Praktikum 3    3‐1 

Übungen zu Computergestützte Gewässermodellierung    

PRAKTIKUM  3     Problemstellung 

Bearbeitung eines Wasserspiegellagenmodells mit unterschiedlicher Rauigkeit und gegliedertem Profil 

  Im Zuge des Praktikums 3 wird ein Wasserspiegellagenmodell mit unterschiedlicher Rauhigkeit  und  gegliedertem  Profil  bearbeitet.  Dabei  liegt  der  Schwerpunkt  der Arbeiten auf der eigenständigen Abschätzung von Rauhigkeitsbeiwerten und deren Einbau  in  das  Modell.  Weiters  ist  die  Behandlung  von  gegliederten  Profilen  mit Levees und uneffektiven Abflussräumen vorgesehen.  Übungsziele 

Bearbeitung einer gegliederten Geometrie mit variierenden Rauhigkeiten  Schätzung bzw. Definition der Rauhigkeitsbeiwerte  Analyse und Eingabe der abflussunwirksamen Flächen im Vorland  Simulation des fertiggestellten Inputs  Interpretation und Visualisierung der Ergebnisse 

 Input‐Data  

gegebene Geometrie (z.B. Profile aus Digitalem Geländemodell gelesen)  Angaben über die Landnutzung (z.B. aus Luftbild oder Flächenwidmungsplan)  stationäre Abflussdaten 

 

Abschätzung der Rauigkeitsbeiwerte  Levees  Ineffective Flow Areas 

Praktikum 3    3‐2 

Übungen zu Computergestützte Gewässermodellierung    

PRAKTIKUM  3 Vorgangsweise 

1. Öffnen der existierenden Geometrie  Anlegen eines neuen Projekts:  

   File       New Project       Dateiname: Praktikum_3  

!!! Kontrolle, ob SI‐Einheiten eingestellt sind!!!   Einlesen der Geometriedaten:   

                     File       New Geometry Data       Name: Praktikum_3                            File       Import Geometry Data       HEC‐RAS‐Format…     

                         Naturgeometrie01 öffnen (in SI‐Einheiten importieren!!!)   Die  Betrachtung  der  Profile  zeigt  ein  stark  gegliedertes,  asymmetrisches  Profil mit beidseitigen Vorländern.                          

Neues Projekt anlegen

Praktikum 3    3‐3 

Übungen zu Computergestützte Gewässermodellierung    

2. Vorlandrauigkeiten   Die Abschätzung der Rauigkeiten des Vorlandes erfolgt zumeist über Werte aus der Literatur,  die  ihrerseits  oft  Modellversuchen  und  Rückrechnungen  entstammen. Kalibrierungen  anhand  von  Abflussdaten  des  betroffenen  Flusses  sind  zumeist schwierig, da die Vorlandrauigkeiten nur bei Hochwässern  (Q  > QBordvoll)  eine Rolle spielen  und  die  Daten  zu  solchen  Ereignissen  gering  und  oft  mit  großen Unsicherheiten versehen sind.   Die  folgende  Grafik  zeigt  in  der  3D‐Ansicht  die  unterschiedlichen Landnutzungsformen des Gebietes:                         Kürzel  Bezeichnung  Beschreibung  kst 

gewählt n  gewählt 

A  Acker  abgeernteter Maisacker     Au  Auwald  Grauerlenau     H  Hochwald  hiebreif     N  Nebengerinne  Böschung von Buschwerk bewachsen     U  Uferbegleitstreifen  Uferbegleitstreifen aus Erlen und Weiden     W  Wiese  extensiv genutzt     We  Weide  buschdurchsetzte Wiese      

(n = 1 / kst)  Anmerkung: theoretisch müsste bei Berechnungen auch der Zustand der Vegetation (Jahreszeitenabhängig)  berücksichtigt werden. Dies  spielt  bei Untersuchungen  und wissenschaftlichen  Arbeiten  eine  Rolle,  in  der  ingenieurstechnischen  Praxis  wird dieser Umstand aber oft vernachlässigt.   

Auwald 

Neben‐gerinne 

Uferbegleitstreifen 

Acker 

Wiese

Hochwald 

Weide

Vorlandrauigkeiten

Praktikum 3    3‐4 

Übungen zu Computergestützte Gewässermodellierung    

 Cross‐ Section 

LOB  Channel  ROB 

1  0: A      184  276: U     2  0: A  152: U    184  258: U  322: N  354: Au 3  0: A  165: U    215  295: U  426: N  453: Au 4  0: A  166: U    224  340: U  476: N  521: Au 5  0: A  213: U    228  368: U  463: N  529: Au 6  0: A  210: U    235  402: U  453: N  527: Au 7  0: W  288: U    327.4  450: We  517: N  592: Au 8  0: W  369: U    407.1  500: We  525: N  594: Au 9  0: H  104: W  331: U  375.7  450: We  534: N  605: Au 10  0: H  237: W  488: U  594.5  677: We  920: Au   11  0: H      548.4  646: We  1015: Au   12  0: H      706  830: We  1131: Au   13  0: H      471.3  570: We  865: Au       Eingabe von mehr als 3 Rauigkeitsbeiwerten pro Profil:                                        Options       Horizontal Variation in n Values 

 nun wurde neben Stationierung und Höhe eine dritte Spalte eingefügt,  in welche  in Abhängigkeit  von  der  Stationierung  die  Rauigkeitsbeiwerte  eingegeben  werden können. Ein Rauigkeitsbeiwert geht von links (gewählte Stationierung) nach rechts im Profil bis man einen anderen Rauigkeitsbeiwert eingibt.                        

mehrere Rauigkeitsbeiwerte

Praktikum 3    3‐5 

Übungen zu Computergestützte Gewässermodellierung    

   Estimation of roughness values (Literature):

Praktikum 3    3‐6 

Übungen zu Computergestützte Gewässermodellierung    

Praktikum 3    3‐7 

Übungen zu Computergestützte Gewässermodellierung    

 

Praktikum 3    3‐8 

Übungen zu Computergestützte Gewässermodellierung    

3. Rauigkeit des Channels   Die  Rauigkeit  des  Channels  wird  über  die  Kornverteilungskurve  abgeschätzt  und anhand einer Wasserspiegellagenaufzeichnung (Excel‐File) verbessert (Kalibrierung).    

                                                                    a = 21,1 (nach Strickler) ds = d90 (nach Strickler) in [m] 

   Abflussdaten für die Berechnung             :  Q = 500 m3/s Normal Depth Upstream / Downstream: ist aus den Sohlhöhen des Excelfile zu ermitteln (lineare Trendlinie legen und Formel anzeigen lassen)   Berechnung starten               und Ergebnis in Querprofilen und 3D‐Ansicht überprüfen.                  Das  Programm  hat  die  Berechnung  ohne  Fehlermeldung  durchgeführt,  dennoch zeigen die Querprofile kein richtiges Ergebnis, da 

‐ es  zu  Vorlandüberflutungen  kommt,  obwohl  sich  der Wasserspiegel  unter den Bank Stations  befindet 

‐ der nicht angebundene Seitenarm durchflossen wird  Bemerkung: Hierbei  zeigt  sich die Schwierigkeit von 1D‐Programmen, weil hier das Wasser nicht  automatisch  (wie  bei  2D‐ und  3D‐Programmen)  den  „richtigen“ Weg sucht. Der  Fließweg muss  vom Modellierer  vorgegeben werden, wofür dieser aber Modellierungserfahrung  und  Ortskenntnis  (Kenntnis  von  Lageplänen,  Profilen  und Luftbildern; am besten Ortsbegehung) benötigt.  Wichtig  ist  auch  zu  bemerken,  dass  sich  Fließweg  je  nach  Abfluss  unterschiedlich verlaufen kann, also für verschiedene Abflussereignisse unterschiedliche Geometrien erforderlich sein können.   

6s

st dak =

Channel‐Rauigkeit

Profil 12 Profil 7

Vorlandüberflutung  

Durchströmung des nicht‐angebundenen Seitenarms 

Praktikum 3    3‐9 

Übungen zu Computergestützte Gewässermodellierung    

4. Anpassung der Geometrie für den richtigen Fließweg   Bevor also mit der Kalibrierung  fortgefahren werden kann, muss die Geometrie  so angepasst werden, dass der Fließweg richtig abgebildet wird. Das Programm HEC‐RAS bietet dafür drei Tools an:   

Levees (Damm): Vorland wird erst überflutet, wenn Wasser über diesen Punkt steigt 

Ineffective Flow Areas  (Uneffektive Abflussräume): Bereich, der sich zwar mit Wasser  füllen  kann,  aber  nicht  zum  Abflussgeschehen  beiträgt (Fließgeschwindigkeit = 0) 

Obstructions (Geblockter Bereich): Bereich, der gänzlich ausgeblockt wird.   Um zu verhindern, dass die Vorländer vorzeitig geflutet werden, setzen wir in jedem Profil Levees auf die Bank Stations und belegen die Fläche des Seitenarms mit einer Ineffective Flow Area:                                       Options       Levees       Defaults (setzt auf Bank Stations) 

                                      Options       Ineffective Flow Areas       Multiple Blocks       

 

   Angabe der rechten und linken Station, der Höhe und ob permanent (yes)                            

Levees  Ineffective Flow Areas  Obstructions 

Levees Ineffective Flow Area

Praktikum 3    3‐10 

Übungen zu Computergestützte Gewässermodellierung    

Eine  Kontrolle  der  Profile  und  der  3D‐Ansicht  zeigt,  dass  der  Fließweg  nun  richtig dargestellt  ist. Nun kann mit der Kalibrierung  fortgefahren werden. Die Rauigkeiten des Channels können einfach unter                        Tables       Manning’s n or k values       grün hinterlegte Felder 

 modifiziert werden. Das Berechnungsergebnis eines jeden Rechenlaufs für W.S.Elev.   (Water  Surface  Elevation)  kann  der  Ergebnistabelle                  entnommen  und  zum Vergleich in das Excel‐File kopiert werden.     5. Berechnung von Hochwässern   Nachdem  die  Geomtrie  angepasst,  die  Channel‐Rauigkeit  kalibriert  und  die Vorlandrauigkeiten  gewählt wurden,  kann  die  Berechnung  von  Hochwässern  (also Abfluss mit Vorlandüberflutung) mit folgenden Werten durchgeführt werden:   PF 1 = 500 m3/s PF 2 = 700 m3/s PF 3 = 1200 m3/s                   Die Betrachtung des Längenschnitts zeigt, dass die Wasserspiegellage für die beiden Abflüsse  PF  1  und  PF  2, welche  beide  innerhalb  des  Channels  abgeführt werden, ziemlich parallel  ist, während die Wasserspiegellage für Abfluss PF 3, bei dem schon das Vorland überflutet wird, einen anderen Verlauf aufweist.   Anmerkung: Bei der Arbeit mit  relativen Rauigkeiten  (Strickler‐ und Manningwerte) ist der Rauigkeitswert vom Durchfluss abhängig, sprich die Rauigkeit müsste für jeden Abfluss  eigens  kalibriert  werden.  Da  die Wasserspiegelmessungen  während  eines Hochwasserereignisses aber mit großen Ungenauigkeiten behaftet oder erst gar nicht verfügbar  sind,  wird  meistens  mit  den  kalibrierten  Werten  des  Mittelwassers gerechnet.  

Hochwasser‐Berechnung