hausübung teil2 ws14 15

Fachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft Fachbereich Bauingenieur- und Umwe lt ingen ieurwesen Univ.-Prof. Dr .-Ing. S tephan Theobald

Grundlagen des Wasserbaus und der Wasserwirtschaft Hausarbeit Nr. 2 im WS 2014/2015 Bearbeiter 1: Name: ________________________

Vorname: ________________________

Matrikelnummer: Fachsemester: ___ Studiengang: _______________________________ Bearbeiter 2: Name: ________________________

Vorname: ________________________

Matrikelnummer: Fachsemester: ___ Studiengang: _______________________________ Allgemeine Hinweise: Die entsprechenden Ziffern aus der Matrikelnummer sind an den dafr vorgesehenen Stellen einzusetzen. Der Lsungsweg ist vollstndig und nachvollziehbar anzugeben. Die Hausarbeit ist bis zum 16.01.2015 abzugeben. Abgabe am: ______________ Korrektur am: ______________ Bewertung: ______________

A B

C D


1 Wasserbauwerke

Eine an einem Fluss gelegene Siedlung ist nahezu zweimal im Jahr von Hochwasser betrof-fen. Um den Hochwasserschutz zu verbessern und Schden auf ein Minimum zu reduzieren, wurde ein Hochwasserrckhaltebecken gebaut (vgl. Abb. 1.1). Dieses liegt im Hauptschluss und ist mit einem regulierbaren, senkrechten unterstrmten Schtz ausgestattet. Das zwei-teilige Schtz mit einer Gesamtbreite von B = 7, A m wird durch einen Trennpfeiler mit einer Breite von b= 65 cm geteilt (vgl. Detailskizze in Abb. 1.1). Die berfallbreite wird nicht vom Pfeiler beeinflusst.

Abb. 1.1 Schematische Lageskizze des Hochwasserrckhaltebeckens

Abb. 1.2 Schematischer Schnitt durch das Absperrbauwerk des Hochwasserrckhaltebeckens


Smtliche relevanten Gelnde- bzw. Wasserstandshhen knnen der Abb. 1.2 entnommen werden. Folgende Fragen sind unter Angabe des Lsungsweges zu beantworten:

1.1 Durch die Ortslage kann maximal ein Abfluss von Q = 4C m/s schadlos abgefhrt werden. Die maximale ffnungsweite des Schtzes betrgt a max = 1,2B m. Kann das Schtz unter Beachtung der maximalen Abflusskapazitt der Ortschaft bei Vollstau bis zu 80 % geffnet werden, wenn zustzlich von dem unterstrom gelegenen Bach QBach = 9,5 m/s zuflieen?

1.2 Beurteilen Sie die nderung der Leistungsfhigkeit unter der Annahme, dass das Schtz einen Neigungswinkel von . = 60 hat. Berechnen Sie des Weiteren die Hhe des Unterwasserstandes in m . NN unter Bercksichtigung des Kontraktionsbeiwertes \

1.3 Nach Inbetriebnahme des Beckens tritt ein auergewhnliches Hochwasserereignis mit dem in Abb. 1.2 dargestellten Beckenfllstand ein, so dass neben dem vollstndig geffneten Grundablass auch die Hochwasserentlastung in Form eines rundkronigen Wehres in Betrieb ist. Wie hoch ist in diesem Fall der Abfluss aus dem Becken, wenn die Schtzanlage vollstndig geffnet ist?

1.4 Nach einiger Zeit hat sich der Unterwasserspiegel auf 209,30 m . NN erhht. Wie gro ist der gesamte Abfluss aus dem Hochwasserrckhaltebecken unter den Rand-bedingungen aus Aufgabenteil 1.3? Zur Bestimmung des Abminderungsfaktors C ver-wenden Sie die Abb. 1.4.

1.5 Ist die unterhalb gelegene Ortslage bei den berechneten Abflussmengen aus Aufgabe 1.3 und 1.4 noch sicher? Schlagen Sie Manahmen vor, um die Ortslage auch bei ein-tretenden auergewhnlichen Hochwasserereignissen zu schtzen.


Abb. 1.3 Bestimmung des Abflussbeiwertes und des Kontraktionsbeiwertes

Abb. 1.4 Bestimmung des Abminderungsfaktors c


2 Wasserkraft

Eine bestehende Wasserkraftanlage am Mhlenbach soll gem den gewsserkologischen Anforderungen modernisiert werden, da derzeit die Fischdurchgngigkeit nicht gegeben und innerhalb der Ausleitungsstrecke nur ungengend Wasser vorhanden ist. Zur Wiederherstel-lung der Durchgngigkeit ist die Errichtung einer Fischaufstiegs- und Abstiegsanlage am Krafthaus vorgesehen (vgl. Abb. 2.1). Diese soll mit QFAA = 0,36 m/s beaufschlagt werden. Gleichzeitig ist der Ausleitungsstrecke stets ein Restwasser von mindestens QWehr = 1,4 m/s am Wehr abzugeben. Berechnen Sie mit Hilfe eines Leistungsplanes die energetische Stromerzeugung fr den skizzierten Planungszustand unter Bercksichtigung der o. g. Abschlge fr die Fischauf-stiegsanlage und der Ausleitungsstrecke.

Abb. 2.1 Lageskizze im Planungszustand zur Verbesserung der gewsserkologischen Situation am Wasserkraftstandort

In der Nhe der Wasserkraftanlage befindet sich ein Messpegel mit einem oberirdischen Einzugsgebiet von 2120 km, der zur Ermittlung des mittleren Wasserdargebots herangezo-gen werden kann. Ein Auszug aus dem Gewsserkundlichen Jahrbuch kann dem Anhang 1 entnommen werden. Das Einzugsgebiet an der Wasserkraftanlage hat eine Gre von 16BA km.


Zur Bestimmung der Fallhhe h f steht Ihnen weiterhin eine Wasserstands-Abfluss-Beziehung im Anhang 2 zur Verfgung. Verwenden Sie zur Berechnung des nutzbaren Durchflusses QN die folgenden Fallunter-scheidungen: Fall A: Q < QA hf > hK QN = Q Fall B: Q > QA hf > hK QN = QA Fall C: Q > QA hK > hf > hK/3 QN = (hf

0,5/hK0,5)*QA

Fall D: Q > QA hK/3 > hf QN = 0 Der Turbinenwirkungsgrad in Abhngigkeit deren Beaufschlagung ist in Anhang 3 darge-stellt.

2.1 Berechnen Sie aus den mittleren Werten der Pegeldauertabelle das Wasserdargebot an der Wasserkraftanlage fr die im Leistungsplan (Anhang 4) angegebenen Unter-schreitungstage. Dieses kann ber die Einzugsgebietsgre des Pegels und der Was-serkraftanlage linear extrapoliert werden. Geben sie den Umrechnungsfaktor mit an.

2.2 Erstellen Sie fr den Planungszustand der Wasserkraftanlage einen Leistungsplan und ermitteln Sie die jhrliche Stromerzeugung. Vorhanden ist eine Kaplanturbine mit ei-nem Ausbaudurchfluss von QA = 19 m/s. Die Konstruktionsfallhhe der Wasserkraft-anlage kann mit hK = 2,60 m angenommen werden. Nutzen Sie zur Erstellung des Leis-tungsplans die im Anhang 4 gegebene Tabelle mit den angegebenen Unterschrei-tungstagen, indem Sie die einzelnen Spalten berechnen. Neben dem Turbinenwir-kungsgrad ist ein Anlagenwirkungsgrad (Getriebe, Generator, sonstige Verluste) von 83 % anzusetzen.

2.3 Zeichnen Sie mit den berechneten Ergebnissen die Leistungsdauerlinie und das Jah-resarbeitsvermgen in das Leistungsdiagramm (vgl. Anhang 5). Des Weiteren ist der Verlauf des Wasserdargebotes an der WKA zusammen mit dem Turbinendurchfluss und der Fallhhe darzustellen (vgl. Anhang 6). In welchem Fall ist der Turbinendurch-fluss QN als optimal anzusehen? Kennzeichnen Sie diesen Fall in beiden Diagrammen.

2.4 Nach dem EEG werden modernisierte Anlagen, die einen kologisch guten Zustand aufweisen, mit 11,67 Cent/kWh vergtet. Berechnen Sie die jhrlichen Einnahmen fr den Planungszustand.

Hinweis: Fr die Berechnung eines Leistungsplanes wird empfohlen ein Tabellenkalkulationspro-gramm (z. B. Excel) zu nutzen. Die im Anhang bereitgestellten Formulare (Anhang 4 bis An-hang 6) knnen dabei als Vorlage verwendet werden.


3 Informationssysteme

Verschiedene web-basierte Informationssysteme werden der ffentlichkeit zugnglich ge-macht, diese sind u.a.

- WRRL-Viewer Hessen (http://wrrl.hessen.de/viewer.htm) - Pegel Hessen (http://www.hlug.de) - GESIS Hessen (http://www.gesis.hessen.de) - Hessen-Viewer (http://hessenviewer.hessen.de)

Beantworten Sie mit denen Ihnen zur Verfgung stehenden Werkzeugen die nachfolgenden Fragen:

3.1 Welche Ortschaft liegt an der Schwalm (Gewsserkennzahl 4288) bei Station km 47,5?

3.2 In welches Gewsser mndet die Dill ein? Geben Sie zustzlich die Gewsserstation und die dort angrenzenden Stadt an.

3.3 Wie gro ist das Einzugsgebiet der Fliede (Gewsserkennziffer 422) von unterhalb der Mndung des Kalbachs bis zum Pegel Kerzell? Welche Flche umfasst das dortige Einzugsgebiet inklusive der Oberlieger?

3.4 An welchem Gewsser befindet sich der Pegel Silges? Geben Sie zudem die Gews-serstation und die Gre des Einzugsgebiets an.

3.5 Wie gro sind von dem in Aufgabenteil 3.4 gesuchten Pegel:

a) der Mittelwasserabfluss (MQ) aller beobachteten Kalenderjahre,

b) der mittlere Niedrigwasserabfluss (MNQ) aller beobachteten Kalenderjahre,

c) der mittlere Hochwasserabfluss (MHQ) aller beobachteten Kalenderjahre

d) und das grte Hochwasser mit Angabe des Datums.

e) Stellen Sie die Wasserstands- und Durchflussganglinie fr das Jahr dar.

3.6 Welche Art von wasserbaulichem Bauwerk ist an der Espe anzutreffen bei Kennziffer 56 der Gewssersegmentierung und welche Funktionen hat dieses? Wie ist die Ge-samtpassierbarkeit dieses Bauwerkes hinsichtlich des Fischauf- und Abstieges bewer-tet. Welche Wasserspiegeldifferenz besteht?


Anhang

Anhang 1

Anhang 2

248,00

249,00

250,00

251,00

252,00

253,00

254,00

255,00

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

Was

sers

tand

[m .

NN

]

Wasserdargebot an der WKA [m/s]

Wasserstand-Abfluss Beziehung an der WKA

Oberwasserstand [m . NN]

Unterwasserstand [m . NN]

Q [m/s] Oberwasser [m . NN] Q [m/s] Unterwasser [m . NN]

0 252,3 0 248,5

10 252,3 25 250,1

60 253,0 75 251,4

90 253,1 95 252,1

110 253,3 115 252,6

140 254,1 140 254,1

160 254,1 160 254,1

Anhang 3-1

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Wirk

ungs

grad

Turb

[%]

Verhltnis Q N/QA [%]

Turbinenwirkungsgrad

Kaplan

Francis-Hochschnelllufer

Propeller

Pelton

PROPELLER

FRANCIS

KAPLAN

PELTON

Anhang 3-2

Turbinenwirkungsgrad (Kaplanturbine) in Abhngigkeit der Beaufschlagung

BeaufschlagungTurbine

Turbinen-wirkun gsgrad

BeaufschlagungTurbine

Turbinen-wirkun gsgrad

QN/QA turb QN/QA turb[-] [-] [-] [-]

0.00 0.00 0.51 0.880.01 0.00 0.52 0.880.02 0.00 0.53 0.880.03 0.00 0.54 0.880.04 0.00 0.55 0.890.05 0.00 0.56 0.890.06 0.23 0.57 0.890.07 0.34 0.58 0.890.08 0.42 0.59 0.890.09 0.48 0.60 0.890.10 0.51 0.61 0.890.11 0.54 0.62 0.900.12 0.57 0.63 0.900.13 0.59 0.64 0.900.14 0.61 0.65 0.900.15 0.63 0.66 0.900.16 0.65 0.67 0.900.17 0.66 0.68 0.900.18 0.68 0.69 0.900.19 0.70 0.70 0.900.20 0.71 0.71 0.900.21 0.72 0.72 0.900.22 0.73 0.73 0.900.23 0.74 0.74 0.900.24 0.75 0.75 0.900.25 0.76 0.76 0.900.26 0.77 0.77 0.900.27 0.78 0.78 0.900.28 0.79 0.79 0.900.29 0.80 0.80 0.900.30 0.80 0.81 0.900.31 0.81 0.82 0.900.32 0.82 0.83 0.900.33 0.82 0.84 0.900.34 0.82 0.85 0.900.35 0.83 0.86 0.900.36 0.84 0.87 0.890.37 0.84 0.88 0.890.38 0.84 0.89 0.890.39 0.85 0.90 0.880.40 0.85 0.91 0.880.41 0.85 0.92 0.880.42 0.86 0.93 0.870.43 0.86 0.94 0.870.44 0.86 0.95 0.860.45 0.86 0.96 0.860.46 0.87 0.97 0.860.47 0.87 0.98 0.850.48 0.87 0.99 0.850.49 0.87 1.00 0.840.50 0.88

Anhang 4

Nutzgeflle FallTurbinen-durchfluss

Beauf-schlagung

Turbinen-w irkungsgrad

Elektrische Leistung

ArbeitSumme der

Arbeit

h f QN QN/QA turb P Ei

[-] [d] [m/s] [m/s] [m . NN] [m . NN] [m] [-] [m/s] [-] [-] [kW] [kWh] [MW h]

0

2

4

6

8

10

15

20

40

60

80

100

120

150

183

210

240

270

300

320

340

350

356

360

362

364

UW-StandU-

TageDauer

Wasser-dargebot

Pegel

Wasser-dargebot

WKAOW-Stand

Anhang 5

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

300.0

350.0

400.0

450.0

0 40 80 120 160 200 240 280 320 360

Sum

me

der A

rbei

t [M

Wh]

Leis

tung

[kW

]

Unterschreitungstage /Tage [d]

Leistungsdiagramm

Anhang 6

0,0

0,6

1,2

1,8

2,4

3,0

3,6

4,2

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

0 40 80 120 160 200 240 280 320 360

Fal

lhh

e [m

]

Was

serd

arge

bot /

Tur

bine

ndur

chflu

ss [m

/s]

Unterschreitungstage /Tage [d]

Wasserdargebot WKA und Turbinendurchfluss

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