In der HYDRO_AS-2D Version 5.4 wurde die Abflussberechnung der 1D-Durchlässe auf die hydrodynamische, instationäre Berechnung umgestellt. Damit wurden auch die Eingabeparameter angepasst und erweitert (siehe auch Abschnitt „Versionen/Kompatibilität“)

Wird ein Durchlass neu gesetzt, erhält er in Version 5.4 standardmäßig einen kb-Wert von 75 mm. Auf welcher Grundlage wird dieser Wert vergeben?

Absolute hydraulische Rauheit k – Definition

Zur Ermittlung des Widerstandsbeiwerts Lambda muss der Nutzer einen Wert für die „absolute hydraulische Rauheit“ vorgeben. Die Literatur unterscheidet hier unterschiedliche Definitionen:

• k: äquivalente Rauheit oder technische Rauheit aus Experimenten ermittelt.
• ks: Sandrauheit aus Nikuradse-Experimenten mit aufgetragener Sandbeschichtung.
• kb: integrale bzw. betriebliche Rauheit unter Berücksichtigung aller Verluste eines Rohrabschnittes.

Im neuen 1D-Ansatz sind kein Turbulenzansatz oder sonstige Verlustansätze separat enthalten, sodass sämtliche Verluste über den Widerstandsbeiwert und somit über die absolute hydraulische Rauheit abgebildet werden müssen. Als Begriff in der Doku haben wir uns daher für die betriebliche Rauheit kb entschieden.

Wahl Rauheit und Standardwert

Als Standardwert für kb wurde im Vergleich zu Literaturangaben für die absolute Rauheit mit 75 mm ein extrem hoher Wert gewählt. Begründung:

Bei einer glatten Betonwand liegt der kb-Wert bei ca. 0,2- 2 mm (rauer Beton bei ca. 2 – 20 mm) und könnte in Abhängigkeit des Fließzustandes (Freispiegel oder Druckabfluss) Werte im Extremfall von ca. 75 mm erreichen, wenn eine grobe Kiesschicht als Sedimentauflage aufliegt, die Rohrwand extrem verwittert oder aus geriffeltem Kunststoff besteht, etc. Der Standardwert geht daher vom maximal defensiven Zustand aus.

Ein fester Standardwert für kb ist realistischer als ein fester Abflusskoeffizient, da die Länge des Durchlasses im Abflusskoeffizienten enthalten ist, im kb-Wert aber nicht.

Grundsätzlich ist nach der Definition eines 1D-Elementes der kb-Wert durch den Modellierer zu setzen. Grundlage kann eine Begehung bzw. wird i.d.R. ein Vermessungsbild sein (Material, Sedimentauflage, ggf. Mittelung der Rauheit entsprechend anteiligem benetztem Umfang).
Liegen keinerlei Informationen vor, so kann der Standardwert belassen werden, wenn es sich um ein Bauwerk mit hydraulisch untergeordneter Wirksamkeit handelt.

Hinweis: Ein kb-Wert von 75 mm entspricht einem kst-Wert von 40 m^(1/3)/s. Die Umrechnung von kst in kb, die im Handbuch angegeben ist, kann hilfreich sein, eine passende Größenordnung für das jeweilige Modell zu finden.

Wie wird bei der Konvertierung von Netzen auf die Version 5.4 der kb-Wert eines Durchlasses bestimmt?

Bei der Konvertierung von Modellen, die in einer Version bis einschließlich 5.3 vorliegen, wird aus dem angegebenen Abflusskoeffizienten der kb-Wert ermittelt (s. Handbuch in Kapitel 4.5.10.2 „Konvertierung, Simulation von Modellen bis zur Version 5.3“).

Dabei hat die Länge des Nodestrings erheblichen Einfluss auf den resultierenden kb-Wert. Wenn die Länge bei der Bestimmung des Abflusskoeffizient nicht korrekt berücksichtigt wurde oder der Abflusskoeffizient angepasst wurde, um bestimmte Ergebnisse zu produzieren, kann es zu sehr hohen kb-Werten kommen. Diese werden bewusst nicht „abgeschnitten“, um möglichst dieselbe defensive Konstellation des ursprünglichen Modells zu erhalten.
Es wird allerdings eine Warnung ausgegeben, die auf den unplausiblen Wert hinweist. Die resultierenden Werte sind durch den Nutzer zu prüfen und ggf. anzupassen.

Im anderen Fall, wenn der aus der Konvertierung resultierende kb-Wert kleiner als 1,5 mm ist, wird der Wert auf 1,5 mm hochgesetzt, um unplausibel glatte Rohre zu vermeiden.

Wenn in älteren Modellen der Abflusskoeffizient so angepasst wurde, dass die Wasserstände zu den Messwerten passten, liefert die Konvertierung nach Version 5.4 i.d.R. zu hohe kb-Werte. Deshalb sollten Modelle generell nach einer Konvertierung/ einem Versionswechsel neu kalibriert werden, besonders, wenn durch verbesserte/veränderte Berechnungsmethoden zu erwarten ist, dass sich die Ergebnisse verändern.

Werden Ein- und Auslaufverluste bei der Konvertierung doppelt berücksichtigt?

Der in älteren Versionen verwendete Abflusskoeffizient c enthielt bereits Ein- und Auslaufverluste. Aus diesem c wird in Version 5.4 der kb-Wert berechnet. Der kb-Wert bildet also bereits Informationen zu Ein- und Auslaufverlusten mit ab. Bei der Berechnung mit der neuen Version werden aber zusätzlich Ein- und Auslaufverluste mit angegeben. Dadurch kann es dazu kommen, dass die Ein- und Auslaufverluste bei der Konvertierung doppelt berücksichtigt werden.

Das ist bewusst aus den folgenden Gründen so gewählt: Zum einen ist bei der Konvertierung nicht klar, ob die Ein- und Auslaufverluste bewusst im Abflusskoeffizienten berücksichtigt wurden oder nicht. Man hatte bei der Bestimmung des Abflusskoeffizienten die Freiheit, nur die Rauheitsverluste zu betrachten. Zum anderen ist die Simulation durch das Setzen der Standardwerte für die Ein- und Auslaufverluste defensiver.