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Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse J. Sartor Seminarreihe Regionale Wasserwirtschaft in Theorie und Praxis

Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse J. Sartor Seminarreihe Regionale Wasserwirtschaft in Theorie und Praxis Belastung der Kanalisation durch Außengebietszuflüsse und gewässerseitiges Hochwasser - FH Trier, 19. Mai 2011.

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Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse J. Sartor Seminarreihe Regionale Wasserwirtschaft in Theorie und Praxis

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  1. Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse • J. Sartor • Seminarreihe Regionale Wasserwirtschaft in Theorie und Praxis • Belastung der Kanalisation durch Außengebietszuflüsse • und gewässerseitiges Hochwasser - • FH Trier, 19. Mai 2011

  2. Grundsätzliches- Die folgendes Ausführungen beruhen weitgehend auf dem Anhang des entsprechenden DWA-Arbeitsberichts (KA 8/2008)- Es werden nur instationäre Verfahren (Modelle) im Sinne von DWA-A 118 und DWA-M 165 beschrieben. Für einfache Ansätze wie Zeitbeiwert oderKalweit gestaltet sich die Ermittlung der zeitlichen Überlagerung mit der Welle aus dem Kanalnetz als schwierig.

  3. Phasen des Niederschlags-Abfluss-Prozesses

  4. Ansätze • Niederschlagsbelastung:Statistische Modellregen, Naturregenserien (Langzeitsimulation) • Abflussbildung: Es werden drei Abflussbeiwertansätzebeschrieben (robust, beinhalten empirisch die komplexen hydrologischen Mechanismen). Hinsichtlich Verlustratenansätzen (besondere Eignung für haltungsbezogene Teileinzugsgebiete) und Bodenspeichermodellen (hoher Anspruch an Datenerhebung und Bearbeiter) wird auf die Literatur verwiesen • Abflusskonzentration: Es wird ein Speicherkaskadenmodell beschrieben, das für Flächengrößen unter 10 km2 entwickelt wurde

  5. Niederschlagsereignis (Seriensimulation) mit hN = 30 mm über D = 2 h am 15. Juni mit folgendem Vorregenverlauf (ResttagehN = 0) Temperaturdaten liegen nicht vor; Basisabfluss ~ 0 Gebiet: AE = 50 ha; je 50 % Kartoffelanbau und mitteldichter Wald; sandiger Lehmboden; Längster Fließweg L = 900 m, zugehörige Höhendifferenz Δ H =20 m  J = 20/900 = 0,0222; L/(J)0,5 = 6,0 km BerechnungsbeispielDie Berechnungsansätzewerden anhand folgendem Beispiel dargestellt:

  6. L:längster Fließweg vom Gebietsauslass (Einlauf ins Kanalnetz) dem Talverlauf folgend bis zur Wasserscheide Δ H = HO – HU : zugehörige Höhendifferenz J = Δ H / L Ermittlung von Fließlänge L und Gefälle J

  7. 1. Abflussbeiwertermittlung Der Abflussbeiwert ist definiert zu   Ψ = hNe/hN [-] (≠ Spitzenabflussbeiwert ΨS !) mit hNe: effektive Niederschlagshöhe [mm] hN: Niederschlagshöhe [mm] 1.1 SCS-Verfahren Beschrieben u.a. in DVWK-Regel 113 Originalverfahren mitSchwächen, daher zahlreiche Modifikationen (z.B. sog. Verlustverhältnis 0,05 statt 0,2) und Weiterentwicklungen, z.B. nach Øverland und Zaiß Originalverfahren dient hier nur zur Bestimmung des CN-Wertes

  8. Bodentyp A: Böden mit großem Versickerungsvermögen, auch nach starker Vorbefeuchtung, z.B. tiefe Sand- und Kiesböden Bodentyp B: Böden mit mittlerem Versickerungsvermögen, tiefe bis mäßig tiefe Böden mit mäßig feiner bis mäßig grober Textur, z.B. mitteltiefe Sandböden, Löß, (schwach) lehmiger Sand Bodentyp C: Böden mit geringem Versickerungsvermögen, Böden mit feiner bis mäßig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht, z.B. flache Sandböden, sandiger Lehm Bodentyp D: Böden mit sehr geringem Versickerungsvermögen, Tonböden, sehr flache Böden über nahezu undurchlässigem Material, Böden mit dauernd sehr hohem Grundwasserspiegel Bodentypen nach SCS

  9. (mittlere) Bodenfeuchteklasse BFK II CN-Wert nach SCS  CNII = 0,5 x 87 + 0,5 x 73 = 80

  10. Variabler Abflussbeiwert in Abhängigkeit von Bodenfeuchte zu Ereignisbeginn (ermittelt aus Vorregenindex, statt 3 BFK) sog. Verlustverhältnis VV = 0,1 (0,2 bei Original-SCS-Verfahren) aktuell aufsummierter Niederschlagshöhe (bis zum betrachteten Zeitintervall) Vorregenindizes bei fehlenden Temperaturdaten (vereinfacht): (aktuell) (Jahresmittel) mithN,j: Niederschlag am j-ten Tag; k = 0,9(Rückgangsfaktor) tk: Anzahl der Jahre; tg: Anzahl der Tage im Jahr (tg = 365) VNakt = 0,9415 + 0,9515 + 0,91015 + 0,91510 + 0,92015 = 29,24 mm MVN = 36,93 mm 1.2 Erweitertes SCS-Verfahren nach Øverland

  11. bodenfeuchteabhängiger CN-Wert CNbf sog. BodenspeicherkapazitätS(laut Org.verfahren) bodenfeuchteabhängiger Anfangsverlust Ibf(für Gefälle = 0) Ibf= 0,1 S  MVN/VNakt=0,1  71,2  36,93/29,24 = 8,99 mm fürLaubwald, Ackeroder Brache Anfangsverlust HVA (in Abhängigkeit des Gebietsgefälles G ~ J) HVA = Ibf e-G K= 8,99 e-0,0222 1 = 8,8 mm mit K = Faktor, wählbar zwischen 1 und 6; hier gewählt: K = 1 (geringer Einfluss)

  12. sog. Infiltration F (Verluste) bis zum aktuellen Zeitintervall i effektiver Niederschlag hNe,i zeitlich variabler Abflussbeiwert Ψi Der resultierende Effektivregenverlauf wird für die 3 behandelten Ansätze zusammenfassend dargestellt

  13. Variabler Abflussbeiwert in Abhängigkeit von Bodenfeuchte zu Ereignisbeginn (ermittelt aus Vorregenindex, statt 3 BFK) sog. Verlustverhältnis VV = 0,05 („modifiziertes“ SCS-Verfahren) aktuell aufsummierter Niederschlagshöhe (bis zum betrachteten Zeitintervall) Vorregenindex: Jahreszeitabhängiger Abminderungsfaktor c (zwischen 0,8 und 0,9): c = 0,796 e0,0047  WZ = 0,796 e0,0047  8 = 0,827 Hydrologische Wochenzahl WZ: 31. Kalenderwoche: WZ = 1 (Ende Juli/Anfang August) 30./32. " WZ = 2 29./33. " WZ = 3 (Mitte Juli und Mitte August) ׃ ׃15. Juni WZ = 8 7./3. " WZ = 25 4.-6. " WZ = 26 (Januar/Februar) VN21 = 0,827415 + 0,827515 + 0,8271015 + 0,8271510 + 0,8272015 = 16 mm 1.2 Erweitertes SCS-Verfahren nach Zaiß

  14. CNI-Wert und Anfangsverlust AV0 gemäß Originalverfahren (für VN21 = 0) Parameter B1 (hier vereinfacht, ansonsten Eichfaktor) Anfangsverlust AV AV = AV0 e-VN21/B1= 7,4 e-16/37,1= 4,8 mm zeitlich variabler Abflussbeiwert Ψi(imaktuellen Zeitintervall i)

  15. Baut teilweise auf SCS-Verfahren auf Unterscheidung in undurchlässige und durchlässige Flächenanteile Vereinfachungen gemäß Empfehlungen der Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg Undurchlässige Flächen (vereinfacht): hNe,u = (hN - AVu) Ψu BEF = (hN – 1,0) BEF mit BEF: VersiegelungsgradBEF ~ 0  hNe,u = 0 Durchlässige Flächen Gesamtfläche:hNe = hNe,u + hNe,d; Ψ = hNe/hN 1.3 Verfahren nach Lutz

  16. Anfangsverlust AVd[mm] AVd = 0,5  2,0 + 0,5  3,0 = 2,5 mm Endabflussbeiwert CEnach Original-SCS-Verfahren bei hN = 250 mm HVA = 0,2 S = 0,2  63,5 = 12,7 mm CE = 187,2/250 = 0,75 Einzelparameter durchlässige Flächen

  17. (vereinfacht) Eichparameter C1(zwischen 0,02 und 0,05); gewählt: C1 = 0,035 Eichparameter C2(zwischen 2,0 für Nadelwald, Weiden, Wiesen und 4,62 für Intensivlandwirtschaft, Laubwald); gewählt: C2 = 3,0 Basisabflussspende qB; für Synthese wird Mittelwasserspende empfohlen; gewählt: Mq = 15 l/(skm2) Einzelparameter durchlässige Flächen – Teil 2

  18. ØverlandZaißLutz Effektivregenverläufe nach Øverland, Zaiß und Lutz

  19. Liegen keine Messwerte zur Kalibrierung vor, so empfehlen DVWK-R 113 und DVWK-S 124 die Doppelspeicherkaskade mit je n = 2 Speichern. Zugehörige Übertragungsfunktion: Parameterermittlung nach Euler für AE < 10 km2 (L/(J)0,5 = 6,0 km< 10 km): 2. Abflusskonzentration - Parameterermittlung für die Doppelspeicherkaskade

  20. Abflussscheitel: 291 l/s nach Øverland 284 l/s nach Zaiß 265 l/s nach Lutz Ergebnisse

  21. Vielen Dank ! Ihre Fragen ?

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