Top 6 Methoden zur Abschätzung der Hochwasserentladung

Dieser Artikel beleuchtet die sechs wichtigsten Methoden zur Abschätzung der Hochwasserentladung. Die Methoden sind: 1. Catchment-Run-Off-Methode 2. Empirische Formeln 3. Rational-Methode 4. Querschnittsfläche und Bettsteigung 5. Querschnittsfläche und Geschwindigkeit, wie sie am Brückenstandort beobachtet werden 6. Verfügbare Datensätze.

Methode Nr. 1: Catchment-Run-Off-Methode:

Das Einzugsgebiet ist das Befehlsgebiet eines Flusses, von dem aus der Fluss mit Wasser versorgt wird. Das Einzugsgebiet wird aus der Konturkarte berechnet und der Hochwasserabfluss anhand der Formel „Ablauf“ geschätzt.

Die Niederschlagsmenge wird in Millimeter gemessen. Aus der täglichen Aufzeichnung von Niederschlag wird der jährliche Niederschlag für eine Zone bestimmt. Der jährliche Niederschlag variiert von Ort zu Ort. Daher ist der aufgezeichnete Niederschlag über einen beträchtlichen Zeitraum, beispielsweise fünfzig Jahre, sehr nützlich, um den maximalen Niederschlag während dieses Zeitraums zu erhalten.

Die Schätzung der maximalen Hochwasserableitung muss auf dieser maximalen Niederschlagsmenge basieren. Tabelle 3.1 zeigt die Niederschlagsaufzeichnungen in verschiedenen Teilen der Indischen Union für einen Zeitraum von 15 Jahren (1935-1949).

Unter Abfluss versteht man den Anteil des Wassers am Gesamtniederschlag im Einzugsgebiet, der zum Wasserlauf, Kanal oder Fluss fließt. Es ist unnötig zu erwähnen, dass nicht die gesamte Regenmenge den Wasserlauf erreicht, da eine gewisse Menge in den Boden eingetaucht wird, um die Wasserschichten im Untergrund zu bilden, eine gewisse Menge von der Vegetation aufgenommen wird, eine gewisse Menge verdampft und der Rest nur fließt zum Kanal oder Fluss.

Wie das Regenwasser aus dem Einzugsgebiet den Kanal oder den Fluss erreicht, ist in Abb. 3.1 und Abb. 3.2 dargestellt.

Das Einzugsgebiet des Baches oder Flusses stromaufwärts des Brückengeländes wird erhalten, indem die Firstlinie der Konturkarte markiert und der von dieser Firstlinie eingeschlossene Bereich mit Hilfe eines Planmeßgeräts oder anhand von Pauspapiergraphen gemessen wird.

Die Möglichkeit eines intensiven Niederschlags, der gleichzeitig über das gesamte Gebiet eines großen Einzugsgebiets fällt, ist geringer und daher kann ein geringerer Abflussanteil genommen werden. Ein weiterer wichtiger Faktor, der den Prozentsatz der Abflüsse bestimmt, ist die Form des Einzugsgebiets.

Abb. 3.1 und Abb. 3.2 zeigen zwei Arten von Einzugsgebieten. Im normalen Einzeleinzugsgebiet ist die Wasserscheide lang und eng mit einer Reihe von kurzen Nebenflüssen, die sich dem Hauptstrom anschließen.

In einem solchen Einzugsgebiet erreichen Stürme von kürzerer Dauer, die die maximale Hochwasserentladung verursachen, die Brückenanlage fast nicht zur gleichen Zeit, und daher wird der Abfluss in einem solchen Einzugsgebiet geringer sein als in einer fächerartigen Einzugsgebietsform.

Im letzteren Fall sind die Nebenflüsse länger und wenig zahlreich, weshalb ihr Abfluss die Brückenstelle fast gleichzeitig erreichen wird, wodurch sich die Strömung bei Stürmen von kürzerer Dauer konzentriert. Selbst wenn das Einzugsgebiet, die Menge, die Dauer des Niederschlags usw. für beide Einzugsgebietstypen gleich sind, ist der Abfluss am Brückenstandort eher für das fächerförmige Einzugsgebiet als für das normale Einzeleinzugsgebiet.

Der Prozentsatz der Abflüsse variiert je nach Form und Art des Einzugsgebiets zwischen 20 und 70 Prozent. Porosität des Bodens; dh ob sandig, lehmig oder steinig; Grad der vorherigen Sättigung; Waldgebiet; Vorhandensein von Seen, Teichen, Sümpfen, künstlichem Reservoir usw .; Bestimmen Sie den prozentualen Abfluss.

Bei der Schätzung der Hochwasserentlastung aus dem Einzugsgebiet müssen die vorgenannten Faktoren daher gebührend berücksichtigt werden.

Wie bereits erwähnt, hängt der Ablauf von den folgenden Faktoren ab:

(i) Porositätsgrad und Sättigungsgrad des Bodens im Einzugsgebiet.

ii) Form und Neigung des Einzugsgebiets.

(iii) Fließhindernisse wie Wurzeln von Bäumen, Büschen usw.

(iv) Vegetationsgrad

(v) Anbauzustand.

(vi) Verdampfungsmenge.

(vii) Niederschlagsintensität; Der Abfluss ist mehr, wenn die gleiche Menge an Niederschlag, beispielsweise 50 mm, innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums von beispielsweise zwei Stunden liegt, als über einen längeren Zeitraum von beispielsweise 24 Stunden verteilt wird, wobei es sich dabei um Nieselregen handelt.

(viii) Gesamtmenge an Niederschlag im Einzugsgebiet.

Methode Nr. 2: Empirische Formeln :

Der Hochwasserabfluss kann unter Verwendung verschiedener empirischer Formeln ausgewertet werden, die einen Bereich des Einzugsgebiets und einen bestimmten Koeffizienten in Abhängigkeit von dem Ort des Einzugsgebiets umfassen.

i) Dicken-Formel

Diese Formel (ursprünglich für Nordindien entwickelt, kann aber jetzt in den meisten Bundesstaaten Indiens mit der Änderung des Wertes des Koeffizienten C verwendet werden) ist gegeben durch:

Illustratives Beispiel 1:

Die Fläche eines Einzugsgebiets beträgt 800 km². Das Gebiet liegt in Westindien innerhalb von 150 km. von der Küste. Schätzen Sie den maximalen Hochwasserabfluss mithilfe der verschiedenen empirischen Formeln ab und vergleichen Sie die Hochwasserabflüsse:

Diese Formel gilt nur für den Bundesstaat Madras (Tamil Naidu) und gibt daher einen niedrigen Wert an, der nicht berücksichtigt wird

Vergleich der Hochwasserentladungen anhand verschiedener empirischer Formeln:

Methode Nr. 3: Rationale Methode:

Wenn R der Gesamtniederschlag in cm für eine Dauer von T Stunden ist, dann wird die mittlere Niederschlagsintensität in cm pro Stunde über die Gesamtdauer des Sturms angegeben

I = R / T (3, 6)

Für ein kleines Zeitintervall t kann die Niederschlagsintensität i mehr sein, als dies aus Fig. 3.3 ersichtlich ist, da die mittlere Intensität für ein kleines Zeitintervall t größer ist als die mittlere Intensität für den gesamten Zeitraum. T.

Die Beziehung zwischen i und I kann dargestellt werden als:

Wo C eine Konstante ist und für alle praktischen Zwecke als Einheit betrachtet werden kann.

Wenn t = 1 Stunde ist und das entsprechende i als i „genommen wird und der Wert von I aus der Gleichung 3.6 genommen wird

Aus Gleichung 3.9 kann i (eine Stunde Niederschlag) ermittelt werden, wenn der Gesamtniederschlag R und die Dauer des stärksten Sturms bekannt sind. Es ist ratsam, eine Anzahl heftiger Stürme in Betracht zu ziehen, die sich über einen längeren Zeitraum ausbreiten, und es kann für jeden Fall berechnet werden, und der Höchstwert von U wird als eine Stunde Niederschlag der Region für die Schätzung der Hochwasserentladung angesehen.

Aus einem Bericht der Meteorologischen Abteilung, Govt. In Indien sind die Werte von i _o für verschiedene Orte der Indischen Union in Tabelle 3.2 wiedergegeben:

Die Konzentrationszeit ist definiert als die Zeit, die der Abfluss benötigt, um die Brückenstelle vom äußersten Punkt des Einzugsgebiets zu erreichen, der als kritischer Punkt bezeichnet wird.

Da die Konzentrationszeit von der Länge, der Steigung und der Rauheit des Einzugsgebiets abhängt, wird ein Zusammenhang mit den folgenden Faktoren hergestellt:

Wo T _c = Konzentrationszeit in Stunden.

H = Abnahme vom kritischen Punkt bis zur Stelle der Brücke in Metern.

L = Entfernung vom kritischen Punkt zum Ort der Brücke in km.

Die Werte von H und L können der Konturkarte des Einzugsgebiets entnommen werden.

Die kritische Intensität des Niederschlags I _c, die der Konzentrationszeit T _{c entspricht}, wird aus der Gleichung 3.9 abgeleitet, wobei I = I _c entsprechend T = T _c berücksichtigt wird.

Schätzung des Ablaufs:

Ein Zentimeter Niederschlag auf einer Fläche von einem Hektar ergibt einen Abfluss von 100 cu. m pro Stunde. Daher führt ein Niederschlag von ₁ cm pro Stunde auf einer Fläche von A Hektar zu einem Abfluss von 100 kPa. m pro Stunde.

Wenn Verluste durch Absorption usw. berücksichtigt werden, ist der Abfluss gegeben durch:

Q = 100 PI _C A m pro Stunde

= 0, 028 PI CA m / s (3, 12)

Wobei P = Koeffizient in Abhängigkeit von der Porosität des Bodens, der Vegetationsbedeckung, dem Anfangszustand der Sättigung des Bodens usw.

Die Werte von P für verschiedene Bedingungen des Einzugsgebiets sind in Tabelle 3.3 angegeben:

Neben dem Koeffizienten P wird ein weiterer Koeffizient f in die Formel zur Berechnung des Ablaufs eingeführt. Je größer das Einzugsgebiet wird, desto geringer ist die Möglichkeit, von allen Teilen des Einzugsgebiets gleichzeitig den Abfluss zum Brückengelände zu erreichen, und der Wert von f wird mit zunehmendem Einzugsgebiet allmählich verringert.

Tabelle 3.4 gibt den Wert von f in Gleichung 3.13 an, der aus Gleichung 3.12 mit der Einführung des darin enthaltenen Koeffizienten f abgeleitet wurde.

Q = 0, 028 PfI _c A m / s (3.13)

Illustratives Beispiel 2:

Das Einzugsgebiet eines Flusses beträgt 800 Quadratmeter. Km. und besteht aus sandigem Boden mit dichtem Bewuchs. Die Länge des Einzugsgebiets beträgt 30 km. und die reduzierten Werte des kritischen Punktes und der Brückenstelle betragen 200 m bzw. 50 m.

Ermitteln Sie die Spitzenentladung mit der Rational-Methode unter der Annahme, dass der Niederschlag in 5 Stunden 20 cm beträgt. Was wird der Spitzenabfluss sein, wenn das Einzugsgebiet aus lehmigem, leicht bedecktem Boden oder aus steilem, aber bewaldetem Fels besteht?

Maximaler Spitzenabfluss aus Gleichung 3.13

Q = 0, 028 Pfl cA m / s

Im vorliegenden Fall für ein Einzugsgebiet aus sandigem Boden mit dichter Vegetation

A = 800 km² = 80.000 Hektar; P aus Tabelle 3.3 = 0, 10; f aus Tabelle 3.4 = 0, 60; I _c = 2, 98 cm / Stunde

. ^. . Q = 0, 028 PfI _c A = 0, 028 × 0, 10 × 0, 60 × 2, 98 × 80, 000 = 400 Cum / Sek.

Wenn das Einzugsgebiet aus tonigem Boden besteht, der leicht bedeckt ist, ist P aus Tabelle 3.3 = 0, 50. Die Werte für A, f und I _c bleiben wie zuvor.

. ^. . Q = 0, 028 PfI _c A = 0, 028 × 0, 50 × 0, 60 × 2, 98 × 80.000 = 2003 Cum / Sek.

Bei Einzugsgebiet mit steilem, aber bewaldetem Gestein ist P aus Tabelle 3.3 = 0, 80

. ^. . Q = 0, 028 PfI _c A = 0, 028 × 0, 80 × 0, 60 × 2, 98 × 80, 000 = 3204 Cum / Sek.

Aus dem erläuternden Beispiel kann daher festgestellt werden, dass der Spitzenabfluss sehr stark von der Art des Einzugsgebiets abhängt, wobei die anderen Faktoren gleich bleiben und bei 400 ° C / s bis 3204 ° C / s variieren, wenn der Porositätsgrad und Die Aufnahme des Einzugsgebietes ist sehr hoch oder sehr gering.

Die Rational-Methode ist daher sehr realistisch und berücksichtigt alle relevanten Faktoren, die den Spitzenabfluss regeln. Die empirischen Formeln berücksichtigen diese Faktoren nicht, mit Ausnahme einiger Anpassungen im Wert des Koeffizienten C und sind daher nicht sehr realistisch.

Methode Nr. 4: Querschnittsfläche und Bettsteigung :

Bei dieser Methode wird der Abfluss anhand der Manning-Formel berechnet:

Dabei ist A = die Querschnittsfläche des Stroms, gemessen von der HFL

n = der Robustheitskoeffizient.

R = die hydraulische mittlere Tiefe und gleich dem Verhältnis der Querschnittsfläche zum benetzten Umfang, P

S = die Bettsteigung des Stroms, gemessen über eine relativ große Entfernung.

In einem Strom mit nicht erodierbaren Bänken und Betten bleiben die Form und die Größe des Querschnitts während eines Hochwassers praktisch gleich wie zu normalen Zeiten, und daher können der normale Querschnitt und der Umfang zur Berechnung der Abgabe verwendet werden .

In einem Fluss, der durch die Alluviumregion fließt, können sich die Querschnittsfläche und der Umfang während der höchsten Überschwemmungen aufgrund des Spülens der Ufer und des Bettes ändern, und als solches muss bei der Schätzung der maximalen Hochwasserentladung die Tiefe der Reinigung ermittelt werden Zuerst können die Werte der Querschnittsfläche und des Umfangs berechnet werden, indem in bestimmten Intervallen Niveaus des Betts genommen werden.

Der Wert des Robustheitskoeffizienten hängt von der Art des Bettes und der Flussbank ab. Bei der Auswahl des richtigen Wertes für diesen Koeffizienten ist besondere Sorgfalt erforderlich, um die korrekte Entladung zu erreichen. Einige Werte des Robustheitskoeffizienten n sind in der nachstehenden Tabelle für verschiedene Arten von Oberflächenbedingungen angegeben.

Illustratives Beispiel 3:

Ein Fluss hat in bestimmten Abständen die Bettniveaus bei der höchsten Flut, wie in Abb. 3.4 gezeigt. Die RL der untersten Betten bei 500 m stromaufwärts und 500 stromabwärts sind 107, 42 m bzw. 105JO m. Berechnen Sie den maximalen Hochwasserabfluss, wenn der Fluss recht saubere, gerade Ufer hat, aber mit Unkraut und Steinen.

Lösung:

Die Querschnittsfläche A bei der HFL kann durch Unterteilen der Fläche in Streifen wie BPC, PCDO, ODEN usw. ermittelt werden:

Der benetzte Umfang P am HFL ist die Bettlinie BCDEFGHI, die die Summe der Länge der Linie BC, CD, DE usw. darstellt. Diese Länge kann wie folgt berechnet werden (siehe Fig. 3.5):

Die Steigung des Bettes, S, ist der Höhenunterschied des untersten Bettes 500 m stromaufwärts und 500 m stromabwärts geteilt durch die Entfernung.

Methode Nr. 5 : Querschnittsbereich und Geschwindigkeit, wie am Brückenstandort beobachtet :

Die Querschnittsfläche wird gemessen, indem in bestimmten Abständen eine Reihe von Flussniveaus bei HFL genommen wird. Die Geschwindigkeit wird in diesem Fall vor Ort durch direkte Messung der Geschwindigkeit anstelle der theoretischen Berechnung aus der Bettsteigung usw. bestimmt.

Um die Geschwindigkeit direkt zu messen, wird der Fluss in einige Abschnitte in der Breite unterteilt, und dann wird die Geschwindigkeit für jeden Abschnitt durch den Oberflächenschwimmer bestimmt, der in der Mitte jedes Abschnitts angeordnet ist.

Die Zeit, die der Schwimmer benötigt, um eine festgelegte Strecke zurückzulegen, wird von einer Stoppuhr aufgezeichnet, und die vom Schwimmer zurückgelegte Strecke dividiert durch die Zeit ist die Oberflächengeschwindigkeit des Stroms. Eine solche Oberflächengeschwindigkeit ist für jeden Abschnitt zu bestimmen und ein Gewichtsmittelwert wird zum Zwecke der Schätzung der Flutentladung erhalten.

Die Geschwindigkeit ist am geringsten in der Nähe des Bettes und der Ufer und bedeutet an der Mittellinie des Flusses an einem Punkt 0, 3 d unterhalb der Oberfläche, wobei d die Wassertiefe ist (siehe Abb. 3.6). Wenn V die Geschwindigkeit an der Oberfläche ist, V _b die Geschwindigkeit am Boden ist und V _m die mittlere Geschwindigkeit ist, kann ihre Beziehung in der folgenden Gleichung festgelegt werden:

V _m = 0, 7 V _s = 1, 3 V _b (3, 15)

Nach der Bestimmung der mittleren Geschwindigkeit des Stroms erhält man die Flutentladung durch:

Q = AVm (3, 16)

Methode # 6. Verfügbare Datensätze :

In einigen Fällen kann es möglich sein, den maximalen Hochwasserabfluss an Wehr- oder Sperrflächen messen zu lassen. Dieser Wert kann mit dem theoretisch errechneten Wert verglichen werden und ein Endwert kann ausgewählt werden. Die so erhaltene Flutentladung ist zwar sehr realistisch, leidet jedoch an einem Nachteil. das Zeitalter der Aufzeichnung, da die Wehre oder die Staudämme zum größten Teil in jüngster Zeit gebaut wurden.

Der Hochwasserabfluss soll vorzugsweise der festgestellte Wert von höchstens 100 Jahren für wichtige Brücken und der erfasste Wert von 50 Jahren für weniger wichtige Brücken sein. Die Ausdrücke "Wert von 100 Jahren" und "Wert von 50 Jahren" sind definiert als momentane Spitzenentladung, die "durchschnittlich" einmal in 100 Jahren oder einmal in 50 Jahren auftritt.

Der Ausdruck "im Durchschnitt" bedeutet alle Spitzenentladungen, wie sie über einen Zeitraum von 100 Jahren bzw. 50 Jahren beobachtet wurden, und der Durchschnitt der Spitzen wird genommen.