Gesonderte Betrachtung der Abflüsse aus großen Außengebieten mithilfe einer Niederschlag-Abfluss-Simulation

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1 Gesonderte Betrachtung der Abflüsse aus großen Außengebieten mithilfe einer Niederschlag-Abfluss-Simulation Die ATV fordert in den Bemessungsrichtlinien (A 118), die Abflussbildung unbebauter Außengebiete beim Zusammenfluss mit kanalisierten Einzugsgebieten gesondert zu betrachten. Der übliche Bemessungsansatz mit Spitzenabflussbeiwerten > 0,10 führt rechnerisch zu unrealistisch hohen Abflüssen. Außerdem zeigen unbefestigte Außengebiete im Vergleich zu befestigten Gebieten ein deutlich unterschiedliches Abflussverhalten. Erst deutlich längere Regenereignisse führen bei großen Außengebieten zu den für die Kanalbemessung maßgebenden Abflussmengen. Da hierüber selbst in Fachkreisen noch Unsicherheit besteht, sollten die maßgebenden Abflüsse anhand einer Niederschlag-Abfluss-Simulation ermittelt werden. Hierfür bietet sich das Simulationsmodell SMUSI mit seinen entsprechenden Bausteinen an. Dabei werden die Module der Schmutzfracht weggelassen, da sie in diesem Fall nicht relevant sind. Historisch gesehen wurde das Modell SMUSI aus einem Niederschlag-Abfluss-Modell für kleine Einzugsgebiete entwickelt. Da diese Berechnungsroutinen noch unverändert in SMUSI enthalten sind, kann es für diesen Zweck ohne Einschränkungen verwendet werden. Das oberirdische Einzugsgebiet besteht aus den natürlichen Flächen (Außengebiete), die Gräben speisen, und den befestigten Flächen (kanalisierte Gebiete), die in die Kanäle entwässern. Damit qualifizierte Aussagen zur Abflussbildung der Gewässer getroffen werden können, sollte das gesamte Einzugsgebiet differenziert erfasst werden. Ziel der N-A-Simulation ist die Kenntnis über die hydraulische Auslastung der unterhalb der Außengebiete liegenden Kanalisation. Gleichzeitig kann damit die Belastung verschiedener Gewässerprofile simuliert und somit die Abflussdynamik typischer Hochwasserereignisse in der Ortslage dargestellt werden. Für den Kanalisationsentwurf kann damit im Regelfall der Nachweis erbracht werden, dass die Abflüsse der kanalisierten Einzugsgebiete für die natürlich auftretenden Hochwasserabflüsse in den Gewässern (auch in den verrohrten) keine Rolle spielen. Man kann bei kleinen Kanalnetzen grundsätzlich zwei sinnvolle Belastungsvarianten simulieren: - Sommerlicher Starkregen - Winterregen mit Schneeschmelze

2 Die zweite Variante führt nur zur Darstellung von Extremereignissen und ist für den Kanalentwurf nicht relevant. Sie wurde aus der Erkenntnis gewonnen, dass Winterregen mit Schneeschmelze bei Mittelgebirgsbächen und -gräben maßgebende Hochwasserereignisse erzeugen. Dies wird auch mit der Simulation regelmäßig nachgewiesen. Bei dieser Variante wird der CN-Wert auf 95 gesetzt, da der Boden als gefroren und damit als nahezu undurchlässig angesehen werden muss. Bei einer Schneedecke von 20 cm mit 20 % Wassergehalt ergibt sich zusätzlich eine Wassersäule von 4 mm die zum Niederschlag addiert wird. Da bei den kurzen Regen (5-30 min) kein zusätzlicher Abfluss aus Schneeschmelze erwartet wird, kann man hierbei auf einen gesonderten Ansatz verzichten. Die so gewonnen Maximalabflüsse können dann in die Kanalnetzberechnung entweder mit einem Fließzeitverfahren oder mit einem hydrodynamischen Verfahren übernommen werden. Da z. B. bei dem Programm Hystem-Extran der Zufluss zu einer Haltung nicht als Ganglinie angesetzt werden kann, muss der linear ermittelte Abfluss des jeweiligen Außengebietes nach etwa beispielsweise 10 Minuten Regendauer (Eintritt der Kanalnetzspitzen) als konstanter Haltungszufluss angesetzt werden. Weil die Abflussspitzen der Außengebiete erst auftreten wenn bei einem kleinen Kanalnetz die Spitzen aus dem kanalisierten Gebiet bereits abgeflossen sind, ist dies zulässig sofern der Zeitpunkt an dem man den Zufluss ansetzt, sinnvoll gewählt wird. Beispiel: Kanalisationsentwurf für ein Gewerbegebiet am Rande der Ortslage B. Nordwestlich des Plangebietes schließt sich ein Außengebiet von 39,6 ha Größe an, das durch einen neu zu bauenden Graben abgefangen werden soll. Das bearbeitende Ing.-Büro hat den maßgeblichen Regenwasserabfluss unzulässigerweise wie folgt ermittelt: max Q=r 15,1 *Phi*Psi*A max Q=110l/s ha*1,642*0,23*39,6ha max Q=1643 l/s Um für die weitere Kanalbemessung einen realitätsnahen Ansatz zu bekommen ist im folgenden die Verwendung des N-A -Modell-Bausteins des Schmutzfrachtsimulationsmodells SMUSI beschrieben. Die für die SMUSI-Berechnung erforderlichen Daten ergeben sich aus folgenden Tabellen:

3 Aussengebiete (*.AUS) ===================== I------I I I Bez. I Gebietskenngroessen I I I A VG Ho Hu L CN qb KJ R I I------I I I - I ha - munn munn m - l/sqkm - - I I-++++-I I I A1 I I I-++++-I I Der Wellenablauf in Gerinnen (Wellendämpfung und Translation) wird in SMUSI mit dem Baustein Sammler modelliert, indem ein Ersatzradius so verwendet wird, dass keine Vollfüllung auftritt. Sammler (*.SAM) =============== I------I------I I I---I I Bez. I I Sammlerdaten I Hoehenkoten IBerI I I dtf I Typ L D,maxB Avoll kb I H_unten H_oben ITypI I------I------I I I---I I - I min I - m m qm mm I muenn muenn I I I-++++-I-++++-I I I-+-I I S1 I I I I 2 I I-++++-I-++++-I I I-+-I

4 Außerdem ist für die Berechnung noch die Definition eines (fiktiven) Regenüberlaufes erforderlich. Regenueberlaeufe (*.RUE) ======================== I------I I I I---I I Bez. I Geometrie I Kennlinien I Konst.Dro IBerI I I H-Sohl H-Schw I hm Qzu Qab I Qkrit Trenn ITypI I------I I I I---I I - I m+nn m+sohl I m+schw l/s l/s I l/s - I I I-++++-I I I I-+-I I R1 I I I 1 1 I 1 I I-++++-I I I I-+-I Für verschiedene Wiederkehrwahrscheinlichkeiten und verschiedene Regendauern wurden Modellbzw. Blockregen entsprechend des Starkniederschlagsatlasses KOSTRA des DWD ermittelt. Bei den kurzen Regenereignissen wurden Modellregen gem. Euler Typ II verwendet. Die mehrstündigen Regen wurden als Blockregen konstruiert, da bei diesen Ereignissen i.d.r. nicht die Regenspitzen der kurzzeitigen Starkregen auftreten.

5 Exemplarisch sei hier die Konstruktion des Modellregens gem. Euler Typ II für n=0,33 und Regendauer 60 min wiedergegeben: Der entsprechende Modellregen wird in die SMUSI-Regenreihe am um Uhr eingefügt. (Die hydrologische Vorgeschichte des Regengeschehens bis zum ist in diesem Fall nicht relevant.) Ausschnitt aus der entsprechend eingefügten Regendatei in SMUSI: RR RR RR Mit den vorgenannten Eingaben wurden die verschiedenen Simulationsläufe mit sinnvoll gewählten Simulationszeiten gestartet. Die Ergebnisse sind jeweils der SUM-Datei entnommen worden und im Folgenden aufgelistet. Regentyp und -zeit Wiederkehrwahrscheinlichkeit max. Abfluss Euler Typ II, 15 min Regendauer 5 Jahre 59 l/s Euler Typ II, 60 min Regendauer 3 Jahre 101 l/s Blockregen, 2 h Regendauer 10 Jahre 232 l/s Blockregen, 3 h Regendauer 10 Jahre 256 l/s Blockregen, 4 h Regendauer 10 Jahre 261 l/s Blockregen, 6 h Regendauer 10 Jahre 250 l/s Zusammenfassung: Aufgrund der Vergleichsrechnung sind für die weitere Kanalbemessung statt der vom Ing.- Büro ermittelten 1643 l/s lediglich 261 l/s anzusetzen (dies sind nur ca.15 %!). (Eine Rückwärtsrechnung ergibt bei diesem Beispiel, dass man bei dem ursprünglichen Ansatz einen Spitzenabflussbeiwert Psi in der Größenordnung von 0,1 wählen müsste.)

6 Die N-A-Simulationen mit dem Programm SMUSI zeigen außerdem, dass die Abflüsse aus den abflussbestimmenden Außengebieten sich nicht mit den Abflüssen aus den kanalisierten Einzugsgebieten überlagern. Die Spitzenabflüsse aus dem Kanalnetz erreichen erheblich früher die Vorfluter, als die Spitzenabflüsse aus Außengebieten. Mit zunehmender Regendauer nimmt das Zuflussmaximum der kanalisierten Flächen ab, das Zuflussmaximum der Außengebiete zu. Als eine Konsequenz daraus ergibt sich, dass für die Ermittlung des erforderlichen Rückhalteraumes eines RRB nach ATV-A 117 ein evtl. vorhandenes unbefestigtes Außengebiet nicht in Ansatz zu bringen ist. Bearbeitet durch: Dipl.-Ing. Elmar Petrin im März 2000