Ursachen des Wurzeleinwuchses in Kanälen

Quelle: AFZ-DerWald, 63. Jahrgang, Heft 8, S. 400-403

Dipl.–Biol. Dr. Markus Streckenbach,
Prof. Dr. Thomas Stützel, Dr.-Ing. PD Bert Bosseler

In Kanäle einwurzelnde Pflanzen verursachen enorme Schäden. Bislang wurde angenommen, dass das in den Rohren fließende Wasser den Stimulus für das Einwachsen liefert. Voraussetzung wäre dann eine, wenn auch minimale, Undichtigkeit der Rohrverbindung, damit die Wurzel diese entlang eines Feuchtigkeitsgradienten finden kann. Bereits in ersten Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass diese zunächst einleuchtende Vermutung nicht mit der Realität übereinstimmen kann.

Einleitung

Wertet man Inspektionsvideos aus, so zeigt sich, dass die eindringenden Wurzeln an den Rohrverbindungen regelrechte Vorhänge oder Polster bilden, die aber überwiegend über der mittleren Wasserlinie liegen. Analysiert man Schadensfälle genauer, so sieht man, dass die Eintrittsstelle der Wurzeln in das Rohr oberhalb der mittleren Wasserlinie im Rohr liegt. Lecks können aber nur unterhalb der Wasserlinie zu Wasserverlust führen, oberhalb eindringende Wurzeln passen nicht zu den gängigen Vorstellungen. Da Wurzeln durch Mauerwerk in Keller oder durch Dichtungsbahnen hindurch in Räume unter Flachdächern einwachsen, ohne dass von dort Flüssigkeit als Stimulus ausgehen kann, wären auch ohne nähere Untersuchungen an der “Leck-Hypothese” erhebliche Zweifel angebracht gewesen.

Die gängigen Prüfverfahren zur Wurzelfestigkeit von Rohrverbindungen zielen darauf ab, aus der Dichtheit bei Scherlastwirkung auf die Festigkeit gegenüber Wurzelwuchs zu schließen. Sie legen damit eine Hypothese zum Wurzeleinwuchs zugrunde, die weder durch die bisherigen Beobachtungen bestätigt noch einer experimentellen Überprüfung unterzogen wurde.

In einer vom Ministerium für Umwelt, Naturschutz Landwirtschaft und Verbraucherschutz (MUNLV) des Landes NRW geförderten Studie konnte gezeigt werden, dass Wurzeln das Rohr entlang eines Dichtegradienten finden und nicht entlang eines Feuchtegradienten. Weiter wurde deutlich, dass die von Wurzeln aufgebrachten Kräfte weit über den Werten liegen, denen die meisten Rohrverbindungen widerstehen können. Diese Untersuchungen liegen als Abschlussbericht für das MUNLV NRW im Internet als PDF-Datei vor (download unter www.ikt.de). Im Folgenden wird auf die wichtigsten Ergebnisse dieser Studie Bezug genommen sowie die Ergebnisse der seither durchgeführten Arbeiten vorgestellt.

Offen geblieben war, wie die Wurzel die Dichtung selbst überwindet, da die Dichtung in jedem Fall der Wurzel einen größeren Widerstand bietet als der davor liegende Ringspalt. Das so genannte Dichtefallenmodell erscheint deswegen für den eigentlichen Eindringvorgang problematisch. Offen geblieben war auch, wie groß das Problem in der Realität tatsächlich ist. Es gibt zwar die bekannten Schäden. Es gibt sogar Versicherungen, die versuchen, die Schadensregulierung mit der Begründung abzulehnen, schon das Vorhandensein eines Baumes in der Nähe einer Rohrleitung erfülle bereits den Tatbestand der Fahrlässigkeit. Abgesehen davon, dass sich diese Versicherungen bisher mit dieser Auffassung nicht durchsetzen konnten, muss die Zahl der Schäden auch in Relation zu der Zahl der möglichen Kontakte von Wurzel und Leitung gesehen werden.

Ergebnisse früherer Untersuchungen

Die Wurzelhaube (Calyptra) der Wurzel ist kein Schutzorgan, sondern das eigentliche aktive “Bohrsystem”. Sie verformt sich in die Richtung, aus der ihr der geringste Widerstand entgegengebracht wird, leitet die Wurzel so in das Substrat geringerer Dichte oder in Hohlräume und hält sie dort gefangen (Dichtefalle). In Hohlräumen des Substrates oder in Rohren wird die feuchte Calyptra durch Adhäsionskräfte an der Oberfläche des angrenzenden Substrates festgehalten und in den weiter anschließenden Bereichen durch Wurzelhaare an der Wand des Hohlraumes fixiert.

Im Rohr sterben Wurzeln, die in das Schmutzwasser eintauchen, relativ rasch ab und werden durch Detergenzien (in Reinigungs- und Spülmitteln verwendete Stoffe, die u.a. die Wasseroberflächenspannung herabsetzen) “eingeweicht”. Dieser Prozess ist je nach Art der Schmutzwässer innerhalb weniger Tage abgeschlossen. In Regenwasserrohren vertrocknen die Wurzeln in Phasen ohne Regen, werden aber nicht zerstört, sondern bilden dicke Matten auf der Kanalsohle.

Über den eigentlichen Penetrationsvorgang konnte wenig ermittelt werden. Es war lediglich klar, dass die Überwindung der Dichtung nicht auf dem kürzesten Weg direkt erfolgt, sondern dass zuerst der gesamte Ringspalt durch Wurzeln ausgefüllt wird und erst danach die Dichtung überwunden wird. Es war auch klar, dass dieser Vorgang mehrere Jahre dauern kann. Sicher nachgewiesen wurden Zeiträume von 5 Jahren vom Erreichen des Ringspaltes bis zum Überwinden der Dichtung. Diese Zeiträume sind unter dem Gesichtspunkt der Gewährleistung von Bedeutung. Der zeitliche Verlauf von Abtötung und Mazeration (Zerfall von pflanzlichem Gewebe in seine Zellen) von Wurzeln wurde in Laborversuchen in Schmutzwasser untersucht. In Wachstumsversuchen wurde direkt gemessen, welche Kräfte Wurzeln an der Spitze in Längsrichtung und in radialer Richtung ausüben können. Dabei wurden Werte von deutlich über 10 bar festgestellt. Das bedeutet, dass Rohrverbindungen nur bei kleinen Nennweiten und auch bei diesen nur von wenigen Systemen auf Unüberwindbarkeit ausgelegt werden können.

Ziel war es daher, in weiteren Studien Kombinationen von Rohrverbindungen, Bettungs- und Verfüllmaterialien zu finden, die im Verein die geforderte Sicherheit vor Durchwurzelungen aufweisen.

Ergebnisse der neuen Studien

Einwuchsexperimente mit Weidenstecklingen

In diesen zuerst von einer australischen Arbeitsgruppe durchgeführten “outside-in”-Versuchen wird eine Rohrverbindung so senkrecht gestellt, dass das Glockenende der Verbindung nach oben zeigt. Das eingeschobene Spitzende wird durch einen umgestülpten Blumentopf verschlossen und die ganze Anordnung von einem weiteren Blumentopf eingehüllt. Die Anordnung wird dann mit Gartenerde gefüllt und mit Weidensteckhölzern direkt über dem offenen Ringspalt versehen. Auf diese Weise lassen sich innerhalb einiger Wochen zuverlässig eingewurzelte Ringspalte erzielen. Im weiteren Verlauf kann ebenso zuverlässig der Vorgang der Überwindung der Dichtung und auch der zeitliche Verlauf untersucht werden. Die Überwindung folgte in allen Fällen dem selben Schema.

In den Ringspalt eingedrungene Wurzeln wuchsen auf der Dichtung um das Rohr herum. Seitenwurzeln dieser anliegenden Wurzeln dringen aus dem inneren der Wurzel exakt im rechten Winkel hervor. Da die Kraft senkrecht ausgeübt wird und auch kein Raum für seitliches Ausweichen der Wurzelspitze vorhanden ist, kann die Wurzel den physiologisch maximal möglichen Druck auf die Stelle ausüben, an der Rohr und Dichtung aneinander anliegen. Selbst durch feine Kratzer am äußeren Rand der Dichtungslippe wird der Eindringungsvorgang offenbar deutlich begünstigt. Dies ist wichtig, da diese minimalen Oberflächenschäden keinerlei Auswirkung auf die Dichtigkeitsprüfung mit Überdruck von innen haben. Bei den auf Baustellen erzielbaren Rahmenbedingungen sind solche Mikroschäden völlig unvermeidbar. Hat eine Wurzel erst einmal die Dichtung überwunden, so bilden sich unmittelbar neben ihr neue Seitenwurzeln, die durch die gebahnte Pforte nun leichter in die Leitung einwachsen können und den weiteren Schadensverlauf unter Umständen deutlich beschleunigen. Das bedeutet, dass eine Wurzelfestigkeit des Dichtungssystems nur bei den extrem hohen Anpressdrucken erzielbar ist, wie sie bei kleinen Nennweiten beim Einsatz von duktilen Gussrohren erreichbar sind. Bei allen anderen Systemen muss sichergestellt werden, dass die Wurzel gar nicht erst in den Ringspalt einwachsen kann. Wie noch gezeigt werden wird, ist dies kleinräumig in unmittelbarer Nähe der Rohrverbindung möglich, sodass sich aufwändige Schutzmaßnahmen für den gesamten Rohrgraben erübrigen, wenn nicht Kontakte von Wurzel und Leitung aus anderen Gründen verhindert werden müssen.

Rohrverbindungen vor Wurzeleinwuchs schützen

Bereits innerhalb des ersten vom MUNLV geförderten Projektes wurden Experimente mit geschichteten Substraten durchgeführt, die gezeigt haben, dass Wurzeln in dichtere Substrate nicht einwachsen können. Als dichtes Substrat ohne einwurzelbare Porenräume wurde Bentonit verwendet. In den neuen Experimenten wurde in einer rechteckigen Pflanzkiste mit den Innenmaßen 960 x 360 x 160 mm (= Volumen ca. 55 l) ein Wall aus Bentonit eingebracht. Eine Pappel wurde auf der einen Seite eingepflanzt. Nach einem Jahr wurde die Seitenwand herausgenommen und das Bentonit herausgespült. Die Wurzeln wuchsen nicht durch das Bentonit hindurch, sondern an diesem entlang. Denkbar wäre es, dass Ähnliches im Rohrgraben dann auch zwischen Leitung und Rohraußenwand passieren wird. Überschlagsrechnungen haben aber ergeben, dass sich die nahezu schwarzen Kisten bei Sonneneinstrahlung im Sommer an der Außenseite so stark erwärmen, dass die Temperaturdifferenz außen/innen zu einer leichten Auswölbung und damit zu einem einwurzelbaren Spalt führen. Sicherheitshalber wurden die Versuche mit in die Kisten eingebauten Rohrverbindungen wiederholt. Die Öffnung der Versuche steht aber noch aus. In der Tiefe, in der Rohre normalerweise verlegt sind, treten derart steile Temperaturdifferenzen wie zwischen der Innen- und Außenseite der Pflanzkisten nicht auf.

Die Experimente legen nahe, dass es nicht erforderlich ist, den gesamten Rohrgraben vor Einwurzelungen zu schützen, sondern dass es genügt, den unmittelbaren Muffenbereich zu schützen. Dies gilt nicht, wenn bei oberflächennah verlegten Leitungen das Risiko weniger in der Einwurzelung als in der Übertragung von Windlasten in Form von Scher- und Hebelkräften auf die Leitungen gerechnet werden muss. In Tiefen von über 1,5 m und damit bei den meisten Entwässerungssystemen sollte dieser Aspekt jedoch keine Rolle mehr spielen.

Untersuchungen zum Risiko von Wurzelschäden an Leitungen

Zum Risiko von Durchwurzelungsschäden gibt es verschiedene Angaben, die aber alle einer genauen Prüfung nicht standhalten. So gibt es Listen zur potenziellen Gefährlichkeit von Gehölzen. Diese können sich nur auf die Zahl der festgestellten Schadensfälle pro Baumart beziehen. Es ist z. B. nicht verwunderlich, dass Ahorn und Platane im städtischen Bereich besonders häufig vertreten sind. Es wundert sich ja auch niemand, dass z. B. der VW Golf selbst in England häufiger in Unfälle verwickelt ist als der Rolls Royce. Es fahren davon einfach viel mehr herum. Während wir bei den Kfz-Zulassungen die relevanten Bezugsgrßen kennen, wissen wir nicht, wie viele Individuen von den einzelnen Arten theoretisch die Möglichkeit gehabt hätten, überhaupt in ein Rohr einzuwachsen, und wie viele es davon dann getan haben.

Die Schadenshäufigkeit wird gerne aus unterschiedlichen Gründen dramatisiert. Es gibt Städte, die mit diesem Argument in schöner Regelmäßigkeit arbeiten, wenn eigene Bäume aus irgendwelchen Gründen stören und man ihre Beseitigung aufgrund des mühsam aufgebauten öffentlichen Umweltbewusstseins nicht mehr ohne weiteres durchsetzen kann. Es gibt auch Firmen, die von Kanalinspektionen leben und denen von daher ebenfalls durchaus an einer gewissen Intensität des Problembewusstseins gelegen ist. Bei nüchterner Betrachtung muss man konstatieren, dass in den allermeisten Fällen nichts passiert.

Normalerweise kann man nur im Falle von Schäden im Rahmen der Schadensbehebung bei lokalen Aufgrabungen untersuchen was passiert ist und versuchen zu verstehen, warum es passiert ist. Die Gegenprobe, warum in Fällen nichts passiert ist, in denen im Prinzip von der Lage von Baum und Leitung her etwas hätte passieren können, verbietet sich aus technischen und aus KostengrÜnden normalerweise. Wer kann schon eine intakte und voll funktionsfähige Leitung ausgraben und auseinander nehmen lassen, nur weil es eben interessant ist.

Die Gelegenheit dies zu tun, bot sich 2007 im Gebiet des geplanten Braunkohletagebaus Garzweiler II. Nach der Umsiedelung der Bewohner standen ganze Dörfer oder zumindest große Teile davon leer. Hier war es möglich, ohne Zeitdruck geeignet erscheinende Leitungen auszugraben und sogar die Rohrverbindungen herauszutrennen, ohne die Systeme wieder instand setzen zu müssen. Bei diesen Untersuchungen zeigte sich, dass der Bereich des Rohres im Leitungsgraben nicht immer deutlich bevorzugt ist und dass sich unter Umständen die vorhangartigen Wurzelverläufe an der Grabenwand einstellen, auch ohne dass die Wurzeln durch Folien oder Platten von einem direkten Einwuchs in den Graben abgehalten werden. In fast allen untersuchten Fällen kamen die Wurzeln mehrfach mit der Leitung in Kontakt, ohne dass eine Einwurzelung stattfand.

Andere Risikofaktoren

Im Rahmen eines durch die DBU geförderten Gemeinschaftsprojekts zwischen dem IKT, der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und dem Da sich ein Zusammenhang zwischen der Gehölzart und dem Einwuchsrisiko nicht zeigen ließ, wurde nach anderen möglichen Faktoren gesucht. Bei der Aufnahme von Schadensfällen stellten wir zu unserer Überraschung fest, dass der schadenverursachende Baum entgegen unseren Erwartungen oft nicht der am nächsten an der Schadstelle stehende war, sondern ein älterer, weiter weg stehender. In vielen Fällen schien es, als sei der schadenverursachende Baum der einzige, der zum Zeitpunkt des Leitungsbaues schon vorhanden und so groß gewesen war, dass durch den Leitungsgraben der Wurzelraum angeschnitten wurde. Das lässt sich ohne genaue Altersangaben für Baum und Leitung schwer belegen. Aber es konnten in Göttingen Leitungen ausgegraben werden, die erst wenige Jahre zuvor bereits saniert und teilweise bereits wieder verwurzelt waren. Hier konnte man sehr gut sehen, dass die Regeneration der Wurzeln nach der Einkürzung durch den Grabenbau sehr rasch erfolgt.

Das bedeutet, dass die regenerierenden Wurzeln dem sich setzenden Feinerdeanteil nach dem Dichtefallenprinzip folgen und so besonders schnell in den Bereich des Rohres geraten. Erreichen sie es, bevor sich der Ringspalt der Muffe zugesetzt hat, können sie leicht einwachsen und dann den Schaden verursachen, wie er in den “outside-in”-Versuchen mit WeidensteckIingen sich so leicht erzeugen ließ. Es scheint, dass Leitungsbau in vorhandenem Bestand generell mit einem höheren Risiko von Schäden durch Wurzeln verbunden ist, als wenn z.B. in Neubausiedlungen Bäume erst nach Abschluss der Erdarbeiten gepflanzt werden. Dieser Umstand erklärt möglicherweise, warum die meist nachträglich gepflanzten Koniferen in den Hausgärten trotz ihrer großen Häufigkeit in Siedlungsräumen so selten als Verursacher auftreten. Erfolgt in bestehender Bebauung nachträglich ein Anschluss an die Kanalisation oder wird dieser später im Rahmen von Kanalerneuerungen ebenfalls erneuert, so erscheint das Risiko besonders hoch. Dies hat offenbar nicht nur mit teilweise erschreckend unsachgemäß ausgeführten Anschlussarbeiten zu tun, sei es durch Firmen oder in “do-it-yourself-Manier”, sondern auch mit den beschriebenen Regenerationsphänomenen.

Folgerungen für die Praxis der Stadtbegrünung

Betrachtet man das Problem etwas weniger aufgeregt, so ist zu erkennen, dass die Risiken geringer sind als man das gemeinhin glaubt. Gefährdet sind in erster Linie Leitungen aus einer bestimmten Bauperiode, etwa der Zeit von 1960 bis 1990. Danach wurde durch bessere Dichtungssysteme, aber vor allem durch eine verbesserte Bauausführung und Kontrolle vor der Abnahme das Risiko deutlich reduziert. Eine Rolle mag auch spielen, dass in dieser Zeit die Erweiterung des Kanalnetzes in bestehendem Siedlungsgebiet einen Höhepunkt erreichte und dort die Risiken besonders groß sind. Betrachtet man die Lebensdauer eines Stadtbaumes und die eines Schmutz- oder Regenwasserkanals, so kann man sagen, dass die Lebensdauer des Kanals in der Regel gleich oder größer ist als die des Baumes. Einen geeigneten Schutz der Rohrverbindung selbst vorausgesetzt, gibt es keinen Grund, Bäume nicht in den Grabenraum tief liegender Kanäle einwurzeln zu lassen. Man kann ihnen gerade dort den Wurzelraum schaffen, der in Städten fast immer sehr knapp bemessen ist. Da der beschränkte Wurzelraum einer der wichtigsten Gründe für schlechten Wuchs, hohen Pflegeaufwand und Schäden in oberflächennahen Bereichen darstellt, ist dies durchaus eine sinnvolle Maßnahme für besseres Stadtgrün. Während Gärtner die Nichtbefahrbarkeit des Wurzelraumes als den entscheidenden Grund gegen ein solches Konzept ansehen, ist mit geeigneten Substraten längst gezeigt worden, dass sich Überfahrbarkeit und Eignung als Wurzelraum nicht ausschließen.

Von flach liegenden Versorgungsleitungen sollte man Wurzeln allerdings nach Möglichkeit fern halten. Zum einen wird in diesen Bereichen in viel zu kurzen Abständen wieder aufgegraben, zum anderen bildet die Sohle von flach liegenden Gräben der Versorgungsleitungen einen meist schwer durchdringbaren Wurzelhorizont mit der Gefahr, dass Hebelkräfte auf die Leitungen übertragen werden können und so Schäden verursacht werden. Es scheint allerdings wenig hilfreich, dieses Fernhalten mit Absperrtechnologien bewerkstelligen zu wollen. Entweder überwindet der Baum sie oder er schwächelt und stirbt zuletzt ab. In jeder Beziehung erfolgversprechender und in der Regel nicht teurer ist es, dem Baum andere und bessere Alternativen als Wurzelraum anzubieten.

Schlussbetrachtung

Die bisherigen Erkenntnisse lassen hoffen, dass weitere Verbesserungen möglich sind, wenn die Ergebnisse der bereits abgeschlossenen Untersuchungen in sinnvoller Weise in die Regelwerke von FLL und DWA eingeflossen sind. Grüne Städte mit dauerhaft funktionierender unterirdischer Infrastruktur sind möglich! Man muss es wollen - aber Wollen alleine reicht nicht, man muss es auch können.