Siedlungsentwässerung - Skript - 4.Siedlungshydrologie

Siedlungsentwässerung

Skript , 3.Auflage
(+ V03-2 GWA1-Siedlungshydrologie2006-07.pdf)

Pinnekamp
Haußmann
Staufer

4. Siedlungshydrologie

4.1 Einführung

Hydrologie in Siedlungsräumen (Ggs.: "große Hydrologie)

• kleinräumige Gliederung
• schnelle Abflussprozesse

große Abflussspitzen durch

• befestigte Plätze
• entwässerte Flächen
• Pufferfunktion eines unversiegelten Boden fehlt

Abflussbildung

• Oberflächenverluste
• Versickerung

Abflusskonzentration

• Zusammenfließen von mehreren Flächen
• Anflussveränderung über den Weg
• Abflusswirksamer Niederschlag Nw ist Eingangsgröße für die Berechnung
  

4.2 Prozesse der Abflussbildung

Belastungsbildung

• Blockregen mit konstanter Regenintität geben natürliche Verhältnisse ungenau wieder
• höhere Anforderungen an Rechengenauigkeit der Ganglinien
• Voraussetzung: Auswertung langjähriger Niederschlagsaufzeichnungen

Abflussbildung

• ist nicht zeit- und volumengleich mit dem Auftreten eines Regenereignisses auf der Oberfläche

Einzelverlust:

• Benetzung
• Mulden
• Versickerung
• Verdunstung

Gesamtverlust kann auch über zeitvariablen Abflussbeiwert ermittelt werden

Oberflächenverluste

• Benetzungsverlust Bv (=Anfangsverlust)
  
• Verdunstungsverlust hv
• Muldenverlust Mv

Bodenverlust

• Bodenfeuchteanreicherung
• Grundwasserneubildung
• zusammengefasst als Versickerungsverlust Vs

Bilanzgleichung für ein Niederschlagsereignis N der Dauer D

• Abflusswirksamer Niederschlag Nw

• Nw = N - Bv - hv - Mv - (Vs) [mm]
  

Bild 4.1: Qualitative zeitliche Verteilung der Abflussbildung

undurchlässige Fläche

• Nw ohne Versickerungverluste Vs
  

durchlässige Flächen

• Nw mit Versickerungsverlusten Vs

Oberflächencharakteristik hat Einfluss auf die Abflussbildung

• a) wasserundurchlässig, versiegelte Teilfächen wie Gebäude- und Verkehrsflächen

• b) abflusslose Teilflächen (nicht angeschlossen)

• c) teildurchlässig bis durchlässige Teilflächen

=> richtige Ansatz ist wichtig für die Berechnung

=> verschiedene Rechenansätze für a) und c) wegen unterschiedlicher Verlustkomponenten

Verlustniederschlagshöhe hängt ab von

Regen

• Intensität
• Dauer

Oberflächeneigenschaften

• zu benetzende Oberfläche
• Abflussbereitschaft des Untergrundes
• Sättigungsgrad des Bodens
• Temperatur

Berechnete Abflussganglinien mit vorhandenen Niederschlagsmessungen vergleichen und aufeinander abstimmen => erhöht die Aussagekraft der Ergebnisse


4.2.2.1 Benetzungverluste

• Adhäsion und Oberflächenspannung lassen die Tropfen an den Oberflächen von befestigten und unbefestigten Flächen haften => Befeuchtung ohne Abfluss

• erst wenn sich eine kritische Menge angesammelt hat, dann erfolgt ein Abfluss

• Beisp: nach Beginn eines Regens, kann man trocken unter einem Baum verweilen, erst nach einer Weile rollen die Tropfen von den Blättern und tragen zum effektiven Niederschlag bei => die Vegetationsdichte hat einen entscheidenden Einfluss auf die Benetzungverluste

4.2.2.2 Muldenverluste

• Unebenheiten auf dem Boden füllen sich=> Verlust hängt von der Größe der Mulde ab

• Mulde = Pfütze

• stark geneigte Flächen haben weniger Muldenverluste als flache Ebenen

• nicht alle Mulden können im Detail betrachtet werden => sie werden im Befestigungsgrad und Nutzungsart des Bodens berücksichtigt

Tab- 4.1: Bandbreite der Muldenverluste für verschiedene Baudichten (Gujer et al. 2002)

• Oberfläche in M [mm]

• Innenstadbezirke 0,6-1,5
• Bebaute Wohngebiete ca. 1,5
• Weitläufige Bebauung 1,5-2

4.2.2.3 Verdunstungsverluste

• Umgebungstemperatur => je höher, desto mehr Aufnahmekapazität der Luft => Verdunstung nimmt zu

• deshalb sind in den Sommermonaten in den gemäßigten Breiten die Verdunstungsverluste hoch, deshalb ist die Grundwasserneubildungsrate am geringsten, obwohl zu dieser Jahreszeit der größte Teil des jährlichen Niederschlages fällt

• Verdunstung nach Regenereignis trägt zur Austrocknung bei, so dass Verlustarten (Bv, Mv) bei Folgerereignissen wieder zur Verfügung stehen

4.2.2.4 Versickerung

Tab.4.2:Übersicht über unterschiedliche Verlustraten

4.2.2.5 Dauerverluste

4.3 Modelle zur Abflussbildung

4.3.1 Nicht-lineare Abflüsse

4.3.2 Schwellwertmethode

Bild 4.2: Schematische Darstellung des Transfers von einem Niederschlag zu einem wirksamen Niederschlag mit Schwellwertmethode

4.3.3 Prozentwertmethode

Bild 4.3: Schematische Darstellung des Transfers von einem Niederschlag zu einem wirksamen Niederschlag mit der Prozentwertmethode

4.3.4 Grenzwertmethode

Bild 4.4: Beschreibung des Transfers mit der Grenzwertmethode zum wirksamen Niederschlag

4.3.5 Zusammenfassung

4.4 Abflusskonzentrationen

Bild 4.5 Schema zur Darstellung eines Transfers eines Eingangsimpulses durch ein Modell

4.5 Grundlagen linearer Transferfunktionen

Bild 4.6: Beispiele linearer Transfermodelle

4.6 Beispiele linearer Transfermodelle

4.6.1 Einheitsgangslinie

Bild 4.7: Einheitsblockregen (rechts); Antwort auf Einheitsblockregen (Einheitgsganglinie) (rechts)

4.6.1.2 Das Verfahren der Einheitsganglinie - Unit Hydrograph

4.6.1.3 Anwendung der Übertragungsfunktion

Bild 4.8: Durch Messungen bestimmt Einheitsganglinie eines fikiven Teilzugsgebietes (DWA)

Bild 4.9 Wirksamer Niederschlag

Bild 4.10: Gebietsabflussganglinie des fiktiven Einzuggebietes

4.6.2 Linearer Einzelspeicher

Bild 4.11 Schematische Darstellung der Funktionsweise eines linearen Einzelspeichers

Bild 4.12 Abflussganglinie eines linearesn Einzelspeichers auf einen Impuls von r(netto) = 167 l/(s*ha) und einer Regendauer von 5 min (A(red) = 1 ha, K(sp) = 2min

4.6.3 Lineare Speicherkaskade

Bild 4.12 Lineare Speicherkaskade, Entwicklung der Gleichgewichtsfunktion mit zunehmender Speicherzahl

Bild 4.13 Abflussganglinien einer linearen Speicherkaskade bestehend aus fünf linearen Einzelspeichern (n=5) auf einen Impuls von r(netto) = 167 l/(s*ha) und einer Regendauer von 5 min (A(red) = 1 ha, K(Sp) = 2min)

4.7 Lineare Abflussmodelle (Fließzeitverfahren)

4.7.1 Einleitung und Ziel

4.7.2 Mittlerer Abflussbeiwert

Tab. 4.3 Mittlere Einzelabflussbeiwerte (ATV-DVWK-A117, 2001)

4.7.3 Spitzenabflussbeiwert

Tab. 4.4 Einteilung in Geländeneigungsgruppen (DWA - A118, 2006)

Tab. 4.5 Spitzenabflussbeiwerte für unterschiedliche Regenspenden bei einer Regendauer von 15 min (r15) in Abhängigkeit der Geländeneigung und des Befestigungsgrades (ATV - 118)

Bild 4.15 Spitzenabflussbeiwerte s in Abhängigkeit von der Regenspende r(15) bei 15 min Regendauer bzw. der Regenhäufigkeit und der Neigung des Einzugsgebietes

4.8 Zusammenfassung

4.9 Kontrollfragen

a) Unter welchen Bedingungen kann der mittlere Abflussbeiwert als Spitzenflussbeiwert verwendet werden ?

b) Unterscheiden Sie zwischen durchlässigen Flächen, befestigten Flächen und versiegelten Flächen hinsichtlich der Abflussbereitschaft und der Bildung von Grundwasser.

c) Welche Verluste treten bei undurchlässigen Flächen auf !

d) Welche Vorteile liegen bei der Ermittlung von Abflussganglinien ?

e) Warum kann man keinen Blockregen verwenden, um eine Abflussganglinie zu erzeugen ?

f) Beschreiben Sie mit eigenen Worten den Verlauf der Versickerungsleistung mit dem Ansatz nach HORTON

g) Wie schnell ist eine Regentonne (V=200l) gefüllt, wenn das Regenwasser von einer Dachfläche (Schrägdach) von 32 m³ bei einem 2 jährlichen Regenereignis (r(15, n=1) = 100 l/(s*ha), das insgesamt 45 min dauert, in diese Tonne geleitet wird. Vernachlässigen Sie die Anfangsverluste.

4.10 Weitergehende Literatur

• Dyck, S., Peschke, G.: Grundlagen der Hydrologie, VEB Verlag für Bauwesen, Berlin, 1989

• Chow, V.T., Maidment, D.R., mays, L.W. (1988). Applied Hydrology. MGraw-Hill, London

• Gujer, W., Krebs., Rauch, W. (2002). Siedlungsentwässerung, ETH Zürich, Institut für Umweltingenieurswissenschaften, Zürich