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VERTIEFERFACHPRÜFUNG „GRUNDLAGEN WASSER & UMWELT“Wintersemester 2004/2005

V II

Name: Matrikelnummer:

1. Korr: 2. Korr. 3. Korr.

Teil Wasserbau und Wasserwirtschaft (30 Pkt.)

Zur Erschließung eines neuen Industrie- und Gewerbegebietes soll der Mäander eines Gewässerlaufes begra-

digt werden ( Abb. 1). Im Rahmen dieser Maßnahme verkürzt sich der Fließweg im Abschnitt der Begra-

digung um 250 m.

Abb. 1: Luftbild mit eingetragener Lage des Gewerbe- und Industriegebietes und skizziertem neuen Gewässerlauf.

a) Auswirkungen der Maßnahme im Hochwasserfall (5 Pkt.)

Benennen Sie qualitativ die Veränderung der Abflussganglinie im Hochwasserfall unterhalb der Begra-

digung bei Annahmen einer unveränderter Bebauung und eines gleichen Fließquerschnitts?

Markieren Sie hierfür in Abb. 2 diejenige Abflussganglinie, die sich aus der bisherigen Abflussganglinie

(Ganglinie vor Begradigung) nach Durchführung der Begradigungsmaßnahme ergibt. Begründen Sie Ih-

re Antwort stichwortartig unter den Aspekten: Scheitelwert, Scheitelzeitpunkt und Abflussvolumen.

Welche weitere qualitative Veränderung der Abflussganglinie im Hochwasserfall wäre durch die zukünf-

tige Bebauung im Gewerbegebiet zu erwarten?

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Abb. 2: Qualitative Hochwasserabflussganglinie vor der Begradigung, sowie mögliche Hochwasserabflussganglinien A bis C nach Durchführung der Begradigung

b) Wasserbau: Überprüfung einer Vorbemessung der Querschnittsgeometrie (10 Pkt.)

Die Sohle des neu angelegten Gewässerlaufes soll aus Kies bestehen, die Böschungen werden mit Schot-

ter und einer Steinschüttung ausgekleidet. Im Rahmen einer Vorbemessung wurde der in Abb. 3 skiz-

zierte kanalartige Trapezquerschnitt für die Verlegungsstrecke empfohlen. Unter Einhaltung eines not-

wenigen Freibords ist beim vorgeschlagenen Querschnitt eine maximale Fließtiefe von 3,8 m möglich.

Überprüfen Sie, ob der hochwasserspezifische Bemessungsabfluss BQ = 200 m³/s ohne Ausuferung

durch das neue Flussbett abgeführt werden kann.

Abb. 3: Skizze des im Rahmen eines Vorentwurfes empfohlenen Gewässerquerschnittes.

c) Schubspannungsansatz (4 Pkt.)

Skizzieren Sie in Abb. 4 den Schubspannungsverlauf entlang der Gerinnewandungen und berechnen Sie

jeweils die Maximalwerte für die Uferböschungen und die Gewässersohle.

Abb. 4: Schubspannungsverlauf entlang der Uferböschungen.

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d) Feststofftransport (11 Pkt)

Berechnen Sie , ob bei einer Fließtiefe von h = 3,8 m entlang der Gewässersohle Erosion stattfindet. Falls

dies der Fall ist, so nennen und begründen Sie eine geeignete Maßnahme, die eine Erosion verhindern

würde.

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Angaben:

Die Vereinfachung Rhy h (breites Gerinne) ist nicht zulässig!

mittleres Sohlengefälle des neuen Gewässerlaufes ISo = 2,5 ‰

maßgebender Korndurchmesser der Sohle dm = 0,05 m (Grobkies)

Dichte der Feststoffe Kies = 2650 kg/m³

Kinematische Viskosität = 1,3 10-6 m²/s

Formeln und Tabellen:

Fließformel nach Gauckler-Manning-Strickler v = kst Iso0,5 Rhy

2/3 [m/s]

Schubspannung (y) = o (1-y/h) [N/m²]

Beanspruchungskennzahl v* = ( o/ )0,5 [m/s]

modifizierte Erdbeschleunigung g’ = g / [m/s²]

Strömungsintensität = v*²/(g’ dm) [-]

Sedimentologische Re-Zahl Re* = v* dm/ [-]

Tabelle zur Abschätzung von Strickler-Beiwerten:

kst-Wert (m1/3

/s)

Diagramm nach Shields:

Sedimentologische Re-Zahl Re*

Strömungsintensität

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VERTIEFERFACHPRÜFUNG „GRUNDLAGEN WASSER UND UMWELT“Sommersemester 2005

V II



Teil Wasserbau und Wasserwirtschaft: Hydrologie / Hochwasserschutz (20 Pkt.)

Die Talsperre oberhalb von Musterstadt (siehe Abbildung 1), wird von einem Energieversorger zur Wasser-

kraftnutzung betreiben und muss aktuell saniert werden (Abbildung 2). Die unterhalb der Talsperre gelegene

Musterstadt drängt darauf zur Verbesserung des örtlichen Hochwasserschutzes eine mögliche Dammerhö-

hung im Rahmen der Sanierung zur Schaffung eines gewöhnlichen Hochwasserrückhalteraums zu nutzen

und nicht zum weiteren Ausbau der Wasserkraft. Im Stadtgebiet kommt es ab Abflusswerten an der Talsper-

re von Qmax > 2,75 m3/s zu Hochwasserschäden. Die Stadt strebt einen 100-jährlichen Hochwasserschutz an.

Abbildung 1: Skizze des Projektgebiets und gebietsspezifische Parameterangaben

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Abbildung 2: Talsperrenquerschnitt im derzeitigen IST-Zustand und der Sanierungsvariante

a) Talsperre (3 Pkt.)

Beschriften Sie in Abbildung 2 die entsprechend markierten Bauwerksteile und Speicherräume der Tal-

sperre.

b) Mittlerer Abflussbeiwert (3 Pkt.)

Bestimmen Sie mit Hilfe des Verfahren nach Lutz den mittleren Gesamtabflussbeiwert des Talsperren-

einzugsgebiets für das normierte Niederschlagsereignis der Jährlichkeit Tn = 100 a mit der Nieder-

schlagsdauer TD= 2h und einer Niederschlagshöhe N = 50 mm.

Nutzen Sie die Angaben in Abbildung 1 und die Formel- und Parameterhinweise im Anhang 1

c) Bemessungsganglinie (7 Pkt.)

Bestimmen Sie die Bemessungsganglinie für das in Teilaufgabe b) beschriebene Niederschlagsereignis

mittels Faltung mit der angegebenen Systemfunktion (Einheitsganglinie).

Beachten Sie hierzu folgende Angaben:

- Bestimmen Sie die Ordinaten des Effektivniederschlags mit Hilfe des konstanten Prozentansatzes

ohne Anfangsverluste und wählen Sie einen mittenbetonten zeitlichen Verlauf des Niederschlags

(Abbildung 3).

- Der Diskretisierungszeitschritt soll t = 1h betragen.

- Wählen Sie einen konstanten Verlauf des Basisabflusses und nutzen Sie die Angaben aus Abbildung

1.

Falls Sie Aufgabenteil b) nicht gelöst haben, rechnen Sie mit einem Gesamtabflussbeiwert = 0,15.

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Abbildung 3: Mittenbetonter zeitlicher Niederschlagsverlauf

j 1 2 3 Ordinaten der Systemfunktion (Einheitsganglinie):

hj 0,25 0,5 0,25

Faltungsintegral:

j

1i1ijieffjD hIQ (diskrete Schreibweise)

Zur Lösung des Faltungsintegrals können Sie untenstehende Tabelle nutzen

QD (j,i)

I 1 2

Ieff,i [mm/h]

Ieff,EZG,i [m3/s]

QD (j,i) QB,j Qj

j hj

0

1

2

3

4

5

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d) Hochwasserschutz Musterstadt (7 Pkt.)

Kann mit der Sanierungsvariante aus Abbildung 2 ein 100-jährlicher Hochwasserschutz für die Muster-

stadt erreicht werden? Der bisherige Nutzraum zur Energiegewinnung soll beigehalten werden und die

Anforderungen an Freibord und Überfallhöhe der Hochwasserentlastungsanlage (vgl. IST-Zustand,

Abbildung 2) gleich bleiben.

Auf welcher Höhenkote kann die Hochwasserentlastungsanlage unter diesen Voraussetzungen angesetzt

werden?

Abbildung 4: Speicherinhaltslinie der Talsperre

Abbildung 5: Rückhaltewirkungslinie (Tn = 100 a)

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Anhang 1

TD [h] 0.25 0.50 1.0 2.0 3.0 4.0 6.0 9.0 12.0 18.0 24.0 48.0 72.0

Monat 7 6 5 4 3 2 1

WZ 5 8 11 15 18 21 23

Bodentyp A B C D

Landnutzung max. Abflussbeiwerte c [-] (Endabflussbeiwert)

Waldgebiet 0,17 0,48 0,62 0,70

Ödland 0,71 0,83 0,89 0,93

Reihenkultur: Hackfrüchte, 0,62 0,75 0,84 0,88

Weinbau, u.a.

Getreideanbau: Weizen, 0,54 0,70 0,80 0,85

Roggen, u.a.

Leguminosen: Kleefeld,Luzerne,Ackerfrüchte

0,51 0,68 0,79 0,84

Weideland 0,34 0,60 0,74 0,80

Dauerwiese 0,10 0,46 0,63 0,72

Haine Obstanlagen 0,17 0,48 0,66 0,77

Anfangsverlust AV [mm]

landwirtschaftliche Flächen 7,0 4,0 2,0 1,5

Bewaldete Flächen 8,0 5,0 3,0 2,5

Versiegelte Flächen 1,0

C1 = 0,02 C3 = 2,0

C2 = 3,0 C4 = 0,0

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Teil Wasserbau und Wasserwirtschaft: Naturnahe Gewässerentwicklung (10 Pkt.)

a) EU-Wasserrahmenrichtlinie (3 Pkt.)

Seit dem Inkrafttreten der EU-Wasserrahmenrichtlinie im Jahr 2000 wird in den wasserwirtschaftlichen

Fachverwaltungen das Ziel verfolgt, bis zum Jahr 2015 eine „gute ökologische Qualität“ der anthropogen

beeinflussten Gewässer zu erreichen. Nennen Sie stichwortartig, welche Merkmale/Eigenschaften ein

Flusslauf mit „guter ökologischer Qualität“ aufweisen sollte.

b) Renaturierung (7 Pkt.)

Ein begradigter Bachlauf, dessen Querschnitt mit Beton ausgekleidet wurde, soll im Sinne der

EU-Wasserrahmenrichtlinie naturnah umgestaltet werden (vgl. Abbildung 1).

Abbildung 1: Foto des begradigten Bachlaufes mit betonierter Gerinnewandung (Ist-Zustand).

Entwerfen Sie einen Querschnitt für den renaturierten Bachlauf und skizzieren Sie Ihren Entwurf mit

Angabe der zugehörigen Abmessungen. Weisen Sie eine Durchflusskapazität für ein MQ = 1,50 m³/s

nach. Die Fließtiefe soll hierbei zu h = 0,90 m angenommen werden. Das Längsgefälle der Bachsohle be-

trägt im Mittel ISo = 0,1 %. Der Gesamt-Strickler-Beiwert des renaturierten Bachlaufes soll mit der fol-

genden Wichtungsgleichung bestimmt werden, wobei die einzelnen Teil-Strickler-Beiwerte realistisch

abzuschätzen sind:

3/2

2/3

i,st

i,U

i,U

ges,st

k

l

lk

mit lU,i = benetzte Teilumfanglänge in m (z.B. Sohle, Böschung, Vorland)

und kst,i = zugehöriger Strickler-Beiwert in m1/3/s

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VERTIEFERFACHPRÜFUNG

„GRUNDLAGEN WASSER UND UMWELT“Teil Wasserwirtschaft und Hydrologie

Wintersemester 2005/2006 (23.03.2006)

Institut für Wasser und Gewässerentwicklung



Hochwasserrückhaltebecken (10 Pkt.)

Ein bestehendes Hochwasserrückhaltebecken mit einem Dauerstauraum zur Freizeitnutzung soll nach der

neuen DIN 19700 einer vertiefen Sicherheitsüberprüfung unterzogen werden. Das Becken hat als Absperr-

bauwerk einen Erddamm mit einer Höhe von H = 6 m und somit einen verfügbaren Gesamtsstauraum von

SGes = 90.000 m3.

Abbildung 1: Längsschnitt eines Hochwasserrückhaltebeckens nach der DIN 19700

506,0 m + NN

505,0 m + NN

503,8 m + NN

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a) Querschnitt Hochwasserrückhaltebecken (3 Pkt.)

Beschriften Sie die 6 markierten Felder in Abbildung 1.

b) Hochwassersicherheit nach DIN 19700 (2 Pkt.)

- Bestimmen Sie anhand Abbildung 2 und Tabelle 1 mit welchen mittleren jährlichen Überschreitungs-

wahrscheinlichkeiten die Hochwasserbemessungsfälle BHQ1 und BHQ2 gemäß DIN 19700 im vorlie-

genden Fall anzusetzen sind.

Abbildung 2: Klassifizierung von Hochwasserrückhaltebecken nach DIN 19700

Tabelle 1: Jährliche Überschreitungswahrscheinlichkeiten für Hochwasserbemessungsfälle 1 (BHQ1) und 2 (BHQ2) nach DIN 19700

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c) Hochwasserbemessungsfälle BHQ1 und BHQ2 (2 Pkt.)

Können nach den Modellergebnissen (Abbildung 3) die Sicherheitsanforderungen nach DIN 19700 (BHQ1

und BHQ2) in dem vorliegenden Fall eingehalten werden (mit kurzer Begründung). Die Freibordanforderung

von f = 0,75 m darf zur Gewährleistung der Hochwassersicherheit nicht unterschritten werden. Höhenanga-

ben zur Hochwasserentlastung und der Dammkorne sind in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 3: Modellergebnisse für die Hochwasserbemessungsfälle BHQ1 und BHQ2

d) Mögliche Maßnahmen zur Verbesserung der Hochwassersicherheit (3 Pkt.)

Vorausgesetzt in dem vorliegenden Fall können die Anforderungen an die Hochwassersicherheit nach

DIN 19700 nicht eingehalten werden, welche mögliche Maßnahmen zum Erreichen der DIN-Anforderungen

würden Sie vorschlagen.

Nennen Sie 3 mögliche Maßnahmen

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Wintersemester 2005/2006 (23.03.2006)




Sohlenstabilität eines Kanals (10 Pkt.)

Ein Rechteckkanal soll so bemessen werden, dass bei einem Sohlengefälle von 0,5% ein Durchfluss von

Q = 70 m³/s abfließen kann. Das Sohlenmaterial besteht aus einem Kies-Sand-Gemisch mit einem mittleren

Korndurchmesser von 50 mm.

Welche Querschnittsabmessungen (Breite B und Tiefe h) muss der Kanal erhalten, damit bei dem vorgege-

benem Abfluss Q die Sohle gerade noch nicht erodiert wird?

Angaben:Annahmen sind zu kennzeichnen Der Strickler-Beiwert kann zu kst = 40 m1/3/s angenommen werden. Dichte der Feststoffe F = 2650 kg/m³

Schubspannungsgeschwindigkeit w

*v

Kinematische Viskosität 6103,1 m²/s

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Wintersemester 2005/2006 (23.03.2006)




Wasserbau (10 Pkt.)

Ein schiffbarer Fluss hat annähernd den in Abbildung 1 dargestellten trapezförmigen Querschnitt. Seine Tie-

fe beträgt bei Mittelwasser (MW) 3,50 m. Die Uferböschungen sind gepflastert, die Gewässersohle besteht

aus feinem Kies und Sand.

Aus nautischen Gründen muss die Schifffahrt bei mittleren Fließgeschwindigkeiten über 2,80 m/s eingestellt

werden.

a) Höhe einer Brückenunterkante (8 Pkt.)

Wie hoch muss die Unterkante einer Brücke mindestens über dem Mittelwasserstand liegen, wenn beim

höchsten schiffbaren Wasserstand noch eine lichte Durchfahrtshöhe von 6,00 m gewährleistet werden

soll?

b) Abfluss beim höchsten schiffbaren Wasserstand (2 Pkt.)

Wie groß ist der Abfluss beim höchsten schiffbaren Wasserstand?

Hinweise:

Die Annahme rhy h ist nicht zulässig!

graphische Interpolation ist möglich

Abbildung 1: Querschnitt des schiffbaren Flusses.

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„GRUNDLAGEN WASSER UND UMWELT“Teil „Wasserbau & Wasserwirtschaft“

Sommersemester 2006 (24.08.2006)

Institut für Wasser und

Gewässerentwicklung




In einer bestehenden Flussbiegung soll ein Wehrkraftwerk zur Stromerzeugung errichtet werden.

a) Anordnung des Wehrkraftwerkes (5 Pkt.)

Das Wehrkraftwerk soll aus drei Wehrfeldern und einer Kaplan-Rohrturbine bestehen. Skizzieren Sie in

Abbildung 1 die Anordnung der Wehrfelder und der Turbine und begründen Sie Ihre Angaben.

Abbildung 1: Skizze zur Anordnung des Wehrkraftwerkes.

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b) Kaplan-Rohrturbuine (10 Pkt.)

In Abbildung 2 ist ein Längsschnitt durch das Turbinenhaus dargestellt. Skizzieren Sie folgende Kom-

ponenten in die Abbildung:

Laufrad, Generator, Leitwerk, Rechenanlage, Dammbalken-Verschlüsse.

Abbildung 2: Elemente der Kaplan-Rohrturbine

Für die Kaplan-Rohrturbine kann laut Hersteller ein Wirkungsgrad von = 85% angenommen werden.

Die zur Verfügung stehende Triebwassermenge entspricht dem Mittelwasserabfluss MQ = 200 m³/s.

Welche Fallhöhe H muss durch den Aufstau an dem Wehrkraftwerk erzeugt werden, damit die Turbine

bei MQ eine Leistung von N = 13 MW erzeugen kann?

Hinweis: Leistung N = Arbeit W/ Zeit t [Watt] mit W = wirkende Kraft F Weg s [Joule]

c) Regulierorgane an den Wehrfeldern (5 Pkt.)

In Abbildung 3 ist ein Längsschnitt durch ein Wehrfeld mit dem Wasserspiegel im OW und UW für den

Stauzustand dargestellt. Welche Art von Regulierorgan sollte hier eingebaut werden? Begründen Sie Ihre

Entscheidung und skizzieren Sie das Regulierorgan mit Beschriftung der zugehörigen Komponenten in

Abbildung 3.

Abbildung 3: Längsschnitt durch ein Wehrfeld

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Teil Hydrologie (10 Pkt.)

Der Stauraum des geplanten Wehrkraftwerks soll zusätzlich auch zum Hochwasserschutz eingesetzt werden.

a) Gewöhnlicher Hochwasserrückhalteraum (5 Pkt.)

Bestimmen Sie anhand der in Abbildung 1 abgebildeten Bemessungsganglinie das notwendige Volumen

des gewöhnlichen Hochwasserrückhalteraums für eine auf konstanten Regelabfluss QR = 2500 m3/s aus-

gelegte Steuerungsvariante und skizzieren Sie in Abbildung 1 die daraus resultierende Abgabeganglinie.

Abbildung 1: Bemessungsganglinie

b) Hochwassersicherheit DIN 19700 (4 Pkt.)

Für den Nachweis der Hochwassersicherheit der geplanten Anlage soll die neue DIN 19700 herangezo-

gen werden. Erläutern Sie kurz das zweistufige Sicherheitskonzept das der DIN zugrunde liegt.

c) Integriertes Hochwassermanagement (1 Pkt.)

In welchen Bereich der 3-Säulen-Strategie des integrierten Hochwassermanagements wäre die o.g. Maß-

nahme einzuordnen? (Bitte ankreuzen)

Hochwasserflächenmanagement

Technischer Hochwasserschutz

Hochwasservorsorge

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Wintersemester 2006/2007 (29.03.2007)





Für das in Abbildung 1 dargestellte naturnahe Gewässerprofil mit steiniger Sohle (dm = 130 mm) sollen Sie

Fragen bzgl. der morphologischen Stabilität und des Strömungsverhaltens beantworten.

Abbildung 1: Betrachteter Gewässerabschnitt.

a) Sohlenstabilität (7 Pkt.)

Bis zu welchem Durchfluss QG findet keine Geschiebebewegung statt? Führen Sie einen entsprechenden

Nachweis durch.

b) Strömungsverhalten (3 Pkt.)

Charakterisieren Sie für QG das Strömungsverhalten (laminar/turbulent, strömend/schießend) und geben

Sie die Berechnungsrichtung für eine Wasserspiegellagenberechnung an (mit entsprechender Begrün-

dung). [Falls Sie Teil (a) nicht gelöst haben, rechnen Sie mit QG = 400 m³/s]

Beachten Sie die auf der folgenden Seite gegebenen Hinweise.

Seite 2 von 2

Hinweise:

Annahmen sind als solche zu kennzeichnen

die Vereinfachung rhy h ist zulässig!

Mittleres Sohlengefälle ISo = 3 ‰

Darcy-Weisbach-Ansatz: v = (8 g rhy IE / )0,5

Schubspannungsgeschwindigkeit v* = ( / w)0,5 mit = f( , g, rhy, IE)Dichte der Feststoffe F = 2,65 t/m³

Kinematische Viskosität = 1,3 10-6 m²/s Fr = f(v, g, h) und Re = f(v, h, )

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0

Fließtiefe h (m)

Du

rch

flu

ss Q

(m

³/s)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

7,5

8,0

Mit

tlere

Fli

eß

gesch

win

dig

keit

v (

m/s

)

h-v-Beziehung

h-Q-Beziehung

Seite 1 von 5



Wintersemester 2006/2007


Name: ENTWURF Matrikelnummer:



Ein extremes Niederschlagsereignis hat zu einem

Hochwasser im B-Bach geführt und dadurch er-

hebliche Schäden in der Gemeinde A-Dorf verur-

sacht. Am Ortsausgang an einer Brücke gibt es

einen Lattenpegel, an dem bei diesem Ereignis ein

maximaler Wasserstand von Hmax = 120 cm abge-

lesen wurde.

Aufgrund der Erfahrungen mit dem o.g. HW-

Ereignis gibt es in der Gemeinde großen Informa-

tionsbedarf.

Die Bürger von A-Dorf äußern den Wunsch ihren

Hochwasserschutz soweit zu verbessern, dass sie

zukünftig vor einem 100-jährlichen Hochwasser

sicher sind. Abbildung 1: Einzugsgebiet des B-Bachs

a) Expertenmeinung (6 Pkt.)

In einer Informationsveranstaltung sind Sie als Hochwasserexperte geladen.

Geben Sie auf die folgenden Feststellungen eine richtige und gut verständliche kurze Antwort.

- „Nachdem wir dieses seltene HW-Ereignis nun erlebt haben, sind wir die nächsten Jahre absolut si-

cher, denn so eine extreme Situation wie diese wird erst wieder Jahrzehnte nach uns vorkommen.“

- „Ohne Klimawandel gäbe es kein Hochwasser.“

- „Wenn wir ein Hochwasserrückhaltebecken bauen, sind wir zukünftig vor jeder Hochwassergefahr

sicher.“

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b) Abflusskurve (3 Pkt.)

Für den Lattenpegel liegt eine Abflusskurve auf Basis hydraulischer Berechnungen vor (Abbildung 2).

- Bestimmen Sie mit Hilfe dieser Abflusskurve (Abbildung 2) den Abflussscheitelwert QHWmax für das

o.g. HW-Ereignis.

- Beschreiben Sie die Güte der Bestimmung von Abflussscheitelwerten an diesem Lattenpegel und

nennen und begründen Sie stichwortartig ggf. vorliegende Bedenken.

40

60

80

100

120

140

160

180

200

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Abfluss Q [m3/s]

Wa

ss

ers

tan

d H

[c

m]

Abbildung 2: Abflusskurve für den Lattenpegel am B-Bach in A-Dorf

Seite 3 von 5

c) Hochwasserstatistik (4 Pkt.)

Basierend auf den Jahreshöchstwerten der letzten 30 Jahren wurde für den Lattenpegel in der Gemeinde

eine Hochwasserstatistik erstellt (Abbildung 3).

Abbildung 3: Extremwertstatistik für den Lattenpegel am B-Bach in A-Dorf

- Bestimmen Sie anhand dieser Statistik die Jährlichkeit Tn des o.g. HW-Ereignisses.

- Wie beurteilen Sie die Aussagekraft (Güte) dieser Statistik?

- Welcher Überschreitungswahrscheinlichkeit entspricht eine Jährlichkeit von Tn = 100 a ?

- Wie groß ist ein HQ100 [m3/s] nach dieser Statistik?

d) Integriertes Hochwassermanagement (3 Pkt.)

Benennen Sie die Bereiche der 3-Säulen-Strategie des integrierten Hochwassermanagements

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e) Hochwasserrückhalteraum (2 Pkt.)

Das neue Hochwasserschutzkonzept der Gemeinde sieht vor, dass zukünftig Qmax = 10 m3/s schadlos im

Gewässerbett in der Ortslage abgeführt werden können.

Bemessen Sie anhand der Vorgaben (Abbildung 4) den gewöhnlichen Hochwasserrückhalteraum IGHR

für ein auf konstanten Regelabfluss QR = Qmax gesteuertes Rückhaltebecken.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Zeit t [h]

Abfluss Q

[m

3/s

]

Abbildung 4: Maßgebende 100-jährliche Bemessungsganglinie

Seite 5 von 5

f) Lastfall Klimaänderung (2 Pkt.)

Die neueren Erkenntnisse über die möglichen Folgen einer Klimaänderung haben Auswirkungen auf das

unter e) festgelegte Schutzkonzept. Abbildung 5 stellt die maßgebende 100-jährliche Bemessungsgang-

linie für einen Lastfall Klimaänderung dar.

Benennen Sie einige Konsequenzen der Auswirkungen einer möglichen Klimaänderungen auf das beste-

hende Hochwasserschutzkonzept und geben Sie der Gemeinde entsprechende Empfehlungen darauf zu

reagieren.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Zeit t [h]

Abfluss Q

[m

3/s

]

Lastfall Klimaänderung

Bemessungsfall

Abbildung 5: Maßgebende 100-jährliche Bemessungsganglinie des Lastfalls Klimaänderung


„GRUNDLAGEN WASSER UND UMWELT „Teil „Wasserbau & Wasserwirtschaft“

Sommersemester 2007 (26.07.2007)Institut für Wasser und Gewässerentwicklung




Die Hochwasserentlastung eines Rückhaltebeckens soll durch den Bau einer Dammscharte gewährleistet

werden. Die Dammscharte gliedert sich in den Überfallbereich und das anschließende Raugerinne. Der Über-

fallbereich wird als breitkroniger Überfall ausgebildet und kontrolliert das Abflussgeschehen. Das daran

anschließende geneigte Raugerinne ist durch eine Sohlausbildung mit Schüttsteindeckwerk gekennzeichnet.

Der Abflussquerschnitt der Dammscharte wird als Rechteckprofil ausgebildet.

In Abbildung 1 ist eine bereits ausgeführte Dammscharte exemplarisch abgebildet. Abbildung 2 stellt die

geplante Anlage im Grundriß und Längsschnitt dar.

Abbildung 1: Beispiel einer bereits ausgebildeten Dammscharte; links: Blick vom Innenbereich des Hochwasserrück-haltebecken in Richtung Überfallbereich; rechts: als Raugerinne ausgebildete Dammscharte

Abbildung 2: Grundriss (links) und Längsschnitt (rechts) der Dammscharte

Seite 1 von 3

a) Bemessung der Dammschartenbreite (4 Pkt.)

Im Betriebsfall der Hochwasserentlastung kann davon ausgegangen werden, dass ein freier, nicht rückge-

stauter Freispiegelabfluss aus dem Rückhalteraum über die Dammscharte stattfindet. Ermitteln Sie die

erforderliche Dammschartenbreite B für den Entlastungsabfluss QEntl = 11,5 m³/s bei Einhaltung einer

max. Fließtiefe von hmax = 30 cm im Abflusskontrollquerschnitt.

b) Fließzustand auf dem Raugerinne (16. Pkt.)

Untersuchen Sie, ob sich entlang des Raugerinnes bei Annahme von Normalabflussbedingungen schie-

ßender Abfluss einstellt. Die Normalabflusstiefe ist dabei iterativ zu bestimmen.

Hinweise:

Die Lösung ist klar strukturiert und nachvollziehbar darzustellen. Nicht nachvollziehbare Lösungen

werden nicht bewertet.

Annahmen sind als solche zu kennzeichnen und deren Zulässigkeit ist nachzuweisen. Ohne Nach-

weis dürfen folgende Annahmen getroffen werden:

o Normalabflussbedingungen entlang des Raugerinnes

o hydraulischer Radius rhy Fließtiefe h

Die Endergebnisse zu den Teilaufgaben sind mit einem Satz zu kommentieren; die einfache Angabe

einer Zahl wird nicht gewertet.

Angaben zur Dammscharte aufgrund einer bereits durchgeführten Vorplanung:

Bemessungsabfluss für die Dammscharte: QEntl = 11,5 m³/s

max. zulässige Fließtiefe im Bereich der Dammschartekrone: hmax = 30 cm

Neigung des Raugerinnes: ISo,Raugerinne = 170 ‰

Mittlerer Steindurchmesser des Schüttsteindeckwerkes: dm = 20 cm

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Formelsammlung:

Überfallformel nach Poleni BhgQ !!!!"!# 2

3

23

2

Fließformel nach Gauckler-Manning-Strickler 3

2

hyEst rIkv !!#

Umrechnung mittlerer Steindurchmesser in Strickler-Beiwert nach Whittacker/Jäggi 6

1

21

m

std

k # dm einzusetzen in [m]

Formelzeichen:

" Überfallbeiwert nach Poleni g Erdbeschleunigung h Fließtiefe B Breite der Dammscharterhy hydraulischer Radiuskst Strickler-BeiwertIE Energieliniengefälle dm mittlerer Steindurchmesser des Schüttsteindeckwerkes

Tabelle 1: Überfallbeiwert "

"

0,50

0,52

0,69

0,64

0,74

Seite 3 von 3

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„GRUNDLAGEN WASSER UND UMWELT“TEIL WASSERBAU UND WASSERWIRTSCHAFT

Wintersemester 2007/2008 (28.02.2008)





Aufgabe 1: Verständnisfragen (10 Pkt.)

Beantworten Sie bitte auf einem separaten Lösungsblatt die folgenden Fragen.

Achten Sie bei Ihren Antworten darauf, dass die Zusammenhänge klar ersichtlich

werden; Stichwortlisten sind daher nicht geeignet!

Pro Frage werden max. 2,5 Pkte. vergeben.

a) Erläutern Sie die Unterschiede zwischen den Widerstandsbeiwerten kst und !.

b) Was ist die kritische Schubspannung und wie kann man sie theoretisch ermitteln?

c) Nennen Sie die wesentlichen Komponenten einer Staustufe mit Energiegewinnung

in einer Schifffahrtsstraße.

d) Erläutern Sie den Begriff Potenzialströmung. Welche Voraussetzungen müssen bei

Potenzialströmungen vorhanden sein? Welche Rolle spielen Potenzialströmungen

bei der Unterströmung von Wehranlagen?

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Wintersemester 2007/2008 (28.02.2008)





Aufgabe 2: Hydrologie (20 Pkt.)

a) Hochwasserrückhaltebecken (6 Pkt.)

Skizzieren Sie den Längsschnitt eines Hochwasserrückhaltebeckens (Trocken–

becken) und kennzeichnen Sie darin eindeutig folgende Punkte:

" Absperrbauwerk

" Grundablass

" Außergewöhnlicher Hochwasserrückhalteraum

" Hochwasserentlastungsanlage

" Gewöhnlicher Hochwasserrückhalteraum

" Freibord

b) Hochwassersicherheit (4 Pkt.)

Erläutern Sie kurz, warum die Beachtung der Hochwassersicherheit eines Hoch–

wasserrückhaltebeckens entsprechend der DIN 19700 so wichtig ist und wie das

Sicherheitskonzept der DIN 19700 aussieht.

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c) Expertenwissen (10 Pkt.)

Benennen oder kennzeichnen Sie die richtige(n) Antwort(en). Falsche Antworten

führen zu Punktabzügen! Tragen Sie Ihre Lösung direkt auf das Aufgabenblatt ein.

- Geben Sie die allgemeine Speichergleichung an, welche die Grundlage für das

Seeretentionsverfahren darstellt.

- Die Klassifizierung von Hochwasserrückhaltebecken entsprechend der DIN

19700 erfolgt anhand folgender Größen (bitte ankreuzen):

Wasseroberfläche

Höhe des Absperrbauwerks

Beckensteuerung

Gesamtstauraum

- Die jährliche Überschreitungswahrscheinlichkeit Pü für BHQ1 und BHQ2 nach DIN

19700 verhält sich wie folgt (bitte ankreuzen):

(Pü)BHQ1> (Pü)BHQ2

(Pü)BHQ1= (Pü)BHQ2

(Pü)BHQ1< (Pü)BHQ2

- Wie groß ist das Risiko, dass ein Ereignis der Jährlichkeit Tn = 10000 a in einem

beliebigen Jahr auftritt?

- Die Beckenabgabe bei einem ungesteuerten Hochwasserrückhaltebecken ist von

folgenden Kenngrößen abhängig (bitte ankreuzen):

Beckenvolumen

Höhe des Absperrbauwerks

Auslassquerschnitt

Absperrbauwerksbreite

Wasserstand im Becken

- Zu dem Prozess Abflussbildung gehören folgende Begriffe (bitte ankreuzen):

Basisabfluss

Abflussbeiwert

Einheitsganglinie

Effektivniederschlag

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- Bei der Freibordbemessung spielen folgende Effekte eine Rolle (bitte

ankreuzen):

Wind

Wellen

Erdbeben

Verdunstung

Eis

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Bereich Wasserwirtschaft und Kulturtechnik

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. Franz Nestmann

GRUNDFACHPRÜFUNG

„WASSER UND UMWELT“TEIL WASSERBAU UND WASSERWIRTSCHAFT




Teil Wasserbau (20 Punkte)

In einem unregulierten Fluss soll ein Laufwasserkraftwerk entstehen (siehe Abb. 1).

Bei einer Fallhöhe von 10 m sollen zur Energieerzeugung als Ausbaudurchfluss maxi-

mal 1200 m³/s über 3 Turbinen abgeführt werden. Im Jahresmittel werden die Turbi-

nen mit ca. der Hälfte des Ausbaudurchflusses beaufschlagt.

Abbildung 1: Flusslauf mit geplantem Standort der Wasserkraftanlage

a.) An welcher Stelle im Flussquerschnitt würden Sie das Krafthaus platzieren? Be-

gründen Sie kurz Ihre Antwort. [1 Punkt]

b.) Skizzieren Sie einen groben Längsschnitt durch das Krafthaus und benennen Sie

die wichtigen Anlagenteile (mind. 5 Nennungen). [2,5 Punkte]

c.) Was versteht man unter der spezifischen Drehzahl nq einer Turbine? [2,5 Punkte]

d.) Wählen Sie mit Hilfe von Abbildung 2 einen geeigneten Turbinentypen und be-

rechnen Sie die Betriebsdrehzahl n bei Volllast und optimalem Wirkungsgrad.

[4,0 Punkte]

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Abbildung 2: Einsatzbereiche unterschiedlicher Turbinen in Abhängigkeit von der

Fallhöhe hf und der spezifischen Drehzahl nq.

e.) Ermitteln Sie die ungefähr benötigte Anzahl an Polpaaren für die Generatoren.

Der Einsatz soll in einem Verbundnetz von 50 Hz erfolgen. [2,0 Punkte]

f.) Bestimmen Sie die effektive Kraftwerksleistung und das Jahresarbeitsvermögen

in [kWh]. Gehen Sie hierbei von einem realistischen Wirkungsgrad der Gesamt-

anlage aus. [4.0 Punkte]

g.) Nennen sie 4 Auswirkungen, die der Bau eines Stauwehres zur Wasserkrafter-

zeugung auf das ursprüngliche Fließgewässer hat? [4.0 Punkte]

Formelsammlung:

Spezifische Drehzahl: 75,0

f

qh

Qnn ! (die Formel ist nicht dimensionstreu)

mit:

Q Durchfluss [m³/s]

n Betriebsdrehzahl [1/min]

hf Fallhöhe [m]

Betriebsdrehzahl: " #1min60 $%

!p

fn

mit:

f Netzfrequenz [Hz]

p Polpaare

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„WASSER UND UMWELT“TEIL WASSERBAU UND WASSERWIRTSCHAFT





Aktuell hat ein extremes Niederschlagsereignis in der Musterstadt (Abbildung 1) zu

einem Hochwasser geführt, obwohl direkt oberhalb des Stadtgebietes ein Hochwasser-

rückhaltebecken (HRB) in Betrieb ist.

Abbildung 1: Skizze des Einzugsgebiets

Das Hochwasserrückhaltebecken HRB wird auf einen konstanten Regelabfluss von

QR = 8 m3/s gesteuert. Bei dem Hochwasserereignis war der gewöhnliche Hochwas-

serrückhalteraum IGHR zum Zeitpunkt 22:30 Uhr voll und die Hochwasserentlastungs-

anlage HWEA ist angesprungen. Im Anschluss ist es dann zu Überschwemmungen im

Stadtgebiet gekommen. Abbildung 2 zeigt die Zuflussganglinie zu dem HRB für das

Ereignis.

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Abbildung 2: Abflussganglinie aus dem HRB

Hochwasserrückhaltebecken

Beckensteuerung (2 Pkt.)

Skizzieren Sie in Abbildung 2entsprechend oben genannten Angaben die Abflussgang-

linie aus dem HRB (unter Vernachlässigung von Seeretentionseffekten).

Abflussscheitelwert (1 Pkt.)

Schätzen Sie den maximalen Abflussscheitelwert, der bei dem Hochwasserereignis am

Ortseingang von Musterstadt aufgetreten ist.

Gewöhnlicher Hochwasserrückhalteraum IGHR (1 Pkt.)

Bestimmen Sie anhand o.g. Angaben den gewöhnlichen Hochwasserrückhalteraum

IGHR des HRB.

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Extremwertstatistik

Die bisherige Pegelstatistik für den Zulauf zum HRB basiert auf Abflussaufzeichnun-

gen, die über einen Zeitraum von 20 Jahren kontinuierlich vorliegen.

Abbildung 3: Extremwertstatistische Auswertung der Pegelzeitreihe am Zulauf HRB

Extrapolation (1 Pkt.)

Abbildung 3 zeigt die extremwertstatistische Auswertung der Pegelzeitreihe am Zulauf

zum HRB. Welche Jährlichkeit Tn hatte demnach das Hochwasserereignis 2008.

Aktualisierung Pegelstatistik (2 Pkt.)

Das Hochwasserereignis 2008 soll in die Pegelstatistik integriert werden. Welche Aus-

wirkungen auf die HQt-Werte sind zu erwarten? (Kurze Begründung in Stichworten)

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Ingenieur-Bewertung

Hochwasserschutzgrad (1 Pkt.)

Ist anhand der oben gewonnenen Erkenntnisse für die Gemeinde ein 100-jährlicher

Hochwasserschutz vorhanden?

Verbesserung Hochwasserschutz (2 Pkt.)

Nennen Sie eine Möglichkeit den Hochwasserschutz für die Gemeinde zu verbessern

und beschreiben Sie deren Umsetzung (Machbarkeit) in Stichworten.

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Wintersemester 2008/2009 (12.03.2009)



Teil Wasserbau (10 P.)

Der Ob in Sibirien ist einer der größten Flüsse der Erde. Sowohl die hydraulischen Pa-

rameter als auch die Feststofffrachten nehmen bei diesem Fluss insbesondere im

Hochwasserfall enorme Dimensionen an. In Abbildung 1 ist ein Abschnitt des Ob im

Mittellauf dargestellt.

Abbildung 1: Luftbildaufnahme des Ob aus 3000m Höhe.

Beantworten Sie für den Hochwasserfall folgende Fragen. Beachten Sie dazu die Hin-

weise am Ende der Aufgabe.

a) Hochwasserabfluss (2 P.)

Berechnen Sie den Durchfluss Qmax bei bordvollem Wasserstand.

b) Diskussion der Ergebnisbelastbarkeit (2 P.)

Welche Widerstandsarten sind im Strickler-Beiwert zusammengefasst?

Wie kann in der Praxis ein möglichst genauer Strickler-Beiwert ermittelt werden?

c) Geschiebetransport (6 P.)

Leiten Sie für gleichförmige Abflussverhältnisse die Formel zur Berechnung der Soh-

lenschubspannung ab. Schätzen Sie die Geschiebefracht in [t/Tag] ab, welche beim

Hochwasser durch einen Kontrollquerschnitt transportiert wird.

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Angaben

! Die mittlere Gewässerbettbreite beträgt B ! 420,00 m

! Die mittlere Wassertiefe beim bordvollem Abfluss beträgt h ! 4,80 m

! Das mittlere Sohlliniengefälle beträgt ISo ! 2,60 ‰

! Die Gewässersohle besteht aus Sand und Kies (20 – 60 mm)

! Strickler-Beiwerte

Gerinnebeschaffenheit kst-Wert (m1/3/s)

feste, lehmige Sohle ohne Unregelmäßigkeiten 50

fester Sand mit etwas Ton ohne Unregelmäßigkeiten 45

Geröllauflage mit Unregelmäßigkeiten 30

mittlerer Kies mit kleineren Unregelmäßigkeiten 35

Grobkies- und Steinbrocken mit Geröll 25

Hinweise

" Berechnungsannahmen sind zu kennzeichnen!

" Die Annahme rhy ! h ist nicht zulässig!

" Kinematische Viskosität von Wasser " = 1,3#10-6 m²/s

" Falls Sie Teil (a) nicht gelöst haben, arbeiten Sie mit v = 5 m/s weiter

" Zur Abschätzung der Geschiebefracht gehen Sie von der Annahme aus, dass sich

das Geschiebe in einer Sohlenschichtdicke von 0,25 m und mit einer Geschwindig-

keit von etwa 10 ‰ der mittleren Fließgeschwindigkeit v fortbewegt.

" Formeln:

Trägheitskraft/Schwerekraft Trägheitskraft/Zähigkeitskraft

Lg

v

# und

Lg'

*v 2

##$ "

# Lv und

"

#L*v

%0 = mittlere Sohlenschubspannung

g = Erdbeschleunigung

$W = Dichte Wasser 1,0 t/m³

rhy = hydr. Radius

ISo = mittl. Sohlenliniengefälle

IE = mittl. Energieliniengefälle

" = kinemat. Viskosität

L = charakteristische Länge

$’ = spezifische Dichte ($F-$W)/$W,

$F = Dichte Feststoffe 2,65 t/m³

v* = Schubspannungsgeschw. (%0/$W)0,5

Fr*crit ! 0,057 bei Re* & 300 gemäß dem Shields-Diagramm.

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Wintersemester 2008/2009 (12.03.2009)




a) Niederschlagsereignis (7 Pkt.)

Ein extremes, lokales Gewitterereignis hat in der Musterstadt (Abbildung 1) zu erheb-

lichen Überschwemmungen geführt. An der Niederschlagsmessstation N1 im Stadtge-

biet wurden 50 mm gemessen. An der Niederschlagsmessstation N2, im Mündungsbe-

reich vom T-Bach gelegen, wurden in der gleichen Zeit nur 10 mm Niederschlag re-

gistriert (Abbildung 1).

- Bestimmen Sie mit Hilfe des Thiessen-Polygon-Verfahrens den Gebietsnieder-

schlag NG für das skizzierte Einzugsgebiet des T-Bachs (AEo = 34 km2).

- Nennen Sie die Nachteile des Thiessen-Polygon-Verfahrens und bewerten Sie

die Eignung des Verfahrens für oben beschriebenes Extremereignis.

- Hätte ein klassisches Hochwasserrückhaltebecken (HRB) die Musterstadt vor

dem oben beschriebenen Extremereignis schützen können (Kurze Begründung)?

Abbildung 1: Skizze des Einzugsgebiets und der Niederschlagsmessstationen N1 und N2.

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b) Hochwasserrückhaltebecken (HRB) (4 Pkt.)

Zur Verbesserung des Hochwasserschutzes soll direkt oberhalb einer Ortslage ein

Hochwasserrückhaltebecken gebaut werden. Die Planung sieht vor, dass im Hochwas-

serbemessungsfall am Ortseingang der Abflussscheitelwert von Qmax = 7 m3/s nicht

überschritten wird.

- Skizzieren Sie in Abbildung 2 die Abgabeganglinie aus einem ungesteuerten

HRB.

- Skizzieren Sie in Abbildung 3 die Abgabeganglinie aus einem auf konstanten

Regelabfluss gesteuerten HRB.

- Nennen Sie je einen Vor- und Nachteil der oben beschriebenen Möglichkeiten

der Beckensteuerung.

Abbildung 2: Skizze Abgabe ungesteuertes

HRBAbbildung 3: Skizze Abgabe auf konstanten

Regelabfluss gesteuertes HRB

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c) Expertenwissen (9 Pkt.)

Benennen oder kennzeichnen Sie die entsprechenden Antwort(en).

R F

X Richtige Antwort

X Falsche Antwort

- Welche beiden entscheidenden Prozesse werden in der Niederschlag-

Abflussmodellierung mit der

a) Einheitsganglinie

und dem

b) Abflussbeiwert

formuliert?

- Wie verändert sich qualitativ die Charakteristik der Einheitsganglinie von flachen

zu gebirgigen Einzugsgebieten?

Zeichnen Sie im Vergleich zu der in Abbildung 4 dargestellten Einheitsganglinie

(flaches Einzugsgebiet) eine Einheitsganglinie für ein steiles Einzugsgebiet.

Abbildung 4: Charakteristik Einheitsganglinie

Hinweis: Die Kenngrößen tA und umax der Ein-

heitsganglinie kann nach dem Regionalisie-

rungsverfahren nach Lutz mit entspr. Formeln

bestimmt werden.

wu

g

CA ee

I

LLPt !!" !!

##$

%

&&'

( !!) 004.0016.0

26.0

5.11

htfürtu A 25.0612.0 991.0max )*!) "

- Für die Dauerlinie werden folgende gemessene Größen ausgewertet

R F

Komplette Zeitreihen

Nur Extremwerte

Wasserbilanzen

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- Der mittlere jährliche Niederschlag in Deutschland beträgt ungefähr

R F

200 – 300 mm

500 – 800 mm

1500 – 2000 mm

- Das Summenlinienverfahren kommt zur Anwendung bei der Bemessung von

R F

Regenklärbecken

Nutzspeichern

- Im Hochwasserbemessungsfall 2 (BHQ2) nach DIN 19700 ist folgendes ohne

Einschränkung sicherzustellen:

R F

Tragsicherheit

Gebrauchstauglichkeit

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Hochwasserentlastung eines Kraftwerkkanals 30 Pkte.

Für die Hochwasserentlastung eines Kraftwerkkanals wird Wasser seitlich lateral in

einen Hochwasserentlastungstrog und von dort aus weiter in ein Hochwasserrückhal-

tebecken geleitet.

Abbildung: Systemdarstellung der Hochwasserentlastung.

Das System besitzt folgende Randbedingungen:

! Die Sohle des Troges ist horizontal ausgeführt (ISo = 0 m/m)

! Der Bemessungsabfluss beträgt QB = 6,0 m³/s

! die Trogabmessungen betragen: Länge L = 10,0 m und Breite B = 3,0 m

! der Trogquerschnitt ist rechteckförmig. Hierfür gilt: ygr = [Q²/(g"B²)]1/3

! Am Auslauf des Troges herrscht Grenzabfluss und es wird von reibungsfreiem Ab-

fluss ausgegangen.

Berechnen Sie die maximale Wassertiefe y0 im Entlastungstrog.

Kraftwerkskanal

Trog zur HW-Entlastung

Übergang zum Rückhaltebecken

Trog zur HW-Entlastung

Kraftwerkskanal

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