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Strömungen in offenen Gerinnen


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Die Fragen der Strömungen in offenen Gerinnen bzw. stehenden Gewässern sind für viele Bereiche der Hydrologie von Bedeutung. Diese wären beispielhaft:

  • Die Berechnung der Leistungsfähigkeit von Flüssen zur Hochwasserabfuhr bzw. die Ausweisung von Hochwasserabflussgebieten
  • Die Berechnung von Triebwasserkanälen von Wasserkraftwerken
  • Die Wasserzufuhr zu Bewässerssystemen und zur im Allgemeinen
  • Die Strömungen in Seen .

Inhaltsverzeichnis

Arten der Strömungsvorgänge

Grundsätzlich sind die Strömungen in offenen und stehenden Gewässern zumeist instationär (von der abhängig) und auch in allen drei Raumrichtungen betrachten. Derartige Berechnungen sind äußerst aufwendig. Für Fälle ist daher eine Vereinfachung zulässig. Oft auch ein Modellversuch erforderlich.

Zumeist wird bei der Berechnung in auf stationäre eindimensionale Berechnungen zurückgegriffen. Dabei wird über die Zeit konstanter Abfluss entlang der betrachtet.

Auf Grund der steigenden Anforderungen an Berechnungsgenauigkeit und die laufend verbesserte Leistungsfähigkeit der werden in jüngerer Vergangenheit jedoch auch instationäre Berechnungen durchgeführt. Damit ist der zeitliche Ablauf z.B. Überflutungen auch in komplexen Abflussituationen (z.B. breite Täler Dammbrüche) darstellbar. Ebenso trifft dies die Berechnung von Strömungen in flachen Seen küstennahmen Bereichen der Meere zu.

Eindimensionaler Abfluss in offenen Gerinnen

Strömen und Schießen

Naturbeobachtungen zeigen dass sich bei langsamer in Oberflächengewässer Störungen (z.B. Einbauten) in Fließrichtung oben und bei schnellen Fließgeschwindigkeiten nach unten Unter strömenden Abfluss versteht man daher eine bei der sich Störungen in Fließrichtung nach auswirken unter schießenden Abfluss das Gegenteil. Mathematisch sich dies aus der Bernoullischen Energiegleichung ableiten. Als Quadratische Gleichung besitzt diese die Energiehöhe bei konstanten Abfluss ein Minimum. diesem tritt die kritische Geschwindigkeit auf. Schnellerer ist Schießen langsamerer Strömen.

Für die Berechnung von Gerinnen ist von großer Bedeutung. Bei strömenden Abfluss hat Berechnung der Energielinie stromaufwärts zu erfolgen bei Abfluss stromabwärts. Am Punkt des Fließwechsels (z.B. Wehren) können die Anfangsbedingungen für eine Abflussberechnung werden.

Der Wechsel von strömenden zu fließenden z.B. bei Erhöhung des Gefälles während des oder großen Einengungen erfolgt gleichsam kontinierlich während Wechsel von schießenden zu strömenden Abfluss von "Wechselsprung" mit heftiger Energieumsetzung begleitet ist. Letzteres in Tosbecken von Wasserkraftwerken zur gezielten Energieumsetzung

Gleichförmiger und Ungleichförmiger Abfluss

Bei stationären (zeitlich konstanten) und gleichförmigen ist der Wasserspiegel parallel zur Gerinnesohle.

Einengungen Erweiterungen Schwellen und ähnliches führen Abflussverhältnissen bei denen ungleichförmiger Abfluss vorliegt und Wasserspiegel nicht mehr parallel zur Gerinnesohle verläuft.

Schwall und Sunk

Bei zeitlichen Änderungen der Abflusses spricht von instationären Bedingungen. Besonders krass tritt dies plötzlichen Abflussänderungen z.B. durch das Öffnen und von Wehren oder Katastrophen wie dem Bruch Staudämmen auf. Unter Schwall versteht man eine plötzliche Abflusßvermehrung und Sunk die plötzliche Verminderung des Abflusses.

Berechnung des eindimensionalen Abflusses in offenen Gerinnen

Unter stationären Bedingungen (d.h. Abflüssen ohne Änderungen) erfolgt die Berechnung entweder nach einfachen für gegebene Abflussquerschnitte oder abschnittsweise von Profil Profil. Die Berechnung beruht in der Praxis zumeist auf Formel nach Strickler und erfolgt bei strömenden in Fließrichtung und bei schießenden Abfluss gegen Fließrichtung beginnend in einem Anfangsquerschnitt.

Schwall und Sunk sind als instationäre nur mit komplizierten Formeln zu berechnen.



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