadtprinzip für Bäume die Entwässerungsflächen und die Baumstandorte räumlich getrennt sein. Über Systeme aus Vollrohren und Sickerrohren wird das Niederschlagswasser transportiert und linear in der Belüftungs- und Verteilschicht oberhalb des Schwammstadtkörpers verteilt. Es werden Schächte vorgesehen, um die Leitungen rückspülen und reinigen zu können und den Gasaustausch zu gewährleisten. Über das Verteilsystem sind bei Bedarf auch Notbewässerung oder Düngung der Bäume möglich.
Die Baumscheiben liegen meist auf Niveau des umliegenden Belags. Baumpflanzungen in Sickermulden werden vermieden, da in Österreich der mögliche Austausch der oberen Substratschicht gewährleistet sein muss und dies der langfristigen Entwicklung von Bäumen entgegensteht.
Mit dem Schwammstadtprinzip wird nicht der Wurzelraum eines Baumes für seine Lebensdauer bereitgestellt. In Anlehnung an die ZTV-Vegtra-Mü 2018 wird die Sicherstellung eines Wurzelraums von mindestens 35 Kubikmeter empfohlen, der jedenfalls für die ersten 10-15 Standjahre ausreichen sollte. Für die weitere Entwicklung bieten offene Anschlussflächen Möglichkeiten zum Auswurzeln in die Umgebung. Darin unterscheidet sich das System von Baumrigolen, die häufig einen Einstau an der Sohle der Konstruktion vorsehen und die Rigole von den angrenzenden Verkehrsflächen baulich trennen.
Die Schwammstadtkörper weisen eine ausreichend hohe nutzbare Feldkapazität bei zugleich guter Wasserleitfähigkeit auf. Staunässe wird vermieden. Die Baumwurzeln sollen sich in den Schwammstadtkörper unter dem Straßenoberbau ausbreiten und Schäden an den Decken und an Versorgungsleitungen vermieden werden. Eine regelmäßige Form müssen die Schwammstadtkörper nicht aufweisen, es sind flache Strukturen ebenso möglich wie tiefe schmale Gräben zwischen Leitungen.
Wegen der hohen Anforderungen an den Standort (durchwurzelbar, wasser- und luftdurchlässig, wasserspeicherfähig, nährstoffverfügbar, tragfähig und langzeitstabil) sind natürliche Böden für die Pflanzung von Bäumen in urbanen Baumgruben kaum geeignet. Deshalb werden an die jeweiligen Anforderungen angepasste Substrate verwendet. Der für die Durchwurzelung vorgesehene Schwammstadtkörper besteht aus Gerüstkorn (Dolomit oder Granitsplitt oder gleichwertiges Material bezüglich Härte und Frost-Tau-Wechsel-Beständigkeit, Korngrößen zwischen 80 und 150 mm) zur Ableitung der Traglasten und Schaffung von großen Hohlräumen.
Zu beachten gilt, dass der Grobsplitt nur eine geringe Menge Unterkorn (Begrenzung in der Ausschreibung) und keine Feinteile (Kontrolle durch die örtliche Bauaufsicht) enthalten soll. Beim 2-phasigen Einbau wird ein Schlämmsubstrat verteilt und mit hohem Druck und wenig Wasser in die Hohlräume des Gerüstkorns eingeschlämmt. Dies erfolgt in Schichten von jeweils 30 Zentimeter Dicke.
Das Schlämmsubstrat wird aus mineralischen (Sand, Schluff) und, in geringer Menge, organischen Bestandteilen (Kompost und Pflanzenkohle) hergestellt. Für viele Standorte hat sich eine Mischung aus vier Teilen gering schluffigem Sand und ein Teil Kompostkohle (aus 50 % reifem Kompost und 50 % Pflanzenkohle, mit einer Korngröße unter 10 mm) bewährt. Die Pflanzenkohle soll die Anforderungen des European Biochar Certificate, zumindest EBC-Urban erfüllen. Es kann eine aufgeladene Pflanzenkohle oder eine Kompostkohle, die einen Aufladungsprozess durchlaufen hat, verwendet werden. Die unmittelbar für die Durchwurzelung vorgesehenen Bereiche können nach den üblichen Anforderungen für Pflanzen- und Baumstandorte (z. B. FLL 2010, Ad-hoc-Arbeitsgruppe Boden 1995, Murer et al. 2012) bewertet werden. Für deren Untersuchung stehen einerseits die üblichen bodenphysikalischen (Korn- und Porengrößenverteilung) und -chemischen (pH, EC, TOC) Methoden zur Verfügung.
Für die Bestimmung der gesättigten Wasserdurchlässigkeit und Porengrößenverteilung wurde speziell für das Schlämmsubstrat eine Schütt- und Schlämmmethode entwickelt. Mit diesen beiden Methoden können im Labor Kennwerte für einen ungünstigen und einen praxisüblichen Einbauzustand ermittelt und mit vorläufigen Orientierungswerten verglichen werden. Diese Methoden werden zurzeit im Zuge einer Abschlussarbeit im Bundesamt für Wasserwirtschaft, Institut für Kulturtechnik und Bodenwasserhaushalt Petzenkirchen (www.baw.at) auf ihre Belastbarkeit geprüft.
Mit dem Ziel eine Datenbasis zur Funktionsweise der Systeme zu liefern, wurden mehrere Forschungs- und Monitoringanlagen eingerichtet, bei denen wasserwirtschaftliche und pflanzenphysiologische Fragestellungen im Vordergrund stehen: Die Erkundung der Eigenschaften des Schwammstadtsubstrats, die Quantifizierung der Wege des Wassers im Substrat und die Entwicklung der gepflanzten Bäume im Kronen- und Wurzelbereich.
SUG-Stellenmarkt
Die zentrale wissenschaftliche Einrichtung ist die Lysimeteranlage in der Außenstelle der HBLFA Schönbrunn in der Jägerhausgasse in Wien. Diese Anlage wurde im Auftrag der Wiener Stadtgärten errichtet und wird vom Bundesamt für Wasserwirtschaft, dem Verein Land schafft Wasser und der HBLFA Schönbrunn betreut. Ein Lysimeter beschreibt einen rundum abgeschlossenen Bereich des Bodens, hier das Schwammstadtsubstrat, der keine Interaktion mit dem umgebenden Erdreich hat.
Die drei Schwammstadtlysimeter sind nach außen durch eine EPDM-Folie begrenzt und weisen Außenmaße von 6 x 3 x 1,3 Meter auf. Sie beinhalten jeweils circa 14 Kubikmeter Schwammstadtsubstrat in drei verschiedenen Zusammensetzungen. Es wurde neben dem üblichen zweiphasigen Einschlämmverfahren auch ein vorgemischtes, einphasig eingebautes Schwammstadtsubstrat verwendet. Jedes Lysimeter ist mit einem südlichen Zürgelbaum (Celtis australis) bepflanzt.
Die Oberflächen sind gepflastert ausgeführt mit jeweils einer - 3 Quadratmeter großen mit Baumsubstrat ausgefüllten - Baumscheibe. Im Schwammstadt-Substrat sind an mehreren Positionen Sensoren zur Erfassung des volumetrischen Wassergehalts und des Matrixpotenzials eingebaut. Damit sind Aussagen über die Stärke der Bindung des Bodenwassers im Substrat und über den Grad der Austrocknung möglich. An den Bäumen sind Saftstromsensoren zur Messung der Wasserentnahme aus dem Substrat und zur Abschätzung der Verdunstung installiert.
Die Dendrometer, die den Stammumfang kontinuierlich aufzeichnen, ermöglichen in Kombination mit den Bodenwasserhaushaltssensoren und den Saftstromsensoren Rückschlüsse auf einen möglichen Trockenstress. Das Sickerwasser, das an der Sohle der Lysimeter auf die Folienbegrenzung trifft, wird ausgeleitet, quantitativ erfasst, sowie in regelmäßigen Abständen beprobt und auf relevante Parameter chemisch untersucht. Der Aufbau ermöglicht neben der Erstellung einer Wasserbilanz das intensive Beobachten und Erforschen der Eigenschaften der drei verwendeten Substrate, der Vitalität, der Wasserversorgung und des Wachstums der gepflanzten Bäume.
Die ersten beiden Messperioden in der Lysimeteranlage zeigen eine rasch voranschreitende Durchwurzelung des Schwammstadtkörpers, eine zunehmende Ausschöpfung des Bodenwasservorrats in von den Bäumen weiter entfernten Bereichen in niederschlagsfreien Zeiten, und messbare Auswirkungen von Trockenperioden auf die Vitalität, Verdunstung und das Wachstum der gepflanzten Bäume. Bei Niederschlägen und Bewässerungsgaben ist ein rasches Einsickern und im Falle eines bereits gefüllten Bodenwasserspeichers ein zügiger Anfall von Sickerwasser zu beobachten. Weitere Messjahre, sowie gezielte Versuche durch Änderung bestimmter Parameter an der Anlage, sollen die Datenbasis vergrößern und verbessern.
Die Grundsätze des Schwammstadtprinzips für Bäume sind einfach, Planung und Umsetzung müssen aber viele Rahmenbedingungen berücksichtigen, um standortangepasste und optimierte Lösungen zu entwickeln. Der Schwammstadtkörper fungiert zugleich als Vegetationstragschicht, als Speichermedium für Wasser und Nährstoffe und als unterirdischer Sickerkörper. Es kann der Unterboden dicht oder durchlässig sein, es können Leitungen oder Tiefbauten zu beachten sein.
Die zugeleiteten Wässer können aus gering oder stärker belasteten Entwässerungsgebieten stammen und eventuell eine Vorreinigung, etwa durch Versickerung durch eine Grünmulde als Bodenfilter benötigen. In der Seestadt Aspern in Wien und in Innsbruck wurden die Bodenfilter als Tiefbeete errichtet. Chlorid-belastete Wässer von winterdienstlich betreuten Flächen sollen nicht versickert werden. Für solche Situationen wurden unter der Bezeichnung "Wiener duales System" verschiedene Bautypen entwickelt, die eine Einleitung in den Schwammstadtkörper nur im Sommer ermöglichen und im Winter eine Ableitung in den Mischwasserkanal vorsehen. Aktuell wird vom AK Schwammstadt die einfache manuelle Umstellung mit einem beim Einlauf angeordneten Schieber oder einer Klappe bevorzugt.
Eine weitere Option ist es, die relativ sauberen Dachwässer der angrenzenden Bebauung alleine oder zusätzlich in die Schwammstadtkörper einzuleiten und die stärker belasteten Straßenwässer weiterhin in den Kanal zur zentralen Reinigung abzuführen. In größeren Städten, wie beispielsweise Wien, dürfen jedoch private Niederschlagswässer nur am Eigengrund versickert oder in die öffentliche Kanalisation eingeleitet werden, nicht aber im Straßenraum in den Untergrund eingeleitet werden.
Am Johann-Nepomuk-Vogl-Platz in Wien wurde erstmals die Synergie erkannt, die zwischen Wasserspielen im öffentlichen Raum und dem Schwammstadtprinzip für Bäume besteht. Die Wasserspiele werden aus hygienischen Gründen meist mit Trinkwasser im Durchlaufbetrieb beschickt, das dann in den Kanal abgeleitet wird. Bei Fontänen und Schaumdüsen können dies mehrere Kubikmeter Wasser pro Tag sein. Durch die Einleitung in den Wurzelraum wird das ablaufende Wasser zur Bewässerung der Bäume verwendet. Dabei deckt sich der größte Wasseranfall in sommerlichen Hitzeperioden mit dem größten Wasserbedarf der Bäume. Die Möglichkeiten, welche das Konzept für die lokale Retention von Niederschlägen bietet, müssen an anderer Stelle erörtert werden.
Das Thema Schwammstadtprinzip für Bäume ist seit etwa fünf Jahren in größeren und kleinen Projekten in Österreich angekommen. Die Möglichkeit unter den Nebenflächen von Straßen und auf Plätzen durchwurzelbaren Raum zu schaffen, findet Anklang, sowohl in kleinen Projekten wie dem Straßenumbau in ländlichen Gemeinden in Niederösterreich aber auch bei großen Bauprojekten wie dem Umbau des zentralen Verkehrsknotenpunkts Praterstern in Wien. Das erste Projekt dieser Art waren Neupflanzungen in der Eggenberger Allee in Graz, denen eine Reihe von weiteren Projekten in Graz folgten.
Den Projekten gemeinsam ist die intensive Diskussion im Vorfeld mit dem Straßenbauabteilungen und den Einbautenträgern, für die dieses System der Einleitung von Wasser in den Unterbau einen Paradigmenwechsel gegenüber der seit Jahrzehnten üblichen Praxis der möglichst vollständigen Versiegelung der Oberfläche und der Vermeidung von Wasser im Straßenunterbau bedeutet. Erforderlich bleiben eine ausführliche Instruktion der ausführenden Firmen und eine Baubegleitung durch geschulte Fachleute. Mehrfach wurden bisher Substrate aus lokalen Materialien entwickelt.
Für die Weiterentwicklung des Konzepts sollen die Ergebnisse aus Lysimeterversuchen in Wien Schönbrunn dienen. Aber auch das begleitende Monitoring gebauter Anlagen ist wichtig. Aktuell werden in Graz in einer Bestandsstraße Schwammstadtkörper sowohl neben Bestandsbäumen als auch unter Neupflanzungen gebaut. Es werden Messungen mit Bodenwasserhaushaltssensoren und Saftstromsensoren vorgenommen, um letztendlich eine siedlungswasserbauliche und vegetationstechnische Modellierung zu erlauben. Dieses Projekt "MUFUWU Stadtbaum" erhält Fördermittel der FFG im Programm "Stadt der Zukunft".
Messungen an Schwammstadtbäumen finden auch im Wiener Stadterweiterungsgebiet Seestadt Aspern statt. Um die Fragen der bautechnischen Stabilität der mineralischen Komponenten zu überprüfen, ist ein Versuch an der Wiener Forschungsanstalt für Tiefbau Camillo Sitte in Vorbereitung. Ebenso wird an der Integration des Konzepts in die österreichischen Fachnormen und Richtlinien gearbeitet.
Durch eine kontinuierliche Verbesserung der Praxistauglichkeit der Schwammstadtprinzips für Bäume im Arbeitskreis Schwammstadt ist es zunehmend möglich, ein Konzept zu etablieren, das mit lokal und regional verfügbaren und den Bauausführenden vertrauten Materialien und weitgehend ohne industrielle Produkte die Lebensfähigkeit von Stadtbäumen deutlich und nachhaltig verbessert.
Literatur
- Balder, H.; 2020: Gehölzentwicklung in strukturstabilen Substraten; in: ProBaum 02/2020. Berlin-Hannover.
- Embrén, B.; Alvem, B.-M.; Stål, Ö.; Orvesten, A; 2009: Planting Beds in the City of Stockholm. A Handbook. Stockholm.
- Bassuk N., Denig B.R., Haffner T., Graborsky J., Trowbridge P., 2015: CU-Structural Soil, A Comprehensive Guide. Urban Horticulture Institute, Cornell University Ithaca, United States.
- Drlik, S., 2021: Johann-Nepomuk-Vogl-Platz, Wien; in: architektur.aktuell No 493, Wien.
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- Fridell, K.; Thynell, A.; Bruhn, F.; Fors, J.; Sixtensson, S.; 2020: Livable Streets. A Handbook of Bluegreengrey Systems, Malmö.
- Gorning, G., Kaletta, M., Balder, H.; 2021: Stadtgestaltung und Biodiversität durch Regenwassermanagement; in: ProBaum 02/2021. Berlin-Hannover.
- Grimm, K., Murer, E., Schmidt, S.; 2021: Das Schwammstadtprinzip für Stadtbäume in Österreich - Entstehung, Funktionsweise, Herausforderungen, Umsetzungen; in: Tagungsband Aqua Urbanica 2021, Schwammstadt - Versickerung 2.0? Wien.
- Schlinsog, P.; 2019: Mehr Platz für Straßenbäume. Vortrag am 9. Symposium Stadtgrün vom 13. bis 14.11.2019. Berlin.
- Richter, M.; Dickhaut, W.; Eschenbach, A.; Knoop, L.; Pallatsch, M.; Voß, T.; 2021: Können Straßenbaumstandorte durch Regenwasserbewirtschaftung verbessert werden? in: ProBaum 01/2021. Berlin-Hannover.
- Zeiser, A., Murer, E., Schmidt, S.; Kumpan, M., Strauss, P., Weninger, T.; 2021: Schwammstadt für Stadtbäume - Funktionsorientierte Substratentwicklung am Beispiel des multifunktionalen Wurzelraums; in: Tagungsband Aqua Urbanica 2021, Schwammstadt - Versickerung 2.0? Wien.
- Zimmermann, D.; 2022: Die Schwammstadt für Bäume - ein Beitrag zu mehr Gerechtigkeit im Untergrund; in: ProBaum 01/2022. Berlin-Hannover.
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