Jonas Neumann

• Als Folge des Klimawandels ist mit einer Zunahme und Intensivierung von Starkregenereignissen zu rechnen, wobei besonders hochversiegelte Stadtgebiete durch Starkregen und den daraus resultierenden Überflutungen gefährdet sind. Konventionelle städtische Entwässerungssysteme sind nicht darauf ausgelegt, außergewöhnliche und extreme Starkregenereignisse überflutungsfrei abzuleiten. Dezentrale Regenwasserbewirtschaftungsanlagen (RWBA) können eine Lösungsmöglichkeit sein, die Resilienz bestehender Entwässerungssysteme gegenüber Starkregenereignissen zu verbessern. Diese Arbeit untersucht modellgestützt die Wirksamkeit verschiedener RWBA – Versickerungsanlagen, Gründächer, Zisternentypen und modifizierte Straßenbäume – in einem städtischen Untersuchungsgebiet. Mithilfe eines gekoppelten 1D/2D-Simulationsmodells, in dem sowohl das Kanalnetz als auch die Gebietsoberfläche berücksichtigt werden und das die SWMM-LID-Ansätze zur Modellierung der RWBA einbezieht, wird die Überflutungsreduzierung quantifiziert und die Leistungsfähigkeit der Anlagen im Quervergleich bewertet. Dabei werden unterschiedliche Implementierungsgrade, Niederschlagsverteilungen, Regendauern, die räumliche Anordnung der RWBA sowie die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Einzugsgebiete analysiert. Der Leistungsvergleich der Anlagen zeigt, dass die auf T = 5 a dimensionierten Versickerungsanlagen auch bei einem einstündigen hundertjährlichen Ereignis (hN = 48,9 mm) das Überflutungsvolumen deutlich reduzieren. Mit zunehmender Niederschlagsintensität nimmt der relative Effekt der Anlagen ab, allerdings erzielen die auf T = 100 a dimensionierten Versickerungsanlagen selbst bei einem extremen einstündigen Regenereignis (hN = 100 mm) noch eine große Reduzierung. Insgesamt haben die intensiven Grün- und Retentionsdächer von allen untersuchten Anlagen den größten Effekt und können selbst das 100 mm Niederschlagsereignis zurückhalten. Die Leistung der extensiven Gründächer liegt geringfügig unter der auf T = 100 a bemessenen Mulden. Die Zisternen sind vergleichbar mit den auf T = 5 a bemessenen Mulden, wobei ihre Leistungsfähigkeit vom Füllstand zu Beginn des Niederschlagsereignisses abhängt. Retentionszisternen haben eine deutlich größere Wirkung als Zisternen und erzielen eine Leistung, die leicht unter den auf T = 100 a dimensionierten Mulden liegt. Hydrologisch optimierte Baumstandorte und Baumrigolen zeigen den geringsten Effekt und sind dadurch selbst bei hohen Implementierungsgraden nicht ausreichend zum Überflutungsschutz geeignet. Die RWBA reagieren allgemein robust gegenüber verschiedenen Niederschlagsverteilungen und können Intensitätsspitzen abpuffern. Die Regendauer beeinflusst insbesondere die Leistungsfähigkeit von Versickerungsanlagen, die bei langanhaltendem Niederschlag auf durchlässigen Böden besonders wirksam sind. Die räumliche Anordnung spielt eine entscheidende Rolle: Eine gezielte Platzierung um Überflutungsschwerpunkte maximiert die Überflutungsreduzierung. Der Effekt der RWBA zur Überflutungsminderung kann nur bedingt auf andere Einzugsgebiete übertragen werden. Dennoch können die Ergebnisse für eine erste Priorisierung geeigneter RWBA in neuen Gebieten dienen, da die relative Wirksamkeit der Systeme gebietsunabhängig vergleichbar bleibt.
• As a consequence of climate change, an increase in the frequency and intensity of heavy rainfall events is expected. Highly impervious urban areas being particularly vulnerable to such events and the resulting floods. Conventional urban drainage systems are not designed to handle exceptional and extreme heavy rainfall events without causing flooding. Nature-based solutions (NBS) can offer a potential solution to enhance the resilience of existing drainage systems against heavy rainfall. This study uses modelling to examine the effectiveness of various NBS – infiltration systems, green roofs, rainwater harvesting tanks and engineered street trees – in an urban study area. By employing a coupled 1D/2D simulation model and SWMM-LID approaches to represent NBS, the reduction in flooding is quantified and the performance of the systems is comparatively evaluated. Different implementation degrees, rainfall distributions, rainfall durations, spatial arrangements of NBS and the transferability of results to other catchment areas are analysed. The performance comparison of the systems shows that infiltration systems dimensioned to T = 5 a significantly reduce flood volume even during a 100-year event (h = 48.9 mm). As rainfall intensity increases, the effectiveness of the systems decreases. However, infiltration systems dimensioned to T = 100 a still achieve substantial flood reduction even during extreme rainfall (h = 100 mm). Overall, intensive green and retention roofs have the greatest effect among all examined NBS and can even retain the 100 mm rainfall event. The performance of extensive green roofs is slightly below that of swales dimensioned to T = 100 a. Rainwater harvesting tanks (RWHT) are comparable to swales dimensioned to T = 5 a, though their performance depends on their initial fill level at the start of the rainfall event. Retention RWHT are significantly more effective than standard RWHT, performing slightly below swales dimensioned to T = 100 a. Hydrologically optimized tree locations and tree trenches show the least effect and are therefore insufficient for flood protection even at high implementation degrees. Generally, NBS respond robustly to different rainfall distributions and can buffer intensity peaks. Rainfall duration particularly affects the performance of infiltration systems, which are especially effective during prolonged rainfall on permeable soils. Spatial arrangement plays a crucial role: targeted placement around flood hotspots maximizes flood reduction. The effectiveness of NBS in mitigating flooding can only be partially transferred to other catchment areas. Nevertheless, the results can serve as an initial prioritization of suitable NBS in new areas, as the relative effectiveness of the systems remains comparable regardless of location.