Aufbereitetes Wasser gegen Brände im Wald-Siedlungs-Grenzbereich: das Projekt UIA-GUARDIAN in Riba-roja de Túria und Paterna

Javier Anguiano Aranzubia

Hidraqua

Jose Morales

Stadtverwaltung Riba-roja de Túria (Ayuntamiento de Riba-roja de Túria)

Ferrán Dalmau Rovira

Medi XXI

Lydia Puchol Rodríguez

Medi XXI

Francesc Hernández Sancho

Universidad de Valencia

Carlos Echevarria Diez-Canedo

Cetaqua

ZUSAMMENFASSUNG

Waldbrände im sogenannten Wald-Siedlungs-Grenzbereich (Wildland Urban Interface, WUI) sind zu einem wachsenden Risiko für diese Gebiete geworden, wie jüngst unter anderem die Ereignisse mit zahlreichen Todesopfern 2018 in Griechenland und Kalifornien oder 2017 in Portugal und Spanien (Galicien) gezeigt haben.

Die innovativen Technologien und Strategien, die in den letzten Jahren erfolgreich angewandt wurden und darauf beruhen, die Verfügbarkeit von strukturellem Wasser in grünen Brandschneisen zu erhöhen und Bewässerung zur Brandverhütung und -unterdrückung einzusetzen, stoßen auf das Problem der Verfügbarkeit der benötigten Wasserressourcen. Dieses Hindernis wiegt besonders schwer in Gebieten, in denen der mit dem Klimawandel verbundene Wasserstress zugleich das Brandrisiko erhöht.

Das Projekt GUARDIAN, das in den valencianischen Gemeinden Riba-roja und Paterna durchgeführt und von der Europäischen Union über das Programm Urban Innovative Actions gefördert wird, will diese Herausforderung lösen, indem es aufbereitetes Wasser in die Umsetzung der genannten Lösungen integriert. Darüber hinaus wird das Projekt GUARDIAN fortschrittliche Behandlungsverfahren einsetzen, mit denen sich zu diesem Zweck auch Wasserströme nutzen lassen, die mit Schadstoffen aus dem Pestizideinsatz in der Landwirtschaft belastet sind – unter Einhaltung von Effizienz- und Nachhaltigkeitskriterien.

1. HINTERGRUND

Das Jahr 2018 hat uns auf traurige Weise daran erinnert, welche Zerstörungskraft Waldbrände entwickeln können, wenn sie bewohnte Gebiete erreichen. In Griechenland (Region Attika) wurde ein nach Ausdehnung und Dauer relativ begrenzter Brand im Juli 2018 zum tödlichsten, der das Land seit 2007 getroffen hat. Mit 76 Toten, 187 Verletzten (164 Erwachsene und 23 Kinder) und mehr als 700 evakuierten Personen begann die Katastrophe mit mehreren Feuern in einem Waldgebiet 50 Kilometer südwestlich von Athen.

Im Herbst desselben Jahres galten die Waldbrände in Kalifornien (Vereinigte Staaten) als die zerstörerischsten, die in diesem Bundesstaat je verzeichnet wurden. Im Jahr 2018 verbrannten insgesamt 7.579 Brände eine Fläche von 6.749,57 km² – nach Angaben des California Department of Forestry and Fire Protection und des National Interagency Fire Center (Stand 11. November) die größte in einer kalifornischen Brandsaison je verzeichnete verbrannte Fläche. Die Brände verursachten Schäden von mehr als 3,5 Milliarden US-Dollar (USD 2018). Die noch nicht endgültige Zahl der Todesopfer lag bei 94, während 1.011 Menschen als vermisst gemeldet wurden. Bei einem einzigen Brand (Camp Fire, November 2018) stieg die Zahl der Toten auf 86.

1.1. Auswirkungen von Waldbränden auf besiedelte Gebiete

Siedlungsgebiete in Europa, die an Waldflächen grenzen oder in deren Nähe liegen – im sogenannten Wald-Siedlungs-Grenzbereich (WUI, nach der englischen Abkürzung) –, sind zunehmend häufigeren und intensiveren Waldbränden ausgesetzt, die Bevölkerung, Infrastrukturen, Eigentum, Dienstleistungen und Unternehmen betreffen.

WUI ist ein einfacher, aber eindeutiger Begriff für eine komplexe Realität, insbesondere in Szenarien, in denen Flammen, Rauch und Feuerfronten eines herannahenden Waldbrandes die Menschen einholen, wann und wo auch immer sie sich befinden. Zu den Merkmalen, die diese Gebiete besonders gefährlich machen, gehören:

• Hohe Wahrscheinlichkeit von Waldbränden, die den Grenzbereich von außen erreichen, aber auch innerhalb des WUI selbst entstehen können (unbeabsichtigte, vom Menschen verursachte Zündungen durch Grillfeuer, das Verbrennen von Pflanzenresten usw.).
• Entstehung giftiger Rauchgase.
• Schwierige Zugänglichkeit des Gebiets und der einzelnen Häuser.
• Mögliche Mehrfach-Notfallszenarien und Dominoeffekte (Gasexplosionen, giftige Gase, Vergiftungen von Menschen und Einsatzkräften, Verkehrsunfälle bei gleichzeitiger Evakuierung der Bewohner und Anfahrt der Feuerwehr).
• Anwesenheit hilfsbedürftiger Bewohner und von Touristen ohne Kenntnisse und Vorbereitung auf ein Waldbrandereignis (dies sollte im örtlichen Notfallplan berücksichtigt werden).
• Überforderte Brandbekämpfungskräfte, die sehr oft nicht alle von der Feuerfront erreichten Häuser gleichzeitig verteidigen können; die mögliche Überlastung der Löschkräfte kann eine vorab festgelegte Priorisierung nach der tatsächlichen Verteidigungsfähigkeit jedes Wohnhauses erfordern, die im örtlichen Notfallplan festgehalten werden sollte.
• Schutz vor Ort oder Evakuierung der Bevölkerung sind unterschiedliche Optionen, die im Voraus vorbereitet und der Feuerwehr bekannt sein müssen.
• Wahrscheinliche Unmöglichkeit, Techniken der Feuernutzung gegen Waldbrände anzuwenden (Gegenfeuer, kontrolliertes und taktisches Feuer).
• Einschränkungen bei der Größe der Löschfahrzeuge und beim Einsatz großer Löschflugzeuge.
• Schwierigkeiten bei der Koordinierung der Einsatztrupps, die oft verschiedenen Institutionen angehören (Forstdienst, Feuerwehr, freiwillige Helfer des Katastrophenschutzes usw.), auch weil weder die reinen Taktiken der Gebäudebrandbekämpfung noch die reinen Taktiken der Vegetationsbrandbekämpfung unmittelbar angewandt werden können (WUI-Einsätze erfordern eine spezielle Ausbildung).

Untersuchungen von Brandereignissen zeigen, dass besiedelte Gebiete nicht nur in der Zone des direkten Flammenkontakts betroffen sind, sondern auch in einer größeren Einflusszone, in der Rauch und Flugfeuer reichlich und aktiv auftreten.

1.2. Der Parc Natural del Túria in den Gemeinden Riba-roja und Paterna

Die Siedlungsgebiete von Riba-roja und Paterna grenzen gemeinsam an das geschützte Naturgebiet „La Vallesa“, das Teil des Naturparks „Parc Natural del Túria“ ist und inmitten eines stark verstädterten Umfelds liegt. Der Wald-Siedlungs-Grenzbereich zwischen diesem Park und den genannten Städten ist dem wachsenden Risiko von Waldbränden ausgesetzt, das durch die Folgen des Klimawandels verstärkt wird. Diese Gefahr wird durch den hohen Grad menschlicher Überprägung (Einbindung in das Stadtgebiet) und eine gewisse Degradation (Aufgabe der Landwirtschaft, unzureichende Waldbewirtschaftung) noch gesteigert. Im Zeitraum 2000–2016 wurde Riba-roja von 40 Waldbränden heimgesucht, Paterna verzeichnete 19. Diese Brände sind in den letzten Jahren immer häufiger geworden und aufgrund der raschen städtebaulichen Entwicklung potenziell zerstörerischer.

Zu berücksichtigen ist, dass sich die möglichen Auswirkungen von Bränden auf die angrenzenden Siedlungsgebiete von Riba-roja und Paterna nicht auf direkte Schäden (Verlust von Menschenleben und Sachschäden) beschränken, sondern sich auf Versorgungsinfrastrukturen (z. B. bestehende Stromleitungen), die Luftqualität und die Bodenerosion erstrecken und sich insgesamt negativ auf die lokale Wirtschaft (z. B. den Tourismus) auswirken.

Als zusätzliche Herausforderung wird der Klimawandel auch die Verfügbarkeit der Wasserressourcen beeinträchtigen, die zur Minderung der Brandrisiken benötigt werden könnten; die Prognosen für den Mittelmeerraum zeigen einen Rückgang der jährlichen Niederschläge bei gleichzeitig steigendem Wasserbedarf der Landwirtschaft. Verschärft wird diese Situation durch den wachsenden Wasserbedarf einer der am dichtesten besiedelten Regionen Spaniens.

In der Gemeinde Riba-roja erweitern 12 Wohnsiedlungen und mehrere Streusiedlungen das Stadtgebiet. Die Stadt Paterna weist mit 6 verschiedenen Siedlungskernen eine ähnliche Verteilung auf. Die Ausdehnung beider Städte in die umliegenden Gebiete innerhalb des heutigen Parc Natural del Túria war während des 20. Jahrhunderts eine Konstante der Stadtentwicklung und ließ Wohngebiete entstehen, die in die bestehenden Wälder eingebettet sind. Der gleichzeitige Rückgang der Landwirtschaft in diesem Gebiet hat zu seiner heutigen Gestalt beigetragen.

In der näheren Umgebung der Stadt Valencia breitet sich eine wachsende Ansammlung kleinerer Städte und Wohnsiedlungen aus und durchmischt sich mit Waldflächen sowie mit Mischflächen aus Wald und Buschland. Diese Reibungszone schafft eine potenzielle Exposition von Häusern, Menschen und Eigentum gegenüber der Entstehung, Festigung und Ausbreitung von Waldbränden mit enormen unerwünschten Folgen, wie sie bei tatsächlichen Bränden in der Nähe der Hauptstadt wiederholt beobachtet wurden. Heute sind diese Gemeinden von der Situation überfordert: Ihre Bevölkerung vervielfacht sich im Sommer, genau in der Hauptbrandsaison, und ist umgeben von immer weniger bewirtschafteten Wäldern, zahlreichen aufgegebenen landwirtschaftlichen Flächen und einer prekären Wasserverfügbarkeit. Den Selbstschutz zu organisieren ist für Gemeinden mit begrenzten Möglichkeiten beim Ausbau der Infrastruktur und beim Zugang zu Wasser für Präventions- und Schutzzwecke eine große Herausforderung. Obwohl es eine – wenn auch recht unzureichende – geltende Regelung zur Brandverhütung gibt, sind sich nur einige der Gemeinschaften in diesen Gebieten der Gefahren und der Notwendigkeit des Selbstschutzes bewusst.

1.3. Die Herausforderungen des Klimawandels

1.3.1. Klimawandel und Brandrisiko

Neue Faktoren fügen sich langsam, aber stetig zu schwierigen Szenarien zusammen: längere Brandsaisons, tiefere und länger anhaltende Dürreperioden und ein extremeres Wetter mit Stürmen und starken Winden. Dies stellt Feuerwehren und andere Schutzkräfte vor große Herausforderungen und bringt sie häufig an ihre Grenzen. Es scheint klar, dass wir vor neuen Herausforderungen stehen, vor Brandereignissen neuer Dimension, und dass dies offenbar erst der Anfang ist. Was wir in den letzten Jahren in den Vereinigten Staaten und Kanada erlebt haben, scheint sich nach und nach und stetig auch in Europa abzuspielen. Portugal, Spanien, Frankreich, Kroatien, Italien und Griechenland wurden von zahlreichen Bränden heimgesucht, von denen sich einige zu Großbränden entwickelten, die Ortschaften und Infrastrukturen bedrohten, darunter mehrere touristische Einrichtungen.

Die Europäische Partnerschaft für Klimaanpassung betrachtet den sogenannten Brand im Wald-Siedlungs-Grenzbereich als eine der Hauptauswirkungen auf die städtischen Gebiete ihrer Mitglieder (Städteagenda der EU zur Klimaanpassung, 8. Treffen der Community of Users on Secure, Safe and Resilient Societies). Laut IPCC (Klimawandel 2014: Folgen, Anpassung und Verwundbarkeit, S. 19) weist die Zunahme der Waldbrandgefahr in künftigen Klimawandelszenarien das höchste Vertrauensniveau auf. Die Europäische Umweltagentur hat erklärt: „In einem wärmeren Klima werden für ganz Europa schwerere Brandwetterbedingungen und infolgedessen eine Ausweitung der brandgefährdeten Zone sowie längere Brandsaisons prognostiziert. Die Auswirkungen von Brandereignissen sind in Südeuropa besonders stark“ (European Environment Agency, Key Messages for Forest Fires Indicator Assessment)

1.3.2. Klimawandel und Wasserressourcen

Verschiedene Strategien zur Brandverhütung oder -minderung beruhen, wie wir später näher erläutern werden, auf präventiver Bewässerung oder Unterdrückungsbewässerung. Dieser Ansatz stößt jedoch auf ein erhebliches Hindernis: die Verfügbarkeit von Wasserressourcen.

Wasserknappheit – also ein Ungleichgewicht zwischen verfügbarem Wasser und bestehendem Bedarf – betrifft derzeit viele europäische Länder. Mindestens 11 % der Bevölkerung und 17 % des Gebiets Europas sind von Wasserknappheit betroffen (Europäische Kommission, 2010. Agriculture in the EU, Statistical and Economic Information 2009, Generaldirektion Landwirtschaft und ländliche Entwicklung). Die Zahl der Menschen, die in von Wasserknappheit geprägten Flusseinzugsgebieten leben, wird zunehmen, insbesondere auf der Iberischen Halbinsel, in Italien und in relativ großen Teilen Mitteleuropas (Europäische Umweltagentur EUA 2010. Die Umwelt in Europa: Zustand und Ausblick 2010, Kopenhagen, Dänemark: Anpassung an den Klimawandel).

Das CEPS-Arbeitspapier „Future Impacts of Climate Change across Europe“ (Nr. 324 / Februar 2010) stellt fest, dass der Mittelmeerraum stärker als jede andere Region Europas mit Problemen der Wasserknappheit konfrontiert sein wird. Der Klimawandel kann zu einem geschätzten Rückgang der Wasserverfügbarkeit führen, der im Mittelmeerraum und in Südeuropa am stärksten ausfallen wird (Europäische Kommission, 2009a; MICE, 2005). Die Wasserverfügbarkeit kann in einem +2 °C-Szenario um 20–30 % und in einem +4 °C-Szenario um 40–50 % abnehmen. Die sommerlichen Abflüsse können um bis zu 80 % zurückgehen, und der mittlere jährliche Abfluss wird in Mittel- und Osteuropa sowie im Mittelmeerraum bis in die 2020er-Jahre um 0–23 % und bis in die 2070er-Jahre um 6–36 % abnehmen (IPCC, 2007b). Diese Prognose deckt sich mit jener der Europäischen Umweltagentur; insbesondere für ein Szenario mit hohen Emissionen (RCP8.5) projizieren die Modelle (Ensemble-Mittel) von 1971–2000 bis 2071–2100 eine statistisch signifikante Zunahme der Jahresniederschläge in großen Teilen Mittel- und Nordeuropas (um bis zu etwa 30 %) und eine Abnahme in Südeuropa (um bis zu 40 %).

Abbildung 2. Projizierte Veränderung der jährlichen und sommerlichen Niederschläge. Quelle: Europäische Umweltagentur, Indikatorbewertung: mittlerer Niederschlag.

Wir sehen also, dass extreme Trockenzeiten erwartungsgemäß die Voraussetzungen für ein hohes Brandrisiko schaffen (hohe Temperaturen, geringe Bodenfeuchte), zugleich aber die Verfügbarkeit der Wasserressourcen verringern, die für den Brandschutz im Wald-Siedlungs-Grenzbereich benötigt werden. Die Modelle zeigen, dass diese Situation in Südeuropa immer häufiger auftreten wird.

Die Region Valencia liegt im westlichen Mittelmeerbecken (Ostküste der Iberischen Halbinsel, Spanien) und umfasst ein Gebiet zwischen 38 und 40° N (24.000 km²). Obwohl Wasserknappheit in dieser Region seit jeher eine Konstante ist, zeigen die jüngsten Dürreperioden ein Muster, das mit den Auswirkungen des Klimawandels in Verbindung gebracht werden kann. Die Mittelmeerküste und der Südosten des Landes sind am stärksten von Wasserknappheit und Dürren und den damit verbundenen sozioökonomischen und ökologischen Folgen betroffen.

Laut der Europäischen Dürrebeobachtungsstelle (EDO) der Gemeinsamen Forschungsstelle (JRC) zeigt die Analyse der langfristigen Niederschlagsindikatoren (SPI-6 und SPI-9), die bei der EDO verfügbar sind, ein langfristiges Defizit im Süden Spaniens mit möglichen Auswirkungen auf Stauseen und Flüsse. Am stärksten betroffen sind die Gebiete Valencia und Murcia sowie die Provinz Almería. So veröffentlichte die EDO der JRC im Jahr 2014: „Nahezu das gesamte Gebiet der Provinzen Valencia, Castellón und Alicante erlebte von November 2013 bis April 2014 sechs aufeinanderfolgende Monate mit extrem trockenen Bedingungen.“

Infolge dieser Niederschlagsdefizite ging der Wassergehalt der Böden drastisch zurück. Die Daten des Bodenfeuchtemodells liefern einen klaren Nachweis für die unter dem Regenmangel leidenden Gebiete und bestätigen die außergewöhnlichen Bedingungen, die seit Oktober 2013 mit anhaltend negativen Werten in den Regionen Valencia und Murcia sowie in Almería herrschten.

Bis 2030 wird in den Einzugsgebieten von Segura und Júcar ein Rückgang der Wasserressourcen um 12 bis 15 % erwartet – mit schwerwiegenden Folgen für die Böden und einer Verschlechterung der Waldbestände, Hanginstabilität, Waldbränden sowie mehr Kulturen und einem höheren Wasserbedarf der Landwirtschaft. Innerhalb der Region Valencia liegen Riba-roja und Paterna in den Gebieten mit einer negativen Wasserbilanz zwischen Verfügbarkeit und Bedarf.

2. ZONIERUNG DES WALD-SIEDLUNGS-GRENZBEREICHS

In den letzten Jahren, insbesondere im Rahmen des europäischen Projekts WUIWATCH, wurden drei Arbeitsmaßstäbe für die Bewertung des Waldbrandrisikos und die Planung der Brandverhütung im Wald-Siedlungs-Grenzbereich betrachtet: die Makroskala oder Landschaftsebene, die Mesoskala, die den Dimensionen der Siedlungen entspricht, und die Mikroskala, die sich auf die Detailebene des Hauses und des das Gebäude umgebenden Grundstücks bezieht.

2.1.1. Die Mesoskala und die Übergangszone

Von diesen dreien wurde die Mesoskala als der zentrale Arbeitsmaßstab für die Risikoermittlung und die Planung verteidigungsfähiger Räume identifiziert, in denen die maßgeblichen Faktoren des zu erwartenden Brandverhaltens – etwa Brennstofflast und -kontinuität sowie der Feuchtegehalt des lebenden Brennmaterials – so verändert werden, dass Umgebungen mit kontrolliertem Risiko und ausgedehnte verteidigungsfähige Bereiche entstehen. Auf der Mesoskala wurden drei Bereiche betrachtet: die äußere Mesoskala (auch als Übergangsbereich behandelt), der Rand mit dem ersten Häuserring und die innere Mesoskala.

Den gewonnenen Erkenntnissen zufolge umfassen verschiedene Ansätze zur Anpassung des Übergangsbereichs die Umgestaltung und Erhaltung der Bodenstruktur und -feuchte, die Auswahl und Behandlung der Pflanzen, die Beweidung, kontrolliertes Brennen und die Programmierung vorbeugender Bewässerung. Für den Rand werden einige Ansätze und bewährte Verfahren hervorgehoben, darunter die Gestaltung schwer entflammbarer Ringe, die Beseitigung brennbarer Hecken und die Planung automatischer Beregnungsanlagen. Für die innere Mesoskala werden auf der Grundlage von Beobachtungen bei tatsächlichen Bränden einige Hinweise zur Verringerung der Brandaktivität gegeben, etwa die Behandlung unbebauter Grundstücke, die Unterbrechung der Heckenkontinuität und der Umgang mit sonstigen nicht pflanzlichen Materialien, die gegebenenfalls zur Brandlast beitragen.

3. DAS PROJEKT UIA-GUARDIAN

Vor diesem Hintergrund schlägt das Projekt GUARDIAN eine Strategie zur Minderung des Brandrisikos vor, die im Gebiet von La Vallesa, im Grenzbereich zwischen den Siedlungsgebieten von Riba-roja und Paterna und dem Parc Natural del Túria, erprobt wird. Dank der Unterstützung durch das Programm Urban Innovative Actions der Europäischen Union wird eine Lösung umgesetzt, die die Ergebnisse früherer europäischer Projekte in den Bereichen Brandverhütung und fortschrittliche Methoden der Wasserwiederverwendung miteinander verknüpft.

Das Projekt schlägt eine kombinierte Strategie vor, die auf der Nutzung von wiederaufbereitetem Wasser für Brandverhütung und Brandschutz beruht und automatisch programmierte Bewässerungs- und Durchfeuchtungsmuster für Prävention, Unterdrückung und Löschung bereitstellt: GUARDIAN errichtet die Wasserinfrastruktur, um den Wald-Siedlungs-Grenzbereich von La Vallesa mit wiederaufbereitetem Wasser zu versorgen, sowie die Elemente (Bewässerungstürme und Regner), die die Verteidigungsbarriere bilden. Die im Bereich der Brandlinie gelegene Anlage wird die Regner mit Hochdruck-Hydrantenwerfern kombinieren, die den Rand abdecken, auf der Grundlage des Systems WUI-PROTECT.

Darüber hinaus werden Boden- und Vegetationsarbeiten durchgeführt (Verringerung der Baumdichte, insbesondere unterdrückter oder geschwächter Bäume, Leiterbrennstoffe, Astung, Auflockerung der Sträucher, Reduzierung von Baum- und Pflanzenresten usw.).

Die Nutzung von wiederaufbereitetem Wasser zur Bereitstellung der für Brandschutzinfrastrukturen benötigten Wasserressourcen, wie GUARDIAN sie vorschlägt, ist ohne bekanntes Vorbild und verbessert deren Anwendbarkeit erheblich. Wiederverwendetes Wasser wurde bereits in gewissem Umfang in der konventionellen Brandbekämpfung eingesetzt und ist im spanischen Recht tatsächlich geregelt (RD 1620/2007). Das Projekt wird zudem zur Nachhaltigkeit des Feuchtgebiets La Vallesa beitragen, indem es dieses wiederherstellt und die minderwertigen Zuflüsse ersetzt.

3.1. Vorstudien

Eine Reihe von Vorstudien und eine Felderhebung bilden die Grundlage für die Risikoanalyse und die anschließende Planung der Lösung. Zunächst wird die Vegetationsstruktur durch Geländebegehungen und die Auswertung von LIDAR-Daten detailliert charakterisiert. Daraus ergeben sich die Charakterisierung und Kartierung der Brennstofflast im Wald (kg/m²), der Brennstoffkontinuität und der vertikalen Struktur.

Die historischen Aufzeichnungen nahegelegener Wetterstationen werden ausgewertet und mit den entsprechenden Brandgefahrenindizes (etwa dem kanadischen FWI) in Beziehung gesetzt. Einbezogen wird auch die erwartete Klimaentwicklung, insbesondere bei der Beschreibung von Dürreperioden, Extremwetter (Wind) und Episoden mit hohen Temperaturen und niedriger Luftfeuchtigkeit. Schließlich wird eine Geländeerhebung durchgeführt, um eine Karte der vorhandenen verwundbaren Elemente (Häuser, kritische Infrastruktur, Unternehmen, Dienstleistungen usw.) zu erstellen.

Abbildung 3. Schema der Lösung. In Hell-/Dunkelgrün die für die Umgestaltung der Vegetationsstruktur vorgesehenen Flächen. Die Wasserinfrastruktur ist in Blau und Gelb dargestellt. Quelle: eigene Darstellung

Im nächsten Schritt werden anhand der historischen Aufzeichnungen, der Wettermuster und der erwarteten Entwicklung der Klimaszenarien die mögliche Entwicklung von Waldbränden sowie die Intensität und das Ausmaß ihrer Auswirkungen auf die verwundbaren Elemente ermittelt. Dazu werden Expertenbewertungs- und Simulationsmodelle eingesetzt, um Energiefreisetzung, Feuerlinienintensität, Strahlungsenergieemission, Ausbreitungsgeschwindigkeit und mögliche Ausbreitungswege (Propagation) abzuschätzen. Die Ergebnisse werden mit Verwundbarkeit und Exposition (Abständen) verknüpft, um mithilfe von Risikofunktionen die Wahrscheinlichkeit unerwünschter Folgen zu ermitteln, die schließlich in einer Risikokarte dargestellt wird.

3.2. Risikominderung

Die Minderung des Brandrisikos konzentriert sich vor allem, aber nicht ausschließlich, auf Maßnahmen an der Vegetationsstruktur. Die Planung der Vegetationsbehandlungen verfolgt einen doppelten Zweck: einerseits die Kontinuität der Brennstofflast zu begrenzen und zu kontrollieren, andererseits die Bodenstruktur und die Wasserverfügbarkeit zu schützen. Das bedeutet zunächst, Ausdehnung und Intensität der Behandlungen auf den Flächen rund um die Siedlung (Übergangszone) mithilfe eines spezifischen Algorithmus zu dimensionieren, der auf der zu erwartenden Freisetzung von Strahlungswärme beruht. Die vorgeschlagenen Behandlungen sollen den Boden vor starker Evapotranspiration schützen, indem sie eine ausreichende Überschirmung sicherstellen und zugleich eine Kontinuität des Brennmaterials vermeiden. Darüber hinaus umfasst der Bodenschutz Bodenbehandlungen (d. h. organische Bodenverbesserung) und eine Abdeckung mit schützender Vegetation. Die spezifischen Behandlungen am Siedlungsrand werden so dimensioniert und gestaltet, dass eine Umgebung mit kontrollierter Brandintensität (unter 3000 kW/m) entsteht. Dazu gehören die Reduzierung des Brennmaterials, aber auch die Bewegungsfreiheit für Löscheinsätze. Schließlich wird die Planung der Behandlungen auf die inneren Grundstücke, Gärten und gemeinschaftlichen Grünflächen ausgedehnt.

Abbildung 4. WUIPROTECT® Wildfire Defence System am Rand eines Wald-Siedlungs-Grenzbereichs installiert. Quelle: Medi XXI GSA

3.3. Systemsteuerung

Die automatisierte Steuerung des Systems beruht auf der Einführung angepasster Indizes für die zusätzliche Überwachung des Feuchtegehalts der lebenden Vegetation, des Feuchtegehalts des feinen toten Brennmaterials sowie der Komponenten des Brandverhaltens und der Indikatoren der Energiefreisetzung (Zündwahrscheinlichkeit, Feuerlinienintensität, Ausbreitungsgeschwindigkeit, Strahlungswärmeemission usw.). Alle diese Größen werden mit den beschriebenen Überwachungs- und Prognosedaten gespeist, insbesondere zum Zustand der Atmosphäre (Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Niederschlag), zur Wettervorhersage und zum Zustand der lebenden Vegetation. Die so gewonnenen Indizes steuern bestimmte Vektoren der Wasserkontrolle und -verteilung, etwa die präventive Bewässerung (nach dem Index der lebenden Vegetation), die Unterdrückungsbewässerung (nach dem Feuchteindex des feinen toten Brennmaterials) und die Löschbewässerung (nach den Indizes des Brandverhaltens).

Die Überwachung erfolgt vor Ort und ergänzt die allgemeinen Messwerte und Vorhersagen zur Gesamtatmosphäre (wie sie von offiziellen Quellen wie dem staatlichen Wetterdienst AEMeT oder regionalen Wetterdiensten bereitgestellt werden). Die Überwachung umfasst Messwerte von Bodensensoren (Bodentemperatur und Feuchtegehalt in 0, 10 und 20 cm Tiefe), den Zustand der Vegetation (abgeleitet aus der kolorimetrischen Auswertung bodengestützter Multispektralkameras und von Satellitenbildern) sowie mittelgroßes totes Brennmaterial (10HR) mithilfe spezieller Sensoren. Zudem werden die Daten lokaler automatischer Wetterstationen (AWS) erfasst und (per Datenlogger über GSM) an die Steuerzentrale (CCS) übertragen, um dort verarbeitet und in die Berechnung der Indizes einbezogen zu werden.

Abbildung 5. Verteidigungsrand. Im Vordergrund ist unversehrte Vegetation (grüne Fläche) im Wirkungsbereich der WUIPROTECT®-Werfer zu sehen. Quelle: Medi XXI GSA – Projekt WUIWatch.

Der Kern des innovativen Charakters der vorgeschlagenen Lösung liegt in der Entwicklung und Integration eines Befehls- und Steuerungssystems (CCS) und einer Reihe von Algorithmen, die zunächst Überwachungs- und Prognosedaten erfassen, aktuelle und künftige Indizes berechnen, Entscheidungsregeln anwenden und schließlich einen Zeitplan für die verschiedenen oben genannten Bewässerungsarten ausgeben. Insbesondere berechnet das GUARDIAN-CCS auf der Grundlage des prognostizierten Dürrecodes (DC) die Menge und räumliche Verteilung der Bewässerung, die nötig ist, um das Bodenfeuchtedefizit auszugleichen und diesen DC zu korrigieren, und bringt sie automatisch aus. Darüber hinaus schätzt das GUARDIAN-CCS bei hoher oder sehr hoher Brandgefahr oder bei einem herannahenden Brand auf der Grundlage der erwarteten Entwicklung der Feuchte des feinen Brennmaterials Menge, Zeitpunkt und räumliche Verteilung der Unterdrückungsbewässerung ab, um die Wahrscheinlichkeit von Sprungfeuern und der Brandentwicklung zu verringern, und bringt diese automatisch aus. Schließlich führt das GUARDIAN-CCS Buch über das für die Brandunterdrückung verfügbare Wasser und schlägt entsprechend der Berechnung des zu erwartenden Brandverhaltens und der Energiefreisetzung automatisch die Produktion einer zusätzlichen Menge an aufbereitetem Wasser für Löscheinsätze vor, die entsprechend gespeichert wird.

3.4. Organische Mikroschadstoffe als Hindernis für die Wiederverwendung

In den letzten Jahrzehnten haben Fortschritte in der Analytik (vor allem durch die Flüssigchromatographie (LC) in Kopplung mit der Massenspektrometrie (MS)) den Nachweis organischer Verbindungen anthropogenen Ursprungs ermöglicht, deren Vorkommen aufgrund ihrer relativ geringen Konzentrationen (µg/L – ng/L) bis dahin unbekannt war (Omil et al. 2010). Diese Verbindungen werden allgemein als organische Mikroschadstoffe (OMP, nach der englischen Abkürzung), Schadstoffe von neu aufkommender Bedeutung (CEC) oder organische Spurenstoffe (TrOCs) bezeichnet, und ihre Auswirkungen auf Umwelt und menschliche Gesundheit sind ungewiss. Genau dies ist bei der Kläranlage (EDAR) Camp del Turia II der Fall, deren gereinigter Ablauf als Ressource für das oben beschriebene System zur Brandverhütung und -minderung genutzt werden soll. Konkret ist der wichtigste OMP in dieser Kläranlage Chlorpyrifos, ein Organophosphat-Pestizid, das in Haushalten und in der Landwirtschaft weit verbreitet ist.

Die Wasserwiederverwendung stellt eine nachhaltige Alternative zur Nutzung konventioneller Wasserressourcen oder zur Meerwasserentsalzung dar und wurde in den letzten Jahrzehnten in Ansätzen der Kreislaufwirtschaft intensiv berücksichtigt. Das Vorkommen organischer Mikroschadstoffe in den Abläufen von Kläranlagen (WWTP) und Wasseraufbereitungsanlagen (WRP) hat jedoch weltweit Besorgnis über die Auswirkungen dieser OMP auf die verschiedenen Nutzungen ausgelöst.

Das Vorkommen von OMP in Systemen der direkten und indirekten Wiederverwendung stellt ein ungewisses Risiko für die menschliche Gesundheit dar, wenn Menschen mit diesem Wasser in Kontakt kommen oder es direkt oder indirekt aufnehmen können. In der Landwirtschaft könnte auch die Bewässerung ein Risiko darstellen, wenn diese Verbindungen von Boden und Kulturpflanzen aufgenommen werden können. Andererseits kann die Nutzung von aufbereitetem Wasser für Umweltzwecke (etwa für Brandschutzsysteme und zur Sicherung der Mindestwasserführung von Flüssen) ein Risiko für den Boden, die aquatische Umwelt, Pflanzen und Tiere darstellen.

3.5. Frühere Erfahrungen: Ergebnisse von LIFE Aware

Von 2013 bis 2016 koordinierte CETAQUA, Centro Tecnológico del Agua, das Projekt LIFE AWARE. Das Gesamtbudget belief sich auf 2,6 Mio. €, kofinanziert durch das Programm LIFE+; Aigües de Barcelona (Spanien) und LNEC (Portugal) waren als Partner beteiligt.

Das Projekt AWARE bewertete ein innovatives hybrides Wasseraufbereitungsverfahren zur Entfernung von OMP und verglich es mit Systemen nach dem neuesten Stand der Technik. Für diesen Vergleich wurden 18 Monate lang zwei Prototypen in der Wasseraufbereitungsanlage (WRP) El Baix Llobregat betrieben. Die Prototypen bestanden aus Folgendem:

• Prototyp 1: Membranbioreaktor mit Dosierung von erschöpfter Pulveraktivkohle (PAC)
• Prototyp 2: Kapillar-Nanofiltration mit Dosierung von frischer Pulveraktivkohle (PAC)

Abbildung 2 zeigt das Schema der betriebenen Prototypen. Wie zu sehen ist, wurde die im Kontaktbehälter von Prototyp 2 dosierte PAC über eine Kapillar-NF gefiltert, und der Konzentratstrom mit der aufkonzentrierten PAC wurde in die biologischen Becken von Prototyp 1 zurückgeführt.

Abbildung 6. Schema der im Projekt LIFE aWARE betriebenen Prototypen

Die Basis-WRP von El Baix Llobregat besteht dagegen aus CAS (konventionelles Belebtschlammverfahren), gefolgt von Koagulation-Flockung, Lamellenabscheidung, Mikrofiltration und Desinfektion (UV). Die wichtigsten Nutzungen des aufbereiteten Wassers waren städtischer (Bewässerung, Straßenreinigung), landwirtschaftlicher und ökologischer Art.

Die Entfernung persistenter OMP (wie Carbamazepin und Diuron), die Entfernung biologisch abbaubarer OMP (wie Ibuprofen, Paracetamol, Sulfamethoxazol und Codein), die Kostendifferenz gegenüber der Basis-WRP und der ökologische Fußabdruck wurden für verschiedene Verfahren bewertet (Tabelle 1).

Tabelle 1 Entfernungsleistungen, Kostendifferenz und ökologischer Fußabdruck verschiedener Behandlungsverfahren. Quelle: Projekt LIFE aWARE

Verfahren	Entfernung persistenter OMP (%)	Entfernung biologisch abbaubarer OMP (%)	Kostendifferenz zur Basis-WRP	Differenz des Fußabdrucks zur Basis-WRP
Basis-WRP	12	60	–	–
MBR	15	70	+ 30 %	−50 %
Basis-WRP, nachgerüstet mit O 3	80	95	+ 19 %	+ 15 %
PAC-MBR (25 mg/L frische PAC)	60	75	+ 60 %	−50 %

Wie zu erkennen ist, erzielt die Basis-WRP nur geringe Entfernungsraten für persistente OMP (12 %). Membranbioreaktoren verbessern dank ihres höheren Schlammalters (SRT) und ihrer längeren hydraulischen Verweilzeit (HRT) die Entfernung persistenter OMP auf bis zu 15 %, bei um 30 % höheren Kosten. Durch die Nachrüstung der Basis-WRP mit Ozon lassen sich 80 % der persistenten OMP entfernen, bei + 19 % Kosten und + 15 % Fußabdruck, während ein Hybridsystem (PAC-MBR) 60 % der persistenten OMP entfernt, bei + 60 % Kosten und einer Verringerung des Fußabdrucks um 50 %.

3.6. Anwendung im Projekt GUARDIAN

In der Kläranlage Camp de Turia II (Riba-roja, Spanien) müssen mehrere persistente OMP entfernt werden, insbesondere Organophosphat-Pestizide wie Chlorpyrifos. Angesichts der möglichen Wiederverwendung dieses Wassers in Brandschutzsystemen und der Sorptionseigenschaften dieses Zielpestizids bietet der Einsatz von PAC-MBR erhebliche Vorteile hinsichtlich der Qualität des aufbereiteten Wassers, der Effizienz der OMP-Entfernung und des damit verbundenen Fußabdrucks. Die Kosten und der ökologische Fußabdruck dieser Systeme sind jedoch hoch. Um die OMP-Entfernung zu maximieren und die PAC-Dosis (die Kosten und CO2-Fußabdruck erhöht) zu verringern, wird ein hybrides PAC-O ₃ -MBR-System vorgeschlagen.

Im Folgenden sind die Vorteile zusammengefasst, die vom PAC-O ₃ -MBR-System im Vergleich zu Systemen nach dem neuesten Stand der Technik und zu PAC-MBR-Systemen erwartet werden:

• Höhere Gesamtentfernung aller OMP (> 85 %) dank der kombinierten Wirkung von Biotransformation-Oxidation und Adsorption sowie der Entfernung der durch Oxidation entstandenen Metaboliten mittels Adsorption. – Geringere PAC-Dosis aufgrund einer langsameren Sättigung des Adsorbens
• Geringerer Schlammanfall und bessere Desinfektion.
• Die verbesserte Filtrierbarkeit des Schlamms ermöglicht höhere Filtrationsflüsse in der UF und damit geringere Investitions- und Betriebskosten.

Ein Prototyp mit einer Gesamtproduktion an aufbereitetem Wasser von 10 m³/h wird geplant und in der Kläranlage Camp de Turia II installiert, um Wasser aufzubereiten, das (aus Umwelt- und Gesundheitssicht) für Brandschutzsysteme und für Umweltzwecke unbedenklich ist, einschließlich der Wiederherstellung der Wasserqualität des Feuchtgebiets La Vallesa. Wie in Abbildung 3 zu sehen ist, wird eine biologische Behandlung (anaerob, anoxisch und aerob) mit PAC-Dosierung und O₃ -Eintrag vorgeschlagen, gekoppelt mit einer Ultrafiltrationsmembran.

Abbildung 7. Schema des Prototyps PAC-O₃ –MBR. Quelle: Projekt LIFE Aware

Bei der Planung werden verschiedene Optionen für die Membran berücksichtigt: – Option 1: externe UF nach dem aeroben Becken (Schlammfiltration)

• Option 2: im aeroben Becken getauchte UF (Schlammfiltration)
• Option 3: im Nachklärbecken getauchte UF (Filtration des geklärten Ablaufs der Nachklärung), was bedeuten würde, dass anstelle eines MBR ein System aus CAS + PAC + O₃ mit nachgeschalteter UF-Membran zum Einsatz käme.

4. ANALYSE DER PROJEKTERGEBNISSE

Der Ansatz der Kreislaufwirtschaft hat sich als geeignete Option für eine effiziente, gerechte und nachhaltige Wasserbewirtschaftung erwiesen. Zudem sind Optimierungsverfahren ein nützliches Instrument zur Unterstützung von Entscheidungen über die Wasserzuteilung. Ein Optimierungsmodell stellt einen neuartigen Ansatz dar, der die Effizienz der Wasserverteilung und die physischen Verbindungen zwischen Wasserversorgung und Bedarfspunkten berücksichtigt.

In diesem Projekt schlagen wir vor, ein Wasseroptimierungsmodell zu entwickeln und anzuwenden, das die Verfügbarkeit von aufbereitetem Wasser und seinen gesellschaftlichen und ökologischen Nutzen berücksichtigt. Durch die Einbeziehung des künftigen Klimawandels, des Bevölkerungswachstums und der Risikoanalyse können wir einen ausgewogenen Entwicklungspfad für die in einem bestimmten Gebiet verfügbaren Wasserressourcen vorschlagen.

Die Auswahl bewährter Verfahren und Strategien zur Verbesserung der Wirksamkeit der Wasserbewirtschaftung erfordert die gleichzeitige Berücksichtigung mehrerer Ziele und Kriterien (z. B. wirtschaftlicher, ökologischer, technischer und sozialer Art) und der komplexen Wechselwirkungen zwischen ihnen. Zudem verlangt eine verlässliche Analyse der Wasserbewirtschaftung, die Stärken und Schwächen der verschiedenen Betriebsstrategien zu ermitteln und Unsicherheit bzw. Risiko in das Bewertungsverfahren einzubeziehen, um zu analysieren, wie diese die Entscheidungsprozesse beeinflussen. Diese Komplexität macht eine strenge und systematische multikriterielle Entscheidungsanalyse erforderlich, die politische Entscheidungsträger dabei unterstützt, die Alternativen nach dem Ansatz „Kosten des Nichthandelns versus Kosten des Handelns“ (CNA-CA) angemessen zu bewerten und zu vergleichen.

Im Rahmen der Analyse der Wasserpolitik schlagen wir zudem eine Folgenabschätzung dieser Maßnahmen im Hinblick auf die wirtschaftliche Effizienz und die Nachhaltigkeit der Wassernutzung in städtischen Gebieten vor.

Die sozioökonomische Bewertung der vorgeschlagenen Maßnahmen erfolgt mithilfe mathematischer Programmierung und ökonometrischer Modelle, die nach Optimierungslösungen suchen. Die Schätzung von Kostenfunktionen für bestimmte Tätigkeiten, Prozesse oder Technologien ermöglicht es, das Verhalten der Kostenelemente sowie die Kostentreiber zu ermitteln. Die Effizienz der verschiedenen vorgeschlagenen Maßnahmen wird mithilfe von Modellen der Data Envelopment Analysis (DEA) untersucht.

Um die Machbarkeit verschiedener Maßnahmen zu analysieren, wird der gesellschaftliche und ökologische Nutzen der vorgeschlagenen Maßnahmen mit einer neuen Methodik quantifiziert, die auf der Berechnung von Schattenpreisen beruht.

Kosten und Nutzen werden dynamisch analysiert, wobei verschiedene Szenarien unter Unsicherheit betrachtet werden.

Einige Methoden (Monte-Carlo-Simulation, statistische Toleranzen und Fuzzy-Modell) werden zudem eingesetzt, um die Verringerung des Waldbrandrisikos durch die Umsetzung des vorgeschlagenen Projekts zu quantifizieren.

5. SCHLUSSFOLGERUNGEN

Der Klimawandel wird in den kommenden Jahrzehnten voraussichtlich die Häufigkeit und Schwere von Waldbränden erhöhen und zugleich die Verfügbarkeit der Wasserressourcen verringern, die ein zentrales Instrument zu ihrer Abwehr darstellen.

Das Projekt UIA-GUARDIAN bietet die einzigartige Gelegenheit, in den kommenden Jahren kombinierte und wirksame Strategien zur Minderung des Brandrisikos in den am stärksten gefährdeten Gebieten (Wald-Siedlungs-Grenzbereich) unter Einsatz alternativer Wasserressourcen zu erproben. Es ermöglicht zudem, die Ergebnisse früherer Projekte aus sehr unterschiedlichen Bereichen zu nutzen, und befasst sich gleichzeitig mit mehreren Aspekten des Klimawandels.

GUARDIAN zeigt das ungenutzte Potenzial und die Bedeutung der Wasserwiederverwendung in einem Kontext zunehmender Wasserknappheit. Von grundlegender Bedeutung ist zudem sein Beitrag zur Untersuchung der wirtschaftlichen Tragfähigkeit fortschrittlicher Wiederverwendungsverfahren unter realen Anwendungsbedingungen.

Das Projekt GUARDIAN wird von der Stadtverwaltung Riba-roja geleitet; beteiligt sind außerdem Hidraqua, Medi XXI, die Universidad Politécnica de Valencia (IIAMA), die Forschungsgruppe Wasserökonomie der Universidad de Valencia, die Stadtverwaltung Paterna und der Parc Natural del Túria (Generalitat Valenciana).

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