PRAKTIKUM 3 Problemstellung

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1 Praktikum PRAKTIKUM 3 Problemstellung Bearbeitung eines Wasserspiegellagenmodells mit unterschiedlicher Rauigkeit und gegliedertem Profil Im Zuge des Praktikums 3 wird ein Wasserspiegellagenmodell mit unterschiedlicher Rauhigkeit und gegliedertem Profil bearbeitet. Dabei liegt der Schwerpunkt der Arbeiten auf der eigenständigen Abschätzung von Rauhigkeitsbeiwerten und deren Einbau in das Modell. Weiters ist die Behandlung von gegliederten Profilen mit Levees und uneffektiven Abflussräumen vorgesehen. Abschätzung der Rauigkeitsbeiwerte Levees Ineffective Flow Areas Übungsziele Bearbeitung einer gegliederten Geometrie mit variierenden Rauhigkeiten Schätzung bzw. Definition der Rauhigkeitsbeiwerte Analyse und Eingabe der abflussunwirksamen Flächen im Vorland Simulation des fertiggestellten Inputs Interpretation und Visualisierung der Ergebnisse Input Data gegebene Geometrie (z.b. Profile aus Digitalem Geländemodell gelesen) Angaben über die Landnutzung (z.b. aus Luftbild oder Flächenwidmungsplan) stationäre Abflussdaten

2 Praktikum PRAKTIKUM 3 Vorgangsweise 1. Öffnen der existierenden Geometrie Neues Projekt anlegen Anlegen eines neuen Projekts: File New Project Dateiname: Praktikum_3!!! Kontrolle, ob SI Einheiten eingestellt sind!!! Einlesen der Geometriedaten: File New Geometry Data Name: Praktikum_3 File Import Geometry Data HEC RAS Format Naturgeometrie01 öffnen (in SI Einheiten importieren!!!) Die Betrachtung der Profile zeigt ein stark gegliedertes, asymmetrisches Profil mit beidseitigen Vorländern.

3 Praktikum Vorlandrauigkeiten Vorlandrauigkeiten Die Abschätzung der Rauigkeiten des Vorlandes erfolgt zumeist über Werte aus der Literatur, die ihrerseits oft Modellversuchen und Rückrechnungen entstammen. Kalibrierungen anhand von Abflussdaten des betroffenen Flusses sind zumeist schwierig, da die Vorlandrauigkeiten nur bei Hochwässern (Q > Q Bordvoll ) eine Rolle spielen und die Daten zu solchen Ereignissen gering und oft mit großen Unsicherheiten versehen sind. Die folgende Grafik zeigt in der 3D Ansicht die unterschiedlichen Landnutzungsformen des Gebietes: Auwald Weide Hochwald Wiese Nebengerinne Acker Uferbegleitstreifen Kürzel Bezeichnung Beschreibung k st gewählt A Acker abgeernteter Maisacker Au Auwald Grauerlenau H Hochwald hiebreif N Nebengerinne Böschung von Buschwerk bewachsen U Uferbegleitstreifen Uferbegleitstreifen aus Erlen und Weiden W Wiese extensiv genutzt We Weide buschdurchsetzte Wiese n gewählt (n = 1 / k st ) Anmerkung: theoretisch müsste bei Berechnungen auch der Zustand der Vegetation (Jahreszeitenabhängig) berücksichtigt werden. Dies spielt bei Untersuchungen und wissenschaftlichen Arbeiten eine Rolle, in der ingenieurstechnischen Praxis wird dieser Umstand aber oft vernachlässigt.

4 Praktikum Cross Section LOB Channel ROB 1 0: A : U 2 0: A 152: U : U 322: N 354: Au 3 0: A 165: U : U 426: N 453: Au 4 0: A 166: U : U 476: N 521: Au 5 0: A 213: U : U 463: N 529: Au 6 0: A 210: U : U 453: N 527: Au 7 0: W 288: U : We 517: N 592: Au 8 0: W 369: U : We 525: N 594: Au 9 0: H 104: W 331: U : We 534: N 605: Au 10 0: H 237: W 488: U : We 920: Au 11 0: H : We 1015: Au 12 0: H : We 1131: Au 13 0: H : We 865: Au Eingabe von mehr als 3 Rauigkeitsbeiwerten pro Profil: mehrere Rauigkeitsbeiwerte Options Horizontal Variation in n Values nun wurde neben Stationierung und Höhe eine dritte Spalte eingefügt, in welche in Abhängigkeit von der Stationierung die Rauigkeitsbeiwerte eingegeben werden können. Ein Rauigkeitsbeiwert geht von links (gewählte Stationierung) nach rechts im Profil bis man einen anderen Rauigkeitsbeiwert eingibt.

5 Praktikum Estimation of roughness values (Literature):

6 Praktikum 3 3 6

7 Praktikum 3 3 7

8 Praktikum Rauigkeit des Channels Channel Rauigkeit Die Rauigkeit des Channels wird über die Kornverteilungskurve abgeschätzt und anhand einer Wasserspiegellagenaufzeichnung (Excel File) verbessert (Kalibrierung). k = st 6 a d s a = 21,1 (nach Strickler) d s = d 90 (nach Strickler) in [m] Abflussdaten für die Berechnung : Q = 500 m 3 /s Normal Depth Upstream / Downstream: ist aus den Sohlhöhen des Excelfile zu ermitteln (lineare Trendlinie legen und Formel anzeigen lassen) Berechnung starten und Ergebnis in Querprofilen und 3D Ansicht überprüfen. Durchströmung des nicht angebundenen Seitenarms Vorlandüberflutung Profil 12 Profil 7 Das Programm hat die Berechnung ohne Fehlermeldung durchgeführt, dennoch zeigen die Querprofile kein richtiges Ergebnis, da es zu Vorlandüberflutungen kommt, obwohl sich der Wasserspiegel unter den Bank Stations befindet der nicht angebundene Seitenarm durchflossen wird Bemerkung: Hierbei zeigt sich die Schwierigkeit von 1D Programmen, weil hier das Wasser nicht automatisch (wie bei 2D und 3D Programmen) den richtigen Weg sucht. Der Fließweg muss vom Modellierer vorgegeben werden, wofür dieser aber Modellierungserfahrung und Ortskenntnis (Kenntnis von Lageplänen, Profilen und Luftbildern; am besten Ortsbegehung) benötigt. Wichtig ist auch zu bemerken, dass sich Fließweg je nach Abfluss unterschiedlich verlaufen kann, also für verschiedene Abflussereignisse unterschiedliche Geometrien erforderlich sein können.

9 Praktikum Anpassung der Geometrie für den richtigen Fließweg Bevor also mit der Kalibrierung fortgefahren werden kann, muss die Geometrie so angepasst werden, dass der Fließweg richtig abgebildet wird. Das Programm HEC RAS bietet dafür drei Tools an: Levees Ineffective Flow Areas Obstructions Levees (Damm): Vorland wird erst überflutet, wenn Wasser über diesen Punkt steigt Ineffective Flow Areas (Uneffektive Abflussräume): Bereich, der sich zwar mit Wasser füllen kann, aber nicht zum Abflussgeschehen beiträgt (Fließgeschwindigkeit = 0) Obstructions (Geblockter Bereich): Bereich, der gänzlich ausgeblockt wird. Um zu verhindern, dass die Vorländer vorzeitig geflutet werden, setzen wir in jedem Profil Levees auf die Bank Stations und belegen die Fläche des Seitenarms mit einer Ineffective Flow Area: Options Levees Defaults (setzt auf Bank Stations) Options Ineffective Flow Areas Multiple Blocks Angabe der rechten und linken Station, der Höhe und ob permanent (yes) Levees Ineffective Flow Area

10 Praktikum Eine Kontrolle der Profile und der 3D Ansicht zeigt, dass der Fließweg nun richtig dargestellt ist. Nun kann mit der Kalibrierung fortgefahren werden. Die Rauigkeiten des Channels können einfach unter Tables Manning s n or k values grün hinterlegte Felder modifiziert werden. Das Berechnungsergebnis eines jeden Rechenlaufs für W.S.Elev. (Water Surface Elevation) kann der Ergebnistabelle Vergleich in das Excel File kopiert werden. entnommen und zum 5. Berechnung von Hochwässern Hochwasser Berechnung Nachdem die Geomtrie angepasst, die Channel Rauigkeit kalibriert und die Vorlandrauigkeiten gewählt wurden, kann die Berechnung von Hochwässern (also Abfluss mit Vorlandüberflutung) mit folgenden Werten durchgeführt werden: PF 1 = 500 m 3 /s PF 2 = 700 m 3 /s PF 3 = 1200 m 3 /s Die Betrachtung des Längenschnitts zeigt, dass die Wasserspiegellage für die beiden Abflüsse PF 1 und PF 2, welche beide innerhalb des Channels abgeführt werden, ziemlich parallel ist, während die Wasserspiegellage für Abfluss PF 3, bei dem schon das Vorland überflutet wird, einen anderen Verlauf aufweist. Anmerkung: Bei der Arbeit mit relativen Rauigkeiten (Strickler und Manningwerte) ist der Rauigkeitswert vom Durchfluss abhängig, sprich die Rauigkeit müsste für jeden Abfluss eigens kalibriert werden. Da die Wasserspiegelmessungen während eines Hochwasserereignisses aber mit großen Ungenauigkeiten behaftet oder erst gar nicht verfügbar sind, wird meistens mit den kalibrierten Werten des Mittelwassers gerechnet.