Professur Wasserbau
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Eine Analyse zum Strömungswiderstand natürlicher Fließgewässer mit ausgeprägter Sohlstrukturierung
(2008)
Übliche Ansätze zur Quantifizierung des Strömungswiderstandes natürlicher Fließgewässer mit geringer relativer Überdeckung und ausgeprägter Sohlstrukturierung basieren auf der Abhängigkeit von einem konstanten charakteristischen Rauheitsparameter. Diese Annahme ist nur für die turbulente rotationssymmetrische Rohrströmung mit hoher relativer Überdeckung gültig. Die Quantifizierung der Widerstandsprozesse mit einem konstant erhöhten Rauheitsmaß für die betrachteten Randbedingungen erfasst nicht die individuellen Charakteristiken von Rauheitsstruktur und integralem Strömungsfeld an unterschiedlichen Gewässerabschnitten sowie identischen Gewässerabschnitten bei Abflussvariation. Auf Basis detaillierter Datensätze von Oberflächenstrukturen und dem jeweiligen Strömungsfeld erfolgt die Untersuchung der Interaktion zwischen vorgenannten Punkten. Für die Charakterisierung der individuellen Rauheitsstruktur in Abhängigkeit der relativen Überdeckung erweist sich die vertikale Rauheitsdichte cK,V (Verbauungsgrad) als starke Funktion. Die Charakterisierung der Ungleichförmigkeit des integralen Strömungsfeldes als Folge der individuellen Rauheitsstruktur erfolgt auf Basis physischer Modellversuche und mathematisch-physikalischer Untersuchungen anhand des Geschwindigkeitshöhenausgleichsbeiwertes au. Die Formulierung des Strömungswiderstandes in Abhängigkeit dieser beiden Parameter resultiert in einer wesentlichen Verringerung des Fehlerbetrages und damit des Unsicherheitsbereiches. Die bestehende Reststreuung ist auf Einflüsse aus Anordnung und Form der Elemente, Turbulenz, Sekundärströmung, Wasserspiegeldeformationen, lokal kritische Strömung und Lufteinzug zurückzuführen.
Aufgabe der Masterarbeit war es, eine Eibnführung in die WRRL und deren Implementierung zu geben sowie das Darstellen erster Umsetzungsschritte in Norwegen.
Ziel dieser Arbeit war es, eine Treibgutsperre zu entwerfen, welche frühzeitig Treigut abhält, sowie einen Ablassvorgang zu ermitteln, welcher Sediment in so geringen Mengen abführt, dass der weiterführende Flusslauf nicht geschädigt wird. Die Versuche wurden am Modell des HRB Grimmelshausen im Hydrolabor Schleusingen durchgeführt. Aus den Untersuchungen resultierte auf der einen Seite der Entwurf einer Treibgutsperre schräg zur Fliessrichtung mit Verlängerung aus Rechen- bzw. Schwimmkörper und auf der anderen Seite der Ablass des Staubereiches in elf aufeinanderfolgenden Hochwasserereignissen.
Die ein- und zweidimensionale numerische Berechnung der Fließvorgänge in offenen Gerinnen findet zunehmend auch Anwendung in der Modellierung immer komplexerer Prozesse im unter Anderem im Bereich der Ökosystemmodellierung in Gebirgs- und Mittelgebirgsbächen. In diesem Bereich existieren zurzeit noch Probleme hinsichtlich der hydraulischen Prognoserechnungen. Neben den numerischen Grundlagen werden die Abhängigkeiten des Strömungsfeldes von der Rauheitsstruktur der Sohle und der Überdeckungshöhe behandelt. Zur Untersuchung der Fließwiderstandsgleichungen wurden Laborversuche in einer Versuchsrinne durchgeführt. Es wird gezeigt, dass der üblicherweise verwendete Ansatz des mittleren Sohlgefälles bei der Berechnung der Sohlschubspannungsgeschwindigkeit u* in Stufen-Becken-Sequenzen nicht zulässig ist. Stattdessen ist es erforderlich, die lokalen Energieliniengefälle zu bestimmen und einzusetzen. Die Anwendung der aus der Literatur bekannten Ansätze zur Beschreibung des Fließwiderstandes führt zu keinen befriedigenden Ergebnissen und wird ausführlich diskutiert. In der Untersuchung der verschiedenen Fließwiderstandsbeziehungen zeigte sich, dass insbesondere die ungenügende Beschreibung der Rauheitstruktur der Sohloberfläche durch einen charakteristischen Korndurchmesser des Sohlmaterials als unzureichend anzusehen ist. Hinsichtlich der Beschreibung rauer Oberflächenstrukturen wurde ein einfacher Segmentierungsalgorithmus entwickelt, der es erlaubt, komplizierte Oberflächenstrukturen zu vereinfachen und über die Standardabweichung abschnittsweise Rauheiten zuzuweisen. Dieses Verfahren wird in einem zweidimensionalen hydraulischen Modell eingesetzt. Hierdurch wird für die Wassertiefenbestimmung als auch für die Fließgeschwindigkeitsbestimmung eine Berücksichtigung der speziellen topographischen Verhältnisse ermöglicht.