1 Ingenieurbiologie: Dimensionierung Hochwasser Dr. J. Zander Hochwasserspenden und Einzugsgebiete.
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Ingenieurbiologie: Dimensionierung Hochwasser Dr. J. Zander
Hochwasserspenden
und Einzugsgebiete
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Ingenieurbiologie: Dimensionierung Hochwasser Dr. J. Zander
Arbeitsschritte für hydraulischen Querschnitt
1. Ermittlung Größe des Einzugsgebiets (Planimeter, ARC GIS)
2. Ermittlung des Abflussbeiwerts für Einzugsgebiet aus Tabelle
Dimension = Spende [m³/s*km²]
3. Ermittlung der Gebietseigenschaften nach
Anteil der Bewaldung
Aufbau der Bodendecke
Reliefverhältnisse
4. Berechnung der Dimensionierungsabflussspende [m³/s*km²] über
die Gebietseigenschaften
5. Abflussspende mal Einzugsgebiet = Dimensionierungsabfluss
[m³/s]
6. Berechnung des erforderlichen hydraulischen Querschnitts [m²]
7. Festlegung der Querschnittsgeometrie: Kreis, Trapez, Maulprofil
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Ingenieurbiologie: Dimensionierung Hochwasser Dr. J. Zander
Tabelle Abflussbeiwerte Einzugsgebiet
[km²]0,5 1 5 10 50
Abflussbeiwert[m³/s*km²]
15 10 5,5 4 2
Tabelle Korrekturfaktoren
Bewaldung Durchlässigkeit
des Bodens Steilheit
B D Sunbewaldet 1 gering 1 steil 1
halb bewaldet 0,7 mittel 0,75 hügelig 0,8
voll bewaldet 0,5 gut 0,4 eben 0,6
Abflussbeiwert und Korrekturfaktoren bei Verschiedenen Gebietseigenschaften
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Ingenieurbiologie: Dimensionierung Hochwasser Dr. J. Zander
Gegeben: EinzugsgebieteBeispiel 1 = 50 ha = 0,5 km² Beispiel 2 = 10 km²
Durch Messungen bekannt: Strömungsgeschwindigkeit vmax 4-6 m/s
Um ein Bemessungshochwasser sicher abzuleiten, muss der hydraulische
Querschnitt AQ darauf abgestellt werden (Dimensionierung).
Im ingenieurmäßigen Wasserbau gibt es verschiedene Ansätze (Formeln),
den hydraulischen Querschnitt AQ bei gegebenen Bedingungen zu
berechnen. Hier wird ein stark vereinfachter Ansatz gewählt.
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
Berechnung des Bemessungsquerschnitts
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Ingenieurbiologie: Dimensionierung Hochwasser Dr. J. Zander
Tabelle Abflussbeiwerte
Einzugsgebiet[km²]
0,5 1 5 10 50
Abflussbeiwert[m³/s*km²]
15 10 5,5 4 2
Tabelle Korrekturfaktoren
unbewaldet 1 gering 1 steil 1
halb bewaldet 0,7 mittel 0,75 hügelig 0,8
voll bewaldet 0,5 gut 0,4 eben 0,6
Bewaldung Durchlässigkeit des Bodens Steilheit
B D S
Für Dimensionierungsabflussspende gilt: Hqdim = Abflussbeiwert * B * D *S
HQdim = Hqdim * AN = 6,3 * 0,5 km² = 3,2 m³/s
Beispiel: AN = 50 ha = 0,5 km², halb bewaldet, mittel durchlässig, hügelig
Hqdim = 15* 0,7 (B) * 0,75 (D) *0,8 (S) = 6,3 m³/s*km²
Beispiel 1 für die Berechnung eines Hochwasserabflussesaus Abflussbeiwert und Korrekturfaktoren
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Ingenieurbiologie: Dimensionierung Hochwasser Dr. J. Zander
Gegeben: Einzugsgebiet = 50 ha = 0,5 km² Bemessungsabfluss = 3,2 m³/s
Durch Messungen bekannt: Strömungsgeschwindigkeit vmax 4-6 m/s
Um ein Bemessungshochwasser sicher abzuleiten, muss der hydraulische
Querschnitt AQ darauf abgestellt (dimensioniert) werden.
Hydraulischer Querschnitt AQ für Qdim = 3,2 m³/s bei vdim 4 m/s
Es gilt: AQ = Qdim/vdimAQ = 3,2 [m³/s] : 4 [m/s] = 0,8 m² 1 m²
Im ingenieurmäßigen Wasserbau gibt es verschiedene Ansätze (Formeln),
den hydraulischen Querschnitt AQ bei gegebenen Bedingungen zu
berechnen. Hier wird ein stark vereinfachter Ansatz gewählt.
Wegen Turbulenz, Bettrauhigkeit und Uferreibung
Minderung von vmax auf etwa 0,8 vmax vdim = 5 * 0,8 4 m/s
Beispiel 1 zur Berechnung des Bemessungsquerschnitts
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Ingenieurbiologie: Dimensionierung Hochwasser Dr. J. Zander
Tabelle Abflussbeiwerte
Einzugsgebiet[km²]
1 5 10 50 100
Abflussbeiwert[m³/s*km²]
10 5,5 4 2 1
Tabelle Korrekturfaktoren
unbewaldet 1 gering 1 steil 1
halb bewaldet 0,7 mittel 0,75 hügelig 0,8
voll bewaldet 0,5 gut 0,4 eben 0,6
Bewaldung Durchlässigkeit des Bodens Steilheit
B D S
Für Dimensionierungsabflussspende gilt: Hqdim = Abflussbeiwert * B * D *S
HQdim = Hqdim * AN = 1,12 * 10 km²= 11,2 m³/s
Beispiel: AN = 10 km², halb bewaldet, gut durchlässig, steil
Hqdim = 4* 0,7 (B) * 0,4 (D) * 1 (S) = 1,12 m³/s*km²
Beispiel 2 für die Berechnung eines Hochwasserabflussesaus Abflussbeiwert und Korrekturfaktoren
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Ingenieurbiologie: Dimensionierung Hochwasser Dr. J. Zander
Gegeben: Bemessungsabfluss = 11,2 m³/s
Strömungsgeschwindigkeit vmax 4 m/s
Um ein Bemessungshochwasser sicher abzuleiten, muss der hydraulische
Querschnitt AQ darauf abgestellt (dimensioniert) werden.
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
Wegen Turbulenz, Bettrauhigkeit und Uferreibung
Minderung von vmax auf etwa 0,8 vmax vdim = 4 * 0,8 3,2 m/s
Beispiel 2 zur Berechnung des Bemessungsquerschnitts
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Ingenieurbiologie: Dimensionierung Hochwasser Dr. J. Zander
Für Querungsbauwerke (Durchlässe, Brücken) häufig einfache geometrische Querschnitte: Rechteck, Trapez, Kreis, Maulprofil.
Dabei möglichst Vermeidung tiefer Querschnitte, da Zunahme der Schleppspannung und zunehmende Sohleneintiefung.
m
h
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
d
Für Kreis gilt:Adim = d²
d = (4*Adim /0,5 = (4*3,5/3,14) 0,5
d =2,11 m 2150 mm
oder 3 Rohre á 1000 mm
Hydraulischer Querschnitts Adim bei gegebenem Qdim und Gestaltung von Querschnitten
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Ingenieurbiologie: Dimensionierung Hochwasser Dr. J. Zander
Maulprofil
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Ingenieurbiologie: Dimensionierung Hochwasser Dr. J. Zander
Einfachprofile sind auf den Extremfall ausgelegt und deshalb außerhalb der Durchlässe gewässerbiologisch ungünstig. Naturnäher und günstiger sind zusammengesetzte Profile. Wahl des Profils nach Platzverhältnissen.
m
h
Einfachprofil
m
h
Einfachprofil mit NW-Rinne
Asymmetrisches Profil
1:1
HW
NW1:5
Doppelprofile
NW
MW
HW1:5
1:1 -
1:5
Rasen
an SüdseiteBepflanzung fürBeschattung
HWMW
NW
Gestaltung von Querschnitten
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Ingenieurbiologie: Dimensionierung Hochwasser Dr. J. Zander
Allgemeine Grundsätze für die Gestaltung von QuerschnittenUngünstig 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.