rwth aachen ingenieurhydrologie - vorlesung hydrologie i: abfluss

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken

Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I

Themen:

Vorlesung 5

Abflusskomponenten

Abflussspendencharakteristik

Hauptzahlen des Abflusses

Wasserstandsmessungen

Wasserstands-Abfluss Beziehungen

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Niederschlag = Abfluss + Verdunstung + Speicheränderung

Gutes neues Jahr !!!Das Wasserhaushaltsjahr in der Bundesrepublik Deutschland beginnt bereits 2 Monate vor dem Beginn des Kalenderjahres

Es dauert somit vom 1. November des Vorjahres bis zum 31. Oktober des Kalenderjahres

XdS= 0 für den Zeitraum 1.11.- 31.10.

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Definition gemäß DIN 4049

Allgemein:

Unter dem Einfluss der Schwerkraft auf und unter der Landoberfläche sich bewegendes Wasser.

Quantitativ:

Wasservolumen, das einen bestimmten Querschnitt in der Zeiteinheit durchfließt und einem Einzugsgebiet zugeordnet ist.

Abfluss

Hier stand ein Bild mit Rechten Dritter, das nicht freigegeben wurde.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. NackenNiederschlag

Interzeption

Evaporation

Evapotranspiration

Grundwasserzufluss

Effektiver NiederschlagabflusswirksamerNiederschlag

Infiltration

Bodenfeuchte-speicher

Perkolation

Grundwasser-speicher

Direktabfluss

Grundwasserabfluss

Abflussanteile

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. NackenNiederschlag

Interzeption

Evaporation

Evapotranspiration

Grundwasserzufluss

Effektiver NiederschlagabflusswirksamerNiederschlag

Infiltration

Bodenfeuchte-speicher

Perkolation

Grundwasser-speicher

Oberflächenabfluss QO

Zwischenabfluss QI

Grundwasserbürtiger Abfluss QG

Abflussanteile

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t [h ]

Q [m³/s]

QB Basisabfluss

QI Interflow

QO Oberflächenabfluss

QD Direktabfluss

[gemäß DIN 4049]

Abflussanteil bei Hochwasser

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Zwischenabfluss QI

(Interflow)

Oberflächenabfluss QO

Direktabfluss QD

Teil des Abflusses, der dem Gewässer als Reaktion auf ein auslösendes Ereignis (Niederschlag oder Schneeschmelze) über die Boden-oberfläche unmittelbar zugeflossen ist.

Teil des Abflusses, der dem Gewässer als Reaktion auf ein auslösendes Ereignis (Niederschlag oder Schneeschmelze) aus oberflächennahen Bodenschichten zugeflossen ist.

Summe aus Oberflächenabfluss und Zwischenabfluss

Abflusskompartimente

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Basisabfluss QB

Grundwasserbürtiger Abfluss QG

Teil des Abflusses, der nicht Direktabfluss ist

Teil des Basisabflusses, der dem Gewässer aus dem Grundwasser zugeflossen ist.

Grundwasserabfluss Grundwasservolumen, das aus einem Grundwasserabschnitt in der Zeiteinheit in dasselbe Grundwasser Stockwerk abfließt.

Abflusskompartimente

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Niedrigwasserabflüsse

Mittelwasserabflüsse

Hochwasserabflüsse

NNQ niedrigster NiedrigwasserabflussNQ NiedrigwasserabflussMNQ mittlerer Niedrigwasserabfluss

MQ Mittlerer Abfluss [m3/s]

MHQ mittlerer HochwasserabflussHQ HochwasserabflussHHQ höchster Hochwasserabfluss

Die Hauptzahlen des Abflusses

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Die Abbildung verdeutlicht die Entwicklung der charakteristischen Größen des Gewässers über die Lauflänge

Bildquelle: MMCD GmbH

Abflussspendencharakteristik

Abflussspende = Abfluss / Einzugsgebietsfläche [ l / (s *km2)]

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Q

[m³/s]

t

mittlerer Durchfluss

Ausuferungsdurchfluss

Q (Pü = 90%)

Q (Pü =10%)

Nie

drig

-w

asse

r-be

reic

h

Mitt

elw

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eich

Hoc

hwas

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bere

ich

Durchflussbereiche und Grenzlinien

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Quelle: Hydrologischer Atlas Deutschland

Abflussregime / Abflussspenden

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Abflussregime II

Quelle: Hydrologischer Atlas Deutschland

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Quelle: Hydrologischer Atlas Deutschland

Regionale Abflussregime

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0

50

100

150

200

300

400

500

600

800

900

1000

1500

2000

700

Abf

luss

höhe

in [m

m/a

]

Quelle: Hydrologischer Atlas Deutschland

Mittlere jährliche Abflusshöhen

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Je nach Aufgabenstellung und örtlichen Gegebenheiten wird die Wasserstandsmessung mit einer der nachfolgend aufgeführten Methoden ausgeführt.

Pegelmessung

ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler)

Venturi-Messgerinne

Wasserstandsmessungen

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Bildquelle: Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft

Wasserstandsmessung per Pegelmessung

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Aktuelle Wasserstandsinformationen der BFG

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Bildquelle: BfG

Aktuelle Wasserstandsinformationen der BFG

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Bildquelle: BfG

Wasserstandsvorhersage

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Bildquelle: LUA NRW

Ausgewählte Jahresganglinie

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Bildquelle: LUA NRW

Ausgewählte Jahresganglinie

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Q = v A = åi =1

n

V i A i

Der Abfluss (oder Durchfluss) wird im Regelfall messtechnisch bestimmt durch die Ermittlung zweier Größen

Fließgeschwindigkeit

Wasserstand (im Gewässer- oder Messprofil)

Als Ergebnis liegen sodann für das Gewässer die Wasserstand- Durchfluss-Beziehungen in der Form Q = a x W b vor.

Die Fließgeschwindigkeit in Gewässerprofilen wird mit Messflügeln erfasst. Dabei wird das Profil in einzelne Segmente unterteilt. Der Durchfluss ergibt sich aus

Bildquelle: Ott Hydrometrie

Abfluss

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Abfluss Q [m³/s]

W asserstand W [m]

Q = a W b Þ logQ = loga b logW +

Durch den Einfluss von Verkrautung, Sedimenttransport sowie Rückstau werden die Messungen verfälscht.

Die Wasserstand-Abfluss-Beziehung ist im Regelfall durch eine Vielzahl von Messungen im Niedrig- und Mittelwasserbereich belegt.

Für Hochwasserabflüsse ist die Messwertdichte gering (Gefahr der Extrapolation)

Wasserstands-Abfluss-Beziehung

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Bildquelle: ProAqua GmbH

Wasserstands-Abfluss-Beziehung

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Bildquelle: Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft

Konventionelle Pegelmessung mit Messfügel

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Bildquelle: ProAqua GmbH

Pegelmessung in einem Fließprofil

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Quelle: StUA Krefeld Quelle: LUA NRW

Beispiele für Pegelmessstellen in NRW

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Messquerschnitt mit Lotrechten Messpunkte an einer Lotrechten

Geschwindigkeitsfläche einer Lotrechten Abfluss an dem Messquerschnitt

Bildquelle: ProAqua GmbH

Messschema für Flügelmessungen

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Bildquelle: ProAqua GmbH

Messungen an der Messlotrechten

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Bildquelle: ProAqua GmbH

Resultierende Geschwindigkeitsprofile

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Bildquelle: ProAqua GmbH

Auswertung der Durchflussmessung

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Bildquelle: ProAqua GmbH

Auswertung der Durchflussmessung

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Ultraschall-Doppler-Profil-Strömungsmessung

Bildquelle: QUANTUM

Die Abflussmessung mit dem Ultraschall Doppler Profil Strömungsmesser hat die klassische Messung mit dem Messflügel bereits in weiten Teilen verdrängt.

Das Verfahren wird im Regelfall als ADCP Messung (acoustic doppler current profiler) bezeichnet.

Dabei handelt es sich um ein Akivsonar, das Schallimpulsen in einer definierten Frequenz ausstrahlt. Durch die Messung der Laufzeiten können die Fließgeschwindigkeiten in allen drei Lagen ermittelt werden.

Die Bundesanstalt für Gewässerkunde hat eine eigenständige Auswertesoftware (AGILA) entwickelt, die mittlerweile weltweit zum Einsatz kommt

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ADCP Funktionsprinzip

Bildquelle: Bezirksregierung Arnsberg

Bildquelle: BfG Koblenz

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Verschiedene ADCP Messboote

Bildquelle: Morgenschweis

ADCP Trimaran Schlepp-Messboot

Ferngesteuertes ADCP Messboot

Messboot mit Fächerecholot

Bildquelle: Bezirksregierung Arnsberg

Bildquelle: Morgenschweis

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ADCP Flussbettdarstellung

Bildquelle: Bezirksregierung Arnsberg

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ADCP Messergebnisse WinRiver

Bildquelle: hydrographische Dienst Steiermark-ADCP - Erfahrungsbericht

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Abflussganglinie Dresden - Hochwasser 2002

Bildquelle: BfG - Adler

Der wesentliche Plus-Punkt des ADCP Messprinzips ist es, dass Hochwasserwellen in ihrem vollständigen Verlauf verlässlich gemessen werden können.