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The urban soil-atmosphere is typically paved with varying materials. This alteration has drastic effects on the urban hydrological balance. With a focus on stormwater management, most existing models treat all types of pavements identically when estimating runoff and neglect losses caused by evaporation and infiltration processes. A literature review reveals that very few studies have been published that measured all components of the hydrological balance and water transport processes of pavements. Combining these studies with other research focused on individual processes showed that pavements have varying impacts. Within this project, two common pavement types were studied: cobblestones and concrete slabs. A combination of high-resolution weighable lysimeters and sensors measuring soil water content and temperature was used to gain new insights into their hydrological balance, as well as water and heat transport processes. Annually, cobblestones evaporated 25 % and rarely produced runoff (3 %). Concrete slabs tended to produce more runoff (16 %) and less evaporation (22 %). Both surfaces led to similar infiltration (62 %). Upward water transport from underlying soil layers led to evaporation processes during dry periods. This effect contributed 47 % of evaporation for cobblestones and 13 % for concrete slabs. Both surfaces led to higher soil temperatures compared to natural surface covers, with concrete slabs tending to slightly higher temperatures. Estimating evaporation from paved surfaces may be accomplished by reducing the common grass-reference evapotranspiration. For annual estimations, the pre-existing TUBGR model yielded good results.
Pavements are more than a runoff generator. The urban soil-atmosphere interface is an active system with varying impacts on the urban hydrological balance. Understanding and utilising these differences has the potential to improve the design of urban areas.
Die urbane Grenzfläche zwischen Boden und Atmosphäre ist meist mit verschiedenen Materialien versiegelt. Diese Veränderung beeinflusst den urbanen Wasserhaushalt in hohem Maße. Mit einem Fokus auf starke Niederschläge und Überflutung gehen die meisten existierenden Modelle davon aus, dass sich alle Arten von Pfasterung gleich verhalten und Verdunstung und Versickerung vernachlässigt werden können. Eine Analyse der Literatur ergibt dass bisher nur wenige Studien publiziert sind in denen alle Komponenten des urbanen Wasserhaushaltes gemessen wurden. Die vorhandenen Studien zeigen auf, dass verschiedene Arten von Versiegelung abweichende Auswirkungen haben. Innerhalb des Projektes wurden zwei Pflasterungen näher untersucht: Bernburger Mosaik und Betonplatten. Dazu wurden hochauflösende wägbare Lysimeter mit zusätzlichen Sensoren ausgestattet, um Wassergehalt und Temperatur des Bodens zu messen. Mit dieser Kombination von Methoden wurde angestrebt, neue Erkenntnisse zum urbanen Wasserhaushalt und zu relevanten Wasser- und Wärmetransportprozesse zu gewinnen. Bernburger Mosaik bildete nur selten Oberfächenabfluss (3 %) und 25 % verdunsteten jährlich. Betonplatten bildeten weniger Verdunstung (22 %) und führten häufiger zu Oberflächenabfuss (22 %). Bei beiden Oberflächen versickerten rund 62 %. An der Verdunstung war aufwärts gerichteter Wassertransport von Bodenschichten an trockenen Tagen maßgeblich beteiligt. Bei Bernburger Mosaik wurden 47 % der gesamten Verdunstung an Tagen ohne Niederschlag verzeichnet, bei Betonplatten waren es 13 %. Im Vergleich zu natürlichen Oberflächen führte Versiegelung zu höheren Bodentemperaturen, wobei Betonplatten zu leicht höheren Temperaturen neigten. Für die Abschätzung von Verdunstung versiegelter Flächen kann eine verringerte Gras-Referenzverdunstung genutzt werden. Dabei lieferte das bereits vorhandene TUBGR Modell gute Ergebnisse für jährliche Werte.
Gehweg- und Straßenpflaster sind mehr als Erzeuger von Oberfächenabfluss. Die urbane Grenzfläche von Boden und Atmosphäre ist ein aktives System mit unterschiedlichen Auswirkungen auf den urbanen Wasserhaushalt. Ein verbessertes Verständnis dieser Auswirkungen und dessen Anwendung hat Potenzial urbane Räume besser zu gestalten.
