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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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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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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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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Tabelle Abflussbeiwerte

Einzugsgebiet[km²]

0,5 1 5 10 50


15 10 5,5 4 2


unbewaldet 1 gering 1 steil 1



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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Gegeben: Einzugsgebiet = 50 ha = 0,5 km² Bemessungsabfluss = 3,2 m³/s

Durch Messungen bekannt: Strömungsgeschwindigkeit vmax 4-6 m/s


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.


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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Tabelle Abflussbeiwerte

Einzugsgebiet[km²]

1 5 10 50 100


10 5,5 4 2 1


unbewaldet 1 gering 1 steil 1



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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Gegeben: Bemessungsabfluss = 11,2 m³/s

Strömungsgeschwindigkeit vmax 4 m/s


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


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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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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Maulprofil

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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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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.

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