rwth aachen ingenieurhydrologie - vorlesung hydrologie i: abfluss
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RWTH Aachen - Ingenieurhydrologie Vorlesung Hydrologie I Themen: Abflusskomponenten Abflussspendencharakteristik Hauptzahlen des Abflusses Wasserstandsmessungen Wasserstands-Abfluss BeziehungenTRANSCRIPT
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I
Themen:
Vorlesung 5
Abflusskomponenten
Abflussspendencharakteristik
Hauptzahlen des Abflusses
Wasserstandsmessungen
Wasserstands-Abfluss Beziehungen
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
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
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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.