Auswirkung des Fließwiderstands auf die Abflussleistung ... · PDF file 2.3 Experimente...

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Transcript of Auswirkung des Fließwiderstands auf die Abflussleistung ... · PDF file 2.3 Experimente...

  • Auswirkung des Fließwiderstands auf die Abflussleistung bei Sturzflutereignissen im städtischen Raum

    Literaturstudium mit Anwendung der Fließformeln

    Wissenschaftliche Arbeit zur Erlangung des Grades Bachelor of Science (B. Sc.) an der Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt der Technischen Universität Mün- chen.

    Betreut von Dr.-Ing. Karl Broich und M. Sc. Thomas Pflugbeil

    Lehrstuhl für Hydrologie und Flussgebietsmanagement

    Eingereicht von Matthias Grundei

    Nettstraße 27

    82296 Schöngeising

    +49 17647365525

    Eingereicht am München, den 20.09.2018

  • II

  • Anhang I

    Erklärung

    Ich versichere hiermit, dass ich die von mir eingereichte Abschlussarbeit selbstständig verfasst und

    keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe.

    Ort, Datum, Unterschrift

  • IV

  • V

    Kurzfassung

    Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Zusammenhang zwischen der Fließtiefe und

    dem Fließwiderstand bei Sturzflutereignissen im städtischen Raum. Hierzu wurden im

    Rahmen einer Literaturstudie Fließformeln untersucht, welche in der Praxis große Anwendung

    finden. Um das Optimierungspotenzial dieser Formeln zu analysieren, erfolgte eine weitere

    Recherche. Neue Berechnungsmethoden für einen tiefenabhängigen Widerstandsbeiwert mit

    unterschiedlichen Herangehensweisen wurden dargestellt und verglichen. Die beiden neuen

    Methoden nach Díaz aus dem Jahre 2005 und nach Muhammad et al. aus dem Jahre 2017

    wurden durch Berechnungen der neuen Beiwerte mit den alten Werten verglichen. Bei einem

    großen Teil der Ergebnisse ist zu erkennen, dass diese Fließformeln Rauheitsbeiwerte liefern,

    welche geringere Schwankungen des Rauheitsbeiwertes aufweisen als die allgemeinen

    Fließformeln. Die Methode nach Díaz liefert von der Fließtiefe abhängende Rauheitsbeiwerte.

    Jedoch kann die Formel nach Muhammad et al. bei Fließtiefen, die kleiner als die

    Vegetationshöhe sind, mit der Methode des GEP keine nutzbaren Werte liefern.

    Das abschließende Kapitel dieser Arbeit untersucht das Einzugsgebiet Baiersdorf in Bayern

    mit Hilfe des Programmes „ArcMap“ von „Esri“. Die Software liefert prozentuale Flächenanteile

    von verschiedenen Landnutzungen. Die Auswertung zeigte, dass der größte Anteil der Fläche

    von Baiersdorf die Landwirtschaft einnimmt.

  • VI

    Abstract

    The present work deals with the connection between the flow resistance and the water depth

    during flash flood occurrences in urban areas. For this purpose, flow formulas were

    investigated in the context of a literature study. The first step was to consider general flow

    formulas with great application in practice. The second step was to analyze the optimization

    potential of these formulas by searching for new calculation methods. Practices, where the

    roughness coefficients are dependent on the flow depth and vegetation were evaluated in

    greater detail. The work by Díaz from 2005 and the calculation approach by Muhammad et al.

    from 2017 were compared to the general formulas by calculating the new coefficients. For

    most results the new flow formulas provided roughness coefficients with lower fluctuations.

    The method by Díaz provides improved roughness coefficients depending on the flow depth.

    However, the approach by Muhammad et al. cannot provide useful data, if the flow depth is

    smaller than the vegetation height.

    The final section of this paper evaluates the catchment area Baiersdorf in Bavaria with the

    program "ArcMap" of "Esri". The software calculated the percentage share of different land

    uses in the region. The findings where that the largest part of the area is occupied by

    agriculture.

  • VII

    Inhaltsverzeichnis

    Kurzfassung ............................................................................................................... V Abstract ..................................................................................................................... VI Verwendete Formelzeichen ..................................................................................... IX Abbildungsverzeichnis ............................................................................................ XI Tabellenverzeichnis ............................................................................................... XIII

    1 Einführung ........................................................................................................... 1 1.1 Auswirkungen von Sturzfluten ................................................................................ 1 1.2 Vorgehensweise ..................................................................................................... 3

    2 Beschreibung der Fließformeln ......................................................................... 4 2.1 Überblick über die Fließformeln ............................................................................. 4

    2.1.1 Chézy .................................................................................................................. 5 2.1.2 Gauckler-Manning-Strickler ................................................................................ 5 2.1.3 Darcy Weisbach .................................................................................................. 7

    2.2 Vertiefung der Fließformeln unter Berücksichtigung geringer Fließtiefen und Bewuchs ............................................................................................................................. 10

    2.2.1 Zusammenhang zwischen dem Fließwiderstand und der Fließtiefe ................. 10 2.2.2 Erweiterung der Fließformel von Manning-Strickler .......................................... 14 2.2.3 Geschwindigkeitsverteilung in offenen Gerinnen mittels der Karman-Prandtl Gleichung ........................................................................................................................ 15

    2.3 Experimente und Versuche zum Fließwiderstand ................................................ 16 2.3.1 Untersuchungen von Abflüssen in Versickerungsmulden mit Bewuchs ........... 16 2.3.2 Macro-Rauheit bei geringen Fließtiefen ............................................................ 17 2.3.3 Manning’s-Beiwert für geringe Fließtiefen mit Bewuchs ................................... 18 2.3.4 Model für den hydraulischen Widerstand bei überströmter Vegetation ............ 22 2.3.5 Repräsentative Rauheitshöhe von überflossener Vegetation ........................... 24 2.3.6 Variation von Manning’s n für untergetauchte und nicht-untergetauchte Vegetation ....................................................................................................................... 27 2.3.7 Zusammenhänge des Reibungsfaktors f und der Reynoldszahl Re ................. 28 2.3.8 Berechnung des Manning’s-Beiwertes durch Regressionsgleichungen ........... 30 2.3.9 Alternative Beschreibung der Rauheit durch logarithmische Ansätze .............. 32

    3 Hydraulische Berechnungen ........................................................................... 35 3.1 Berechnung hydraulischer Parameter durch geeignete Fließformeln .................. 35

    3.1.1 Berechnungen nach Díaz ................................................................................. 35

  • VIII

    3.1.2 Berechnungen nach Muhammad ...................................................................... 37

    4 Implementierung der Ergebnisse in GIS ........................................................ 41 4.1 Auswertung unterschiedlicher Flächenanteilen der Stadt Baiersdorf mit GIS ...... 41 4.2 Beschreibung des Abflussverhaltens versiegelter und bewachsener Flächen .... 42

    5 Zusammenfassung ........................................................................................... 44

    6 Literaturverzeichnis .......................................................................................... 45

    7 Anhangsverzeichnis ......................................................................................... 51

  • IX

    Verwendete Formelzeichen [-] Widerstandsbeiwert

    [N/m3] Wichte von Wasser

    [m2/s] kinematische Viskosität von Wasser

    [-] Karman-Konstante

    c [Ns/m5] Strömungswiderstand

    V [%] Vegetationskonzentration

    C [m1/2/s] Beiwert nach de Chézy

    CB [-] Strömungswiderstandskoeffizienten bei Cheng

    CD [-] Widerstandsbeiwert bei Huthoff

    CF [-] Vegetationsbedeckungskoeffizient

    d [m] Fließtiefe

    D [m] Stammdurchmesser

    E [%] Relativer Fehler

    F [-] Froude-Zahl

    f [-] Darcy-Weisbach Reibungsfaktor

    Fr [-] Froude-Zahl

    g [m/s2] Erdbeschleunigung

    h [m] Fließtiefe

    Hf [m] Energieverlust

    I [-] Neigung der Gerinnesohle / Fließgefälle

    IE [-] Neigung der Energielinie

    kLim [m1/3/s] Widerstandsbeiwert kleiner Rauheitselemente

    kr [m1/3/s] Rauheitsparameter

    ks [m] äquivalente Sandrauheit

    kSt [m1/3/s] Beiwert nach Strickler

    L [m] Länge der Kanalreichweite

  • X

    m [-] Anzahl Vegetationseinheiten pro Einheit Bettbereich