Bearbeitung: Dipl.-Ing. Peter Moche Abflüsse aus Außengebieten Arbeitsbericht der DWA-Arbeitsgruppe ES- 2.6 „Abfluss- und Schmutzfrachtsimulation“, veröffentlicht in der KA 2008 Nr.8 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

Inhalt Grundlagen Größenangaben Berechnungsansätze Hinweise zur Anwendung Schlussbemerkung INGENIEURBÜRO FÜR BAUWESEN UND UMWELTSCHUTZ Dipl.-Ing. R. Lenhard GmbH, Bad Kreuznach 19.05.2011

Grundlagen Außengebiete sind nach ATV-DVWK-M 165 „... größere Teilgebiete ohne nennenswertem Anteil undurchlässiger Flächen, die ein eigenes oberirdisches Entwässerungssystem aufweisen und in ein Kanalnetz einmünden.“ Die „Einmündung“ ist grundsätzlich zu vermeiden, kann aber aus wirtschaftlichen oder aufgrund der örtlichen Randbedingungen nicht verhindert werden. INGENIEURBÜRO FÜR BAUWESEN UND UMWELTSCHUTZ Dipl.-Ing. R. Lenhard GmbH, Bad Kreuznach 19.05.2011

Grundlagen Oberflächenabfluss von Außengebieten 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 gelangt NB = 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 zusickert AI: Interflow, NW d. über dem GW-Leiter abfließt (Return flow wenn NW wieder zu Tage tritt) AG: Grundwasser AUA: unterirdischer Abstrom AUZ: unterirdischer Zustrom AK: Kapillarer Wasseraufstieg [Zeichen und Einheiten ≠ ATV-DVWK-A198] [Wohlrab/Ernstberger/Meuser/Sokolek 1992: Landschaftswasserhaushalt] INGENIEURBÜRO FÜR BAUWESEN UND UMWELTSCHUTZ Dipl.-Ing. R. Lenhard GmbH, Bad Kreuznach 19.05.2011

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) INGENIEURBÜRO FÜR BAUWESEN UND UMWELTSCHUTZ Dipl.-Ing. R. Lenhard GmbH, Bad Kreuznach 19.05.2011

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“] INGENIEURBÜRO FÜR BAUWESEN UND UMWELTSCHUTZ Dipl.-Ing. R. Lenhard GmbH, Bad Kreuznach 19.05.2011 6

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“] Reduzierung bei zunehmender - Größe des EZG Bewuchsdichte Bodendurchlässigkeit Temperatur Rauheit der Geländeoberfläche INGENIEURBÜRO FÜR BAUWESEN UND UMWELTSCHUTZ Dipl.-Ing. R. Lenhard GmbH, Bad Kreuznach 19.05.2011 7

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 I Js< 1% II 1%≤Js≤4% III 4%≤Js≤10% IV Js>10% 0 – 5 5 - 10 10 - 15 15 – 20 INGENIEURBÜRO FÜR BAUWESEN UND UMWELTSCHUTZ Dipl.-Ing. R. Lenhard GmbH, Bad Kreuznach 19.05.2011 8

schuffiger Lehm (Devon) Größenangaben Pegelwerte (N-A Messungen) Bsp. : NRW, Nordeifel Kyllgebiet EZG 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% INGENIEURBÜRO FÜR BAUWESEN UND UMWELTSCHUTZ Dipl.-Ing. R. Lenhard GmbH, Bad Kreuznach 19.05.2011 9

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 8 13 16 INGENIEURBÜRO FÜR BAUWESEN UND UMWELTSCHUTZ Dipl.-Ing. R. Lenhard GmbH, Bad Kreuznach 19.05.2011 10

Berechnungsansätze Abflussbildung (Berechnung des Effektivregens) Abflussbeiwertansätze Verlustratenansätze Bodenspeichermodelle Abflusskonzentration Abflussganglinie mit zeitlichen Verlauf der Abflusswelle INGENIEURBÜRO FÜR BAUWESEN UND UMWELTSCHUTZ Dipl.-Ing. R. Lenhard GmbH, Bad Kreuznach 19.05.2011 11

Berechnungsansätze Abflussbildung Abflussbeiwertansätze - z.B. mittlerer Abflussbeiwert Ψm = hw/hn - Abhängigkeiten je nach Verfahren: Bodenart, Bewuchs, Gefälle Vorregen, Jahreszeit Niederschlagshöhe und Dauer - Verfahren: SCS, mod. d. ZAIß, ØVERLAND,... - vergleichsweise einfache und transparente Berechnungsverfahren INGENIEURBÜRO FÜR BAUWESEN UND UMWELTSCHUTZ Dipl.-Ing. R. Lenhard GmbH, Bad Kreuznach 19.05.2011 12

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 INGENIEURBÜRO FÜR BAUWESEN UND UMWELTSCHUTZ Dipl.-Ing. R. Lenhard GmbH, Bad Kreuznach 19.05.2011 13

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 INGENIEURBÜRO FÜR BAUWESEN UND UMWELTSCHUTZ Dipl.-Ing. R. Lenhard GmbH, Bad Kreuznach 19.05.2011 14

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 INGENIEURBÜRO FÜR BAUWESEN UND UMWELTSCHUTZ Dipl.-Ing. R. Lenhard GmbH, Bad Kreuznach 19.05.2011 15

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] INGENIEURBÜRO FÜR BAUWESEN UND UMWELTSCHUTZ Dipl.-Ing. R. Lenhard GmbH, Bad Kreuznach 19.05.2011 16

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] INGENIEURBÜRO FÜR BAUWESEN UND UMWELTSCHUTZ Dipl.-Ing. R. Lenhard GmbH, Bad Kreuznach 19.05.2011 17

Berechnungsansätze Abflusskonzentration Doppelspeicherkaskade (wenn keine Kalibriermöglichkeit besteht) Einheitsganglinie mit Übertragungsfunktion nach 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] INGENIEURBÜRO FÜR BAUWESEN UND UMWELTSCHUTZ Dipl.-Ing. R. Lenhard GmbH, Bad Kreuznach 19.05.2011 18

Hinweise zur Anwendung Die Berechnung von Außengebietsabflüssen bei 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 - INGENIEURBÜRO FÜR BAUWESEN UND UMWELTSCHUTZ Dipl.-Ing. R. Lenhard GmbH, Bad Kreuznach 19.05.2011 19

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 Außengebietsabflüsse auf die Kanalisation bzw. damit verbundenen Invest.kosten –Modellkalibrierung! INGENIEURBÜRO FÜR BAUWESEN UND UMWELTSCHUTZ Dipl.-Ing. R. Lenhard GmbH, Bad Kreuznach 19.05.2011 20

Schlussbemerkung Einige Parameter der verwendeten Verfahren sollten anhand von Messdaten kalibriert werden. Da Messdaten nur in sehr geringem Umfang vorliegen, besteht diesbezgl. erheblicher Forschungsbedarf. INGENIEURBÜRO FÜR BAUWESEN UND UMWELTSCHUTZ Dipl.-Ing. R. Lenhard GmbH, Bad Kreuznach 19.05.2011 21

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit [Foto: J. Sartor] INGENIEURBÜRO FÜR BAUWESEN UND UMWELTSCHUTZ Dipl.-Ing. R. Lenhard GmbH, Bad Kreuznach 19.05.2011

Musterhausen INGENIEURBÜRO FÜR BAUWESEN UND UMWELTSCHUTZ Dipl.-Ing. R. Lenhard GmbH, Bad Kreuznach 19.05.2011 27.03.2017 23

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