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Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I Themen: Vorlesung 5 Abflusskomponenten Abflussspendencharakteristik Hauptzahlen.

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1 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I Themen: Vorlesung 5 Abflusskomponenten Abflussspendencharakteristik Hauptzahlen des Abflusses Wasserstandsmessungen Wasserstands-Abfluss Beziehungen

2 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken analysieren anwenden verstehen erinnern Lehrziele der Veranstaltung erschaffen bewerten … und wissen, worauf sie zurückzuführen sind. Sie kennen die verschiedenen Abflusskomponenten … Sie kennen die Hauptzahlen des Abflusses … … und können die Überschreitungswahrscheinlichkeiten einschätzen. Sie können geeignete Messverfahren zur Ermittlung der Abflüsse auswählen und beschreiben.

3 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken N iederschlag = A bfluss + V erdunstung + S peicheränderung Gutes neues Jahr !!! Das Wasserhaushaltsjahr in der Bundesrepublik Deutschland beginnt bereits 2 Monate vor dem Beginn des Kalenderjahres Es dauert somit vom 1. November des Vorjahres bis zum 31. Oktober des Kalenderjahres X dS= 0 für den Zeitraum

4 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Definition gemäß DIN 4049 Allgemein: Unter dem Einfluss der Schwerkraft auf und unter der Landoberfläche sich bewegendes Wasser. Quantitativ: Wasservolumen, das einen bestimmten Querschnitt in der Zeiteinheit durchfließt und einem Einzugsgebiet zugeordnet ist. Abfluss

5 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Niederschlag Interzeption Evaporation Evapotranspiration Grundwasserzufluss Effektiver Niederschlag abflusswirksamer Niederschlag Infiltration Bodenfeuchte- speicher Perkolation Grundwasser- speicher Direktabfluss Grundwasserabfluss Abflussanteile

6 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Niederschlag Interzeption Evaporation Evapotranspiration Grundwasserzufluss Effektiver Niederschlag abflusswirksamer Niederschlag Infiltration Bodenfeuchte- speicher Perkolation Grundwasser- speicher Oberflächenabfluss Q O Zwischenabfluss Q I Grundwasserbürtiger Abfluss Q G Abflussanteile

7 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Q B Basisabfluss Q I Interflow Q O Oberflächenabfluss Q D Direktabfluss [ gemäß DIN 4049 ] Abflussanteil bei Hochwasser

8 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Zwischenabfluss Q I (Interflow) Oberflächenabfluss Q O Direktabfluss Q D Teil des Abflusses, der dem Gewässer als Reaktion auf ein auslösendes Ereignis (Niederschlag oder Schneeschmelze) über die Boden- oberfläche unmittelbar zugeflossen ist. Teil des Abflusses, der dem Gewässer als Reaktion auf ein auslösendes Ereignis (Niederschlag oder Schneeschmelze) aus oberflächennahen Bodenschichten zugeflossen ist. Summe aus Oberflächenabfluss und Zwischenabfluss Abflusskompartimente

9 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Basisabfluss Q B Grundwasserbürtiger Abfluss Q G Teil des Abflusses, der nicht Direktabfluss ist Teil des Basisabflusses, der dem Gewässer aus dem Grundwasser zugeflossen ist. Grundwasserabfluss Grundwasservolumen, das aus einem Grundwasserabschnitt in der Zeiteinheit in dasselbe Grundwasser Stockwerk abfließt. Abflusskompartimente

10 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken NiedrigwasserabflüsseMittelwasserabflüsseHochwasserabflüsse NNQniedrigster Niedrigwasserabfluss NQNiedrigwasserabfluss MNQmittlerer Niedrigwasserabfluss MQMittlerer Abfluss [m 3 /s] MHQmittlerer Hochwasserabfluss HQHochwasserabfluss HHQhöchster Hochwasserabfluss Die Hauptzahlen des Abflusses

11 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Die Abbildung verdeutlicht die Entwicklung der charakteristischen Größen des Gewässers über die Lauflänge Bildquelle: MMCD GmbH Abflussspendencharakteristik Abflussspende = Abfluss / Einzugsgebietsfläche [ l / (s *km 2 )]

12 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Q [m³/s] t mittlerer Durchfluss Ausuferungsdurchfluss Q (Pü = 90%) Q (Pü =10%) Durchflussbereiche und Grenzlinien

13 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Quelle: Hydrologischer Atlas Deutschland Abflussregime / Abflussspenden

14 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Abflussregime II Quelle: Hydrologischer Atlas Deutschland

15 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Quelle: Hydrologischer Atlas Deutschland Regionale Abflussregime

16 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Abflusshöhe in [mm/a] Quelle: Hydrologischer Atlas Deutschland Mittlere jährliche Abflusshöhen

17 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Je nach Aufgabenstellung und örtlichen Gegebenheiten wird die Wasserstandsmessung mit einer der nachfolgend aufgeführten Methoden ausgeführt. Pegelmessung ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) Venturi-Messgerinne Wasserstandsmessungen

18 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bildquelle: Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft Wasserstandsmessung per Pegelmessung

19 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken App für Pegelmessung Eine neue Folie erstellen mit Hinweis auf die APP zur Pegelmessung (Mobile Water Tracker, siehe Produktblatt von Kisters unter weitergehen Wissensinformation

20 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Aktuelle Wasserstandsinformationen der BFG

21 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bildquelle: BfG Aktuelle Wasserstandsinformationen der BFG

22 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bildquelle: BfG Wasserstandsvorhersage

23 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bildquelle: LUA NRW Ausgewählte Jahresganglinie

24 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bildquelle: LUA NRW Ausgewählte Jahresganglinie

25 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Der Abfluss (oder Durchfluss) wird im Regelfall messtechnisch bestimmt durch die Ermittlung zweier Größen Fließgeschwindigkeit Wasserstand (im Gewässer- oder Messprofil) Als Ergebnis liegen sodann für das Gewässer die Wasserstand- Durchfluss-Beziehungen in der Form Q = a x W b vor. Die Fließgeschwindigkeit in Gewässerprofilen wird mit Messflügeln erfasst. Dabei wird das Profil in einzelne Segmente unterteilt. Der Durchfluss ergibt sich aus Bildquelle: Ott Hydrometrie Abfluss

26 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Durch den Einfluss von Verkrautung, Sedimenttransport sowie Rückstau werden die Messungen verfälscht. Die Wasserstand-Abfluss-Beziehung ist im Regelfall durch eine Vielzahl von Messungen im Niedrig- und Mittelwasserbereich belegt. Für Hochwasserabflüsse ist die Messwertdichte gering (Gefahr der Extrapolation) Wasserstands-Abfluss-Beziehung

27 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bildquelle: ProAqua GmbH Wasserstands-Abfluss-Beziehung

28 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bildquelle: Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft Konventionelle Pegelmessung mit Messfügel

29 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bildquelle: ProAqua GmbH Pegelmessung in einem Fließprofil

30 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Quelle: StUA KrefeldQuelle: LUA NRW Beispiele für Pegelmessstellen in NRW

31 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Messquerschnitt mit Lotrechten Messpunkte an einer Lotrechten Geschwindigkeitsfläche einer Lotrechten Abfluss an dem Messquerschnitt Bildquelle: ProAqua GmbH Messschema für Flügelmessungen

32 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bildquelle: ProAqua GmbH Messungen an der Messlotrechten

33 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bildquelle: ProAqua GmbH Resultierende Geschwindigkeitsprofile

34 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bildquelle: ProAqua GmbH Auswertung der Durchflussmessung

35 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bildquelle: ProAqua GmbH Auswertung der Durchflussmessung

36 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Ultraschall-Doppler-Profil-Strömungsmessung Bildquelle: QUANTUM Die Abflussmessung mit dem Ultraschall Doppler Profil Strömungsmesser hat die klassische Messung mit dem Messflügel bereits in weiten Teilen verdrängt. Das Verfahren wird im Regelfall als ADCP Messung (acoustic doppler current profiler) bezeichnet. Dabei handelt es sich um ein Akivsonar, das Schallimpulsen in einer definierten Frequenz ausstrahlt. Durch die Messung der Laufzeiten können die Fließgeschwindigkeiten in allen drei Lagen ermittelt werden. Die Bundesanstalt für Gewässerkunde hat eine eigenständige Auswertesoftware (AGILA) entwickelt, die mittlerweile weltweit zum Einsatz kommt

37 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken ADCP Funktionsprinzip Bildquelle: Bezirksregierung Arnsberg Bildquelle: BfG Koblenz

38 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Verschiedene ADCP Messboote Bildquelle: Morgenschweis ADCP Trimaran Schlepp-Messboot Ferngesteuertes ADCP Messboot Messboot mit Fächerecholot Bildquelle: Bezirksregierung Arnsberg Bildquelle: Morgenschweis

39 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken ADCP Flussbettdarstellung Bildquelle: Bezirksregierung Arnsberg

40 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken ADCP Messergebnisse WinRiver Bildquelle: hydrographische Dienst Steiermark-ADCP - Erfahrungsbericht

41 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Abflussganglinie Dresden - Hochwasser 2002 Bildquelle: BfG - Adler Der wesentliche Plus-Punkt des ADCP Messprinzips ist es, dass Hochwasserwellen in ihrem vollständigen Verlauf verlässlich gemessen werden können.


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