Wasserspiegellinienberechnung mit Bewuchs

Diplomarbeit von Oktay Kocaman

Einleitung:

Auch wenn das verheerende Hochwasser im Jahre 2002 in Ostdeutschland nicht der Anstoss war über Renaturierungen der Fließgewässer nachzudenken, so wurde zumindest nochmals eindrucksvoll von der Natur demonstriert, dass u.a. Gewässerbegradigungen und dadurch die morphologischen Veränderungen an den Fließgewässern im Laufe der letzten Jahrzehnte, sich nun rächen.

Seitdem der Mensch sesshaft wurde und in seiner immer fortschreitenden Entwicklung auch die Ufergebiete von Gewässern besiedelte, nutzte er diese Gewässer um seine zahlreichen Bedürfnisse zu erfüllen.

Fischerei.

Schiffahrt.

Entwässerung von Böden für Siedlung und Landwirtschaft.

Entnahme von Wasser für Land- und Forstwirtschaft.

Entnahme von Wasser als Trink-, Brauch- und Kühlwasser.

Einleitung von Abwasser.

Energiegewinnung.

Erholung im und am Wasser.

Aufgezählt sind nur die wichtigsten Nutzungen, um diese zu erlangen bzw. zu erhalten, wurde in den Kreislauf der Natur eingegriffen.

Dabei wurden durch wasserbauliche Maßnahmen wie Staudämme oder Flussbettregulierungen (Begradigungen) sowie Abholzung der Uferzonen, das Ökosystem der Gewässer gestört, deren Folgen nun massiv zur Geltung kommen:

Erhöhte Hochwassergefahr.

Bedrohte Tier- und Pflanzenwelt.

Kaum Selbstreinigungsvermögen der Gewässer.

Gewässerverschmutzung.

Grosse Fließgeschwindigkeiten.

Gestörtes Landschaftsbild.

Keine fruchtbaren Überschwemmungsgebiete (Vorländer).

In der jüngsten Vergangenheit ist nun das Bewusstsein für die Erhaltung unserer natürlichen Lebensräume gewachsen und führt nun zu der Forderung nach einem Rückbau insbesondere des Lebensraumes „Fließgewässer“.

Bei diesen Renaturierungsmaßnahmen bzw. bei einem naturnahen Ausbau müssen viele Kriterien beachtet werden:

Sohlgefälle.

Böschungsneigungen.

Gerinneform.

Gewässergeometrie.

Bauwerke (Wehr, Damm, Schleuse,…).

Linienführung.

Bewuchs.

Alle aufgeführten Faktoren haben Einfluss auf das Abflussverhalten eines Fließgewässers, das für eine natürliche Gestaltung relevant ist.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird insbesondere die Beeinflussung des Bewuchses auf die Wasserspiegellinie untersucht.

Dabei erfolgt zunächst anhand einer intensiven Literaturstudie, eine Zusammenfassung der Grundlagen für eine Wasserspiegellinienberechnung mit Bewuchs.

Dabei werden verschiedene manuelle Berechnungsverfahren erläutert und miteinander verglichen.

Danach erfolgt eine Übersicht der in Deutschland gängigen Berechnungsprogramme im Hinblick auf die Berücksichtigung des Bewuchses.

Abschließend wird ein fiktives Beispiel mit zwei unterschiedlichen Programmen berechnet und gegenübergestellt.

Eine genaue Wasserspiegellagenberechnung ist für einen naturnahen Ausbau eines Gewässers unumgänglich.

Da aber viele hydraulische Fragen, wegen der strukturellen Vielfalt und der hohen Anzahl komplexer Geometrien in den Fließgewässern, die zu mehrdimensionalen, von vielen Parametern beeinflussten Strömungsvorgängen führen, nicht einfach zu beantworten sind, wurden seit Ende der 80iger Jahre zahlreiche Untersuchungen gestartet.

Durch diese Forschungen ist das Verständnis über die strömungsphysikalischen Vorgänge in Gewässern stark verbessert worden und es kamen neue, umfangreiche mathematische Berechnungsverfahren zustande, die es möglich machten ein- und mehrdimensionale Berechnungsansätze aufzustellen.

Während man früher einfache Verfahren bevorzugte, die man per Hand oder höchstens unter Einsatz von gewöhnlichen Taschenrechnern lösen konnte, gibt es heute, auch durch den technischen Fortschritt begünstigt, umfangreiche EDV – gestützte numerische Strömungsmodelle.

Allerdings stellt die Vielfalt der verfügbaren Methoden ein Problem bei der richtigen Auswahl dar.

Da man sich immer vor Augen halten muss die Natur nie 100%ig berechnen zu können, sollte man sich von den hohen Genauigkeitswerten, die man insbesondere bei zwei- bzw. dreidimensionalen Verfahren erhält, nicht täuschen lassen.

Im Hinblick auf Genauigkeit und Aufwand sind heute in der Ingenieurpraxis eindimensionale Spiegellinienmodelle bevorzugt, weil diese einen „guten Kompromiß zwischen dem fachlich Notwendigen und dem wirtschaftlich Machbaren darstellen“.

Im weiteren Verlauf werden deswegen folgende Rahmenbedingungen vorgegeben:

Eindimensionaler Berechnungsansatz.

Stationärer Abfluss.

Konvektive Beschleunigungstherme vernachlässigbar (Gerinnegeometrie ändert sich im Grundriss, Quer- und Längsschnitt nur mäßig).

Kompakte Querschnittsformen (Rechteck, Trapez, Parabel,…), weil nur bei diesen Querschnitten die mittlere Fließgeschwindigkeit vm in der Fließformel zutrifft, d.h. gegliederte Querschnitte müssen unterteilt werden.

Inhaltsverzeichnis:

	Abkürzungen und Formelzeichen	4
	Einleitung	7
1.	Allgemeines	9
2.	Grundlagen	10
2.1	Fließformeln	10
2.1.1	Manning-Strickler	10
2.1.2	Darcy-Weisbach	13
2.2	Morphologisch-hydraulische Charakterisierung der Fließgewässer	15
2.2.1	Kerb- und Klammtalgewässer	16
2.2.2	Mäandertalgewässer	17
2.2.3	Flachtalgewässer	18
2.2.4	Flachlandgewässer	19
2.2.5	anthropogen veränderte Gewässer	20
2.3	Zusammenfassung der unterschiedlichen Einflussgrößen in den Gewässern	21
3.	Bewuchs	23
3.1	Definition und Einteilung des Bewuchses	23
3.2	Berechnungsansätze für den Bewuchs	24
3.2.1	Berechnungsansätze für überströmten Bewuchs	25
3.2.2	Berechnungsansätze für durchströmten und isoliert wirkendem Bewuchs	26
4.	Gliederung des Fliessgewässers	34
4.1	Gliederung aus Geometriegründen	34
4.2	Gliederung aus Bewuchsgründen	35
5.	Berechnungsverfahren	37
5.1	Chronologische Zusammenfassung der Berechnungsverfahren nach DVWK 72	38
5.1.1	Berechnungsansätze für nicht gegliederte Gerinne	38
5.1.1.1	Ansatz nach Felkel (1960)	40
5.1.1.2	Ansatz nach Klaasen/ van Der Zwaard (1974)	40
5.1.1.3	Indlekofer/ Rouvé (1979-82)	41
5.1.1.4	Lindner (1982)	42
5.1.1.5	Ansatz nach Kaiser (1983)	42
5.1.1.6	Ansatz nach Bertram (1984)	43
5.1.1.7	Ansatz nach Kauch (1984)	44
5.1.2	Berechnungsansätze für gegliederte Gerinne	46
5.1.2.1	Ansatz nach Posey (1967)	47
5.1.2.2	Yen/ Overton (1973)	48
5.1.2.3	Ansatz nach Nicollet/ Uan (1979)	49
5.1.2.4	Ansatz nach Könemann (1980)	50
5.1.2.5	Wormleaton/ Allen/ Hadjipanos (1982)	51
5.1.2.6	Pasche/ Evers (1983)	52
5.2	Neuere Berechnungsansätze	56
5.2.1	Flächenabzugsverfahren	56
5.2.2	Verfahren nach Mertens	57
5.2.3	Verfahren nach Pasche	59
6.	Wasserspiegellagenberechnung unter Bewuchs	62
6.1	Gleichungen der Wasserspiegellinie	62
6.2	Berechnungsbeispiel mit Rechengang nach Mertens	64
6.2.1	Berechnung der Trennflächenrauheit	65
6.2.2	Abfluss im Hauptgerinne ohne Bewuchs	67
6.2.3	Abfluss in den Teilquerschnitten mit Bewuchs	69
6.2.4	Berechnung der Wasserspiegellinie	71
6.2.5	Zusammenstellung der Ergebnisse für die Spiegellage	73
6.3	Rechengang nach Pasche	74
6.3.1	Abfluss in den Teilflächen des Vorlandes	74
6.3.2	Abfluss im Hauptgerinne	75
6.3.3	Gesamtabfluss	76
6.3.4	Ergebnisse aus der Abflussberechnung	77
6.3.5	Berechnung der Wasserspiegellinie	78
6.3.6	Ergebnisübersicht für die Wasserspiegellage	79
7.	Auswahl von EDV-Programmen	80
7.1	Programm HYSEMO 1D, Environumerix Ingenieurgesellschaft mbH	80
7.2	Programm FLUSS, Büro Rehm „Software für die Wasserwirtschaft“	84
7.3	HEC-RAS	85
7.4	Jabron, Ingenieurgesellschaft Hydrotec	86
7.5	WSP-ASS 3.0 (WSPR-2002), Sydro Software GbR	88
7.6	WASPLA, Brandt Gerdes Sitzman (BGS) Wasserwirtschaft GmbH	91
8.	Berechnung mit Programmen	94
8.1	Trapezprofil mit Böschungsbewuchs	94
8.1.1	Berechnung mit WASPLA	95
8.1.1.1	Eingabe der Profildaten in der MNN-Datei	95
8.1.1.2	Umwandlung der MNN-Datei in eine PRF-Datei	96
8.1.1.3	Eingabe der Berechnungsabflüsse	96
8.1.1.4	Definition der Varianten	97
8.1.1.5	Eingabe der Bewuchsparameter in der BIO-Datei	97
8.1.1.6	Starten des Berechnungsprogramms WASPLA	98
8.1.1.7	Ausgabe der Ergebnisse	99
8.1.1.8	Zusammenfassung der Ergebnisse (im Oberwasser)	100
8.1.2	Berechnung mit WSP-ASS 3.0	101
8.1.2.1	Eingabe der Profildaten und Bewuchsparameter	102
8.1.2.2	Eingabe des Abflusses und der Sohlrauheit	103
8.1.2.3	Profilübersicht	103
8.1.2.4	Starten des Berechnungsprogramms WSP-ASS 3.0	104
8.1.2.5	Ausgabe der Ergebnisse	105
8.1.2.6	Zusammenfassung der Ergebnisse (im Oberwasser)	107
8.1.3	Vergleich der beiden Programmergebnisse	107
8.2	Gegliedertes Profil mit Bewuchs	108
8.2.1	Berechnung mit WASPLA	109
8.2.1.1	Profildaten	109
8.2.1.2	Eingabe der Bewuchsparameter in der BIO-Datei	110
8.2.1.3	Ausgabe der Ergebnisse	110
8.2.1.4	Zusammenfassung der Ergebnisse	112
8.2.2	Berechnung mit WSP-ASS 3.0	113
8.2.2.1	Eingabe der Profildaten und Bewuchsparameter	113
8.2.2.2	Profilübersicht	114
8.2.2.3	Ausgabe der Ergebnisse	114
8.2.2.4	Zusammenfassung der Ergebnisse	116
8.2.2.5	Vergleich der beiden Programmergebnisse	116
9.	Zusammenfassung	117
10	Literaturverzeichnis	119