Wasserwirtschaftliche Berechnungen

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1 Wasserwirtschaftliche Berechnungen

2 Inhalt 1 Berechnungsgrundlagen Vermessungsdaten Abflussermittlung 2 2 Hydraulisches 1D-Berechnungsmodell Vorgehensweise Das Programm "WaspTools" Fließformel Spiegellinienberechnung Bestimmung der Rauheitsbeiwerte 5 3 Ergebnisse der hydraulischen Berechnungen Bestand Planung 6 4 Bemessung der Sandfänge 7 5 Bemessung der Sohlengleite Sohlen- und Böschungssicherung Gerinnegeometrie 9 Tabellenverzeichnis Tabelle 1-1: Abflüsse der Delme 2 Tabelle 4-1: Bemessung der Sandfänge 7 Tabelle 5-1: Bemessung der Deckschicht 8 Tabelle 5-2: Sohlengleiten - Abflusstiefen und Fließgeschwindigkeiten 10 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Berechnungsparameter der BERNOULLI-Gleichung 5 Anhang Profile/Delme, Bestand 18 Seiten Profile/Delme, Planung 62 Seiten Ergebnisse der Wasserspiegellagenberechnungen für den Bestand NW, MW, HW 1, HW 5 8 Seiten Ergebnisse der Wasserspiegellagenberechnungen für die Planung Abschnitt I NW, MW, HW 1, HW 5 12 Seiten Ergebnisse der Wasserspiegellagenberechnungen für die Planung Abschnitt II NW, MW, HW 1, HW 5 4 Seiten Ergebnisse der Wasserspiegellagenberechnungen für die Planung Abschnitt III NW, MW, HW 1, HW 5 8 Seiten G:\5087\5087 B\Texte\Erläuterungen\ Wasserwirtschaftliche Berechnungen.docx

3 1 Berechnungsgrundlagen 1.1 Vermessungsdaten Für die Erstellung des 1-dimensionalen, stationären Berechnungsmodells standen die Profilaufnahmen des Niedersächsischen Landesamtes für Wasserwirtschaft und Küstenschutz (NLWKN) vom Dezember 2007 zur Verfügung (siehe Anhang Profile/Delme, Bestand). Hydraulisch erforderliche Zwischenprofile wurden interpoliert. 1.2 Abflussermittlung Das abflusswirksame Einzugsgebiet der Delme, einschließlich Roten Riede und Brümsener Graben, ist in der Anlage 1 dargestellt. Unter Berücksichtigung nachstehend genannter Abflussspenden ergeben sich daraus die in der Tabelle abgedruckten Bemessungsabflüsse. Mittlere Niedrigwasserabflussspenden Nq = 2,0 l/(s*km²) Mittelwasserabflussspende Mq = 7,3 l/(s*km²) 1 Hochwasserabflussspende, 1-jährlich Hq 1 = 84 l/(s*km²) 2 Hochwasserabflussspende, 5-jährlich Hq 5 = 143 l/(s*km²) 3 Station EZG oberhalb Niedrigwasser Mittelwasser ca. jährliches Hochwasser 5jährliches Hochwasser [km²] NQ [l/s] MQ [l/s] HQ1 [l/s] HQ5 [l/s] , , , Tabelle 1-1: Abflüsse der Delme 1 NLÖ, Elsholz März 2003, Mittelwasserabflussspenden in Abhängigkeit von den Hydrologischen Landschaften in Niedersachsen, hier: Wildeshauser Geest 2 Abschätzung nach Aufzeichnungen für den Pegel Harpstedt, Beobachtungszeitraum1976 bis 1989, AE = 60,9 km² 3 NLÖ, 2003, Hochwasserbemessungswerte für die Fließgewässer in Niedersachsen 2/10

4 2 Hydraulisches 1D-Berechnungsmodell 2.1 Vorgehensweise Die Wasserspiegellagen wurden mit einem stationären, eindimensionalen Berechnungsmodell mit dem Berechnungsprogramm "WaspTools" ermittelt. Eindimensionale (1D) Modelle werden für die Simulation natürlicher Gerinne mit sich laufend, aber mäßig ändernden Querschnitten und einfachen Abflussverhältnissen angewendet. Mit 1D-Modellen werden die physikalischen Prozesse der Fließströmung in Richtung der Gewässerachse abgebildet. Um die Gewässer im Modell abzubilden, wurden die aufgenommenen Vermessungsdaten der Querprofile und Bauwerke verwendet und in das Modell eingefügt. Zusätzliche Modellparameter, wie die Aufteilung der Profile in Hauptgerinne und Vorland und die Zuweisung von Rauheitsparametern, wurden anhand der vorgefundenen Verhältnisse bestimmt. 2.2 Das Programm "WaspTools" Das angewandte Berechnungsmodell "WaspTools" beruht auf einem eindimensionalen Ansatz für die Strömungsgleichung. 2.3 Fließformel Für die 1D-Wasserspiegellagenberechnung können verschiedene empirische Fließformeln angewendet werden. Die Fließformel nach MANNING- STRICKLER ist in der wasserwirtschaftlichen Praxis weit verbreitet und bewährt. Die vorliegenden Berechnungen basieren auf Grundlage der Kontinuitätsgleichung und der empirischen Gleichung nach MANNING-STRICKLER: Q = v A und v = kst Rhy2/3 ISo1/2 Q = Abfluss [m³/s] 3/10

5 v A k St R hy I So L u = Fließgeschwindigkeit [m/s] = Fließquerschnitt [m²] = Abflussbeiwert nach Manning-Strickler [m 1/3 /s] = hydraulischer Radius = A/L u [m] = Sohlengefälle [m/m] = benetzter Umfang [m] Querschnitte mit unterschiedlichen Bewuchsbereichen werden in Teilquerschnitte untergliedert. Unter der Berücksichtigung, dass die Gesamtfläche A gleich der Summe der Teilflächen Ai und der Gesamtabfluss Q gleich der Summe der Teilflächen Ai mal der Teilgeschwindigkeiten vi ist, ergibt sich der Abfluss im Profil zu: A = Ai und Q = Qi = vi Ai = vl AL + vf AF + vr AR Q L F R = Gesamtabfluss [m³/s] = Vorland links = Hauptquerschnitt = Vorland rechts 2.4 Spiegellinienberechnung Die Wasserspiegellagen werden mittels nummerischer Verfahren schrittweise von Profil zu Profil berechnet. Bei strömendem Abfluss wird die Berechnung entgegen und bei schießendem Abfluss mit der Fließrichtung durchgeführt. Für zwei Profile im Abstand L lautet die Energiegleichung nach BERNOULLI wie folgt: hi = hi-1 + β (hg,i-1 - hg,i) + L/2 (IE,i-1 + IE,i) h = Wasserstand [m] L = Fließlänge [m] h g = Geschwindigkeitshöhe [m] I E = Energieliniengefälle [m/m] β = Beiwert für plötzliche Querschnittserweiterung [1] 4/10

6 Die Berechnungsparameter der BERNOULLI-Gleichung sind in der folgenden Abbildung für zwei Profile dargestellt. Abbildung 1: Berechnungsparameter der BERNOULLI-Gleichung 2.5 Bestimmung der Rauheitsbeiwerte Um Reibungsverluste durch Geländeunebenheiten und Bewuchs abzubilden, werden jedem Gerinnequerschnitt bzw. Teilquerschnitt Rauheitsbeiwerte zugewiesen. Die für die Wasserspiegellagenberechnung angesetzten Rauheitsbeiwerte nach MANNING-STRICKLER (kst) wurden auf Grundlage von Literatur- und Erfahrungswerten gewählt. Eine Kalibrierung der gewählten Rauheitsparameter war nicht möglich, da Abflussaufzeichnungen und Wasserstandsmessungen aus dem geplanten Delmeabschnitt nicht vorliegen. Es wurden folgende Werte angesetzt: Hauptquerschnitt k St = 25 m 1/3 /s Flutrinne, alter Verlauf k St = 15 m 1/3 /s Böschungen/Vorländer k St = 15 m 1/3 /s Gehölzbewuchs - Böschungen/Vorländer k St = 4 m 1/3 /s 5/10

7 3 Ergebnisse der hydraulischen Berechnungen 3.1 Bestand Die Ergebnisse der für Niedrigwasser-, Mittelwasser-, 1-jährlichen und 5- jährlichen Hochwasserabfluss berechneten Wasserspiegel sind im Anhang, Ergebnisse der Wasserspiegellagenberechnungen für den Bestand, NW, MW, HW 1, HW 5, abgedruckt und in Längsschnitten (Anlagen 4 und 5) dargestellt. 3.2 Planung Für die Planung wurden die im Anhang abgedruckten Profile (Delme, Planung) in das Modell eingearbeitet. Ferner wurden die abflusswirksamen Bereiche angepasst, um der Abflussaufteilung Rechnung zu tragen. Im Planungszustand wurden die Hauptabflussquerschnitte schmaler und die Böschungen breiter als im Bestand gewählt, ferner wurden die Rauigkeiten der Böschungs- und Vorlandbereiche deutlich heraufgesetzt, um den sich entwickelnden Gehölzbewuchs zu simulieren. Die Ergebnisse der berechneten Wasserspiegellagen sind im Anhang in Tabellen (Ergebnisse der Wasserspiegellagenberechnungen für die Planung Abschnitt I bis III) abgedruckt. Eine zusammenfassende Beschreibung der hydraulischen Auswirkungen enthält Teil 1 Erläuterungen, unter Punkt 5. 6/10

8 4 Bemessung der Sandfänge Die Sandfänge wurden nach LANGE/LECHER (1993) 4 bemessen. LANGE/LECHER geben für die Berechnung der Sandfanglänge die folgende Formel an: L = (0,3 h) / w Der Gültigkeitsbereich für diese Formel liegt bei mittleren Fließgeschwindigkeiten für bordvollen Abfluss (Hochwasser) kleiner gleich 0,30 m/s. und w = 74 d² L = Sandfanglänge [m] w = Sinkgeschwindigkeit nach STOKES [m/s] h = wirksame Beckentiefe [m] (WSP bei Q bv bis Sandfangsohle) d = maßgeblicher Korndurchmesser [cm] (!) Sandfang bei km / wirksame Beckentiefe h [m] = 0,30 0,50 kleinstes Korn Sinkge- Länge Länge Material das abgesetzt schwindigkeit Sandfang Sandfang werden soll nach STOKES [mm] [m/s] [m] [m] 2,00 2,96 0,0 0,1 Grobsand 0,63-2,0 mm 1,00 0,74 0,1 0,2 0,63 0,29 0,3 0,5 Mittelsand 0,2-0,63 mm 0,20 0,03 3,0 5,1 0,10 0,01 12,2 20,3 Feinsand 0,063-0,2 mm 0,063 0,003 30,6 51,1 Tabelle 4-1: Bemessung der Sandfänge Für die Sandfänge werden Längen vom 31 m bzw. 51 m gewählt, damit sind dem anstehenden Boden entsprechend sehr feine Böden absetzbar. Die Sandfangbreiten werden konstruktiv nach dem für die Räumung einzusetzenden Gerät mit 8 m Breite angesetzt. 4 G. Lange/K. Lecher: Gewässerregelung, Gewässerpflege, 3. Auflage, Parey Verlag, /10

9 5 Bemessung der Sohlengleite 5.1 Sohlen- und Böschungssicherung Die Deckschicht wird mit dem entsprechenden Kornfilter in den hydraulisch stark beanspruchten Bereichen der Anlauf- und Gefällestrecke eingebaut. Sie muss den Erosionskräften der turbulenten Strömung standhalten. Dazu wurde der erforderliche Korndurchmesser der Steinschüttung nach dem Ansatz von PALT und DITTRICH berechnet. Sohlengleiten mit gleichmäßiger Struktur in Schüttsteinbauweise nach PALT & DITTRICH (2002) Quelle:DWA-Themen; Naturnahe Sohlengleiten;Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.v., Hennef; Januar 2009, S.69 ff. 0,093, ³/ umgestellt zu:, 0,093 1,06 Eingangsparameter: für Sohlengleite 1 : 40 NQ MQ HQ 1 Ergebnis: Abflussmenge Q = 0,036 0,132 1,514 m³/s kleinste benetzte Breite b = m kritischer spezifischer Abfluss q krit = 0,04 0,13 0,76 m³/(s*m) Rampenneigung I = 1 : Dichte des Steinmateriales ρ S = kg/m³ Dichte des Wassers ρ W = kg/m³ Gegenprobe: Korndurchmesser bei 65 M-% d 65 = 0,01 0,02 0,08 m äquivalenter Korndurchmesser d s = 0,01 0,03 0,08 m gewählter Korndurchmesser d 65 = 0,12 0,12 0,12 m (für CP 63/180) q krit = 1,39 1,39 1,39 m³/(s*m) Tabelle 5-1: Bemessung der Deckschicht 8/10

10 Aufgrund des berechneten erforderlichen äquivalenten Korndurchmessers wurde ein Steindurchmesser von 63 mm bis 180 mm gewählt. Unter der geschütteten Deckschicht wird ein zweistufiger Kornfilter hergestellt, um die Filterstabilität zu dem anstehenden Boden zu gewährleisten. Der Schichtenaufbau ist konstruktiv gewählt und in Anlage 6 dargestellt. In der Kolksohle und dem Übergangsbereich zu der vorhandenen Gewässersohle wird eine Steinschüttung aus Mittel- und Grobkies fortgeführt. An den Böschungen wird der Schichtenaufbau der Sohlengleite mindestens bis zum Hochwasserspiegel eines 1-jährlichen Ereignisses in die Böschung hochgezogen. Zur Sicherung des Überfallbereiches werden die Steine (Durchmesser 200 bis 300 mm) dort hochkant gesetzt. 5.2 Gerinnegeometrie Die Sohlengleiten dienen hier der Überbrückung von kleineren Sohlsprüngen, sie sind den Kiesrauschen sehr ähnlich und werden in gleichmäßig, geschütteter Bauweise errichtet. Nach dem Themenheft "Naturnahe Sohlengleiten" der DWA 5, sind für die rhitrale Hasel-Region 6, der die Delme zugeordnet wird, folgende Bemessungswerte einzuhalten: Fließgeschwindigkeit auf der Sohlengleite v < 1,0 m/s Abflusstiefen für den Bemessungsfisch, hier die Bachforelle (Salmo trutta f. fario) im Oberlauf t = 18 cm Die Abflusstiefe wird im Planungsabschnitt bei Niedrigwasserabfluss nahezu durchgehend unterschritten und bei Mittelwasserabfluss stellenweise unterschritten. Für die Einhaltung der Mindestabflusstiefe auf der Sohlengleite müssten die Profile unnatürlich schmal dimensioniert werden, daher wird dieser Wert nicht zur Bemessung herangezogen. 5 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.v. (DWA): Naturnahe Sohlengleiten, DWA Themen, Hennef Bezirksregierung Hannover (2004): Bestandsaufnahme zur Umsetzung der EG- Wasserrahmenrichtlinie: Oberflächengewässer - Bearbeitungsgebiet Ochtum - Karte 7 9/10

11 Aus den Ergebnissen der Spiegellinienberechnungen ergeben sich für die geplanten Sohlengleiten die in der nachstehenden Tabelle abgedruckten Abflusstiefen und Fließgeschwindigkeiten, die im Planungsabschnitt für vertretbar gehalten werden. Sohlengleite Niedrig-/Mittelwassertiefe Abflussgeschwindigkeit bei Niedrig-/Mittelwasserabfluss km ,06 m / 0,12 m 0,42 m/s / 0,52 m/s km ,11 m / 0,22 m 0,39 m/s / 0,51 m/s km ,06 m / 0,14 m 0,41 m/s / 0,59 m/s Tabelle 5-2: Sohlengleiten - Abflusstiefen und Fließgeschwindigkeiten 10/10