Hydraulische Berechnung von Fließgewässern mit Vegetation

Die Deutsche Vere­ini­gung für Wasser­wirtschaft, Abwass­er und Abfall e. V. (DWA) hat den Entwurf des Merk­blatts DWA‑M 524 „Hydraulis­che Berech­nung von Fließgewässern mit Veg­e­ta­tion“ vorgelegt, der hier­mit zur öffentlichen Diskus­sion gestellt wird.

Inten­tion für die Erstel­lung des vor­liegen­den Merk­blatts war die Fortschrei­bung und Aktu­al­isierung des DVWK-Merk­blatts 220/1991 „Hydraulis­che Berech­nung von Fließgewässern“. Wesentliche Inhalte die­ses Merk­blatts sind 1D-Betra­ch­tun­gen. Da diese 1D-Betra­ch­tun­gen nach wie vor ihre Gültigkeit besitzen, wur­den sie nicht in dieses Merk­blatt aufgenom­men. Stattdessen wurde das DVWK-Merk­blatt 220/1991 mit dem Aktu­al­itäts-Prüf­siegel 2016 verse­hen und damit für die weit­ere Anwen­dung emp­fohlen. Das vor­liegende Merk­blatt konzen­tri­ert sich auf neuere Ansätze, die sich inten­siv­er mit den Pflanzeneigen­schaften auseinan­dersetzen und diese in den Wider­stands­beziehun­gen berück­sichti­gen sowie in mehrdi­men­sion­ale Strö­mungsmodelle imple­men­tiert wer­den kön­nen. Es sind Ansätze, die in den let­zten zwei Jahrzehn­ten ins­beson­dere in inter­na­tionalen Zeitschriften vorgestellt wur­den und jet­zt nach und nach in der Prax­is Anwen­dung finden.

Der busch- und bau­mar­tige Ufer- und Vor­land­be­wuchs gewin­nt hin­sichtlich der Erre­ichung des guten ökol­o­gis­chen Zus­tands unser­er Fließgewäss­er zunehmend an Bedeu­tung. Auch die Dimen­sion­ierung von Fluss­de­ichen, die Unter­hal­tung und das Man­age­ment der Vor­län­der sowie bauliche Ein­griffe zur natur­na­hen Umgestal­tung unser­er Flus­sauen set­zen voraus, dass die hydraulis­chen Ver­hält­nisse für den Ist- und Pla­nungszu­s­tand möglichst genau berech­net werden.

Inge­nieurtech­nisch betra­chtet ist die Strö­mung in Gebi­eten, welche mit Pflanzen bewach­sen sind, au­ßerordentlich kom­plex. Den­noch müssen Inge­nieure und Inge­nieurin­nen im Zuge mod­ern­er Pla­nun­gen die Auswirkun­gen dieser Fak­toren unter anderem auf den Wasser­stand quan­ti­ta­tiv beurteilen. Hierzu ste­hen weit entwick­elte hydro­dy­namisch-numerische Ver­fahren zur Ver­fü­gung. Bere­its heute zählen 2D-hydro­dy­namisch-numerische Ver­fahren zum Stan­dard zahlre­ich­er Büros, wobei die meis­ten Ver­fahren mit rein empirischen Ansätzen für die Sohlen­rauheit und den Pflanzen­wider­stand ange­wandt wer­den. Neuere Ansätze zur Berech­nung der Fließgewäss­er mit Veg­e­ta­tion sind noch nicht implementiert.

Aus diesem Grund hat­te sich die Arbeits­gruppe fol­gende Auf­gaben gestellt:

• einen möglichst umfassenden Überblick über die vorhan­de­nen prax­is­rel­e­van­ten, the­o­retisch fun­dierten Ansätze zur Bes­tim­mung der Sohlen­rauheit­en und Pflanzen­wider­stände natur­na­her Fließ­gewässer zu geben
• die Ansätze der­art aufzu­bere­it­en, dass sie ohne große Schwierigkeit­en in die beste­hen­den hydro­­dy­namisch-numerischen Ver­fahren imple­men­tiert wer­den können
• die Gültigkeits­gren­zen der einzel­nen Ansätze klar her­auszustellen und entsprechend aufzubereiten

In Anbe­tra­cht der Tat­sache, dass die Entwick­lung mehrdi­men­sion­aler numerisch­er Pro­gramme weiter­hin schnell voran­schre­it­et und sowohl nation­al als auch inter­na­tion­al auf diesem Gebi­et zahlre­iche Forschungsar­beit­en laufen, wer­den auch Ansätze vorgestellt, die sich noch in der Entwick­lung befind­en, aber dank neuester Messtech­nik gute Aus­sicht­en haben, in naher Zukun­ft prax­is­rel­e­vante Anwen­dung zu find­en. Dieses bet­rifft ins­beson­dere Ansätze, die sich mit der Flex­i­bil­ität von Pflanzen beschäftigen.

Aus hydraulis­ch­er Sicht sind für das Wider­standsver­hal­ten der Pflanzen neben den geometrischen Struk­tur­pa­ra­me­tern vor allem die bio­mech­anis­chen Mate­ri­aleigen­schaften von großer Bedeu­tung. Da­her wurde die Ein­teilung des DVWK-Merk­blatts 220/1991 in Klein‑, Mit­tel- und Großbe­wuchs aufgegeben. Im vor­liegen­den Merk­blatt wird zwis­chen einzel­nen Bewuch­se­le­menten und Bewuchs­be­stand, star­rer und flex­i­bler Veg­e­ta­tion sowie über- und durch­strömten Pflanzen unter­schieden. Je nach Strömungsge­schwindigkeit kann sich der Bewuchs starr oder flex­i­bel ver­hal­ten und durch- oder über­strömt sein. Die Charak­ter­isierung der Pflanzen im Sohlen‑, Ufer- und Vor­land­bere­ich ist dem­nach nur durch Mehrfachzuord­nung möglich und hat zu der neuen Ein­teilung geführt:

• über­strömter Bewuchs als Reibungswiderstand
• star­rer und flex­i­bler durch­strömter Bewuchs
• über­strömter Bewuchs als Formwiderstand

Das Merk­blatt ist wie fol­gt struk­turi­ert: Zunächst wird eine über­sichtliche Zusam­men­stel­lung und Auf­bere­itung empirisch­er und tur­bu­lenz-the­oretis­ch­er Ansätze zur Berech­nung von Fließwider­stän­den gegeben. Bei der Auf­bere­itung wurde be­sonderes Augen­merk auf die Gültigkeits­gren­zen der einzel­nen Ansätze gelegt. Des Weit­eren wird de­tailliert auf die Pflanzen und ihre Eigen­schaften einge­gan­gen. Dabei standen die hydraulis­che Charak­terisierung der Pflanzen und die hier­für erforder­lichen Para­me­ter im Vorder­grund. Weit­ere Abschnitte bein­hal­ten die Bere­it­stel­lung der Berech­nungsan­sätze für die Fließwider­stände der nach der neuen Ein­teilung klassifizierten/charakterisierten Pflanzen und die Berück­sich­ti­gung der ver­schiede­nen Be­rechnungsformeln zur Ermit­tlung des Strö­mungswider­stands in den Grund­gle­ichun­gen. Im abschließen­den Abschnitt wer­den Hin­weise über die Anforderun­gen an Bewuchs­dat­en gegeben sowie Meth­o­d­en zur Daten­er­he­bung vorgestellt.

Bauw­erks­be­d­ingte Formwider­stände, verur­sacht durch Brück­enpfeil­er oder Buh­nen, wer­den nicht be­trachtet. Eben­so sind durch den Formwider­stand dominierte Flusssohlen, zum Beispiel in der Gestalt von Rif­feln, Dünen, Kolken nicht Gegen­stand dieses Merkblatts.

Die DWA-Arbeits­gruppe WW‑3.1 „Hydraulis­che Berech­nung von Fließgewässern mit Veg­e­ta­tion“ (Sprech­er Prof. a. D. Dr.-Ing. habil. Andreas Dit­trich) im DWA-Fachauss­chuss WW‑3 „Hydraulik“ des DWA-Haup­tauss­chuss­es „Wasser­bau und Wasserkraft“ (HA WW) wen­det sich mit diesem vor­liegen­den Merk­blatt an Anwen­der und Anwen­derin­nen in der Ver­wal­tung sowie in Inge­nieur­büros, die sich mit natur­na­hen Umgestal­tungs­maß­nah­men und Maß­nah­men zur Verbesserung der Abflus­sleis­tung von Fließgewässern mit Bewuchs beschäfti­gen, sowie Entwick­ler und Entwick­lerin­nen, deren Inter­esse in der Aktu­al­isierung und Weit­er­en­twick­lung von Strö­mungsmod­ellen für natür­liche Fließgewäss­er mit Veg­e­ta­tion besteht.

Frist zur Stel­lung­nahme: Das Merk­blatt DWA‑M 524 wird bis zum 28. Feb­ru­ar 2019 öffentlich zur Diskus­sion gestellt. Hin­weise und Anre­gun­gen erbit­tet die DWA schriftlich, möglichst in dig­i­taler Form, an Dipl.-Geogr. Georg Schrenk, schrenk@dwa.de.