Abflüsse aus Außengebieten
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<strong>Abflüsse</strong> <strong>aus</strong> <strong>Außengebieten</strong><br />
Arbeitsbericht der DWA-Arbeitsgruppe ES- 2.6<br />
„Abfluss- und Schmutzfrachtsimulation“,<br />
veröffentlicht in der KA 2008 Nr.8<br />
Im Rahmen der Seminarreihe der FH Trier<br />
Regionale Wasserwirtschaft in Theorie und Praxis<br />
- Belastung der Kanalisation durch Außengebietsabflüsse<br />
und gewässerseitiges Hochwasser-<br />
Bearbeitung: Dipl.-Ing. Peter Moche
19.05.2011<br />
Inhalt<br />
• Grundlagen<br />
• Größenangaben<br />
• Berechnungsansätze<br />
• Hinweise zur Anwendung<br />
• Schlussbemerkung<br />
INGENIEURBÜRO FÜR BAUWESEN UND UMWELTSCHUTZ<br />
Dipl.-Ing. R. Lenhard GmbH, Bad Kreuznach<br />
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19.05.2011<br />
Grundlagen<br />
Außengebiete<br />
- sind nach ATV-DVWK-M 165<br />
„... größere Teilgebiete ohne nennenswertem<br />
Anteil undurchlässiger Flächen, die ein eigenes<br />
oberirdisches Entwässerungssystem aufweisen<br />
und in ein Kanalnetz einmünden.“<br />
- Die „Einmündung“ ist grundsätzlich zu<br />
vermeiden, kann aber <strong>aus</strong> wirtschaftlichen oder<br />
aufgrund der örtlichen Randbedingungen<br />
nicht verhindert werden.<br />
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19.05.2011<br />
Grundlagen<br />
Oberflächenabfluss von <strong>Außengebieten</strong><br />
[Wohlrab/Ernstberger/Meuser/Sokolek 1992:<br />
Landschaftswasserh<strong>aus</strong>halt]<br />
[Zeichen und Einheiten ≠<br />
ATV-DVWK-A198]<br />
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N: A: Abfluss Niederschlag<br />
NF : durch A=A0 +Adie I +AVeg. G +AUA gefallener -AK-AUZ N<br />
NA T 0 : Oberflächenabfluss<br />
von Veg. abtropfender N<br />
NK : Kronendurchlass (wenn NB > AS1 ) NK = NF +NT AN S S1 : : NW an Baumstämmen das in den Wurzelraum und<br />
einsickert Pflanzenstengeln abfl. N<br />
A<br />
NS2 B :<br />
:<br />
Anteil<br />
NW vom<br />
des<br />
Wurzelraum<br />
N der auf die<br />
in die<br />
nicht<br />
Bodenoberfläche<br />
durchw. Absickert<br />
gelangt<br />
AS3 : Anteil<br />
NB = N<br />
der<br />
F +N<br />
dem<br />
T +N<br />
GW zusickert<br />
S<br />
AI : Interflow, NW d. über dem<br />
GW-Leiter abfließt<br />
(Return flow wenn NW<br />
wieder zu Tage tritt)<br />
AG : Grundwasser<br />
AUA : unterirdischer Abstrom<br />
AUZ : unterirdischer Zustrom<br />
AK : Kapillarer Wasseraufstieg<br />
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19.05.2011<br />
Grundlagen<br />
Abhängigkeiten des Oberflächenabflusses<br />
• Niederschlagsintensität und –dauer<br />
• Vegetation<br />
• Topographie, Oberflächengefälle<br />
• Infiltrationskapazität der Bodenschichten<br />
- Durchlässigkeit der einzelnen Bodenschichten<br />
(Makro- und Mikroporen)<br />
- Aktuelle Bodenfeuchte (bis zur Sättigung)<br />
(z.B. durch vorangeg. Niederschläge und/oder<br />
oberflächennahes GW)<br />
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19.05.2011<br />
Größenangaben<br />
Literaturangaben<br />
• voralpines EZG<br />
35% Waldanteil max. 70 l/(s ha)<br />
97% Waldanteil max. 30 l/(s ha)<br />
(Messreihe von 1902 bis 1993)<br />
[Forster/Keller/Rickenmann/Röthlisberger 1994: Schweizerische Zeitschrift für das Forstwesen, „Hochwasser“]<br />
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Größenangaben<br />
Literaturangaben<br />
• Hochgebirge 30 l/(s ha)<br />
Mittelgebirge 20 l/(s ha)<br />
Flachland 1-5 l/(s ha)<br />
- [ATV (Hrsg.) 1994: ATV-Handbuch „Planung der Kanalisation“]<br />
Reduzierung bei zunehmender<br />
- Größe des EZG<br />
- Bewuchsdichte<br />
- Bodendurchlässigkeit<br />
- Temperatur<br />
- Rauheit der Geländeoberfläche<br />
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Größenangaben<br />
Literaturangaben<br />
Gefällegruppen<br />
I II<br />
III<br />
Js < 1% 1%≤Js≤4% 4%≤Js≤10% Abflussspenden <strong>aus</strong> natürlichen<br />
Einzugsgebieten [l/(s ha)]<br />
[ATV-AG 1.2.6, KA 4/1999: Regenwasserbewirtschaftung in Siedlungsgebieten<br />
zur Angleichung an natürliche Abflussverhältnisse]<br />
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IV<br />
J s >10%<br />
0 – 5 5 - 10 10 - 15 15 – 20<br />
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Größenangaben<br />
Pegelwerte (N-A Messungen)<br />
Bsp. : NRW, Nordeifel Kyllgebiet<br />
EZG Grisselsiefen Esterbach<br />
Pegel Baasem Berk<br />
Größe 0,33 km² 0,49 km²<br />
Nutzung fast vollst. Wald<br />
Untergrund schuffiger Lehm (Devon)<br />
Messreihe 15 Jahre 27 Jahre<br />
Gefälle 8,5% 8,2%<br />
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Größenangaben<br />
Pegelwerte (N-A Messungen)<br />
Wiederkehrzeit T n [a] 1 2 5 10 20 50<br />
Abflussspende<br />
[l/(s ha)]<br />
Pegel Baasem<br />
(1975-1989)<br />
Pegel Berk<br />
(1963 - 1989<br />
Abflussspenden in [l/(s ha)]<br />
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3 4 6 7 9 11<br />
4 6 8 10 13 16<br />
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Berechnungsansätze<br />
Abflussbildung<br />
(Berechnung des Effektivregens)<br />
• Abflussbeiwertansätze<br />
• Verlustratenansätze<br />
• Bodenspeichermodelle<br />
Abflusskonzentration<br />
Abflussganglinie mit zeitlichen Verlauf<br />
der Abflusswelle<br />
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Berechnungsansätze<br />
Abflussbildung<br />
• Abflussbeiwertansätze<br />
- z.B. mittlerer Abflussbeiwert Ψ m = h w /h n<br />
- Abhängigkeiten je nach Verfahren:<br />
Bodenart, Bewuchs, Gefälle<br />
Vorregen, Jahreszeit<br />
Niederschlagshöhe und Dauer<br />
- Verfahren: SCS, mod. d. ZAIß, ØVERLAND,...<br />
- vergleichsweise einfache und transparente<br />
Berechnungsverfahren<br />
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19.05.2011<br />
Berechnungsansätze<br />
Abflussbildung<br />
• Verlustratenansätze<br />
- Bilanzierung von Niederschlag und<br />
Infiltrationsrate in Zeitabschnitten<br />
- Abhängigkeiten:<br />
Muldenverluste (Oberfläche, Vegetation)<br />
Bodeneigenschaften<br />
- Verfahren: z.B. nach HORTON, PAULSEN, ...<br />
- geeignet für haltungsbezogene EZG, weniger<br />
für AG mit unterirdischen Abflusskomponenten<br />
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19.05.2011<br />
Berechnungsansätze<br />
Abflussbildung<br />
• Bodenspeichermodelle<br />
- i.d.R. sehr komplex und sensitiv<br />
- physikalisch basierte Eingangsdaten<br />
- hohen Aufwand bei der Datenerhebung,<br />
Modellerstellung und Berechnung<br />
- Ergebnisgenauigkeit nicht zwangsläufig höher<br />
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19.05.2011<br />
Berechnungsansätze<br />
Abflusskonzentration<br />
beschreibt die Umwandlung ... des Niederschlags<br />
... in eine Abflussganglinie unter Berücksichtigung<br />
der Translation und der Retention (näherungsweise).<br />
Verfahren (wenn Ganglinie nicht gemessen wurde):<br />
• Einheitsganglinienverfahren<br />
• Standard-Einheitsganglinie<br />
• Lineare Speicherkaskade<br />
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19.05.2011<br />
Berechnungsansätze<br />
Abflusskonzentration<br />
• Einheitsganglinienverfahren<br />
Einheitsganglinie <strong>aus</strong> Übertragungsfunktion<br />
(<strong>aus</strong> DVWK-Katalog mit Übertragungsf.)<br />
mit den Gebietsparametern:<br />
AE : Größe des Einzugsgebietes<br />
L: längster Fließweg...<br />
H: Höhendifferenz im EZG<br />
J: Gefälle im EZG<br />
[DVWK 1982 u. 1988: Katalog von Übertragungsfunktionen, Bonn]<br />
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19.05.2011<br />
Berechnungsansätze<br />
Abflusskonzentration<br />
• Standard-Einheitsganglinie<br />
Einheitsganglinie <strong>aus</strong> Übertragungsfunktion<br />
(nach VERWORN und HARMS)<br />
mit den Gebietsparametern:<br />
AE : Größe des Einzugsgebietes<br />
L: längster Fließweg...<br />
H: Höhendifferenz im EZG<br />
J: Gefälle im EZG ...<br />
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[Verworn/Harms; Wasserwirtschaft, 7-8/1980;<br />
Die Standardeinheitsganglinie – eine gebietsübergreifende<br />
Systemfunktion]<br />
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19.05.2011<br />
Berechnungsansätze<br />
Abflusskonzentration<br />
• Doppelspeicherkaskade<br />
(wenn keine Kalibriermöglichkeit besteht)<br />
Einheitsganglinie mit Übertragungsfunktion<br />
nach WACKERMANN (1981) und Parametern<br />
nach EULER (s. SCHRÖDER 1999)<br />
wenn AE < 10 km²<br />
[DVWK 1999: Schrift Nr. 124, „Hochwasserabflüsse“, Bonn]<br />
[Schröder 1999: Grundlagen des Wasserb<strong>aus</strong>, Köln]<br />
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19.05.2011<br />
Hinweise zur Anwendung<br />
• Die Berechnung von Außengebietsabflüssen<br />
bei Kanalnetz- bzw. Flussgebietsmodellen<br />
können erheblich differieren.<br />
- Verlustratenansätze ergeben im Regelfall<br />
zu hohe Außengebietsabflüsse -<br />
- Realitätsnähere Ergebnisse bei Anwendung<br />
der üblichen Methoden der Flussgebietsmodelle<br />
auch ohne Kalibrierung -<br />
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19.05.2011<br />
Hinweise zur Anwendung<br />
• Ansatz als Außengebiet ggf. schon<br />
ab 5 bis 10 ha<br />
• Grundsätzlich sind alle in DWA-A 118 und<br />
ATV-DVWK-M 165 genannten Niederschlagsbelastungen<br />
bei <strong>Außengebieten</strong> anwendbar<br />
• Langzeitsimulation anwenden, wenn<br />
ungünstigste Abflusskombi. nicht erkennbar ist<br />
• Bei hohem Einfluss der Außengebietsabflüsse<br />
auf die Kanalisation bzw. damit verbundenen<br />
Invest.kosten –Modellkalibrierung!<br />
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19.05.2011<br />
Schlussbemerkung<br />
• Einige Parameter der verwendeten Verfahren<br />
sollten anhand von Messdaten kalibriert werden.<br />
Da Messdaten nur in sehr geringem<br />
Umfang vorliegen, besteht diesbezgl.<br />
erheblicher Forschungsbedarf.<br />
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Vielen Dank für<br />
Ihre Aufmerksamkeit<br />
[Foto: J. Sartor]<br />
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19.05.2011<br />
Musterh<strong>aus</strong>en<br />
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04.07.2012 23
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25<br />
[Foto: J. Sartor]
19.05.2011<br />
[Foto: J. Sartor]<br />
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