Hochwasserspenden und Einzugsgebiete

Arbeitsschritte für hydraulischen Querschnitt Ermittlung Größe des Einzugsgebiets (Planimeter, ARC GIS) Ermittlung des Abflussbeiwerts für Einzugsgebiet aus Tabelle Dimension = Spende [m³/s*km²] Ermittlung der Gebietseigenschaften nach Anteil der Bewaldung Aufbau der Bodendecke Reliefverhältnisse Berechnung der Dimensionierungsabflussspende [m³/s*km²] über die Gebietseigenschaften Abflussspende mal Einzugsgebiet = Dimensionierungsabfluss [m³/s] Berechnung des erforderlichen hydraulischen Querschnitts [m²] Festlegung der Querschnittsgeometrie: Kreis, Trapez, Maulprofil

Tabelle Abflussbeiwerte Abflussbeiwert und Korrekturfaktoren bei Verschiedenen Gebietseigenschaften Tabelle Abflussbeiwerte  Einzugsgebiet [km²] 0,5 1 5 10 50 Abflussbeiwert [m³/s*km²] 15 5,5 4 2 Tabelle Korrekturfaktoren  Bewaldung Durchlässigkeit des Bodens Steilheit B D S unbewaldet 1 gering steil halb bewaldet 0,7 mittel 0,75 hügelig 0,8 voll bewaldet 0,5 gut 0,4 eben 0,6

Berechnung des Bemessungsquerschnitts Im ingenieurmäßigen Wasserbau gibt es verschiedene Ansätze (Formeln), den hydraulischen Querschnitt AQ bei gegebenen Bedingungen zu berechnen. Hier wird ein stark vereinfachter Ansatz gewählt. Gegeben: Einzugsgebiete Beispiel 1 = 50 ha = 0,5 km² Beispiel 2 = 10 km² Um ein Bemessungshochwasser sicher abzuleiten, muss der hydraulische Querschnitt AQ darauf abgestellt werden (Dimensionierung). Durch Messungen bekannt: Strömungsgeschwindigkeit vmax  4-6 m/s Wegen Turbulenz, Bettrauhigkeit und Uferreibung Minderung von vmax auf etwa 0,8 vmax vdim = 6 * 0,8  5 m/s vdim = 4 * 0,8  3,2 m/s

Beispiel 1 für die Berechnung eines Hochwasserabflusses aus Abflussbeiwert und Korrekturfaktoren Beispiel: AN = 50 ha = 0,5 km², halb bewaldet, mittel durchlässig, hügelig Für Dimensionierungsabflussspende gilt: Hqdim = Abflussbeiwert * B * D *S Hqdim = 15* 0,7 (B) * 0,75 (D) *0,8 (S) = 6,3 m³/s*km² HQdim = Hqdim * AN = 6,3 * 0,5 km² = 3,2 m³/s

Beispiel 1 zur Berechnung des Bemessungsquerschnitts Im ingenieurmäßigen Wasserbau gibt es verschiedene Ansätze (Formeln), den hydraulischen Querschnitt AQ bei gegebenen Bedingungen zu berechnen. Hier wird ein stark vereinfachter Ansatz gewählt. Gegeben: Einzugsgebiet = 50 ha = 0,5 km² Bemessungsabfluss = 3,2 m³/s Um ein Bemessungshochwasser sicher abzuleiten, muss der hydraulische Querschnitt AQ darauf abgestellt (dimensioniert) werden. Durch Messungen bekannt: Strömungsgeschwindigkeit vmax  4-6 m/s Wegen Turbulenz, Bettrauhigkeit und Uferreibung Minderung von vmax auf etwa 0,8 vmax vdim = 5 * 0,8  4 m/s Hydraulischer Querschnitt AQ für Qdim = 3,2 m³/s bei vdim  4 m/s Es gilt: AQ = Qdim/vdim AQ = 3,2 [m³/s] : 4 [m/s] = 0,8 m²  1 m²

Beispiel 2 für die Berechnung eines Hochwasserabflusses aus Abflussbeiwert und Korrekturfaktoren Beispiel: AN = 10 km², halb bewaldet, gut durchlässig, steil Für Dimensionierungsabflussspende gilt: Hqdim = Abflussbeiwert * B * D *S Hqdim = 4* 0,7 (B) * 0,4 (D) * 1 (S) = 1,12 m³/s*km² HQdim = Hqdim * AN = 1,12 * 10 km²= 11,2 m³/s

Beispiel 2 zur Berechnung des Bemessungsquerschnitts Gegeben: Bemessungsabfluss = 11,2 m³/s Um ein Bemessungshochwasser sicher abzuleiten, muss der hydraulische Querschnitt AQ darauf abgestellt (dimensioniert) werden. Strömungsgeschwindigkeit vmax  4 m/s Wegen Turbulenz, Bettrauhigkeit und Uferreibung Minderung von vmax auf etwa 0,8 vmax vdim = 4 * 0,8  3,2 m/s Hydraulischer Querschnitt AQ für Qdim = 11,2 m³/s bei vdim  3,2 m/s Es gilt: AQ = Qdim/vdim AQ = 11,2 [m³/s] : 3,2 [m/s] = 3,5 m²

Hydraulischer Querschnitts Adim bei gegebenem Qdim und Gestaltung von Querschnitten Für Querungsbauwerke (Durchlässe, Brücken) häufig einfache geometrische Querschnitte: Rechteck, Trapez, Kreis, Maulprofil. Dabei möglichst Vermeidung tiefer Querschnitte, da Zunahme der Schleppspannung und zunehmende Sohleneintiefung. Bei Trapezen gilt: Adim = m*h Hierfür Qdim = 11,2 m³/s: Adim = 3,5 m² Beispiele: m1 = 3,5 m; h1 = 1 m m2 = 2 m; h2 = 1,8 m Für Kreis gilt: Adim =  *d²/4 d = (4*Adim /p)0,5 = (4*3,5/3,14) 0,5 d =2,11 m  2150 mm oder 3 Rohre á 1000 mm

Maulprofil

Gestaltung von Querschnitten Einfachprofile sind auf den Extremfall ausgelegt und deshalb außerhalb der Durchlässe gewässerbiologisch ungünstig. Naturnäher und günstiger sind zusammengesetzte Profile. Wahl des Profils nach Platzverhältnissen. Doppelprofile Einfachprofil Einfachprofil mit NW-Rinne Asymmetrisches Profil

Allgemeine Grundsätze für die Gestaltung von Querschnitten Ungünstig sind tiefe und enge Querschnitte Hoher Wasserstand mit Gefahr des Ausbordens Mit Gewässertiefe und mit dem Fließgefälle nimmt die Schleppspannung (Kraft des fließenden Wassers auf die Gewässersohle) zu. Damit Gefahr für Sohle und Böschung (bei weichen Gesteinen Kolkbildung, Sohlendurchschlag) Günstig also breite Querschnitte Gegenanzeige: Im Regelfall, vor allem in Zeiten mit Niedrigwasser liefern auf den Extremfall ausgelegte Breiten ungünstige Bedingungen für das Ökotop „Fließgewässer“. Biologische Durchgängigkeit nicht mehr gesichert. Abhilfe: Gegliederte Querschnitte; enge Querschnitte bei NQ, weite Querschnitte für HQ Hauptproblem: vor allem innerörtlich scheitert der Hochwasserschutz an mangelndem Platzangebot.