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Wasserbau im 6. Trimester.

Hydrologie, Wasserwirtschaft, Siedlungswasserwirtschaft schon im 1. und 2. Trimester

Im Elbe-Seiten-Kanal

Binnenschifffahrtsstraßen sind Wasserstraßen im Landesinneren, die für die Schifffahrt bestimmt sind.

Seeschifffahrtsstraßen sind Wasserstraßen auf dem Meer oder in küstennahen Gewässern, die für den Seeverkehr bestimmt sind.

Besonderheit: Nord-Ostsee-Kanal -> Er verbindet Nordsee und Ostsee und wird überwiegend von Seeschiffen genutzt. Rechtlich zählt er zu den Seeschifffahrtsstraßen obwohl es baulich gesehen ein Kanal ist.

Der Wasserkreislauf besteht aus:

Verdunstung → Kondensation → Niederschlag → Versickerung/Abfluss → Rückfluss in Gewässer → erneute Verdunstung

Die wichtigsten Einflussfaktoren sind:

• Sonne

• Temperatur

• Wind

• Vegetation

• Boden

• Topografie

• menschliche Eingriffe

Flussbegradigung ist die künstliche Verkürzung und Geradlinigmachung eines Flusses durch die Beseitigung von Flussschlingen, der Befestigung des Ufers und dem Ausbau des Flussbetts. Sie dient vor allem der Verbesserung der Schifffahrt, der Landgewinnung und dem schnelleren Wasserabfluss, kann jedoch ökologische Nachteile und eine erhöhte Hochwassergefahr flussabwärts verursachen.

Einzugsgebiet = gesamte Fläche, die Wasser zu einem bestimmten Gewässer liefert.

Dieser Prozess beschreibt, was mit Niederschlag passiert. Dieser verdunstet, fließt ab oder versickert. daraus ergibt sich die Wasserhaushaltsgleichung.

1. Konvektionsniederschlag

   • Entsteht durch starke Erwärmung der Erdoberfläche.

   • Warme Luft steigt auf, kühlt ab und bildet Regenwolken.

   • Typisch: kurze, starke Regenschauer und Gewitter.

2. Steigungsniederschlag (orographischer Niederschlag)

   • Feuchte Luft wird an einem Gebirge zum Aufsteigen gezwungen.

   • Beim Aufsteigen kühlt die Luft ab und es regnet.

   • Typisch auf der Luvseite von Gebirgen.

3. Frontniederschlag

   • Entsteht beim Zusammentreffen von warmer und kalter Luft.

   • Die warme Luft steigt über die kalte Luft auf und kühlt ab.

   • Typisch bei Tiefdruckgebieten.

Ein punktueller Niederschlag wird mit einem Niederschlagsmesser (Regenmesser/Pluviometer) an einem festen Messpunkt erfasst.

Dabei wird die Niederschlagsmenge gesammelt und als Niederschlagshöhe in Millimetern (mm) angegeben.

1 mm Niederschlag = 1 Liter Wasser pro Quadratmeter (1 l/m²).

Häufige Messgeräte

• Hellmann-Regenmesser (klassisches Sammelgefäß)

• Kippwaagen-Regenmesser (automatische Messung)

• Wäge-Regenmesser (Messung über Gewichtsänderung)

Verdunstung wird meist mit einem Verdunstungsmesser (Evaporimeter) gemessen.

Das gebräuchlichste Verfahren ist die Verdunstungsschale (Klasse-A-Verdunstungspfanne):

• Eine mit Wasser gefüllte Schale wird im Freien aufgestellt.

• Die Abnahme des Wasserstands wird regelmäßig gemessen.

• Daraus wird die Verdunstungsmenge berechnet.

• Verdunstung wird meist in mm oder l/m² angegeben.

• 1 mm Verdunstung = 1 l Wasser pro m².

Weitere Methoden

• Lysimeter: Misst Wasserverluste eines Bodenkörpers einschließlich Pflanzenbewuchs.

• Meteorologische Berechnungsverfahren: Ermittlung aus Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Wind und Sonneneinstrahlung.

Eine Abflusskurve stellt den Abfluss Q eines Gewässers über den Wasserstand h dar. Sie zeigt, wie sich der Abfluss z. B. nach einem Niederschlagsereignis verändert.

Eine Ganglinie ist die zeitliche Darstellung einer hydrologischen Größe (z. B. Niederschlag, Wasserstand oder Abfluss). Die Abflusskurve ist somit eine spezielle Ganglinie des Abflusses.

Eine Dauerkurve ordnet die gemessenen Abflüsse nach ihrer Größe und zeigt, wie häufig bzw. wie lange ein bestimmter Abflusswert erreicht oder überschritten wird.

Pegel misst Wasserstand h

↓

Wasserstandsganglinie

↓

h-Q-Beziehung (Abflusskurve)

↓

Abfluss Q berechnen

↓

Abflussganglinie

Der Wasserstand wird am Pegel gemessen. Mithilfe der Abflusskurve (h-Q-Beziehung) wird daraus der Abfluss berechnet. Der zeitliche Verlauf des berechneten Abflusses wird als Abflussganglinie dargestellt.

Das Deutsche Gewässerkundliche Jahrbuch ist eine jährlich veröffentlichte Sammlung hydrologischer Messdaten (z. B. Wasserstände, Abflüsse und Niederschläge) deutscher Gewässer. Es dient als Grundlage für Wasserwirtschaft, Hochwasserschutz, Planung und Forschung.

1. November bis 31. Oktober, damit Winter und folgende Schneeschmelze zusammen betrachtet werden. Im Winter fällt sonst der Schnee welcher erst im Frühling taut.

Hydrometrie ist die Lehre von der Messung hydrologischer Größen in Gewässern und im Wasserkreislauf.

Dazu gehören insbesondere die Messung von:

• Wasserstand

• Abfluss

• Fließgeschwindigkeit

• Niederschlag

• Verdunstung

• Wassertemperatur

Die gewonnenen Daten dienen der Beschreibung und Überwachung des Wasserhaushalts.

Normalwasserstand = üblicher Wasserstand eines Gewässers bei stationärer und gleichförmiger Strömung.

Eine Pegelstation misst und überwacht den Wasserstand eines Gewässers an einem festen Ort.

Die Messwerte werden aufgezeichnet und häufig automatisch an die zuständigen Behörden übermittelt.

Aufgaben einer Pegelstation

• Messung des Wasserstands hhh

• Erfassung von Hoch- und Niedrigwasser

• Grundlage zur Berechnung des Abflusses QQQ

• Überwachung von Flüssen, Kanälen und Seen

• Bereitstellung von Daten für Hochwasserschutz und Schifffahrt

Der Wasserstand wird an einer Pegelstation gemessen. Dabei gibt es verschiedene Messverfahren:

1. Pegellatte

   • Skala am Ufer oder Bauwerk.

   • Wasserstand wird direkt abgelesen.

2. Schwimmerpegel

   • Ein Schwimmer bewegt sich mit dem Wasserstand auf und ab.

   • Die Bewegung wird aufgezeichnet.

3. Drucksonde

   • Misst den Wasserdruck.

   • Aus dem Druck wird die Wassertiefe bzw. der Wasserstand berechnet.

4. Ultraschall- oder Radarpegel

   • Misst den Abstand zwischen Sensor und Wasseroberfläche.

   • Sehr häufig bei modernen Pegelstationen.

Die Fließgeschwindigkeit eines Gewässers kann mit verschiedenen Messverfahren bestimmt werden:

1. Flügelmessgerät

• Ein Messflügel wird ins Wasser gehalten.

• Die Strömung dreht den Flügel.

• Aus der Drehzahl wird die Fließgeschwindigkeit berechnet.

2. Schwimmkörperverfahren

• Ein Schwimmkörper (z. B. Holzstück) wird auf das Wasser gesetzt.

• Die Zeit für eine bekannte Strecke wird gemessen.

v=s/t -> Geschwindigkeit=Strecke/Zeit

3. Ultraschall-/ADCP-Messung

• Moderne Messmethode.

• Schallwellen werden ausgesendet.

• Über den Doppler-Effekt wird die Geschwindigkeit im gesamten Querschnitt bestimmt.

Q=v*A -> Durchfluss=Geschwindigkeit*Querschnittsfläche

Q: m^3/s -> Volumenstrom: Kubikmeter pro Sekunde

v: m/s -> Geschwindigkeit: Meter pro Sekunde

A: m^2 -> Querschnittsfläche: Quadratmeter

Hydrologisch gehören Krähenteich und Mühlenteich zur Wakenitz.

Die Wakenitz wird in Lübeck über einen Düker in den Krähenteich geleitet, fließt von dort in den Mühlenteich und anschließend über die Mühlendammanlagen in die Trave. Die Teiche sind also Teil des Abflusswegs der Wakenitz.

Ratzeburger See

↓

Wakenitz

↓

Krähenteich

↓

Mühlenteich

↓

Trave

Die Mühlenstraße erhielt ihren Namen von den mittelalterlichen Wassermühlen im Süden der Lübecker Altstadt. Diese wurden durch das Wasser der Wakenitz angetrieben und dienten der Versorgung der Stadt mit Mehl und Energie. Die Straße war die Zufahrt zu diesen Mühlen.

Die Sturmflut -> Wind in der Nordsee drückt Wasser in die Elbe und sorgt für Hochwasser. Außerdem spielt die Tide eine Rolle. Bei Flut wird noch mehr Wasser in die Elbe gedrückt.

Das Netz der Bundeswasserstraßen umfasst rund 7.350 km. 6600 km sind Binnenschiffahrtsstraßen und ca. 750 km sind Seeschiffahrtsstraßen.

76% der Binnenschiffahrtsstraßen sind Flüssen (42% staugeregelt, 34% frei) und 24% sind Kanäle.

Der Elbe-Lübeck-Kanal hat 7 Schleusen. Diese überwinden den Höhenunterschied zwischen der Elbe und der Trave in Lübeck.

Die sieben Schleusen sind:

1. Büssau

2. Krummesse

3. Berkenthin

4. Behlendorf

5. Donnerschleuse

6. Witzeeze

7. Lauenburg

Frankfurt am Main

↓

Main

↓

Rhein (bei Mainz)

↓

Rhein-Herne-Kanal

↓

Dortmund-Ems-Kanal

↓

Mittellandkanal

↓

Elbe-Seitenkanal

↓

Elbe

↓

Hamburg

Schleusen werden benötigt, um Höhenunterschiede in Wasserstraßen zu überwinden.

Sie ermöglichen es Schiffen, von einem höheren auf ein tieferes Wasserniveau oder umgekehrt zu gelangen.

Funktionsprinzip

1. Schiff fährt in die Schleusenkammer.

2. Tore werden geschlossen.

3. Wasser wird eingelassen oder abgelassen.

4. Der Wasserspiegel in der Kammer steigt oder sinkt.

5. Schiff verlässt die Schleuse auf dem neuen Wasserniveau.

Das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) gilt gemäß § 2 WHG für:

1. Oberirdische Gewässer

   • Flüsse

   • Bäche

   • Seen

   • Kanäle

2. Küstengewässer

   • Nordsee- und Ostseeküste

   • küstennahe Meeresgewässer

3. Grundwasser

   • unterirdisches Wasser im Boden und Untergrund

Ein HMWB ist ein durch den Menschen erheblich veränderter Wasserkörper (z. B. durch Staustufen, Schleusen oder Begradigungen), der seinen natürlichen Zustand nicht mehr erreichen kann, ohne wichtige Nutzungen zu beeinträchtigen. Ziel nach der Wasserrahmenrichtlinie ist daher das gute ökologische Potenzial statt des guten ökologischen Zustands.

Nach dem Wasserhaushaltsgesetz (WHG) und der europäischen Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) ist das Bewirtschaftungsziel:

Einen guten ökologischen und einen guten chemischen Zustand der oberirdischen Gewässer zu erreichen bzw. zu erhalten.

Guter ökologischer Zustand

• Naturnahe Gewässerstruktur

• Gute Lebensbedingungen für Tiere und Pflanzen

• Funktionsfähiges Ökosystem

Guter chemischer Zustand

• Einhaltung von Umweltqualitätsnormen

• Keine schädlichen Konzentrationen von Schadstoffen

Ausnahme: HMWB

Bei erheblich veränderten Wasserkörpern (HMWB) gilt:

Gutes ökologisches Potenzial statt guter ökologischer Zustand.

Der gute chemische Zustand bleibt jedoch weiterhin das Ziel.

Fischschutz umfasst alle Maßnahmen, die Fische und andere Wasserorganismen vor Schäden durch menschliche Eingriffe schützen.

Besonders wichtig ist der Schutz an:

• Wasserkraftanlagen

• Wehren

• Schleusen

• Pumpwerken

• Wasserentnahmen

Ziele des Fischschutzes

• Verhindern, dass Fische in Turbinen geraten und verletzt oder getötet werden.

• Erhalt der natürlichen Fischwanderung.

• Schutz von Laichplätzen und Lebensräumen.

• Erhaltung der Artenvielfalt.

Typische Maßnahmen

• Fischaufstiegsanlagen (Fischtreppen) zur Umgehung von Wehren.

• Fischabstiegsanlagen für die Wanderung flussabwärts.

• Rechen und Schutzgitter vor Turbinen.

• Umgehungsgerinne und naturnahe Gewässerstrukturen.

Eine Fischaufstiegsanlage (Fischtreppe, Fischpass) ermöglicht es Fischen, Hindernisse wie Wehre, Staustufen oder Wasserkraftanlagen flussaufwärts zu überwinden.

Sie stellt die Durchgängigkeit eines Gewässers wieder her und ermöglicht den Fischen, ihre Wanderungen zu Laich-, Nahrungs- oder Überwinterungsgebieten fortzusetzen.

1. Technischer Hochwasserschutz (Deiche, Rückhaltebecken, Mauern)

2. Natürlicher/vorsorgender Hochwasserschutz (Auen, Rückhalteräume, Renaturierung)

3. Hochwasservorsorge (Warnsysteme, Raumplanung, hochwasserangepasstes Bauen)

1. Wehrkörper (Wehrschwelle) – staut das Wasser auf

2. Wehrverschluss – regelt den Abfluss (z. B. Schütze, Klappen)

3. Wehrfelder – Öffnungen für den Wasserdurchfluss

4. Pfeiler – tragen die Verschlüsse und trennen die Wehrfelder

5. Widerlager – seitliche Anschlüsse an das Ufer

6. Bedienungssteg/Brücke – Zugang für Betrieb und Wartung

7. Antriebs- und Steuerungseinrichtungen – zum Öffnen und Schließen des Wehrs

8. Unter- und Oberwasserbefestigung – Schutz vor Erosion und Auskolkung

9. Fischaufstiegsanlage (oft vorhanden) – ermöglicht Fischwanderungen

1. Vorsorge (Prävention)

• Hochwasserrisikokarten erstellen

• Überschwemmungsgebiete sichern

• Hochwasserangepasstes Bauen

• Natürliche Rückhalteräume schaffen

2. Schutz

• Deiche

• Hochwasserschutzmauern

• Rückhaltebecken

• Polder

3. Vorbereitung

• Hochwasserwarnsysteme

• Alarm- und Einsatzpläne

• Information der Bevölkerung

4. Bewältigung (Ereignisfall)

• Hochwasserwarnung

• Evakuierungen

• Sandsackeinsatz

• Katastrophenschutz

5. Nachsorge / Wiederherstellung

• Schadensbeseitigung

• Wiederaufbau

• Auswertung des Ereignisses

• Verbesserung der Schutzmaßnahmen

Danach beginnt der Kreislauf erneut, indem die gewonnenen Erkenntnisse in die Vorsorge einfließen.

1. Flusshochwasser → viel Wasser im Fluss

2. Sturmflut → Wind drückt Meerwasser an die Küste

3. Sturzflut → Starkregen führt zu plötzlichem Oberflächenabfluss

1. Wehr

   • Staut das Wasser auf.

   • Regelt den Abfluss.

2. Schleuse (bei Schifffahrtsstraßen)

   • Ermöglicht Schiffen das Überwinden des Höhenunterschieds.

3. Fischaufstiegsanlage

   • Ermöglicht Fischen die Wanderung flussaufwärts.

   • Stellt die ökologische Durchgängigkeit her.

4. Betriebs- und Steuerungseinrichtungen

   • Antriebe, Schütze, Mess- und Regeltechnik.

Es gibt 3 Staustufen. Die Klassifizierung von Staustufen richtet sich nach der Fallhöhe bei Mittelwasserabfluss (MQ).

1. BHQ1 = Funktionsnachweis der Hochwasserentlastung → Bauwerk bleibt voll gebrauchstauglich.

   n-1 Fall: Das Wehr muss auch funktionieren, wenn eines der Wehrfelder nicht funktionsfähig ist

2. BHQ2 = Sicherheitsnachweis bei Extremhochwasser → Bauwerk darf nicht versagen.

Bewegliche und feste Wehre. Außerdem unterscheidet man zwischen linearen und nicht linearen Wehren. Nicht lineare Wehre sind fest. Lineare Wehre können fest oder beweglich sein.

Zu den linearen Wehren gehören beispielsweise:

1. Schützenwehr

   • Der Abfluss wird durch bewegliche Schütze geregelt.

   • Sehr häufig an Flüssen und Kanälen.

2. Klappenwehr

   • Besitzt eine bewegliche Wehrklappe.

   • Durch Anheben oder Absenken wird der Wasserstand reguliert.

Weitere lineare Wehrarten sind:

• Walzenwehr

• Segmentwehr

• Nadelwehr

1. Gleichförmige Strömung

• Fließgeschwindigkeit und Wassertiefe ändern sich entlang der Fließstrecke nicht.

2. Ungleichförmige Strömung

• Fließgeschwindigkeit und/oder Wassertiefe ändern sich entlang der Fließstrecke.

3. Stationäre Strömung

• Die Strömungsverhältnisse ändern sich mit der Zeit nicht.

• Geschwindigkeit, Druck und Wassertiefe bleiben an einem Ort konstant.

4. Instationäre Strömung

• Die Strömungsverhältnisse ändern sich mit der Zeit.

• Beispiel: Hochwasserwelle in einem Fluss.

Eine Strömung ist stationär, wenn sich die Strömungsgrößen an einem festen Ort mit der Zeit nicht ändern.

Konstant bleiben beispielsweise:

• Fließgeschwindigkeit v

• Wassertiefe h

• Abfluss Q

Eine Strömung ist instationär, wenn sich die Strömungsgrößen an einem festen Ort mit der Zeit ändern.

Ändern können sich:

• Fließgeschwindigkeit v

• Wassertiefe h

• Abfluss Q

Die Kontinuitätsgleichung wird verwendet, um den Zusammenhang zwischen Abfluss, Fließgeschwindigkeit und Querschnittsfläche zu beschreiben.

Sie beruht auf dem Gesetz der Massenerhaltung:

Was in einen Querschnitt hineinfließt, muss auch wieder herausfließen (sofern kein Wasser gespeichert oder entnommen wird).

Bestimmt wird der Durchfluss Q unter Berücksichtigung von

• k_m: Der Rauheitsbeiwert des Flussbettes

• A: Der Querschnittfläche

• U: Dem Umfang des Querschnitts ohne Wasseroberfläche

• I: Gefälle des Wasserspiegels

Die Manning-Strickler-Gleichung kann für stationäre und gleichförmige Strömungen in offenen Gerinnen angewendet werden.

Voraussetzungen

✅ Stationäre Strömung

• Die Strömungsgrößen ändern sich zeitlich nicht.

✅ Gleichförmige Strömung

• Wassertiefe, Geschwindigkeit und Abfluss ändern sich entlang der Fließstrecke nicht.

Nicht geeignet für

❌ Instationäre Strömungen (z. B. Hochwasserwellen)

❌ Stark ungleichförmige Strömungen (z. B. vor Wehren, Schleusen oder Verengungen)

Ein Fließwechsel ist der Übergang zwischen zwei Strömungszuständen eines offenen Gerinnes:

• schießender Abfluss (schnell, flach)

• strömender Abfluss (langsam, tief)

Der Fließwechsel erfolgt meist durch einen Wechselsprung.

Ablauf

1. Das Wasser fließt zunächst schießend:

   • hohe Geschwindigkeit

   • geringe Wassertiefe

     
     

2. Durch ein Hindernis, geringeres Gefälle oder einen Rückstau kann der schnelle Abfluss nicht aufrechterhalten werden.

3. Es entsteht ein hydraulischer Sprung:

   • starke Verwirbelungen

   • Energieverluste

   • Anstieg des Wasserspiegels

4. Danach fließt das Wasser strömend weiter:

   • geringere Geschwindigkeit

   • größere Wassertiefe

     
     

Ein Fischaufstieg (Fischaufstiegsanlage, Fischtreppe) wird benötigt, weil Wehre, Staustufen und Wasserkraftanlagen die natürliche Wanderung von Fischen im Fluss unterbrechen.

Der Fischaufstieg ermöglicht es den Fischen, diese Hindernisse zu überwinden und ihre Wanderwege fortzusetzen.

Gründe

• Erhaltung der ökologischen Durchgängigkeit eines Gewässers

• Erreichen von Laichgebieten

• Nahrungssuche

• Wanderung zu Überwinterungsgebieten

• Schutz wandernder Fischarten