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1 Regionale Wasserwirtschaft 2011 Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse 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 Regionale Wasserwirtschaft 2011 Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse 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 oder Kalweit gestaltet sich die Ermittlung der zeitlichen Überlagerung mit der Welle aus dem Kanalnetz als schwierig.

3 Regionale Wasserwirtschaft 2011 Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse Phasen des Niederschlags-Abfluss-Prozesses

4 Regionale Wasserwirtschaft 2011 Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse Ansätze Niederschlagsbelastung:Statistische Modellregen, Naturregenserien (Langzeitsimulation) Niederschlagsbelastung: Statistische Modellregen, Naturregenserien (Langzeitsimulation) Abflussbildung: Es werden drei Abflussbeiwertansätze beschrieben (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 Abflussbildung: Es werden drei Abflussbeiwertansätze beschrieben (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 km 2 entwickelt wurde Abflusskonzentration: Es wird ein Speicherkaskadenmodell beschrieben, das für Flächengrößen unter 10 km 2 entwickelt wurde

5 Regionale Wasserwirtschaft 2011 Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse Berechnungsbeispiel Berechnungsbeispiel Die Berechnungsansätze werden anhand folgendem Beispiel dargestellt: Niederschlagsereignis (Seriensimulation) mit h N = 30 mm über D = 2 h am 15. Juni mit folgendem Vorregenverlauf (Resttage h N = 0) (Resttage h N = 0) Temperaturdaten liegen nicht vor; Basisabfluss ~ 0 Gebiet: A E = 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 J = 20/900 = 0,0222; L/(J) 0,5 = 6,0 km Vortag j h Nd,j [mm]

6 Regionale Wasserwirtschaft 2011 Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse Ermittlung von Fließlänge L und Gefälle J L: längster Fließweg vom Gebietsauslass (Einlauf ins Kanalnetz) dem Talverlauf folgend bis zur Wasserscheide Δ H = H O – H U : zugehörige Höhendifferenz J = Δ H / L

7 Regionale Wasserwirtschaft 2011 Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse 1. Abflussbeiwertermittlung Der Abflussbeiwert ist definiert zu Ψ = h Ne /h N [-] ( Spitzenabflussbeiwert Ψ S !) mit h Ne : effektive Niederschlagshöhe [mm] h N : Niederschlagshöhe [mm] 1.1 SCS-Verfahren Beschrieben u.a. in DVWK-Regel 113 Originalverfahren mit Schwächen, 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 Regionale Wasserwirtschaft 2011 Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse Bodentypen nach SCS Bodentyp A: B ö den mit gro ß em Versickerungsverm ö gen, auch nach starker Vorbefeuchtung, z.B. tiefe Sand- und Kiesb ö den Bodentyp B: B ö den mit mittlerem Versickerungsverm ö gen, tiefe bis m äß ig tiefe B ö den mit m äß ig feiner bis m äß ig grober Textur, z.B. mitteltiefe Sandb ö den, L öß, (schwach) lehmiger Sand Bodentyp C sandiger Lehm Bodentyp C: B ö den mit geringem Versickerungsverm ö gen, B ö den mit feiner bis m äß ig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht, z.B. flache Sandb ö den, sandiger Lehm Bodentyp D: B ö den mit sehr geringem Versickerungsverm ö gen, Tonb ö den, sehr flache B ö den ü ber nahezu undurchl ä ssigem Material, B ö den mit dauernd sehr hohem Grundwasserspiegel

9 Regionale Wasserwirtschaft 2011 Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse CN-Wert nach SCS (mittlere) Bodenfeuchteklasse BFK II Bodennutzung CNII für Bodentyp C A B C D Ödland (ohne nennenswerten Bewuchs, z.B. Schwarzbrache) HackfrüchteKartoffeln Hackfrüchte (Reihenkultur wie Kartoffeln, Mais, Rüben o.ä.), Wein Wein (Terrassen) Getreide, Futterpflanzen (Klee, Luzerne o.ä.) Weide (normal) (karg) Dauerwiese Wald Wald (stark aufgelockert) (mitteldicht bestockt) (dicht bestockt) Undurchlässige Flächen (versiegelter Anteil von Ortschaften, Strassen usw.) CNII = 0,5 x ,5 x 73 = 80 CNII = 0,5 x ,5 x 73 = 80

10 Regionale Wasserwirtschaft 2011 Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse 1.2 Erweitertes SCS-Verfahren nach Øverland 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) mit h N,j : Niederschlag am j-ten Tag; k = 0,9 (Rückgangsfaktor) tk:Anzahl der Jahre; tg: Anzahl der Tage im Jahr (tg = 365) VN akt = 0, , , , , = 29,24 mm MVN = 36,93 mm

11 Regionale Wasserwirtschaft 2011 Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse bodenfeuchteabhängiger CN-Wert CN bf sog. Bodenspeicherkapazität S (laut Org.verfahren) bodenfeuchteabhängiger Anfangsverlust I bf (für Gefälle = 0) = 0,1 71,2 36,93/29,24 = 8,99 mm I bf = 0,1 S MVN/VN akt = 0,1 71,2 36,93/29,24 = 8,99 mm Laubwald, Acker für Laubwald, Acker oder Brache ~ J Anfangsverlust HVA (in Abhängigkeit des Gebietsgefälles G ~ J) = 8,99 e -0, = 8,8 mm HVA = I bf e -G K = 8,99 e -0, = 8,8 mm hier gewählt: K = 1 (geringer Einfluss) mit K = Faktor, wählbar zwischen 1 und 6; hier gewählt: K = 1 (geringer Einfluss)

12 Regionale Wasserwirtschaft 2011 Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse sog. Infiltration F (Verluste) bis zum aktuellen Zeitintervall i effektiver Niederschlag h Ne,i zeitlich variabler Abflussbeiwert Ψ i Der resultierende Effektivregenverlauf wird für die 3 behandelten Ansätze zusammenfassend dargestellt

13 Regionale Wasserwirtschaft 2011 Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse 1.2 Erweitertes SCS-Verfahren nach Zaiß 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): = 0,796 e 0, = 0,827 c = 0,796 e 0,0047 WZ = 0,796 e 0, = 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 ׃ ׃ 15. Juni WZ = 8 7./3. " WZ = " WZ = 26 (Januar/Februar) VN21 = 0, , , , , = 16 mm

14 Regionale Wasserwirtschaft 2011 Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse CNI-Wert und Anfangsverlust AV 0 gemäß Originalverfahren (für VN21 = 0) Parameter B1 (hier vereinfacht, ansonsten Eichfaktor) Anfangsverlust AV = 7,4 e -16/37,1 = 4,8 mm AV = AV 0 e -VN21/B1 = 7,4 e -16/37,1 = 4,8 mm zeitlich variabler Abflussbeiwert Ψ i (im aktuellen Zeitintervall i)

15 Regionale Wasserwirtschaft 2011 Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse 1.3 Verfahren nach Lutz Baut teilweise auf SCS-Verfahren auf Unterscheidung in undurchlässige und durchlässige Flächenanteile Vereinfachungen gemäß Empfehlungen der Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg Undurchlässige Flächen (vereinfacht): h Ne,u = (h N - AV u ) Ψ u BEF = (h N – 1,0) BEF BEF ~ 0 h Ne,u = 0 mit BEF: Versiegelungsgrad BEF ~ 0 h Ne,u = 0 Durchlässige Flächen Gesamtfläche: h Ne = h Ne,u + h Ne,d ; Ψ = h Ne /h N

16 Regionale Wasserwirtschaft 2011 Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse Einzelparameter durchlässige Flächen Anfangsverlust AV d [mm] AV d = 0,5 2,0 + 0,5 3,0 = 2,5 mm AV d = 0,5 2,0 + 0,5 3,0 = 2,5 mm Endabflussbeiwert C E nach Original-SCS-Verfahren bei h N = 250 mm S = 0,2 63,5 = 12,7 mm HVA = 0,2 S = 0,2 63,5 = 12,7 mm C E = 187,2/250 = 0,75 FlächennutzungBodentyp nach SCS C A B C DLandwirtschaftWald 2,0 7,0 4,0 2,0 1,5 3,0 8,0 5,0 3,0 2,5

17 Regionale Wasserwirtschaft 2011 Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse (vereinfacht) gewählt: C 1 = 0,035 Eichparameter C 1 (zwischen 0,02 und 0,05); gewählt: C 1 = 0,035 gewählt: C 2 = 3,0 Eichparameter C 2 (zwischen 2,0 für Nadelwald, Weiden, Wiesen und 4,62 für Intensivlandwirtschaft, Laubwald); gewählt: C 2 = 3,0 gewählt: Mq = 15 l/(s km 2 ) Basisabflussspende qB; für Synthese wird Mittelwasserspende empfohlen; gewählt: Mq = 15 l/(s km 2 ) Einzelparameter durchlässige Flächen – Teil 2

18 Regionale Wasserwirtschaft 2011 Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse Effektivregenverl ä ufe nach Ø verland, Zai ß und Lutz Ø verland Zaiß Lutz

19 Regionale Wasserwirtschaft 2011 Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse Liegen keine Messwerte zur Kalibrierung vor, so empfehlen DVWK-R 113 und DVWK-S 124 die Doppelspeicherkaskade mit je n = 2 Speichern. Zugehörige Übertragungsfunktion: L/(J) 0,5 = 6,0 km Parameterermittlung nach Euler für A E < 10 km 2 (L/(J) 0,5 = 6,0 km < 10 km): 2. Abflusskonzentration - Parameterermittlung für die Doppelspeicherkaskade

20 Regionale Wasserwirtschaft 2011 Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse Abflussscheitel: 291 l/s nach Øverland 284 l/s nach Zaiß 265 l/s nach LutzErgebnisse

21 Regionale Wasserwirtschaft 2011 Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse Vielen Dank ! Ihre Fragen ?


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