Systemkurzbeschreibung des Modells HQBEMESS

zur hydrologischen Bemessung von natürlichen oder künstlichen Entwässerungssystemen für den Bemessungs-Starkregenfall

Version 11/2002
 
 

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 der Modellierung:

• Modellierung der Abflussbildungs-, -konzentrations- und -verlaufprozesse in kleinen unbeobachteten oder nicht genügend beobachteten Einzugsgebieten (Voraussetzung für die Bemessung und Bauplanung) auf der Grundlage einfach bestimmbarer hydrologischer, pedologischer und Vegetationskenngrößen, d.h. es werden keine Schätzgrößen (wie z.B. Abflussbeiwert oder Anfangsverlust) benötigt (vielmehr ist der Abflussbeiwert ein Ergebnis der Modellierung)
• Modellierung von Abflussganglinien für beliebige Punkte eines natürlichen oder künstlichen Entwässerungssystems (z.B. für Abflussknotenpunkte)
• hydrologisch determinierte Bemessung eines/mehrerer Rückhaltebecken
• ausführliche Modellbeschreibung s. DUNGER (2002)

Modelltyp:

• konzeptionelles Boxmodell
• horizontale Gliederung in Entwässerungsteilgebiete, vom Bearbeiter festzulegen in Abhängigkeit vom Entwässerungsnetz (Entwässerungsrichtung, Knotenpunkte, Lage des Einleitpunktes in ein/mehrere Rückhaltebecken bzw. in andere Vorfluter)
• Einbeziehung von Basisdurchflussmengen

Überblick über die Modellstruktur:
 

ABFLUSSBILDUNG AUF DEN LANDFLÄCHEN (im Teilmodell HQBEMESS)

Notwendige Informationen:

Bemessungsniederschlag

Niederschlagsmenge: Daten des KOSTRA-Atlasses (BARTELS u.a., 1997) oder Basisregenspende Bemessungsniederschlagsdauer und -wiederkehrsintervall

Pedologie der Oberfläche		Nutzung		Vorfeuchte
Bodentyp der Oberfläche hinsichtlich Infiltrations- vermögen		unbewachsen Ackerland Wiese, Weide Obstanlagen Wald versiegelte Flächen		gering mittel hoch

Methodik: KOSTRA-Atlas (DWD, BARTELS u.a., 1997)  US-SCS-Verfahren (US SCS, 1964, 1972), HAAN (1982), MANIAK (1992)

ABFLUSSKONZENTRATION  (im Teilmodell HQBEMESS)

Notwendige Informationen: Einzugsgebietsfläche längster Fließweg im Einzugsgebietsgrenze/Bemessungsstelle Länge aller Vorfluter im Einzugsgebiet Höhendifferenz Einzugsgebietsgrenze/Bemessungsstelle

Methodik: Anwendung des Faltungsintegrals, gekoppelt mit einem Parallelkaskadenmodell

ABFLUSSVERLAUF IM ENTWÄSSERUNGSNETZ  (im Teilmodell ISOCHRON)

Notwendige Informationen: Entwässerungsstrategie, Länge, Gefälle und Ufergestaltung der natürlichen bzw. künstlichen Entwässerungsstrecken

Methodik: Anwendung des Isochronenkonzeptes (s. z.B. DYCK, PESCHKE, 1995)

DIMENSIONIERUNG VON REGENRÜCKHALTERÄUMEN  (im Teilmodell SPEICHER)

Notwendige Informationen: Zuflussmengen zu geplanten und zu bemessenden Rückhalteräumen, geplante Regelabgabe (alle notwendigen Informationen werden zuvor modellintern berechnet)

Methodik: Anwendung der Kontinuitätsgleichung (Speicherbilanzgleichung)

 

Kurzbeschreibung der Teilmodelle:

Abflussbildungs- und -konzentrationsteilmodell HQBEMESS:

• Ermittlung des Bemessungsniederschlages auf Grundlage des KOSTRA-Atlasses des Deutschen Wetterdienstes (BARTELS u.a., 1997) bzw. der Basisbemessungsregenspende P(15,1), d.h. des Starkregens mit 15 min Dauer, der statistisch gesehen 1 Mal je Jahr auftritt
• Unterbreitung von Vorschlägen bezüglich der Basisbemessungsregenspende P(15,1), falls keine Daten verfügbar
• Anwendung eines eigens entwickelten Ansatzes zur Umrechnung des Basisregens für Regendauern zwischen 5 Minuten und einem Tag und für Wiederkehrsintervalle bis 100 Jahren (ähnlich der Formel nach REINHOLD, 1940)
• Quantifizierung der Abflussbildung unter Berücksichtigung der Haupteinflussfaktoren: Niederschlag, Infiltrationsvermögen der Bodenoberfläche (Bodentyp), Nutzungsart und Vorfeuchte
• Anwendung des "Curve-Number"-Verfahrens (CN-Verfahren) des US Soil Conservation Service (US-SCS, 1964, 1972, HAAN, 1982)
• Modellierung der Abflusskonzentration durch die Anwendung der Faltungsoperation unter Einbeziehung eines Parallelkaskadenmodells führt zur Abflussganglinie (wobei Basisabflüsse einbeziebar sind)

Teilmodell zum Abflußverlauf ISOCHRON:

• Überlagerung der in Teilentwässerungsgebieten (Teileinzugsgebieten) gebildeten Abflussganglinien entsprechend der Abflussrichtung
• Anwendung der Isochronenmethode (s. u.a. DYCK, PESCHKE, 1995, MANIAK, 1992)
• Berücksichtigung von Laufzeitdifferenzen der Abflüsse, Laufzeitdifferenzen müssen zuvor durch geeignete Methoden, z.B. durch die Anwendung empirischer Fließformeln (z.B. mittels MANNING-Formel) ermittelt werden

Teilmodell zur Bemessung eines Rückhaltebeckens SPEICHER:

• Anwendung der Kontinuitätsgleichung unter Verwendung der zuvor überlagerten Abflussganglinien (= Zuflussganglinie zum Rückhaltebecken RHB) bei vorgegebener konstanter Regelabgabe aus dem/den RHB
• Ermittlung des notwendigen Mindestspeichervolumens und der Ausflussganglinie aus dem/den RHB

Eingabedaten und Simulationsergebnisse:
 

• Einzugsgebietsfläche
• längster Fließweg Einzugsgebietsgrenze/Bemessungsstelle
• Länge aller Vorfluter im Einzugsgebiet
• Höhendifferenz Einzugsgebietsgrenze/Bemessungsstelle
• Basisdurchfluss *)
• Bodentyp hinsichtlich Infiltrationsvermögen (1 - sehr gut ... 4 - sehr gering)
• Nutzung (unbewachsen, Ackerland, Wiese/Weide, Obstanlagen, Wald, teil- und vollversiegelte Flächen)
• Bemessungsregenmenge (KOSTRA) *) , -regenspende*) und -regendauer*)
• Wiederkehrsintervall (Jährlichkeit) des Bemessungsregens
• Angaben zur Art der Entwässerung (überwiegend flächenhaft oder in einem Entwässerungsnetz)
• Laufzeitdifferenzen des Direktabflusses
• konstante Regelabgabe aus dem/den Rückhaltebecken (falls Dimensionierung gewünscht)

Simulationsergebnisse:

• berechnete Bemessungsregenmengen (für verschiedene, programmintern aufgesplittete Niederschlagsintervalle)
• Direktabflussmengen (Oberflächenabflüsse) der Entwässerungsteilgebiete
• Abflussbeiwerte der Entwässerungsteilgebiete
• Abflusskonzentrationszeit in den Teilgebieten und im gesamten Einzugsgebiet
• Abflussganglinien für beliebige Punkte des Entwässerungssystems
• Abflussscheitelwerte, Durchflusssummen und Scheitelanstiegszeiten
• Zuflussganglinie zu einem oder mehreren Rückhaltebecken
• Speicherfüllungsgrad des/der RHB, minimal notwendiges Speichervolumen
• Ausflussganglinie aus dem/den Rückhaltebecken

Vorteile des Modells HQBEMESS gegenüber anderen Methoden:

• prozessorientierte Modellierung unter Verwendung abflussrelevanter Daten und Parameter anstelle von Schätzgrößen (Abflussbeiwert, Anfangsverlust), dadurch unkomplizierte Varianten- und Optimierungsrechnungen möglich (durch eine Optimierung können z.B. Speicherräume optimiert und Abgabemengen in die Vorflut minimiert werden, oftmals eine Forderung der Genehmigungsbehörden)
• Modellierung von Abflussganglinien anstelle von Blockabflüssen (z.B. zeitlich konstanten Abflüssen, Dreieckshydrograph) unter Berücksichtigung von Retentions- und Laufzeitprozessen
• hydrologisch saubere Bemessung eines (bzw. mehrerer) Rückhaltebecken(s) unter Verwendung einer (oder mehrerer) Zuflussganglinie(n) anstelle eines Blockzuflusses

Schlussbemerkung:

Speziell zur Bemessung von Deponie- bzw. Haldenentwässerungseinrichtungen existiert das Modell ROHALDEP. Das im Modell ROHALDEP enthaltene Teilmodell ROUMFELD und das Modell HQBEMESS sind identisch. (http://www.geo.tu-freiberg.de/~dungerv/software/rohaldep.html)
 

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Literatur:

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

Dunger, V. (2002):
Dokumentation des Modells HQBEMESS zur quantitativen Abschätzung des Oberflächenabflusses in Einzugsgebieten sowie zur hydrologischen Bemessung von Entwässerungsstrecken und zur Dimensionierung eines Rückhaltebeckens, Version 11/2002. Nutzerhandbuch.

Dyck, S. und G. Peschke (1995):
Grundlagen der Hydrologie. 2. Auflage. Verlag für Bauwesen Berlin.

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

Kirpich, Z. P. (1940):
Time of Concentration of Small Agricultural Watersheds. Civ. Eng., Am. Soc. Civ. Engrs., vol. 10, p. 362

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.

US-SCS: U.S. Departement of Agriculture, Soil Conservation Service (1964):
SCS National Engineering Handbook, Section 4: Hydrology. Washington.

US-SCS: Soil Conservation Service (1972):
SCS National Engineering Handbook, Section 4, Hydrology, USDA.

Woolhiser, D. A., R. E. Smith and D. C. Goodrich (1990):
KINEROS, a kinematic runoff and erosion model: Dokumentation and user manual. ARS-77. U.S. Department of Agriculture, Agricultural Research Service.
 

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