Wasserbilanzmodell Morsbach – 19.04.2007 Wasserbilanzmodell Morsbach Präsentation Stand der...

Wasserbilanzmodell Morsbach – 19.04.2007

WasserbilanzmodellMorsbach

PräsentationStand der Arbeiten – Modellaufbau - Nachweisführung

19. April 2007

Wupperverband, Wuppertal

Morsbach oberhalb Pegel Beckeraue


Vortragsübersicht

• Begrüßung

• Ziele der Untersuchung

• Verbesserungen gegenüber dem Modell von 1998

• Hydraulisches Modell• Datengrundlage, Erstellung, Modellierung, Ergebnisse

• Hydrologisches Modell• Datengrundlage, Erstellung, Modellierung, Ergebnisse

• Detaillierter hydrologischer Nachweis• Vorteile, Nachweisführung

• Detaillierter hydraulischer Nachweis• Nachweisführung, Fragen

• Ausblick/Diskussion


Ziele der Untersuchung

• Detaillierte Nachweisverfahren nach BWK M3/M7

• Hydrologischer Modellnachweis (Wasserbilanzmodell)

• Hydraulischer Modellnachweis (stationär ungleichförmige 1D-Berechnungen)

• Maßnahmenvarianten zur Behebung der Defizite

• Ergebnisvergleich der vereinfachten und detaillierten Nachweisverfahren • Sicherheiten vereinfachter N. Aufwand und Nutzen detaillierter N.

• Nutzen von Synergien durch zusätzliche Untersuchungen• Schmutzfrachtnachweise der Stadtentwässerung nach DWA A-128

• Bestimmung von Überschwemmungsgebietsgrenzen (HW-Fragen)

• Erarbeitung von Auswertetools für Schmutzfrachtnachweise im Rahmen der NASIM-Patenschaften


Verbesserungen gegenüber Modell von 1998

• Aktuelle Profildaten für die hydraulischen Berechnungen

• Hydraulische Kalibrierungen an mehreren Pegeln

• Nutzung aktueller digitaler Grundlagendaten• Teilgebietsgrenzen

• Bodendaten

• Flächennutzungsdaten

• Digitales Geländemodell

• Zeitreihendaten

• Nutzung aktueller Stadtentwässerungsdaten (2005/2006)

• Kalibrierung an mehreren Gewässerpegeln

• Kalibrierung an mehreren Kanalnetzpegeln

• Niedrigwasseruntersuchung

• Nutzung von Programmweiterentwicklungen


Untersuchungsgebiet Morsbach

QuellbereichDiepmannsbach

320 mNN

Mündung

102 mNN

Einzugsgebietsgröße

• Natürlich lt. WV: 47,3 km²

• N-A-Modell mit anthropogenen Einflüssen : 49,4 km²

• Versiegelt (Au):

• Morsbach-EG: 720 ha

• GKW Kohlfurth: - Au-MV: 600

ha - Au-TV: 400 ha


Hydraulisches Modell - vermessene Gewässerbereiche -

Morsbach km 0,0 bis 13,8 • Mündung in die Wupper bis Mündung

Diepmannsbach 340 ProfileDiepmannsbach km 0,0 bis 1,078 • Mündung in den Morsbach bis zur

Autobahnbrücke A1 49 ProfileMüggenbach km 0,0 bis 1,369 • Mündung in die Wupper bis Brücke

"zum Brodtberg„ 49 ProfileGelpe km 0,0 bis 4,619 • Mündung in die Wupper bis Mündung

Dornbach 117 ProfileDornbach km 0,0 bis 1,123 • Mündung in die Gelpe bis Steingarten

48 ProfileLeyerbach km 0,0 bis 4,659 • Mündung in die Wupper bis

Verrohrung "Am Grünen Streifen„ 118 Profile

Inges. 26,65 km und 721 Profile,mittlerer Profilabstand: 37 m


Erstellung des hydraulischen Modells

• Übernahme der vorhandenen Modelle (Programm Jabron, Version 6.4)

• Prüfung• Sind Profilnachvermessungen erforderlich?

• Sind Profilverlängerungen erforderlich?

• Sonstiges

• Definition hydraulischer Randbedingungen (Verluste, Begrenzungshöhen, abflusswirksame Bereiche etc.)

• Stationär ungleichförmige 1D-Berechnungen nach DVWK 220

• Kalibrierung an den Abflussmessungen bzw. an den Abflusstafeln der vorhandenen Gewässerpegel (stationäre und temporäre)

• Integration der maßgeblichen Hochwasserabflüsse

• Definition der Anfangsbedingungen


Hydraulische Ergebnisse

• Profilweise Berechnung der bordvollen Leistungsfähigkeiten

• Wasserspiegellagenberechnungen für HQ 1, 2, 5, 10, 25, 50, 100ErgebnistabellenHydraulische Längsschnitte für 3 WSPQuerprofile mit 2 WasserspiegellagenÜberschwemmungsgebietsgrenzen für einen maßgeblichen Abfluss

• Hydraulischer Nachweis M7 (Sohlschubspannung) für HQ2• Ist-, Prognose- und PotNat-Zustand

• Optimierungsvariante im Hinblick auf eine erfolgreiche hydraulische Nachweisführung


Hydrologisches Modell

• Umfangreicher Dateninput

• Modellerstellung; kombiniertes Schmutzfracht- und Wasserbilanzmodell (NASIM 3.6)• Tageswertmodell

• kontinuierliches Hochwassermodell

• Validierung/Kalibrierung/Verifizierung des hydrologischen Modells

• Modellsimulationen für• Ist-Zustand

• Prognose-Zustand

• Potenziell naturnaher Zustand

• Varianten


Böden

• Überwiegend Braunerden (meist lehmiger Schluff)

• In Gewässernähe Auenböden und Gleye (schluffiger Lehm)


Flächennutzung

Stadt40%

Wald34%

Wiese20%

Acker4%

unbestimmbar2%


Topografie• DGM5

(10x10 m)FließwegeIsochronenZeitflächen-

funktionen


Stadtentwässerung- Aktuelle Datenerhebung -

Einzugsgebiet Klärwerk Kohlfurth

• Trenngebiete

• Mischgebiete

• Bauwerke

• Hauptsammler / Transportsammler

• Trockenwetterabfluss

• Informationen zur Autobahnentwässerung

• Ganglinien

• Berücksichtigung aller Einleitungen in die Gewässer

1 : 1 - Abbildung im N-A-Modell für den Ist- und Prognose-Zustand


Teilgebiete

• Teilgebietseinteilung• Gewässerstationierungskarte (TK25)

• Teilgebietseinteilung Digitalisierung Wupperverband (DGK5)

• Stadtentwässerungsgrenzen

• Autobahnentwässerung

• Einleitstellen (direkte, Bauwerke)

• Pegel

• Talsperren, HRB, Teiche

256 Teilgebiete


Zeitreihendaten

• Klimadaten

• Niederschlagsdaten • Tageswerte

• Schreiber

• Temporäre Aufzeichnungen Zuordnung der Stationen (Basis:Thiessen und Topografie)

• Pegeldaten• Stationäre Pegel (Ronsdorf/Leyerbach, Beckeraue/Morsbach)

• Temporäre Pegel (Leyerbach, Gelpe)

• Pegel der Stadtentwässerung (Zufluss, Abfluss, Entlastung, Beckeninhalt)


Dateninput N-A-Modell

Böden

Flächennutzung

Topografie

Stadtentwässerung

Teilgebiete

Gerinnedaten (+ ca. 60 repr. Profile)

Talsperrenkenndaten

Zeitreihendaten

Hydrologisches

Modell

Nasim


Systemplan / Systemelemente

z.Z. ca. 420 Elemente (Ist-Zustand)256 Teilgebiete

(davon 170 städtische)100 Speicher50 sonst. TE10 Systemausgänge Prognose-Zustand und

Pot-Nat-Zustand sind direkt abzuleiten

Parallele Abbildung Gewässernetz und Stadthydrologie


Hydrologische Kalibrierung

• Tageswertkalibrierung (Bilanzierung) an 4 Gewässerpegeln

• Kalibrierung des Modells mit kleinen Zeitschritten an 4 Gewässerpegeln und ca. 12 Messstellen im Kanalnetz • Simulationszeitschritt: 5 Minuten

• Aussagen zu Abflussscheitel und –fülle für Kalibrierereignisse

• Det. Überprüfung der Stadthydrologie durch Kanalmessstellen

• Verifizierung des Modells

• Grafische Darstellung der Ergebnisse


Hydrologische Ergebnisse• Tageswertsimulation

Niedrig- und Mittelwasseruntersuchungen

• Kontinuierliche SimulationLangzeitsimulation (Zeitschritt 5 Minuten)Ronsdorfer Talsperre wird während der gesamten Simulation als „voll“

(Stauziel) angenommenIst-, Prognose- und Pot-Nat-ZustandErgebnisse der Abflussanteile HQ1-Ermittlung an allen SystemknotenExtremwertstatistik für HQ 2, 5, 10, 25, 50, 100 an allen SystemknotenHydrologische Längsschnitte

• Hydrologischer Nachweis M7 (Gewässerabfluss)• Ist-, Prognose- und PotNat-Zustand

• Optimierungsvariante im Hinblick auf eine erfolgreiche hydrologische Nachweisführung


Hydrologischer Längsschnitt (Bsp.)


Detaillierter hydrologischer Nachweis - Allgemein

Vorteile des detaillierten Nachweises nach M3/M7

im Vergleich zum vereinfachten Nachweis

• Berücksichtigung des tatsächlichen Abflussgeschehens im EG

• Ortsspezifische Ermittlung der hydrolog. Kenngrößen (HQ1, HQ2)

• Bewirtschaftungsansatz• Bessere Volumenausnutzung vorhandener Becken

• Mögliche Nutzung von HRB-Volumen als RRB

• Nachweis an Einleitstellen und für gesamtes Siedlungsgebiet

• Optimierung der erforderlichen Retentionsbecken auf der Basiseiner Langzeitsimulation

• Verbesserte Eingangsdaten für den vereinfachten stofflichen Nachweis (MNQ, HQ1,potnat)

i.d.R. geringere Rückhaltevolumina erforderlich


• Nachweis für das gesamte Einzugsgebiet an den Modellknoten (Modellschnitten)

• Ermittlung HQ1 (potnat, ist und prog) und Ermittlung HQ2,potnat ,HQ2,prog

• Prüfung der vorh. Becken und Einleitungen („Nachweisort“)

• Darstellung evtl. Defizite

• Optimierung der Einleitungen (erf. RRB-Drosselabgaben) auf der Basis

• HQ1,prog HQ2,potnat (mittleres und hohes WBP) bzw.

• HQ2,prog HQ2,potnat (geringes WBP)

• Bemessung des Volumens auf der Basis der zul. Überlaufhäufigkeit

• Bei Nutzen vorhandener HRB-Volumen als RRB Prüfung der Hochwassersicherheit

• Ergebnisdarstellung im hydrologischen Längsschnitt

Detaillierte hydrologische Nachweisführung


Hydrologischer Längsschnitt

Detaillierter hydrologischer Nachweis - Beispiel Ergebnisdarstellung

HQ1,potnat

1,1*HQ1,potnat

HQ2,potnat

HQ1,prog

HQ1,istEinleitung

GewässerverlaufMündungQuelle


• Nachweis für die vermessenen Gewässerabschnitte

• Definition der kritischen Sohlschubspannung für das nat. Sohlsubstrat

• Ermittlung der vorh. Sohlschubspannung bei HQ2 für den Prognose-Zustand durch 1D-WSP-Berechnungen („Nachweisraum“)

• Darstellung evtl. Defizite, Begründung der Defizite

• Entwicklung einer Variante zu erfolgreichen Nachweisführung auf der Basis

HQ2,prog krit

• Ergebnisdarstellung im hydraulischen Längsschnitt bzw. tabellarisch

• FRAGEN zum hydraulischen Nachweis

• Kritische Sohlschubspannung: Vorhandenes oder pot. nat. Sohlsubstrat

• Det. hydraulischer Nachweis nur dort erforderlich, wo det. hydrol. Nachweis nicht erfolgreich geführt werden kann (Kap. 1.8: Abb. 2 und Kap. 2.2.2)

• Nachweis erfüllt (Kap. 2.1.4):

• Störereignis: Auf < 30% des Nachweisraums (?) des Gewässers ist HQ2,prog > krit

• Ereignisfilter: 5 Tage

• Langzeitsimulation Hydraulik (Kap. 2.4.2 und 2.10.2)

Detaillierte hydraulische Nachweisführung


Detaillierter hydraulischer Nachweis - Beispiel für tabellarische Ergebnisdarstellung


Ausblick / Diskussion

AUSBLICK

• Modellerstellung (Hydrologie, Hydraulik) in Kürze beendet; nach Eingang der noch fehlenden Eingangsdaten werden diese eingearbeitet

• Weitere Arbeitsschritte folgen im direkten Anschluss

DISKUSSION

• Modellauswahl, Datengrundlagen, Modellerstellung, Nachweisführung (Grundsätze, Konzept, Kalibrierung, Ergebnisse)

• Klärung der derzeitigen Fragen zu den detaillierten Nachweisen



Morsbach oberhalb Pegel Beckeraue


PräsentationStand der Arbeiten – Modellaufbau - Nachweisführung

19. April 2007

Wupperverband, Wuppertal

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