Hydraulik

Hydraulische Modelle

Hydraulische Modelle werden erstellt um den komplexen Prozess des Abfließens von Wasser an der Erdoberfläche mathematisch zu erfassen und mittels geeigneter Methoden numerisch und grafisch abzubilden. Hierzu stehen verschiedene methodische Ansätze zur Verfügung, deren Auswahl und Anwendung hydraulische Kenntnisse und Erfahrung im Umgang mit den verschiedenen Modellen erfordert. Räumliche und zeitliche Auflösung und Komplexität des Modells sollten der Fragestellung und den verfügbaren Daten angepaßt sein. Parameter müssen im physikalisch sinnvollen Wertebereich gewählt werden. Die nach Kalibrierung und Validierung des Modells gewonnen Ergebnisse müssen anhand von Unsicherheitsanalysen der Eingangsdaten und Empfindlichkeitsanalysen der Ergebnisdaten interpretiert werden.

1-dimensionale hydraulische Modelle

Bei Betrachtung der Kapazität von Fließgewässern ist oftmals nur die bei einem bestimmten Abfluss auftretende Wasserspiegellage von Interesse. Treten in dem Gewässer nur mäßige Krümmungen und überwiegend regelmäßige Querschnitte auf, sind eindimensionale Modelle ausreichend. Grundlage hierfür bilden Querprofile des Gewässers, die mittels terrestrischer Vermessung gewonnen werden können.

Abbildung 1: Beispiel für Profillagen im 1-D Modell

Abbidung 2: Ansicht eines einfachen Gewässerquerprofils

Abbildung 3: Querprofil eines Brückenbauwerks

 Das Modell ist in der Lage für jedes Querprofil eine Wasserspiegellage und die auftretenden hydraulischen Randbedingungen wie die Energielinie, Froude-Zahl oder Schleppspannung zu errechnen.

2-dimensionale Modelle

Darüber hinaus sind zweidimensionale Modelle geeignet weitere Erkenntnisse über das Abflussgeschehen zu berechnen. Diese können erforderlich sein, wenn:

- komplexe Strömungsbilder z. B. an Bauwerken von Interesse sind
- flächenhafter Abfluss außerhalb des Gerinnes zu erwarten ist
- Grenzen eines Überschwemmungsbereiches dargestellt werden müssen

In diesen Fällen kann das zweidimensionale Modell horizontale Strömungsbilder darstellen, indem für jeden Berechnungsknoten neben die Wasserspiegellage die über die Tiefe gemittelte Fließgeschwindigkeit in x- und y-Richtung berechnet wird. Die tatsächliche Ausdehnung von Überschwemmungsbereichen läßt sich letztlich nur mit Hilfe eines Strömungsmodells korrekt darstellen.

Abbildung 4: Strömungsbild einer 2-D Berechnung

Abbildung 5: Ausdehnung des Überschwemmungsbereiches mit zu erwartenden Wassertiefen

Für Verdolungsstrecken oder bei einer hydrodynamischen Berechnung von Kanalsystemen müssen andere Berechnungstechniken angewandt werden als bei Freispiegelgerinnen. Hier muss das hydraulische Geschehen in geschlossenen Rohren und Rohrnetzen betrachtet werden.

 Abbildung 6: Hydrodynamische Berechnung einer Verdolungsstrecke

Bauwerke

Für Wasserrechtsverfahren ist in aller Regel ein hydraulischer Nachweis der geplanten Maßnahme erforderlich. So muss beispielsweise beim Bau eines Rückhaltebeckens sichergestellt sein, dass die auftretenden Abflüsse des Bemessungsereignisses sicher bewältigt werden.

Abbildung 7: Skizze zur Darstellung der hydraulischen Verältnisse an einer Hochwasserentlastungsanlage