Modellierung mit COMLEAM –

Auswaschung und Regenwasserbelastung

Mirko Rohr

Ostschweizer Fachhochschule (OST)

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• Ziele der Modellierung

• Software COMLEAM

• Validierung des Modells

• Simulationen– Extrapolation auf Gesamtgebiete– Szenarien

• Fazit

Inhalte

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• Abstraktion von Messdaten – Extrapolation von Feld- und/oder Labordaten auf neue Standortbedingungen (Wetter, Gewässer, …)– Abschätzung der Umweltexposition und Vergleich mit Umweltqualitätszielen (Risikoabschätzung)– Ermittlung und Berücksichtigung sensitiver Parameter (Sensitivitätsanalyse)

• Datenlücken schließen– Vervollständigung von experimentellen Wasser- und Stoffflüssen (Gesamtfracht, …)– Abbildung von Punktmessungen in Verlaufsdaten (z.B. Fassade, Dach, Regenablauf)

• Ermittlung der Wirksamkeit von Maßnahmen – In Szenarien die Einflussstärke spezifischer Randbedingungen abschätzen (Gewässergröße, Wirkstoffe, …)

• Ziel der Umweltmodellierung ist nicht …– Physikalische Prozesse in Materialien exakt abzubilden und vorherzusagen– Reale Stoffflüsse in Umweltkompartimenten exakt widerzuspiegeln

Ziele der Umweltmodellierung

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• COMLEAM – COnstruction Material LEaching Model – Wasser- und Stoffflüsse von beregneten Bauteilen, Gebäuden,

Siedlungen sowie des Direkteintrags ins Gewässer bilanzieren• Über die Nutzungsphase (z.B. 15 Jahre)• Zur Klassierung von Produkten (z.B. Dachbahnen, Putze)

– Abfluss auf vertikalen Oberflächen als Schlagregen– Software-Entwicklung (Java), gratis verfügbar: www.comleam.com

• Benutzerfreundliche, erweiterbare Plattform – Stoffe, Materialien, Geometrien, Abflussbeiwerte definierbar– Wasserflüsse standortspezifisch (Niederschlag, Wind)– Automatische Parametrisierung von Emissionsfunktionen– In zahlreichen Projekten und Studienarbeiten eingesetzt

Software COMLEAM - Einführung

Zugang via Homepage

Systemgrenzen COMLEAM

http://www.comleam.com/

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• Festlegungen (Input-Grössen)– Gebäude

• Anzahl, Größe und Ausrichtung• Materialien mit Ablaufbeiwerten

– Wetterdaten von beliebigen Messstationen– Auswaschdaten aus Labor-/Feldversuchen– Stoffspezifische Ökotoxizität/Anforderungswerte

• Akut und chronisch– Größe des Oberflächengewässers

• Outputs (Auswahl)– Wasserfluss, Emission und Konzentration

• am Bauteil, Gebäude und im Gewässer– Auswaschdynamik auf stündlicher Basis– Beurteilung von Anzahl und Dauer der Überschreitungen von

Qualitätszielen – Automatische Erstellung der Resultate in PDF-Bericht

Software COMLEAM - Einführung

Konzentration im Gewässer, Beispiel

Bitumenbahn

Gebäude (sog. OECD-Haus)

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• Gebiete A und B im Modell abgebildet– Dach- und Fassadenmaterialien

• Ausrichtung, Größe, Flächenanteile• Fenster, Balkone, etc.

– An Regenkanal angeschlossene Flächen

• Wetterdaten in stündlicher Auflösung– Niederschlag, Windrichtung, -geschwindigkeit– Windmessungen 1 und 7 km von Gebieten entfernt

• Emissionsdaten aus Laborversuchen– Verwendete Produkte im Labor untersucht– Parametrisierung von Emissionsfunktionen durch

Modell (nicht-lineare Regression)

Software COMLEAM – Eingabedaten aus Labor- und Feldversuchen

Flächenanteile Gebiet A und B

A B

Windverteilung Gebiet A und B

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• Wasser- und Stofffrachten über den Zeitraum der Feldversuche– Vergleich analysierte Ereignisse mit Vorhersage durch COMLEAM– Ziel: Vorhersagegüte des Modells abschätzen

• Strategie der Modellierung: Vergleich gemessen vs. vorhergesagt – Fassaden

• Abfluss (Rinnen) an N- ,O- ,S- ,W-Fassaden• Emission an W-Fassade (Biozide)

– Regenkanal (daran angeschlossene Flächen)• Abflussbilanz• Emissionsbilanz Fassaden• Emissionsbilanz Dachbahnen (nicht gezeigt)

Validierung des Modellkonzepts – Vergleich Modellierung vs. Feldmessung

Flächen oberhalb der Rinnen

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• Fassadenabfluss: gemessen vs. simuliert– Hohe Übereinstimmung für beide Gebiete– Deutliche Abweichungen wegen Winddaten möglich– Kleiner / großer Fassadenablauf: höhere Abweichungen

• Emission an W-Fassade: gemessen vs. simuliert– Vorhergesagte Emission tendenziell höher als

gemessene • Simuliert vs. gemessen = 1.5

– Abweichungen durch Winddaten

• Fazit: Lokale Winddaten verbessern Vorhersage

Validierung des Modells – Fassaden

0

0,5

1

1,5

2

Ab

flu

ss [

L/m

2]

Gebiet A, alle Fassaden SimuliertGemessen

0

0,5

1

1,5

Spez

. Fra

cht

[mg/

m2

]

Gebiet A, Diuron aus Putz SimuliertGemessen

Fassadenabfluss

Emission Westfassade

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• Abflussbilanz (beide Gebiete)– Anteil Fassadenabfluss < 1 %, Dach und Plätze > 90 %,

• Vergleichbar mit Feldmessungen– Hohe Übereinstimmung zwischen Vorhersage und Feld

• Starkregenereignisse bedingen große Abweichung

• Emissionsbilanz Fassaden – Hohe Übereinstimmungen bei Frachtabschätzung– Gebiet A: Diffuses Versickern beeinflusst

möglicherweise Stofftransport in Regenkanal– Gebiet B: Direktere Entwässerungswege des

Fassadenabflusses in den Regenkanal verbessern Vorhersage

• Fazit: Hohe Vorhersagegüte für Gebietsmodellierung (Konzentration, Fracht)

Validierung des Modells – Regenkanal

0

20000

40000

60000

80000

100000

Ab

lau

f [L

]

Gebiet B Simuliert Gemessen

0

50

100

150

200

Emis

sio

n [

mg]

Gebiet B, Terbutryn Simuliert Gemessen

Abfluss von angeschlossenen Flächen in Regenkanal

Emission von angeschlossenen Fassaden in Regenkanal

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• Emission für Gesamtgebiet – alle Flächen betrachtet, nicht angeschlossene– Bilanzierung der Direkteinleitung, Versickerung und des

Stoffrückhalts im Gebiet

• Resultate Gebiet A – Fassaden: 1 % Direkteinleitung, 99 % Stoffrückhalt– Dach: 56 % Direkteinleitung, 44 % Versickerung

• Resultate Gebiet B – Fassaden: 34 % Direkteinleitung, 66 % Stoffrückhalt– Dach: 100 % Direkteinleitung

• Aufteilung Emissionen von Dach und Fassade – ist für alle Substanzen ähnlich anzunehmen

• Fazit: Maßnahmen bei der Versickerung wichtig– Anteil Direkteinleitung trotzdem gewässerrelevant– Abschätzung Versickerung mit Bodenmodell (z.B. PELMO,

PEARL, …) möglich

Simulationen – Extrapolation auf Gesamte Überbauungen

Diuron aus Putz

Terbutryn aus Farbe

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• Szenario: Übertragung der Umgebungssituation auf andere (fiktive) Bedingungen

– Anpassung der Eingangsdaten (Wetter, Gewässer etc.)– Ziel: Relevanz von Randbedingungen der Modellierung auf Risiko

• Gebiet A mit allen Gebäuden und Flächen simuliert– Material: Putz mit Diuron– 1 Jahr Simulationsdauer

• Veränderte Parameter– Standort (Wetter): Niederschlags- und Schlagregenverteilung

• Drei Standorte (Berlin, Hamburg, München)– Gewässergröße: Einfluss von Verdünnung auf Überschreitungen

des Anforderungswerts• Zwei Gewässergrößen (klein, mittel)

Simulationen – Szenarien

Kleines Gewässer, Beispiel

Mittleres Gewässer, Beispiel

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• Szenario– Standorte: Berlin, Hamburg und München (1 Jahr)– Fassadenorientierung: W, S, N, O

• Resultate– Standortunterschiede beim Schlagregen gering– Fassadenorientierung bestimmt Stoffemission

• Westfassade 40 - 50 % der Gesamtfracht• Südfassade 30 – 40 % der Gesamtfracht

• Fazit: Massnahmen an Fassade in Hauptwindrichtung besonders wirksam (Schutz, Wirkstoffausrüstung)

Simulationen – Szenarien: Schlagregen am Standort

Fassade Berlin

[%]

Hamburg

[%]

München

[%]

N 19 13 18

O 10 12 6

S 31 37 29

W 40 38 47

Windverteilung

Berlin Hamburg München

Expositionsabhängige Emission

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• Szenario– Standorte: Berlin, Hamburg und München (1 Jahr)– Gewässergröße: Klein (0,05 m3/s) und mittel (0,5 m3/s)– 100 % Direkteinleitung – Risiko Diuron: Abgleich mit Umweltqualitätsnorm (UQN)

• Zulässige Höchstkonzentration (ZHK) = 1,8 μg/L• Jahresdurchschnitt (JD) = 0,2 μg/L

• Resultate– Kleinere Gewässer stärker belastet als größere = viele UQN

Überschreitungen (höhere und mehr Konzentrationsspitzen)• Kleine Gewässer bereits durch geringen Abfluss belastet• Mittlere Gewässer mehr Verdünnungswirkung

– Hohe Konzentrationen durch 100 % Einleitung (worst case für Gewässer)

• Fazit: Kritische Belastungen vor allem in kleinen Gewässern vermeiden (Emission minimieren, Behandlung)

Simulationen – Szenarien: Gewässergröße

Kleines Gewässer, Diuron

Mittleres Gewässer, Diuron

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• Abfluss und Emission– Vertikale Oberflächen (Fassaden)

• Geringe Wassermengen, hohe Konzentrationen • Höchste Emissionen an West- und Südseite (75 %)

– Horizontale Flächen (Dächer, Plätze)• Hohe Wassermengen, geringere Konzentrationen

– Relevante Parameter für Stoffemissionen und Umweltrisiko• Standort hat geringen Einfluss• Kleine, urban geprägte Gewässer zeigen kritische Peak-Belastungen

• Modellierung mit COMLEAM– Ergänzt Erkenntnisse von aufwändigen und zeitlich begrenzten Feldversuchen – Durch stündliche Auflösung der Abflüsse können Peak-Belastungen besser vorausgesagt werden– Macht Laborresultate nutzbar zur Emissionsvorhersage

• Geeignet für Produktklassierung (Deklarierung Auswaschung) -> Vorgehen in CH1

– Szenarien lassen sich für Risikoabschätzungen und Maßnahmenplanung verwenden• Planer kann Gewässerbelastung vor Durchführung des Vorhabens abschätzen und minimieren

Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

1 Klingler, Savi, Burkhardt, Rohr, Tietje: Entwicklung einer emissionsbasierten Bauproduktebewertung, Schweizer Bundesamt für Umwelt (BAFU), Amt für Hochbauten Zürich (AHB), 2020

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Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

Berichte und Literatur zur Modellierung mit COMLEAM