| |
|
|
|
A-4.3 Berechnung von Regen- und Mischwassernetzen
A-4.3.1 Wahl des Berechnungsverfahrens
Das geeignete Berechnungsverfahren für Regen- und Mischwassernetze ist in Abhängigkeit von
Kanalnetzarten
klassifiziert. Die Klassifizierung des Kanalnetzes erfolgt immer als Ganzes. Eine Aufteilung in einzelne Teilsysteme ist nicht zulässig.
Einzelstrang
Als Einzelstrang werden einzelne Haltungsstränge ohne seitliche Zuläufe von Haltungen bezeichnet. Einzelstränge, die z.B. bei sehr kleinen Liegenschaften vorkommen können, müssen folgende Kriterien erfüllen:
Die Bemessung von Einzelsträngen erfolgt durch eine tabellarische Berechnung. Ein Nachweis der Überstau- oder Überflutungshäufigkeit ist nicht erforderlich.
Einfache Kanalnetze
Einfache Kanalnetze müssen alle folgenden Kriterien erfüllen:
- Einzugsgebietsgröße des Kanalnetzes kleiner als 50 ha
- Längste Fließzeit im Kanalnetz kleiner als 15 min
- Keine Verzweigungen (Maschen)
- Keine Sonderbauwerke (Becken, Pumpen, Wehre, etc.)
- Rückstaufreier Abfluss, rückstaufreie Vorflut
- Gefälle aller Haltungen in Entwässerungsrichtung größer als Null
- Überdimensionierungen durch das Zeitbeiwertverfahren infolge zu geringen Gefälles sind auszuschließen.
Einfache Kanalnetze werden entweder automatisiert mit dem Zeitbeiwertverfahren oder iterativ mit hydrodynamischen Einzelsimulationen bemessen. Ein Nachweis der Überstau- oder Überflutungshäufigkeit erfolgt i.d.R. nicht.
Komplexe Kanalnetze
Wird mindestens eins der genannten Kriterien für einfache Kanalnetze nicht erfüllt, ist das Kanalnetz als "komplexes Kanalnetz" einzustufen.
Die Bemessung komplexer Netze erfolgt iterativ mit hydrodynamischen Einzelsimulationen.
Der Nachweis der Funktionsfähigkeit komplexer Netze wird als
mit Hilfe einer hydrodynamischen Einzel- oder Seriensimulation geführt.
Auf Grundlage von haltungsweise ermittelten Auslastungsgraden (vgl. Anh. A-4.3.3) kann die hydraulische Leistungsfähigkeit des Kanalnetzes beurteilt werden.
A-4.3.2 Nachweisverfahren
Zielgröße der Nachweisführung ist die Einhaltung eines ausreichenden Entwässerungskomforts. Der Nachweis wird als Überstau- oder Überflutungsnachweis geführt.
Der Überstau- und Überflutungsnachweis auf Grundlage einer hydrodynamischen Einzelsimulation ist unter Belastung von Modellregen zu führen. Die Auswahl des Modellregens für die Untersuchung der Überstau- und Überflutungswahrscheinlichkeiten sowie der Überstauvolumina richtet sich nach Tab. A-4 - 4, auf Grundlage der [DIN EN 752, 2008] beziehungsweise des [DWA-A 118, 2006].
Überstaunachweis
Ein Überstau liegt vor, wenn der berechnete Wasserstand ein vorgegebenes Bezugsniveau überschreitet. Dieses Bezugsniveau kann die Geländeoberkante (GOK), aber auch ein darunter liegendes Niveau sein.
Der Überstaunachweis mit einer hydrodynamischen Seriensimulation wird geführt, indem durch statistische Auswertung der Simulationsergebnisse gezeigt wird, dass die vorgegebenen Überstauhäufigkeiten gem. Tab. A-4 - 5 rechnerisch an keinem Schacht des Kanalnetzes überschritten werden.
Der Überstaunachweis mit Modellregen wird geführt, indem gezeigt wird, dass der Modellregen ohne Überstau abgeleitet wird.
Überflutungsnachweis
Eine Überflutung liegt vor, wenn Schmutzwasser und/oder Regenwasser aus einem Entwässerungssystem entweichen oder nicht in dieses eintreten können und entweder auf der Oberfläche verbleiben oder in Gebäude eindringen.
Nach [ATV-DVWK-Kommentar zum A 118, 2000] wird der Zustand der Überflutung auf die "Nichterfüllung ... der Vermeidung von Schäden durch Überflutungen und Vernässungen sowie der Aufrechterhaltung der Nutzbarkeit der Siedlungs- und Verkehrflächen bezogen". Demnach ist eine Überflutung gegeben, wenn
auftreten. Der Austritt von Wasser aus dem Kanalnetz z.B. auf eine Straße erfüllt demnach den Tatbestand der Überflutung nicht, wenn keine Schädigungen oder keine nicht hinnehmbaren Funktionsbeeinträchtigungen davon ausgehen.
Für den Überflutungsnachweis ist daher vorab auf Grundlage örtlicher Gegebenheit die Wassermenge festzulegen, die rechnerisch an einem Schacht austreten kann, ohne dass davon eine Gefährdung ausgeht. Die Entwässerung überfluteter Flächen muss dabei gewährleistet sein.
Ein Überflutungsnachweis kann also nur mit genauer Kenntnis der Flächen, die überflutet werden können, geführt werden. Dazu gehören z.B. detaillierte Informationen über die Topographie, die Flächennutzung und das Schadenspotenzial. Der Überflutungsnachweis ist mit erheblichem Bearbeitungsaufwand verbunden. In Einzelfällen ist jedoch auch aus ökonomischen Gründen zu prüfen, ob der rechnerisch ermittelte Austritt einer bestimmten Wassermenge an einem bestimmten Schacht zugelassen werden kann.
Der Überflutungsnachweis mit einer hydrodynamischen Seriensimulation wird geführt, indem durch statistische Auswertung der Simulationsergebnisse gezeigt wird, dass die vorgegebenen Überflutungshäufigkeiten gem. Tab. A-4 - 5 rechnerisch an keinem Schacht überschritten werden.
Der Überflutungsnachweis mit Modellregen wird geführt, indem gezeigt wird, dass der Modellregen entweder ohne Überstau abgeleitet wird, oder die berechneten Überstauereignisse in keinem Fall zu Überflutungen führen.
Zur quantitativen Bewertung eines Überstauereignisses wird anhand der hydrodynamischen Kanalnetzberechung das Überstauvolumen an den Schachtbauwerken ermittelt. In einem weiteren Schritt kann unter Beachtung
- des Überstauvolumens,
- der Oberflächentopografie,
- der Speicher- und Ableitungsmöglichkeiten an der Oberfläche
das Schadenspotential eines Überstauereignisses qualitativ beurteilt werden. Überstauwassermengen von weniger als 1,5 m³ können im Rahmen eines Überflutungsnachweises i.d.R. vernachlässigt werden.
A-4.3.3 Hydraulische Auslastung
Mit der hydraulischen Auslastung können Aussagen über die hydraulische Leistungsfähigkeit von Kanalnetzen getroffen werden. Die Berechnungen werden auf Grundlage
unter Verwendung von Modellregen durchgeführt. Aus dem Verhältnis von berechnetem Maximalabfluss zur stationären Vollfüllleistung wird für jede Haltung der hydraulische Auslastungsgrad wie folgt berechnet:
Entsprechend der hydraulischen Auslastung erfolgt - unabhängig vom Berechnungsverfahren - eine haltungsbezogene Zuordnung in festgelegte Auslastungsgradbereiche (vgl. Tab. A-4 - 2).
Ist der berechnete Maximalabfluss kleiner als der Vollfüllungsabfluss, wird das Abwasser i.d.R. im Freispiegelabfluss abgeleitet (Auslastungsgrad < 100 %). Ist der berechnete Maximalabfluss größer als der Vollfüllungsabfluss, fließt das Wasser i.d.R. im Druckabfluss ab.
Druckabfluss in einer Haltung kann zu Einstau oder Überstau in den oberhalb liegenden Schächten führen. Allein daraus ist nicht zwangläufig eine Überlastung des Kanalnetzes abzuleiten. Das Kanalnetz gilt als hydraulisch funktionsfähig, wenn als Folge von Druckabfluss keine unzulässigen Überstauungen an den Schächten auftreten.
A-4.3.4 Tabellarische Berechnung
Die tabellarische Berechnung dient der Bemessung von Einzelsträngen.
Niederschlagsbelastung
Als Niederschlagsbelastung ist die ortsgültige Regenspende der Dauer 5 Minuten zu verwenden (vgl. Anh. A-4.2.2). Die Häufigkeit ist gem. Tab. A-4 - 3 zu wählen. Als abflusswirksame Flächen sind sämtliche an den Einzelstrang angeschlossene befestigte Flächen ohne Abminderung zu berücksichtigen. Zu diesen Flächen zählen z.B. neben Dach- und Straßenflächen auch teilbefestigte Flächen, wassergebundene Wege, alle Arten von gepflasterten Flächen etc.
Berechnung
Die Berechnung des Durchflusses Q erfolgt nach der Formel des Zeitbeiwertverfahrens unter Annahme eines Abflussbeiwertes von 1,0. Eine Abminderung wird nicht durchgeführt. Die haltungsbezogen berechneten Werte sind den in der Literatur angegebenen Vollfüllwerten der vorhandenen bzw. geplanten Kanäle tabellarisch gegenüber zu stellen.
Zielgrößen
Sind die Vollfüllwerte größer oder gleich den berechneten Werten, gilt der Einzelstrang als ausreichend dimensioniert.
Bewertung
Die tabellarische Berechnung ist nur für sehr einfache Anwendungen zu benutzen. Sind bei der Berechnung die erforderlichen Mindestdurchmesser gemäß Kap. 3.2.1 deutlich überschritten, ist zu prüfen, ob eine Bemessung mit dem Zeitbeiwertverfahren zu einer wirtschaftlicheren Lösung führt.
A-4.3.5 Zeitbeiwertverfahren
Das Zeitbeiwertverfahren wird zur Berechnung "einfacher" Kanalnetze angewendet.
Niederschlagsbelastung
Als Belastung ist die Regenspende zu verwenden (vgl. Anh. A-4.2.2). Die erforderliche Häufigkeit nerf der Regenspenden ist in Anlehnung an die zulässigen Häufigkeiten gemäß DWA-A 118 in Absprache mit den Genehmigungsbehörden gemäß nachfolgender Tabelle zu wählen.
Werkstättenbereiche
0,2 (ohne Überflutungsprüfung)
Schutzbedürfnis
1Angepasst an die örtlichen Gegebenheiten in Bundesliegenschaften
Berechnung
Die Beschreibung des Zeitbeiwertverfahrens ist der Literatur, z.B. [ATV-DVWK-A 118, 1999], [DWA-A 110, 2006] zu entnehmen.
Die für die Bemessung zu verwendende, maßgebende, kürzeste Regendauer ergibt sich gemäß DWA-A 118, Tabelle 4 in Abhängigkeit der mittleren Geländeneigung und des Befestigungsgrades des Kanalnetzes. Empfohlene Spitzenabflussbeiwerte ergeben sich gemäß Tabelle 6, DWA-A 118. Gebiete mit Befestigungsgraden unter 10 % bedürfen demnach i.d.R. einer gesonderten Betrachtung, die z.B. in Form der Verwendung eines Fluss- bzw. Außengebietsmodells oder durch Verwendung von Mess- oder Literaturdaten erfolgen kann.
Als Ergebnis des Verfahrens erhält man den Auslastungsgrad als Quotient aus Qvoll und Qmax für jede Haltung.
Zielgrößen
Ist das Verhältnis von berechnetem Maximalabfluss zur stationären Vollfüllleistung kleiner oder gleich 0,9, gilt die Haltung als ausreichend dimensioniert.
Bewertung
Das Zeitbeiwertverfahren ist ein Bemessungsverfahren. Die Funktionsfähigkeit des Kanalnetzes wird nicht nachgewiesen, es sind keine Aussagen über das tatsächliche Fließverhalten möglich. Aufgrund größerer Sicherheiten führt das Zeitbeiwertverfahren häufig, insbesondere bei flachen Kanalnetzen, zu größeren Kanalabmessungen, als die hydrodynamischen Verfahren. Es wird daher zur Sicherstellung wirtschaftlicher Kanalabmessungen empfohlen, einfache Kanalnetze, die mit dem Zeitbeiwertverfahren bemessen wurden, hydrodynamisch nachzurechnen.
A-4.3.6 Hydrodynamische Einzelsimulation
Mit Hilfe der hydrodynamischen Einzelsimulation erfolgt die Berechnung einfacher und komplexer Netze.
Die hydrodynamische Einzelsimulation dient der Nachweisführung gem. Anh. A-4.3.2 und der Berechnung des hydraulischen Auslastungsgrades gem. Anh. A-4.3.3.
Niederschlagsbelastung
Die erforderliche Häufigkeit nerf der zu verwendenden Modellregen ist in Anlehnung an die zulässigen Überstau- und Überflutungshäufigkeiten gemäß DWA-A 118 der Tab. A-4 - 4 zu entnehmen (vgl. Anh. A-4.2.2).
Werkstättenbereiche
Schutzbedürfnis
1Angepasst an die örtlichen Gegebenheiten in Bundesliegenschaften
Berechnung
Die Beschreibung der hydrodynamischen Einzelsimulation ist der Literatur zu entnehmen, z.B. [FUCHS, L. et al. 1998]. Man erhält als Ergebnis an jedem Schacht den zeitlichen Verlauf der hydraulischen Kenngrößen h, Q und v in Form von Ganglinien.
Die Bemessung des Kanalnetzes erfolgt iterativ. Zunächst ist ein z.B. mit dem Zeitbeiwertverfahren vorbemessenes Kanalnetz vorzugeben. In weiteren Schritten ist das Kanalnetz solange zu verändern, bis unter Einhaltung der Zielgrößen ein nach wirtschaftlichen und ökologischen Erwägungen optimales Ergebnis erzielt wird.
Zielgrößen
Das Verfahren zum Nachweis der geforderten Überstau- bzw. Überflutungshäufigkeit ist im Anh. A-4.3.2 beschrieben.
Bewertung
Das Abflussverhalten wird mit der hydrodynamischen Simulation sehr genau, z.B. mit Berücksichtigung von Rückstaueffekten, nachvollzogen. Von einer hydrodynamischen Einzelsimulation kann jedoch nicht auf die tatsächlich vorhandene Überstau- bzw. Überflutungshäufigkeit geschlossen werden. Zum Nachweis der tatsächlichen Funktionsfähigkeit des Kanalnetzes ist eine hydrodynamische Seriensimulation erforderlich (vgl. Kap. A-4.3.7).
A-4.3.7 Hydrodynamische Seriensimulation
Mit Hilfe der hydrodynamischen Seriensimulation kann die Funktionsfähigkeit von Kanalnetzen durch die Berechnung von
Niederschlagsbelastung
Die zu verwendende Starkregenserie (vgl. Anh. A-4.2.2) muss einen hinreichend langen Aufzeichnungszeitraum gem. Tab. A-4 - 1 aufweisen.
Berechnung
Die Berechnung besteht aus einer Vielzahl hydrodynamischer Einzelsimulationen (vgl. Anh. A-4.3.6). Die Beschreibung des Simulationsverfahrens ist der Literatur zu entnehmen, z.B. [FUCHS, L. et al. 1998]. Man erhält zunächst als Ergebnis jeder Einzelsimulation den zeitlichen Verlauf der hydraulischen Kenngrößen h, Q und v in Form von Ganglinien an jedem Schacht.
Anschließend werden die berechneten hydraulischen Kenngrößen statistisch ausgewertet. Die Auswertung des Wasserstands führt zur Überstauhäufigkeit, die Auswertung berechneter Überstauvolumina führt zur Überflutungshäufigkeit.
Das Vorgehen erfolgt gemäß DWA-A 118 durch Auszählen der Überstauereignisse bzw. Überflutungsereignisse nach der Formel:
mit: nü = Überstau- bzw. Überflutungshäufigkeit an einem Schacht
x = Anzahl der berechneten Überstauungen (x sollte größer als 2 sein)
M = Anzahl der Jahre der Niederschlagaufzeichnungen
Zielgrößen
Das Verfahren zum Nachweis der geforderten Überstau- bzw. Überflutungshäufigkeit ist im Anh. A-4.3.2 beschrieben.
Als Grenzwerte werden in Analogie zu den maximal zulässigen Überstau- und Überflutungshäufigkeiten gemäß DWA-A 118 die erforderlichen Überstau- und Überflutungshäufigkeiten gemäß Tab. A-4 - 5 empfohlen, die zu benutzen sind, sofern die Genehmigungsbehörden keine oder geringere Anforderungen vorgeben:
1Angepasst an die örtlichen Gegebenheiten in Bundesliegenschaften
Bewertung
Vorteil der hydrodynamischen Seriensimulation gegenüber einer hydrodynamischen Einzelsimulation ist die Kenntnis der Überstau- bzw. Überflutungshäufigkeit an jedem Punkt des Kanalnetzes. Während eine Einzelsimulation immer nur Rückschlüsse auf das Verhalten des Kanalnetzes bei dem verwendeten Einzelregen zulässt, ergibt die Seriensimulation eine umfassende Beschreibung des hydraulischen Verhaltens des Kanalnetzes in seinen einzelnen Abstufungen. Der Schritt von der hydrodynamischen Einzelsimulation zur Seriensimulation besteht i.W. im Aufwand der Beschaffung der Niederschlagsregistrierungen. Liegen diese vor, oder ist der Aufwand für die Beschaffung gering, so sollte eine Seriensimulation durchgeführt werden. Der zusätzliche planerische Aufwand ist gering.
A-4.3.8 Verwendung der Berechnungsergebnisse
Eine Gesamtbetrachtung des Zustandes und der Funktion bestehender Entwässerungssysteme sollte generell Bestandteil einer hydraulischen Nachrechnung sein.
Hydraulische Zustandsklassifizierung
Mit Hilfe der hydraulischen Zustandsklassifizierung wird durch die Berechnung von Überstau- und Überflutungshäufigkeiten das Abflussgeschehen außerhalb der Kanalnetzes beschrieben und so die hydraulische Leistungsfähigkeit eines Kanalnetzes nach der Dringlichkeit eingestuft. Es können aber nur bedingt Rückschlüsse auf die Ursache von Überstau- oder Überflutungsereignissen gezogen werden.
Dimensionierung
Mit Hilfe des Auslastungsgrades kann neben der Bemessung von Kanalnetzen bedingt auch das Abflussgeschehen in bestehenden Kanalnetzen beschrieben werden. Über den Auslastungsgrad kann beispielsweise festgestellt werden, ob der Überstau an einem Schacht auf eine nicht ausreichende Leistungsfähigkeit einer unterhalb liegenden Haltung oder z.B. auch auf Rückstau zurückzuführen ist.
Um das tatsächliche Abflussverhalten von Entwässerungssystemen erfassen zu können, sollte die hydraulische Nachrechnung durch systematische Beobachtungen des Systemverhaltens bei tatsächlich aufgetretenen Starkregenereignissen und durch eventuell vorliegende Messungen ergänzt werden. Nur so kann das Abflussverhalten auch im Hinblick auf die Häufigkeit und die Auswirkungen aufgetretener Überlastungen und somit der gegebene Überflutungsschutz beurteilt werden. Schwachstellen und Reserven im Kanalnetz können so besser identifiziert werden.
| |
|
|
|