Systemkurzbeschreibung des Modells ROHALDEP

zur hydrologischen Bemessung von Deponie- und Haldenentwässerungssystemen 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 auf unabgedeckten bzw. abgedeckten Deponie-/Haldenflächen und -entwässerungsstrecken (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)
• Berücksichtigung der Spezifik von Halden- bzw. Deponieflächen (z.T. beachtliche Hangneigungen, hohe Variabilität der pedologischen Eigenschaften der Abdeckmaterialien)
• Modellierung von Abflussganglinien für beliebige Punkte des Entwässerungssystems (z.B. für Abflussknotenpunkte)
• hydrologisch determinierte Bemessung eines/mehrerer Rückhaltebecken
• Möglichkeit der Einbeziehung von umliegenden Flächen in die Bemessung
• ausführliche Modellbeschreibung s. DUNGER (2002)

Modelltyp:

• konzeptionelles Boxmodell
• Horizontalgliederung: Entwässerungsteilflächen, vom Bearbeiter festzulegen in Abhängigkeit von der Entwässerungsstrategie (Entwässerungsrichtung, Knotenpunkte, Lage des Einleitpunktes in ein/mehrere Rückhaltebecken bzw. in die Vorflut)
• Vertikalgliederung: Betrachtung der Deponie-/Haldenoberfläche bzw. (im Falle des Deponie-/Haldenumfeldes) der Bodenoberfläche, Einbeziehung von Deponie /Haldensickerwassermengen

Überblick über die Modellstruktur:
 

ABFLUSSBILDUNG AUF DER DEPONIE/HALDE (im Teilmodell ROHALDE)

Notwendige Informationen:

Bemessungsniederschlag

Niederschlagsmenge: Daten des KOSTRA-Atlasses oder Basisregenspende Bemessungsniederschlagsdauer und -wiederkehrsintervall

Pedologie der Oberfläche		Bewuchs		Vorfeuchte
Bodenart der Oberfläche Hangneigung Hanglänge		unbewachsen Grasbewuchs Gras/Strauch/Baum		gering mittel hoch

Methodik: KOSTRA-Atlas (DWD, BARTELS u.a., 1997) US-SCS-Verfahren (US SCS, 1964, 1972), HAAN (1982), MANIAK (1992) Deponie-/Haldenspezifizierung: HELP 3 (SCHROEDER et al., 1994) Hangneigung, Hanglänge und Vorfeuchte: WOOLHISER et al., 1990, MANIAK (1992)

ABFLUSSBILDUNG AUF UMLIEGENDEN FLÄCHEN  (im Teilmodell ROUMFELD)

Notwendige Informationen:

Bemessungsniederschlag, Pedologie und Vorfeuchte: analog Teilmodell ROHALDE

Bewuchs/Nutzung: insgesamt 16 Nutzungsarten (incl. vesiegelter Flächen)

Methodik: s.o. (ohne Deponie-/Haldenspezifizierung)

ABFLUSSKONZENTRATION  (in den Teilmodellen ROHALDE und ROUMFELD)

Notwendige Informationen: Deponie-/Haldenmorphologie und -geometrie

Methodik: Anwendung des Faltungsintegrals, gekoppelt mit einem Parallelkaskadenmodell

ABFLUSSVERLAUF IM ENTWÄSSERUNGSNETZ  (im Teilmodell ISOCHRON)

Notwendige Informationen: Entwässerungsstrategie, Länge, Gefälle und Bauausführung der Entwässerungsstrecken

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

DIMENSIONIERUNG VON REGENRÜCKHALTERÄUMEN  (im Teilmodell SPEICHER)

Notwendige Informationen: Zuflussmengen zum zu planenden Rückhalteraum, geplante Regelabgabe (alle notwendigen Informationen werden zuvor modellintern berechnet)

Methodik: Anwendung der Kontinuitätsgleichung (Speicherbilanzgleichung)

 

Kurzbeschreibung der Teilmodelle:

Abflussbildungs- und -konzentrationsteilmodell ROHALDE:

• 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
• Umrechnung des Basisregens für Regendauern von 5 Minuten bis eine Tag und Wiederkehrsintervalle bis 100 Jahre durch einen eigens entwickelten Ansatz ähnlich der Formel nach REINHOLD (1940)
• Quantifizierung der Abflussbildung unter 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, 1964, 1972, HAAN, 1982) in der Spezifizierung für Deponien in Form des HELP-Modells (SCHROEDER et al., 1994)
• Modellierung der Abflusskonzentration durch die Anwendung der Faltungsoperation unter Einbeziehung eines Parallelkaskadenmodells führt zur Abflussganglinie (wobei Basisabflüsse: Sicker- bzw. Drainagewasserabflüsse einbeziebar sind)

Teilmodell ROUMFELD zur Erfassung der Abflussbildung für umliegende, nicht deponiespezifische Flächen:

• Quantifizierung der Abflussbildung unter Berücksichtigung der Haupteinflussfaktoren: Niederschlag, Infiltrationsvermögen der Bodenoberfläche (Bodentyp: 1 - sehr gutes Infiltrationsvermögen ... 4 - sehr geringes Infiltrationsvermögen), Nutzungsart (unbewachsen, Ackerland, Wiese/Weide, Obstanlagen, Wald, teil- und vollversiegelte Flächen) und Vorfeuchte (gering, mittel, hoch)
• Anwendung des "Curve-Number"-Verfahrens (CN-Verfahren) des US Soil Conservation Service (US-SCS, 1964, 1972, HAAN, 1982)
• genauere Informationen s. Modell HQBEMESS (dies ist inhaltlich mit dem Teilmodell ROUMFELD identisch) (http://www.geo.tu-freiberg.de/~dungerv/software/hqbemess.html)

Teilmodell zum Abflußverlauf ISOCHRON:

• Überlagerung der in den Teilentwässerungsflächen gebildeten Abflussganglinien entsprechend der Abflussrichtung
• Abflussganglinien können sowohl aus der Deponie-/Haldenentwässerung stammen als auch aus dem Umfeld
• 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:

Eingabedaten:

• Flächengrößen der Deponie-/Halden- bzw. Umfeldteilflächen
• mittlere Länge der Deponie-/Halden- bzw. Umfeldteilflächen
• Breite der Deponie- bzw. Haldenflächen am Fuß
• mittleres Gefälle der Deponie-/Halden- bzw. Umfeldteilflächen
• Angaben zur Vegetation der Deponie-/Halden- bzw. Umfeldteilflächen
• Filtrationskoeffizient der Deponie-/Haldenoberfläche bzw. Angabe der Infiltrationsfähigkeit des Umfeldes (s. gering ... hoch)
• Bemessungsregenmenge (KOSTRA) *), -regenspende*) und -regendauer*)
• Wiederkehrsintervall (Jährlichkeit) des Bemessungsregens
• Angaben zur Art der Deponie-/Haldenentwässerung (überwiegend flächenhaft oder mittels Entwässerungsnetz)
• zusitzende Wassermengen aus der Drainageentwässerung (Basisdurchfluss)
• Laufzeitdifferenzen des Abflusses
• konstante Regelabgabe aus dem/den Rückhaltebecken (falls Dimensionierung gewünscht)

Simulationsergebnisse:

• berechnete Bemessungsregenmengen (für verschiedene, programmintern aufgesplittete Niederschlagsintervalle)
• Direktabflussmegen (Oberflächenabflüsse) der Teilflächen (Deponie-, Halden- bzw. Umfeldteilflächen)
• Abflussbeiwerte der Teilflächen
• Abflusskonzentrationszeit im gesamten betrachteten Gebiet
• 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 ROHALDEP gegenüber anderen Methoden:

• prozessorientierte Modellierung unter Verwendung abflussrelevanter Daten und Parameter anstelle von Schätzgrößen (Abflussbeiwert, Anfangsverlust), dadurch unkomplizierte Varianten- und Optimierungsrechnungen (z.B. in Bezug auf die Gestaltung von Abdeckungen e.t.c.) möglich (durch eine Optimierung können z.B. Abgabemengen in die Vorflut minimiert werden, oftmals eine Forderung der Genehmigungsbehörden)
• Möglichkeit der Einbeziehung von Umfeldflächen in die Modellierung
• 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 Modellierung des Wasserhaushaltes von Deponien  bzw. Halden existiert das Modell BOWAHALD. (http://www.geo.tu-freiberg.de/~dungerv/software/bowahald.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 ROHALDEP zur quantitativen Abschätzung des Oberflächenabflusses von Halden- und Deponieflächen sowie zur 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.

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. 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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