im rahmen der seminarreihe der fh trier regionale wasserwirtschaft in theorie und praxis - belastung...
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Im Rahmen der Seminarreihe der FH Trier Regionale Wasserwirtschaft in Theorie und Praxis
- Belastung der Kanalisation durch Außengebietsabflüsse und gewässerseitiges Hochwasser-
Bearbeitung: Dipl.-Ing. Peter Moche
Abflüsse aus AußengebietenArbeitsbericht der DWA-Arbeitsgruppe ES- 2.6
„Abfluss- und Schmutzfrachtsimulation“, veröffentlicht in der KA 2008 Nr.8
19.05.2011INGENIEURBÜRO FÜR BAUWESEN UND UMWELTSCHUTZ
Dipl.-Ing. R. Lenhard GmbH, Bad Kreuznach2
Inhalt
• Grundlagen• Größenangaben• Berechnungsansätze• Hinweise zur Anwendung• Schlussbemerkung
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Grundlagen
Außengebiete- sind nach ATV-DVWK-M 165„... größere Teilgebiete ohne nennenswertemAnteil undurchlässiger Flächen, die ein eigenesoberirdisches Entwässerungssystem aufweisenund in ein Kanalnetz einmünden.“
- Die „Einmündung“ ist grundsätzlich zuvermeiden, kann aber aus wirtschaftlichen oderaufgrund der örtlichen Randbedingungennicht verhindert werden.
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Grundlagen
Oberflächenabfluss von Außengebieten
[Wohlrab/Ernstberger/Meuser/Sokolek 1992: Landschaftswasserhaushalt]
N: Niederschlag
NF: durch die Veg. gefallener N
NT: von Veg. abtropfender N
NK: Kronendurchlass NK = NF+NT
NS: an Baumstämmen und Pflanzenstengeln abfl. N
NB: Anteil des N der auf die Bodenoberfläche gelangtNB = NF +NT+NS
A: Abfluss
A=A0+AI+AG+AUA-AK-AUZ
A0: Oberflächenabfluss(wenn NB > AS1)
AS1: NW das in den Wurzelraum einsickert
AS2: NW vom Wurzelraum in die nicht durchw. Absickert
AS3: Anteil der dem GW zusickertAI: Interflow, NW d. über dem
GW-Leiter abfließt (Return flow wenn NW wieder zu Tage tritt)
AG: GrundwasserAUA: unterirdischer AbstromAUZ: unterirdischer ZustromAK: Kapillarer Wasseraufstieg
[Zeichen und Einheiten ≠ATV-DVWK-A198]
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Grundlagen
Abhängigkeiten des Oberflächenabflusses
• Niederschlagsintensität und –dauer• Vegetation• Topographie, Oberflächengefälle• Infiltrationskapazität der Bodenschichten
- Durchlässigkeit der einzelnen Bodenschichten(Makro- und Mikroporen)
- Aktuelle Bodenfeuchte (bis zur Sättigung) (z.B. durch vorangeg. Niederschläge und/oder oberflächennahes GW)
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Größenangaben
Literaturangaben• voralpines EZG
35% Waldanteil max. 70 l/(s ha)97% Waldanteil max. 30 l/(s ha)
(Messreihe von 1902 bis 1993) [Forster/Keller/Rickenmann/Röthlisberger 1994: Schweizerische Zeitschrift für das Forstwesen, „Hochwasser“]
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Reduzierung bei zunehmender - Größe des EZG- Bewuchsdichte- Bodendurchlässigkeit- Temperatur- Rauheit der Geländeoberfläche
Größenangaben
Literaturangaben• Hochgebirge 30 l/(s ha)
Mittelgebirge 20 l/(s ha)Flachland 1-5 l/(s ha)
- [ATV (Hrsg.) 1994: ATV-Handbuch „Planung der Kanalisation“]
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Größenangaben
Literaturangaben
Abflussspenden aus natürlichen Einzugsgebieten [l/(s ha)][ATV-AG 1.2.6, KA 4/1999: Regenwasserbewirtschaftung in Siedlungsgebieten zur Angleichung an natürliche Abflussverhältnisse]
Gefällegruppen
IJs< 1%
II1%≤Js≤4%
III4%≤Js≤10%
IVJs>10%
0 – 5 5 - 10 10 - 15 15 – 20
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Größenangaben
Pegelwerte (N-A Messungen)
Bsp. : NRW, Nordeifel KyllgebietEZG Grisselsiefen Esterbach
Pegel Baasem Berk
Größe 0,33 km² 0,49 km²
Nutzung fast vollst. Wald
Untergrund schuffiger Lehm (Devon)
Messreihe 15 Jahre 27 Jahre
Gefälle 8,5% 8,2%
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Größenangaben
Pegelwerte (N-A Messungen)
Abflussspenden in [l/(s ha)]
Wiederkehrzeit Tn [a] 1 2 5 10 20 50
Abfluss-spende
[l/(s ha)]
Pegel Baasem
(1975-1989)
3 4 6 7 9 11
Pegel Berk
(1963 - 1989
4 6 8 10 13 16
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Berechnungsansätze
Abflussbildung(Berechnung des Effektivregens)• Abflussbeiwertansätze• Verlustratenansätze• Bodenspeichermodelle
AbflusskonzentrationAbflussganglinie mit zeitlichen Verlauf der Abflusswelle
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Berechnungsansätze
Abflussbildung• Abflussbeiwertansätze
- z.B. mittlerer Abflussbeiwert Ψm = hw/hn
- Abhängigkeiten je nach Verfahren:Bodenart, Bewuchs, GefälleVorregen, JahreszeitNiederschlagshöhe und Dauer
- Verfahren: SCS, mod. d. ZAIß, ØVERLAND,...- vergleichsweise einfache und transparente
Berechnungsverfahren
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Berechnungsansätze
Abflussbildung• Verlustratenansätze
- Bilanzierung von Niederschlag und Infiltrationsrate in Zeitabschnitten
- Abhängigkeiten:Muldenverluste (Oberfläche, Vegetation) Bodeneigenschaften
- Verfahren: z.B. nach HORTON, PAULSEN, ...
- geeignet für haltungsbezogene EZG, weniger für AG mit unterirdischen Abflusskomponenten
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Berechnungsansätze
Abflussbildung• Bodenspeichermodelle
- i.d.R. sehr komplex und sensitiv
- physikalisch basierte Eingangsdaten
- hohen Aufwand bei der Datenerhebung, Modellerstellung und Berechnung
- Ergebnisgenauigkeit nicht zwangsläufig höher
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Berechnungsansätze
Abflusskonzentration
beschreibt die Umwandlung ... des Niederschlags
... in eine Abflussganglinie unter Berücksichtigung
der Translation und der Retention (näherungsweise).
Verfahren (wenn Ganglinie nicht gemessen wurde):• Einheitsganglinienverfahren• Standard-Einheitsganglinie• Lineare Speicherkaskade
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Berechnungsansätze
Abflusskonzentration• Einheitsganglinienverfahren
Einheitsganglinie aus Übertragungsfunktion(aus DVWK-Katalog mit Übertragungsf.) mit den Gebietsparametern:
AE: Größe des Einzugsgebietes
L: längster Fließweg...
H: Höhendifferenz im EZG
J: Gefälle im EZG[DVWK 1982 u. 1988: Katalog von Übertragungsfunktionen, Bonn]
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Berechnungsansätze
Abflusskonzentration• Standard-Einheitsganglinie
Einheitsganglinie aus Übertragungsfunktion(nach VERWORN und HARMS) mit den Gebietsparametern:
AE: Größe des Einzugsgebietes
L: längster Fließweg...
H: Höhendifferenz im EZG
J: Gefälle im EZG ...[Verworn/Harms; Wasserwirtschaft, 7-8/1980; Die Standardeinheitsganglinie – eine gebiets-übergreifende Systemfunktion]
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Berechnungsansätze
Abflusskonzentration• Doppelspeicherkaskade
(wenn keine Kalibriermöglichkeit besteht)
Einheitsganglinie mit Übertragungsfunktionnach WACKERMANN (1981) und Parametern
nach EULER (s. SCHRÖDER 1999) wenn AE< 10 km²
[DVWK 1999: Schrift Nr. 124, „Hochwasserabflüsse“, Bonn][Schröder 1999: Grundlagen des Wasserbaus, Köln]
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Hinweise zur Anwendung
• Die Berechnung von Außengebietsabflüssenbei Kanalnetz- bzw. Flussgebietsmodellen können erheblich differieren.
- Verlustratenansätze ergeben im Regelfall zu hohe Außengebietsabflüsse -
- Realitätsnähere Ergebnisse bei Anwendung der üblichen Methoden der Flussgebietsmodelle auch ohne Kalibrierung -
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Hinweise zur Anwendung
• Ansatz als Außengebiet ggf. schon ab 5 bis 10 ha
• Grundsätzlich sind alle in DWA-A 118 und ATV-DVWK-M 165 genannten Niederschlags-belastungen bei Außengebieten anwendbar
• Langzeitsimulation anwenden, wenn ungünstigste Abflusskombi. nicht erkennbar ist
• Bei hohem Einfluss der Außengebietsabflüsseauf die Kanalisation bzw. damit verbundenen Invest.kosten –Modellkalibrierung!
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Schlussbemerkung
• Einige Parameter der verwendeten Verfahren sollten anhand von Messdaten kalibriert werden.
Da Messdaten nur in sehr geringem Umfang vorliegen, besteht diesbezgl. erheblicher Forschungsbedarf.
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit[Foto: J. Sartor]
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Musterhausen
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[Foto: J. Sartor]
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[Foto: J. Sartor]
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