Transcript Abflüsse aus Außengebieten

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 HochwasserBearbeitung: Dipl.-Ing. Peter Moche
Inhalt
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19.05.2011
Grundlagen
Größenangaben
Berechnungsansätze
Hinweise zur Anwendung
Schlussbemerkung
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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.
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Grundlagen
Oberflächenabfluss von Außengebieten
[Zeichen und Einheiten ≠
ATV-DVWK-A198]
[Wohlrab/Ernstberger/Meuser/Sokolek 1992:
Landschaftswasserhaushalt]
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A: Abfluss
N:
Niederschlag
NF: A=A
durch
die
Veg.
gefallener
-AK-AUZ N
0+A
I+A
G+AUA
N0T: Oberflächenabfluss
A
von Veg. abtropfender N
NB > AS1) NK = NF+NT
NK: (wenn
Kronendurchlass
A
: NW das in den Wurzelraum
NS1
S: an Baumstämmen und
einsickert
Pflanzenstengeln abfl. N
A
: NW vom Wurzelraum in die
NS2
B: Anteil des N der auf die
nicht
durchw. Absickert
Bodenoberfläche
gelangt
AS3: Anteil
der
dem
GW
zusickert
NB = NF +NT+NS
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
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Grundlagen
Abhängigkeiten des Oberflächenabflusses
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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)
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Größenangaben
Literaturangaben
• voralpines EZG
35% Waldanteil
97% Waldanteil
max. 70 l/(s ha)
max. 30 l/(s ha)
(Messreihe von 1902 bis 1993)
[Forster/Keller/Rickenmann/Röthlisberger 1994: Schweizerische Zeitschrift für das Forstwesen, „Hochwasser“]
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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
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Größenangaben
Literaturangaben
Gefällegruppen
I
II
III
IV
Js< 1% 1%≤Js≤4% 4%≤Js≤10% Js>10%
0–5
5 - 10
10 - 15
15 – 20
Abflussspenden aus natürlichen
Einzugsgebieten [l/(s ha)]
[ATV-AG 1.2.6, KA 4/1999: Regenwasserbewirtschaftung in Siedlungsgebieten
zur Angleichung an natürliche Abflussverhältnisse]
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Größenangaben
Pegelwerte (N-A Messungen)
Bsp. : NRW, Nordeifel Kyllgebiet
EZG
Grisselsiefen Esterbach
Pegel
Baasem
Berk
Größe
Nutzung
Untergrund
Messreihe
Gefälle
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0,33 km²
0,49 km²
fast vollst. Wald
schuffiger Lehm (Devon)
15 Jahre
27 Jahre
8,5%
8,2%
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Größenangaben
Pegelwerte (N-A Messungen)
Wiederkehrzeit Tn [a]
1
Abfluss- Pegel Baasem 3
spende (1975-1989)
[l/(s ha)]
Pegel Berk
4
(1963 - 1989
2 5 10 20 50
4 6
7
9
11
6 8 10 13 16
Abflussspenden in [l/(s ha)]
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Berechnungsansätze
Abflussbildung
(Berechnung des Effektivregens)
• Abflussbeiwertansätze
• Verlustratenansätze
• Bodenspeichermodelle
Abflusskonzentration
Abflussganglinie mit zeitlichen Verlauf
der Abflusswelle
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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
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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
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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
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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
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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]
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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
[Verworn/Harms; Wasserwirtschaft, 7-8/1980;
Die Standardeinheitsganglinie – eine gebietsJ: Gefälle im EZG ...
übergreifende Systemfunktion]
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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]
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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 19.05.2011
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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 Niederschlagsbelastungen 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!
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Schlussbemerkung
• Einige Parameter der verwendeten Verfahren
sollten anhand von Messdaten kalibriert werden.
Da Messdaten nur in sehr geringem
Umfang vorliegen, besteht diesbezgl.
erheblicher Forschungsbedarf.
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Vielen Dank für
Ihre Aufmerksamkeit
[Foto: J. Sartor]
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Musterhausen
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[Foto: J. Sartor]
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[Foto: J. Sartor]
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