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Computerunterstützte Gewässermodellierun A.o. Univ. Prof. DI Dr. Helmut Habersack Computer based river modelling WS 2007/08 1 Aufbau der Lehrveranstaltung Mittwoch 21.11. Mittwoch 28. 11. Mittwoch 5. 12. Mittwoch 12. 12. 8:30-9:20 Einleitung Problemstellung, Ziele, Definitionen Einführung in das Modell HEC/RAS, Vorbereitung eines Wasserspiegellagenmodells mit einfacher Geometrie Anwendungsbeispiel Obere Drau 1-D, Anwendungsbeispiel Lafnitz 2-D Instationäre Abflussmodellierung und Kopplung mit GIS Modellierung von Seitenerosion und der Flussmorphologie 9:30-10:20 Hydraulische Grundlagen zur Abflussberechnung Einführung in das Modell HEC/RAS, Vorbereitung eines Wasserspiegellagenmodells mit einfacher Geometrie Grundlagen zur Sedimenttransportmodellierung Simulation von flachen Hangrutschungen und Feststoffbilanzen (Schwerpunkt Schwebstoffhaushalt) 10:30-11:20 Numerische Verfahren Berechnung und Interpretation der Ergebnisse Datenanforderungen und verfügbare Modelle, links zu homepages, Modellvergleich Anwendungsbeispiel EG Sölkspeicher 11:30-12:20 1-D Wasserspiegellagen- modellierung, Grundlagen, Datenanforderungen, verfügbare Modelle, links zu homepages Berechnung und Interpretation der Ergebnisse Anwendungsbeispiel Obere Salzach Grundlagen zur Habitatmodellierung, Datenanforderungen und verfügbare Modelle, links zu homepages 12:20-13:00 Mittagessen Mittagessen Mittagessen Mittagessen 13:00-14:20 Methoden zur Ermittlung des Fließwiderstandes Räumlich gegliederte Profile und Gewässervernetzungen, Kalibrierung von Wasserspiegellagenrechnun gen Wasserspiegellagenberechnung bei unterschiedlichen Rauhigkeiten und gegliedertem Profil - Naturstrecke Eingabe von Einbauten (Brücken, Durchlässe etc.) Instationäre Abflussberechung Modellaufbau 14:30-16:00 2-D, 3-D Abflussmodelle, Datenanforderungen, verfügbare Modelle, links, Vor- Nachteile Simulation und Diskussion der Resultate - Vergleich Modellierung und Analyse der Ergebnisse Berechnung und Interpretation der Ergebnisse Fließwiderstand Der Abflussvorgang ist bestimmt durch das Gleichgewicht zwischen der Gravitationskraft (Hangabtriebskomponente) und Reibungskräften (hydraulische Rauhigkeit oder Fließwiderstand). Das Kernproblem des Fließwiderstandes, welches auch bei der Anwendung von mathematischen Modellen bestehen bleibt, ist die Ermittlung eines entsprechenden Rauhigkeitskoeffizienten, der alle Komponenten des Fließwiderstandes erfasst.

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Aufbau der Lehrveranstaltung Mittwoch

21.11. Mittwoch 28. 11.

Mittwoch 5. 12.

Mittwoch 12. 12.

8:30-9:20 Einleitung Problemstellung, Ziele, Definitionen

Einführung in das Modell HEC/RAS, Vorbereitung eines Wasserspiegellagenmodells mit einfacher Geometrie

Anwendungsbeispiel Obere Drau 1-D, Anwendungsbeispiel Lafnitz 2-D Instationäre Abflussmodellierung und Kopplung mit GIS

Modellierung von Seitenerosion und der Flussmorphologie

9:30-10:20 Hydraulische Grundlagen zur Abflussberechnung

Einführung in das Modell HEC/RAS, Vorbereitung eines Wasserspiegellagenmodells mit einfacher Geometrie

Grundlagen zur Sedimenttransportmodellierung

Simulation von flachen Hangrutschungen und Feststoffbilanzen (Schwerpunkt Schwebstoffhaushalt)

10:30-11:20 Numerische Verfahren Berechnung und Interpretation der Ergebnisse

Datenanforderungen und verfügbare Modelle, links zu homepages, Modellvergleich

Anwendungsbeispiel EG Sölkspeicher

11:30-12:20 1-D Wasserspiegellagen-modellierung, Grundlagen, Datenanforderungen, verfügbare Modelle, links zu homepages

Berechnung und Interpretation der Ergebnisse

Anwendungsbeispiel Obere Salzach

Grundlagen zur Habitatmodellierung, Datenanforderungen und verfügbare Modelle, links zu homepages

12:20-13:00 Mittagessen

Mittagessen

Mittagessen

Mittagessen

13:00-14:20 Methoden zur Ermittlung des Fließwiderstandes Räumlich gegliederte Profile und Gewässervernetzungen, Kalibrierung von Wasserspiegellagenrechnungen

Wasserspiegellagenberechnung bei unterschiedlichen Rauhigkeiten und gegliedertem Profil - Naturstrecke

Eingabe von Einbauten (Brücken, Durchlässe etc.)

Instationäre Abflussberechung Modellaufbau

14:30-16:00 2-D, 3-D Abflussmodelle, Datenanforderungen, verfügbare Modelle, links, Vor- Nachteile

Simulation und Diskussion der Resultate - Vergleich

Modellierung und Analyse der Ergebnisse

Berechnung und Interpretation der Ergebnisse

Fließwiderstand

Der Abflussvorgang ist bestimmt durch das Gleichgewicht zwischen der Gravitationskraft (Hangabtriebskomponente) und Reibungskräften (hydraulische Rauhigkeit oder Fließwiderstand). Das Kernproblem des Fließwiderstandes, welches auch bei der Anwendung von mathematischen Modellen bestehen bleibt, ist die Ermittlung eines entsprechenden Rauhigkeitskoeffizienten, der alle Komponenten des Fließwiderstandes erfasst.

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Fließwiderstand-Komponenten

Fließwiderstand = ∑ Kornrauhigkeit, Formrauhigkeit, Interaktionsvorgänge in gegliederten Gerinnequerschnitten

Kornrauhigkeit

Kornrauhigkeit: durch Oberflächenreibung an Gerinnewandung verursacht, weitgehend korrelierbar mit repräsentativer Länge des Rauhigkeitselements

absolute Rauhigkeit :lineares Maß ds für die Höhe des Rauhigkeitselementes

relative Rauhigkeit :Quotient R/ds einer charakt. Querschnittsgröße zum Absolutmaß des Rauhigkeitselements

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Kornrauhigkeit

relative Rauhigkeit beschreibt Rauhigkeitsverhalten besser

bei konstanter Größe: Fließwiderstand abhängig von Abflusstiefe: bei zunehmender Wassertiefe nimmt Rauhigkeitseinfluss ab und umgekehrt.

Formrauhigkeitwird durch Unregelmäßigkeiten der Gerinnewandunghervorgerufen.Ursachen:- Sohlenformen (Dünen, Bänke) verursachen leeseitig

Erweiterungsverluste, sie können auch Fließwechsel sowie einen pendelnden Talweg hevorrufen. Ihr Einfluß nimmt mit sinkendem Wasserspiegel zu und ist bei hohen Abflüssen gering. Diese Erfahrungen machte JÄGGI (1983) bei seinen Laborversuchen bezüglich des Auftretens alternierender Bänke sowie bei Naturmessungen am Rhein. Zu ähnlichen Erkenntnissen sind auch PARKER & PETERSON (1980) gelangt

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Formrauhigkeit

Kornrauhigkeitskoeffizient CG und Gesamtrauhigkeitskoeffizient C als Funktion von R = h/d50an einem Abschnitt am Oldman River. Die Punkte beziehen sich auf die Bedingungen bei folgenden Abflüssen in absteigender Reihenfolge der Werte R: Bordvoll, HQ5, HQ2, MQ und Abflußmenge an einem willkürlichen Tag. Die Differenz zwischen C und CG entspricht den Formverlusten infolge von Bänken. Nach KELLERHALS, aus PARKER & PETERSON (1980).

Bei höheren Abflüssen haben Bänke nur noch einen geringen Einfluß auf den Fließwiderstand, dafür tritt aber Geschiebetrieb auf.- Geschiebetransport erhöht - auch bei ebenem Bett - die

Rauhigkeit der Gerinnesohle, da das Sohlmaterial aus seinem dachziegelartigen Verband herausgelöst wird und dadurch der Strömung größere Angriffsfläche bietet. Ebenso verursacht Schwebstofftransport Energieverluste.

- Unregelmäßige Gerinnegeometrie ruft einerseits ungleichförmigen Abfluß mit Expansions- und Kontraktionsverlusten andererseits Verzweigungsverlusten sowie Energiedissipation infolge Spiralströmung in gewundenen Fließstrecken hervor.

- An einzelnstehenden künstlichen oder natürlichen Hindernissen treten lokale Energieverluste auf.

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Natürliche Fließgewässer sind zudem charakterisiert durch eine große Vielfalt an Formen, die auch von Dynamik geprägt sind. Gegliederte Profilgeometrie sowie Pflanzenbewuchs, der ebenfalls zur Profilgliederung beiträgt, beeinflussen den Fließwiderstand sowohl durch die von ihnen hervorgerufenen Rauheit als auch durch die stattfindenden Austauschvorgänge zwischen Zonen unterschiedlicher Abflußbedingungen.

Grundkonzepte der FließgesetzeUniverselles FließgesetzFür das universelle Fließgesetz wurde Anleihe in der Rohrhydraulik genommen. Es beruht auf der Kombination der Formel von DARCY-WEISBACH

und der Bestimmung des Widerstandsbeiwerts nach COLEBROOK-WHITE

mit den Formbeiwerten C1, C2 und C3 und der äquivalenten Sandrauhigkeit ks.Zudem gilt:

IRg ***8vλ

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−=

λλ Re**4*log*1 3

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CRC

kC S

λ λ= ⎛⎝⎜

⎞⎠⎟Re, k

R,Querschnittsform,Rauheitsstrukturs

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Im universellen Fließgesetz finden die ersten beiden Bedingungen Berücksichtigung: Der Fließwiderstand ist bei hydraulisch glattem Verhalten lediglich abhängig vom Zähigkeitseinfluß und das Glied ks/(C2*R) entfällt. Im hydraulisch rauhen Bereich beeinflußt nur die relative Rauhigkeit den Fließwiderstand und das letzte Glied wird vernachlässigt. Im Übergangsbereich ist der Fließwiderstand sowohl von der relativen Rauhigkeit als auch von der Zähigkeit abhängig.

Für Kreisrohre sind auch die beiden letzten Einflüsse eindeutig erfaßt: Die Querschnittsform ist durch den hydraulischen Radius R = D/4 exakt definiert und Rauheitsstrukturen sind vernachlässigbar. Ähnliches gilt auch für sehr breite offene Gerinne, welche mit R = h eindeutig bestimmt sind; allerdings ist hier gegebenenfalls die Rauheitsstruktur zusätzlich zu berücksichtigen. Für alle übrigen Gerinnequerschnitte ist der Einfluß der Querschnittsform auf den Fließwiderstand durch Variation der Koeffizienten C1, C2 und C3 zu berücksichtigen; d.h., die Koeffizienten müssen strenggenommen für jede Querschnittsform gesondert ermittelt werden. Vorschläge diverser Autoren sind nachfolgend zu finden.

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GerinnegeometrieAutor C1 C2 C3Druckrohr Colebrook-White 2,0 14,83 2,52breites Gerinne Keulegan (1938) 2,03 11,09 3,41breites Gerinne Rouse (1946 ) 2,03 10,95 1,70breites Gerinne Thijsse (1949) 2,03 12,2 3,033breites Gerinne Henderson (1966) 2,0 12,0 2,5breites Gerinne Reinius (1961) 2,0 12,4 3,4Rechteckgerinne Reinius (1961) 2,0 14,4 2,9

Breite/Tiefe = 4Rechteckgerinne Reinius (1961) 2,0 14,8 2,8

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Das universelle Fließgesetz findet trotz der bestehenden Unsicherheiten immer häufigere Anwendung in der Gerinnehydraulik. Gründe hiefür sind (DVWK, 1991):- Es ist physikalisch besser begründet: Sowohl der Einflußder Viskosität als auch jener der Wandreibung finden Berücksichtigung.- Es handelt sich um ein analytisches Verfahren, welches eine Aufgliederung nach Einzelphänomenen ermöglicht. Das universelle Fließgesetz wird daher auch zur Quantifizierung der Wirkung von durchströmtem Vorlandbewuchs und Interaktionsflächen herangezogen.- Die Formel ist entwicklungsfähig; neue Verfahren zur Berechnung des Fließwiderstandes können einfach als Zusatzmodule eingesetzt werden.

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Im Vergleich mit Potenzformeln ist die Anwendung des universellen Fließgesetzes wesentlich aufwendiger sowohl hinsichtlich der Bestimmung der Berechnungsparameter im Feld als auch hinsichtlich der Rechenprozedur.

Potenzformeln

Die Potenzformeln haben in der Gerinnehydraulik eine deutlich längere Tradition; dementsprechend umfangreich sind auch die Erfahrungen insbesondere hinsichtlich des Rauhigkeitskoeffizienten. Die Formeln wurden empirisch gefunden und sind von ihrer Grundstruktur her einfach in der Anwendung

v = k R ISt * *2

31

2

k adSt

s

=6

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Potenzformeln

Die Potenzformeln haben in der Gerinnehydraulik eine deutlich längere Tradition; dementsprechend umfangreich sind auch die Erfahrungen insbesondere hinsichtlich des Rauhigkeitskoeffizienten. Die Formeln wurden empirisch gefunden und sind von ihrer Grundstruktur her einfach in der Anwendung

v = k R ISt * *2

31

2

k adSt

s

=6

PotenzformelnDer Kehrwert des STRICKLER-Beiwertes ist im englischsprachigen Bereich als MANNING-Wert gebräuchlich:

STRICKLER hat a = 21,1 ds wird häufig d90 der Unterschicht eingesetztMEYER-PETER/MÜLLER a = 26 und ds = d90JÄGGIEinfluß der Abflußtiefe auf die Rauhigkeitswirkung durch das relative Rauhigkeitsmaßmit ds = d90, berücksichtigt

n kSt=1/

( ) ( )a g Z Z e Z I= − −2 5 6 1 10 5 0 16 0 02 0 50 5

, * * ln( , * ) / *, , ) , * / ,,

Z h ds= /

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Grenzen der Stricklerformel-Der Zähigkeitseinfluß bleibt unberücksichtigt, deshalb nur gültig im hydraulisch rauhen Bereich - Der Zusammenhang zwischen Rauheitswirkung und Abflußtiefe (relative Rauhigkeit) ist nicht berücksichtigt, daher gültig nur für mittlere relative Rauhigkeiten.- Strickler-Beiwerte kSt sind nicht dimensionslos, deshalb nur gültig für Gerinnegrößen, für die kSt ermittelt wurde.- Die Querschnittsform ist durch den hydraulischen Radius nicht eindeutig definiert, daher unberücksichtigt, daher nur gültig für Formen des Gerinnequerschnitts, für die kSt ermittelt - Einfluß unterschiedlicher Rauheit und Gliederung des Gerinnequerschnitts sowie Einfluß des Sedimenttransports und veränderliche Sohlenformen bei beweglicher Sohle finden keine Berücksichtigung.

Ansätze von Limerinos, JarrettLimerinosFür Bettmaterial von feinem Kies bis zur Größe von Steinen

JarrettFür Flüsse mit Sohlgefälle von 0,002 bis 0,04

nk

RR

dSt

= =+

1 0 0926

116 2 0

1 6

84

, *

, , * log( )

/

n I R= −0 39 0 38 0 16, * *, ,

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Hydraulischer Leitwert Kuniverselles Fließgesetz als auch die Potenzformeln sind einheitlich darstellbar in der Form

Der hydraulische Leitwert K, angegeben für einen bestimmten Wasserstand, entspricht dem Durchfluß im Querprofil bei einem Energieliniengefälle von I = 1.Voraussetzung für diese Vorgangsweise ist die Gültigkeit des quadratischen Widerstandsgesetzes. Der hydraulische Leitwert muß vom Energieliniengefälle unabhängig sein. Dies gilt nur bei hydraulisch rauher Strömung, aber nicht bei hydraulisch glatter Strömung sowie im Übergangsbereich, wo die Reynolds-Zahl den Fließwiderstand mitbestimmt

Q K I= *

Hydraulischer Leitwert KFür die einzelnen Fließgesetze folgt:Gauckler-Manning-Strickleruniverselles FließgesetzÜber den hydraulischen Leitwert können die verschiedenen Fließgesetze miteinander in Beziehung gebracht werden und auch unterschiedlich ermittelte Widerstandsbeiwerte ineinander umgerechnet werden:

Durch diese Form der Umrechnung kann ein Rauhigkeitsbeiwert kSt bestimmt werden in dem die Größe des Rauhigkeitselements mit einer Querschnittsgröße in Relation gesetzt wird (relative Rauhigkeit).

K k R ASt= * */2 3

K g R A=8* * *λ

kR

gSt =

1 86

* *λ

18

6

λ=

k Rg

St **

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Quantifizierung der RauhigkeitDrei Möglichkeiten für die Bestimmung der Rauhigkeits-koeffizienten stehen zur Verfügung:

• Erfahrungswerte aus der Literatur• Messungen in der Natur• analytische Ansätze zur Beschreibung der Wirkung

einzelner Komponenten des Fließwiderstandes und deren Überlagerung

Querschnittsbereich Min. Norm Max.1. Hauptabflussquerschnitt

a. gerade, gering strukturiert, keine Kolke 30 33 40b. wie a., jedoch höherer Grobsteinanteil und / oder Verkrautung 25 29 33

c. gewunden, gering strukturiert, einige Kolke und Furte 22 25 30d. wie c., jedoch höherer Grobsteinanteil und / oder Verkrautung 20 22 29

e. wie d., geringere Wassertiefen, mehr unwirksame Abflussbereiche 18 21 25f. wie d., jedoch sehr hoher Grobsteinanteil 17 20 22

g. sehr langsam fließende Bereiche, verkrautet, tiefe Kolke 13 14 20h. sehr starke Verkrautung, Kolke, Flutmulden mit dichtem Bewuchs 7 10 14

2. Vorländera. Wiese

a1. kurzes Gras 25 30 35a2. hohes Gras 12 20 33

b. landwirtschaftlich genutzte Flächenb1. keine Feldfrucht 20 33 50

b2. reifes Getreide (Reihensaat) 15 20 40b3. reifes Getreide (flächig) 12 18 33

b4. Mais 4 6 8c. Gebüsch

c1. vereinzelt, starke Krautschicht 14 20 29c2. Gebüsch geringer Dichte, im Winter 10 15 25

c.3 Gebüsch geringer Dichte, im Sommer 8 12 20c4. Gebüsch mittlerer bis hoher Dichte, im Winter 6 10 13

c5. Gebüsch mittlerer bis hoher Dichte, im Sommer 4 8 14d. Bäume

d1. Kahlschlag 20 25 33d2. Kahlschlag mit starkem Wurzelaustrieb 13 17 20

d3. dichter Wald, wenig umgestürzte Bäume 8 10 13d4. wie d3., jedoch Abfluss bis in Asthöhe 5 8 10

d5, dichte Weiden, Sommer, gerade 5 7 93. Gebirgsflüsse, kein Bewuchs im Abflussquerschnitt, steile Böschungen, mitUferbewuchs a. Sohle: Kies, Steine, einige Blöcke 20 25 33

b. Sohle: Steine mit großen Blöcken 14 20 25

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Messungen in der Natur

Messungen in der NaturDie zweite Möglichkeit der Bestimmung des Rauhigkeitskoeffizienten besteht darin, in der Natur eine Abflußmengenkurve zu messen, indem bei unterschiedlichen Wasserständen Geschwindigkeitsprofile gemessen werden, aus denen bei Kenntnis der geometrischen Verhältnisse ein Durchfluß ermittelt werden kann. Die bekannte Wasserspiegellage für gemessene Abflüsse ermöglicht unter Annahme stationärer Fließbedingungen durch Umformung der Fließgesetze bzw. die Rückrechnung der entsprechenden Rauhigkeitskoeffizienten. Diese Möglichkeit wird auch zur Kalibrierung mathematischer Modelle herangezogen

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Messungen in der Natur

Analytische AnsätzeKornrauhigkeit

Zur Berücksichtigung der Kornreibung von Kiesbettflüssen muß in beiden Fließgesetzen ein lineares Rauhigkeitsmaß ksbzw. ds eingesetzt werden. Die Angaben in der Literatur über die Wahl dieser Größe aus der Kornverteilungskurve weisen eine große Bandbreite auf, insbesondere für den Ansatz von STRICKLER. Gebräuchliche Werte für ds sind neben d90 auch d65, 2*d90 oder 3,5*d84 (JÄGGI 1983).Bei der Wahl des 'maßgebenden Korndurchmessers' mußbeachtet werden, daß ds weniger ein Maß für die aktuelle Rauhigkeitshöhe, als vielmehr ein Maß für den Effekt der Rauhigkeit auf die Strömung darstellt (BATHURST 1982).

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Fließwiderstand durch BewuchsDrei Bewuchsarten sind nach DVWK (1991) grundsätzlich zu unterscheiden:- Kleinbewuchs: Die Vegetationshöhe ist im Vergleich zur Wassertiefe sehr klein, sodass solche Vegetation als Wandrauhigkeit angesehen werden kann.- Mittelbewuchs: Die Vegetationshöhe liegt in der Größenordnung der Wassertiefe. Diese Vegetation wird sowohl durch- als auch überströmt. Überwiegt Überströmen, so wird das Widerstandsverhalten mittels entsprechend großgewählten absoluten Rauhigkeitsmaßes berücksichtigt, andernfalls wie bei Großbewuchs. - Großbewuchs: Die Bewuchshöhe ist mindestens so groß wie die Abflußtiefe und der Bewuchs wird lediglich durchströmt.

GroßbewuchsZur Charakterisierung des Großbewuchses dienen:ax Abstand der Bewuchselemente in Fließrichtungay Abstand der Bewuchselemente quer zu Fließrichtungdpy Durchmesser der Bewuchselemente quer zur

Fließrichtung. Bei Abweichung des Bewuchses von der Kreiszylinderform ist ein äquivalenter Durchmesser einzuführen

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GroßbewuchsDie Bewuchsparameter ax, ay und dp sind im Feld zu bestimmen: Zunächst werden rein visuell Abschnitte mit unterschiedlicher Bewuchsstruktur festgestellt und im Lageplan eingetragen. Daraufhin werden innerhalb homogener Abschnitte Probeflächen abgegrenzt (Seitenlänge 10 m bis 20 m für Baumbestand und ca. 2 m für Sträucher und 50 m bis 100 m Abstand untereinander je nach Homogenität des Bewuchses).

GroßbewuchsVier Bewuchsstrukturen können unterschieden werden:- nur Bäume oder nur Sträucher- Bäume und/oder Sträucher einzelstehend oder in

Gruppen- Bäume und Sträucher gemischt- einreihige Gehölzstreifen

Die Bewuchsparameter sind die erforderlichen Meßwerte aus der Natur zur Bestimmung eines Widerstandsbeiwerts .

Hiefür existieren verschiedene Rechenansätze, die in der Literatur ausführlich beschrieben sind (z.B. Verfahren nach PASCHE oder MERTENS in DVWK, 1991).

λ Pf

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Fließwiderstand durch Formr.Die Wirkung der verschiedenen Komponenten der Formrauhigkeit wird von vielen Autoren qualitativ beschrieben und es existiert auch eine Vielzahl von Berechnungsansätzen für Sandbettflüsse. In Kiesbettflüssen, wie sie in unseren Gebieten vorherrschen, muss - analog zur Rohrhydraulik - auf das Konzept zurückgegriffen werden, die Verlusthöhe hv infolge Formrauhigkeit proportional der Geschwindigkeitshöhe mit dem Verlustbeiwert ξ als Proportionalitätsfaktor zu bestimmen:

hgv i i, *

*= ξ

v2

2

FormrauhigkeitDas Problem liegt hiebei in der mangelnden Erfahrung mit den Verlustbeiwerten ξ.Das grundlegende Prinzip beruht auf der linearen Aufteilung hydraulischer Parameter in einen Korn- und einen Formanteil. Somit gilt z.B. für das Energieliniengefälle

I' berücksichtigt den Anteil der Kornrauhigkeit, I'' den Anteil der Formrauhigkeit. Dieses Konzept geht auf EINSTEIN zurück.Die Erweiterungsverluste hinter Bänken können in Form von BORDA-CARNOT'schen Stoßverlusten berücksichtigt werden:

I I I= ′ + ′′

hv

gv

gv E″ = −ξ α α* *

**

*11

2

22

2

2 2

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FormrauhigkeitBezogen auf die Banklänge lB ergibt sich ein zugehöriges Energieliniengefälle, mit Hilfe dessen durch Umformung von ein entsprechender Widerstandsbeiwert λ'' berechnet werden kann. Der gesamte Widerstandsbeiwert λ berechnet sich nach mit

Bei großen Abflüssen tritt Formwiderstand infolge Geschiebetransport in den Vordergrund. Bisher wurden für Kiesbettflüsse noch keine nennenswerten Ansätze entwickelt. Diese Komponente des Widerstandes könnte durch das Ansetzen eines größeren maßgeblichen Korndurchmessers bei der Ermittlung des Widerstandsbewertes λ bzw. kStBerücksichtigung finden. RAUDKIVI (1990) schätzt z.B. die Rauhigkeit in einem ebenen Übergangsbett auf

λ λ λ= ′ + ′′

6 50*d

FormrauhigkeitDie Verlusthöhe in Krümmungen sowie durch Gerinneverzweigungen und -vereinigungen kann näherungsweise ebenfalls bestimmt werden. Entsprechende Annahmen für Verlustbeiwerte sind z.B. in NAUDASCHER (1992) oder GARBRECHT (1961) zu finden

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Energieverluste durch EinbautenEinbauten verschiedenster Art haben Einfluß auf die Energielinie. Brücken z.B. verursachen neben den bereits erwähnten Kontraktions- und Expansionsverlusten gegebenenfalls auch durch Pfeiler Energieverluste, die wiederum von der Pfeilerquerschnittsform, vom Verbauunggrad und den Fließbedingungen im unverbauten Querschnitt abhängen. Ebenso darf der Einfliuß von Buhnen, Durchlässen, Überfällen, usw. nicht vernachlässigt werden.Solche Einbauten sind im konkreten Fall in Form einer lokalen Verlusthöhe zu berücksichtigen

Querschnitte mit untersch. Rauh.Sind innerhalb eines Querschnitts benetzte Längen unterschiedlicher Rauhigkeit (z.B. Sohle und Ufer) vorhanden, so wird zunächst für jeden Teilbereich der Widerstandsbeiwert λ bzw. der Rauhigkeitsbeiwert nach STRICKLER kStermittelt. Unter der Voraussetzung eines kompakten Fließquerschnitts und der Annahme gleicher mittlerer Geschwindigkeiten für die einzelnen Querschnittsteile kann nach EINSTEIN und HORTON ein äquivalenter Abflußbeiwert bestimmt werden, für die STRICKLER-Formel mit UNIV. FLIEßGESETZ

( )k l

l kSt

u

u i St ii

n=

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

=∑ , ,

/

/

/ 3 2

1

2 3

( )λ

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Querschnitte mit untersch. Rauh.

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