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

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.

Phasen des Niederschlags-Abfluss-Prozesses

Ansätze 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 Abflusskonzentration: Es wird ein Speicherkaskadenmodell beschrieben, das für Flächengrößen unter 10 km2 entwickelt wurde

Berechnungsbeispiel Die Berechnungsansätze werden anhand folgendem Beispiel dargestellt: Niederschlagsereignis (Seriensimulation) mit hN = 30 mm über D = 2 h am 15. Juni mit folgendem Vorregenverlauf (Resttage hN = 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 Vortag j 4 5 10 15 20 25 30 hNd,j[mm] 15 15 15 10 15 15 5

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

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 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

Bodentypen nach SCS 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

(mittlere) Bodenfeuchteklasse BFK II CN-Wert nach SCS (mittlere) Bodenfeuchteklasse BFK II Bodennutzung CNII für Bodentyp A B C D Ödland (ohne nennenswerten Bewuchs, z.B. Schwarzbrache) Hackfrüchte (Reihenkultur wie Kartoffeln, Mais, Rüben o.ä.), Wein Wein (Terrassen) Getreide, Futterpflanzen (Klee, Luzerne o.ä.) Weide (normal) (karg) Dauerwiese Wald (stark aufgelockert) (mitteldicht bestockt) (dicht bestockt) Undurchlässige Flächen (versiegelter Anteil von Ortschaften, Strassen usw.) 77 86 91 94 70 80 87 90 64 73 79 82 64 76 84 88 49 69 79 84 68 79 86 89 30 58 71 78 45 66 77 83 36 60 73 79 25 55 70 77 100 100 100 100  CNII = 0,5 x 87 + 0,5 x 73 = 80

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 hN,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

bodenfeuchteabhängiger CN-Wert CNbf sog. Bodenspeicherkapazität S (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 für Laubwald, Acker oder 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)    

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  

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): 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

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 (im aktuellen Zeitintervall i)

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): hNe,u = (hN - AVu)  Ψu  BEF = (hN – 1,0) BEF   mit BEF: Versiegelungsgrad BEF ~ 0  hNe,u = 0 Durchlässige Flächen Gesamtfläche: hNe = hNe,u + hNe,d ; Ψ = hNe/hN    

Einzelparameter durchlässige Flächen Anfangsverlust AVd [mm] AVd = 0,5  2,0 + 0,5  3,0 = 2,5 mm Endabflussbeiwert CE nach Original-SCS-Verfahren bei hN = 250 mm HVA = 0,2 S = 0,2  63,5 = 12,7 mm CE = 187,2/250 = 0,75 Flächennutzung Bodentyp nach SCS A B C D Landwirtschaft Wald 7,0 4,0 2,0 1,5 8,0 5,0 3,0 2,5      

Einzelparameter durchlässige Flächen – Teil 2 (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)  

Effektivregenverläufe nach Øverland, Zaiß und Lutz Øverland Zaiß Lutz

2. Abflusskonzentration - Parameterermittlung für die Doppelspeicherkaskade 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):          

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

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