Groen/blauwe daken: functioneren in beeld

Dit artikel beschrijft hoe met enkele eenvoudige metingen en simulaties met buien en tijdreeksen in RainTools het functioneren van een groen/blauw dak goed in beeld is te brengen.
 
De effectiviteit van het functioneren groen/blauwe daken is voor het waterbeheer lastig te beoordelen. Pogingen tot normering hiervan zijn weinig behulpzaam. Dit artikel beschrijft een pragmatische benadering gebaseerd op een paar eenvoudige metingen en RainTools-simulaties. Het artikel bestaat uit de volgende onderdelen:

• Principe opbouw dak en functioneren.
• Meten functioneren (proeven).
• Simuleren functioneren (voorbeelden).
• Functioneren samengevat.

 
Principe opbouw dak en functioneren
Een groen/blauw dak is opgebouwd uit twee lagen: de substraat- en de drainagelaag. De substraatlaag is het groene (begroeide) deel van het dak dat het regenwater bergt en verdampt. De drainagelaag daaronder voert het overtollige water vanaf het dak af naar de omgeving. In RainTools is het functioneren van een groen/blauw dak beschreven in de vorm van de elementaire basisprincipes van water bergen, verdampen, afvoeren en overlopen (figuur 1):

Figuur 1. Schematisering van het functioneren van een groen/blauw dak in RainTools
 
De substraatlaag vangt het regenwater op in een vochtberging waar het water wordt vastgehouden en van waaruit het water verdampt naar de atmosfeer. Als de waterberging in de substraatlaag vol is, loopt het water over naar de daaronder liggende drainagelaag. De drainagelaag kan water bergen en vertraagd afvoeren en heeft ook een vochtberging van waaruit het water alleen kan verdampen.
 
Als de berging in de drainagelaag vol is, treedt de overloop van het dak in werking. Het vertragen van de afvoer van een dak betekent dat de berging op het dak meer en langer gevuld is. Sterker vertragen van de afvoer betekent bij zwaardere buien dat de berging in de drainagelaag sneller vol is en de overloop dus ook sneller gaat werken.
 
De overloop van een dak is essentieel om de constructieve veiligheid te waarborgen. Het is dus belangrijk dat de capaciteit van een overloop ruim voldoende groot is, om een extra (dynamische) opbouw van waterberging op het dak te vermijden.
 
Het is niet verstandig om door het begrenzen van de overloopcapaciteit extra waterberging op het dak te realiseren. Dat geeft een onduidelijk en overbodig risico. Meer waterberging is eenvoudig en eenduidiger te realiseren met een dikkere substraatlaag of een drainagelaag met meer statische waterberging (onder het niveau van de overloop). Het vermijden van onzekerheden in het functioneren van het dak maakt het functioneren van het dak eenvoudiger en transparanter.
 
Meten functioneren (parameters)
Om het functioneren van een groen/blauw dak voldoende nauwkeurig te kunnen schematiseren (beschrijven), moeten we de volgende parameters meer of minder nauwkeurig kennen:

• Verdamping substraat- en drainagelaag (seizoenafhankelijk).
• Maximale (effectieve) waterberging in de substraatlaag.
• Maximale (effectieve) waterberging in de drainagelaag.
• Maximale afvoer uit de drainagelaag.
• Indicatie vertraging afvoer uit de drainagelaag.

 
Verdamping
De verdamping is redelijk goed in te schatten, vooral voor de bekende materialen. Per saldo is de inschatting van de grootte van de verdamping belangrijker als de vochtberging kleiner is. Vanaf een dak met relatief weinig vochtberging verdampt al veel water, de meerwaarde van extra vochtberging is beperkt, vooral als het gaat om langetermijneffecten. Bij kortetermijneffecten van extreme buien is het veel belangrijker om meer water/vochtberging te realiseren.
 
Waterberging
De waterberging in een substraatlaag is eenvoudig te meten met proefstukken, door het gewicht van een gedroogd proefstuk te vergelijken met een verzadigd proefstuk, dat na onderdompelen enige tijd is uitgelekt. 24 uur uitlekken zoals sommige voorschriften beschrijven, is eigenlijk niet nodig, een paar uur is voldoende.
De waterberging in een drainagelaag is eenvoudig in situ te meten, door de afvoer van het dak af te sluiten en te meten hoeveel water het dak kan bergen zonder dat de overloop gaat werken.
 
Afvoer
Het verloop van afvoer uit de drainagelaag is in situ te meten door de afsluiting van de afvoer te openen en op een aantal tijdstippen het afgevoerde volume te meten. Het volume over de eerste 5 minuten geeft daarbij een goede indicatie van de maximale afvoer van de geheel gevulde waterberging op het dak. Naarmate de vulling van het dak gedurende de proef afneemt, zal ook de afvoer van het dak afnemen.
 
Figuur 2. Afvoerverloop (tijd) bij leegloop van een dak met een waterberging van 40 mm, maximale afvoer van 30 mm/h, voor vertragingsfactoren die variëren van: 0 (geen); 0,5 (wortel); 1 (lineair); 2 (kwadratisch) en 3 (derde macht)
 
Vertraging
Met het verloop van de afvoer in de tijd is een vertragingsfunctie te bepalen. Het volume op een tijdstip is het totale volume op het dak minus het gemeten afgevoerde volume. Die meetpunten zijn zo uit te zetten in de grafiek (figuur 2), waarna de afvoerfactor van de best passende lijn is te kiezen. Deze vertragingsfactor hoeft niet heel nauwkeurig te zijn, omdat het effect op het functioneren van het dak (relatief) beperkt is.
 
Simuleren functioneren (rekenvoorbeelden)
Na metingen en schatting van alle parameters is het functioneren van het dak te voorspellen met een rekenmodel zoals RainTools, zowel voor de korte-termijneffecten met zware/extreme buien of de langetermijneffecten met neerslagreeksen. Op de korte termijn gaat het vooral om het effect van het dak in relatie tot water op straat en wateroverlast. Bij de langetermijneffecten gaat het om de hoeveelheid water die een dak kan verdampen en vertraagd kan afvoeren naar de riolering. Meer water verdampen, betekent minder afvoer naar de rwzi. En meer water vertraagd afvoeren, betekent ook minder overlopen van de riolering naar het oppervlaktewater en minder water op straat/wateroverlast.
 
Simulaties met bui10
In dit artikel laten we met enkele eenvoudige rekenvoorbeelden voor het functioneren van een blauw dak zien, waarbij onderscheid is gemaakt tussen één of drie afvoerpunten per 50 m2 dak. In dit voorbeeld is het verloop van de afvoer van het dak hydraulisch berekend. Het effect van de substraatlaag is hier achterwege gelaten.
 
Het functioneren van het dak is eerst geanalyseerd met bui10 (35 mm in 45 minuten). De basis in een wijkje met vier woningen met blauwe daken en een straatoppervlak aangesloten op een rioolstelsel (figuur 3, links).
 
Figuur 3. Resultaatscherm RainTools voor simulatie met bui10, waarbij twee situaties zijn vergeleken voor blauwe daken met één of drie afvoerpunten per 50 m2 plat dakoppervlak.
 
Het resultaatscherm (figuur 3, rechts) toont het verloop van de vulling van water- en vochtberging in het systeem op het dak, op straat en in het rioolstelsel, voor de situaties met daken die één (links) of drie (rechts) afvoerpunten per 50 m2 dakoppervlak hebben. Het lichtgroene vlak geeft het verloop van de waterberging op straat weer. De berekening laat zien dat een snellere afvoer van het dak met meer afvoerpunten ook tot meer en langduriger water op straat leidt.
 

Figuur 4. Volledige waterbalans wijk voor simulatie met bui10, waarbij twee situaties zijn vergeleken voor blauwe daken met één (links) of drie (rechts) afvoerpunten per 50 m2 plat dakoppervlak
 
Hetzelfde resultaat in een andere vorm ziet u in figuur 4. In deze balans zijn ook waterstromen opgenomen, zoals de verdamping vanuit de vochtberging en de lediging van het rioolstelsel. Een snellere afvoer vanaf het dak via meer afvoerpunten betekent niet alleen meer water op straat, maar ook meer overloop van het rioolstelsel naar het oppervlaktewater.
 
Uit deze resultaten is de balans op jaarbasis nog niet zo goed te beoordelen. Maar meer overloop naar het oppervlaktewater zal ook leiden tot minder regenwaterafvoer naar een rwzi, vooral bij de zwaardere buien.
 
Figuur 5. Waterberging op daken (tijd) voor simulatie met de bui10, waarbij twee situaties zijn vergeleken voor blauwe daken met één (links) of drie (rechts) afvoerpunten per 50 m2 plat dakoppervlak
 
Het verloop van de waterberging op de daken in tijd (figuur 5) toont ook duidelijk het verschil tussen de situaties met één of drie afvoerpunten. Minder afvoerpunten betekent dat de berging in de drainagelaag voller wordt. De berging op het dak raakt in beide situaties niet helemaal vol, omdat het verloop van de grafiek van de berging op het dak bij de top niet is afgeplat. De berging heeft zijn maximum niet bereikt.
 
Simulaties met bui Herwijnen
De simulaties met bui10 zijn ook uitgevoerd met de veel extremere bui Herwijnen (94 mm in 70 minuten).
 
Figuur 6. Resultaatscherm RainTools voor simulatie met bui Herwijnen, waarbij twee situaties zijn vergeleken voor blauwe daken met één of drie afvoerpunten per 50 m2 plat dakoppervlak
 
Ook bij bui Herwijnen zien we een verschil tussen daken met één of drie afvoerpunten (zie figuur 6). Het effect op de omvang van de wateroverlast (beide groot!) is in de grafiek niet heel duidelijk te zien. Het aantal afvoerpunten is hier minder van belang, omdat de daken hier snel helemaal volraken en dus gaan overlopen. Uit de berekeningen blijkt dat de wateroverlast bij drie afvoerpunten nauwelijks groter is. Bij de daken met één afvoerpunt hebben de overlopen flink gewerkt en bij de daken met drie afvoerpunten was dat vrijwel niet het geval (figuur 7).
 
Figuur 7. Waterbalans daken voor simulatie met bui Herwijnen, waarbij twee situaties zijn vergeleken voor blauwe daken met één of drie afvoerpunten per 50 m2 plat dakoppervlak
 
De waterbalans van de daken (figuur 7) laat zien dat de daken met één afvoerpunt bij een extreme bui sneller overlopen, omdat de waterberging op het dak via de afvoer trager leegloopt. Een tragere afvoer heeft hier wel enig effect op het verminderen van wateroverlast (zie figuur 6), maar per saldo is dat effect klein. Bij de daken met één afvoerpunt zien we de afgeplatte top in het verloop van de vulling van de waterberging in de drainagelaag, op dat moment is die berging vol en werkt de overloop.
 
Simulaties met 15-minutenneerslagreeks
Om nu te beoordelen hoe die daken op de langere termijn functioneren, zijn simulaties uitgevoerd met de 15-minutenneerslagreeks van De Bilt, periode 1960-1969. Veel mensen denken dat deze reeks verouderd is. Maar om de trends in langetermijneffecten te beoordelen, is dat minder van belang. De reeks heeft een tijdresolutie van 15 minuten en dat is voor het functioneren van de riolering belangrijker. Met een uursommenreeks is het functioneren van de riolering minder eenduidig te simuleren, die tijdstap is voor rioleringsberekeningen eigenlijk te groot.
 
Figuur 8 Volledige waterbalans wijk voor simulatie met 15-minutenneerslagreeks De Bilt, periode 1960-1969, waarbij twee situaties zijn vergeleken voor blauwe daken met één of drie afvoerpunten per 50 m2 plat dakoppervlak
 
De resultaten van de simulatie met de neerslagreeks (zie figuur 8) laten zien dat in de situatie met drie afvoerpunten per dak het overloopvolume van het rioolstelsel wat groter is. Een snellere dakafvoer bij meer afvoerpunten betekent ook dat er minder water verdampt, dus blijft de regenwaterafvoer naar de rwzi ongeveer gelijk. Voor de afvoer naar de rwzi vallen de effecten van meer overloopvolume en minder verdamping tegen elkaar weg.
 
Functioneren samengevat
Met enkele eenvoudige proeven kunnen we de belangrijkste eigenschappen van een groen/blauw dak snel meten. Met RainTools kunnen we het functioneren van groen/blauwe daken dan vrij nauwkeurig voorspellen en de effecten goed zichtbaar maken met het verloop van de waterbalans van het dak in de tijd. Het functioneren van het dak is ook door te vertalen naar bijvoorbeeld het functioneren van een rioolstelsel waarop de afvoer van daken is aangesloten.
 
In dit artikel hebben we voorbeelden getoond om de werking van daken in beeld te brengen en onderling te vergelijken. Veel vragen zijn nog open. Vooruitlopend op de uitwerking van de resultaten van de aanvullende gevoeligheidsanalyse zijn de belangrijkste conclusies:

• Voor het bergen van water op een dak is een goed functionerende onbelemmerde (nood)overloop noodzakelijk.
• Heel veel berging is nodig om een extreme bui te kunnen verwerken op een groen/blauw dak.
• Relatief weinig vochtberging is nodig om een groot deel van de jaarlijkse neerslag te verdampen.
• Alleen afvoervertraging heeft weinig effect op het verwerken van extreme buien. De grootste afvoer van een blauw dak vindt plaats tijdens de vulling van de waterberging. Om de waterberging beter te benutten is sturing nodig of misschien een sterk gelimiteerde afvoer.
• Meer afvoervertraging heeft wel een effect op water op straat en het overlopen van de riolering bij de wat zwaardere buien.

Gevoeligheidsanalyse
Heel spannend zijn de reeksresultaten nog niet. In dit artikel gaat het om alleen blauwe daken met weinig vochtberging. Toch zien we hier al een flink deel van de neerslag verdampen. Bij groen/blauwe daken is de vochtberging in de substraatlaag veel groter. Met RainTools kunnen we de effecten voor alle denkbare situaties zichtbaar maken op wateroverlast, werking van de overstort en afvoer naar de rwzi. In aanvulling op dit artikel doen we daarom nog een gevoeligheidsanalyse op de belangrijkste kenmerken van groen/blauwe daken, zoals de berging in de substraatlaag en de afvoer(vertraging) uit de drainagelaag. Deze analyse publiceren we in een volgende editie van RIONEDnieuws.