Aufbau der Lehrveranstaltung Mittwoch 21.11. 8:30-9:20 Einleitung Problemstellung, Ziele, Definitionen 9:30-10:20 Hydraulische Grundlagen zur Abflussberechnung Mittwoch 28. 11. Einführung in das Modell HEC/RAS, Vorbereitung eines Wasserspiegellagenmodells mit einfacher Geometrie Einführung in das Modell HEC/RAS, Vorbereitung eines Wasserspiegellagenmodells mit einfacher Geometrie 10:30-11:20 Numerische Verfahren Berechnung und Interpretation der Ergebnisse 11:30-12:20 1-D Wasserspiegellagenmodellierung, Grundlagen, Datenanforderungen, verfügbare Modelle, links zu homepages Berechnung und Interpretation der Ergebnisse Mittwoch 5. 12. Anwendungsbeispiel Obere Drau 1-D, Anwendungsbeispiel Lafnitz 2-D Instationäre Abflussmodellierung und Kopplung mit GIS Grundlagen zur Sedimenttransportmodellierung Datenanforderungen und verfügbare Modelle, links zu homepages, Modellvergleich Anwendungsbeispiel Obere Salzach Mittwoch 12. 12. Modellierung von Seitenerosion und der Flussmorphologie Simulation von flachen Hangrutschungen und Feststoffbilanzen (Schwerpunkt Schwebstoffhaushalt) Anwendungsbeispiel EG Sölkspeicher 12:20-13:00 Mittagessen Mittagessen Mittagessen Mittagessen Grundlagen zur Habitatmodellierung, Datenanforderungen und verfügbare Modelle, links zu homepages 13:00-14:20 Methoden zur Ermittlung des Fließwiderstandes Räumlich gegliederte Profile und Gewässervernetzungen, Kalibrierung von Wasserspiegellagenrechnun gen 14:30-16:00 2-D, 3-D Abflussmodelle, Datenanforderungen, verfügbare Modelle, links, Vor- Nachteile Wasserspiegellagenberechnung bei unterschiedlichen Rauhigkeiten und gegliedertem Profil - Naturstrecke Simulation und Diskussion der Resultate - Vergleich Eingabe von Einbauten (Brücken, Durchlässe etc.) Modellierung und Analyse der Ergebnisse Instationäre Abflussberechung Modellaufbau Berechnung und Interpretation der Ergebnisse Inhalt. Definition von gegliederten Querprofilen Modellmäßige Beschreibung derselben Erfassung unterschiedlicher Rauhigkeiten Definition uneffektiver Querschnittsbereiche Gliederung der Querschnitte durch Einbauten Behandlung stark variabler Vorlandgeometrie Behandlung von Gewässervernetzungen 1
Definition Räumlich gegliederte Hochwasserabflußprofile von Flüssen bestehen aus dem Mittelwasserbett und den Vorländern, die nur bei Hochwasser überflutet werden (Bollrich, Preißler, 1992) Querprofiltypen 2
Querprofiltypen Modellmäßige Beschreibung Der Gesamtabfluß wird berechnet zu Q = Q + 1 + Q2 Q3 wobei für die Einzelabflüsse die hydraulischen Radien nach Könemann (1980) berechnet werden können. Für die hydraulischen Radien der Vorländer r hy1 und r hy3 genügt es, bei breiten Vorländern im allgemeinen mit r hy h zu rechnen (Fehler bei b/h = 60 beträgt ca. +3 %), (Bollrich, Preißler, 1992). 3
Gegenüber regelmäßigen (kompakten) Querschnitten zeigen gegliederte Profile eine starke formabhängige Variation des k st -Wertes mit der Wassertiefe. Dabei sinkt der k st -Wert mit sinkendem Wasserspiegel durch stärkere Wirksamkeit der unregelmäßigen Flußsohle Interaktion einzelner Querschnittsteile Abflusshemmende Interaktion zwischen Teilströmen Wesentliche abflußhemmende Interaktion zwischen Teilströmen unterschiedlicher Geschwindigkeit entsteht bei Überflutung der Vorländer. Evers (1983) zeigte, daß bei Einführung einer Trennwand zwischen Hauptgerinne und Vorland eine größere Abflußleistung als bei Interaktion der Teilströme auftrat. 4
Wirbelbildungen Wirbelbildung in einem gegliederten Gerinne Impulstransport Die Ursache für diesen dissipationsvermehrenden Effekt liegt darin, daß in der Scherschicht zwischen den Teilströmen unterschiedlicher Geschwindigkeit durch Instabilität energiereiche und relativ großräumige Wirbel erzeugt werden, die einen intensiven Impulstransport zwischen den Teilströmen verursachen (Naudascher, 1992) 5
Impulstransport Der Impulstransport quer zur Fluidfläche hängt von zwei Faktoren ab, nämlich von der Variation ρv quer zur betrachteten Fläche (d.h. für ρ = const vom Geschwindigkeitsgradienten dv/dn, wenn n die Flächennormale bezeichnet) und von der Intensität des Massenaustausches an dieser Fläche. Je größer diese Faktoren sind, desto größer ist die Schubspannung τ. Massenaustausch Für turbulente Strömungen ergibt sich nach Boussinesq: ρv τ = ( ν T + ν ) dn mit ν T l Wirbel v Wirbel Die Intensität des Massenaustauschs wird in diesen Ansätzen durch die kinematische Viskosität ν und die Wirbelviskosität ν T erfaßt, die beide jeweils proportional ( ) dem Produkt aus Weglänge l und Geschwindigkeit v der den Austausch verursachenden Bewegung (Wirbelbildung) sind. 6
1-D Modelle mit schubspannungsbehafteten Trennflächen Es wird empfohlen, den Querschnitt durch vertikale, fiktive Trennflächen aufzuteilen (DVWK Merkblatt 220, 1991). Die einzelnen Querschnittsteile können dann mit über die Formel von Einstein und Horton ermittelten Rauhigkeiten für die Teilbereiche als eindimensionales Problem getrennt berechnet werden. Die Rauheit der Trennflächen wird nur bei der Abflußermittlung des Hauptgerinnes berücksichtigt. Der Gesamtabfluß ist dann die Summe der Teilabflüsse. Wechselwirkung zwischen verschieden strukturierten Querschnittsteilen vertikale, fiktive Trennwand mit einer Trennflächenrauheit (k T ) oder einem Trennflächenwiderstandsbeiwert (λ T ) für Fließtiefenverhältnisse h Fluß /h Vorland < 3 wird die Trennflächenrauheit gleich der Sohlrauheit gesetzt (Könemann) bei größeren Fließtiefenverhältnissen können erheblich größere Widerstände an den Trennflächen auftreten, weshalb der Widerstand mit einem Sicherheitsfaktor von mindestens 3,0 zu multiplizieren ist.. 7
Schubspannungen entlang der fiktiven Trennflächen Verhältnis der Schubspannungen entlang der fiktiven Trennflächen (gepunktet in der Skizze rechts) und entlang der gesamten benetzten Flächen (einschließlich der fiktiven) für unterschiedliche Vorlandrauheiten. Teilabflussmengen (a) mittlere Geschwindigkeiten v i der Teilgerinne und (b) Teilabflußmengen Q i ; für den Normalabfluß durch ein gegliedertes, glattes Gerinne mit h/2b = 0,5 (b=76 mm), nach Knight, Demetriou (1983). 8
Berücksichtigung von Bewuchs Bertram, 1985, Kaiser, 1984, Pasche, 1984, Rickert, 1986, 1987 Verfahren zur Berücksichtigung des Bewuchses in gegliederten Profilen vorgestellt. Gegenüberstellung von Geschwindigkeitsverteilungen mit und ohne Bewuchs (DVWK, Merkblätter 220, S. 9, 1991) Berücksichtigung von Bewuchs Im bewachsenen Querschnittsteil werden die Trennflächen als schubspannungsfrei angesetzt, während im gehölzfreien Teil eine Scheinschubspannung mit einer gewissen Rauheit angesetzt wird. Diese besteht aus dem Formwiderstandsbeiwert des Bewuchssaums und dem Widerstandsbeiwert infolge der Interaktion 9
Berücksichtigung von Bewuchs Berücksichtigung von Bewuchs 10
nicht abflusswirksame Flächen Zusammenflüsse, Verzweigungen Impulssatz Energiesatz 11
Kalibrierung Modellkalibrierung ist der Prozess der Anpassung der Geometrie oder vereinfachten geometrischen Elemente und der Werte der empirischen, hydraulischen Koeffizienten in der Form, daß die mit dem Modell simulierten Wasserstände jene der Natur möglichst gut reproduzieren (Cunge et al., 1980) Kalibrierung In einem eindimensionalen mathematischen Modell ist die geometrische und hydraulische Charakteristik eines Flußabschnittes durch grundsätzlich drei Funktionen der Wasserspiegellage (y) definiert: - Flußbreite b (y) - benetzte Fläche A (y) - hydraulischer Leitwert (conveyance) K (y) 12
Messdaten für Kalibrierung Die beobachteten Abflüsse sind generell: Aufzeichnungen von Wasserständen für verschiedene stationäre Abflüsse Pegelschlüssel Längenschnitte von Wasserständen Die Längenschnitte repräsentieren auch nicht alle instationären Abflusssituationen. Messdaten Aber sie für reflektieren Kalibrierung zumindest die generelle, hydraulische Charakteristik der meisten Flüsse. Ausnahmen bilden Gerinne mit sehr geringem Längsgefälle und Gerinne, welche stark von der unteren Randbedingung beeinflusst sind (z.b. bei Vorhandensein von Rückhaltebecken im Nebenschluss). Günstig für die Eichung und spätere Auswertung von Überflutungsflächen sind Luftbildaufnahmen von Hochwässern. Die Eichung erfolgt über die k-werte, Adaptierung der abflusswirksamen und -unwirksamen Flächen im Vorland, Änderungen der Expansions- und Kontraktionsbeiwerte und Einsatz der split-flow option. Die Optimierung muss manuell unter Austesten der Ergebnisse veränderter Parameter durchgeführt werden. 13