In der Arbeit werden Modellansätze beschrieben, um Strömungen im offenen Gerinne zu charakterisieren sowie zu modellieren. Es soll ein Überblick gegeben werden, in welche Arten von Strömungen ein Vorfluter eingeteilt werden kann und aufzeigen, welche Modellansätze bei Strömungsmodellen verwendet werden. Außerdem soll geklärt werden, welche Parameter bei Strömungsmodellen und beim Abflussrouting notwendig sind.
Das Strömungsverhalten von Gewässern ist nicht erst in der heutigen Zeit von Interesse für die Menschen. Bereits vor 4000 Jahren in Ägypten beobachteten die Menschen den Nil. Das jährliche Nilhochwasser bildete damals die Existenzgrundlage der ägyptischen Zivilisation. Das Hochwasser brachte den nährstoffreichen Nilschlamm, sodass das Hochwasser mit „Freuden“ erwartet wurde. Heute hat sich dies geändert, vor allem in den dicht besiedelten Gebieten an großen Flüssen, die häufig von Hochwasser betroffen sind. Mit Hilfe von Abflussrouting kann der Verlauf von Hochwasserwellen modelliert werden, sodass bei Gefahr Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden können.
Durch Oberflächenabfluss, Interflow und Grundwasserabfluss kommt es zu einer Ansammlung von Wasser im Gewässerbett des Vorfluters. Das gesammelte Wasser im Vorfluter folgt nun dem größten Steigungsgefälle und es tritt ein Fließvorgang im offenen Gerinne ein. Das Wasser im Vorfluter bewegt sich dem größten Gefälle folgend, bis es schließlich in einen See bzw. dem Meer mündet. Während dieses Fließvorganges wird der Vorfluter durch Nebenflüsse und/oder Grundwassereintrag weiterhin gespeist. Das, sich bewegende, Wasser im Gerinne steht mit den Böden an seinen Ufern in einer Wechselbeziehung. Der Vorfluter kann durch Zwischenabfluss und Grundwasserabfluss gespeist werden, ebenso aber auch Wasser an die Böden im ufernahen Bereich abgeben.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Fließvorgänge im offenen Gerinne
3 Kräfte die auf Wasser im offenen Gerinne wirken
4 Charakterisierungen von Strömungen
4.1. Stationäre bzw. Instationäre Strömung
4.2. Laminare bzw. Turbulente Strömung
4.3 Die REYNOLDsche Zahl
4.4 Strömender bzw. Schießender (Ab)Fluss
4.5 Die FROUDE`sche Zahl
5 Die Fließgeschwindigkeit bzw. Strömungsgeschwindigkeit
5.1 Die Variation der Fließgeschwindigkeit
5.2 Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit
6 Modellansätze für Strömungsmodelle
6.1 Kontinuitätsgleichung
6.2 Energie-Gleichung
6.3 Fließgesetz nach Chézy
6.4 Das Manning-Strickler Fließgesetz
6.5 Darcy-Weisbach-Fließgesetz
7 Modelldimensionen
8 Abflussrouting
9 Modellansätze
9.1 wichtige Grundannahmen
9.2 Die Saint-Venant-Gleichungen
9.3 Diffusionswellenansatz
9.4 Kinematischer Wellenansatz
9.5 Konzeptionelle Verfahren
10 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit gibt einen strukturierten Überblick über die Charakterisierung von Strömungen in offenen Gerinnen und die Anwendung hydrologischer Modellansätze. Ziel ist es, die physikalischen Grundlagen zu erläutern und aufzuzeigen, wie durch verschiedene Modellansätze und Abflussroutingverfahren der Verlauf von Hochwasserwellen sowie deren Dämpfungsprozesse modelliert werden können.
- Klassifizierung von Strömungszuständen (laminar/turbulent, strömend/schießend)
- Analyse der Einflussfaktoren auf die Fließgeschwindigkeit
- Gegenüberstellung stationärer und instationärer Modellansätze
- Methodik des Abflussroutings zur Hochwasserwellenmodellierung
Auszug aus dem Buch
4.4 Strömender bzw. Schießender (Ab)Fluss
Der Abfluss im Vorfluter kann unterteilt werden, in einen strömenden (ruhig) Abfluss und in einen schießenden (heftig-schnell)Abfluss. Bei einem schießenden Fluss erfolgt der Abfluss mit großer Fließgeschwindigkeit, bei einer geringen Wassertiefe. Die Ursache dafür ist, dass bei kleinen Wassertiefen eine kleine potentielle Energie herrscht, aber die kinetische Energie, dafür viel größer ist bei einem bestimmten Abfluss. Ist bei dem gleichen Abfluss dagegen die Wassertiefe große und die Fließgeschwindigkeit klein, ist auch die kinetische Energie kleiner als die potentielle Energie. Daher wird von einem strömenden Abfluss gesprochen. Ob Wasser in einem Gerinne strömt oder schießt, ist unabhängig davon ob laminare oder turbulente Strömung vorherrscht (BAUMGARTNER & LIEBSCHER 1996:513).
Im englischsprachigen Raum wird zwischen subcritical flow (strömend) und supercritical flow (schießend) unterschieden. Im Gelände kann leicht mit einem Hilfsmittel wie mit einem Ast oder Stift im Vorfluter getestet werden, welche Art von Strömung vorliegt. Wird der Ast/Stift senkrecht in das fließende Gewässer gehalten, bildet sich ein V-förmiges Wellenmuster auf der Wasseroberfläche. Bildet sich dieses Wellenmuster flussaufwärts von dem Ast/Stift, kann von einem subcritical flow ausgegangen werden. Herrscht ein supercritical flow, bildet sich dieses Wellenmuster nicht aus (GORDON ET AL. 1992:276f).
Die folgende Abbildung soll den Unterschied zwischen einem subcritical flow und einem supercritical flow noch einmal grafisch verdeutlichen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Einführung in die historische und praktische Relevanz von Strömungsverhalten und Abflussrouting für den Hochwasserschutz.
2 Fließvorgänge im offenen Gerinne: Erläuterung der hydrologischen Prozesse, wie Oberflächenabfluss, Uferspeicherung und die Wechselbeziehung mit dem umgebenden Boden.
3 Kräfte die auf Wasser im offenen Gerinne wirken: Beschreibung der wirkenden Volumen- und Flächenkräfte, die den Bewegungsvorgang des Wassers maßgeblich beeinflussen.
4 Charakterisierungen von Strömungen: Klassifizierung von Strömungstypen nach zeitlichem Verlauf, Turbulenzgrad und Energieverhältnissen mittels der Reynolds- und Froude-Zahl.
5 Die Fließgeschwindigkeit bzw. Strömungsgeschwindigkeit: Analyse der horizontalen und vertikalen Variationen der Fließgeschwindigkeit sowie der gängigen Messmethoden.
6 Modellansätze für Strömungsmodelle: Vorstellung mathematischer Grundlagen wie Kontinuitäts- und Energiegleichung sowie empirischer Fließgesetze zur Analyse stationärer Strömungen.
7 Modelldimensionen: Abgrenzung zwischen eindimensionalen, zweidimensionalen und dreidimensionalen Modellansätzen hinsichtlich Komplexität und Anwendungsbereich.
8 Abflussrouting: Definition des Routings als rechnerische Ermittlung von Hochwasserwellenverläufen unter Berücksichtigung von Speichereffekten.
9 Modellansätze: Detaillierte Darstellung instationärer Berechnungsmodelle, insbesondere der Saint-Venant-Gleichungen sowie konzeptioneller Verfahren wie Muskingum-Routing.
10 Zusammenfassung: Abschließender Überblick über die Modellierungsmöglichkeiten und die Bedeutung der Parameterwahl für naturgetreue Simulationsergebnisse.
Schlüsselwörter
Hydrologische Modellierung, Abflussrouting, Vorfluter, Fließgeschwindigkeit, Saint-Venant-Gleichungen, Hochwasserwelle, stationäre Strömung, instationäre Strömung, Uferspeicherung, Strömungscharakterisierung, Manning-Strickler-Fließgesetz, Muskingum-Routing, Hydraulik, hydraulischer Radius, Gerinnehydraulik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die hydraulischen Grundlagen von Strömungen in offenen Gewässern sowie verschiedene mathematische Ansätze, um diese Strömungen und den Transport von Hochwasserwellen zu modellieren.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Felder sind die Klassifizierung von Strömungszuständen, die Bestimmung der Fließgeschwindigkeit, die Anwendung physikalischer Erhaltungssätze sowie Methoden des Abflussroutings zur Prognose von Hochwasserereignissen.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel besteht darin, einen Überblick über die Modellierung von Vorflutern zu geben, die notwendigen Parameter für Strömungsmodelle zu identifizieren und die Unterschiede zwischen stationären und instationären Berechnungsansätzen aufzuzeigen.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Es werden physikalische Gesetzmäßigkeiten (Kontinuitäts- und Energiegleichung) und empirische Fließformeln (z.B. Chézy, Manning-Strickler, Darcy-Weisbach) sowie routing-spezifische mathematische Modelle wie die Saint-Venant-Gleichungen oder das Muskingum-Verfahren erläutert.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die physikalische Charakterisierung von Strömungen, die Herleitung von Fließgeschwindigkeiten, die Vorstellung verschiedener Strömungsmodelle unter stationären Annahmen und die detaillierte Beschreibung instationärer Abflussrouting-Verfahren.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wesentliche Begriffe sind Hydrologische Modellierung, Abflussrouting, Strömungscharakterisierung, Saint-Venant-Gleichungen und Uferspeicherung.
Warum spielt die Uferspeicherung bei der Modellierung eine Rolle?
Die Uferspeicherung wirkt bei Hochwasserwellen dämpfend, da Wasser temporär in ufernahen Bodenschichten zwischengespeichert wird, was zu einer Abflachung und zeitlichen Verzögerung der Hochwasserspitze flussabwärts führt.
Wann eignet sich ein kinematischer Wellenansatz besonders?
Der kinematische Wellenansatz ist besonders für Oberflächenabfluss an Hängen oder bei steilem Gefälle geeignet, da hier die Gravitationskraft die dominierende Antriebskraft der Strömung darstellt.
- Arbeit zitieren
- Andreas Kochanowski (Autor:in), 2006, Hydraulische Strömungsmodelle und Abflussrouting im Vorfluter. Modellansätze und Parameterbedarf, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/958023
