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La Chaux-de-Fonds
Kontext
Die Stadt La Chaux-de-Fonds (Kanton Neuenburg) befindet sich auf 1’000 m Höhe in einer Karstlandschaft. Das Einzugsgebiet der Stadt (44 km²) leitet sein Wasser hauptsächlich in ein Gewässer ohne ständige Wasserführung (La Ronde), ein kleiner Teil fliesst in Richtung Le Locle ab. Das Wasser der Stadt versickert diffus in Richtung Doubs, einem besonders empfindlichen Gewässer zwischen Frankreich und der Schweiz.
Bei dem Kanalisationsnetz handelt es sich weitestgehend um ein Mischsystem. Das aktuelle Netz, dessen Kanalisationsleitungen eine Gesamtlänge von rund 135 km aufweisen, enthält über 4’000 Kontrollschächte. Abwasser und Regenwasser der Stadt werden mehrheitlich in Richtung Haupteinleitungsstelle der Stadt geführt, die Combe-des-Moulins, die ihrerseits durch die Combes du Valanvron verlängert wird. Die Combes du Valanvron werden von der La Ronde durchquert, ein Gewässer ohne ständige Wasserführung, das ausschliesslich durch das Wasser aus der Abwasserreinigungsanlage (ARA) gebildet wird, das anschliessend mehr oder weniger schnell im Karstuntergrund verschwindet.
Entlang der Combe-des-Moulins befördert ein rechtwinkliger Kanal aus Beton das Wasser vom östlichen Ende des Siedlungsgebiets bis zur ARA. Zwischen der Ankunft in der Anlage, über den Zuführkanal, und der Einleitung in die La Ronde, kann das Wasser verschiedene Wege nehmen. Dies hängt vom Abfluss ab:
- ≤ 550 l/s: Abfluss Trockenwetter/geringe Niederschläge, d. h. 70 % der jährlich in der ARA eintreffenden Wassermenge. Der gesamte Abfluss wird in der ARA behandelt;
- 550 – 2000 l/s: Das Wasser wird zunächst in einem Regenbecken (RB) mit einem Volumen von 2’000 m³ gespeichert. Nach Ende des Hochwassers wird dieses Wasser abgepumpt und oberhalb der ARA eingeleitet.
- Eintrittsabfluss im RB < 2’000 l/s, dieses ist jedoch bereits voll: Das überschüssige Wasser aus diesem Becken wird mithilfe eines Rechens mit einem Stababstand von 4 mm in die La Ronde eingeleitet. Ist dieser Rechen verstopft, wird das Wasser unbehandelt über einen Bypass in die La Ronde eingeleitet;
- > 2’550 l/s: Das Wasser durchläuft unbehandelt den Umgehungskanal. Dieses Wasser stellt 9 % des jährlichen Volumens dar, das durch den Zufuhrkanal eintrifft.
Bei einer jährlichen Rechenkapazität von 2’550 l/s sind es weiterhin 40 Regenereignisse pro Jahr, die zu Einleitungen ohne Rechenbehandlung führen. Die Folge ist der Eintrag von unästhetischen und gut sichtbaren Grobstoffen im Bett der La Ronde. Ein Projekt zur Verbesserung der Rechenkapazität, für Abflüsse bis zu 8 m³/s, ist in Planung und wird 2022 in Betrieb genommen.
Geographische Lage von La Chaux-de-Fonds, einschliesslich nationaler, kantonaler und kommunaler Grenzen, sowie die wichtigsten betroffenen Gewässer
Die 2004 veränderte ARA reinigt das Wasser von 37’500 Einwohnern. Es wird in die Combe du Valanvron eingeleitet, wo es den Bach La Ronde bildet und anschliessend diffus versickert, um nach einem Verlauf im Freien von 1’000 bis 1’500 Metern im Karstsystem zu verschwinden. Bei starken Niederschlägen läuft das überschüssige Wasser in das Kar, passiert einen 5.7 km unterhalb der ARA gelegenen kleinen See (Lac du Cul des Prés) und mündet über den Étang de Biaufond im Doubs. Die Besonderheit der La Ronde besteht darin, meist trocken zu sein und die Kantone Neuenburg, Bern und Jura zu durchqueren.
Durch die Installation der ARA wurde das System der Einleitungsstellen des hydrogeologischen Einzugsgebiets verändert. Die am weitesten flussabwärts des Doubs gelegenen Quellen nehmen die grössten Abflussmengen auf, zu Lasten der oberhalb gelegenen Quellen. Die wichtigsten Austritte im Bereich des Doubs sind der Austritt der Verrerie mit einem Niederwasserabfluss von 105 l/s und der Austritt der Rasse mit einem Niederwasserabfluss von 45 l/s.
Luftaufnahme eines Entwässerungssystems der Region La Chaux-de-Fonds, begrenzt im Norden durch den Doubs und im Süden durch die Combe du Valanvron, wo die La Ronde verläuft, mit Anzeige der unterirdischen Wasserläufe in Richtung Doubs [1]
Eine integrale Bewirtschaftung für La Chaux-de-Fonds: Weshalb?
Eine erste Version des GEP sah vor, die Belastungen Richtung Doubs zu begrenzen, indem für den Osten der Stadt ein vollständiges Trennsystems und ein neuer Überlauf mithilfe einer Microtunneling-Anlage errichtet werden sollten. Die Kosten dieser Lösung (zwischen 30 und 60 Mio. CHF laut Schätzungen) wurden von der Stadt als unangemessen hoch erachtet.
Ein zweiter Ansatz wurde vorgeschlagen, der darin bestand, das vorhandene Mischsystem zu erhalten (Ausschöpfung der Investitionen früherer Generationen) und folgende Probleme zu lösen:
- Wiederkehrende Überschwemmungen im Stadtkern
- Mögliche Versickerungen, die Vorsichtsmassnahmen bedürfen (Gefahr der Auflösung des Epikarsts)
- Eine einzige Einleitungsstelle für den Grossteil des Wassers des Siedlungsgebiets (Verzicht auf Einleitungen in die bis 2015 genutzten Karstschluchten)
- Äusserst empfindliches Gewässer (Doubs), mit hoher Umweltbelastung. Die Auswirkungen der direkten Einträge der Stadt (ARA und Einleitungen) lassen sich nur schwer abschätzen, da es sich im Wesentlichen um diffuse Einträge nach Versickerung im Karst handelt.
- Zu starke Einleitungen von Grobstoffen in die La Ronde, beliebtes Ausflugsziel
- Strenge Budgetbeschränkungen: Es ist nicht wünschenswert, die Abwasserentsorgungsgebühr stark und/oder dauerhaft zu erhöhen. Sie ist die einzige Finanzierungsquelle des Entwässerungs- und Abwasserreinigungsnetzes.
Der Beschluss, die Mikroverunreinigungen in der ARA zu behandeln, führte zudem zu einer globalen Betrachtung der Wasserbewirtschaftung unter Berücksichtigung des Netzes, der ARA und des Gewässers.
Der Ansatz einer integralen Wasserbewirtschaftung führte zu verschiedenen Lösungen. Zu erwähnen sind insbesondere Lösungen „an der Quelle“, oberhalb des Netzes, für Grundstücke ausserhalb von Gebieten mit geringer Dichte.
- Versickerung, wenn es die Bedingungen erlauben (gesetzliche Anforderung)
- Rückhaltung, insbesondere auf Flachdächern (die berücksichtigte Schneelast entspricht einer möglichen theoretischen Rückhaltung von 30 bis 37 cm Wasserhöhe, je nach Gebäudealter)
- Wiederverwendung von Regenwasser, in unserem Land bisher noch zu wenig entwickelt.
In Bezug auf das Netz wird eine Erhöhung der Rückhaltekapazität des öffentlichen Netzes angestrebt, entweder in überdimensionierten Leitungen oder in grossen Becken. Eine dynamische Bewirtschaftung der Abflüsse ist vorgesehen und soll durch Rückhaltevorrichtungen an bestimmten Netzabschnitten gewährleistet werden.
Ziel dieser Massnahmen oberhalb des Netzes und im Netz ist es, die bei Hochwasser in der ARA ankommenden Abflüsse gleichmässig zu verteilen. Ergänzt werden diese Massnahmen unterhalb des Netzes durch die Verbesserung der Qualität des gereinigten oder in die ARA geleiteten Wassers:
- Behandlung von Mikroverunreinigungen (Inbetriebnahme für 2023 geplant)
- Erhöhung des per Rechen gereinigten Abflusses von 2.5 m³/s auf 8.5 m³/s (Inbetriebnahme 2022)
- Einrichtung eines Schilffilters unterhalb der ARA zur Behandlung des eingeleiteten Mischwassers (Projekt wird derzeit geprüft).
Zudem wurde eine kontinuierliche Überwachung der Einleitungen in die Gewässer eingerichtet.
Schilffilter zur Behandlung des Wassers aus Regenüberläufen (Foto: IRSTEA)
Verwendete Daten
Die Daten des ersten GEP in Verbindung mit dem Leitungskataster der Stadt konnten erhoben und ausgewertet werden. Auch die Daten der ARA liessen sich auswerten. Die tatsächliche Funktionsfähigkeit des RB der ARA (2’000 m³) wurde analysiert, die hydraulischen Bedingungen erschweren die Einschätzung der tatsächlichen Funktionsfähigkeit dieses RB.
Eine grosse Datenmenge, erhoben durch den Kanton oder in Frankreich, steht zum Doubs zur Verfügung. Dies ist auf die Empfindlichkeit dieses Gewässers zurückzuführen.
Die Durchführung von Messungen in den Gewässern erfolgte ober- und unterhalb der Einleitungsstelle. Dabei wurden die Messungen verglichen und die Defizite (Auswirkungen) in Verbindung mit der Einleitung von Mischwasser bei Regen bestimmt. Diese Analysen umfassen zudem ökotoxikologische Tests an Sedimenten.
Die für die verschiedenen Standorte erfolgten Analysen stützen sich hauptsächlich auf das Modul-Stufen-Konzept des Bundesamtes für Umwelt, insbesondere auf die Module Äusserer Aspekt, Kieselalgen, Abfluss (hohe Wasserkraftproduktion) und Makrozoobenthos. Die Zusammenfassung sämtlicher verfügbarer Daten zeigt die folgende Abbildung, entnommen aus dem GEP der Stadt.
Zusammenfassung der verfügbaren, an verschiedenen Stellen der Gewässer der Stadt erhobenen Daten (Auszug aus dem GEP der Stadt)
Verwendete Instrumente
Zu den Instrumenten, die zur Entwicklung einer integralen und dynamischen Wasserbewirtschaftung verwendet wurden, zählen:
Routing System: Echtzeitmodellierung und vorläufige Modellierung des Kanalisationsnetzes: Ermittlung des Hochwasserrisikos, Einleitungsprognose, voraussichtliche Funktionsfähigkeit des Kiesfilters (Behandlung von Mischwassereinleitungen).
REBEKA: Auswirkungen der Einleitungen in den Doubs. Die Berechnung erfolgt im Worst-Case-Modus, wobei als Hypothese eine direkte Einleitung ohne Abschwächung im Karst zu Grunde gelegt wird. Wasser- und Sedimentproben wurden für den Doubs, den Lac du Cul-des-Prés und die ehemaligen Überläufe (Karstschluchten) analysiert, um die modellierten Ergebnisse zu validieren.
ORAGE: Durch mehrere Partner, darunter IRSTEA, im Rahmen des Projekts ADEPTE (Aide au Dimensionnement pour la gestion des Eaux Pluviales par Traitement Extensif, deutsch: Dimensionierungshilfe zum Regenwassermanagement durch extensive Behandlung) entwickelte Software. Diese Software soll als Dimensionierungshilfe für Schilffilter dienen.
Die Instrumente interagieren wie in folgender Abbildung verdeutlicht:
Interaktion zwischen den verschiedenen verwendeten Modellierungsinstrumenten
Routing System prognostiziert die Wassermengen und die Schadstoffbelastungen in Richtung ARA und ermöglicht es, den gereinigten und den eingeleiteten Teil abzuschätzen. Die eventuell im Schilffilter behandelte Wassermenge wird mithilfe der Software Orage geschätzt, die die Vordimensionierung der Anlage ermöglicht. Das Instrument REBEKA wird eingesetzt, um die potenziellen Auswirkungen auf das Gewässer zu analysieren. Diese potentiellen Auswirkungen sind schliesslich für die Dimensionierung der Pflanzenfilter verantwortlich (Pfeil 1). Um eine Überlastung des Filters zu vermeiden und Hochwasser im Stadtkern zu beschränken, sind Rückhaltemassnahmen erforderlich, die durch die Software Routing System (Pfeil 2) analysiert werden.
Das System arbeitet „passiv“. Das Instrument Routing System ermöglicht, mithilfe von Abflussprognosen, eine Optimierung der Funktion und der Steuerung des Pflanzenfilters und liefert dem Betreiber der ARA zudem bis zu drei Tage im Voraus Informationen zu den voraussichtlichen Abflüssen.
Dank dieser Konfiguration lässt sich ein hohes Leistungsniveau in Sachen Verschmutzung (Gesamtleistung Schwebstoffe bei 90 %) erreichen, mit einer Wasserbehandlung von bis zu 6 QTS. Der vorhandene Rechen ermöglicht eine Rückhaltung von 95 % der eingeleiteten Festabfälle.
Abbildung des Netzes der Stadt La Chaux-de-Fonds, laut Webportal des Instruments Routing System
PASST-Analyse
Die PASST-Analyse ergibt im Falle der Stadt La Chaux-de-Fonds einen Wert von 0.57 für das Potenzial der Infrastruktur und einen Wert von 0.14 für das Potenzial des Einzugsgebiets. Das Ergebnis liegt im „roten“ Bereich, das heisst: „Im Einzugsgebiet wird die dynamische Wasserbewirtschaftung nicht empfohlen„.
Dieses Ergebnis steht im Einklang mit den Ergebnissen des GEP und der umgesetzten integralen Lösung:
- Geringes Potenzial einer dynamischen Bewirtschaftung im Einzugsgebiet: Es lassen sich keine bedeutenden Rückhaltestrukturen im Einzugsgebiet errichten, lokale Aktionen im Grundstücksbereich sind zu bevorzugen.
- Geringes Potenzial einer dynamischen Bewirtschaftung bei bestimmten Sammelkanälen der Stadt identifiziert, bei denen Kapazitätsreserven bestehen.
Die gewählte integrale Lösung, d. h. eine Behandlung des eingeleiteten Wassers durch Kiesfilter (Kapazität 1 m³/s) und Rückhaltung der Grobstoffe (Kapazität 10 m³/s), ermöglicht es, ein hohes Mass an Gewässerschutz zu erreichen, ohne auf eine dynamische Bewirtschaftung im Einzugsgebiet der Stadt zurückgreifen zu müssen.
Integraler Ansatz für La Chaux-de-Fonds
Hinsichtlich der integralen Wasserbewirtschaftung wurden im Beispiel La Chaux-de-Fonds mehrere Bereiche auf verschiedenen Ebenen betrachtet. Wie aus nachfolgender Abbildung ersichtlich wird, ist die Bewirtschaftung auf der Ebene Netz-ARA-Gewässer perfekt integriert. Die anderen Bereiche wurden auf verschiedenen Ebenen einbezogen. Die fischereilichen Aspekte spielten eine sehr wichtige Rolle bei der Auswahl des Entwässerungssystems in Zusammenhang mit einer supranationalen Problematik: dem Schutz einer vom Aussterben bedrohten Art im Doubs (Apron du Doubs). Durch den regionalen Naturpark Parc du Doubs stellen auch die Aspekte der Biodiversität einen zentralen Punkt bei den umzusetzenden Lösungen dar. Der Kampf gegen Hochwasser im Stadtkern, wenngleich es sich dabei um eine Problematik handelt, die a priori nur mit der Entwässerung in Zusammenhang steht, ist ebenfalls von zentraler Bedeutung: Es gibt nur eine einzige Einleitungsstelle für Hochwasser.
Abbildung der verschiedenen Bereiche der integralen Wasserbewirtschaftung, die von den verschiedenen Beispielen dieses Standorts betroffen sind: innerer Ring, NAG-Bereich, äusserer Ring: weitere betroffene Bereiche
Folgende Aspekte wurden weitgehend in die Überlegungen einbezogen:
- Wasserkraft: Die Turbinierung des Abwassers wurde stets in die Entwässerungsprojekte einbezogen. Detaillierte Analysen wurden hinsichtlich der verschiedenen in Betracht kommenden Lösungen durchgeführt.
- Raumordnung: Weitgehend in die Überlegungen einbezogen, durch die Definition spezieller Einzugsgebiete zur Begrenzung des Abflusses (Massnahmen im Grundstücksbereich).
- Schutz des Grundwassers: Die Stadt befindet sich teilweise in Grundwasserschutzzonen. Das Karstgebiet kann Verunreinigungen des Grundwassers über grosse Entfernungen verursachen: Es erfolgte beispielsweise eine Analyse, um festzustellen, ob das versickernde Wasser Auswirkungen auf Fassungen im Kanton Bern hat.
Weitere Bereiche sind mässig betroffen:
- Feuchtgebiete: vorhandene geschützte Teiche im Stadtkern
- Freizeit und Erholung: Spaziergänge entlang des Bachs «La Ronde», einbezogen im unteren Teil, Familienspaziergänge.
Weitere Bereiche wurden geringfügig in die Überlegungen einbezogen: Trinkwasser (Analyse der Möglichkeit der Wiederverwendung von Wasser im Gemeindegebiet), Landwirtschaft: detaillierte Bestandsaufnahme für eine Entwässerung ausserhalb des Gebiets. Eine Bilanz der Gesamtmasse der Einträge in den Doubs wurde erstellt, um die verschiedenen Einträge (durch Landwirtschaft, Siedlungen,…) im Bereich des Doubs zu quantifizieren.
Die weiteren Bereiche wurde nur am Rande in die Überlegungen einbezogen.
In diesem Beispiel führen das Vorliegen eines besonders empfindlichen Gewässers, Doubs, und die spezielle Karstlandschaft zur Suche nach natürlich integrierten Lösungen.
Zusammenfassung
Angesichts erheblicher finanzieller Zwänge behilft sich die Stadt La Chaux-de-Fonds mit einer integralen Betrachtung der Wasserbewirtschaftung und setzt eine Lösung mit einem besonders interessanten Kosten-Nutzen-Verhältnis um.
Die Karstlandschaft stellt die Siedlungswasserwirtschaft bei Regen vor zahlreiche Probleme. Die Filterkapazität für das abfliessende Wasser ist begrenzt, der Boden spielt nur eine geringe Rolle bei der Reinigung des Abflusses. Die im Rahmen des GEP vorgeschlagenen Lösungen zur Rückhaltung auf den jeweiligen Grundstücken werden es ermöglichen, die Hochwasser zu beschränken, ohne dass weitere, grössere Eingriffe im bestehenden Netz erfolgen müssen.
Die durchgeführte Analyse zu den verschiedenen Einleitungen war unerlässlich, um den Umfang der erforderlichen Emissionsreduzierung besser beurteilen zu können. Die im Bereich des Lac du Cul-des-Prés festgestellten Auswirkungen sind unbestreitbar.
Der Doubs markiert die Grenze zu Frankreich: Eine internationale Kooperation ist daher zwingend erforderlich. Es ist schwierig, den Grad der Verantwortung der Stadt La Chaux-de-Fonds in der aktuellen Situation zu bestimmen. Dennoch bieten die vorgeschlagenen integralen Lösungen ein sehr hohes Mass an Gewässerschutz.
Weitere Kontaminationsquellen auf kommunalem Gebiet, insbesondere das Vorhandensein kontaminierter Stellen interagieren mit dem Entwässerungsnetz. Diese Elemente sind a priori nicht Teil des GEP, können sich jedoch punktuell auf die ARA (Hemmung der Nitrifikation) oder das Gewässer auswirken. Diese Verschmutzungsquellen sind noch nicht ausreichend in die globale Betrachtung der Wasserbewirtschaftung integriert, wenngleich Lösungen diskutiert werden.
Der Druck aus Fischerei- und Umweltkreisen ist in diesem Fall sehr wichtig. Mithilfe der erarbeiteten pragmatischen Lösungen sollte es gelingen, die Lage zwischen den verschiedenen Akteuren zu entspannen.
Die Messstellen in der natürlichen Umwelt und insbesondere im Doubs stehen in keinem direkten Zusammenhang mit den Einleitungsstellen des Entwässerungssystems. Die Analyse des Sedimentbereichs, der oft durch Abwassereinleitungen beeinträchtigt wird, war unvollständig. Die in dieser Studie durchgeführten Analysen ermöglichten es, bessere Kenntnisse zu dieser Komponente zu erhalten und sollten nach Umsetzung der GEP-Massnahmen wiederholt werden.
Durch die verwendeten Modellierungsinstrumente gelang eine globale Betrachtung des Systems, seiner Auswirkung auf das Gewässer und des Einsatzes technischer Lösungen zur Begrenzung dieser Auswirkungen. Eine dynamische Bewirtschaftung des Netzes scheint (bis ggf. auf lokale Ausnahmen) nicht angemessen zu sein, das Instrument PASST liefert Ergebnisse, die im Einklang mit den in diesem Beispiel gewählten Lösungen stehen. Das verwendete Prognosemodell wird für die Steuerung des Schilffilters und für die Einschätzung der Funktion der ARA bei Regen sehr hilfreich sein.
Ein Konzept zur Gewässerkontrolle ist geplant. Dies wird in jedem Fall in Zusammenhang mit der Umsetzung der Behandlung von Mikroverunreinigungen in der ARA erfolgen. Der Kiesfilter für die Behandlung des eingeleiteten Wassers, eine Premiere in der Schweiz, wird ebenfalls hinsichtlich seiner Reinigungskapazität und seines operativen Betriebs besonders überwacht werden.
Die integrale Wasserbewirtschaftung im Falle von La Chaux-de-Fonds lässt sich als ökonomischer, origineller und effizienter Ansatz zusammenfassen.
Referenz:
[1] Montandon, Paul-Etienne, Muriel Anderegg und Sylvie Daval. 2006. „Evacuation des eaux épurées. A l’exemple d’un système karstique“. Gas Wasser Abwasser 11: 895‑901