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RegionaleWasserwirtschaft

2011

Berechnungsansätze für

Außengebietsabflüsse

Berechnungsansätze für Außengebietsabflüsse

J. Sartor

Seminarreihe Regionale Wasserwirtschaft in Theorie und Praxis

- Belastung der Kanalisation durch Außengebietszuflüsseund gewässerseitiges Hochwasser -

FH Trier, 19. Mai 2011



2011



GrundsätzlichesGrundsätzliches

- Die folgendes Ausführungen beruhen weitgehend auf dem - Die folgendes Ausführungen beruhen weitgehend auf dem AnhangAnhang des des entsprechenden DWA-Arbeitsberichts (KA 8/2008) entsprechenden DWA-Arbeitsberichts (KA 8/2008)

- Es werden nur - Es werden nur instationäre Verfahren instationäre Verfahren (Modelle) im Sinne von DWA-A 118(Modelle) im Sinne von DWA-A 118 und DWA-M 165 beschrieben. Für einfache Ansätze wie Zeitbeiwert oder und DWA-M 165 beschrieben. Für einfache Ansätze wie Zeitbeiwert oder Kalweit Kalweit gestaltet sich die Ermittlung der zeitlichen Überlagerung mit dergestaltet sich die Ermittlung der zeitlichen Überlagerung mit der Welle aus dem Kanalnetz als schwierig. Welle aus dem Kanalnetz als schwierig.



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Phasen des Niederschlags-Abfluss-Prozesses



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AnsätzeAnsätze

Niederschlagsbelastung:Niederschlagsbelastung: Statistische Statistische Modellregen, Naturregenserien Modellregen, Naturregenserien (Langzeitsimulation) (Langzeitsimulation)

Abflussbildung:Abflussbildung: Es werden drei Es werden drei AbflussbeiwertansätzeAbflussbeiwertansätze beschrieben beschrieben (robust, beinhalten empirisch die komplexen hydrologischen Mechanismen). (robust, beinhalten empirisch die komplexen hydrologischen Mechanismen). Hinsichtlich Hinsichtlich VerlustratenansätzenVerlustratenansätzen (besondere Eignung für haltungsbezogene (besondere Eignung für haltungsbezogene Teileinzugsgebiete) und Teileinzugsgebiete) und BodenspeichermodellenBodenspeichermodellen (hoher Anspruch an (hoher Anspruch an Datenerhebung und Bearbeiter) wird auf die Literatur verwiesen Datenerhebung und Bearbeiter) wird auf die Literatur verwiesen

Abflusskonzentration:Abflusskonzentration: Es wird ein Es wird ein Speicherkaskadenmodell Speicherkaskadenmodell beschrieben, das beschrieben, das für Flächengrößen unter 10 kmfür Flächengrößen unter 10 km22 entwickelt wurde entwickelt wurde



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BerechnungsbeispielBerechnungsbeispiel

Die Berechnungsansätze werden anhand folgendem Beispiel dargestellt:

Niederschlagsereignis (Seriensimulation) mit hNiederschlagsereignis (Seriensimulation) mit hNN = 30 mm über D = 2 h = 30 mm über D = 2 h am 15. Juni mit folgendem Vorregenverlaufam 15. Juni mit folgendem Vorregenverlauf

(Resttage h(Resttage hNN = 0) = 0)

Temperaturdaten liegen nicht vor; Basisabfluss ~ 0Temperaturdaten liegen nicht vor; Basisabfluss ~ 0

Gebiet: Gebiet:

AAEE = 50 ha; je 50 % Kartoffelanbau und mitteldichter Wald; = 50 ha; je 50 % Kartoffelanbau und mitteldichter Wald;sandiger Lehmboden; sandiger Lehmboden; Längster Fließweg L = 900 m, zugehörige Höhendifferenz Längster Fließweg L = 900 m, zugehörige Höhendifferenz ΔΔ H = H = 20 m20 m

J = 20/900 = 0,0222; L/(J)J = 20/900 = 0,0222; L/(J)0,50,5 = 6,0 km = 6,0 km

Vortag jVortag j 4 5 10 15 20 25 4 5 10 15 20 25 3030

hhNd,jNd,j[mm][mm] 15 15 15 15 10 15 15 15 15 10 15 15 55



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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 = Δ H / L



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1. AbflussbeiwertermittlungDer Abflussbeiwert ist definiert zu

Ψ = hNe/hN [-] (≠ Spitzenabflussbeiwert ΨS !)

mit 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 SCSBodentyp 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 CBodentyp C: Böden mit geringem Versickerungsvermögen, Böden mit feiner bis mäßig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht, z.B. flache Sandböden, sandiger Lehmsandiger 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

A B CC D

Ödland (ohne nennenswerten Bewuchs, z.B. Schwarzbrache)

HackfrüchteHackfrüchte (Reihenkultur wie KartoffelnKartoffeln, Mais, Rüben o.ä.), WeinWein (Terrassen)Getreide, Futterpflanzen (Klee, Luzerne o.ä.)Weide (normal) (karg)Dauerwiese

WaldWald (stark aufgelockert) (mitteldicht bestockt)(mitteldicht bestockt) (dicht bestockt)Undurchlässige Flächen (versiegelter Anteil von Ortschaften, Strassen usw.)

77 86 91 94 70 80 8787 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 7373 79 25 55 70 77100 100 100 100

CNII = 0,5 x 87 + 0,5 x 73 = 80CNII = 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) (Jahresmittel)

mit hN,j: Niederschlag am j-ten Tag; k = 0,9 (Rückgangsfaktor)

tk: Anzahl der Jahre; tg: Anzahl der Tage im Jahr (tg = 365)

VNVNaktakt = 0,9 = 0,944 1515 + 0,9 + 0,955 1515 + 0,9 + 0,91010 1515 + 0,9 + 0,91515 1010 + 0,9 + 0,92020 1515 = 29,24 = 29,24 mmmm

MVN = 36,93 mmMVN = 36,93 mm

tg

tatatj

tk

tj

VNtgtk

MVN1

,1

11



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bodenfeuchteabhängiger CN-Wert CNbf

sog. Bodenspeicherkapazität S (laut Org.verfahren)

bodenfeuchteabhängiger Anfangsverlust Ibf (für Gefälle = 0)

Ibf = 0,1 S MVN/VNakt == 0,1 0,1 71,2 71,2 36,93/29,24 = 8,99 mm 36,93/29,24 = 8,99 mmfür Laubwald, AckerLaubwald, Acker oder Brache

Anfangsverlust HVA (in Abhängigkeit des Gebietsgefälles G ~ J~ J) HVA = Ibf e-G K = 8,99 e= 8,99 e--0,02220,0222 1 1 = 8,8 mm = 8,8 mmmit K = Faktor, wählbar zwischen 1 und 6; hier gewählt: K = 1 (geringer Einfluss)hier gewählt: K = 1 (geringer Einfluss)

100100

100100

4,25

10001000

II

IIakt

IIbf

CNfür

CNfürVNMVN

CNCN

10

10004,25

bfCNS

11,78

4,2524,2993,36

801000

1000

bfCN

2,711011,78

10004,25

S



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sog. Infiltration F (Verluste) bis zum aktuellen Zeitintervall i

effektiver Niederschlag hNe,i

zeitlich variabler Abflussbeiwert Ψi

Der resultierende Effektivregenverlauf wird für die 3 behandelten Der resultierende Effektivregenverlauf wird für die 3 behandelten AnsätzeAnsätze

zusammenfassend dargestelltzusammenfassend dargestellt

i

liNiNei hh ,, /

HVAhfürh

SHVAh

SF

i

liNiN

i

liN

i

,,2

,

2

i

lliNiNe Fhh ,,



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1.2 Erweitertes SCS-Verfahren nach ZaißVariabler 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: Jahreszeitabhängiger Abminderungsfaktor c (zwischen 0,8 und 0,9): c = 0,796 e0,0047 WZ = 0,796= 0,796 e e0,0047 0,0047 8 8 = 0,827 = 0,827

Hydrologische Wochenzahl WZ: 31. Kalenderwoche: WZ = 1 (Ende Juli/Anfang August)30./32. " WZ = 229./33. " WZ = 3 (Mitte Juli und Mitte August)1515 ׃ ׃ . Juni. Juni WZ = 8 WZ = 8 7./3. " WZ = 25 4.-6. " WZ = 26 (Januar/Februar)

VN21 = 0,827VN21 = 0,82744 1515 + 0,827 + 0,82755 1515 + 0,827 + 0,8271010 1515 + 0,827 + 0,8271515 1010 + 0,827 + 0,8272020 1515 = 16 mm = 16 mm

h c = 21VN iNd,i

21

1=i



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CNI-Wert und Anfangsverlust AV0 gemäß Originalverfahren (für VN21 = 0)

Parameter B1 (hier vereinfacht, ansonsten Eichfaktor)

Anfangsverlust AVAV = AV0 e-VN21/B1

= 7,4= 7,4 e e-16/37,1-16/37,1 = 4,8 mm= 4,8 mm

zeitlich variabler Abflussbeiwert Ψi (im aktuellen Zeitintervall i)

CNII

CNIICNI

01334,0334,2 15,63

8001334,0334,2

80

CNI

mm4,712,7 - 15,63

1270 = AV 0 12,7 -

CNI

1270 = AV 0

)AV

0,5(ln

100 - =1B

0

)AV 0,95 + 0,05

AV( - 1 = 2

i h

Ni

1,37)

4,70,5

(ln

100 - =1B



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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 BEF ~ 0 h hNe,uNe,u = 0 = 0

Durchlässige Flächen

Gesamtfläche: hNe = hNe,u + hNe,d ; Ψ = hNe/hN

BEF)-(1 1))- e( a

C + C )AV - h(( = h )AV-ha(-EEdNdNe,

dN



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Einzelparameter durchlässige Flächen

Anfangsverlust AVd [mm]

AVAVdd = 0,5 = 0,5 2,0 + 2,0 + 0,5 0,5 3,0 = 2,5 mm 3,0 = 2,5 mm

Endabflussbeiwert CE nach Original-SCS-Verfahren bei hN = 250 mm

HVA = 0,2 SS = 0,2 = 0,2 63,5 = 12,7 mm 63,5 = 12,7 mm

CCEE = 187,2/250 = 0,75 = 187,2/250 = 0,75

BEF)-(1 1))- e( a


dN

Flächennutzung

Bodentyp nach SCS A B CC D

LandwirtschaftLandwirtschaft

WaldWald 7,0 4,0 2,02,0 1,5 8,0 5,0 3,03,0 2,5

10) - CN

1000( 25,4 = S

HVA - S + h

)HVA - h( = hN

2N

Ne

mm 2,187 = 7,12- 5,63 + 025

)7,12 - 025( = h

2

Ne

mm5,6310) - 80

1000( 25,4 = S



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(vereinfacht)

Eichparameter C1 (zwischen 0,02 und 0,05); gewählt: Cgewählt: C11 = = 0,0350,035

Eichparameter C2 (zwischen 2,0 für Nadelwald, Weiden, Wiesen und 4,62 für Intensivlandwirtschaft, Laubwald); gewählt: Cgewählt: C22 = 3,0 = 3,0

Basisabflussspende qB; für Synthese wird Mittelwasserspende empfohlen; gewählt: Mq = 15 l/(sgewählt: Mq = 15 l/(s kmkm22))

Einzelparameter durchlässige Flächen – Teil 2

BEF)-(1 1))- e( a


dN

e e C = a q/-2/WZC-1

B2

021,0 e e 035,0 = a 15/2-8/3-



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EffektivregenverlEffektivregenverlääufe nach ufe nach ØØverlandverland, , ZaiZaißß und und LutzLutz

ØØverlandverland ZaißZaiß LutzLutz



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Liegen keine Messwerte zur Kalibrierung vor, so empfehlen DVWK-R 113 und DVWK-S 124 die Doppelspeicherkaskade mit je n = 2 Speichern. Zugehörige Übertragungsfunktion:

Parameterermittlung nach Euler für AE < 10 km2 (L/(J)L/(J)0,50,5 = 6,0 km = 6,0 km < 10 km):

2. Abflusskonzentration - Parameterermittlung für die Doppelspeicherkaskade

e k

t ) - (1 + e

k

t = U(t) k t/-

22

k t/-21

21

0,355 - J

L 0,511 +

)J

L(

0,555 = k

0,611 ln

k 3 = k 1,312

)J

L (0,02425 - 1 = 3,2444ln

h0,355 - 0,511 + 0,555

= k1 75,06ln6 61,0

h 3 = k1,3

2 05,275,0

84,06ln ) (0,02425 - 1 = 3,2444



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Abflussscheitel: 291 l/s nach Øverland 284 l/s nach Zaiß 265 l/s nach Lutz

ErgebnisseErgebnisse

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0 1 2 3 4 5 6 7

Zeit [h]

Q [

m³/

s]

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

10,00

hN [

mm

]

N-Höhen

nach Øverland

nach Zaiß

nach Lutz



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