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Die vorliegende Erfindung betrifft ein flächiges Wasserspeicher-, und Bewässerungs- und/oder Befeuchtungssystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1.
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Für die Landwirtschaft sind zahlreiche, unterschiedliche Bewässerungsmethoden bekannt. Bei der Unterflurbewässerung wird das Wasser in den Boden eingebracht, um vornehmlich Wasserverluste durch Verdunstung zu minimieren. Durch das Kapillarprinzip gelangt das Wasser dann zu den Wurzelzonen. Bekannt sind hier z.B. verschiedene Kapillarmatten, die das Bewässerungswasser im Boden verteilen.
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Derartige Systeme haben den Nachteil, dass sie Energie für die Verteilung des Wassers benötigen. Kapillarmatten und Rohre können sich über die Zeit zusetzen und ihre kapillaren Eigenschaften verlieren. Sie verfügen zudem über keine Speicherwirkung.
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Bei der Unterflurbewässerung kann auch eine Grundwasseranhebung erfolgen. Dieses Grundwasser kann dann als Wasserspeicher verwendet werden. Vom neu generierten Grundwasserstand kann wiederum über das Kapillarprinzip die Bewässerung der Wurzelzone erfolgen. Nachteilig ist, dass es von den lokalen Bedingungen abhängig ist, ob und wie der Grundwasserstand angehoben werden kann. Der Stand des Grundwassers kann aufgrund der lokalen Bedingungen sogar sinken obwohl eine Wasserzufuhr stattfindet. Es kann auch sein, dass der Grundwasservorrat für die geplante Bewässerung nicht ergiebig genug ist.
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Neben den landwirtschaftlich motivierten Interessen an ausreichender Bewässerung kann es auch in bebauten oder teilversiegelten Arealen, so etwa im urbanen Bereich, wünschenswert sein, ausreichend Wasser zur Verfügung stellen zu können. Dies dient nicht zuletzt der Bewässerung von dort wachsenden Pflanzen, da diese einen zunehmend wichtiger werdenden Beitrag zur ausgeglichenen Klimatisierung in solchen urbanen Räumen liefern.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Wasserspeicher- und Bewässerungssystem zur Verfügung zu stellen, mittels welcher die oben genannten Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise umgangen werden können. Es soll eine ausreichende Bewässerungsmöglichkeit für eine Bepflanzung auf einer landwirtschaftlichen Fläche bereitgestellt werden, welche zuverlässig Wasser bereitstellt und dabei insbesondere nachhaltig und umweltschonend arbeitet. Zudem soll das System weniger wartungsintensiv und kostengünstiger als bekannte Bewässerungssysteme sein.
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Die obige Aufgabe wird durch ein Wasserspeicher-, Bewässerungs- und Befeuchtungssystem gelöst, welches die Merkmale des unabhängigen Anspruchs umfasst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden durch die abhängigen Ansprüche beschrieben.
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Die Erfindung bezieht sich zunächst auf ein Wasserspeicher-, Bewässerungs- und/oder Befeuchtungssystem zur flächigen unterflurigen Bewässerung von landwirtschaftlich genutzten Flächen. Das Wasserspeicher- und Bewässerungssystem umfasst dabei zumindest eine flächige und kapillarische Eigenschaften aufweisende Bodenzone, welche im Boden unterhalb einer Wurzelzone einer Bepflanzung der landwirtschaftlich genutzten Fläche angeordnet ist. Die landwirtschaftlich genutzten Flächen können insbesondere zum Anbau von Gemüse, Getreide oder dergleichen Bepflanzung vorgesehen sein. Die Art der Bepflanzung kann sich dabei insbesondere nach Aufbauhöhe des Systems, Bodenart, Umgebungsbedingungen, Belastbarkeit (Nutzung mit Maschinen) etc. richten bzw. orientieren. Im Prinzip sind bis auf mehr als 1,5 m wurzelnde Pflanzen alle Pflanzen für die Nutzung möglich. Der Bereich, in welchem sich die Wurzeln der Bepflanzung im Erdreich ausbreiten, kann als Wurzelzone bezeichnet werden.
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Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Wasserspeicher-, Bewässerungs- und/oder Befeuchtungssystem zur flächigen unterflurigen Bewässerung und/oder Befeuchtung von nicht landwirtschaftlich, d.h. von anderweitig genutzten Flächen. Dies können insbesondere auch bebaute und/oder baulich versiegelte oder teilversiegelte Areale sein, wie sie besonders häufig in urbanen Räumen vorliegen. Das Wasserspeicher-, Bewässerungs- und/oder Befeuchtungssystem umfasst auch für diese genannten Einsatzzwecke zumindest eine flächige und kapillarische Eigenschaften aufweisende Bodenzone, welche im Boden unterhalb einer wasserdurchlässigen Schicht des bebauten und/oder baulich versiegelten oder teilversiegelten Areals angeordnet ist.
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Weiterhin zählt zumindest eine teilweise im Bereich der Bodenzone liegende und ebenfalls kapillarische Eigenschaften aufweisende Wasserspeicherzone zum erfindungsgemäßen Wasserspeicher-, Bewässerungs- und/oder Befeuchtungssystem, innerhalb welcher Wasserspeicherelemente zur Speicherung von Wasser angeordnet sind. Die Wasserspeicherelemente können zudem permeable Seitenbereiche zur Abgabe von Wasser an die umliegende Bodenzone aufweisen.
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Wie bereits erwähnt, schließt sich im Bodenbereich unterhalb der Wurzelzone einer landwirtschaftlich genutzten oder nutzbaren Fläche eine flächige Bodenzone an. Zur Bewässerung der Bepflanzung der landwirtschaftlich genutzten Flächen ist im Bereich der Bodenzone eine künstlich angelegte, flache Wasserspeicherzone vorgesehen. Für eine korrekte Funktionsweise des Systems ist es insbesondere wichtig, dass der Boden im Bereich der Wurzelzone wie auch der Bodenzone bzw. der Wasserspeicherzone kapillarische Eigenschaften aufweist. Im Bereich der Wasserspeicherzone sind vorzugsweise mehrere der Wasserspeicherelemente zur Speicherung von Wasser angeordnet. Über Kapillarkraft kann das Wasser von den Wasserspeicherelementen bis in die Wurzelzone der Bepflanzung gelangen bzw. aufsteigen. Im Gegensatz zu Systemen mit zentralem Wasserspeicher kann so völlig auf ein teures und wartungsintensives Bewässerungssystem (Pumpen, Beregner, Schlauch, Tröpfchenbewässerung etc.) verzichtet werden. Zudem fallen keine Energiekosten für die Wasserverteilung an.
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Die Steighöhe und Geschwindigkeit des Wassers sind dabei unter anderem abhängig vom Boden. Umso größer die Steighöhe desto länger dauert der Vorgang. Bei einem Boden mit 10% Ton und 90% Schluffanteil liegt die Aufstiegsrate erfahrungsgemäß bei bis zu 1 Meter bei 5mm/Tag. Bezogen auf einen m2 ergeben sich so ca. 5l/Tag verfügbares Wasser. Dies würde dem Bedarf eines Gemüseanbaus in etwa entsprechen. Durch eine Reduzierung der erforderlichen Förderhöhe, lässt sich der mögliche Volumenstrom anpassen.
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Der optimale Boden der Bodenzone bzw. der Wasserspeicherzone und der Wurzelzone zeichnet sich durch eine ausreichende Tragfähigkeit bei optimaler Kapillarfähigkeit aus und sollte insbesondere je nach Einsatzbereich zusammengesetzt werden. Ein Boden mit optimaler Tragfähigkeit, wie gebrochener Kies hat dabei z.B. fast keine Kapillarfähigkeit, wogegen ein Lehmboden im durchnässten Zustand keine Tragfähigkeit aufweist. Es ist durchaus denkbar, dass sie unterschiedlichen Zonen dabei verschiedene Bodenzusammensetzungen aufweisen. Zur Trennung beispielsweise der Wurzelzone und der Bodenzone kann ein Geotextil eingesetzt werden. Sofern die Wurzelzone und die Bodenzone innerhalb der Wasserspeicherzone aus gleichem Material bestehen, kann das Geotextil ggf. entfallen.
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Das erfindungsgemäße angeordnete Unterflurbefeuchtungs- und/oder Unterflurbewässerungssystem kann nicht nur im landwirtschaftlichen Bereich vorteilhaft eingesetzt werden. Das System eignet sich darüber hinaus, um gereinigtes Abwasser, wahlweise auch schwach oder nicht gereinigtes Abwasser oder auch jegliches andere Wasser, wie z.B. Regenwasser zu verdunsten, um insbesondere den temperatursenkenden Effekt des verdunstenden Wassers auszunutzen. Der daraus resultierende Effekt der Verdunstungskälte kann besonders vorteilhaft in versiegelten oder teilversiegelten urbanen Arealen genutzt werden, da sich solche Bereiche unter starker Sonneneinstrahlung weitaus stärker aufheizen als nicht bebaute oder nur schwach bebaute ländliche Gegenden.
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Für solche Einsatzzwecke könnte das Unterflurbewässerungssystem in einer Weise modifiziert werden, dass eine wünschenswerte möglichst große Verdunstungsrate erreicht wird. Auf diese Weise kann gezielt Regenwasser zurückgehalten und unterflurig zwischengespeichert werden, um in Hitzeperioden gezielt einer Verdunstung zugeführt zu werden, um auf diese Weise die angestrebten Kühlungseffekte zu erzielen. Im Idealfall können auf diese Weise städtische Hitzeinseln gekühlt und lebensfreundlicher gestaltet werden.
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Je nach Einsatzort, z.B. bei weitgehend undurchlässigen oder durch bauliche Maßnahmen stark versiegelte Böden böte die Verdunstung auch eine zusätzliche Möglichkeit, das überschüssige Wasser abzuleiten bzw. auf die beschriebene Weise zwischenzuspeichern. Die dadurch erzielbare Klimabilanz kann aufgrund einer erreichbaren Kühlungswirkung von ca. 700 kWh/m3 verdunstetem Wasser positiv beeinflusst werden.
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Somit ist im Falle von Regenwasser mit dem erfindungsgemäßen Unterflurbewässerungssystem eine Regenwasserretention mit gezielter Verdunstungsmöglichkeit zur Verfügung, was im Gegensatz zu bestehenden Systemen, bei denen es einen Ablauf für das Retentionsvolumen gibt, zahlreiche Vorteile bietet. Statt das Wasser ungenutzt abzuleiten, wird es einer klimatisch günstigen Verdunstung zugeführt.
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Die flächige Wasserspeicherzone ist vorzugsweise so aufgebaut, dass auch bei einem geringen Wasserstand das Wasser in eine neben den Wasserspeicherelementen liegende kapillar wirkende Bodenzone gelangen kann. Als Wasserspeicherelemente können beispielsweise Tunnel aus Kunststoff, Kunststoffelemente oder dergleichen Hohlkörper verwendet werden. Die Wasserspeicherelemente können in untereinander verbundenen Reihen mit einem Abstand von mehr als 20 cm verlegt werden. Eine Organik ist hierbei nicht erforderlich. Die Wasserspeicherelemente können beispielsweise einen Durchmesser von rund 20cm bis 120cm aufweisen. Alternativ können auch Kunststoffboxen oder andere Geometrien und Materialien verwendet werden. Geeigneter Weise sind diese ebenfalls in untereinander verbundenen Reihen verlegt, um diese mit Wasser füllen oder entwässern zu können. Die Wasserspeicherelemente können bevorzugt über Rohre oder eine Verteilerlage hydraulisch miteinander verbunden werden. Vorzugsweise kann über einen Ablauf und/oder ein Ablauforgan Wasser aus den Wasserspeicherelementen abgelassen werden.
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Das Wasser kann über die Seiten bzw. Seitenflächen oder -bereiche der Wasserspeicherelemente in die Bodenzone zwischen den Wasserspeicherelementen und von dort aus über die kapillare Wirkung nach oben in die Wurzelzone oder in die baulich versiegelten oder Teilversiegelten oberflächennahen Bodenzonen gelangen. Zur Abgabe von Wasser an die umliegende Bodenzone können die Seitenbereiche, wie bereits erwähnt, permeabel ausgebildet sein. Hierbei können die Wasserspeicherelemente vorzugsweise in den Seiten bzw. Seitenflächen im Bereich der Bodenzone wasserdurchlässige Öffnungen zur Wasserabgabe aufweisen. Dabei kann sich das Wasser je nach Ausführung des Systems über die kapillare Wirkung sowohl vertikal als auch horizontal oberhalb der Wasserspeicherzone auch oberhalb der Wasserspeicherelemente verteilen.
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Alternativ zu einer Verlegung der Wasserspeicherelemente in Reihen könnten auch Hohlkörper, die von unten über eine Drainageschicht befüllt werden und oben entlüftet sind, eingesetzt werden. Ebenso kann es sinnvoll sein, die Wandungen der Wasserspeicherelemente mit Entlüftungsöffnungen zu versehen. Sind die Öffnungen in den Seiten bzw. Seitenbereichen groß bzw. zu groß, können diese mittels eines Vlieses, eines Geotextils oder dergleichen vor dem Eindringen von Füllmaterial aus der Bodenzone geschützt werden.
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Insbesondere ist es sinnvoll, dass die Wasserspeicherelemente aus Gründen der Belüftung eine Luftschicht umfassen. Diese kann sich insbesondere über rund 10cm oberhalb des Wasserspiegels des Wassers in den Wasserspeicherelementen erstrecken. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, ggf. alternativ oder zusätzlich zu Entlüftungsöffnungen, die Wasserspeicherelemente mit einer Be- und Entlüftungseinrichtung zu versehen. So kann Sauerstoff der darüber liegenden Bodenzone zugeführt werden.
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Die Befüllung des Systems mit Wasser kann einerseits durch Befüllen des Systems mittels einer sich außerhalb des Systems befindlichen Wasserquelle von außen erfolgen. Hierzu kann beispielweise Regenwasser von angeschlossenen Dachflächen oder versiegelten oder teilversiegelten oder sonstigen Umgebungsflächen mit einem gewissen Ablauf in das System geleitet werden. Alternativ kann dieses Wasser aus der Umgebung über einen Damm in einem Zwischenreservoir aufgefangen und von dort in das System geleitet werden.
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Ebenso kann ein Wasser in einem Speicherbecken gesammelt und an das System abgegeben werden. Eine weitere Wasserquelle wäre naheliegendes Grundwasser. Zudem kann über Einsickern des Niederschlags Wasser über die Oberfläche der Bodenzone bzw. über die Wasserspeicherzone in das Wasserspeicher- und Bewässerungssystem gelangen. Auch die Nutzung von Abwässern von Kläranlagen ist denkbar, wobei sich solches Wasser eher für die Verdunstung zur klimatischen Beeinflussung eignet als für die landwirtschaftliche Nutzung.
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Hervorzuheben ist, dass die ständige Durchfeuchtung des Bodens über die Kapillare dessen Versickerungsfähigkeit bei einem Regenereignis enorm verbessert. Es ist ein Kernproblem, dass ausgetrocknete Böden mit hohem Lehmanteil kein Wasser versickern. Nach langen Trockenperioden kann also der Boden zunächst kein Wasser mehr aufnehmen. Dies kann zudem zu Überschwemmungen führen. Das erfindungsgemäße System bietet somit den erheblichen Vorteil, dass das Niederschlagswasser optimal dem System zugeführt werden kann und nicht abläuft. Auch kann über diesen Weg einer Versalzung der oberen Bodenschicht entgegengewirkt werden.
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Unterhalb der Wasserspeicherelemente kann weiterhin eine Folie vorgesehen sein. Die Folie kann als Wanne zur Abdichtung des Systems dienen. Die Wasserspeicherelemente können ggf. direkt auf die Folie gestellt werden, wenn diese stabil genug ist. Alternativ kann ein Geotextil zwischen Folie und Wasserspeicherelemente gelegt werden, um die Folie vor Schäden zu schützen. Bei entsprechender Ausbildung, ggf. vergleichbar mit einer Art Folienwanne, kann die Folie zur Retention von Wasser innerhalb bzw. oberhalb des Systems genutzt werden.
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Unterhalb der Folie bzw. der Folienwanne kann darüber hinaus eine Drainageschicht bzw. ein Drainagesystem vorgesehen sein, um überschüssiges Wasser und/oder Überlaufwasser, beispielsweise entstanden aus Niederschlägen, in die Fläche zu verteilen und/oder abzuleiten und eine Versickerung des überschüssigen Wassers zu ermöglichen, falls das System mit ausreichend Wasser versorgt ist. Hierbei ist es denkbar, dass das Wasser an der Seite der Folie überlaufen und dann unterhalb des Systems verteilt werden kann. Vor einer Installation ist es darüber hinaus sinnvoll, Grundwasserstände und Versickerungsfähigkeit zu prüfen. Ebenso ist es denkbar, das Wasser über Überlaufschächte nach einer gewissen Aufstauhöhe in die Drainageschicht zu führen. Eine derartige Ausgestaltung kann insbesondere dann sinnvoll sein, damit der Boden beispielsweise bei Starkregen nicht abgespült wird. Weiterhin ist es denkbar, Wasser über einen Ablauf bzw. ein Ablauforgan aus dem System in eine Entwässerung abzuleiten. So kann insbesondere der Grundwasserstand aufgefüllt werden.
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Die Speicherkapazität des Wasserspeicher- und Bewässerungssystems kann daher auch als Retentionsvolumen dienen und Überschwemmungen verhindern. In einer weiteren Ausführungsform des Systems kann, wie bereits erwähnt, ein Ablauf des Systems mit einem vorzugsweise geregelten und/oder regelbaren Ablauforgan ausgestattet sein. Das System kann derart aufgebaut sein, dass ein Teil des Volumens immer als Retentionsvolumen zur Verfügung steht und bei Überschreitung generell entleert wird. Alternativ kann das Wasserspeicher- und Bewässerungssystem mit einer automatischen Steuerung mit Regenvorhersage ausgestattet werden. Hierdurch ist es möglich zu ermitteln, wieviel Niederschlag zu erwarten ist, sodass das System ggf. entleert werden kann, um ein möglichst großes Retentionsvolumen bereit zu stellen und einen Beitrag für den Überflutungsschutz zu liefern.
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Alternativ zum Ablauf über ein Ablauforgan kann mittels einer Folie eine Folienwanne auch so installiert werden, dass oberhalb der Bodenzone ein Retentionsbecken entsteht, wodurch wiederum ggf. Niederschläge aufgefangen bzw. gespeichert werden können.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform ist es zudem denkbar, die Wasserspeicherelemente auf einer Drainageschicht anzuordnen. Hierdurch kann das Wasser in die Wasserspeicherelemente verteilt werden, die über Rohre oder Öffnungen entlüftet sind. Die Drainageschicht kann dabei mit einem Geotextil von der überlagernden Bodenzone separiert werden.
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Da der Boden infolge der kapillaren Wirkung vorzugsweise durchfeuchtet ist, ist es oftmals sinnvoll, eine Verdunstung zu minimieren, um unnötigen Wasserverlust zu vermeiden. Hierzu kann es notwendig sein, Elemente zur Verdunstungsminimierung oberhalb der Wurzelzone und/oder im Bereich der Bepflanzung einzusetzen. Eine sehr effiziente Methode ist der parallele Anbau großblättriger Pflanzen, wie beispielsweise Kürbis, dessen Blätter die Verdunstung minimieren. Alternativ kann auch der Boden mit Blättern z.B. von Maispflanzen oder Mulch etc. abgedeckt werden. Über die Zeit kann dieses organische Material in den Boden untergraben werden und erhöht so den Humusanteil im Boden und trägt Nährstoffe ein, um eine Düngung zu minimieren.
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Eine weitere Möglichkeit ist die Ausbringung einer Deckfolie. Für die Setzlinge können Löcher in diese Folie geschnitten werden. Idealerweise ist die Folie von unten nach oben impermeabel, jedoch von oben nach unten permeabel. Optimalerweise besteht die Folie aus einem organisch zersetzbaren Material, so kann sie nach einiger Zeit in den Boden untergraben werden.
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Eine weitere Variante ist der Einsatz einer kapillarbrechenden Schicht aus Bodengruppen der Klasse F1 (grobkörnige Böden, Sande und Kiese). Wurzeln der Bepflanzung sollten dabei die Schicht durchwachsen können. Hierbei ist es sinnvoll, wenn das genutzte Material vor Ort wirtschaftlich vorhanden ist. Damit sich das Material nicht in den Boden eingräbt, kann es notwendig sein, dieses durch ein Geotextil vom darunter liegenden Boden geeigneter Weise zu separieren.
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Bei einem Zulauf von Wasser aus einer externen Quelle kann dieses in eine Reihe von Wasserspeicherelementen geführt werden, die vorzugsweise über einen Kontrollschacht inspiziert und gespült werden können. Dies ermöglicht eine einfache Reinigung der Wasserspeicherelemente. Werden als Wasserspeicherelemente Tunnelgeometrieen verwendet, ist dies besonders vorteilhaft, da der Boden unterhalb der Tunnel von etwaigen Sedimenten gereinigt werden kann. Diese Elemente ermöglichen zudem eine Exportfähigkeit des Systems, da sie für den Transport gestapelt werden können.
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Ein gravierendes Problem in der heutigen Landwirtschaft ist die Versalzung von Böden. Eine Versalzung des Bodens kann über ansteigenden Grundwasserspiegel, durch Bewässerung zusammen mit Evapotranspiration und auch durch Bodenerosion verursacht werden. Ab 900 µS/cm gilt Wasser als mittel bis stark salzhaltig und eignet sich erfahrungsgemäß nur noch für die Bewässerung von sehr salzverträglichen Pflanzen auf gut dräniertem Boden. Bei dem erfindungsgemäßen Wasserspeicher- und Bewässerungssystem kann zunächst eine geringe Verdunstung erreicht werden, was zu einem geringen Salzeintrag beiträgt. Die salzarmen Niederschläge, die im Speichersystem gesammelt werden, tragen zudem zu einer geringen Salzkonzentration bei. Sollte es über die Düngung und andere Einträge zu einer Salzanreicherung kommen und ein definierter Grenzwert vorzugsweise zwischen 100 und 2000 µS/cm überschritten werden, kann dies beispielsweise über einen Leitfähigkeitssensor erfasst werden. Das Wasser kann dann aus den Wasserspeicherelementen über einen Ablauf abgelassen und das System so entsalzt werden, ohne den Boden austauschen zu müssen.
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Da die Wasserspeicherelemente vorzugsweise untereinander hydraulisch über Rohre oder über eine Verteilerlage verbunden sein können, können dem Wasser auch Nährstoffe oder andere Stoffe für die Bewässerung zugeführt werden. Hierzu kann das Wasser dem Ablauf entnommen werden, wobei über eine Dosierung beispielsweise die Nährstoffe zugeführt werden können. Diese können auf derartige Weise in das System eingebracht werden, dass eine gleichmäßige Durchmischung entsteht. Beispielsweise könnte neben dem System auch eine Fischfarm betrieben werden, um so die Vorteile der Aquaponik zu nutzen.
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Die Systeme können mit Größen von wenigen Quadratmetern bin hin zu mehreren tausend Quadratmetern ausgeführt werden. Die gesamte Aufbauhöhe, bestehend aus der Bodenzone bzw. der Wasserspeicherzone und der Wurzelzone, für die Systeme erstreckt sich vorzugsweise zwischen 50 cm und 250 cm.
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Generell kann es bei dem erfindungsgemäßen Wasserspeicher, Bewässerungs- und/oder Befeuchtungssystem von Vorteil sein, wenn zur Steigerung oder Maximierung der Verdunstung zusätzliche verdunstungserleichternde Elemente oder Drainageelemente oberhalb der Wurzelzone und/oder im Bereich der Bepflanzung vorgesehen sind.
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Wie schon oben mehrfach erwähnt, kann das erfindungsgemäße Wasserspeicher- oder Bewässerungs- und/oder Befeuchtungssystem zur flächigen Befeuchtung von insbesondere urbanen bebauten und/oder baulich versiegelten oder teilversiegelten Arealen ausgebildet sein, wobei das System eine auf eine unmittelbare oder nähere Umgebung wirkende temperatursenkende Verdunstungsrate von mindestens 680 kWh je Kubikmeter erzeugen kann. Auch hier kann optional das oben Gesagte gelten, so dass das System bei einem Einsatz in versiegelten oder teilversiegelten urbanen Arealen dadurch verbessert und seine Verdunstungseffekte vorteilhaft verbessert werden können, wenn unterhalb der oberflächennahen Bereiche zusätzliche verdunstungserleichternde Elemente oder Drainageelemente angeordnet sind.
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Bei dem Wasserspeicher-, Bewässerungs- und/oder Befeuchtungssystem kann insbesondere vorgesehen sein, dass die wasserspeichernden Reservoirs vorrangig durch Regenwasser gespeist werden, das bei erhöhter Umgebungstemperatur in Form von Verdunstung abgegeben werden kann.
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Wahlweise können jedoch die wasserspeichernden Reservoirs auch vorrangig durch Abwasser einer Kläranlage gespeist werden, wobei das geklärte Abwasser in eine oberhalb und in der unmittelbaren Umgebung befindlichen Bodenzone abgegeben werden kann. So können bspw. bei einem Einsatz des Systems hinter einer Kläranlage die darüber liegenden Bodenschichten auch als Filter in der Art eines Aufstromverfahrens fungieren. Auch könnte das mehr oder weniger behandelte Abwasser zur Nährstoffversorgung und/oder Düngung von unten nach oben durch die Bodenzone dienen.
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Grundsätzlich können die wasserspeichernden Reservoirs des erfindungsgemäßen Systems durch jegliches Frischwasser, Grundwasser oder Betriebswasser gespeist werden, wobei das Frischwasser, Grundwasser oder Betriebswasser in eine oberhalb und in der unmittelbaren Umgebung befindlichen Bodenzone abgegeben werden kann.
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Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind.
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Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung oder das erfindungsgemäße Verfahren ausgestaltet sein können und stellen keine abschließende Begrenzung dar.
- 1 zeigt eine erste schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wasserspeicher- und Bewässerungssystems mit einer Wasserverteilung über Verteilungsrohre.
- 2 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wasserspeicher- und Bewässerungssystems mit Wasserverteilung über eine Verteilerlage.
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Die 1 und 2 zeigen jeweils Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Wasserspeicher- und Bewässerungssystems 100. Das erfindungsgemäße Wasserspeicher- und Bewässerungssystem 100 ist hierbei insbesondere vorgesehen zur Bewässerung von landwirtschaftlich genutzten Flächen 50, wie beispielsweise Anbauflächen für Gemüse, Getreide oder dergleichen Bepflanzung 1. Die Art der Bepflanzung 1 kann sich insbesondere nach Aufbauhöhe des Systems 100, Bodenart, Umgebungsbedingungen, Belastbarkeit (Nutzung mit Maschinen) etc. richten bzw. orientieren. Im Prinzip sind bis auf mehr als 1,5 m wurzelnde Pflanzen alle Pflanzen für die Nutzung möglich. Der Bereich, in welchem sich die Wurzeln der Bepflanzung 1 im Erdreich ausbreiten, kann als Wurzelzone 3 bezeichnet werden.
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Im Bodenbereich unterhalb der Wurzelzone 3 schließt sich eine flächige Bodenzone 7 an. Zur Bewässerung der Bepflanzung 1 der landwirtschaftlich genutzten Flächen 50 ist im Bereich der Bodenzone 7 eine künstlich angelegte, flache Wasserspeicherzone 14 vorgesehen. Für eine korrekte Funktionsweise des Systems 100 ist es insbesondere wichtig, dass der Boden im Bereich der Wurzelzone 3 wie auch der Bodenzone 7 bzw. der Wasserspeicherzone 14 kapillarische Eigenschaften aufweist. Weiter sind im Bereich der Wasserspeicherzone 14 vorzugsweise mehrere Wasserspeicherelemente 8 zur Speicherung von Wasser 14a angeordnet. Über Kapillarkraft kann das Wasser 14a von den Wasserspeicherelementen 8 bis in die Wurzelzone 3 der Bepflanzung 1 gelangen bzw. aufsteigen. Im Gegensatz zu Systemen mit zentralem Wasserspeicher kann so völlig auf ein teures und wartungsintensives Bewässerungssystem (Pumpen, Beregner, Schlauch, Tröpfchenbewässerung etc.) verzichtet werden. Zudem fallen keine Energiekosten für die Wasserverteilung an.
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Die Steighöhe und Geschwindigkeit des Wassers 14a ist dabei unter anderem abhängig vom Boden. Umso größer die Steighöhe desto länger dauert der Vorgang. Bei einem Boden mit 10% Ton und 90% Schluffanteil liegt die Aufstiegsrate erfahrungsgemäß bei bis zu 1 Meter bei 5mm/Tag. Bezogen auf einen m2 ergeben sich so ca. 5I/Tag verfügbares Wasser 14a. Dies würde dem Bedarf eines Gemüseanbaus in etwa entsprechen. Durch eine Reduzierung der erforderlichen Förderhöhe, lässt sich der mögliche Volumenstrom anpassen.
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Der optimale Boden der Bodenzone 7 bzw. der Wasserspeicherzone 14 und der Wurzelzone 3 zeichnet sich durch eine ausreichende Tragfähigkeit bei optimaler Kapillarfähigkeit aus und sollte insbesondere je nach Einsatzbereich zusammengesetzt werden. Ein Boden mit optimaler Tragfähigkeit, wie gebrochener Kies hat dabei z.B. fast keine Kapillarfähigkeit, wogegen ein Lehmboden im durchnässten Zustand keine Tragfähigkeit aufweist. Es ist durchaus denkbar, dass sie unterschiedlichen Zonen dabei verschiedene Bodenzusammensetzungen aufweisen. Zur Trennung beispielsweise der Wurzelzone 3 und der Bodenzone 7 kann ein Geotextil 4 eingesetzt werden. Sofern die Wurzelzone 3 und die Bodenzone 7 innerhalb der Wasserspeicherzone 14 aus gleichem Material bestehen, kann das Geotextil 4 ggf. entfallen.
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Die flächige Wasserspeicherzone 14 ist vorzugsweise so aufgebaut, dass auch bei einem geringen Wasserstand das Wasser 14a in eine neben den Wasserspeicherelementen 8 liegende kapillar wirkende Bodenzone 7 gelangen kann.
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Als Wasserspeicherelemente 8 können beispielsweise Tunnel aus Kunststoff verwendet werden, die in untereinander verbundenen Reihen mit einem Abstand von mehr als 20 cm verlegt werden. Eine Organik ist hierbei nicht erforderlich. Die Wasserspeicherelemente 8 können beispielsweise einen Durchmesser von rund 20cm bis 120cm aufweisen. Alternativ können auch Kunststoffboxen oder andere Geometrien und Materialien verwendet werden. Geeigneter Weise sind diese ebenfalls in untereinander verbundenen Reihen verlegt, um diese mit Wasser 14a füllen oder entwässern zu können. Die Wasserspeicherelemente 8 können bevorzugt über Rohre 9 oder eine Verteilerlage (vgl. 2) hydraulisch miteinander verbunden werden. Vorzugsweise kann über einen Ablauf 9 und/oder ein Ablauforgan 10 Wasser 14a aus den Wasserspeicherelementen 8 abgelassen werden.
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Das Wasser 14a kann über die Seiten bzw. Seitenflächen oder -bereichen 8a der Wasserspeicherelemente 8 in die Bodenzone 7 zwischen den Wasserspeicherelementen 8 und von dort aus über die kapillare Wirkung nach oben in die Wurzelzone 3 gelangen. Zur Abgabe von Wasser 14a an die umliegende Bodenzone 7 können die Seitenbereiche 8a permeabel ausgebildet sein. Hierbei können die Wasserspeicherelemente 8 vorzugsweise in den Seiten bzw. Seitenflächen 8a im Bereich der Bodenzone 7 wasserdurchlässige Öffnungen zur Wasserabgabe aufweisen. Dabei kann sich das Wasser 14a je nach Ausführung des Systems über die kapillare Wirkung sowohl vertikal als auch horizontal oberhalb der Wasserspeicherzone 14 auch oberhalb der Wasserspeicherelemente 8 verteilen.
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Alternativ zu einer Verlegung der Wasserspeicherelemente 8 in Reihen könnten auch Hohlkörper, die von unten über eine Drainageschicht befüllt werden und oben entlüftet sind, eingesetzt werden. Ebenso kann es sinnvoll sein, die Wandungen der Wasserspeicherelemente 8 mit Entlüftungsöffnungen 21 zu versehen (vgl. Ausschnitt der 2). Sind die Öffnungen in den Seiten bzw. Seitenbereichen 8a groß bzw. zu groß, können diese mittels eines Vlieses, eines Geotextils 20 oder dergleichen vor dem Eindringen von Füllmaterial aus der Bodenzone 7 geschützt werden.
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Insbesondere ist es sinnvoll, dass die Wasserspeicherelemente 8 aus Gründen der Belüftung eine Luftschicht 15 umfassen. Diese kann sich insbesondere über rund 10cm oberhalb des Wasserspiegels des Wassers 14a in den Wasserspeicherelementen 8 erstrecken. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, ggf. alternativ oder zusätzlich zu Entlüftungsöffnungen 21, die Wasserspeicherelemente 8 mit einer Be- und Entlüftungseinrichtung 5 zu versehen. So kann Sauerstoff der darüber liegenden Bodenzone 7 zugeführt werden.
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Die Befüllung des Systems 100 mit Wasser 14a kann einerseits durch Befüllen des Systems 100 von außen erfolgen. Hierzu kann beispielweise Regenwasser von angeschlossenen Dachflächen oder versiegelten oder teilversiegelten oder sonstigen Umgebungsflächen mit einem gewissen Ablauf in das System 100 geleitet werden. Alternativ kann dieses Wasser aus der Umgebung über einen Damm in einem Zwischenreservoir aufgefangen und von dort in das System 100 geleitet werden. Ebenso kann Wasser in einem Retentions- oder Speicherbecken 16 gesammelt und an das System 100 abgegeben werden. Eine weitere Wasserquelle wäre naheliegendes Grundwasser 11. Zudem kann über Einsickern des Niederschlags Wasser über die Oberfläche der Bodenzone 7 bzw. über die Wasserspeicherzone 14 in das Wasserspeicher- und Bewässerungssystem 100 gelangen. Hervorzuheben ist, dass die ständige Durchfeuchtung des Bodens über die Kapillare dessen Versickerungsfähigkeit bei einem Regenereignis enorm verbessert. Es ist ein Kernproblem, dass ausgetrocknete Böden mit hohem Lehmanteil kein Wasser versickern. Nach langen Trockenperioden kann also der Boden zunächst kein Wasser mehr aufnehmen. Dies kann zudem zu Überschwemmungen führen. Das erfindungsgemäße System 100 bietet somit den erheblichen Vorteil, dass das Niederschlagswasser optimal dem System 100 zugeführt werden kann und nicht abläuft. Auch kann über diesen Weg einer Versalzung der oberen Bodenschicht entgegengewirkt werden.
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Unterhalb der Wasserspeicherelemente 8 kann weiterhin eine Folie 6 vorgesehen sein. Die Folie 6 kann als Wanne zur Abdichtung des Systems 100 dienen. Die Wasserspeicherelemente 8 können ggf. direkt auf die Folie 6 gestellt werden, wenn diese stabil genug ist. Alternativ kann ein Geotextil zwischen Folie 6 und Wasserspeicherelemente 8 gelegt werden, um die Folie 6 vor Schäden zu schützen. Bei entsprechender Ausbildung, ggf. vergleichbar mit einer Art Folienwanne, kann die Folie 6 zur Retention von Wasser innerhalb bzw. oberhalb des Systems 100 genutzt werden.
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Unterhalb der Folie 6 bzw. der Folienwanne kann darüber hinaus eine Drainageschicht bzw. ein Drainagesystem 12 vorgesehen sein, um überschüssiges Wasser und/oder Überlaufwasser, beispielsweise entstanden aus Niederschlägen, in die Fläche zu verteilen und/oder abzuleiten und eine Versickerung des überschüssigen Wassers zu ermöglichen, falls das System 100 mit ausreichend Wasser versorgt ist. Hierbei ist es denkbar, dass das Wasser an der Seite der Folie 6 überlaufen und dann unterhalb des Systems 100 verteilt werden kann. Vor einer Installation ist es darüber hinaus sinnvoll, Grundwasserstände und Versickerungsfähigkeit zu prüfen. Ebenso ist es denkbar, das Wasser über Überlaufschächte nach einer gewissen Aufstauhöhe in die Drainageschicht 12 zu führen. Eine derartige Ausgestaltung kann insbesondere dann sinnvoll sein, damit der Boden beispielsweise bei Starkregen nicht abgespült wird. Weiterhin ist es denkbar, Wasser 14a über einen Ablauf 9 bzw. ein Ablauforgan 10 oder aus dem System in eine Entwässerung abzuleiten, insbesondere in den Boden zu leiten bzw. im Boden versickern zu lassen. So kann insbesondere der Grundwasserstand 11 aufgefüllt werden.
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Die Speicherkapazität des Wasserspeicher- und Bewässerungssystems 100 kann daher auch als Retentionsvolumen dienen und Überschwemmungen verhindern. In einer weiteren Ausführungsform des Systems 100 kann, wie bereits erwähnt, ein Ablauf 9 des Systems mit einem geregelten Ablauforgan 10 ausgestattet sein. Das System 100 kann derart aufgebaut sein, dass ein Teil des Volumens immer als Retentionsvolumen zur Verfügung steht und bei Überschreitung generell entleert wird. Alternativ kann das Wasserspeicher- und Bewässerungssystem 100 mit einer automatischen Steuerung mit Regenvorhersage ausgestattet werden. Hierdurch ist es möglich zu ermitteln, wieviel Niederschlag zu erwarten ist, sodass das System 100 ggf. entleert werden kann, um ein möglichst großes Retentionsvolumen bereit zu stellen und einen Beitrag für den Überflutungsschutz zu liefern.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform ist es zudem denkbar, die Wasserspeicherelemente 8 auf einer Drainageschicht 18 anzuordnen. Hierdurch kann das Wasser in die Wasserspeicherelemente 8 verteilt werden, die über Rohre oder Öffnungen entlüftet sind. Die Drainageschicht 18 kann dabei mit einem Geotextil 19 von der überlagernden Bodenzone 7 separiert werden. (vgl. 2)
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Da der Boden infolge der kapillaren Wirkung vorzugsweise durchfeuchtet ist, ist es oftmals sinnvoll, eine Verdunstung zu minimieren, um unnötigen Wasserverlust zu vermeiden. Hierzu kann es notwendig sein, Elemente zur Verdunstungsminimierung 2 im Bereich der Bepflanzung 1 einzusetzen. Eine sehr effiziente Methode ist der parallele Anbau großblättriger Pflanzen, wie beispielsweise Kürbis, dessen Blätter die Verdunstung minimieren. Alternativ kann auch der Boden mit Blättern z.B. von Maispflanzen oder Mulch etc. abgedeckt werden. Über die Zeit kann dieses organische Material in den Boden untergraben werden und erhöht so den Humusanteil im Boden und trägt Nährstoffe ein, um eine Düngung zu minimieren.
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Eine weitere Möglichkeit ist die Ausbringung einer Deckfolie. Für die Setzlinge können Löcher in diese Folie geschnitten werden. Idealerweise ist die Folie von unten nach oben impermeabel, jedoch von oben nach unten permeabel. Optimalerweise besteht die Folie aus einem organisch zersetzbaren Material, so kann sie nach einiger Zeit in den Boden untergraben werden.
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Eine weitere Variante ist der Einsatz einer kapillarbrechenden Schicht aus Bodengruppen der Klasse F1 (grobkörnige Böden, Sande und Kiese). Wurzeln der Bepflanzung 1 sollten dabei die Schicht durchwachsen können. Hierbei ist es sinnvoll, wenn das genutzte Material vor Ort wirtschaftlich vorhanden ist. Damit sich das Material nicht in den Boden eingräbt, kann es notwendig sein, dieses durch ein Geotextil vom darunter liegenden Boden geeigneter Weise zu separieren.
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Bei einem Zulauf von Wasser aus einer externen Quelle kann dieses in eine Reihe von Wasserspeicherelementen 8 geführt werden, die vorzugsweise über einen Kontrollschacht inspiziert und gespült werden können. Dies ermöglicht eine einfache Reinigung der Wasserspeicherelemente 8. Werden als Wasserspeicherelemente 8 Tunnelgeometrieen verwendet, ist dies besonders vorteilhaft, da der Boden unterhalb der Tunnel von etwaigen Sedimenten gereinigt werden kann. Diese Elemente ermöglichen zudem eine Exportfähigkeit des Systems, da sie für den Transport gestapelt werden können.
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Ein gravierendes Problem in der heutigen Landwirtschaft ist die Versalzung von Böden. Eine Versalzung des Bodens kann über ansteigenden Grundwasserspiegel, durch Bewässerung zusammen mit Evapotranspiration und auch durch Bodenerosion verursacht werden. Ab 900 µS/cm gilt Wasser als mittel bis stark salzhaltig und eignet sich erfahrungsgemäß nur noch für die Bewässerung von sehr salzverträglichen Pflanzen auf gut dräniertem Boden. Bei dem erfindungsgemäßen Wasserspeicher- und Bewässerungssystem 100 kann zunächst eine geringe Verdunstung erreicht werden, was zu einem geringen Salzeintrag beiträgt. Die salzarmen Niederschläge, die im Speichersystem 100 gesammelt werden, tragen zudem zu einer geringen Salzkonzentration bei. Sollte es über die Düngung und andere Einträge zu einer Salzanreicherung kommen und ein definierter Grenzwert vorzugsweise zwischen 100 und 2000 µS/cm überschritten werden, kann dies beispielsweise über einen Leitfähigkeitssensor 13 erfasst werden. Das Wasser 14a kann dann aus den Wasserspeicherelementen 8 über einen Ablauf 10 abgelassen und das System 100 so entsalzt werden, ohne den Boden austauschen zu müssen.
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Da die Wasserspeicherelemente 8 vorzugsweise untereinander hydraulisch über Rohre 9 oder über eine Verteilerlage verbunden sein können, können dem Wasser auch Nährstoffe oder andere Stoffe für die Bewässerung zugeführt werden. Hierzu kann das Wasser dem Ablauf 10 entnommen werden, wobei über eine Dosierung 17 beispielsweise die Nährstoffe zugeführt werden können. Diese können auf derartige Weise in das System 100 eingebracht werden, dass eine gleichmäßige Durchmischung entsteht. Beispielsweise könnte neben dem System 100 auch eine Fischfarm betrieben werden, um so die Vorteile der Aquaponik zu nutzen.
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Die Systeme 100 können mit Größen von wenigen Quadratmetern bin hin zu mehreren tausend Quadratmetern ausgeführt werden. Die gesamte Aufbauhöhe, bestehend aus der Bodenzone 7 bzw. der Wasserspeicherzone 14 und der Wurzelzone 3, für die Systeme 100 erstreckt sich vorzugsweise zwischen 50 cm und 250 cm.
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Eine hier im Ausführungsbeispiel nicht näher beschriebene Option wurde oben mehrfach erläutert, so dass sie an dieser Stelle nicht nochmals anhand eines konkreten Anwendungsfalles bildlich illustriert werden muss. So ist mit der vorliegenden Erfindung auch ein Wasserspeicher-, Bewässerungs- und/oder Befeuchtungssystem zur flächigen unterflurigen Bewässerung und/oder Befeuchtung von nicht landwirtschaftlich, d.h. von anderweitig genutzten Flächen offenbart. Dies können insbesondere auch bebaute und/oder baulich versiegelte oder teilversiegelte Areale sein, wie sie besonders häufig in urbanen Räumen vorliegen. Das Wasserspeicher-, Bewässerungs- und/oder Befeuchtungssystem umfasst auch für diese genannten Einsatzzwecke zumindest eine flächige und kapillarische Eigenschaften aufweisende Bodenzone, welche im Boden unterhalb einer wasserdurchlässigen Schicht des bebauten und/oder baulich versiegelten oder teilversiegelten Areals angeordnet ist.
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Für solche Einsatzzwecke in urbanen Räumen und baulich stark versiegelten Bereichen kann das Unterflurbewässerungssystem vorteilhafterweise solchermaßen konfiguriert sein, dass eine wünschenswerte möglichst große Verdunstungsrate erreicht wird. Auf diese Weise kann gezielt Regenwasser zurückgehalten und unterflurig zwischengespeichert werden, um in Hitzeperioden gezielt einer Verdunstung zugeführt zu werden, um auf diese Weise die angestrebten Kühlungseffekte zu erzielen. Im Idealfall können auf diese Weise städtische Hitzeinseln gekühlt und lebensfreundlicher gestaltet werden.
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Außerdem ist auf diese Weise eine Möglichkeit gegeben, überschüssiges Wasser abzuleiten und zwischenzuspeichern. Die dadurch erzielbare Klimabilanz kann aufgrund einer erreichbaren Kühlungswirkung von ca. 700 kWh/m3 verdunstetem Wasser positiv beeinflusst werden. Somit ist im Falle von Regenwasser mit dem erfindungsgemäßen Unterflurbewässerungssystem eine Regenwasserretention mit gezielter Verdunstungsmöglichkeit zur Verfügung, was im Gegensatz zu bestehenden Systemen, bei denen es einen Ablauf für das Retentionsvolumen gibt, zahlreiche Vorteile bietet. Statt das Wasser ungenutzt abzuleiten, wird es einer klimatisch günstigen Verdunstung zugeführt.
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Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch für einen Fachmann vorstellbar, dass Abwandlungen oder Änderungen der Erfindung gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bepflanzung
- 2
- Elemente zur Verdunstungsminimierung
- 3
- Wurzelzone
- 4
- Geotextil
- 5
- Be- und Entlüftungseinrichtung
- 6
- Abdichtung, Folie
- 7
- Bodenzone
- 8
- Wasserspeicherelemente
- 8a
- Seiten, Seitenflächen oder -bereiche
- 9
- Ablauf/ Verteilungsrohre
- 10
- Ablauforgan
- 11
- Grundwasser
- 12
- Drainageschicht
- 13
- Leitfähigkeitssensor
- 14
- Wasserspeicherzone
- 14a
- Wasser
- 15
- Luftschicht
- 16
- Retentions- oder Speicherbecken
- 17
- Dosierung
- 18
- Drainage unter Wasserspeicherelementen
- 19
- Geotextil
- 20
- Geotextil
- 21
- Entlüftungsöffnungen im Wasserspeicherelement
- 50
- Landwirtschaftlich genutzte Flächen
- 100
- Wasserspeicher- und Bewässerungssystem
