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Überflutungsnachweis

Eine Überflutung ist nach DIN EN 752 ein Zustand, bei dem Schmutzwasser und/oder Niederschlagswasser aus einem Entwässerungssystem entweichen oder nicht in dieses eintreten können und entweder auf der Oberfläche verbleiben oder in Gebäude eindringen. Dabei wird in der deutschen Entwässerungspraxis nach DWA A 118 eine Überflutung mit einer auftretenden Schädigung bzw. einer Funktionsstörung in Verbindung gebracht.

Gitternetzmethode zur detaillierten Verfolgung der Fließwege auf der Oberfläche

Die Sicherstellung des Schutzes vor Überflutungen und die Bestimmung des Gefährdungspotentials sind wichtige Ziel- und Nachweisgrößen für unsere Entwässerungssysteme. Dabei stellt der Nachweis des Überflutungsschutzes, gerade da hierfür die Einbeziehung der Oberfläche notwendig ist, eine besondere Herausforderung dar, denn das komplexe Zusammenspiel zwischen Oberflächenabfluss und Kanal machte bislang eine modelltechnische Nachbildung schwierig. Die hierfür durchzuführenden hydrodynamischen Oberflächenabflussberechnungen und die vollständige Kopplung mit dem Kanalsystem sind bislang vor allem an den zu verarbeitenden Dateninformationen und den zu geringen Rechnerleistungen gescheitert. Die modernen Methoden und die Multiprozessortechnologie in GeoCPM eröffnen nun jedem die Möglichkeit in der notwendigen Detaillierung genaue, kleinräumige, geographische und meteorologische Daten zu modellieren und in die Berechnungen einzubeziehen. Die Modellierung und Berechnung der gekoppelten Systeme Oberfläche und Kanal erfolgen in praxistauglicher Zeit und nur mit geringem manuellen Aufwand.

Berechnungsergebnisse mit Einfärbungen

Das hydrodynamische Oberflächenabflussmodell GeoCPM wurde schon während seiner Entwicklung ausgiebig in Referenzprojekten (Nürnberg und Landshut) getestet und verifiziert. Dem Ingenieur steht nach Abschluss des F&E Projektes ein betriebsbereites Tool zur Verfügung, welches mittlerweile bereits in vielen Anwendungsfällen seinen praktischen Einsatz findet. Die folgende Rubrik greift exemplarisch erfolgreiche Projektreferenzen heraus:

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Vorgehensmodell Überflutungsprüfung

Im Forschungsprojekt GeoCPM wurde - unter Nutzung der dabei entwickelten Methoden - ein Vorgehen konzipiert, welches die Einbindung der rechnergestützten Überflutungsberechnung in den Prozess des Überflutungsnachweises erlaubt. Durch das vorgeschlagene, modulare Vorgehen kann die Anzahl der zu untersuchenden Bereiche sowohl zeitlich als auch örtlich eingeengt werden und so das Augenmerk auf die Untersuchung der kritischen Bereiche gelegt werden.

Vorgehensmodell Überflutungsprüfung

Für die Berechnung des Überstaus und letztlich auch der Überflutungen sind zwei prinzipiell unterschiedliche Vorgehen zu differenzieren, das sogenannte Lastfallprinzip und die Langzeitsimulation. Berechnungen mit gemessenen Regenserien eines möglichst langen Zeitraums werden bevorzugt, welche für die Ereignisse (z. B. Überstau), eine ausreichende Aufzeichnungsdauer und Repräsentativität der Niederschläge vorausgesetzt , die die Ermittlung echter Wiederkehrhäufigkeiten ermöglicht.

Neben der örtlichen Eingrenzung des betrachteten Gebietes muss für eine Berechnung mit Starkregenserien über eine lange Aufzeichnungsdauer auch eine zeitliche Eingrenzung der zu betrachtenden Niederschlagsereignisse, mit der zunehmenden Detaillierung der Oberflächenabbildung im Modell einhergehen.

Die Vorgehensweise in GeoCPM ermöglicht es, Überflutungen mit einer relativen Häufigkeit zu versehen, um damit die Erkenntnisse der Überflutungsprüfung rechnerisch zu untermauern und zu objektivieren. Dies erhöht die Nachvollziehbarkeit und vor allem die Rechtssicherheit sowohl für den Planer als auch für die Kommune.

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Strassenprofilmethode
(1. Detailierungsebene)

Zur Verfeinerung des Berechnungsergebnisses werden in der 1. Detaillierungsstufe zusätzlich zum Kanalnetz Straßenprofile an der Oberfläche berücksichtigt.

Dabei werden an den Schächten nach oben offene Profile angeschlossen, welche hinsichtlich Lage, Breite, Höhe und Neigung an die vorhandene Straßengeometrie bzw. an die Hauptfließwege der Oberflächen angeglichen werden. Die Erzeugung dieser Straßenprofile erfolgt weitestgehend automatisiert. Dabei wird auf vorhandene Informationen wie angeschlossene Straßenfläche, Deckelhöhe des Schachtes und Haltungslänge aufgesetzt. Manuelle Nachbearbeitungen werden auf ein Minimum reduziert. Durch die Verwendung unterschiedlicher vordefinierter bzw. frei gestaltbarer Profile kann praktisch jeder Fließweg der Oberfläche nachgebildet werden.

Straßenprofilmethode – Kopplung von Fließwegen der Oberfläche mit dem Kanalsystem

Wird mittels des so erweiterten Systems die hydraulische Berechnung erneut durchgeführt, so werden die Straßenprofile wie ein zusätzliches Entwässerungsnetz berücksichtigt, welchem über die Austauschpunkte zwischen Kanal und Oberfläche Wasser zufließt bzw. entzogen wird (vollständig bi-direktional gekoppeltes 1D/1D-Modell). Damit wird ein Manko der reinen Überstauberechnung, durch Verfolgung des Oberflächenabflusses im Straßenkörper behoben. Dadurch lässt sich feststellen, ob das überstaute Wasser schadlos innerhalb der Straßenprofile abgeführt und an welcher Stelle es wieder der Kanalisation zugeführt werden kann. Solange der beim Abfluss berechnete Wasserstand innerhalb der zur Verfügung stehenden Profilhöhe (entspricht i. d. R. der niedrigsten Bordsteinkante) bleibt, kann von keiner unmittelbaren Gefährdung der angrenzenden Bebauung ausgegangen werden.Dadurch können die kritischen Bereiche, unter Berücksichtigung des stetigen Austausches zwischen Oberfläche und Kanal, weiter eingeengt und deren Anzahl reduziert werden. Kommt es zu einem Austritt von Wasser aus dem Straßenprofil, ist eine eindimensionale Betrachtung des Oberflächenabflusses nicht mehr sinnvoll möglich. Ist diese Anwendungsgrenze jedoch eingehalten, kann die rechnerische Überprüfung als prinzipiell erbracht angesehen werden.

Verläßt das Wasser jedoch die Straßenprofile, so muss die nächste Detaillierungsstufe genutzt werden, die sogenannte Gitternetzmethode.

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Gitternetzmethode
(2. Detaillierungsebene)

Dabei wird für die betroffenen Bereiche ein 1D/2D-Modell aufgebaut, welches detailliertere und weitergreifende Aussagen zum Verhalten des Wassers auf der Oberfläche erlaubt, aber auch einen höheren Modellbildungsaufwand mit sich bringt. Dieses Verfahren wird sowohl zur Identifikation kritischer Bereiche als auch im Rahmen der örtlichen Überflutungsprüfung eingesetzt.

Gitternetzmethode zur detaillierten Verfolgung der Fließwege auf der Oberfläche

Zur Verfeinerung des Berechnungsergebnisses werden in dieser Detaillierungsstufe zusätzlich zum Kanalnetz die detaillierten Oberflächenstrukturen berücksichtigt. Die Modellierung dieser erfolgt durch ein Netz von Dreiecken, welches aus einer Menge von 3-dimensionalen Vermessungspunkten generiert wird. Die hierfür notwendige hohe Punktdichte kann heute mit hinreichender Genauigkeit durch Daten aus Laserscanbefliegungen erzielt werden, welche mit Punktdichten von 1 bis 4 Punkten pro m2 verfügbar sind. Die Straßenprofile ergeben sich direkt aus dem Oberflächenmodell und müssen nicht separat – wie in der Straßenprofilmethode – modelliert werden. Dabei gilt es zu berücksichtigen, dass scharfkantige, linienförmige Objekte wie z. B. Bordsteinkanten nicht durch die Laserscandaten abgebildet werden. Diese, für den Oberflächenabfluss, entscheidenden Objekte (im weiteren Verlauf als Bruchkanten bezeichnet) können auf einfache, automatisierte Weise oder auch individuell durch Digitalisieren in das Modell aufgenommen werden. Als Grundlage hierfür bieten sich Straßen- und Flurkarten an.

Auf Basis dieser Berechnung kann dann eine Bewertung der Überflutungssicherheit und eine erste Risikobetrachtung angestellt werden. Ferner können Alternativgestaltungen und Anpassungsmaßnahmen im Kanal oder/und Oberfläche untersucht werden und die Auswirkung auf das Überflutungsverhalten überprüft werden.

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Geländemodell

Bruchkanten

Das Konzept der Bruchkanten dient der detaillierten Aufnahme von Gehwegskanten und Mauern. Die Bruchkante wird dabei an der automatisch oder manuell ermittelten Position eingezogen und die im Geländemodell vorhandene Höhe hM wird bestimmt. Da bei Gehwegen davon auszugehen ist, dass ein vermessener Höhenpunkt auf der niedrigen hN (z.B. Straßenfläche) und ein Höhenpunkt auf der hohen Bruchkantenseite hH (Gehwegfläche) liegt, sollte die ermittelte Höhe im Durchschnitt aller Punkte genau die mittlere Höhe des Bruchelements ergeben . Als Folge dieser Erkenntnis wurde der Algorithmus zur Vergabe der Höhen so konzipiert, dass die halbe Bruchkantenhöhe hB (auf der niedrigen Seite) von der ermittelten Höhe hM subtrahiert und auf der höher liegenden Seite addiert wird.

Gehwegsbruchkanten (links), Häuserbruchkanten (rechts)

Die beschriebene Art der Bruchkanten kann allerdings nicht für das modellieren von Häusern verwendet werden, da hier die ermittelte Höhe hM bereits der niedrigen Höhe hN entspricht und die Bruchkantenhöhe zu 100% aufaddiert werden muss. Aus dieser Anforderung heraus wurden die so genannten Häuserbruchkanten entwickelt und in das Verfahren integriert.

Die Auswirkungen der Bruchkanten auf das Oberflächenabflussverhalten wurden in einer Bachelorarbeit an der Universität der Bundeswehr München untersucht (Freimuth, 2010). Als Fazit dieser Untersuchungen, sowie aus den im Rahmen des Projektes gewonnenen Erfahrungen, kann gefolgert werden, dass der Einfluss der Gehwegskanten zum einen stark mit der Auflösung und Genauigkeit des digitalen Geländemodells verbunden ist und zum anderen weitestgehend vom Wasserstand der benetzten Oberflächenelemente abhängt. Bei detaillierten Geländemodellen mit einer Auflösung von 1x1 m ist der Einfluss der Gehwegbruchkanten sowohl bei sehr niedrigen und bei sehr hohen Wasserständen eher als gering anzusehen. Bei gröber aufgelösten Modellen und Wasserständen im Bereich der Gehweghöhen steigt der Einfluss der eingezogenen Kanten auf die Berechnungsergebnisse merklich an. Generell werden Bruchkanten zwingend zur Diskretisierung verzerrter Bereiche (z.B. durch Messfehler) und zur exakten Modellierung von Häusern und größeren Hindernissen (z.B. Mauern) benötigt.

Optimierung durch Ausdünnung

Je nach Datenquelle bzw. Befliegungsart werden Höhenpunkte mit verschiedenen Strukturen, Punktabständen und Qualitätsstandards geliefert. Eines haben jedoch all diese Daten gemeinsam: es werden nicht die wirklich markanten Punkte aufgezeichnet, sondern eine beliebig strukturierte Menge von Punkten mit annähernd gleichmäßiger Überdeckung der gesamten Oberfläche. Die daraus resultierenden Daten (bis zu 1.000.000 Punkte und mehr pro km2) enthalten sehr viele redundante Informationen, welche die Komplexität stark erhöhen ohne einen signifikanten Gewinn an Genauigkeit zu generieren. Mit Blick auf eine praktikable Berechnungsdauer müssen diese redundanten Informationen entfernt werden, ohne dabei die Genauigkeit vor allem der Berechnungsergebnisse signifikant zu verändern.

Geländemodell ohne Ausdünnung

Ausdünnung Geländemodell - minimale Dreiecksfläche 2m2

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Kopplung Oberfläche und Kanalsystem

Bisherige Verfahren gingen immer von einem freien und verlustlosen Aus- bzw. Einlauf aus bzw. in das Kanalsystem aus, was aber der Erfahrung widerspricht. So stellt zum Beispiel beim Wasseraustritt aus dem Kanal der Kanaldeckel einen Widerstand für das Wasser dar. Und beim Wassereintritt ist das Eintrittsvolumen abhängig von der Größe und Lage der Einlaufquerschnitte, von der Neigung des Geländes und von der Geschwindigkeit und dem Höhenstand des Wassers auf der Oberfläche. Wasser, das aus dem Schacht herausläuft, wird von bisherigen Verfahren in einem virtuellen Straßenspeicher oberirdisch gehalten. Sobald es der Belastungszustand der Kanalisation erlaubt, läuft das ganze gespeicherte Wasser am gleichen Ort, wo es herausgeflossen ist, wieder in das Kanalsystem hinein. Die Fließwege an der Oberfläche konnten nicht berücksichtigt werden.

bidirektionale Kopplung von Oberfläche und Kanalsystem

Für die Überflutungsprüfung dürfen die beiden Teile Oberflächenabfluss und Abfluss im Kanal nicht getrennt berechnet werden, sondern müssen als ein zusammenhängendes System untersucht werden, bei dem ein ständiger Wasseraustausch zwischen dem eindimensional berechneten Kanalabfluss und dem zweidimensional berechneten Oberflächenabfluss über Schachtdeckel und Sinkkästen möglich ist. Dieses Verfahren nennt man vollständige bidirektionale Kopplung.

Verlustansätze

Mit verschiedenen Verlustansätzen bei der Berechnung vom Wasseraustausch zwischen Kanal und Oberfläche (z. B. bei Überflutungen) kann man auf unterschiedliche Ergebnisse kommen. Um herauszufinden, wie groß dieser Einfluss der verschiedenen Verlustansätze ist, wurde für ein repräsentatives Kanalnetz jeweils eine Überflutungsberechnung mit drei verschiedenen Ansätzen gemacht: mit der klassischen hydrodynamischen Kanalnetzberechnung , mit bi-direktionaler Kopplung zur hydrodynamischen Oberflächenabflussberechnung mit freiem Ein- und Auslauf, und mit den Verlustansätzen nach der Überfall- und Energieformel..

Einfluss der Verlustansätze auf die Überflutung

Die Ergebnisse zeigen, dass nach dem klassischen Ansatz lediglich die Schächte im Südosten des Gebietes überstauen (rote Schächte - Abb. Einfluss der Verlustansätze auf die Überflutung). Bei der erweiterten Betrachtung mit gekoppeltem Oberflächenabfluss und freiem Ein- und Auslauf zeigt sich schon ein stark verändertes Überflutungsgebiet. Durch den freien Wassereintritt und das verfügbare Kanalvolumen am nördlichen Schacht wird fast das komplette Oberflächenwasser an dieser Stelle wieder in den Kanal eingeleitet. In der verlustbehafteten Betrachtung tritt Wasser wegen dem reduzierten Ein- und Auslaufvermögen in das nördliche Grundstück ein und erreicht schadensrelevante Wasserstände im Bereich der dort liegenden Gebäude. Außerdem verändert sich die Anzahl und Position von überstauenden Schächten signifikant.

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Hydrodynamischer Oberflächenabfluss

Ein für die Anwendbarkeit des Verfahrens entscheidender Punkt ist die Auswertung und Darstellung der Ergebnisse. Folgende Ergebnisse liefert die Oberflächenabflussberechnung GeoCPM:

  1. Wasserstand auf Oberflächenelement
  2. Geschwindigkeit auf Oberflächenelement
  3. Austauschgeschwindigkeit an den Austauschkanten
  4. Durchfluss an den Austauschkanten

Die einzelnen Oberflächenelemente können nach individuell anpassbaren Farbschemata (für jedes Verfügbare Attribut: Wasserstand, max. Wasserstand, Höhe, Neigung, uvm.) eingefärbt werden. Für jedes Oberflächenelement sind die relativen Wasserstandskurven und die Wasserstände über NN für die komplette Berechnungszeit abrufbar. Gleiches gilt für die Geschwindigkeits- und Durchflusskurven der Austauschkanten.

Berechnungsergebnisse - Darstellung mit Einfärbungen

Für die Überflutungsprüfung dürfen die beiden Teile Oberflächenabfluss und Abfluss im Kanal nicht getrennt berechnet werden, sondern müssen als ein zusammenhängendes System untersucht werden, bei dem ein ständiger Wasseraustausch zwischen dem eindimensional berechneten Kanalabfluss und dem zweidimensional berechneten Oberflächenabfluss über Schachtdeckel und Sinkkästen möglich ist. Dieses Verfahren nennt man vollständige bidirektionale Kopplung.

Verlustansätze

Mit verschiedenen Verlustansätzen bei der Berechnung vom Wasseraustausch zwischen Kanal und Oberfläche (z. B. bei Überflutungen) kann man auf unterschiedliche Ergebnisse kommen. Um herauszufinden, wie groß dieser Einfluss der verschiedenen Verlustansätze ist, wurde für ein repräsentatives Kanalnetz jeweils eine Überflutungsberechnung mit drei verschiedenen Ansätzen gemacht: mit der klassischen hydrodynamischen Kanalnetzberechnung , mit bi-direktionaler Kopplung zur hydrodynamischen Oberflächenabflussberechnung mit freiem Ein- und Auslauf, und mit den Verlustansätzen nach der Überfall- und Energieformel..

Berechnungsergebnisse - Höhenstandskurve

Für eine gezielte Nachverfolgung und Analyse der tatsächlichen Fließwege reicht eine statische Darstellung nicht aus. Die Wasserstände auf den Oberflächenelementen müssen hierfür zu jedem Zeitpunkt der Berechnung darstellbar sein. Zudem wurde dem Anwender die Möglichkeit gegeben, die Zeitpunkte und die Darstellungsdauer individuell zu steuern.

Berechnungsergebnisse - Höhenstandskurve

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Front Alert 01

Sucess Alert

Error Alert

Ok