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Die Bevölkerung der Stadt Zürich wächst. Seit 1997 nahm sie stetig zu: von 350 000 auf 430 000 Einwohnerinnen und Einwohner, also um etwa 20%. Und der Trend hält an, noch vor 2040 dürfte die Marke von einer halben Million erreicht sein. Obwohl das jährliche Wachstum mit knapp einem Prozent vergleichsweise moderat ist, braucht es rechtzeitig die nötigen Anpassungen an der Infrastruktur. Zudem mussten die massgebenden Dimensionierungsregen in Intensität und Volumen angepasst werden. Der Generelle Entwässerungsplan (GEP) wurde daher in den Jahren 2009 bis 2014 gemäss der Gewässerschutzverordnung von 1998 und dem VSA-Musterpflichtenheft überarbeitet. Er löst das Generelle Kanalisationsprojekt (GKP) von 1987 bis 1993 ab. Die Baudirektion des Kantons Zürich hat den GEP im Jahre 2015 genehmigt, wobei ein zweiter und letzter Teil der Massnahmenplanung 2019 genehmigt wurde.
Im GKP war die Abtrennung von nicht verschmutztem Abwasser bereits ein grosses Thema (Bachkonzept, Dachwasserversickerung, Ableitung in Oberflächengewässer). Im GEP neu hinzugekommen sind unter anderem die Themen Verkehrswegeentwässerung, Gefahrenbereiche, Werterhalt und Finanzierung sowie im Umfeld des GEP die «Gefahrenkarte Hochwasser».
Im Folgenden sollen die grössten Herausforderungen und die wichtigsten Lösungen vorgestellt werden. Einige Erkenntnisse aus der Umsetzung und aus der Nachführung werden präsentiert.
Das öffentliche Kanalnetz der Stadt Zürich hat eine Länge von 909 km. Davon sind rund 104 km begehbar (Kanalhöhe ab 1,2 m). Der Wiederbeschaffungswert des Kanalnetzes (3,7 Mia. Fr.) zusammen mit den Sonderbauwerken und dem Abwasserstollen Zürich Nord liegt bei rund 4,5 Mia. Franken. Der älteste noch in Betrieb stehende Kanal stammt aus dem Jahr 1863, das Durchschnittsalter des Kanalnetzes liegt bei ca. 50 Jahren. Rund ein Viertel des Kanalnetzes weist bauliche Mängel auf, welche die Statik oder Dichtheit beeinträchtigen, und muss daher saniert werden.
Die erste Kläranlage der Stadt Zürich nahm 1926 beim Werdhölzli den Betrieb auf. Zu diesem Zeitpunkt bestand bereits ein ausgedehntes Kanalnetz, mit dem das Schmutz- und Regenabwasser im Mischsystem gesammelt und unterhalb der Stadt in die Limmat eingeleitet wurde. Viele kleinere Gewässer wurden gemeinsam mit dem Schmutzabwasser abgeleitet. Entlang des Zürichsees und der Limmat bestand schon damals ein Trennsystem.
Mit dem Bachkonzept von 1988 [1] wurde ein Instrument geschaffen, um eingedolte Gewässer auf einer Länge von 18 km auch im Siedlungsgebiet wieder an die Oberfläche zu bringen. Dadurch konnten Quartiere aufgewertet und Lebensraum für einheimische Pflanzen und Tiere geschaffen werden. Das stetig fliessende Bachwasser konnte so seither bis auf ganz wenige Ausnahmen vom Klärwerk abgetrennt werden.
Zur Ableitung von seltenen Hochwasserabflüssen sind die offengelegten Abschnitte im Siedlungsgebiet häufig nicht ausgelegt. Daher wurden oberhalb des Siedlungsgebiets vielfach Geschiebesammler und Gewässerüberläufe in das bestehende, leistungsfähige Kanalnetz angeordnet.
Die vorhandenen Regenüberläufe und Regenüberlaufbecken des Mischsystems befinden sich an den etwas grösseren Gewässern: Neben Glatt, Sihl, Limmat und Zürichsee sind es vor allem das Hornbachsystem und der Katzenbach mit besonders vielen Einleitstellen. Beim Hornbachsystem wurden durch hydrobiologische Untersuchungen Defizite festgestellt, die sich auch in der Langzeitsimulation des Kanalnetzes zeigen.
Die Gefahrenkarte der Stadt Zürich zeigt neben dem Grossrisiko der Sihl rund um den Hauptbahnhof [2] weitere Gebiete mit einer Gefährdung durch kleinere Gewässer, vor allem am Nordosthang des
Uetlibergs, aber auch nördlich und südlich des Höngger- und Zürichbergs. Die Wechselwirkung zwischen den Gewässern und der Siedlungsentwässerung ist sehr gross. In der Gefahrenkarte [3] ist daher festgehalten, dass es weitergehende Analysen zum Abflussgeschehen im Kanalnetz braucht. Die in der Gefahrenkarte ermittelten Abflüsse beim hundertjährlichen Hochwasser waren daher ein Lastfall der hydrodynamischen Berechnung des GEP.
In einer Studie zur Kostenwirksamkeit von Hochwasserschutzmassnahmen [4] hat sich gezeigt, dass das Schadenspotenzial an den Stadtbächen mit relativ geringen Mitteln um rund 150 Mio. Franken innerhalb von 50 Jahren reduziert werden kann.
Neben eigentlichen Hochwasserereignissen an Gewässern, die über die Ufer treten, gibt es weitere Starkregenereignisse, die zu Schäden führen können. Diese Schäden stehen häufig in Zusammenhang mit der Liegenschaftsentwässerung (eindringendes Wasser bei Lichtschächten, Verstopfungen von Anschlussleitungen, überlastete Versickerungs- und Retentionsanlagen), Verstopfungen von Strassensammlern und Einlaufrechen (Laub) oder überlasteten Kanälen.
Die Stadt Zürich führt einen Kataster aller Überschwemmungsereignisse seit 1976, bei denen Einsatzkräfte der Feuerwehr oder des Kanalunterhaltes beteiligt waren. Je nach Intensität der sommerlichen Gewitter werden zwischen nur wenigen und bis zu 600 Ereignisse pro Jahr registriert.
Die Kanalisation der Stadt Zürich ist grundsätzlich auf ein zehnjährliches Ereignis ausgelegt – also das stärkste Niederschlagsereignis, das im Mittel einmal innerhalb von zehn Jahren erreicht oder überschritten wird. Massgebend sind kurze Regen mit einer Dauer von 10 bis 60 Minuten, also typischerweise Sommergewitter. Lediglich 15% des Kanalnetzes sind im Ist-Zustand nicht in der Lage, diesen Abfluss abzuleiten. Dies führt abschnittsweise zu einem Anstieg des maximalen Wasserspiegels bis über das Gelände. Es kann zu Schäden an Gebäuden kommen, zudem ist die Sicherheit der Verkehrsteilnehmer gefährdet.
Aber auch wenn der maximale Wasserspiegel unterhalb des Geländes bleibt, kann es entlang der überlasteten Abschnitte über die Grundstückanschlussleitungen zu Schäden kommen, vor allem bei älteren Gebäuden ohne Rückstau.
Zur Beurteilung des Ist-Zustands verfügt die Stadt Zürich über ein hydrodynamisches Modell. Darin sind die Abflüsse und Wasserspiegel im Kanalnetz bei verschiedenen Lastfällen ersichtlich:
– Stationäre Berechnung des Nachtminimums und Tagesmaximums bei Trockenwetter (bildet den Anfangszustand für die hydrodynamische Berechnung)
– Kurzzeitsimulation verschiedener Regenereignisse, die mehrmals pro Jahr auftreten (Modellregen zur Beurteilung von Regenüberläufen)
– Kurzzeitsimulation von zehnjährlichen Ereignissen von 10 bis 60 Minuten Dauer (Dimensionierungsereignis)
– Langzeitsimulation zur Beurteilung von Regenüberläufen
Die Ergebnisse der hydraulischen Berechnung bilden zusammen mit den Schadensmeldungen eine ausgezeichnete Grundlage zur Definition der Defizite. Im Modell sind auch die geregelten oder gesteuerten Elemente wie Pumpen, Schieber und Wehre detailliert abgebildet. Ebenfalls berücksichtigt sind die für das Abflussgeschehen relevanten Versickerungs- und Retentionsanlagen.
Das Modell weist eine recht gute Übereinstimmung mit den Messwerten auf. Beispielsweise beträgt der maximale zehnjährliche Abfluss im Überlauf des letzten Regenbeckens vor dem Klärwerk Werdhölzli auf der Werdinsel im Modell 41,6 m3/s. Die gemessenen jährlichen Maximalabflüsse seit 2007 liegen zwischen 8,6 und 41,4 m3/s.
Das Modell des Prognose-Zustands enthält sämtliche Massnahmen, die nötig sind, um den Dimensionierungsabfluss sowie den 100-jährlichen Hochwasserabfluss der Gewässer ohne Schäden abzuleiten. Dabei wird eine abschnittsweise hydraulische Überlastung zugelassen, sofern der Aufstau im Mischabwassernetz nicht höher ansteigt als 2 m unter Gelände. Ebenfalls enthalten sind die Massnahmen zur Sicherstellung des Gewässerschutzes bei Überläufen.
Die Bau- und Zonenordnung der Stadt Zürich setzt sehr stark auf Verdichtung. Unüberbaute Gebiete innerhalb der Bauzone sind entsprechend selten. Hingegen gibt es mehrere Gebiete, die von einer Industrie- in eine Wohn- und Gewerbenutzung überführt werden. Für Gebiete, in denen für die kommenden Jahre eine erhöhte Bautätigkeit erwartet wird, wurden Auflagen zu Versickerung und Retention in Form von Oberflächenmassnahmen definiert und im hydraulischen Modell auch berücksichtigt (vgl. gelbe und violette Kategorie). Insgesamt wird mit einem Zuwachs der befestigten Fläche um 350 ha oder 12% innerhalb von 20 bis 30 Jahren gerechnet.
Basierend auf der Defizitanalyse des Ist- und unsanierten Prognose-Zustands wurden verschiedene Lösungsmöglichkeiten erarbeitet. Wenn möglich wurde versucht, unverschmutztes Regenwasser abzutrennen oder zu speichern. Für den Ausbau der Leistungsfähigkeit kommen oft mehrere Linienführungen in Betracht. In dieser Phase «Massnahmenfächer» wurde konzeptionell gearbeitet. Möglichst viele, auch unkonventionelle Lösungsmöglichkeiten wurden gesammelt und grob dimensioniert. Mithilfe von Präsentationen wurde der entstandene Fächer umfassend beleuchtet, ergänzt und weniger Erfolg versprechende Varianten bereits wieder verworfen. Erst danach erfolgten hydrodynamische Berechnungen, eine Feindimensionierung und Beurteilung.
In vielen Fällen wurden Varianten untersucht, um die beste Massnahme zu finden. Um die Varianten zu vergleichen, wurden sie nach einheitlichen Kriterien bewertet:
– Kosten (Baukosten, Sanierungskosten, Unterhaltskosten, Nutzungsdauer)
– Hydraulik (Selbstreinigung, Überlastfall, Kapazität, Flexibilität)
– Gewässerschutz
– Unterhalt und Betrieb (Länge, Reinigung, Zugänglichkeit, Umleitungsmöglichkeiten)
– Risiken (Gefahrenbereiche, Kostenunsicherheiten, Provisorien, Baurisiken)
– Betroffene (Verkehrseinschränkungen, Koordiniertes Bauen)
– Handlungsspielraum (Abhängigkeiten, Folgeprojekte, Übergangszeit)
Zur möglichst objektiven Bewertung diente ein Bewertungskatalog. Die Gewichte der einzelnen Kriterien konnten hingegen von zwei verschiedenen Beurteilungsgremien (technische und strategische Ausrichtung) innerhalb gewisser Grenzen verschoben werden.
Um die Erkenntnisse aus dem GEP in konkrete Bauvorhaben einzuspeisen, nutzt die Stadt Zürich das Werkzeug APAG, das im WebGIS eingebettet ist. Es hilft bei der Definition von Vorgaben wie dem Entwässerungssystem und von Einleitbeschränkungen, die soweit möglich durch Versickerung erreicht werden müssen. Wenn dies aufgrund der Geologie oder auch aufgrund der Altlastensituation nicht möglich ist, müssen zusätzliche Retentionsmassnahmen geplant werden.
Zudem besteht für Architekten, Planer und Bauherren die Möglichkeit, eine Angabe zur Rückstauebene zu erhalten. Die Rückstauebene ist ein Begriff aus der Norm «Anlagen für die Liegenschaftsentwässerung» [6]. Sie hilft bei der Planung von Rückstausicherungen im Bereich der Erd- und Untergeschosse. Die Angabe der Rückstauebene basiert in der Stadt Zürich auf den hydraulischen Berechnungen. Sie berücksichtigt den Wasserspiegel und die kinetische Energie beim zehnjährlichen Ereignis, aber auch das vorhandene Kanalstauvolumen sowie aktuelle und zukünftige Kanalbauprojekte.
Das Gewässerschutzgesetz (GSchG) verlangt in Artikel 7, dass nicht verschmutztes Abwasser versickert wird, soweit es die örtlichen Verhältnisse zulassen. Für die Situation der Stadt Zürich mit einem grossen, bereits bestehenden Mischsystem ist die Versickerung aus drei Gründen attraktiv: einerseits aus Gewässerschutzgründen und zur Förderung der Grundwasserneubildung, andererseits aber auch zur Reduktion der hydraulischen Belastung des Kanalnetzes, der Überlaufbauwerke und der Gewässer. In den vergangenen Jahren ist vermehrt auch das Thema Stadtklima hinzugekommen, das durch die Verdunstung, Begrünung und Entsiegelung positiv beeinflusst werden kann.
Die Versickerungsmöglichkeiten in der Stadt Zürich sind sehr unterschiedlich. Im Limmat- und Sihltal gibt es gute Versickerungsmöglichkeiten, in den Hanggebieten fehlen sie oftmals. Doch auch in Gebieten mit schlechten Versickerungsmöglichkeiten sind Versickerungsanlagen möglich und es gibt bereits zahlreiche Beispiele. Die Stadt Zürich bietet in der Verordnung über die Preise zur Abwasserbewirtschaftung (VPA) Anreize zum Bau von Versickerungsanlagen, indem der Infrastrukturpreis für Regenabwasser bis zu 60% reduziert werden kann, wenn das gesamte Dachabwasser zur Versickerung gelangt.
Um die Versickerung auch im öffentlichen Raum, vor allem in Quartierstrassen, Begegnungszonen, Gehwegen, Plätzen und Parkanlagen zu fördern, hat die Stadt Zürich in einer interdisziplinären Arbeitsgruppe eine Arbeitshilfe «Versickerung in Stadträumen» [7] erarbeitet. Sie geht auf verschiedene Hindernisse bei der Erstellung von Versickerungsanlagen unter innerstädtischen Verhältnissen (z. B. Gestaltung, Platzbedarf oder Umgang mit Altlasten) ein und zeigt Lösungsansätze für typische Situationen auf.
Neben der Versickerung gibt es die Möglichkeit der getrennten Ableitung von nicht verschmutztem Regenabwasser, also die Umstellung vom Mischsystem auf das (allenfalls modifizierte) Trennsystem. Diese Möglichkeit wurde an verschiedenen Stellen geprüft. Aufgrund der hohen Kosten und der langen Übergangszeiträume wurden solche Massnahmen nur in Ausnahmefällen in den GEP aufgenommen.
Aufgrund der Altersstruktur des Zürcher Kanalnetzes muss in den kommenden Jahrzehnten ein beträchtlicher Teil der Kanäle saniert werden. Mit der Erneuerungsstrategie, wie sie bis 2012 verfolgt wurde, wäre diese Aufgabe weder organisatorisch noch finanziell zu bewältigen gewesen. Es wurde daher ein Renovierungskonzept erarbeitet, das vorsieht, neben der Erneuerung im Rahmen des koordinierten Bauens zusammen mit anderen Werken jährlich rund 5 km Kanal mittels Schlauchlining zu renovieren.
Um den angestrebten Umfang sowie die nötige Qualität zu wirtschaftlichen Preisen zu erreichen, mussten entsprechende Prozesse und Standards erarbeitet werden. 2015 wurde mit der Ausführung des Renovierungskonzepts begonnen. Bereits 2016 konnte der angestrebte Umfang von 5 km erreicht und 2017/18 mit bis zu 7,6 km sogar übertroffen werden. Die Strategieanpassung aus dem GEP konnte somit in recht kurzer Zeit erfolgreich umgesetzt werden. Bei rund 200 km schadhaften Kanälen gibt es aber noch sehr viel zu tun.
In Gebieten mit schlechten oder fehlenden Versickerungsmöglichkeiten ist der Einsatz von Retentionsmassnahmen ein gutes Mittel, um die bestehende Infrastruktur optimal nutzen zu können. Zielsetzungen können die Reduktion sowohl von Schäden durch hydraulische Überlastungen im Kanalnetz wie auch von Mischabwasserüberläufen ins Gewässer sein. Beide Typen sind im GEP Zürich vorgesehen.
Bis zu einem gewissen Grad kann die Retention als Oberflächenmassnahme auf den Liegenschaften geplant werden (z. B. Dachretention, Platzretention etc.). Dies wurde im GEP in Gebieten mit erhöhter Bautätigkeit analog zu den Versickerungsmassnahmen vorgesehen und in der hydraulischen Berechnung miteinbezogen. Allerdings ist der Einsatz von Retention nicht in jedem Fall positiv und kann bei falscher Konzeption durch ungünstige Überlagerung von Abflussganglinien auch zu Mehrbelastungen von Überläufen sowie des Kanalnetzes führen. Daher ist eine transparente Dokumentation der Zielsetzung und der angestrebten Drosselwirkung wichtig.
Eine zweite Form der Retention sind Speicherkanäle. Sie ermöglichen es, die Belastung des unterhalb gelegenen Netzes und die damit verbundenen Schäden zu reduzieren. Damit eignet sich ihr Einsatz, wenn das unterhalb gelegene Netz hydraulisch überlastet, aber entweder nicht sanierungsbedürftig ist oder renoviert werden kann.
Die Planung von Speicherkanälen ist anspruchsvoll. Wenn die Drosselelemente und die Ausbildung der Sohle und allfälliger Bankette sowie die Einbindung der Anschlussleitungen nicht sorgfältig geplant werden, besteht das Risiko von Ablagerungen sowie Funktionsstörungen. Es stellt sich auch die Frage, was beim Überlastfall passiert. Bei starker Drosselung des Speicherkanals kann der Wasserspiegel sehr schnell ansteigen, daher empfiehlt sich in einer solchen Situation in der Regel ein Überlauf ins unterliegende System, auch wenn dadurch das unterliegende Netz etwas überlastet wird. Bei kleinen Drosselöffnungen (weniger als 20 cm Schieberhubhöhe) besteht manchmal ein gewisses Verstopfungsrisiko durch grössere Teile, die bei Starkregen von Baustellen fortgerissen werden. Ein Überlauf begrenzt dieses Risiko. Die Überwachung des Wasserspiegels mithilfe eines Prozessleitsystems sollte in Speicherkanälen zusätzlich in Erwägung gezogen werden.
Stadt und Kanton Zürich führen jährlich einen GEP-Check durch. Damit wird die Umsetzung der GEP-Massnahmen kontrolliert und die Nachführung einzelner GEP-Teilprojekte ausgelöst.
Die Versickerungsanlagen der Stadt Zürich sind in einem Versickerungskataster eingetragen, der Teil des Kanalinformationssystems ist. Dieser wird laufend nachgeführt. Die abflusswirksame Fläche, die mittels Versickerung vom Mischabwassernetz abgetrennt werden kann, beträgt seit 1995 jährlich etwa 3,7 ha. Insgesamt sind es bis 2017 rund 100 ha oder 5% der abflusswirksamen Fläche im Mischsystem. Im Zeitraum zwischen 1995 und 2017 wurde gemäss Angaben des Statistischen Amtes des Kantons Zürich innerhalb der Stadt Zürich auf einer Fläche von knapp 277 ha Neubauten oder Ersatzneubauten errichtet. Durch den Bau der Versickerungsanlagen reduziert sich der jährliche Zufluss zur Kläranlage um etwa 1 Mio. m3 oder 1,4%.
Auf die Nachführung der hydraulischen Berechnung wird auch nach Abschluss und Genehmigung des GEP grossen Wert gelegt. Die Berechnungen des Ist- und Prognose-Zustands werden alle zwei Jahre vollständig aktualisiert. Dies beinhaltet eine Übernahme der neuen Kanäle aus dem Kataster, die Modellierung von Spezialbauwerken und die Nachführung von neuen Hochbauten mit Versickerungs- und Retentionsanlagen.
Veränderungen in der Konzeption von GEP-Massnahmen, die im Verlauf der Planung und Projektierung aufgrund veränderter Randbedingungen und neuer Erkenntnisse immer wieder nötig werden, können ebenfalls nachgeführt werden. So lassen sich die Auswirkungen der Anpassungen optimal erkennen.
Die wichtigsten Erkenntnisse aus der Umsetzung des GKP, des GEP und der Nachführung sind die folgenden:
– Die verhältnismässigen Massnahmen zur Abtrennung von stetig fliessendem sauberem Abwasser sind nahezu abgeschlossen.
– Die Abtrennung von Niederschlagswasser dämpft die Auswirkungen der Verdichtung um etwa einen Drittel.
– Die erfolgreiche Einführung des Renovierungskonzepts ermöglicht einen ressourcenschonenden Werterhalt.
– Das Schadenspotenzial durch Niederschlagsereignisse in der Stadt Zürich ist hoch. Siedlungsentwässerung und Massnahmen gegen Naturgefahren werden mit unterschiedlichen Ereignishäufigkeiten bemessen. Der GEP muss einen Spagat zwischen 10- und 100-jährlichen Ereignissen vornehmen.
– Die Trennung in konzeptionelle und quantitative Bearbeitung hat sich bewährt. Sie hat es ermöglicht, die Übersicht zu behalten und Termine einzuhalten, Abhängigkeiten frühzeitig zu erkennen und Varianten objektiv zu beurteilen.
– Die Versickerungsmöglichkeiten und der Platzbedarf setzen der Abtrennung von Regenabwasser Grenzen. Die oberflächliche Versickerung von Regenabwasser in Stadträumen setzt hohe Anforderungen an Gestaltung und Multifunktionsfähigkeit. Sie eröffnet aber auch neue, spannende Möglichkeiten im öffentlichen Raum.
– Verschiedene Softwarewerkzeuge ermöglichen es, die Entwicklung zu verfolgen, Auswirkungen aufzuzeigen und bei Bedarf rechtzeitig Korrekturen zu planen.
[1] Kari, F. G.; Lagerström, M.; Loritz, U. (2013): Bachöffnungen in Zürich – 25 Jahre Bachkonzept – Eine Erfolgsgeschichte. Aqua & Gas N° 11. Zürich
[2] Kanton Zürich, Baudirektion, Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft (2017): Hochwasserschutz an Sihl, Zürichsee und Limmat – Gefährdung und Massnahmen im Überblick. Broschüre
[3] Basler & Hofmann (2008): Gefahrenkartierung Hochwasser. Technischer Bericht. Zürich. http://maps.zh.ch/system/docs/awel_wb/Gefahrenkarten/GK_ZUE_TB.pdf
[4] Niedermayr, A.; Schilling, M. (2009): Kostenwirksamkeit von Hochwasserschutzmassnahmen an Zürcher Bächen. Interner Bericht. Hunziker, Zarn & Partner, Aarau
[5] Stadt Zürich, Amt für Städtebau (2014): Teilrevision der Bau- und Zonenordnung der Stadt Zürich – BZO 2014. Erläuterungsbericht nach Art. 47 RPV. Zürich
[6] Verein Schweizer Abwasser- und Gewässerschutzfachleute (2012): Anlagen für die Liegenschaftsentwässerung – Planung und Ausführung. Schweizer Norm SN 592 000:2012. Zürich
[7] Holinger AG (2015): Versickerung in Stadträumen. Arbeitshilfe. Stadt Zürich, Entsorgung + Recycling Zürich
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