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Die Siedlungswasserwirtschaft gerĂ€t zunehmend unter Druck. Spurenstoffe, Klimaszenarien und steigende Anforderungen an die ökologische und soziale Nachhaltigkeit aus der Bevölkerung und der Politik fordern uns auf, stĂ€ndig neu zu denken und Innovationen sowohl technischer wie planerischer Art zu entwickeln. Viel verspricht man sich von der integralen Siedlungswasserwirtschaft, von Konzepten wie Schwammstadt oder von Technologien fĂŒr Blau-grĂŒne Infrastruktur. Die Integrale Wasserbewirtschaftung erfordert eine ganzheitliche und dynamische Bewirtschaftung des Gesamtsystems Wasser. Damit soll man besser auf Nutzungskonflikte vorbereitet sein, die Ressourcenverteilung optimieren, und negative (Probleme mit WasserqualitĂ€t) und positive Koppelungen (Mischwasserentlastung, BiodiversitĂ€t) besser kontrollieren. Das Konzept ist seit einigen Jahren ein Schwerpunkt beim VSA und wird auch vom Bund gefördert [1â4].
Die Grundlage fĂŒr eine integrale Wasserbewirtschaftung setzt voraus, dass sich die verschiedenen Sektoren verstehen. Einerseits mĂŒssen sie dasselbe Bild zur aktuellen Situation haben, um gemeinsam Chancen und Risiken zu identifizieren. Andererseits mĂŒssen die Auswirkungen verschiedener Handlungsoptionen auch gesamtheitlich dargestellt werden, um die Frage zu beantworten, wo die grösste Hebelwirkung liegt. Das Thema ist nicht nur in der Schweiz aktuell. Vor allem in StĂ€dten im globalen SĂŒden sind die Herausforderungen in Bezug auf Nutzungskonflikte, Probleme mit WasserqualitĂ€t und Wetterextreme lĂ€ngst ein Thema. Darum haben hat die Eawag zusammen mit dem HEKS und der Direktion fĂŒr Entwicklung und Zusammenarbeit (DEZA) seit 2020 das Wasserflussdiagramm (WFD) entwickelt [5]. Das WFD bildet den gesamten Wasserhaushalt einer Stadt in einer einfach verstĂ€ndlichen Grafik ab. Damit wird die Gesamtbilanz aller Ressourcen, Nutzungen und möglichen positiven sowie negativen ZusammenhĂ€nge fĂŒr alle Beteiligten einheitlich dargestellt.
Die hier beschriebene, weiterentwickelte Methode aus ZĂŒrich ist insbesondre fĂŒr die Planung der SiedlungsentwĂ€sserung im Hinblick auf die integrale Wasserbewirtschaftung und Schwammstadt- und Klimaanpassungsprojekte interessant und steht nun auch fĂŒr andere Anwender zur VerfĂŒgung.
In einem WFD wird die jĂ€hrliche Wasserbilanz einer Stadt in einem Sankey-Diagramm abgebildet (s. L. Boumann et al. A&G 9/23 [6]). Ein Sankey-Diagramm ist ein visuelles Werkzeug und besteht aus «Knotenpunkten», die durch «FlĂŒsse» miteinander verbunden sind. Die Breite eines «Flusses»Âč im Diagramm ist mengenproportional und reprĂ€sentiert in Falle des WFD den Wasservolumenstrom. Die «Knotenpunkte» reprĂ€sentieren relevante Prozesse entlang der Nutzungskette: von der Entnahme, zur Aufbereitung, zur Nutzung, zur Sammlung, zur KlĂ€rung und zur Wiedereinspeisung des Wassers in den natĂŒrlichen Kreislauf. In der ursprĂŒnglichen Methode wurde im Diagramm das Regenwasser nicht vollumfĂ€nglich berĂŒcksichtigt. In ZĂŒrich wurde die Methode weiterentwickelt, um den gesamten Regen ĂŒber dem Stadtgebiet systematisch im WFD abzubilden.
1 Das Wort «Fluss» bezieht sich hier auf die Bestandteile des Diagramms im Sinne von Flux, nicht auf ein FliessgewÀsser.
Als Grundlage wurden zwei Systembilder erstellt, die aufzeigen, welche Knotenpunkte existieren, und wie sie untereinander vernetzt sind. Eines fĂŒr den Regen (Fig. 1) und eines fĂŒr die ĂŒbrigen Bezugsorte, die primĂ€r fĂŒr die Trinkwasserversorgung verwendet werden (Fig. 2).
Das Regenwasser wird aufgeteilt nach FlĂ€chenanteilen auf versiegeltes Gebiet, Wald, GrĂŒnflĂ€chen/Parks und GewĂ€sser. FĂŒr das WFD legen Koeffizienten fest, welche proportionellen Anteile des Regens verdunsten (ETc), versickern (Ic) oder via Kanalisation abfliessen (Rc), s. auch Abschnitt «Aufteilungswerte». Die Anteile, die versickern (Ic), vereinen sich im Knotenpunkt «Flaches Grundwasser», davon endet dann ein Teil im tiefen Grundwasser, ein Teil fliesst in die Mischkanalisation zurĂŒck. Speziell fĂŒr die versiegelten FlĂ€chen gibt es Anteile, die in die Regenwasserkanalisation und anschliessend ins OberflĂ€chenwasser fliessen, und Anteile, die technisch versickert werden und ins flache Grundwasser fliessen. Die abfliessenden Anteile (Rc) tun dies in die Mischkanalisation und von dort weiter in die KlĂ€ranlage und spĂ€ter ins OberflĂ€chenwasser oder direkt ohne Behandlung ins OberflĂ€chenwasser (Mischwasserentlastung).
FĂŒr die Wasserversorgung in ZĂŒrich wird OberflĂ€chenwasser und Grundwasser benutzt. ZusĂ€tzlich wird Wasser aus Rothenthurm importiert. Ein Anteil des aufbereiteten Wassers wird in umliegende Gemeinden exportiert. Ein weiterer Anteil speist die Laufbrunnen und fliesst danach in der Mischkanalisation oder geht im Verteilnetz verloren und endet im Grundwasser. Der Grossteil fliesst aber in den Knotenpunkt «Nutzung» und von dort in die Mischkanalisation. Allerdings fliesst nicht das gesamte Trinkwasser nach der Nutzung in die Kanalisation, sondern wird in einem Produkt «gespeichert» (bspw. in der GetrĂ€nkeindustrie, in GrossbĂ€ckereien) oder fĂŒr die BewĂ€sserung verwendet. Diese Anteile werden im Knotenpunkt «Produktewasser» zusammengefasst.
Mit Hilfe von Koeffizienten wird fĂŒr jeden Bodentypen berechnet, welcher Anteil vom Regenwasser verdunstet (ETc), versickert (Ic) oder abfliesst (Rc). Diese Koeffizienten werden Aufteilungswerte genannt und sind inspiriert durch das Merkblatt DWA-M 102-4 [7] der Deutschen Vereinigung fĂŒr Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall (DWA), das folgende Gleichung  fĂŒr eine FlĂ€che vorschlĂ€gt:
Die Gleichung basiert wiederum auf der allgemein gĂŒltigen Bilanz des Bodenwasserhaushalts. Bei dieser entspricht der korrigierte Niederschlag der Summe aus Abfluss, Grundwasserneubildung und aktueller Evapotranspiration. Zusammen mĂŒssen die Aufteilungswerte immer 100% ergeben.
Um die verschiedenen Aufteilungswerte fĂŒr jeden der drei Bodentypen zu bestimmen, wurden verschiedene Referenzen berĂŒcksichtigt. Die verwendeten Aufteilungswerte sind in der Tabelle 1 aufgefĂŒhrt. Anzumerken ist, dass angenommen wurde, dass vom Abfluss im versiegelten Gebiet Rc (85%) wiederum 75% in die Mischkanalisation fliessen und 25% in die Regenwasserkanalisation. Diese Werte basieren auf dem Generellen EntwĂ€sserungsplan (GEP) der Stadt ZĂŒrich. Zudem wurde angenommen, dass 70% des flachen Grundwassers weiter in die Mischkanalisation fliessen und lediglich 30% ins tiefe Grundwasser versickern (Tab. 1).
|  | Versiegelte FlĂ€chen | Wald | GrĂŒnflĂ€chen |
| Verdunstung (ETc) | 15% | 60% | 55% |
| Abfluss (Rc) | 85% | 5% | 5% |
| Versickerung* (Ic) | 0% | 35% | 40% |
|  | McCuen et al. ([8] curve number values) Gujer [9] und das DWA-Merkblatt 153 | DWA-Merkblatt 102-4 (Anhang C: Aufteilungswerte fĂŒr VegetationsflĂ€chen), die Werte der Bayerischen Anstalt fĂŒr Wald- und Forstwirtschaft [10] und eine EinschĂ€tzung von Marius Floriancic des Institut fĂŒr Umweltingenieurwissenschaften an der ETH ZĂŒrich | DWA-Merkblatt 102-4 (Anhang C: Aufteilungswerte fĂŒr VegetationsflĂ€chen) und die Werte der Bayerischen Anstalt fĂŒr Wald- und Forstwirtschaft [10] |
Tab. 1 Verwendete Aufteilungswerte fĂŒr das Wasserflussdiagramm ZĂŒrich. (*Davon 30% ins tiefe Grundwasser und 70% in die Mischkanalisation)
Um die FlĂŒsse zu quantifizieren, werden verschiedene Datenquellen genutzt. Zu einigen FlĂŒssen sind Messungen verfĂŒgbar, andere können mit Hilfe der Aufteilungswerte oder Bilanzen (Summe aller Zu- und AbflĂŒsse) berechnet werden, und einige werden auf Basis von Modellrechnungen geschĂ€tzt. Am zuverlĂ€ssigsten gemessen werden:
Diese drei Messungen werden als wichtigste Grundlage fĂŒr das WFD verwendet. Eine Ăbersicht, wie die verschiedenen FlĂŒsse und Knotenpunkte ermittelt wurden, inklusive der ermittelten Werte, gibt Tabelle 2.
| Gemessen | Berechnet: 1 = Arealstatistik, 2 = Aufteilungswerte, 3 = Bilanz |
GeschÀtzt: 1 = ERZ, 2 = Ingenieurbericht |
| Regen (80 Mio. m³) | Versiegelte FlÀchen1 (28,1 Mio. m³) | Technische Versickerung1 (2% der versiegelten FlÀche, 0,6 mio m³) |
| Trinkwasseraufbereitung (inkl. Quellen, 56,1 Mio. mÂł) |
Wald1 (19,2 Mio. mÂł) | Mischwasserentlastung2 (10% des Niederschlags, 8 Mio. mÂł) |
| ARA Werdhölzli (66 Mio. mÂł) | GrĂŒnflĂ€chen1 (28 Mio. mÂł) | Anteil Regenwasser- und Mischkanalisation1 (5,8 resp. 74,1 Mio. mÂł) |
| Trinkwassernutzung (37 Mio. m³) | OberflÀchenwasser1,2 (84,6 Mio. m³) |  |
| Trink- und Schmutzwasser-Importe (4,6 resp. 4,5 Mio. mÂł) |
Evapotranspiration2 (31,1 Mio. mÂł) | Â |
| Trinkwasserexporte (15,3 Mio. mÂł) | Kanalisation2 (79,9 Mio. mÂł) | Â |
| Â | Flaches Grundwasser2 (18,6 Mio. mÂł) | Â |
| Â | Produktewasser3 (1,8 Mio. mÂł) | Â |
| Â | Grundwasser2 (7,9 Mio. mÂł) | Â |
| Â | Verluste im Leitungsnetz3 (2,3 Mio. mÂł) | Â |
Tab. 2 Ermittlung der verschiedenen FlĂŒsse und Knotenpunkte im WFD ZĂŒrich inkl. Volumen fĂŒr das Jahr 2022.
Figur 3 zeigt das erweiterte WFD von ZĂŒrich fĂŒrs Jahr 2022. Rot eingefĂ€rbt sind FlĂŒsse mit potenziell verschmutztem Abwasser, hellblau sind FlĂŒsse mit TrinkwasserqualitĂ€t, blau sind FlĂŒsse mit Regenwasser oder gereinigtem Abwasser, braun sind FlĂŒsse mit SchmutzwasserqualitĂ€t, grau sind nicht verschmutzte RegenwasserflĂŒsse von versiegelten FlĂ€chen und grĂŒn sind RegenwasserflĂŒsse von Wald und GrĂŒnflĂ€chen.
32,8 Mio. m3/a (44% des Wassers in der Mischkanalisation) stammen ursprĂŒnglich aus NiederschlĂ€gen und werden entweder direkt eingeleitet (19,8 Mio. m3/a, 27%) oder zuerst versickert und gelangen via flaches Grundwasser in die Mischkanalisation (13 Mio. m3/a, 17%). 19,8 Mio. m3/a und 32,8 Mio. m3/a entsprechen 24% bzw. 41% des Gesamtniederschlages. Die Mischwasserentlastung wurde auf 10% des gesamten Abwassers geschĂ€tzt. Das ergibt 8 Mio. m3 Mischwasserentlastung, beziehungsweise einer Entlastungsrate von 45% (bei einem Abfluss auf versiegelten FlĂ€chen von ca. 17,5 Mio. m3). Als problematisch eingestuft, und deshalb rot eingefĂ€rbt im Diagramm, wurden die Regenwasseranteile und Fremdwasseranteile aus flachem Grundwasser, die in die Mischkanalisation fliessen. Lediglich 54% der jĂ€hrlich beförderten Menge in der Mischwasserkanalisation sind Schmutzwasser. Bei Trockenwetter sind es 73% und 27% Fremdwasser. Mischwasserentlastungen sind ebenfalls rot eingefĂ€rbt. Die technische Versickerung betrĂ€gt auf Basis der Angaben im GEP nur 2%.
ZusĂ€tzlich zum WFD des gesamten Jahres (Fig. 3) wurden saisonale WFD fĂŒr das Sommerhalbjahr (April-September) und Winterhalbjahr (Oktober-MĂ€rz) erstellt (s. ERIC)2. Der grösste Unterschied ist in der Evapotranspiration (ET) zu beobachten. Die ET wurde anhand des Jahresgangs der Evaporationsrate abgeschĂ€tzt [11]. Demnach fallen 77% des Verdunstungsvolumen fĂŒr Wald im Sommerhalbjahr an, fĂŒr GrĂŒnflĂ€chen sogar 88%. Im Sommerhalbjahr ist die ET also deutlich grösser als im Winterhalbjahr. Im Winter versickert mehr Regenwasser ins Grundwasser oder fliesst in die Mischkanalisation. Da aber im Winter auch weniger Regen fĂ€llt, bleibt das transportierte Volumen in der Mischkanalisation und die behandelte Menge Schmutzwasser auf der KlĂ€ranlage in etwa gleich.
Die dezentrale Versickerung von NiederschlagsabflĂŒssen zu erhöhen, ist im Schwammstadt-Konzept eine wichtige Massnahme. Damit erhofft man sich unter anderem eine verringerte Mischwasserentlastung. Um die Auswirkungen erhöhter technischer Versickerung besser zu verstehen, wurde deshalb ein Szenario erstellt (s. ERIC). Es basiert auf der Annahme, dass die technische Versickerung auf 15% der versiegelten FlĂ€che erhöht werden kann. Die Berechnung ergibt, dass 5,25% des Gesamtniederschlags versickert werden können gegenĂŒber 0,7% im Status quo. Das sind also 4,55% oder 3,64 Mio. m3/a mehr. Laut dem Status quo wird angenommen, dass 30% oder 1,09 Mio. m3/a des technisch versickerten Wassers effektiv ins tiefe Grundwasser fliesst. Leider ist wegen der hohen Dichte an Sickerleitungen auch davon auszugehen, dass ein Rest zurĂŒck in die Kanalisation fliesst (jedoch mit Verzögerung). Daraus ergibt sich, dass sich die Mischwasserentlastung im Status quo von 8 Mio. m3 auf 6,99 Mio. m3/a reduzieren lĂ€sst. Diese Werte sind vergleichbar mit einer Studie aus Fehraltdorf [12].
Das Wasserflussdiagramm wurde weiterentwickelt und die volumetrischen FlĂŒsse des Regens integriert. Die neue Version erlaubt es, die ZusammenhĂ€nge zwischen Fremdwasser in der Kanalisation, die Mischwasserentlastung sowie Versickerungen und Verdunstung zu
visualisieren.
FĂŒr diese Studie wurden einige Annahmen getroffen, die noch nicht quantitativ verifiziert werden können und zudem einen wichtigen Einfluss auf die Resultate haben:
Trotz dieser Vereinfachungen bringt die Anwendung in ZĂŒrich einige robuste Erkenntnisse. Eindeutig ersichtlich wird, das grosse Potenzial, dass die technische Versickerung fĂŒr die Zukunft noch besitzt. Im Bericht von Staufer und Ort wurden dafĂŒr ein Schweizer Mittelwert von 10% angegeben [13]. Diese 10% stehen den aktuellen 2% gegenĂŒber.
Ebenfalls verdeutlicht das WFD die RĂŒckkopplung zwischen Versickerung und Mischwasserkanalisation via Bodenspeicher. Der Volumenstrom, der vom flachen Grundwasser in die Mischkanalisation fliesst, ist möglicherweise eine Quelle fĂŒr Blau-GrĂŒne Infrastrukturen, wenn es gelingt, die SpeicherfĂ€higkeit des Bodens zu erhöhen. Situationen in denen Wasser, das zwar versickert war, spĂ€ter wieder potenziell zur Mischwasserentlastung beitrĂ€gt, ist nicht nur an den Hanglagen in ZĂŒrich, sondern auch im Mittelland hĂ€ufig anzutreffen. Diese zwei Handlungsoptionen (technische Versickerung, Speicherung im Boden und Grundwasser), beides typische Elemente der Schwammstadt, sind also Handlungsoptionen fĂŒr eine integrale Wasserwirtschaft.
Das Wasserflussdiagramm ist somit ein nĂŒtzliches Instrument fĂŒr die Planung, Umsetzung und Bewertung der integralen Wasserbewirtschaftung. Dies gilt besonders im Hinblick auf Schwammstadt- und Klimaanpassungsprojekte. Deshalb empfiehlt das Autorenteam, das Wasserflussdiagramm in den Generellen EntwĂ€sserungsplan (GEP) zu integrieren.
Es ist geplant, die weiterentwickelte Methodik von ZĂŒrich in eine Software oder Webapplikation mit BenutzeroberflĂ€che und Datenbank fĂŒr eine einfachere und schnellere Anwendung zu ĂŒberfĂŒhren. Zudem soll eine quantitative Bewertung der WasserqualitĂ€t möglich gemacht werden. Dies wĂŒrde zum Beispiel erlauben, Auswirkungen der Versickerung oder der Mischwasserentlastung auf die Ăkologie abschĂ€tzen zu können.
In einer Masterarbeit in Zusammenarbeit mit der Eawag und der ETH wurde deshalb untersucht, inwiefern mittels Daten von NÀhrstoffen (Stickstoff, Phosphor) und Spurenstoffen (Diclofenac, Mecoprop, Diuron und Hexamethoxymethylmelamin) Wasserverschmutzungen im bestehenden Wasserflussdiagramms bewertet werden können. Daraus wurden Verschmutzungsdiagramme erstellt.
Vermehrt gehen auch Anfragen von Institutionen (Schulen, UniversitĂ€ten, SpitĂ€ler) und aus der Industrie (ProduktionsstĂ€tten) ein, die das WFD fĂŒr die Ăberwachung ihres «Wasserfussabdrucks» verwenden möchten. Aktuell laufen AbklĂ€rungen, wie so eine Anwendung realisiert werden kann.
[1] Rossi, L. (2021): Integrale Wasserbewirtschaftung â Ein Schwerpunkt des VSA â Umsetzungsbeispiele
[2] BAFU (2009): Wasserwirtschaft Schweiz 2007Â â Eine Auslegeordnung mit Thesen zur Weiterentwicklung
[3] Wasser-Agenda 21 (2011): Einzugsgebietsmanagement â Leitbild fuÌr die integrale Bewirtschaftung des Wassers in der Schweiz
[4] BAFU (2012): Einzugsgebietsmanagement Teil 3: Initiative
[5] Bouman, L. et al. (2024): The water flow diagram. Frontiers in Water 6. DOI: 10.3389/frwa.2024.1360515
[6] Bouman, L. et al. (2023): Wasserflussdiagramm â urbane WasserflĂŒsse sichtbar machen. Aqua & Gas 9/23
[7] Deutsche Vereinigung fĂŒr Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall (2022): Merkblatt DWA-M 102-4. GrundsĂ€tze zur Bewirtschaftung und Behandlung von RegenwetterabflĂŒssen zur Einleitung in OberflĂ€chengewĂ€sser â Teil 4: Wasserhaushaltsbilanz fĂŒr die Bewirtschaftung des Niederschlagswassers. Hennef, Deutschland
[8] McCuen, R. (2016): Hydrologic Analysis and Design, 4th edition. University of Maryland
[9] Gujer, W. (2007): Siedlungswasserwirtschaft â 3. bearbeitete Auflage. Springer Berlin, Heidelberg
[10] Zimmermann, L. et al. (2008): Wasserverbrauch von WĂ€ldern. LWF aktuell, 66. Bayerische Landesanstalt fĂŒr Wald und Forstwirtschaft
[11] Spreafico, M.; Weingartner, R. (2005): Hydrologie der Schweiz â AusgewĂ€hlte Aspekte und Resultate. Berichte des BWG, Serie Wasser Nr. 7, Bern
[12] Cavadini, G.B. et al. (2024): Connecting Blue-Green Infrastructure Elements to Reduce Combined Sewer Overflows. DOI: 10.2139/ssrn.471955
[13] Staufer, P.; Ort, C. (2012): Mikroverunreinigungen aus diffusen Quellen. Faktenblatt «Diffuse Mikroverunreinigungs-Emissionen aus Siedlungen (DIMES)». Eawag. Das Wasserforschungs-Institut des ETH-Bereichs
Die Methode zur Erstellung eines Wasserflussdiagramms ist öffentlich zugÀnglich:
www.sandec.ch/wfd
Mehr Hintergrundinformationen zur ZĂŒrcher Version:
ERIC, http://opendata.eawag.ch
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