Ingenieurgesellschaft für Wasserwirtschaft m.b.H
 
Dipl. - Ing.
KLAUS KUNTER
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Einführung

Die Gleichung des Wasserhaushaltes ist einfach. Sie lautet:

Niederschlag - Verdunstung - Abfluss ± Wasservorratsveränderung = 0

Unter den natürlichen Voraussetzungen in unbefestigten Einzugsgebieten finden permanent große Verdunstungs- und Wasservorratsveränderungsvorgänge statt. Unter "positiver Wasservorratsveränderungsvorgängen" verstehen wir die Versickerung und dadurch die Grundwasserneubildung.

Mit zunehmender Zivilisierung und damit auch Versiegelung unserer Umwelt verlagerte sich die Gleichung in Richtung erhöhter Abfluss bei verminderter Verdunstung und Versickerung.


Wasserhaushalt unbefestigter Flächen                   Wasserhaushalt befestigter Flächen  

Zwangsläufig sah man sich dazu gezwungen, sich des erhöhten Abflusses möglichst schadlos zu entledigen. In der Vergangenheit wurde dieses Ziel durch eine schnelle Ableitung des Abflusses zur Vorflut (Gewässer) realisiert. Je größer die Kanäle sind, über die die Ableitung des Abflusses meist stattfindet, desto größer ist üblicherweise das "Sicherheitsgefühl".

Über die negativen Folgen, wie Reduzierung der positiven Wasservorratsveränderung (Grundwasserneubildung) und der Verschärfung der Hochwassergefahr, wurde zunächst nur selten nachgedacht. Unbeherrschbare Hochwasser-ereignisse und die Reduzierung des Grundwasserdargebotes haben die Gesellschaft mittlerweile jedoch zum Umdenken animiert.

So wird heute der Oberflächenabfluss nicht mehr nur "einfach" abgeleitet, sondern zunehmend wieder dem Grundwasser zugeführt (Versickerung) und zurückgehalten (Retention), wobei die offene Retention auch der Verdunstung zugute kommt und außerdem naturnaher ist.

Zurückgehalten werden kann aber nicht nur in eigens dafür errichteten Räumen, sondern auch im Kanalnetz selbst, indem zur Verfügung stehendes Kanalvolumen aktiviert wird. Im 21. Jahrhundert stehen hierzu leistungsfähige EDV-Systeme zuzüglich Software zur Verfügung, um Abflussvorgänge in allen denkbaren Kanalnetzen realitätsnah zu simulieren und neue Kanalnetze optimal zu gestalten.


Kanalnetzoptimierung

Die Kanalnetzoptimierung beginnt genau genommen schon bei der Verhinderung der Abflüsse (dezentrale Versickerung), der Verringerung der Abflussspitzen (Retention) und/oder in Kombination der beiden.

Große Abwasserverbände wie z. B. der Emscher-Verband sind derzeit damit beschäftigt, umfassende Kanalnetz-umbauten und damit verbundene Renaturierungen offener Wasserläufe (welche in der Vergangenheit vielfach als Abwasserkanäle verwendet wurden) vorzubreiten und durchzuführen. Eine große Rolle spielt dabei die Vermeidung bzw. Reduzierung der zum Ablauf gelangenden Niederschläge. So wird praktisch grundstücksweise die Möglichkeit der Versickerung und Retention geprüft. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse werden anschließend in der Kanalnetzberechnung berücksichtigt.

Neben dem Aspekt der dadurch möglichen reduzierten Kanalquerschnitte und des damit deutlich sinkenden Investitionsbedarfes wird dadurch auch viel zur Verbesserung ökologischer und wasserwirtschaftlicher Gegeben-heiten beigetragen.

Für einige Verbände spielt das jedoch leider eine untergeordnete Rolle, da der langfristige wirtschaftliche Vorteil durch die Anforderungen des Tagesgeschäftes mit anderen Schwerpunkten aus dem Blickfeld verdrängt wird.

Aber auch ohne v. g. Detailuntersuchungen wie im Emschergebiet ist eine Kanalnetzoptimierung möglich.

Das geschieht durch folgenden Ansatz:

Bis heute werden Kanalnetze überwiegend durch das von Imhoff 1922 eingeführte Zeitbeiwertverfahren, bei dem die Regendauer gleich der Fließzeit bei gleicher Häufigkeit gesetzt wird, dimensioniert. Abhängig von der Größe des Entwässerungsgebietes oder seines Gefährdungspotentials werden derart dimensionierte Netze auch mit Nachweisverfahren bestätigt. Selten werden diese Netze jedoch auch optimiert, das heißt, die Rohrdurchmesser (DN = Diameter Nominale) an die tatsächlichen Abflussvorgänge angepasst und Einstauungen gezielt gerechnet.

Dabei bildet das Zeitbeiwertverfahren ein durchaus praktisches Werkzeug zur Vordimensionierung, was aber genausogut auch "nach Gefühl" gemacht werden kann, da durch die Optimierung das ideale Netz schrittweise erreicht wird.

Während beim Zeitbeiwertverfahren ausschließlich der Blockregen (gleiche Intensität über die komplette Regendauer bei vorgegebener Häufigkeit) berücksichtigt werden kann, können die Nachweisverfahren mit Niederschlagsreihen oder statistisch aufgestellten Modellregen oder Modellregengruppen umgehen.


Modellregen nach Euler [r30(0,2)] - Raum Arnstadt             Blockregen [r15(1)] - Raum Arnstadt          

Des weiteren spielen bei den Nachweisverfahren die Abflussbildung (= Niederschläge abzüglich Muldenverluste, Benetzungsverluste etc.) und die Abflusskonzentration (= Berechnung von Zuflussganglinien zum Kanalnetz unter Berücksichtigung der Flächengeometrie, Schwerpunktabstand etc.) eine große Rolle. Beim Zeitbeiwertverfahren wird vom Blockregen lediglich ein Prozentsatz "X" über den sogenannten Abflussbeiwert abgezogen, wobei schon bei geringen Abweichungen von der Realität die Ergebnisse verfälscht werden können.

Die Spitze der Kanalnetzoptimierung bildet die modelltechnische Nachbildung der Translation des zum Abfluss gelangten Niederschlages und der Berücksichtigung der Aufteilungs- und Speichervorgänge in Sonderbauwerken im Kanalnetz bzw. des Kanalnetzes unter Lösung des Saint-Venantschen Differentialgleichungssystems, bestehend aus der Kontinuitätsgleichung:

und der Energiegleichung (dynamische Gleichung):

welche bereits 1871 von Barre de Saint-Venant formuliert wurde, die jedoch erst im Zeitalter elektronischer Rechnersysteme praktisch anwendbar gelöst werden konnte.


Fazit

Ein Kanalnetz im 21. Jahrhundert mit einem rund 85 Jahre alten Berechnungsalgorithmus wie dem Zeitbeiwert-verfahren zu dimensionieren und dann keine weiteren Nachweise über die Auslastung des Netzes bei unter-schiedlichen Belastungen zu erbringen, ist nicht mehr zeitgemäß. - Schließlich reiten wir ja auch nicht mehr von Ort zu Ort.

Mit einem hydrodynamischen Nachweis des z. B. auch mit dem Zeitbeiwertverfahren vordimensionieren Netzes ergeben sich zwangsläufig Optimierungspotentiale für das "Niederschlagsereignis nach Wahl des Auftraggebers".

Man ist also heute mehr denn je in der Lage zu analysieren, was im Kanalnetz tatsächlich passiert. Die Ergebnisse des Zeitbeiwertverfahrens sind lediglich die Größe (DN) der Kanäle bei vorgegebenem Gefälle - sonst nichts.

Was im Kanal passiert, wird dann ein Rätsel bleiben.

Wenn es Sie interessiert, was in Ihren zukünftigen und auch vorhandenen Kanalnetzen tatsächlich vor sich geht, wenn Sie erkennen wollen, wo Optimierungspotential besteht und wo Sie Investitionen deutlich reduzieren können,
so rufen Sie uns an: Kontakt

Mit unserer durch die Ingenieurkammer Thüringen und das Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Technologie und Arbeit beim "Großen Thüringern Ingenieurpreis 2004" anerkannten Optimierung der Ortsentwässerung von Haynrode (600 E + 200 EW) haben wir "behördlich attestiert" nachgewiesen, welch ein Einsparpotential selbst in vergleichsweise kleinen Netzen schlummert.


Kontakt                            Beispiel: Haynrode

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