Date post: | 05-Apr-2015 |
Category: |
Documents |
Upload: | kathrin-lax |
View: | 108 times |
Download: | 2 times |
www.biserver.bi.fh–trier.de
RegionaleWasserwirtschaft
2011
Berechnungsansätze für
Außengebietsabflüsse
Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse
J. Sartor
Seminarreihe Regionale Wasserwirtschaft in Theorie und Praxis
- Belastung der Kanalisation durch Außengebietszuflüsseund gewässerseitiges Hochwasser -
FH Trier, 19. Mai 2011
www.biserver.bi.fh–trier.de
RegionaleWasserwirtschaft
2011
Berechnungsansätze für
Außengebietsabflüsse
GrundsätzlichesGrundsätzliches
- Die folgendes Ausführungen beruhen weitgehend auf dem - Die folgendes Ausführungen beruhen weitgehend auf dem AnhangAnhang des des entsprechenden DWA-Arbeitsberichts (KA 8/2008) entsprechenden DWA-Arbeitsberichts (KA 8/2008)
- Es werden nur - Es werden nur instationäre Verfahren instationäre Verfahren (Modelle) im Sinne von DWA-A 118(Modelle) im Sinne von DWA-A 118 und DWA-M 165 beschrieben. Für einfache Ansätze wie Zeitbeiwert oder und DWA-M 165 beschrieben. Für einfache Ansätze wie Zeitbeiwert oder Kalweit Kalweit gestaltet sich die Ermittlung der zeitlichen Überlagerung mit dergestaltet sich die Ermittlung der zeitlichen Überlagerung mit der Welle aus dem Kanalnetz als schwierig. Welle aus dem Kanalnetz als schwierig.
www.biserver.bi.fh–trier.de
RegionaleWasserwirtschaft
2011
Berechnungsansätze für
Außengebietsabflüsse
Phasen des Niederschlags-Abfluss-Prozesses
www.biserver.bi.fh–trier.de
RegionaleWasserwirtschaft
2011
Berechnungsansätze für
Außengebietsabflüsse
AnsätzeAnsätze
Niederschlagsbelastung:Niederschlagsbelastung: Statistische Statistische Modellregen, Naturregenserien Modellregen, Naturregenserien (Langzeitsimulation) (Langzeitsimulation)
Abflussbildung:Abflussbildung: Es werden drei Es werden drei AbflussbeiwertansätzeAbflussbeiwertansätze beschrieben beschrieben (robust, beinhalten empirisch die komplexen hydrologischen Mechanismen). (robust, beinhalten empirisch die komplexen hydrologischen Mechanismen). Hinsichtlich Hinsichtlich VerlustratenansätzenVerlustratenansätzen (besondere Eignung für haltungsbezogene (besondere Eignung für haltungsbezogene Teileinzugsgebiete) und Teileinzugsgebiete) und BodenspeichermodellenBodenspeichermodellen (hoher Anspruch an (hoher Anspruch an Datenerhebung und Bearbeiter) wird auf die Literatur verwiesen Datenerhebung und Bearbeiter) wird auf die Literatur verwiesen
Abflusskonzentration:Abflusskonzentration: Es wird ein Es wird ein Speicherkaskadenmodell Speicherkaskadenmodell beschrieben, das beschrieben, das für Flächengrößen unter 10 kmfür Flächengrößen unter 10 km22 entwickelt wurde entwickelt wurde
www.biserver.bi.fh–trier.de
RegionaleWasserwirtschaft
2011
Berechnungsansätze für
Außengebietsabflüsse
BerechnungsbeispielBerechnungsbeispiel
Die Berechnungsansätze werden anhand folgendem Beispiel dargestellt:
Niederschlagsereignis (Seriensimulation) mit hNiederschlagsereignis (Seriensimulation) mit hNN = 30 mm über D = 2 h = 30 mm über D = 2 h am 15. Juni mit folgendem Vorregenverlaufam 15. Juni mit folgendem Vorregenverlauf
(Resttage h(Resttage hNN = 0) = 0)
Temperaturdaten liegen nicht vor; Basisabfluss ~ 0Temperaturdaten liegen nicht vor; Basisabfluss ~ 0
Gebiet: Gebiet:
AAEE = 50 ha; je 50 % Kartoffelanbau und mitteldichter Wald; = 50 ha; je 50 % Kartoffelanbau und mitteldichter Wald;sandiger Lehmboden; sandiger Lehmboden; Längster Fließweg L = 900 m, zugehörige Höhendifferenz Längster Fließweg L = 900 m, zugehörige Höhendifferenz ΔΔ H = H = 20 m20 m
J = 20/900 = 0,0222; L/(J)J = 20/900 = 0,0222; L/(J)0,50,5 = 6,0 km = 6,0 km
Vortag jVortag j 4 5 10 15 20 25 4 5 10 15 20 25 3030
hhNd,jNd,j[mm][mm] 15 15 15 15 10 15 15 15 15 10 15 15 55
www.biserver.bi.fh–trier.de
RegionaleWasserwirtschaft
2011
Berechnungsansätze für
Außengebietsabflüsse
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
www.biserver.bi.fh–trier.de
RegionaleWasserwirtschaft
2011
Berechnungsansätze für
Außengebietsabflüsse
1. AbflussbeiwertermittlungDer 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
www.biserver.bi.fh–trier.de
RegionaleWasserwirtschaft
2011
Berechnungsansätze für
Außengebietsabflüsse
Bodentypen nach SCSBodentyp 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 CBodentyp C: Böden mit geringem Versickerungsvermögen, Böden mit feiner bis mäßig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht, z.B. flache Sandböden, sandiger Lehmsandiger Lehm
Bodentyp D: Böden mit sehr geringem Versickerungsvermögen, Tonböden,
sehr flache Böden über nahezu undurchlässigem Material, Böden mit dauernd sehr hohem Grundwasserspiegel
www.biserver.bi.fh–trier.de
RegionaleWasserwirtschaft
2011
Berechnungsansätze für
Außengebietsabflüsse
CN-Wert nach SCS(mittlere) Bodenfeuchteklasse BFK II
Bodennutzung CNII für Bodentyp
A B CC D
Ödland (ohne nennenswerten Bewuchs, z.B. Schwarzbrache)
HackfrüchteHackfrüchte (Reihenkultur wie KartoffelnKartoffeln, Mais, Rüben o.ä.), WeinWein (Terrassen)Getreide, Futterpflanzen (Klee, Luzerne o.ä.)Weide (normal) (karg)Dauerwiese
WaldWald (stark aufgelockert) (mitteldicht bestockt)(mitteldicht bestockt) (dicht bestockt)Undurchlässige Flächen (versiegelter Anteil von Ortschaften, Strassen usw.)
77 86 91 94 70 80 8787 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 7373 79 25 55 70 77100 100 100 100
CNII = 0,5 x 87 + 0,5 x 73 = 80CNII = 0,5 x 87 + 0,5 x 73 = 80
www.biserver.bi.fh–trier.de
RegionaleWasserwirtschaft
2011
Berechnungsansätze für
Außengebietsabflüsse
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)
VNVNaktakt = 0,9 = 0,944 1515 + 0,9 + 0,955 1515 + 0,9 + 0,91010 1515 + 0,9 + 0,91515 1010 + 0,9 + 0,92020 1515 = 29,24 = 29,24 mmmm
MVN = 36,93 mmMVN = 36,93 mm
tg
tatatj
tk
tj
VNtgtk
MVN1
,1
11
www.biserver.bi.fh–trier.de
RegionaleWasserwirtschaft
2011
Berechnungsansätze für
Außengebietsabflüsse
bodenfeuchteabhängiger CN-Wert CNbf
sog. Bodenspeicherkapazität S (laut Org.verfahren)
bodenfeuchteabhängiger Anfangsverlust Ibf (für Gefälle = 0)
Ibf = 0,1 S MVN/VNakt == 0,1 0,1 71,2 71,2 36,93/29,24 = 8,99 mm 36,93/29,24 = 8,99 mmfür Laubwald, AckerLaubwald, Acker oder Brache
Anfangsverlust HVA (in Abhängigkeit des Gebietsgefälles G ~ J~ J) HVA = Ibf e-G K = 8,99 e= 8,99 e--0,02220,0222 1 1 = 8,8 mm = 8,8 mmmit K = Faktor, wählbar zwischen 1 und 6; hier gewählt: K = 1 (geringer Einfluss)hier gewählt: K = 1 (geringer Einfluss)
100100
100100
4,25
10001000
II
IIakt
IIbf
CNfür
CNfürVNMVN
CNCN
10
10004,25
bfCNS
11,78
4,2524,2993,36
801000
1000
bfCN
2,711011,78
10004,25
S
www.biserver.bi.fh–trier.de
RegionaleWasserwirtschaft
2011
Berechnungsansätze für
Außengebietsabflüsse
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 Der resultierende Effektivregenverlauf wird für die 3 behandelten AnsätzeAnsätze
zusammenfassend dargestelltzusammenfassend dargestellt
i
liNiNei hh ,, /
HVAhfürh
SHVAh
SF
i
liNiN
i
liN
i
,,2
,
2
i
lliNiNe Fhh ,,
www.biserver.bi.fh–trier.de
RegionaleWasserwirtschaft
2011
Berechnungsansätze für
Außengebietsabflüsse
1.2 Erweitertes SCS-Verfahren nach ZaißVariabler 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= 0,796 e e0,0047 0,0047 8 8 = 0,827 = 0,827
Hydrologische Wochenzahl WZ: 31. Kalenderwoche: WZ = 1 (Ende Juli/Anfang August)30./32. " WZ = 229./33. " WZ = 3 (Mitte Juli und Mitte August)1515 ׃ ׃ . Juni. Juni WZ = 8 WZ = 8 7./3. " WZ = 25 4.-6. " WZ = 26 (Januar/Februar)
VN21 = 0,827VN21 = 0,82744 1515 + 0,827 + 0,82755 1515 + 0,827 + 0,8271010 1515 + 0,827 + 0,8271515 1010 + 0,827 + 0,8272020 1515 = 16 mm = 16 mm
h c = 21VN iNd,i
21
1=i
www.biserver.bi.fh–trier.de
RegionaleWasserwirtschaft
2011
Berechnungsansätze für
Außengebietsabflüsse
CNI-Wert und Anfangsverlust AV0 gemäß Originalverfahren (für VN21 = 0)
Parameter B1 (hier vereinfacht, ansonsten Eichfaktor)
Anfangsverlust AVAV = AV0 e-VN21/B1
= 7,4= 7,4 e e-16/37,1-16/37,1 = 4,8 mm= 4,8 mm
zeitlich variabler Abflussbeiwert Ψi (im aktuellen Zeitintervall i)
CNII
CNIICNI
01334,0334,2 15,63
8001334,0334,2
80
CNI
mm4,712,7 - 15,63
1270 = AV 0 12,7 -
CNI
1270 = AV 0
)AV
0,5(ln
100 - =1B
0
)AV 0,95 + 0,05
AV( - 1 = 2
i h
Ni
1,37)
4,70,5
(ln
100 - =1B
www.biserver.bi.fh–trier.de
RegionaleWasserwirtschaft
2011
Berechnungsansätze für
Außengebietsabflüsse
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 BEF ~ 0 h hNe,uNe,u = 0 = 0
Durchlässige Flächen
Gesamtfläche: hNe = hNe,u + hNe,d ; Ψ = hNe/hN
BEF)-(1 1))- e( a
C + C )AV - h(( = h )AV-ha(-EEdNdNe,
dN
www.biserver.bi.fh–trier.de
RegionaleWasserwirtschaft
2011
Berechnungsansätze für
Außengebietsabflüsse
Einzelparameter durchlässige Flächen
Anfangsverlust AVd [mm]
AVAVdd = 0,5 = 0,5 2,0 + 2,0 + 0,5 0,5 3,0 = 2,5 mm 3,0 = 2,5 mm
Endabflussbeiwert CE nach Original-SCS-Verfahren bei hN = 250 mm
HVA = 0,2 SS = 0,2 = 0,2 63,5 = 12,7 mm 63,5 = 12,7 mm
CCEE = 187,2/250 = 0,75 = 187,2/250 = 0,75
BEF)-(1 1))- e( a
C + C )AV - h(( = h )AV-ha(-EEdNdNe,
dN
Flächennutzung
Bodentyp nach SCS A B CC D
LandwirtschaftLandwirtschaft
WaldWald 7,0 4,0 2,02,0 1,5 8,0 5,0 3,03,0 2,5
10) - CN
1000( 25,4 = S
HVA - S + h
)HVA - h( = hN
2N
Ne
mm 2,187 = 7,12- 5,63 + 025
)7,12 - 025( = h
2
Ne
mm5,6310) - 80
1000( 25,4 = S
www.biserver.bi.fh–trier.de
RegionaleWasserwirtschaft
2011
Berechnungsansätze für
Außengebietsabflüsse
(vereinfacht)
Eichparameter C1 (zwischen 0,02 und 0,05); gewählt: Cgewählt: C11 = = 0,0350,035
Eichparameter C2 (zwischen 2,0 für Nadelwald, Weiden, Wiesen und 4,62 für Intensivlandwirtschaft, Laubwald); gewählt: Cgewählt: C22 = 3,0 = 3,0
Basisabflussspende qB; für Synthese wird Mittelwasserspende empfohlen; gewählt: Mq = 15 l/(sgewählt: Mq = 15 l/(s kmkm22))
Einzelparameter durchlässige Flächen – Teil 2
BEF)-(1 1))- e( a
C + C )AV - h(( = h )AV-ha(-EEdNdNe,
dN
e e C = a q/-2/WZC-1
B2
021,0 e e 035,0 = a 15/2-8/3-
www.biserver.bi.fh–trier.de
RegionaleWasserwirtschaft
2011
Berechnungsansätze für
Außengebietsabflüsse
EffektivregenverlEffektivregenverlääufe nach ufe nach ØØverlandverland, , ZaiZaißß und und LutzLutz
ØØverlandverland ZaißZaiß LutzLutz
www.biserver.bi.fh–trier.de
RegionaleWasserwirtschaft
2011
Berechnungsansätze für
Außengebietsabflüsse
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)L/(J)0,50,5 = 6,0 km = 6,0 km < 10 km):
2. Abflusskonzentration - Parameterermittlung für die Doppelspeicherkaskade
e k
t ) - (1 + e
k
t = U(t) k t/-
22
k t/-21
21
0,355 - J
L 0,511 +
)J
L(
0,555 = k
0,611 ln
k 3 = k 1,312
)J
L (0,02425 - 1 = 3,2444ln
h0,355 - 0,511 + 0,555
= k1 75,06ln6 61,0
h 3 = k1,3
2 05,275,0
84,06ln ) (0,02425 - 1 = 3,2444
www.biserver.bi.fh–trier.de
RegionaleWasserwirtschaft
2011
Berechnungsansätze für
Außengebietsabflüsse
Abflussscheitel: 291 l/s nach Øverland 284 l/s nach Zaiß 265 l/s nach Lutz
ErgebnisseErgebnisse
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0 1 2 3 4 5 6 7
Zeit [h]
Q [
m³/
s]
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
9,00
10,00
hN [
mm
]
N-Höhen
nach Øverland
nach Zaiß
nach Lutz
www.biserver.bi.fh–trier.de
RegionaleWasserwirtschaft
2011
Berechnungsansätze für
Außengebietsabflüsse
Vielen Dank !
Ihre Fragen ?