Systemkurzbeschreibung des BOWAHALD-Erweiterungsmoduls DRAINAGE

zur Prüfung bzw. Bemessung von Drainageelementen hinsichtlich ihrer Entwässerungskapazität im Starkregenfall
 
 

Programmautor:

Dr. Volkmar Dunger
Dipl.-Hydrologe
 

Privatanschrift:

Neue Hauptstraße 152 a
D-09618 Brand-Erbisdorf, ST Langenau
Tel.: 03 73 22 / 4 19 07
 

Dienstanschrift:

TU Bergakademie Freiberg
Institut für Geologie
Lehrstuhl für Hydrogeologie
Gustav-Zeuner-Straße 12
D-09596 Freiberg
Tel.: 0 37 31 / 39 32 27
Fax: 0 37 31 / 39 27 20
e-mail: dungerv@geo.tu-freiberg.de
 
 

Ziel des Teilmodells:

• Prüfung bzw. Bemessung von Drainageelementen hinsichtlich ihrer Entwässerungskapazität im Starkregenfall unter Berücksichtigung des Wasserhaushaltes einer Oberflächensicherung
• ausführliche Modellbeschreibung s. DUNGER (2002)

Modelltyp:

• konzeptionelles Boxmodell
• Horizontalgliederung: Entwässerungsteilflächen, vom Bearbeiter festzulegen in Abhängigkeit von der Entwässerungsstrategie (Entwässerungsrichtung)
• Vertikalgliederung: analog BOWAHALD (es werden Informationen aus BOWAHALD für die Modellierung verwendet)

Überblick über die Modellstruktur:
 

INPUT: Bemessungniederschlag:

Niederschlagsmenge (KOSTRA-Atlas, BARTELS u.a., 1997) *) Niederschlagsspende *) Basisregenspende P(15,1), 15 min Dauer, 1 a Wiederkehrsintervall *) Bemessungsregendauer Wiederkehrsintervall des Bemessungsniederschlages

VERLUSTE (Wasserhaushalt bis zum Drainelement):

Muldenspeicherung und Oberflächenabfluss analog BOWAHALD Verdunstungsverluste bleiben unberücksichtigt Versickerungsmodellierung analog BOWAHALD mittlere Verweildauer der Versickerung bis zur Drainage wie BOWAHALD

PRÜFUNG/BEMESSUNG DRAINELEMENT:

Berechnung der maximalen Wasseraufstauhöhe auf dem Drainelement Anwendung der Gleichung nach LESAFFRE (1987) ausreichende Bemessung bei Aufstauhöhe < Drainmächtigkeit

Modellstruktur BOWAHALD-Erweiterungsmodul DRAINAGE

*)    Eingabe nicht zwingend notwendig
 

Kurzbeschreibung der Teilmodelle:

Bemessungsniederschlag:

• Ermittlung des Bemessungsniederschlages auf Grundlage der Basisbemessungsregenspende P(15,1), d.h. des Starkregens mit 15 min Dauer, der statistisch gesehen 1 Mal je Jahr auftritt bzw. auf Grundlage des KOSTRA-Atlasses des Deutschen Wetterdienstes (BARTELS, u.a., 1997)
• Unterbreitung von Vorschlägen bezüglich der Basisbemessungsregenspende P(15,1), falls keine Daten verfügbar
• Anwendung der Formel nach REINHOLD (1940)

• Oberflächenabflussmodellierung: Berücksichtigung der Haupteinflussfaktoren Niederschlag, Infiltrationsvermögen (kf-Wert) der Oberfläche, Vegetationsart, Bodenfeuchtezustand, Oberflächengefälle und Hanglänge
• Anwendung des "Curve-Number"-Verfahrens (CN-Verfahren) des US Soil Conservation Service (US-SCS, 1972, 1985, 1986, HAAN, 1982) in der Spezifizierung für Deponien in Form des HELP-Modells, SCHROEDER et al., 1994)
• Integration eines Muldenspeicherteilmodells (Modellansätze in MANIAK, 1982 und MANIAK, 1992)
• Berechnung von Versickerungsmengen und Versickerungsgeschwindigkeit durch  die Anwendung von DARCY- und Kontinuitätsgleichung bei Approximation der realen vertikalen Feuchteverteilung durch eine gesättigte Propfenströmung
• Erfassung des hypodermischen Abflusses in Abhängigkeit vom kf-Wertunterschied, vom Gefälle an der Schichtgrenze, an der der hypodermische Abfluss gebildet wird und von der Verweildauer des hypodermischen Abflusses innerhalb der Oberflächensicherung, der Deponie/Halde bzw. des Untergrundes
• Modellierung von Stauwasserbildungen oberhalb des Drainelements
• Methodik der Berechnung der Wasserhaushaltsgrößen analog Modell BOWAHALD (http://www.geo.tu-freiberg.de/~dungerv/software/bowahald.html)
• Verluste durch Evapotranspiration bleiben wegen der geringen Bedeutung während Starkregenereignissen unberücksichtigt

• Berechnung der maximalen Wasseraufstauhöhe auf dem Drainelement entsprechend Gleichung nach LESAFFRE (1987)
• Einflussgrößen:
• Drainabstand (hangparallel)
• Draingefälle
• kf-Wert
• Sickerwasserzufluss zur Drainage von oben (aus BOWAHALD)
• Sickerwasserabstrom nach unten (aus BOWAHALD)
• Erfüllt das betrachtete Drainelement die Anforderung, so ist die Berechnung abgeschlossen. Wird die Anforderung hingegen nicht erfüllt, so erfolgt die Berechnung von Randbedingungen, für die eine ausreichende Bemessung noch möglich wäre.

Eingabedaten und Simulationsergebnisse:

Eingabedaten:

• geographisch-morphologische und pedologische Parameter analog Modell  BOWAHALD: Nutzung der Übergabedatenfiles, die im Zusammenhang mit der  Abarbeitung des Modells BOWAHALD erstellt  worden sind (http://www.geo.tu-freiberg.de/~dungerv/software/bowahald.html)
• Angaben zum Bemessungsregen:
• Bemessungsniederschlagsmenge oder Basisbemessungsregen
• Niederschlagsdauer (Vorschlag auf Grundlage der mittels BOWAHALD berechneten mittleren Verweildauer)
• Wiederkehrsintervall
• Angaben zur Nutzung und zum Bewuchs (analog BOWAHALD):
•  Nutzungsart
•  Vegetationsbedeckungsgrad
•  Bestandsentwicklung
•  Wuchsform (bei Wald)
•  Bestandsaufbau (bei Wald und Sträuchern)
•  Schädigung infolge extremer klimatischer u./o. anthropogener Einflüsse (bei Wald)

• Wasserhaushaltsgrößen der Schichten ober- und unterhalb des Drainelementes für den Starkregen-Bemessungsfall (Simulator: Modell BOWAHALD):
•  Oberflächenabfluss
•  Muldenspeichermenge
•  hypodermischer Abfluss
•  Sickerwasserzutritt zur Drainage
•  Versickerung in unterliegende Schichten
• maximale Aufstauhöhe innerhalb des Drainelementes im Vergleich zur  tatsächlich vorhanden oder geplanten Drainelementstärke

 

Speziell zur Bemessung oberirdischer Entwässerungssysteme für Deponien  bzw. Halden existiert das Modell ROHALDEP (DUNGER, 1998). (http://www.geo.tu-freiberg.de/~dungerv/software/rohaldep.html)

Programmdokumentation (Word-File) kann auf Anfrage bereit gestellt werden (e-mail: <dungerv@geo.tu-freiberg.de>)
 

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Literatur:

Bartels, H. u.a. (1997):
Starkniederschlagshöhen für Deutschland KOSTRA. Offenbach a. M., Selbstverlag des Deutschen Wetterdienstes.

Dunger, V. (1998):
Dokumentation des Modells ROHALDEP zur quantitativen Abschätzung des Oberflächenabflusses von Halden- und Deponieflächen sowie zur Bemessung von Entwässerungsstrecken und zur Dimensionierung eines Rückhaltebeckens, Version 04/1998. Nutzerhandbuch.

Dunger, V. (2002):
Dokumentation des BOWAHALD-Erweiterungsmoduls DRAINAGE zur Prüfung bzw. Bemessung von Drainageelementen hinsichtlich ihrer Entwässerungskapazität im Starkregenfall

Haan, C. T.( 1982):
Hydrologic modelling of small watersheds. ASAE Monograph 5

Lesaffre, B. (1987):
Analytical formulae for travers drainage of sloping lands with constant rainfall. Irrigation and Drainage Systems, Vol. 1, No 2

Maniak, U. (1982):
Rainfall runoff process. Proc. Symposium Hydrology Research Basin. Sonderheft Landeshydrologie Bern

Maniak, U. (1992):
Hydrologie und Wasserwirtschaft. Eine Einführung für Ingenieure. 2. Auflage, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York

Reinhold, F. (1940):
Regenspenden in Deutschland. Berlin: Archiv für Wasserwirtschaft Nr. 56.

Schroeder, P. R., T. S. Dozier, P. A. Zappi, B. M. McEnroe, J. W. Sjostrom & R. L. Peyton (1994):
The Hydrologic Evaluation of Landfill Performance (HELP) Model: Engineering Documentation for Version 3, EPA/600/R-94/168b, U.S. Environmental Protection Agency Office of Research and Development, Washington, DC.

US-SCS U.S. Soil Conservation Service (1972):
SCS National Engineering Handbook, Section 4: Hydrology. USDA, Washington D.C.

US-SCS U.S. Soil Conservation Service (1985):
SCS National Engineering Handbook, Section 4: Hydrology. USDA, Washington D.C.

US-SCS U.S. Soil Conservation Service (1986):
Urban Hydrology for Small Watersheds. Technical Release 55, Washington D.C.
 

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