Titelaufnahme

Titel
Empfindlichkeit der hydraulischen Berechnung naturnaher Gerinnequerschnitte : dargestellt anhand von Durchflussmessungen am Russbach (Machfeldkanal-system) / von Melle Paugam
VerfasserPaugam, Maelle
Begutachter / BegutachterinTschernutter, Peter ; Honsowitz, Hubert
Erschienen2008
Umfang149 S. : Ill., graph. Darst., Kt.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2008
Anmerkung
Zsfassung in engl. Sprache
SpracheDeutsch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Pflegemassnahmen / hydraulische Leistungsfähigkeit / Durchflussberechnungen / Uferbewuchs / Sensitivitätsanalyse / Sohlendwiderstand / Vegetationswiderstand / äquivalente Sandrauheit / Strickler-Beiwert
Schlagwörter (EN)tending measures / hydraulic functionality / discharge calculation / bank vegetation / sensitivity analysis / equivalent sand-grain roughness / friction factor / Strickler coefficient
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-26923 Persistent Identifier (URN)
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Empfindlichkeit der hydraulischen Berechnung naturnaher Gerinnequerschnitte [7.66 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die ingenieurbiologische Bauweise ist eine wirtschaftliche, dauerhafte Lösung zur Böschungs- und Erosionssicherheit bei der Gestaltung von Fließgewässern. Sie leistet außerdem eine gute ökologische Funktionsfähigkeit. Daher wird sie bei entsprechenden hydraulischen Randbedingungen immer häufiger angewendet. Im Rahmen der Hochwassersicherheit sind seit den 80er Jahren neue Berechnungsmethoden zur Behandlung dieser naturnah gestalteten Fließgewässer entstanden. Das Ziel besteht insbesondere darin, den Einfluss des Bewuchses auf die hydraulische Leistungsfähigkeit zu quantifizieren und die zahlreichen und komplex wirkenden Parameter zu beherrschen. Diese Berechnungsmethoden sind bis heute noch Forschungsthemen.

Zur Berechnung der Durchflüsse bzw. der Wasserspiegellagen sind je nach Eigenschaften der Gewässer verschiedene Verfahren verfügbar. Sie Wurden insbesondere von Mertens (1989), Specht (2002), und Indlekofer (2003 und 2005) entwickelt. Diese Methoden basieren auf dem Konzept einer fiktiven Trennfläche zwischen der Bewuchszone und dem Hauptabfluss, die man einer fiktiven Rauheit zuordnen muss. Für die hydraulischen Berechnungen sind die Gleichungen von Darcy-Weisbach und Gauckler-Manning-Strickler und die Rauheitsüberlagerungsmethode nach Einstein-Horton benutzt.

Die Aufgabe dieser Diplomarbeit besteht darin, die verschiedenen Durchflussberechnungsmethoden zu untersuchen, um eine plausible Modellierung der wirkenden Fließverluste (aufgrund der Sohle und des Böschungsbewuchses) in einem ausgewählten Profil am Russbach im Machfeldkanal (NÖ) vorzuschlagen. Zur diesem Zweck wurden Stickler-Beiwerte anhand von Wasserstand- und Durchflussmessungen, die am Russbach durchgeführt wurden, bestimmt. Diese Diplomarbeit trägt dazu bei, die Wirkung der Pflegemaßnahmen am Bewuchs auf die Leistungsfähigkeit des Russbaches zu bestimmen und somit den Mindestumfang für die Gerinnepflege zu definieren.

Basis der Arbeit ist die Empfindlichkeitsuntersuchung (Sensitivitätsanalyse) der verschiedenen Berechnungsmethoden im Verhältnis zu den Eingangsparametern. Jeder Eingangsparameter wird mit einem plausiblen Vertrauensbereich bestimmt. Dann wurde die Wirkung dieser Fehler auf die Genauigkeit der berechneten Größen untersucht. Diese Arbeit hat gezeigt, dass der Beitrag des Fließwiderstandes aufgrund einhängender Äste zum gesamten Abflusswiderstand unvernachlässigbar ist. Der Fließverlust infolge dieser Äste wird aber nicht modelliert, weil zurzeit noch kein Modell vorhanden ist. Um genauere Informationen über die Wirkung der einhängenden Äste auf den Durchfluss zu bekommen, müssen Laborversuche durchgeführt werden, mit dem Ziel, den resultierenden Energieverlust zu quantifizieren. Im Rahmen der Pflegemaßnahmen ist daher die Entfernung der einhängenden Äste am Wirksamsten um die hydraulische Leistungsfähigkeit des Fließgewässers zu erhöhen.

Es wird auch gezeigt, dass das Mertens-Verfahren mit Ergänzung nach Specht als Berechnungsverfahren für die fiktiven Trennflächenrauheiten und die Rauheitsüberlagerung nach INDLEKOFER (2003) die beste Kombination der Berechnungsmethoden für die Ermittlung des gesamten Strickler-Beiwertes ist, wenn nur vertikalachsiger Bewuchs im Querschnitt vorhanden ist.

Es wurde nachgewiesen, dass bei den Pflegemaßnahmen die Instandhaltung der Breite der Bewuchszonen im Vergleich zu der Instandhaltung der Vegetationsdichte von größerer Bedeutung ist. Endlich wird gezeigt, dass die Rauheit der Sohle angegeben als äquivalente Sandrauheit der signifikanteste Parameter für die Bestimmung des Strickler-Beiwertes ist.

Die Untersuchung der Berechnungsmethoden haben erlaubt, die für den Russbach bedeutenden Parameter der Fließverlustmodellierung hervorzuheben und zugleich auf die Durchführung praktischer Pflegemaßnahmen zu schließen. Die Schlussfolgerungen über den Einfluss des Bewuchses sind, dank dieser Diplomarbeit, nur für ein bestimmtes Querprofil am Russbach bestätigt worden. Um das Modell generell zu bestätigen, sind ähnliche Berechnungen in den anderen Messprofilen am Russbach und für die weiteren Messtermine durchzuführen. Dazu sind weitere Fließgewässer zu untersuchen, die eine größere benetzte Bewuchszone für den Bemessungsfall aufweisen.

Zusammenfassung (Englisch)

Soil bioengineering, which uses live plant materials to provide erosion control, is a cost effective and durable solution to river bank protection. Furthermore it achieves a good ecological functionality. For appropriate boundary conditions, this method is currently more and more adopted in the design of nature-like rivers.

In the framework of flood protection, the evaluation of the vegetation effect on the hydraulic behaviour of rivers is still a research subject.

In the last 30 years, different calculation procedures to describe flow resistance by vegetation have been developed. In the German-speaking world it has been especially researched by Mertens (1989), Specht (2002) and Indlekofer (2003 and 2005). These calculation procedures are based on the main idea of a fictitious rough wall between bank vegetation and main stream, which modelizes the flow resistance due to vegetation. The hydraulic formulas of Darcy-Weisbach, Gauckler-Manning-Strickler and Einstein-Horton are then used to calculate the resulting discharge in the river.

The goal of this master's thesis is to study different flow calculation procedures to find a plausible model of the flow resistance in the nature-like designed river Russbach (part of the Machfeldkanal irrigation system in Lower Austria). This modelisation aims at assessing the influence of growth and tending of vegetation on the hydraulic capacity of the river in order to find the minimal vegetation tending measures to adopt. The discharge in the Machfeldkanal-net is controllable so that numerous discharge and water level measurements, under different conditions and in different seasons, have been carried out in the river Russbach. This data are the basis of this master's thesis. The study has been restricted to just one typical cross-section of the river Russbach.

The first step of the work consists in assessing a Strickler flow coefficient (and friction factor respectively) for the entire cross-section with through-flowed vegetation. This coefficient is back calculated by means of the Gauckler-Manning-Strickler formula and the appropriate discharge and water level measurements. This value is the target for the calculation based on the model of the flow resistance due to each roughness element (bottom, vegetation). The second step deals with the estimation of the equivalent sand-grain roughness ks of the bottom. The roughness ks is first back calculated by means of the Darcy-Weisbach formula for discharge and water level measurement without flowed vegetation. This first value is then compared to the values of the grain size distribution curve of the building material.

The third step is the estimation of the vegetation flow resistance (roughness of the fictitious wall) by means of the calculation procedures according to Mertens and Specht. The last step consists in superposing each roughness to obtain a friction factor available for the complete cross-section. This superposition is executed by means of different methods (Indlekofer (2003 and 2005) and DVWK (1991)) based on the assumption of Einstein-Horton. The calculated value has to accord with the value of the first step. The main tool to determine the best calculation procedure and also the most plausible value for the friction factor of the cross-section is the sensitivity analysis. Each input parameter is estimated with a confidence interval and its effect on the calculated value's stability is determined.

This study has shown that, in the case of the river Russbach, the vegetation contributes to the flow resistance mostly through low overhanging branches. The density of the vegetation on the bank has just a marginal effect. But until now there isn't any modelisation to quantify the effect of these hanging branches. Further Studies have to be done to find a modelisation of this important flow resistance.

When there are no low overhanging branches, the equivalent sand-grain roughness of the bottom has the most important influence on the friction factor of the entire cross-section compared to the fictitious roughness due to vegetation. It is furthermore a sensible input parameter. The equivalent sand-rain roughness of the bottom has therefore to be high precisely determined. In this case, the model of Specht (2002) for the fictitious roughness due to vegetation used with the superposition according to Indlekofer (2003) appears as a good calculation procedure.

To confirm and improve the first results of this Master's thesis on the effect of the vegetation on the discharge in a nature-like river, other cross-sections of the river Russbach should be analyzed in the same way.

Other rivers, where the vegetation has more influence, should be investigated as well.