Strömungsmodellierung und Hydraulische Auswirkungen einer Deichrückverlegung DRV

Transkript

1 Bleckede Information zur MBS DRV Vitico Strömungsmodellierung und Hydraulische Auswirkungen einer Deichrückverlegung DRV Prof. Dr.-Ing. B. Ettmer, L. Bromberg, M.Eng., St. Orlik, M.Eng., NLWKN Lüneburg 1

2 I n h a l t Inhalt 1. Vorgehensweise /Grundlagen des Hydraulischen Modells 2. Untersuchungsprogramm 3. Ergebnisse DRV Vitico und weitere Varianten 4. (Hydraulische Besonderheiten, Polder Wirkung) 2

3 Untersuchungsgebiet, Digitales Oberflächenmodell (DOM 2016) Radegast 1 V o r g e h e n s w e i s e Bleckede Deichverlauf (DIN19712, DWA 507) 3

4 1m x 1m-Raster, Topografische Grundlage Radegast -Hohe Detailtreue -Grundlage für eine gute Hydraulik 1 V o r g e h e n s w e i s e Bleckede Einzelstrukturen erkennbar 4

5 Computermodell zwischen den Deichen Rauheiten 1 V o r g e h e n s w e i s e Gitternetz 5

6 2d-hydro-numerische Berechnungen (Hydro_AS-2D) mit: w f g s = 0 t x y H w = uh vh (Gl. 3.2) uh u 0.5 ν v uvh ν h x 2 2 f = u h + gh h x (Gl. 3.1) (Gl. 3.3) 1 V o r g e h e n s w e i s e 0 s = gh IRx I gh I ( ) Sx ( Ry ISy ) (Gl. 3.4) vh u g = uvh ν h y 0.5 ν v 2 2 v h + gh h y (Gl. 3.5) Das numerische Verfahren der verwendeten Software Hydro_AS-2D löst die zweidimensional-tiefengemittelten Strömungsgleichungen (Flachwassergleichungen), die sich aus der Integration der dreidimensionalen Kontinuitätsgleichung und der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen für inkompressible Fluide über die Wassertiefe ergeben 6

7 Gesamtmodell Elbe-km 475 bis 585,9 Geesthacht Ziel: Hydraulische Effekte von DRV, Polder, Flutrinnen, Gehölzrückschnitt usw. berechnen 1 V o r g e h e n s w e i s e Hydraulische Berechnungen für ganz Niedersachsen, MV anteilig Wittenberge 7

8 Hydraulische Untersuchungen: Vorgehensweise 1. Kalibriertes Modell für Ist-Zustand wird erstellt 2. Planungsüberlegungen werden in das Ist-Modell eingebaut, es entsteht ein Planungsmodell (Zukunftsmodell/Prognosemodell) 3. Die Ergebnisse des Ist-Zustandes und des Planungszustandes werden miteinander verglichen (Wasserspiegel, Fließgeschwindigkeiten ) 1 V o r g e h e n s w e i s e 4. Die Differenz zwischen den Modellen zeigt die Veränderung an (Wasserspiegeldifferenz, Fließgeschwindigkeitsdifferenz) 8

9 2 E r g e b n i s s e Fließgeschwindigkeiten v [m/s] für HW2013, Ist-Zustand 9

10 2 E r g e b n i s s e Fließgeschwindigkeiten detailliert HW 2013 h Elbe = 9 bis 10m v=rd. 1,2 bis 1,5 m/s h Vorland = 1,5 m bis 4m v=rd.0,0 bis 0,8 m/s 10

11 Ist-Zustand: Grundsätzliche Erkenntnisse Oberhalb Engpass: - Rückstau baut sich auf - Wsp. steigt oberhalb an Im Engpass: - die Fließgeschwindigkeit wird größer - Wsp. sinkt im Engpass 2 E r g e b n i s s e Unterhalb Engpass: -grundsätzlich keine Änderungen -Auswirkungen immer nach oberhalb (gr. Flachlandflüsse) (viele Kilometer hier: bis 40-50km) -Überlagerungen sind möglich 1 1

12 2 U n t e r s u c h u n g s p r o g r a m m Untersuchungsprogr. (a) DRV Vitico klein (V1) (b) DRV Vitico mittel (V2) (c) DRV Vitico groß (V3) (d) DRV MV (e) DRV MV und Polder Gothmann 9 Varianten (f) Verbundwirkung (a) DRV Vitico klein (V1) und (d) DRV MV (g) Verbundwirkung (b) DRV Vitico mittel (V2) und (d) DRV MV (h) Verbundwirkung (c) DRV Vitico groß (V3) und (d) DRV MV (i) Verbundwirkung (c) DRV Vitico groß (V3) und (e) DRV MV und Polder Gothmann 12

13 a) DRV Vitico klein (V1), Wasserspiegeldifferenzen Wasserspiegelabsenkung wirkte sich rd. 42 km nach oberstrom bis Elbe-km 509 aus. 3 E r g e b n i s s e bei Elbe-km

14 a) DRV Vitico klein (V1), Fließgeschwindigkeiten Absenkung nach oberhalb A größer v kleiner 3 E r g e b n i s s e Ist-Zustand Δh max bei 551,3 Vitico (V1) 1 4

15 3 E r g e b n i s s e Peak am Ende DRV Grund: Fließgeschwindgkeits-Verringerung Planung gegenüber Ist-Zustand Max. Fließgeschwindigkeitsdifferenz: Δv max. = rd. 0,20 bis 0,30 m/s Deshalb max. Wsp. Differenz Δh kin.,max. =v 2 /2g = 0,30 2 /19,62= 0,45 cm Deshalb grundsätzlich Peak: Δh max < 1 cm (Meistens ein Darstellungsproblem) 15

16 a) DRV Vitico klein (V1), Fließgeschwindigkeits-Vektoren 3 E r g e b n i s s e Strömung ausgerichteter 1 6

17 Ergebnisse Absenkung Δhmax und Fließgeschwindigkeiten a) Vitico klein (V1) b) Vitico mittel (V2) c) Vitico groß (V3) 9 cm 10 cm 11 cm d) DRV MV e) DRV MV+Polder Gothmann 3 E r g e b n i s s e cm cm 17

18 Ergebnisse Absenkung Δhmax und Fließgeschwindigkeiten f) Vitico klein (V1) +MV g) Vitico mittel (V2) +MV h) Vitico groß (V3) +MV 21 cm 22 cm cm i) Vitico groß (V3) +MV+Polder Gothmann 3 E r g e b n i s s e cm 18

19 Fazit (a) DRV Vitico klein (V1) (b) DRV Vitico mittel (V2) (c) DRV Vitico groß (V3) (d) DRV MV (e) DRV MV und Polder Gothmann (f) Verbundwirkung (a) DRV Vitico klein (V1) und (d) DRV MV (g) Verbundwirkung (b) DRV Vitico mittel (V2) und (d) DRV MV (h) Verbundwirkung (c) DRV Vitico groß (V3) und (d) DRV MV Δhmax = rd. 9cm Δhmax = rd. 10cm Δhmax = rd. 11cm Δhmax = rd cm Δhmax = rd cm Δhmax = rd. 21cm Δhmax = rd. 22cm Δhmax = rd cm 3 E r g e b n i s s e (i) Verbundwirkung (c) DRV Vitico groß (V3) und (e) DRV MV und Polder Gothmann Δhmax = rd cm 19

20 4 H y d a r a u l i s c h e B e s o n d e r h e i t e n Abflussganglinie Q=f(t), HW2002, Elbe 20

21 Nur gesteuerte Polder kappen die Spitzenabflüsse! Steuerung! Bsp. Einfache Polderdimensionierung: 4 H y d a r a u l i s c h e B e s o n d e r h e i t e n Wasserstandsgewinn rd. 5-7cm pro 100m 3 /s (Elbeabfluss) V = 100 m 3 /s * 10 Tage *86400 s/tag V = m 3 (Rappbode) (Praktische Erfahrung V mal 2) Erf. Fläche bei h =1 m: ha -Polder muss gesteuert sein, um eine Scheitelkappung zu bewirken 21

22 Zusammenfassung 1. Deichrückverlegungen sind eine effektive Möglichkeit die Wasserspiegellagen bei Extremhochwasser abzusenken 2. Die DRV Vitico klein (V1) ermöglicht eine Wsp.-Senkung von max. 9 cm im Bereich des Flusskilometers 551,3 und wirkt rd. 42 km nach oberstrom. 3. Im Bereich der Querschnittserweiterung sind max. Wasserspiegelerhöhungen < 1cm von 551,3 bis 554,7 zu erwarten 4. Die Fließgeschwindigkeiten auf dem Vorland und im Hauptstrom verringern sich durch die DRV zwischen km 551,3 bis 554,7 5. Fließgeschwindigkeitsvektoren zeigen eine gleichmäßigere parallele Abströmung zur Deichlinie der Variante (V1) 6. Weitere Varianten zeigen das zusätzliche Potential von DRV in Kombination mit MV 2 2

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 23

24 Theorie: Hydraulik von Einschnürungen Erläuterung: Wasserspiegellage (Bild s. unten) 4 H y d a r a u l i s c h e B e s o n d e r h e i t e n Prinzip, wie bei der Verengung des Abflussquerschnittes durch Deiche. a) Aufstau nach oberhalb b) Fließgeschwindigkeit v nimmt im Bereich der Einschnürung zu Bsp.(Quelle: Grundbegriffe der Gerinnehydraulik, Helmut Kobus. S. 1-20) 24

25 Anwendung: DRV (Skizze überhöht und stark eingekürzt) 4 H y d a r a u l i s c h e B e s o n d e r h e i t e n Draufsicht Wasserspiegellängsschnit t Wasserspiegeldifferenzendiagramm Wsp. mit Deich Wsp. ohne Deich Δh Δh 25