Ein Pilotprojekt im Schwammstadt Quartier in Hamburg

Langzeit-Erfahrungen mit Retentionsdachbegrünungen

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Starkregenereignisse, die mit fortschreitendem Klimawandel an Intensität und Häufigkeit zunehmen können, und die zunehmende Versiegelung von urbanen Flächen stellen Städte vor die wachsende Herausforderung des Umgangs mit Regenwasser. Vor diesem Hintergrund wurde in Hamburg das RISA (RegenInfraStrukturAnpassung) Programm mit dem Ziel initiiert, ein integriertes Regenwassermanagement zu etablieren, welches die Belange der Siedlungswasserwirtschaft, der Stadt- und Landschaftsplanung, der Verkehrsplanung sowie der Gewässerplanung berücksichtigt.
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1 Kaskadenartige Rückhaltemulden zum Auffangen des Niederschlagswassers der Gebäudedächer. Foto: Michael Richter

Das RISA-Pilotprojekt "Am Weißenberge" wurde in Zusammenarbeit mit der städtischen Wohnungsgesellschaft SAGA im Rahmen der Erschließung eines Wohngebietes in Hamburg-Ohlsdorf entwickelt. Die wasserwirtschaftliche Problematik im Baugebiet war charakterisiert durch stark ausgelastete Mischwassersiele in den umliegenden Straßen, wodurch unterschiedliche Systeme zur dezentralen Entwässerung nötig wurden, um die weitgehende Abkopplung aller bebauten Flächen zu gewährleisten. Neben verschiedenen etablierten dezentralen siedlungswasserwirtschaftlichen Anlagen (Abb. 1 und 2) wie extensive Dachbegrünungen, begrünte Rückhalte- und Versickerungsmulden, offene befestigte Rinnen, Rigolen und Rückhaltebecken wurden unterschiedliche, zum damaligen Zeitpunkt (2015) neuartige blau-grüne Dächer, sogenannte Retentionsdachbegrünungen, realisiert.

In Kooperation mit der HafenCity Universität (HCU, Fachgebiet Umweltgerechte Stadt- und Infrastrukturplanung), der damaligen Behörde für Umwelt und Energie Hamburg, Hamburg Wasser, der Optigrün international AG und der Zinco GmbH wurden verschiedene Gründachtypen auf drei unterschiedlichen Gebäuden gebaut und mit Messtechnik ausgestattet. Hier sollten unter anderem erste begleitete Erfahrungen mit Retentionsgründächern in Hamburg gesammelt werden. Ziel war es, diese in einem langjährigen Praxistest zu untersuchen und deren Potenzial zu Starkregenvorsorge und der Annäherung bebauter Gebiete an einen naturnahen Wasserhaushalt zu untersuchen. Im Rahmen der Begleitung des Projekts durch die HCU wurden in den vergangenen Jahren eine Vielzahl unterschiedlicher ökologischer und bautechnischer Themen in dem Pilotquartier wissenschaftlich bearbeitet, teilweise auch durch studentische Abschlussarbeiten.

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2 Muldenelement mit Baumbestand, im Hintergrund mit Wegüberführung. Foto: Michael Richter
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3 Retentionsdachbegrünung im Quartier Am Weißenberge in Hamburg-Ohlsdorf, 2022. Foto: Michael Richter

Retentionsdachbegrünungen – blau-grüne Dächer

Retentionsgründächer wurden in den letzten Jahren zur zusätzlichen Erhöhung des Rückhalts und der Verzögerung des Regenwasserabflusses und der Verdunstungsleistung von Dachbegrünungen und entwickelt. Die FLL Dachbegrünungsrichtlinie (FLL 2018) geht auf diese technische Weiterentwicklung zur Erhöhung der Retentionsleistung von Dachbegrünungen ein: "Bei [. . . ] Retentionsdächern wird das Wasser im Begrünungsaufbau, gegebenenfalls auch in einer zusätzlichen Schicht eingestaut und temporär gespeichert. Der Abfluss erfolgt unter definierten Bedingungen im Volumen gedrosselt und/oder mit zeitlicher Verzögerung". Eine dementsprechende schematische Zeichnung der einzelnen Schichten ist in Abb. 4 dargestellt.

Als nützliche Unterscheidung zu konventionellen Dachbegrünungen erscheint die Zielsetzung sinnvoll, Regenwasser unterhalb der Substratschicht einzustauen oder durch einen gedrosselten Abfluss Regenwasser temporär oder langfristig zurückzuhalten. Mehrere Faktoren dienen bei der technischen Ausgestaltung solcher Retentionsdächer zur zusätzlichen Erhöhung von Wasserrückhalt, geringerer Abflussintensität und Verzögerung. Durch die Ausbildung der Retentionsdächer als gefällelose Dächer wird der Abfluss infolge einzelner (Stark-)Regenereignisse verringert (z. B. Förster et al., 2021). Durch den zusätzlichen Regenwasserspeicher wird langfristig weniger Wasser abgeleitet, wodurch über 90 Prozent des Regens auf den Dächern zurückgehalten werden kann (Busker et al., 2022). Je nach Ausgestaltung der Abflusseinrichtungen und Drosseln können auch bei außergewöhnlichen und extremen Starkregenereignissen Abflussbeiwerte nahe 0 erreicht werden (Busker et al., 2022; Cristiano et al., 2022). Über Abflussdrosseln lässt sich zusätzlich steuern, wie lange das Regenwasser auf dem Dach gespeichert wird und wie lange es dauert, bis das Retentionsdach wieder sein volles Rückhaltepotenzial erreicht hat. Durch das vorhandene Wasserdargebot kann Verdunstungsleistung gegenüber konventionellen Dachbegrünungen erhöht und unter Umständen auch in Trockenzeiten aufrechterhalten werden (Goessner et al., 2021). Bei zusätzlicher Bewässerung oder Einstau kann die Leistung in Vergleich zu Extensivdächern (0,5–3,5 mm/d), (Ebrahimian et al., 2019) bis etwa fünf Millimeter pro Tag erhöht werden (Goessner et al., 2021; Kaiser et al., 2019). Neueste Entwicklungen, so genannte "smarte Drosseln", könnten den Regenwasserrückhalt und die Wasserversorgung der Vegetation zusätzlich durch kompletten Rückhalt in Trockenzeiten optimieren und vorhersagebasiertes Ablassen des Speichers vor Starkregenereignissen ermöglichen.

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4 Schematische Zeichnung Retentionsgründach. Abb.: HCU
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5 Luftbilder der Gebäude mit schematischen Zeichnungen Gründachaufbauvarianten. Luftbild: Geoportal des LGV HamburgZeichnungen Aufbauvarianten: Optigrün international AG & Zinco GmbH

Retentionsdachtypen im Pilotquartier

Im Jahr 2015 wurden auf zwei Gebäuden insgesamt vier Teilflächen (je 220 m²) mit unterschiedlichen Typen von Retentionsdächern und auf einem weiteren Gebäude zwei weitere Teilflächen (je 135 m²) mit einem Extensivdach sowie einem Kiesdach gebaut (Abb. 5). Es wurden zwei Zinco-Retentionsgründächer getestet, mit Speicherelementen von 40 (Z40) und 100 Millimetern (Z100) Höhe und 90 Millimetern (Z40) und 60 Millimetern (Z100) Substratauflage und einer Ablaufdrossel, die auf Höhe der Dachabdichtung angebracht ist. Daraus resultiert ein gedrosselter Abfluss, aber kein langfristiger Einstau. Weiterhin wurden zwei Optigrün Retentionsgründächer (WasserRetentionsBox 85 und Mäander 60) mit einer statischen Drossel realisiert, das heißt, es wurde ein langfristiger Einstau von circa drei Zentimetern generiert. Diese haben 60 Millimeter (M60) und 85 Millimeter (WRB85) Speicherelemente und eine Substratauflage von jeweils 70 Millimetern (WRB85) und 80 Millimetern (M60). Alle Retentionsdächer wurden als 0-Grad-Dächer ausgeführt.

Ergebnisse des hydrologischen Monitorings

Durch Niederschlagsmessung und Abflussmessungen der einzelnen Dachtypen im Zeitraum von 2017–2023 konnte die Retentionsleistung evaluiert werden. Während des betrachteten Gesamtzeitraums haben die unterschiedlichen Retentionsdachbegrünungstypen 64–74 Prozent des Regenwassers zurückgehalten, und damit deutlich mehr als von herkömmlichen Extensivdächern mit entsprechender Substratauflage zu erwarten wäre (ca. 50 %). Die saisonalen Muster ähneln grundsätzlich denen von Extensivgründächern (Abb. 6). In den kühleren Monaten, insbesondere November bis März, wird weniger Wasser zurückgehalten, wohingegen ab April bis Juli meist weniger als 20 Prozent des Regens abfließt. Es kam in allen Jahren bei einzelnen Dachtypen in mehreren Monaten zu gar keinem Abfluss, das Regenwasser wurde also vollständig gespeichert und wieder verdunstet.

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6 Box plots der monatlichen Abflussmengen (in % des Niederschlags) von 2017–2023, Mittelwerte der jeweiligen Monate sind mit x markiert, die horizontale Linie in den Boxen zeigt den Medianwert an. Abbildung: Michael Richter
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7 Foto des Extensivgründachs aus dem Juni 2022. Foto: Michael Richter

Die Retentionsleitung im Sinne der berechneten Abflussbeiwerte für einzelne Regenereignisse (Quotient aus insgesamt abgeflossener Wassermenge durch die gefallene Regenmenge, ist nicht mit dem so genannten FLL Spitzenabflussbeiwert gleichzusetzen) ist ebenfalls saisonal unterschiedlich. In den Wintermonaten wurden mit 0,33–0,46 die höchsten gemessen, im Herbst 0,21–0,26; Frühling 0,14–0,18 und Sommer 0,03–0,13 deutlich geringere. Im Mittel waren die Abflussbeiwerte für alle Retentionsdachbegrünungen ähnlich, 0,20 für WRB85 und M60; 0,21 für Z100 und 0,22 für Z40. Auch die aus den gemessenen Daten berechneten Spitzenabflussbeiwerte (Quotient max. Abflussintensität/max. Regenintensität) waren mit 0,04 (M60); 0,03 (WRB85) und 0,02 (Z40 und Z100) als sehr gering einzuschätzen, bedingt durch die Drosselung der Abflüsse. Die mittleren Abfluss-Verzögerungszeiten waren mit 436 Minuten (M60), 260 Minuten (WRB85), 364 Minuten (Z40) und 365 Minuten (Z100) in Bereichen von vier – sieben Stunden. Die damit im Mittel erhaltene Retentionsleistung, Reduzierung der Abflussintensitäten und Verzögerungen sind deutlich höher als bei anderen (extensiven) Dachbegrünungstypen und konventionellen Bedachungen. Die zusätzlichen hydrologischen Effekte durch die nicht vorhandene Dachneigung, der bei zumindest zwei Typen vorhandene Stauraum und die zeitliche Verzögerung der Abflüsse durch die Drosselung im Dachablauf haben demnach erhebliche Effekte. Die hydrologische Wirkung der Retentionsdachbegrünungen ist mit denen von Intensivgründächern vergleichbar, zumindest bei Betrachtung des jährlichen Abflussbeiwertes, der bei diesen auch im Bereich von 0,3 liegt (FLL 2018). Die Elemente der Retentionsdachbegrünungen können also hydrologische Funktionen von höheren Substratschichten teilweise ersetzen.

Entwicklung der Vegetation

Die Unterschiede der technischen Ausgestaltung von Dauereinstau und Substratauflagen werden auch in der Vegetationsentwicklung sichtbar (Abb. 7-9).

Nach acht Jahren nahezu ungestörter Entwicklung, bis auf ein bis zwei reguläre Pflegegänge pro Jahr, hat sich ein zum Teil deutlich unterschiedliches Erscheinungsbild und Unterschiede in der Menge der Biomasse eingestellt. Es hat sich eine unterschiedliche pflanzliche Biodiversität (Artenzahl) eingestellt. Besonders bei den Retentionsgründächern haben sich mehr Gräser und Kräuter etabliert. 2022 wurden Vegetationsuntersuchungen durchgeführt, bei denen bei den Dächern mit Dauereinstau (WRB 85 und M60) und dem Dach mit der höchsten Substratauflage (9 cm) und Abflussdrossel, aber ohne Dauereinstau (Z40), die höchsten Artenzahlen nachgewiesen wurden (24–28 Arten). Auf den Dächern Z100 und dem Extensivdach wurden 16 beziehungsweise 14 Arten nachgewiesen. Bei dem Z40 Dach ist die hohe Biodiversität wohl auf die, im Gegensatz zu anderen Dächern am Standort, höhere Substratauflage und die regionaltypische Ansaatmischung ("Hamburger Naturdach") mit Sedumarten, Gräsern und Kräutern zurückzuführen. Insgesamt wurden 21 Arten bestimmt, die in keiner Ansaatmischung vorhanden waren, also eingewandert sind.

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8 Foto des Retentionsdachs Z40 (Ansaat "Hamburger Naturdach") aus dem Juni 2022. Foto: Michael Richter
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9 Foto der Retentionsdächer WRB85 (vorne) und M60 (hinten) aus dem Juni 2022. Foto: Michael Richter

Die Zusammensetzung und Entwicklung der Vegetation weist darauf hin, dass die erhöhte Wasserverfügbarkeit die Biodiversität fördert. In den Speicherbereichen kann länger Wasser für die Bepflanzung zur Verfügung gestellt werden, die dann auch länger ihre Evapotranspirationleistung aufrechterhalten und somit die unmittelbare Umgebung abkühlen kann. Außerdem können sich auf solchen Dächern Arten etablieren, die mit den trockenen Verhältnissen auf Extensivdächern nicht zurechtkommen würden. Zusätzliche Speicher können somit Substrathöhen ersetzen und die Überlebensrate der Vegetation erhöhen, da der Trockenstress durch die erhöhte Wasserspeicherung verringert wird und die Pflanzenvielfalt, der Bedeckungsgrad und die Biomasse mit zunehmender Tiefe des Substrats oder vorhandener Wasserspeicher zunehmen. Außerdem kann durch die veränderte Vegetationsstruktur und die Artenzusammensetzung noch mehr Regenwasser zurückgehalten werden. Denn je höher die Blattfläche oder der Blattflächenindex der Pflanzen ist, desto höher ist ihre Interzeption. Dementsprechend ist die Eignung zur Erhöhung des Rückhaltevermögens von Gräsern am höchsten, gefolgt von krautigen Arten und Sedum-Arten.

Der nach acht Jahren durch den hohen Biomasseumsatz entstandene hohe Gehalt an organischer Substanz auf den Retentionsdächern mit Einstau kann die Verdunstungskälte und das Rückhaltevermögen zusätzlich erhöhen. Die höhere Wachstumsintensität und die Änderung der Artenzusammensetzung auf den Dächern mit Einstau könnten langfristig zusätzliche Pflege und Wartung erfordern, was auf den untersuchten Dächern bisher jedoch nicht der Fall war.

Fazit

Retentionsgründächer können vergleichbare Funktionen wie Intensivdächer erfüllen, haben allerdings zusätzlich einen garantiert gedrosselten Abfluss. Die untersuchten Dachbegrünungen können den Abfluss von Dächern infolge von (Stark-)Regenereignissen erheblich reduzieren und verzögern und ihre Evapotranspiration erhöhen. Die hydrologische Wirksamkeit und das stadtklimatische Potenzial von zur Kühlung der Umgebung scheinen aufgrund der tendenziell besseren Wasserversorgung höher zu sein als bei herkömmlichen extensiven Gründächern. Durch die erhöhte Wasserspeicherkapazität kann sich eine vielfältigere Vegetation entwickeln. Wird das Regenwasser dauerhaft auf dem Dach gespeichert, kann sich die Artenzusammensetzung langfristig verändern, die Verdunstungsleistung und damit der Kühleffekt für die Umgebung erhöht werden und auch in Trockenperioden erhalten bleiben. Für Gebiete mit einer hohen Bebauungsdichte sind solche Dächer daher eine alternative blau-grüne Infrastruktur mit weitreichenden positiven Effekten über die hydrologischen Aspekte hinaus.

Anmerkung

Einen Rundweg durchs Quartier gibt es unter:
https://360-degree.education/Am_Weissenberge/

Literatur

Busker, T., Moel, H. de, Haer, T., Schmeits, M., van den Hurk, B., Myers, K., Cirkel, D. G. & Aerts, J. (2022): Blue-green roofs with forecast-based operation to reduce the impact of weather extremes. Journal of Environmental Management, Vol. 301.

Cirkel, D. G., Voortman, B. R., van Veen, T. & Bartholomeus, R. P. (2018): Evaporation from (Blue-)Green Roofs: Assessing the Benefits of a Storage and Capillary Irrigation System Based on Measurements and Modeling. WATER, Vol. 10, No. 9.

Cristiano, E., Annis, A., Apollonio, C., Pumo, D., Urru, S., Viola, F., Deidda, R., Pelorosso, R., Petroselli, A., Tauro, F., Grimaldi, S., Francipane, A., Alongi, F., Noto, L. V., Hoes, O., Klapwijk, F., Schmitt, B. & Nardi, F. (2022): Multilayer blue-green roofs as nature-based solutions for water and thermal insu-lation management. Hydrology Research.

Ebrahimian, A., Wadzuk, B. & Traver, R. (2019): Evapotranspiration in green stormwater infrastructure systems. Science of The Total Environment, Vol. 688, S. 797–810.

FLL Forschungsgesellschaft Landschaftsentwicklung Landschaftsbau e. V. (2018): Dachbegrünungsrichtlinien. Richtlinien für Planung, Bau und Instandhaltung von Dachbegrünungen. Bonn.

Förster, K., Westerholt, D., Kraft, P. & Lösken, G. (2021): Unprecedented Retention Capabilities of Extensive Green Roofs—New Design Approaches and an Open-Source Model. Frontiers in water [On-line]. DOI: 10.15488/11768.

Goessner, D., Mohri, M. & Krespach, J. J. (2021): Evapotranspiration Measurements and Assessment of Driving Factors: A Comparison of Different Green Roof Systems during Summer in Germany. LAND, Vol. 10, No. 12.

Kaiser, D., Köhler, M., Schmidt, M. & Wolff, F. (2019): Increasing Evapotranspiration on Extensive Green Roofs by Changing Substrate Depths, Construction, and Additional Irrigation. BUILDINGS, Vol. 9, No. 173.

Dr. Michael Richter
Autor

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Hafencity Universität Hamburg

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