Hochwass­erschutz - Wasser- und Kreislau­fwirtsch­aft

- Vorlesungsunterlagen sind nicht zugelassen

- Hilfsmittel: Taschenrechner unprogrammiert

- Skizzen sind sauber anzufertigen

Folgende Gleichungen sind gegeben:

v=k_f*I

v=ds/dt

Q_z,m= (Q_z,i+Q_z,i+1)/2

dS= (Q_z,m – Q_A)*dt

Aufgabe 1 (16 Minuten)

a) Wodurch werden Hochwasserereignisse im Wesentlichen verursacht? Nennen Sie 6 Kriterien (6 Min.)

b) Wie wurden die Hochwasserganglinien im Laufe der historischen Betrachtung verändert ? (10 Min.) -Skizze und Erläuterung-

Aufgabe 2 (45 Minuten)

Der unten dargestellte Fluss (Hauptstrom: b_So=30m, h = 2,0 m, 1:m = 1:2, Vorland: b_V = 200m (beidseitig), h_V=2,0 m, 1:m_V=1:3) soll eingedeicht werden. Die Deiche sind im Abstand von 50 m beidseitig des Flusses geplant (gestrichelt dargestellt).

Die Bauhöhe beträgt 2 m über Vorlandniveau, die wasserseitige Böschung wird zu 1:m = 1:3 angelegt.

Das Sohlgefälle beträgt I_So=0,5%o, die Rauheit beträgt einheitlich k_St=30 m1/3/s.

a) Schreiben Sie die Berechnungsgleichungen auf und Erläutern Sie die Vorgehensweise bei gegliederten Querschnitten. Bitte mit Skizze ! (8Min.)

b) Berechnen Sie die Abflussleistung des Flusses im Ist-Zustand von h= 0 bis 4 m ( in1Meter-Schritten, tabellarisch).(16 Min.)

c) Berechnen Sie die Abflussleistung des Flusses im eingedeichten Zustand von 0 bis 4 m (in 1Meter-Schritten, tabellarisch)

d) Wie verringert sich die Abflussleitung des Flusses durch die Eindeichung. Zeichnen Sie für beide Szenarien die Abflusskurven in einem Diagramm und erläutern Sie.

Aufgabe 3 (12 Min.)

Zeichnen Sie einen Schnitt durch einen homogenen Deich mit beidseitiger Berme und beschriften Sie die Zeichnung. (sauber zeichnen!)

An einem homogenen Deichabschnitt ist mit einem Hochwasser von 17 Tagen Einwirkdauer und einem Wasserstand von h=4 m über dem Vorland zu rechnen. Die Deichkrone ist 4 m breit und liegt 5 m über dem Vorland, die Böschungsneigungen sind beidseitig 1:m=1:3, der k_f-Wert beträgt 3*10-6m/s.

a) Berechnen Sie überschlägig, ob die Gefahr besteht, dass die Sickerlinie während des prognostizierten Hochwasser luftseitig austritt? (12Min.)

b) Worin besteht die Gefahr, wenn die Sickerlinie an der Luftseite während eines Hochwassers austritt ? (3Min.)

c) Mit welchem Verfahren kann die Durchsickerung eines homogenen Deiches exakter berechnet werden? (1Min)

Aufgabe 5 (21Min.)

Sie wollen Hochwasserschutz an der Ehle betreiben. Hierzu soll ein Polder vorbemessen werden, um den Flächenbedarf abschätzen zu können. Die maßgebliche Hochwasserabflussganglinie der Ehle ist nachfolgend grafisch und tabellarisch dargestellt.

Ziel ist es Abflüsse über Q=14 m3/s in den Polder einzuleiten und über die Dauer des Hochwassers zwischenzuspeichern.

Abflussganglinie grafisch:

I

Abflussganglinie tabellarisch

b) Wieviel Fläche ist erforderlich, wenn von einer mittleren Flutungshöhe des Polders von 1,2 m ausgegangen werden kann ? (2 Min.)

Musterlösung

Aufgabe 1 (16P)

1a) (6P)

- Starkniederschläge (zumeist kurzzeitig) (1P)

- lang anhaltende Niederschläge mit Sättigung des Bodens (1P)

- meterologische Sondersituationen (bspw. Elbe 2002) (1P)

- gefrorener und schneebedeckter Boden (sofortiger Abfluss ohne Versickerung) (1P)

- Verringerung von Rückhalteräumen und Speichermöglichkeiten (durch Begradigung , Eindeichung, Abholzung) (1P)

- Versiegelung (bei großen HW-Ereignissen spielt die Versiegelung kaum eine Rolle, da die Böden zumeist zu 100% gesättigt oder durch Eis und Schnee versiegelt sind) (1P)

1b) (10P)

- Der Scheitelabfluss Q_max nimmt durch Eindeichungen zu (1P)

- Die Abflussganglinie wird im Anstieg steiler, da das Hochwasser durch Begradigung der Flüsse schneller abfließt (1P)

- Versiegelung führt zu einem schnelleren Anstieg der Ganglinie und zu einem größeren Scheitelwert Q_max (1P)

- Klimaeffekte werden zukünftig den Scheitelabfluss erhöhen. (1P)

Bspw.

Skizze sauber (6P)

Aufgabe 2 (45P)

2a) (8P)

Abflussberechnung nach Manning-Strickler: Q= k_St I0,5 r_hy2/3 A (1P)

Im Hauptgerinne:

Berechnung der Querschnittsfläche A = b_so h+ m h2 (1P)

Berechnung des hydraulischen Radius: r_hy=A/l_u (1P)

Beim Übergang zwischen Hauptgerinne und Vorland wird der benetzte Umfang dem Hauptgerinne zugerechnet (2P)

saubere Skizze (2P)

2b) (16P)

tabellarische Auswertung (je Q-Berechnung 2P) (16P)

2c) (13P)

Q-Hauptgerinne identisch ! (1P)

tabellarische Auswertung (je Q-Berechnung 2P) (12P)

2d) (8P)

saubere Zeichnung beider Abflusskurven (6P)

Erläuterung (2P)

Aufgabe 3 (12 P)

Siehe Skript:

Saubere Zeichnung (5 P)+ rd. 14 Beschriftungen a 0,5P=(7P)

Aufgabe 4 (16P)

4a) (12P)

Kronenbreite b=4 m, Deichhöhe über Vorland 5m, Böschungsneigung 1:3 (1,5P)

Wasserstand über Vorland h = 4 m (0,5P)

Sickergeschwindigkeit: v = k_f*I (1P)= k_f*dh/dL (1P)= 3*10-6 * 4/34= 3,53*10-7 m/s (1P)

v=ds/dt: (1P) ds=v*dt (1P)=3,53*10-7 * 17d*86400s/d (1P)= 0,53 m (1P)

Unter der Voraussetzung, dass keine Deichschäden (Wühlmäuse u.a.) vorliegen, dringt die Sickerlinie nur rd. 53 cm in den Deichkörper ein. Es ist nicht mit einer Gefahr zu rechnen (1P)

4b) (3P)

Es können Feststoffe mit ausgespült werden (1P), dann wird das Austrittswasser trüb (1P). Mit anhaltendem Ausspülen von Feststoffen besteht die Gefahr der inneren Erosion des Deiches und einem Versagen des Deichkörpers (1P).

Kozeny und Casagrande

Aufgabe 5 (21P)

a)      (19P)

Es ist ein Speicherraum von rd. 120.000 m3 erforderlich.

Tabellenkopf aufstellen (6 P)

Herausfiltern des maßgeblichen Bereiches (2P)

Pro richtig berechneter Zeile 1P = (10P)

Ergebnis richtig (1P)

5b) (2P)

A=V/h=120.000/1,20=100.000m2=10ha (2P)