Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse

Report
Berechnungsansätze für
Außengebietsabflüsse
J. Sartor
Seminarreihe Regionale Wasserwirtschaft in Theorie und Praxis
- Belastung der Kanalisation durch Außengebietszuflüsse
und gewässerseitiges Hochwasser FH Trier, 19. Mai 2011
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Berechnungsansätze für
Außengebietsabflüsse
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Grundsätzliches
- Die folgendes Ausführungen beruhen weitgehend auf dem Anhang des
entsprechenden DWA-Arbeitsberichts (KA 8/2008)
- Es werden nur instationäre Verfahren (Modelle) im Sinne von DWA-A 118
und DWA-M 165 beschrieben. Für einfache Ansätze wie Zeitbeiwert oder
Kalweit gestaltet sich die Ermittlung der zeitlichen Überlagerung mit der
Welle aus dem Kanalnetz als schwierig.
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Phasen des Niederschlags-Abfluss-Prozesses
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Ansätze

Niederschlagsbelastung: Statistische Modellregen, Naturregenserien
(Langzeitsimulation)

Abflussbildung: Es werden drei Abflussbeiwertansätze beschrieben
(robust, beinhalten empirisch die komplexen hydrologischen Mechanismen).
Hinsichtlich Verlustratenansätzen (besondere Eignung für haltungsbezogene
Teileinzugsgebiete) und Bodenspeichermodellen (hoher Anspruch an
Datenerhebung und Bearbeiter) wird auf die Literatur verwiesen

Abflusskonzentration: Es wird ein Speicherkaskadenmodell beschrieben, das
für Flächengrößen unter 10 km2 entwickelt wurde
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Berechnungsbeispiel
Die Berechnungsansätze werden anhand folgendem Beispiel dargestellt:
Niederschlagsereignis (Seriensimulation) mit hN = 30 mm über D = 2 h
am 15. Juni mit folgendem Vorregenverlauf
Vortag j
hNd,j[mm]
4
5 10 15 20
15 15 15 10 15
25
15
30
(Resttage hN = 0)
5
Temperaturdaten liegen nicht vor; Basisabfluss ~ 0
Gebiet:
AE = 50 ha; je 50 % Kartoffelanbau und mitteldichter Wald;
sandiger Lehmboden;
Längster Fließweg L = 900 m, zugehörige Höhendifferenz Δ H = 20 m
 J = 20/900 = 0,0222; L/(J)0,5 = 6,0 km
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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=ΔH/L
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1. Abflussbeiwertermittlung
Der Abflussbeiwert ist definiert zu
Ψ = hNe/hN
mit
[-]
(≠ Spitzenabflussbeiwert ΨS !)
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
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Bodentypen nach SCS
Bodentyp 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 C: Böden mit geringem Versickerungsvermögen, Böden mit feiner
bis mäßig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht, z.B. flache
Sandböden, sandiger Lehm
Bodentyp D: Böden mit sehr geringem Versickerungsvermögen, Tonböden,
sehr flache Böden über nahezu undurchlässigem Material, Böden mit
dauernd sehr hohem Grundwasserspiegel
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CN-Wert nach SCS
(mittlere) Bodenfeuchteklasse BFK II
Bodennutzung
CNII für Bodentyp
Ödland (ohne nennenswerten Bewuchs, z.B. Schwarzbrache)
Hackfrüchte (Reihenkultur wie Kartoffeln, Mais, Rüben o.ä.),
Wein
Wein (Terrassen)
Getreide, Futterpflanzen (Klee, Luzerne o.ä.)
Weide (normal)
(karg)
Dauerwiese
Wald (stark aufgelockert)
(mitteldicht bestockt)
(dicht bestockt)
Undurchlässige Flächen (versiegelter Anteil von Ortschaften,
Strassen usw.)
A
B
C
D
77
86
91
94
70 80 87 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 73 79
25 55 70 77
100 100 100 100
 CNII = 0,5 x 87 + 0,5 x 73 = 80
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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)
1 tk 1 tg
MVN    VN tj,ta (Jahresmittel)
tk tj1 tg ta1
mit hN,j: Niederschlag am j-ten Tag; k = 0,9 (Rückgangsfaktor)
tk: Anzahl der Jahre; tg: Anzahl der Tage im Jahr (tg = 365)
VNakt = 0,94  15 + 0,95  15 + 0,910  15 + 0,915  10 + 0,920  15 = 29,24 mm
MVN = 36,93 mm
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
bodenfeuchteabhängiger CN-Wert CNbf
CN bf

1000

 1000 MVN  VN  100 für CN II  100
akt


  CN II
25,4


100
für CN II  100

1000
 78,11
1000 36,93  29,24

80
25,4
sog. Bodenspeicherkapazität S (laut Org.verfahren)
 1000

S  25,4 
 10
CN
 bf


CN bf 
 1000

S  25,4  
 10  71,2
 78,11

bodenfeuchteabhängiger Anfangsverlust Ibf (für Gefälle = 0)
Ibf = 0,1 S  MVN/VNakt = 0,1  71,2  36,93/29,24 = 8,99 mm
für Laubwald, Acker oder Brache

Anfangsverlust HVA (in Abhängigkeit des Gebietsgefälles G ~ J)
HVA = Ibf e-G  K = 8,99 e-0,0222  1 = 8,8 mm
mit K = Faktor, wählbar zwischen 1 und 6; hier gewählt: K = 1 (geringer Einfluss)
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
sog. Infiltration F (Verluste) bis zum aktuellen Zeitintervall i
Fi 

S2
i


  hN ,i  HVA  S 
 l

i
2
hN ,i
für
h
N ,i
 HVA
l
effektiver Niederschlag hNe,i
hNe ,i   hN ,i  Fl 
i
l

zeitlich variabler Abflussbeiwert Ψi
i
 i  hNe ,i /  hN ,i
l
Der resultierende Effektivregenverlauf wird für die 3 behandelten Ansätze
zusammenfassend dargestellt
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1.2 Erweitertes SCS-Verfahren nach Zaiß
Variabler 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: VN 21 =
21
c h
i
Nd, i
i =1
Jahreszeitabhängiger Abminderungsfaktor c (zwischen 0,8 und 0,9):
c = 0,796  e0,0047  WZ = 0,796  e0,0047  8 = 0,827
Hydrologische Wochenzahl WZ:
31.
Kalenderwoche: WZ = 1 (Ende Juli/Anfang August)
30./32.
"
WZ = 2
29./33.
"
WZ = 3 (Mitte Juli und Mitte August)
‫׃‬
‫׃‬
15. Juni  WZ = 8
7./3.
"
WZ = 25
4.-6.
"
WZ = 26 (Januar/Februar)
VN21 = 0,8274  15 + 0,8275  15 + 0,82710  15 + 0,82715  10 + 0,82720  15 = 16 mm
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
CNI-Wert und Anfangsverlust AV0 gemäß Originalverfahren (für VN21 = 0)
CNII
2,334  0,01334CNII
CNI 
AV 0 =


80
 63,15
2,334  0,01334 80
AV0 =
1270
- 12,7  7,4 m m
63,15
Parameter B1 (hier vereinfacht, ansonsten Eichfaktor)
B1 = -

1270
- 12,7
CNI
CNI 
100
0,5
ln (
)
AV0
B1 = -
100
 37,1
0,5
ln ( )
7,4
Anfangsverlust AV
AV = AV0  e-VN21/B1 = 7,4  e-16/37,1 = 4,8 mm
zeitlich variabler Abflussbeiwert Ψi (im aktuellen Zeitintervall i)
i = 1 - (
AV
2
)
0,05  hNi + 0,95 AV
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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  hNe,u = 0
Durchlässige Flächen
h Ne, d = (( h N - AV d )  CE +
CE -a(h N -AV d )
(e
- 1))  (1 - BEF)
a
Gesamtfläche: hNe = hNe,u + hNe,d ; Ψ = hNe/hN
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Einzelparameter durchlässige Flächen
h Ne, d = (( h N - AV d )  CE +

Anfangsverlust AVd [mm]
CE -a(h N -AV d )
(e
- 1))  (1 - BEF)
a
Flächennutzung
Bodentyp nach SCS
A
B
C D
Landwirtschaft
Wald
7,0 4,0 2,0 1,5
8,0 5,0 3,0 2,5
AVd = 0,5  2,0 + 0,5  3,0 = 2,5 mm

Endabflussbeiwert CE nach Original-SCS-Verfahren bei hN = 250 mm
S = 25,4 (
1000
- 10)
CN
1000
S = 25,4(
- 10)  63,5 m m
80
HVA = 0,2 S = 0,2  63,5 = 12,7 mm
(h N - HVA )2
h Ne =
h N + S - HVA
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(250 - 12,7 )2
= 187,2 mm
h Ne =
250 + 63,5 - 12,7
CE = 187,2/250 = 0,75
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Einzelparameter durchlässige Flächen – Teil 2
h Ne, d = (( h N - AV d )  CE +





a = C1  e -C2 /WZ  e
-2 / qB
CE -a(h N -AV d )
(e
- 1))  (1 - BEF)
a
(vereinfacht)
Eichparameter C1 (zwischen 0,02 und 0,05); gewählt: C1 = 0,035
Eichparameter C2 (zwischen 2,0 für Nadelwald, Weiden, Wiesen und
4,62 für Intensivlandwirtschaft, Laubwald); gewählt: C2 = 3,0
Basisabflussspende qB; für Synthese wird Mittelwasserspende
empfohlen; gewählt: Mq = 15 l/(s  km2)
a = 0,035 e - 3 / 8  e
Regionale
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- 2 / 15
 0,021
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Effektivregenverläufe nach Øverland, Zaiß und Lutz
Øverland
Regionale
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Zaiß
Lutz
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2. Abflusskonzentration - Parameterermittlung
für die Doppelspeicherkaskade

Liegen keine Messwerte zur Kalibrierung vor, so empfehlen DVWK-R 113 und
DVWK-S 124 die Doppelspeicherkaskade mit je n = 2 Speichern. Zugehörige
Übertragungsfunktion:
t
t
U(t)=   2  e- t/k + (1 -  )  2  e- t/k
k1
k2
1

2
Parameterermittlung nach Euler für AE < 10 km2 (L/(J)0,5 = 6,0 km < 10 km):
k1 =
0,555
L
+ 0,511 ln
- 0,355
L 0,61
J
(
)
J
0,555
+ 0,511 ln 6 - 0,355 0,75 h
0, 61
6
1,3
=
3

 2,05 h
0
,
75
k2
1,3
k 2 = 3  k1
 = 1 - 0,02425  ( ln
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k1 =
L
J
3,2444
)
 = 1 - 0,02425  ( ln 6 )3,2444  0,84
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Ergebnisse
0,50
0,00
0,45
1,00
0,40
2,00
0,35
N-Höhen
3,00
0,30
nach Øverland 4,00
0,25
nach Zaiß
5,00
0,20
nach Lutz
6,00
0,15
7,00
0,10
8,00
0,05
9,00
0,00
10,00
0
1
2
3
4
5
6
7
Zeit [h]
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hN [mm]
Q [m³/s]
Abflussscheitel:

291 l/s nach Øverland

284 l/s nach Zaiß

265 l/s nach Lutz
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