Ältere Küstenstädte wie Philadelphia, New York und Boston stehen vor dem Risiko, während Überschwemmungen von unbehandelten Abwässern überschwemmt zu werden. Aufgrund des Designs ihrer kombinierten Kanalsysteme und des steigenden Meeresspiegels könnten diese Städte mit einer wachsenden Gesundheitskrise konfrontiert werden, da der Klimawandel auch zu extremeren Niederschlägen führt, so Forscher der Drexel University, die städtische Entwässerungssysteme untersuchen. Die Gruppe veröffentlichte kürzlich eine Forschung, die das potenzielle Ausmaß des Problems in einem Teil der Küstenstadt Camden, New Jersey, und die Wirksamkeit einer vorgeschlagenen Lösung zum Schutz dieser Gemeinschaften modellierte.

Ein komplexes Problem
Ab 1855 wurden viele amerikanische Küstengemeinden mit kombinierten Kanalsystemen entworfen. In diesen Systemen werden Regenwasser und Abwasser über die gleichen Rohre gesammelt. Anfangs leiteten diese Rohre das Wasser in Bäche und Flüsse; später wurden sie zu Abwasserbehandlungsanlagen umgeleitet. Allerdings können die Rohre nur einen bestimmten Durchfluss transportieren. Während Regenwetterereignissen, um eine Überlastung der Abwasserbehandlungsanlagen zu vermeiden, fließt ein Teil des Durchflusses weiterhin über Funktionen, die als kombinierte Kanalüberläufe (CSO) bekannt sind, in natürliche Gewässer.

Während das Verschmutzungskontrollgesetz und das Gesetz für sauberes Wasser die Gemeinden dazu veranlasst haben, die Infrastruktur zu modernisieren und Schritte zur Reduzierung von CSO zu unternehmen, bringt der Klimawandel eine ganz neue Dimension in diese Herausforderung der Einhaltung von Vorschriften.

Wenn der Wasserspiegel im aufnehmenden Gewässer hoch ist, können CSO-Klappen, die normalerweise verhindern, dass Flusswasser in Kanalisationsrohre zurückfließt, nicht leicht geöffnet werden. Ohne diese Ventile, die vollständig geöffnet sind, kann das während des Regenwetters erzeugte kombinierte Abwasser in das System zurückfließen, sogar auf die Straßen oder in die Keller der Menschen überlaufen.

Da der Klimawandel intensivere Regenfälle und höhere Flusspegel mit sich bringt, verschärft sich das Problem und kann nicht durch konventionelle Ansätze des Regenwassermanagements gemildert werden.

Das Team von Montalto arbeitet eng mit der Camden County Municipal Utilities Authority (CCMUA) zusammen, um potenzielle Lösungen für dieses Problem zu untersuchen.

Auf der Suche nach einer besseren Antwort
In ihrer kürzlich im Journal of Water Management Modeling veröffentlichten Forschung berichtete die Gruppe über die Ergebnisse ihrer detaillierten hydrologischen und hydraulischen Modelle von Überschwemmungen und kombinierten Kanalüberläufen in einem Teil von Camden, der als Cramer Hill bekannt ist. Dieses hochwassergefährdete Gebiet der Stadt liegt sehr nahe an der größten CSO-Stelle an der östlichen Seite des Delaware River.

Nachdem sie ihre Modelle an historische Bedingungen kalibriert hatten, nutzten sie diese, um zu simulieren, wie sich Überschwemmungen und CSO in Zukunft verändern werden, wenn sich das Klima ändert. Die gleichen Modelle werden auch verwendet, um die potenzielle Wirksamkeit verschiedener konzeptioneller Lösungen zu bewerten.

"CCMUA arbeitet seit Jahren daran, Umweltungerechtigkeiten in Camden zu reduzieren", sagte Montalto. "Sie haben daran gearbeitet, Gerüche aus ihrer Abwasserbehandlungsanlage zu reduzieren und die Häufigkeit und Verschmutzung im Zusammenhang mit CSO zu verringern. Es ist aufregend, jetzt mit ihnen zusammenzuarbeiten, um Lösungen zu entwickeln, die auch Überschwemmungen reduzieren und Camdens Nachbarschaften widerstandsfähiger gegen den Klimawandel machen können. Unsere Modellierung wird CCMUA bei der Entwicklung multifunktionaler Infrastruktstrategien unterstützen."

Drexels Modell ist einzigartig, weil es sich um ein "All-Rohr"-Modell handelt, das durch die Zusammenführung vieler verschiedener Geodaten in ein einziges Computermodell erstellt wurde. Dies ermöglicht es dem Team, Regenwasserflüsse durch nahezu jede Oberfläche, jeden Regenwasserfänger und jedes Rohr in der Gegend zu simulieren.

Um die Genauigkeit des Modellierungsprogramms zu überprüfen, verglichen die Forscher das vorhergesagte jährliche Volumen der kombinierten Kanalüberlaufentladungen mit den Aufzeichnungen von CCMUA. Simulierte Überflutungsmuster wurden mit Fotos tatsächlicher Überschwemmungen verglichen, die das Forschungsteam während Stürmen im Sommer 2021 aufgenommen hatte. "Es war wichtig, einen gründlichen Validierungsprozess durchzuführen, da wir uns auf dieses Modell verlassen werden, um zukünftige Klimabedingungen und Infrastrukturbedingungen zu simulieren", sagte Montalto. "Nicht jede Gemeinde erfasst alle erforderlichen Daten, um ein vollständiges Modell zu erstellen, daher ist ein Teil dieser Forschung zu zeigen, dass der von uns entwickelte Ad-hoc-Prozess unser Modell zuverlässig validieren kann, ohne einige der Daten, die sonst erforderlich wären."

Zukünftige Herausforderungen projizieren
Das Team von Montalto nutzte das validierte Modell, um zu simulieren, was passieren würde, wenn die Niederschläge um bis zu 30% zunehmen und der Meeresspiegel um bis zu 1,8 Meter steigen würde. Sie simulierten jede dieser Klimaveränderungen separat und zusammen.

Das Modell sagte voraus, dass erhöhte Niederschläge zu Überlaufentladungen von 21-66% über dem aktuellen jährlichen Entladevolumen führen würden. Und obwohl jedes der Meeresspiegelanstiegsszenarien zu einer Reduzierung der Anzahl der Überläufe und des jährlichen Entladevolumens führte, nahm die Dauer der Überschwemmungen mit jedem zusammengesetzten Faktor zu.

Die Theorie testen
Eine zentrale Strategie, die Camden für die Herausforderungen des Wassermanagements in Cramer Hill in Betracht zieht, besteht darin, Regenwasser aus dem nördlichen Teil seines Kanalisationssystems umzuleiten. Mit dem Modellierungsprogramm von Drexel konnte die Gemeinde diese Idee endlich testen.

Der Vorschlag, der als "Pennsauken disconnection" bezeichnet wird, besteht darin, Regenwasser, das in Pennsauken, New Jersey, das sich direkt nordöstlich von Camden befindet, erzeugt wird, über eine Zwischenpumpstation vom kombinierten Kanalisationssystem von Cramer Hill umzuleiten.

Das Team stellte fest, dass die Umleitung in allen zukünftigen Klimaszenarien helfen würde. Allerdings führten selbst bei der Umleitung die Auswirkungen des Klimawandels und des Meeresspiegelanstiegs weiterhin zu einer Zunahme der Anzahl von Überschwemmungsereignissen und einer erheblichen Zunahme der Überflutungsdauer unter Bedingungen des Meeresspiegelanstiegs.

Einen neuen Kurs setzen
Die Gesamtergebnisse deuten darauf hin, dass erhöhte Niederschlagsereignisse aufgrund des Klimawandels zu mehr kombinierten Kanalüberläufen führen werden. Und der Meeresspiegelanstieg wird es diesen Systemen erschweren, in nahegelegene Gewässer abzulassen. Etwa 40 Millionen Menschen leben derzeit in Gebieten, die von kombinierten Kanalsystemen versorgt werden, daher ist dies ein dringendes Problem, das eine erhebliche Anzahl von Menschen im ganzen Land betreffen könnte.

Die Gruppe von Montalto plant, ihr Cramer Hill-Modell weiter zu verfeinern, während sie Informationen über den Wasserfluss durch das Kanalisationsnetz und Oberflächenüberschwemmungen sammeln. Sie werden auch andere Infrastruktureingriffe zur Regenwasserbewirtschaftung modellieren.

Quelle: Drexel University