Wasserbau. Grundlagen, Gestaltung von wasserbaulichen Bauwerken und Anlagen. Heinz Patt Peter Gonsowski. 7., aktualisierte Auflage

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1 Wasserbau

2 Heinz Patt Peter Gonsowski Wasserbau Grundlagen, Gestaltung von wasserbaulichen Bauwerken und Anlagen 7., aktualisierte Auflage Begründet von Daniel Vischer und Andreas Huber 1 3

3 Prof. Dr.-Ing. habil. Heinz Patt United Nations University (UNU) Institute for Environment and Human Security (UNU-EHS) College of Associated Scientists and Advisors (CASA) Hermann-Ehlers-Str Bonn, Deutschland Prof. Dr.-Ing. Peter Gonsowski Institut Bauingenieurwesen Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) Hochschule für Architektur, Bau und Geomatik Gründenstr Muttenz, Schweiz Begründet von Daniel Vischer und Andreas Huber ISBN e-isbn DOI / Springer Heidelberg Dordrecht London New York Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1978, 1979, 1982, 1985, 1993, 2002, 2011 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Einbandentwurf: WMXDesign GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier Springer ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (

4 Vorwort zur 7. Auflage In Wasserbau und Wasserwirtschaft sind die gelebten Erfahrungen ein wesentliches Element für den erfolgreichen Abschluss eines Projekts. Die Verwendung und die Weitergabe dieses Wissens ist eine wesentliche Voraussetzung für die Verbreitung der Wissensbasis, ganz zu schweigen, ein Muss für die Lehrenden an einer Universität oder Hochschule. Im Jahre 1977 haben Professor Dr.-Ing. Dr. h.c. Daniel Vischer und Dr. sc. techn. Andreas Huber den Grundstein für ein Lehrbuch des Wasserbaus gelegt. Der Vischer/Huber ist seit seinem Erscheinen immer wieder aktualisiert worden und bis heute in sechs Auflagen aufgelegt worden. Das Buch hat auch uns während des Studiums begleitet und uns die vielfältigen Facetten des Wasserbaus näher gebracht. Später haben wir das Buch unseren Studierenden als Fachliteratur empfohlen. Umso erfreuter waren wir, als wir gefragt wurden, ob wir die Autorenschaft von den Alt-Autoren Vischer und Huber übernehmen möchten. Gerne haben wir zugesagt. Nach einer ersten Durchsicht des Manuskripts war klar, dass wir den ingenieurtechnischen Charakter des Buchs nicht verändern wollten. Da uns die Altautoren freundlicherweise die Genehmigung zur Nutzung der vorhandenen Texte und Abbildungen erteilt hatten, haben wir uns darauf konzentriert, die neuen Umweltziele und Vorgehensweisen im Wasserbau (u. a. EG-Wasserrahmenrichtlinie, Fließgewässer- und Auenentwicklung, Naturnaher Wasserbau, Fischwanderhilfen, Gewässerunterhaltung) im Buch gebührend zu verankern. Auch war es uns wichtig, die Begrifflichkeiten an themenverwandte Bücher anzupassen, wodurch Querverweise vereinfacht und im Hinblick auf die Gesamtthematik Wasserbau und Wasserwirtschaft Synergieeffekte genutzt werden können. Für ihre Mitwirkung bei der Entstehung dieses Buches möchten wir Dipl.-Ing. Christian Ardüser, Dipl.-Ing. Leif Karcheter und Dipl.-Ing. Eberhard Städtler ganz herzlich danken. Ganz besonders danken möchten wir aber den Altautoren, Professor Vischer und Dr. Huber, für das Vertrauen, dass wir ihr Buch in ihrem Sinne weiterführen werden. Bonn und Basel im September 2010 Heinz Patt Peter Gonsowski v

5 Inhalt 1 Einleitung Teilgebiete des Wasserbaus Inhalte des vorliegenden Buchs Hydrologische Grundlagen Wasservorräte der Erde Wasserhaushaltsgleichung Abflusskoeffizient Einzugsgebiet Niederschlag Niederschlagsmessung Auswertung von Niederschlagsmessungen Verdunstung Rückhalt Rückhalt in der Schneedecke Rückhalt in Gletschern Rückhalt auf Böden und Pflanzen Rückhalt in Oberflächengewässern Rückhalt im Grundwasserleiter Abfluss Hydrometrie Vermessung von Gewässern Wasserstandsmessung (Pegelmessung) Abflussmessung Durchflussmessung Auswertung von Wasserstands- und Abflussmessungen Abflussmessnetz Übertragung von Abflussmessungen Abschätzung der Hochwasserspitzen Feststofftransport, Gewässerbettdynamik und Fließgewässertypologie Feststofftransport Theorie der Feststoffbewegung vii

6 viii Inhalt Transportformen Schubspannungen Begriffe zum Geschiebetransport Transportbeginn Geschiebemessung Dynamik der Gewässersohle Fließgewässertypologie Charakteristische Merkmale Fließgewässerlandschaften, Fließgewässertypen Gewässerstrukturkartierung Ausbaumethoden und Anlagen im Flussbau Ausbaumethoden Bauweisen Querbauwerke Buhnen, Leitwerke Uferböschungen Ufermauern und alternative platzsparende Lösungen Wildbachverbauung Wehre Feste Wehre Bewegliche Wehre Schützentypen Dichtungsschirme Stabilität des Wehrkörpers Fischpässe Technischer Hochwasserschutz Bauvorsorge LAWA-Leitlinien Hochwasserschutz Risikoanalyse, Hochwasserschadenspotenziale Strategien und Maßnahmen Übersicht Technischer Hochwasserrückhalt Gerinneausbau Gerinneentlastungen Wasserkraftnutzung Das Prinzip der Wasserkraftnutzung Anlagentypen Niederdruckanlagen Mittel- und Hochdruckanlagen Pumpspeicherwerke Wasserfassungen Fassbare Wassermengen Fluss- oder Bachwasserfassungen Geschiebeabweisung und -spülung

7 Inhalt ix Schwebstoffverminderung durch Entsander Geschwemmselbeseitigung Eisprobleme Seewasserfassungen Kanäle Offene Kanäle Geschlossene Kanäle und Freilaufstollen Sonderbauwerke Speicher Speicherbemessung Stauseen Künstliche Becken Druckleitungen Hydraulische Bemessung Wirtschaftliche Bemessung Druckstöße Bemessungsdrücke Rohre Druckstollen und Druckschächte Ausrüstung der Druckleitungen Turbinen Konstruktive Merkmale Allgemeine Anordnung und Regulierung Leistungsabgabe Pumpen Kreiselpumpen (Turbopumpen) Schneckenpumpen Kolbenpumpen Landwirtschaftlicher Wasserbau Bewässerung Stauverfahren Rieselverfahren Beregnung Tropfbewässerung Unterflurbewässerung Entwässerung Ziel der Entwässerung Dränung Grabenentwässerung und Dränung Grabenentwässerung Dränung Verkehrswasserbau, Schifffahrt Regelschiffe Das Schiff im Fahrwasser

8 x Inhalt Geradeausfahrt Kurvenfahrt Fahrt am Ufer, Begegnen, Überholen Fahrwasser und Fahrrinne Wasserstraßen Natürliche Gewässer Schifffahrtskanäle Künstliche Wasserstraßen Hafenanlagen Schleusen Schleusung Füll- und Entleerung Schleusentore Grenzhubhöhe Kleinschifffahrt Sportschifffahrt Literaturverzeichnis Symbolverzeichnis Sachverzeichnis