Wasserbau

Hydraulik

Hydraulische Berechnungen werden durchgeführt, um für beliebige Abflüsse zugehörige Wasserstände, Fließgeschwindigkeiten und Schubspannungen zu ermitteln.

Sie werden benötigt, um zum Beispiel die Ausdehnung von Überschwemmungen, die Höhe von Hochwasserschutzanlagen, die "bordvolle" Leistungsfähigkeit von Gewässern, Retentionsvolumen, die Größe von Brücken, die Auswirkung von Bauvorhaben und einiges mehr zu ermitteln.

Damit sind sie wesentliche Grundlage für das wasserwirtschaftliche Handeln an den Gewässern.    

 

Modelle

Für einfache Situationen können die Berechnungen in Tabellen erfolgten. Dies ist bei natürlichen Gewässern nicht mehr möglich. Hierfür werden numerische Berechnungsmodelle genutzt. Standard ist heute der Einsatz von 2-dimensionalen Modellen. Bei ihnen wird davon ausgegangen, dass die Fließgeschwindigkeit über die Wassertiefe konstant ist. Mit dieser Annahme ist es möglich, die Berechnungszeit in vertretbaren Grenzen zu halten.

Zunächst wird ein Geländemodell für den Flusschlauch und die Aue erstellt. Dazu werden terrestrische Vermessungen für den Flussschlauch und die Ufer mit Luftbildvermessung oder Daten aus Laserscanvermessung für das Vorland - die Aue - kombiniert. Das Modell sieht aus wie ein Netz mit rechteckigen und dreieckigen Maschen. Die Maschen sind dort, wo sich das Gelände nicht großartig ändert größer und werden da, wo sich Änderungen ergeben, kleiner. Es werden Besonderheiten wie Brücken und Durchlässe eingebaut, die erst durchflossen, bei steigenden Wasserständen eingestaut und dann überströmt werden. 

Aus Luftbildern und anderen Daten wird ermittelt, welche Nutzung sich in den Maschen des Netzes befindet. Ist es Wald oder Wiese oder ggf. Siedlung? Je nach Nutzung wird definiert, wie stark die Oberfläche Wasser bremst. Hierzu gibt es Erfahrungswerte.

Das Netz, die Informationen zur Nutzung und die zu berechnenden Abflüsse werden in ein Rechenmodell eingelesen. In Zeitschritten berechnet es jeweils für die Knoten des Netzes die Wasserstände, Fließgeschwindigkeiten und Schubspannungen. Aus den Informationen eines Knotens wird entlang der Linien im Netz zu den jeweils angrenzenden Knoten gerechnet, wie sich die Werte von Zeitschritt zu Zeitschritt ändern. Größere Modelle haben eine zweistellige Millionenzahl an Knoten. Hieraus ergeben sich auch auf modernen Computern lange Rechenzeiten. Für einen Rechenlauf werden zum Teil mehrere Tage benötigt.

Die Ergebnisse werden mit Luftbildern und Vermessungen von Wasserständen aus beobachteten Überschwemmungen verglichen. Bei Abweichungen werden die Ursachen bewertet und es wird das Modell ggf. angepasst. Die Ergebnisse der Berechnungen sind bis auf wenige cm genau.  

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