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OQKMQKOMNR
Inhaltsverzeichnis N sÉêaåäaëëìåÖ= P
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OQKMQKOMNR
N sÉêaåäaëëìåÖ=
NKN qê®ÖÉê=ÇÉê=ja≈åaÜãÉ=Träger der Maßnahme ist die DB ProjektBau GmbH I.BV-MI-P(K), Hahnstraße 52 in
60528 Frankfurt am Main. Ansprechpartner ist Frau Julia Riemenschneider, Telefon:
069 265-43330.
NKO sÉêaåäaëëìåÖ=ìåÇ=^ìÑÖaÄÉåëíÉääìåÖ=Seitens der DB ProjektBau GmbH wird die Erneuerung der EÜ Flutgraben Bad Soden-
Salmünster auf der Strecke 3600 von Frankfurt nach Göttingen (Bahn-km 58,601)
geplant, da der bauliche Zustand der bestehenden Eisenbahnüberführung keine
langfristige weitere Nutzung zulässt. Eine Erneuerung der EÜ Flutgraben wird daher im
Jahr 2017 angestrebt. Im Rahmen der Vorplanung zur Erneuerung der EÜ Flutgraben
wurde daher die Realisierung mittels eines Stahlbetonhalbrahmens mit Herstellung
einer Tiefgründung bei ausgebautem Überbau mit Zentrierbalken unter Überbau und
anschließendem halbseitigen Einschub bei ausgebautem Überbau vorgeschlagen.
Die EÜ Flutgraben dient zur Hochwasserentlastung bei einem Kinzig-Rückstau in der
Gemarkung „Unter der Kinzig“. Im Bestand weist das Bauwerk eine lichte Weite von 2 x
7,12 m sowie eine lichte Höhe von 2,64 m auf. Zum Kolk- und Erosionsschutz sind der
Untergrund im Bereich der Eisenbahnüberführung mit einer Betonsohle sowie der
Böschungskegel mit Wildpflaster befestigt.
Das geplante Bauwerk soll auch in Zukunft das gleiche Abflussvermögen wie im
Bestand aufweisen. Der Nachweis dazu erfolgt über einen Vergleich des
Abflussvermögens im Ist – Zustand und im Plan – Zustand. Weiterhin ist vorgesehen,
die bestehende Verrohrung des Gewässers 3. Ordnung, welches in einem Kanal DN
800 durch die EÜ Flutgraben geführt wird, durch ein offenes Gerinne mit Stahlbeton-U-
Profilen zu ersetzen. Auch diese Vorgabe wird im hydraulischen 2d-Simulationsmodell
umgesetzt. /1/
NKP mêçàÉâíëíaåÇçêí=Der nachfolgende Ausschnitt aus der TK25 zeigt den Standort der
Eisenbahnüberführung Flutgraben südwestlich der Ortslage von Bad Soden –
Salmünster.
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
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OQKMQKOMNR
Abbildung 1: Übersicht Standort EÜ Flutgraben Bad Soden – Salmünster TK25
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
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OQKMQKOMNR
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OKN §ÄÉêëáÅÜí=éêçàÉâíáÉêíÉê=dÉï®ëëÉê=Es wurden innerhalb des Projektgebietes folgende Gewässer im 2d-Strömungsmodell
berücksichtigt /2/:
• Kinzig: Fkm. 55,750 bis 51,200
• Klingbach: Fkm: 0,530 bis 0,000
• Salz: Fkm: 0,160 bis 0,000
OKO hìêòÄÉëÅÜêÉáÄìåÖ=ÇÉë=báåòìÖëÖÉÄáÉíÉë=ÇÉê=háåòáÖ=Der nächstgelegene Pegel der Kinzig befindet sich im Bad Soden – Salmünsterer Ortsteil
Ahl. Bis dort umfasst die Kinzig ein Einzugsgebiet von ca. 232 km². /3/
Tabelle 1: Kenndaten der Kinzig
Parameter Größe
Länge: ca. 89,7 km
Gewässerkennzahl: 2478
Quelle: Sinntal – Sterbfritz
Quellhöhe: ~400 m+NN
Mündung: Bei Hanau in den Main auf ca.
100 m+NN
Höhenunterschied: ca. 300 m
Einzugsgebiet 921,2 km² von der Quelle bis zur
Mündung
Als Zuflüsse der Kinzig oberhalb der Ortslage von Bad Soden – Salmünster sind
beginnend ab der Quelle zu nennen: Ramholzer Wasser (rechts), Grennelbach (rechts),
Ahlersbach (links), Elmbach (rechts), Riedbach (rechts), Auerbach (links), Ahlersbach
(links), Steinebach (rechts), Hellgraben (links) und Ulmbach (rechts). Im projektierten
Bereich folgen dann noch Salz (rechts) sowie Klingbach (links).
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OQKMQKOMNR
Der Standort des Kinzig-Pegels in Bad Soden-Salmünster – Ortsteil Ahl befindet sich im
Bereich der Kinzigtalsperre. Weitere Details sind der nachfolgenden Tabelle zu
entnehmen.
Tabelle 2: Pegelstammdaten /3/
Stammdaten
Pegelnullpunkt [m+NN] 154,58
Einzugsgebiet [km²] 232,0
Entfernung v. d. Mündung [km] 60,0
Betreiber WV Kinzig
Messstellennummer 24781206
Stationstyp Pegel
HHW [cm] 282
Die nachfolgende Tabelle enthält eine Auflistung der gemäß HLUG 10 extremsten
Hochwasserereignisse am Pegel Ahl mit Informationen hinsichtlich Abflussmengen und
zugehörigen Wassertiefen.
Tabelle 3: Die 10 extremsten Hochwasserereignisse für Ahl [3]
Stammdaten
Datum Abfluss [m³/s] Wassertiefe [cm]
08.12.1981 93,6 282
07.02.1984 91,2 280
31.12.1978 60,8 249
08.04.1983 60,0 248
16.12.1982 56,1 243
30.12.1986 55,6 249
02.01.1987 54,0 247
11.12.1979 53,0 239
31.01.1980 52,2 238
03.01.1981 51,4 237
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OQKMQKOMNR
OKP eóÇêçäçÖáÉ=ÇÉê=háåòáÖ=Für die Kinzig liegen im Projektgebiet hydrologische Angaben unterschiedlicher Quellen
vor. Die gewässerkundlich relevanten Daten zum Einzugsgebiet sowie Pegelstammdaten
können, basierend auf den Daten, welche auf der Internetpräsenz des Hessischen
Landesamtes für Umwelt und Geologie bereitgestellt werden, den voranstehenden
Tabellen entnommen werden.
Klimatisch gesehen zeigt sich eine Höhenabhängigkeit der Elemente Temperatur und
Niederschlag. Das Gebiet ist dem gemäßigten Klimabereich in der Westwindzone
zuzuordnen. Der Zyklonenaktivität im Winter und der monsunartigen Drehung des
Windes im Sommer entsprechend gibt es zwei Niederschlagsmaxima im Jahresverlauf.
Die Niederschläge nehmen mit zunehmender Geländehöhe in den am Kinzigtal
angrenzenden Hanglagen, hier insbesondere aus den Einzugsgebieten von Bracht und
Salz zu, während die Temperatur tendenziell abnimmt.
Mit ansteigender Höhenlage gewinnt der Abfluss als Klimaelement in der Wasserbilanz
an Bedeutung, während sich der Einfluss der Verdunstung eher verringert. Der mittlere
Abfluss MQ für die Reihe 1963 – 2004 beträgt 346,1 mm. Bei einer mittleren, korrigierten
Gebietsniederschlagshöhe von etwa 900 – 1.000 mm beträgt die Verdunstung ca. 550 –
650 mm. Ein Vergleich mit Angaben aus dem Hydrologischen Atlas von Deutschland /4/
bestätigen diese Angaben.
Das Abflussregime ist als pluvial bis nivo-pluvial einzustufen, da im Winter über längere
Zeiträume Niederschläge in der Schneedecke gespeichert werden und erst zeitversetzt
abgegeben werden. Im Lauf der letzten beiden Dekaden ist jedoch tendenziell eine
Verschiebung des Regimes in den pluvialen Bereich zu beobachten, was wahrscheinlich
auf den Klimawandel zurückzuführen ist.
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
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OQKMQKOMNR
P bêëíÉääìåÖ=ÇÉë=OÇJpíê∏ãìåÖëãçÇÉääë=
PKN aaíÉåaìÑÄÉêÉáíìåÖ=
PKNKNK aaíÉåÖêìåÇäaÖÉå=ÑΩê=sçêäaåÇ=ìåÇ=_aìïÉêâÉ=Als Datengrundlage für die Modellnetzerstellung dienten aus einer Laserscanbefliegung
der Hessischen Verwaltung für Bodenmanagement und Geoinformation (HVBG)
abgeleitete DGM 1-Daten. Aufgrund des großen Datenvolumens wurden diese Daten
ausgedünnt und für die weitere Verwendung aufbereitet. /5/
Um die Flutbrücke möglichst detailliert abbilden zu können, wurde im Rahmen der
Vorplanung eine Detailvermessung durch den Auftraggeber bereitgestellt, welche
ebenfalls zur Erstellung des Geländemodells genutzt wurde. In Randbereichen wurden
fehlende Informationen hinsichtlich abflussrelevanter Bauwerke durch eigene
Vermessungen ergänzt (beispielsweise Abmessungen von Rohrleitungen).
Die nachfolgende Abbildung zeigt exemplarisch einen Auszug aus dem hydraulischen
Simulationsmodell der Kinzig, der Salz sowie des Klingbachs mit 5-facher Überhöhung.
Durch die Überhöhung erfolgt eine klarere Strukturierung der Teilbereiche, sodass
Bruchkanten deutlicher zu erkennen sind. Dargestellt ist der Bereich etwa von der
Mündung der Salz in die Kinzig bis zur EÜ Flutgraben.
Abbildung 2: Auszug Geländemodell auf Grundlage Laserscandaten HVBG, 5-fach überhöht
EÜ Flutgraben
Kinzig
Salz Klingbach
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pÉáíÉ=V=îçå=PP=
OQKMQKOMNR
Für die Abbildung des Planungs-Zustandes wurde seitens der DB ProjektBau GmbH der
Plan GP_IB_LT „Erneuerung EÜ Flutgraben – Leitungsplan Draufsicht“ mit Stand vom
Februar 2015 bereitgestellt.
PKNKOK ^ìÑÄÉêÉáíìåÖ=ÇÉê=dÉï®ëëÉêéêçÑáäÇaíÉå=Die Gewässerprofildaten des Hessischen Landesamtes für Umwelt und Geologie /6/
liegen je nach Veränderung des Gewässers im Längs- bzw. Querschnitt in
unterschiedlichen Abständen vor. So sind beispielsweise im Bereich von Brücken mehr
Profile aufgemessen als in Abschnitten mit regelmäßigen Vorländern. Zur Erstellung des
Geländemodells musste daher zwischen den einzelnen Profilen interpoliert werden, um
eine adäquate räumliche Auflösung zu erzielen. Die Interpolation setzt eine sorgfältige
Analyse der Gewässerprofildaten voraus, da Bruchkanten nicht explizit aufgelöst sind.
Diese sind mit Hilfe der Punktbezeichnungen unter Berücksichtigung topographischer
Karten und Luftbildern vom Bearbeiter manuell ins Modell einzuarbeiten.
Abbildung 3: Berücksichtigte Gewässerprofile der Kinzig [HLUG, 2013]
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
pÉáíÉ=NM=îçå=PP=
OQKMQKOMNR
Auch ein großer Teil der im Geländemodell vorhandenen Gräben konnte an Hand der
Gewässerprofildaten im Geländemodell detailliert abgebildet werden, da aufgrund der
Ausdehnung der Querprofile, welche in der voranstehenden Abbildung dargestellt sind
und annähernd den gesamten Talraum einnehmen, auch die umgebenden Gräben
erfasst wurden.
PKNKPK eaäÄaìíçãaíáëÅÜÉ=dÉä®åÇÉãçÇÉääÖÉåÉêáÉêìåÖ=Für die Erstellung des Berechnungsnetzes wurde die Software Laser-AS-2d eingesetzt
/7/. Mit dieser Software lässt sich aus Polylinien unter Einhaltung der
Qualitätsanforderungen ein unregelmäßiges Dreiecksnetz erstellen (siehe Kapitel 3.5).
Für die Ortslage konnte somit ein relativ feinmaschiges DGM erstellt werden. Anders als
bei den Punktdaten bestand die Vorarbeit nicht darin, die Punkte zu interpolieren,
sondern die Bruchkanten nachzubearbeiten. Diese dürfen sich bei der automatisierten
Netzgenerierung nicht überschneiden. Desweiteren muss gewährleistet sein, dass es
keine Überschneidung mit Gebäudeumrissen gibt, da Gebäude i. A. als undurchströmbar
angesehen werden und damit als Modellränder fungieren. Die Häuserumrisse aus den
ALK-Daten wurden zunächst GIS-gestützt generalisiert, um komplizierte Umrisse so zu
vereinfachen, dass lokal keine zu feinen Netzstrukturen entstehen. Auf diese Weise
stimmen die grundlegenden Formen noch mit den ALK-Daten überein. Die vereinfachten
Gebäudeumrisse werden mit den Bruchkanten kombiniert und ein DGM erzeugt.
PKNKQK cäìëëåÉíòÉêëíÉääìåÖ=Für die Erstellung des Flussnetzes fanden beinahe ausnahmslos Gewässerprofildaten
Verwendung. Die Interpolation erfolgte halbautomatisch indem jeweils zwischen zwei
Profilen ein Netz mit einer speziell dafür vorgesehenen Berechnungsroutine generiert
wurde. Nach der Isolierung der Uferlinien der Kinzig, der Salz und des Klingbachs aus
den Laserscandaten konnte unter Einsatz der Software Flussnetz – 2D /8/ eine
automatisierte Erstellung der Flussschläuche vorgenommen werden. Diese eignet sich
allerdings nur für regelmäßige Querschnittsgeometrien und nicht zur Abbildung von
Brückenquerschnitten. Letztere müssen vom Bearbeiter händisch ins Modell integriert
werden. Aufgrund der vorhandenen Brückenquerschnitte wurde das Flussnetz der Kinzig
profilweise erstellt.
PKO jçÇÉääÄÉëÅÜêÉáÄìåÖ=OÇJpíê∏ãìåÖëãçÇÉää=
PKOKNK _ÉëÅÜêÉáÄìåÖ=ÇÉë=oÉÅÜÉåãçÇÉääë=Bei der hydraulischen Berechnung ist zwischen der Benutzeroberfläche des Programms
SMS und dem hydraulischen Berechnungskern Hydro_As-2d zu unterscheiden.
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
pÉáíÉ=NN=îçå=PP=
OQKMQKOMNR
SMS
Zur Modellnetzerstellung wurde das Programm SMS (Surface Modelling System) der
Firma Aquaveo, Utah / USA, in der Version 10.1 verwendet.
Die Höhendaten wurden als xyz-Werte in SMS eingelesen und im Bereich der
Flussschläuche zu quadratischen Elementen verbunden, bzw. im Vorland und in der
Ortslage entsprechend dreieckig vermascht. Der größte Arbeitsaufwand in der
Modellerstellung bestand darin, die Elemente in ihrer Geometrie zu optimieren und so
anzuordnen, dass diese ein realitätsgetreues 3d-Geländemodell mit realen Bruchkanten
darstellen. Häuser sowie weitere abflussbestimmende Bauwerke wie z. B. Brückenpfeiler
wurden als nicht durchströmbare Elemente abgebildet. Das gesamte Modellnetz setzt
sich aus über 160.000 Einzelelementen zusammen.
Hydro_As-2d
Der Name Hydro_As-2d steht für ein zweidimensionales hydrodynamisches Abfluss- und
Simulationsmodell /9/ und fand für die Berechnung des vorliegenden Modells in der
Version 2.2.2 Anwendung. Es ermöglicht eine instationäre nach xy-Koordinaten
differenzierte Simulation der Abflussverhältnisse in Abhängigkeit von den
Randbedingungen der Zu- und Ausstromränder. Hydro_As-2d basiert auf der
numerischen Lösung der 2d-tiefengemittelten Strömungsgleichung (Impuls + Kontinuität)
mit der räumlichen Diskretisierung nach der Finite-Volumen-Methode. Die
Zeitdiskretisierung entspricht dem expliziten Runge-Kutta-Verfahren zweiter Ordnung.
Grundlage für die numerische 2d-Modellierung sind die 2d-tiefengemittelten
Strömungsgleichungen, die auch als Flachwassergleichung (FWG) bekannt sind. Diese
Gleichungen entstehen durch die Integration der dreidimensionalen Kontinuitätsgleichung
und der Reynolds- bzw. der Navier-Stokes-Gleichung für inkompressible Flüssigkeiten
über die Wassertiefe und unter Annahme einer hydrostatischen Druckverteilung.
Die Berücksichtigung der Dissipation erfolgt über die Darcy-Weisbach-Beziehung,
desweiteren geschieht eine Umrechnung mit der Formel nach Manning und Strickler, um
die üblichen Rauigkeitsbeiwerte nach Strickler im Modell zu parametrisieren. Das Modell
berücksichtigt zudem eine Variabilität der Viskosität zur adäquaten Beschreibung des
Impulstransportes. Diese wird aus einem konstanten Wert und einer auf Versuchen an
Gewässern ermittelten empirischen Beziehung berechnet. Somit kann Situationen mit
erhöhter Durchmischung und bedeutenden Scherströmungen Rechnung getragen
werden. /10/
PKOKOK däçÄaäÉ=jçÇÉääéaêaãÉíÉê=Die Globalen Parameter regeln sämtliche für die jeweilige Berechnung erforderlichen
Parameter und wurden für die Berechnung folgendermaßen eingestellt:
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
pÉáíÉ=NO=îçå=PP=
OQKMQKOMNR
Tabelle 4: Globale Modellparameter in SMS/Hydro_As-2d
Parameter Wert Erläuterung
Zeitschritt Q_strg.dat, Pegel.dat 1.800 Sekunden (30 min) Ergebnisausgabe Zeitreihendaten
Zeitschritt SMS 1.800 Sekunden (30 min) Ergebnisausgabe SMS-Import
Gesamtzeitschritt 86.400 Sekunden (24 h) Gesamtdauer Berechnung
Hmin 0,01 m minimale berechnete Wassertiefe
VELMAX 15,0 m/s max. zulässige Fließgeschwindigkeit
Amin 0,5 m²
kleinste erlaubte Elementgröße des Modellnetzes
CMUVISC 0,6 Koeffizient für Formel der Viskosität, Standardwert
SCF 1,0 Rechenbeschleunigung
Zwar umfasst die gesamte Rechenzeit 24 Stunden, die zeitliche Diskretisierung der
Ausgabe beträgt hingegen 30 Minuten, um eine möglichst detaillierte Abbildung der
Strömungsvorgänge zu ermöglichen. Dabei gilt es zu berücksichtigen, dass der
tatsächliche Rechenzeitschritt bei der Lösung der Strömungsgleichungen nach dem
Courant-Kriterium dynamisch unter Berücksichtigung der Wellenausbreitungs-
geschwindigkeit und der räumlichen Diskretisierung ermittelt wird. Maßgebend dafür ist
die minimale Flächengröße im Modell, welche jedoch mit dem Amin-Wert vom Anwender
beeinflusst werden kann.
Der Amin-Wert wurde so gewählt, dass die weitestgehend von Wasser benetzten
Elemente (z. B. Fließgewässer sowie Rohrleitungen) größtenteils oberhalb dieses Wertes
liegen. Damit wird auch bei feiner Diskretisierung ein möglichst genaues
Berechnungsergebnis erzielt. Die Rechenbeschleunigung wurde durch Einstellung des
Beschleunigungsfaktors auf den Faktor 1 deaktiviert, sodass keine Vereinfachungen bei
der Lösung der Gleichungssysteme durchgeführt werden, um negative Auswirkungen auf
die Güte der Berechnung ausschließen zu können.
PKOKPK dÉï®ÜäíÉë=åìãÉêáëÅÜÉë=i∏ëìåÖëîÉêÑaÜêÉå=eóÇêç|^ëJOÇ=Zur Anwendung kam der Hydro_as-2d - Lösungsalgorithmus 1. Ordnung, dessen
numerische Lösung der Flachwassergleichungen sich insbesondere für stationäre
Berechnungsverfahren eignet.
PKOKQK taÜä=îçå=oaìáÖâÉáíÉå=Durch die Wahl der Gelände-Rauigkeiten wird das Abflussverhalten der Oberflächen
beeinflusst Dieser Parameter ist für die Berechnungsergebnisse von signifikanter
Bedeutung. Für das vorliegend beschriebene Geländemodell wurden folgende
Rauigkeiten im hydraulischen Simulationsmodell berücksichtigt:
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
pÉáíÉ=NP=îçå=PP=
OQKMQKOMNR
Tabelle 5: Übersicht der verwendeten Rauigkeitsbeiwerte nach Strickler
Rauigkeitsklasse kst-Wert
Ackerland 20,0 m1/3/s
Bahndamm 20,5 m1/3/s
Bebauung 15,0 m1/3/s
Flussaue 24,0 m1/3/s
Gewässer 18,5 m1/3/s
Grünland 19,5 m1/3/s
Industriebebauung 14,5 m1/3/s
Rasenfläche 23,0 m1/3/s
Sportplatz 26,0 m1/3/s
Steinschüttung mit Bewuchs 23,0 m1/3/s
Straße 40,0 m1/3/s
Teich 38,0 m1/3/s
Unbefestigter Weg 28,5 m1/3/s
Wald 8,0 m1/3/s
Die unterhalb befindliche Abbildung zeigt die Aufteilung der Rauigkeiten im Modellnetz.
Abbildung 4: Übersicht der Rauigkeiten im Geländemodell
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
pÉáíÉ=NQ=îçå=PP=
OQKMQKOMNR
PKP oaåÇÄÉÇáåÖìåÖÉå=ÇÉë=OÇJpíê∏ãìåÖëãçÇÉääë=Für die Lösung der Flachwassergleichung mit Hydro_As-2d ist neben der räumlichen
Diskretisierung (also dem Aufteilen des FE-Netzes in ein wahrheitsgemäßes Abbild der
Realität) auch die Definition von bestimmten Randbedingungen erforderlich. Hierunter ist
zunächst der äußere Modellrand zu verstehen, über den das Wasser nicht strömen kann,
da angenommen wird, dass dieser Rand wie eine Mauer fungiert („no flow“). Weitere
Randbedingungen, wie Zu- und Ausstrombedingungen, aber auch z. B. die Modellierung
von kleineren Rohrdurchlässen, erlauben eine Abweichung von dieser „Begrenzung“. Es
erfolgt eine Unterscheidung zwischen punkt- und linienbezogenen Randbedingungen,
wobei Letztere durch vorherige Definition sog. Nodestrings (Verkettungen von Knoten)
erzeugt werden. Sowohl Punkten als auch Punktketten können entsprechende Typen von
Randbedingungen zugeordnet werden.
PKPKNK wìëíêçãJ_ÉÇáåÖìåÖÉå=Die Zufluss-Werte und somit die Eingangsparameter für die Zustrom-Bedingungen
wurden in Rücksprache mit der genehmigenden Behörde (Abteilung Wasser- und
Bodenschutz des Kreisausschusses des Main-Kinzig-Kreises) bei der Abteilung für
Arbeitsschutz und Umwelt Frankfurt des Regierungspräsidiums Darmstadt angefragt. Für
den Bereich der Salz-Mündung in die Kinzig liegt für die Kinzig ein HQ100 von 171,3 m³/s
vor, welcher in das Simulationsmodell übernommen wurde. Weiterhin wurde für den
Klingbach ebenfalls ein HQ100 angesetzt, welcher sich nach Angaben des RP Darmstadt
auf 13,3 m³/s beläuft. Weitere Zuflüsse aus der Kanalisation werden nicht explizit
berücksichtigt. Der Zustrom selbst erfolgt als Punktkette und kann somit einem
Fließquerschnitt zugeordnet werden, der in dem vorliegenden Modell nach einer
Einlaufphase von 5 Stunden als konstanter Zustrom (für die Dauer weiterer 19 Stunden)
eingesetzt wurde. Die folgende Abbildung zeigt eine beispielhafte Zustrombedingung.
Abbildung 5: Beispielhafte Definition einer Zustrom-Randbedingung
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
pÉáíÉ=NR=îçå=PP=
OQKMQKOMNR
PKPKOK ^ìëëíêçãê®åÇÉê=Im Projektgebiet wurden mehrere Ausstromränder definiert. Somit wird gewährleistet,
dass das in das Modell einströmende Wasser auch wieder aus dem Modell
herausströmen kann. Dies ist eine besonders wichtige Eigenschaft, da ein Verbleib des
Wassers im Modellnetz zu deutlich überhöhten Wasserständen führen würde. Des
Weiteren wäre ein Abfließen des anstehenden Wassers ohne Ausstromränder nicht
möglich. Neben dem Ausstrombereich der Kinzig ist außerdem ein Ausstrom über das
angrenzende Gelände südlich der Kinzig möglich, da sich an dieser Stelle ein
Geländetiefpunkt befindet. Analog zum Zustrom wurde auch hier eine Punktkette quer
zur Fließrichtung als Auslauf definiert.
PKPKPK jçÇÉääáÉêìåÖ=îçå=tÉÜêÉå=ìåÇ=hçåëíêìâíáçåëìåíÉêâaåíÉå=Zur Abbildung von Wehren in Fließgewässern sowie den Vorländern besteht die
Möglichkeit, zwei Punkte als Wehrrandbedingung zu verketten. Dabei wird der
Wehrüberfall jedoch unter Berücksichtigung der hydraulischen Parameter wie
Segmentbreite oder Überfallbeiwert stets 1-dimensional berücksichtigt.
Im Unterschied zu den Wehrrandbedingungen werden Konstruktionsunterkanten
punktbezogen definiert. Erreicht der Wasserstand an den definierten Knoten einen
vorgegebenen Wert, so kann dieser nicht überschritten werden und im Modell entsteht
Druckabfluss.
Verknüpft man Konstruktionsunterkanten- und Wehrrandbedingungen, so eignen sich
diese besonders zur Abbildung von Brücken, welche den Fließquerschnitt beeinflussen,
aber nicht 2-dimensional erfasst werden können. Diese Vorgehensweise wird auch vom
Bayerischen Landesamt für Wasserwirtschaft /11/ zur Modellierung von Brücken
empfohlen.
PKPKQK jçÇÉääáÉêìåÖ=îçå=_êΩÅâÉå=Das Programmsystem SMS / Hydro_As-2d ermöglicht, wie zuvor beschrieben, zu jedem
beliebigen Knotenpunkt die Definition einer Konstruktionsunterkante (KUK), also einer
Höhe, ab welcher sich Druckabfluss einstellt. An den relevanten Brücken wurden diese
Randbedingungen nach den vorliegenden Angaben über die Brückenunterkante definiert.
Die Brückenwiderlager werden im Modell ausgespart und sind damit nicht durchströmbar.
Ist ein Überströmen der Brücke möglich, so wurden weiterhin Wehrüberfälle über den
KUK-Bedingungen definiert (magentafarben dargestellt). Diese Nodestrings sind stets auf
beiden Seiten um einen Knotenpunkt länger als die KUK-Bedingung. Hiermit wird neben
dem Druckabfluss bei Einstau auch ein Überströmen von Brücken ab einem gewissen
Wasserstand (Brückenoberkante) modellhaft ermöglicht (kleine, grüne Dreiecke). Diese
Vorgehensweise wird in Abbildung 6 veranschaulicht.
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
pÉáíÉ=NS=îçå=PP=
OQKMQKOMNR
Abbildung 6: Modellierung von Brücken mit Druckabfluss- und Wehrrandbedingungen
PKPKRK jçÇÉääáÉêìåÖ=îçå=aìêÅÜä®ëëÉå=Zur Modellierung von Durchlässen stehen grundsätzlich zwei verschiedene
Lösungsansätze zur Verfügung. Neben der Möglichkeit der Definition innerer
Randbedingungen kann auch eine Rohrsohle zweidimensional abgebildet werden. Die
Wahl der passenden Variante erfolgt dabei von Fall zu Fall anhand mannigfaltiger
Faktoren.
PKPKRKN aìêÅÜä®ëëÉ=~äë=o~åÇÄÉÇáåÖìåÖ=
Wie bereits bei den Wehren erläutert, kann durch die Verknüpfung zweier Punkte auch
eine Durchlassrandbedingung definiert werden. Die Berechnung erfolgt dann
eindimensional, wobei sowohl Kreis- als auch Rechteckprofile ausgewählt werden
können. Die Parametrisierung basiert auf einer Angabe zum Durchmesser sowie einem
empirischen Wert, welcher die Fließlänge sowie die Reibung berücksichtigt. Aufgrund der
impliziten und empirischen Berücksichtigung der Fließlänge eignet sich dieser Ansatz nur
für unkritische Strömungen mit geringer Energiehöhendifferenz und nur für Leitungen bis
50 m /12/.
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
pÉáíÉ=NT=îçå=PP=
OQKMQKOMNR
PKPKRKO aìêÅÜä®ëëÉ=~ìë=cä®ÅÜÉåÉäÉãÉåíÉå=ìåíÉê=aêìÅâ~ÄÑäìëë=
Um die zuvor erläuterten Nachteile bei der einfachen Betrachtung durch
Randbedingungen zu kompensieren, lassen sich Durchlässe auch direkt als Bestandteil
des Geländemodells zweidimensional modellieren. Die Abbildung erfolgt durch die sonst
im Modell auch verwendeten Flächenelemente. Weiterhin lassen sich alle Punkte mit
Konstruktionsunterkanten versehen, sodass der Übergang von Freispiegel- in
Druckabfluss möglichst genau abgebildet wird.
PKPKSK jçÇÉääáÉêìåÖ=îçå=ëÉåâêÉÅÜíÉå=jaìÉêå==Senkrechte Mauern können nur genähert im Modell Berücksichtigung finden, da für eine
Position (Hochwert und Rechtswert) nur eine einzige Geländehöhe definiert werden darf
und demnach keine übereinanderliegenden Punkte möglich sind. Weiterhin hat eine
senkrechte Mauer eine projizierte Fläche von Null, was im Modell unzulässig ist. Daher
bieten sich grundsätzlich zwei Lösungsmöglichkeiten an: Zum einen ist es möglich einen
Modellrand im Netz zu erzeugen, welcher durch Löschen von Flächenelementen gebildet
wird. Da ein Modellrand kein Durchströmen erlaubt, steigt das Wasser wie an einer
Mauer an. Um ein Überströmen ab einer bestimmten Höhe zu gewährleisten, kann an
dieser Stelle eine Wehrrandbedingung eingefügt werden. Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, einzelne Punkte händisch so zu verschieben, dass nicht zu kleine
Flächenelemente entstehen, welche dennoch die Höhenverhältnisse realistisch abbilden.
Maßgeblich ist die Erfüllung der Anforderungen an die Netzgeometrie, die in Kapitel 3.5
näher erläutert werden.
Je nach Gegebenheit wurden im Projektgebiet beide Ansätze angewendet. Als Beispiel
für die Anwendung von Wehrüberfällen sei die Berücksichtigung von Ufermauern
genannt, welche zum einen als sehr steile Elemente beibehalten wurden, zum anderen
allerdings auch mit Wehrüberfällen versehen wurden, um ein möglichst realistisches
Abflussverhalten zu simulieren. Auf der nachfolgenden Abbildung sind Beispiele von
Wehrüberfällen an Ufermauern in Magenta dargestellt.
Abbildung 7: Beispiel Berücksichtigung von Ufermauern
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
pÉáíÉ=NU=îçå=PP=
OQKMQKOMNR
PKQ tçÜåÄÉÄaììåÖ=L=e®ìëÉê=áå=§ÄÉêÑäìíìåÖëÖÉÄáÉíÉå=Die vorhandene Bebauung wurde im Modellnetz auf Grundlage des amtlichen Katasters
sowie von Luftbildauswertungen durch das Einfügen von interpolierten Punkten
berücksichtigt. Dabei wurden die Gebäudeumrisse teils vereinfacht in das Modellnetz
implementiert und die Elemente, die den Gebäudeumrissen entsprechen, aus dem
Modellnetz gelöscht, sodass die Gebäude, wie zuvor bereits beschrieben, „nicht
durchfließbare Körper“ darstellen. Die geometrische Form wurde GIS-gestützt mit Hilfe
des Douglas – Peucker - Algorithmus vereinfacht, sodass im Modell nicht darstellbare
Bögen als Liniensegmente vereinfacht wurden. Diese Generalisierung der
Gebäudeumrisse ist notwendig, weil eine exakte Abbildung die Anzahl der Knotenpunkte
stark vergrößert hätte, welches zwar die Rechenzeit deutlich erhöht, aber das
Rechenergebnis nicht genauer gemacht hätte.
PKR kÉíòÖÉçãÉíêáÉ=Folgende Kriterien wurden bei der Netzerstellung berücksichtigt /9/:
Tabelle 6: Berücksichtigte Kriterien zur Gewährleistung einer adäquaten Netzgeometrie
Kriterium Grenzwert
minimaler Winkel eines Elementes 5,0°
maximaler Winkel eines Elementes 150°
maximale Böschungsneigung 1:1
minimales Flächenverhältnis benachbarter Flächen 25 %
maximale Anzahl von Elementen je Knoten 8
Flächenmäßig recht inhomogene Netze neigen bei der Berechnung zu zeitlich
oszillierenden Wasserständen. Daher wurde versucht, auch im Vorland ein möglichst
engmaschiges Netz zu erzeugen. Weiterhin wurde eine maximale Böschungsneigung
von 1:1 angestrebt, welche allerdings in Teilbereichen nicht immer eingehalten werden
kann und muss. Auswertungen von Projektgebieten mit vielen Ufermauern ergaben
diesbezüglich, dass auch wesentlich steilere Winkel die Ergebnisse nicht negativ
beeinflussen, sofern die Längsausrichtung der Elemente nicht quer zur Fließrichtung
liegt. Daher wurden auch steilere Elemente im Netz, wie beispielsweise Ufermauern,
nicht weiter modifiziert.
Von existentieller Bedeutung für das Modellnetz ist es auch, dass sämtliche singulären
Punkte, vor allem im Bereich von im Modellnetz ausgesparten Häusern, beseitigt werden.
Ein singulärer Punkt entsteht dann, wenn zwei Modellränder in einem Punkt aufeinander
treffen. In diesem Fall könnte es rechnerisch zu einer unendlich großen
Fließgeschwindigkeit kommen bzw. wird die maximale, vom Anwender vorgegebene
Geschwindigkeit verwendet, die das Rechenergebnis insgesamt jedoch deutlich
verfälschen kann.
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
pÉáíÉ=NV=îçå=PP=
OQKMQKOMNR
Q haäáÄêáÉêìåÖ=ÇÉë=OÇJpíê∏ãìåÖëãçÇÉääë=
QKN haäáÄêáÉêìåÖ=páãìäaíáçåëãçÇÉää=Die Kalibrierung eines Simulationsmodells stellt einen wesentlichen Bestandteil der
Modellerstellung dar. Mit der Wahl und Zuweisung von Geländerauigkeiten existieren
Stellschrauben, die es ermöglichen, ein bestimmtes Ereignis mit Hilfe des
Simulationsmodells nachzustellen. Die Basis bildet dabei meist ein sehr gut
dokumentiertes Hochwasserereignis. Da für Kinzig, Salz und Klingbach im
Betrachtungsraum keine dokumentieren Beobachtungen zu Hochwasserereignissen
vorliegen, musste auf einen Vergleich mit den berechneten Überschwemmungsgebieten
gemäß /13/ zurückgegriffen werden. Statt einer Kalibrierung, für die ein beobachtetes
Ereignis benötigt wird, erfolgt demnach eine Validierung der Berechnungsergebnisse an
Hand des Vergleichs mit den Überschwemmungsgebieten.
Grundlage der Berechnungen für die Überschwemmungsflächen ist der vom Regierungs-
präsidium Darmstadt angeforderte Abfluss der Kinzig (HQ100=171,3 m³/s), sodass eine
Vergleichbarkeit der Berechnungsergebnisse mit dem Überschwemmungsgebiet besteht.
Insgesamt zeigen die Berechnungsergebnisse für Kinzig, Salz und Klingbach eine gute
Übereinstimmung mit den Überschwemmungsgebieten – eine realitätsgetreue Abbildung
der Fließvorgänge ist daher auch für den Plan-Zustand zu erwarten.
Abbildung 8: Berechnete Abflusstiefen HQ100 Ist-Zustand mit Überschwemmungsgebietsgrenzen
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
pÉáíÉ=OM=îçå=PP=
OQKMQKOMNR
R bêÖÉÄåáëëÉ=ÇÉê=ÜóÇêaìäáëÅÜÉå=UåíÉêëìÅÜìåÖ=
In diesem Abschnitt sollen die Ergebnisse der hydraulischen Berechnung für die Kinzig,
die Salz sowie den Klingbach im Bereich von Bad Soden – Salmünster erläutert werden.
Mit der Berechnung des Hochwasserabflusses der Kinzig unter Berücksichtigung der
bestehenden Eisenbahnüberführung Flutgraben wird die Basis für eine Vergleichbarkeit
des Ist-Zustandes mit dem Plan-Zustand hergestellt.
Die nachfolgende Abbildung zeigt die Abgrenzung des Simulationsmodells (rote
Umrandung), welches sich von der Ortslage Salmünster bis an den Rand der Ortslage
von Wächtersbach – Aufenau erstreckt. Insgesamt umfasst das Modellnetz eine Fläche
von mehr als 260 ha.
Abbildung 9: Abgrenzung Modellbereich mit Luftbild
In den folgenden Abbildungen sind sowohl der Bestand (grau) als auch die aktuelle
Planung (rot) hinsichtlich der Eisenbahnüberführung Flutgraben enthalten. Es ist zu
erkennen, dass der Bahndamm in der aktuellen Planung senkrecht zur Bahnachse
gequert wird und nicht wie im Bestand schräg zur Dammachse.
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
pÉáíÉ=ON=îçå=PP=
OQKMQKOMNR
Abbildung 10: Planung EÜ Flutgraben – Lageplan [DB ProjektBau GmbH]
Weiterhin ist die geplante Offenlegung des bislang verrohrt unter der Bahn
durchgeführten Gewässers in der voranstehenden Abbildung dargestellt.
Abbildung 11: Planung EÜ Flutgraben – Schnitt [DB ProjektBau GmbH]
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
pÉáíÉ=OO=îçå=PP=
OQKMQKOMNR
Um in den nachfolgenden Ausführungen auf eine einheitliche Bezeichnungsweise
zurückgreifen zu können, zeigt Abbildung 12 die Definition der relevanten Durchlässe im
Geländemodell.
Abbildung 12: Bezeichnungen Durchlässe im Modellbereich
RKN fëíJwìëíaåÇ=enNMM=háåòáÖ=ìåÇ=häáåÖÄaÅÜ=Das bestehende Bauwerk EÜ Flutgraben setzt sich aus zwei Brückenfeldern mit einer
lichten Breite von je 7,12 m und einer lichten Höhe von ~ 2,64 m zusammen. Weiterhin
quert eine Verrohrung DN800 die Eisenbahnüberführung Flutgraben in einer Nord – Süd
– Achse. Im Ist-Zustand stellt sich dabei zusammen durch die Eisenbahnüberführung
Flutgraben sowie die Verrohrung insgesamt ein Abfluss von ca. 57,8 m³/s im Maximum
ein. Der Abfluss durch die Kinzigbrücke beläuft sich in der Spitze auf 67,9 m³/s. Der
Durchfluss durch die EÜ Flutbrücke BSS sowie durch den EÜ Sandgraben liegen mit
34,3 m³/s und 22,0 m³/s im Maximum deutlich darunter.
Betrachtet man die nachfolgende Abbildung, so wird ersichtlich, dass sich sowohl
nördlich als auch südlich der Bahntrasse deutliche Ausuferungen ergeben. Das Wasser
nördlich der Bahntrasse kann westlich der Kinzigbrücke Bad Soden – Salmünster über
die EÜ Flutgraben sowie die EÜ Sandgraben (ca. 500 m westlich der EÜ Flutgraben) in
südliche Richtung abfließen. Die Überflutungsflächen betreffen in weiten Teilen lediglich
unbebautes Areal. Am Klingbach kommt es jedoch auch zu Überflutungen der
angrenzenden Bebauung.
Im Bereich der EÜ Flutgraben stellt sich bei einem HQ100 im Ist-Zustand kein
Druckabfluss ein. Dennoch unterscheiden sich die Wasserspiegel nördlich und südlich
EÜ Flutgraben
EÜ Sandgraben
EÜ Flutbrücke BSS
EÜ Kinzigbrücke
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
pÉáíÉ=OP=îçå=PP=
OQKMQKOMNR
der EÜ Flutgraben um mehr als 1,0 m. Dies wird auch an Hand der Darstellung in
Abbildung 13 ersichtlich.
Abbildung 13: Maximale Abflusstiefen HQ100 Ist-Zustand
RKO mäaåJwìëíaåÇ=enNMM=háåòáÖ=ìåÇ=häáåÖÄaÅÜ=Der Plan-Zustand zeichnet sich dadurch aus, dass die bestehende
Eisenbahnüberführung Flutgraben mit ihren beiden Brückenfeldern durch einen
tiefgegründeten Stahlbetonhalbrahmen ersetzt werden soll, der lediglich aus einem Feld
besteht. Vorgesehen für die EÜ Flutgraben sind eine lichte Weite von 12,0 m und eine
lichte Höhe von mindestens 2,7 m. Die Sohlhöhe der EÜ Flutgraben liegt bei
142,99 m+NHN und die Konstruktionsunterkante des Brückenbauwerks entsprechend bei
145,69 m+NHN. Außerdem ersetzt ein offenes Gerinne in Form eines U-Profils mit einer
lichten Weite von 2,0 m die DN 800-Verrohrung. Lediglich nördlich und südlich der EÜ
Flutgraben erfolgt eine Überdeckung des Gewässers aufgrund querender
Wegeverbindungen (vgl. Abbildung 14).
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
pÉáíÉ=OQ=îçå=PP=
OQKMQKOMNR
Abbildung 14: Überfahrt südlich EÜ Flutgraben [DB ProjektBau GmbH, 2015]
Die Überflutungsflächen im Plan-Zustand bei einem HQ100 weisen, wie die nachfolgende
Abbildung belegt, die gleiche Charakteristik auf wie im Ist-Zustand. Auch im Plan-Zustand
bilden sich weiträume Überflutungsflächen beidseitig des Bahndammes aus.
Abbildung 15: Maximale Abflusstiefen HQ100 Plan-Zustand
Der Abfluss durch die EÜ Flutgraben beläuft sich inkl. offenen U-Profils auf 56,5 m³/s.
Auch die Abflüsse der weiteren Eisenbahnüberführungen korrespondieren mit den
Ergebnissen des Ist-Zustandes (Kinzigbrücke: 68,0 m³/s, Flutbrücke BSS: 34,3 m³/s,
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
pÉáíÉ=OR=îçå=PP=
OQKMQKOMNR
Sandgraben: 23,4 m³/s). Ein detaillierter Vergleich der Berechnungsergebnisse des Plan-
und des Ist-Zustandes wird im folgenden Kapitel dargestellt.
RKP sÉêÖäÉáÅÜ=mäaåJ=ìåÇ=fëíJwìëíaåÇ=enNMM=háåòáÖ=ìåÇ=häáåÖÄaÅÜ=Durch einen direkten Vergleich des Plan-Zustandes mit dem Ist-Zustand ist es möglich,
die Auswirkungen der baulichen Änderungen auf den Hochwasserabfluss explizit
darzustellen. Dabei sind sowohl die Überflutungsflächen als auch die Abflüsse durch die
Bauwerke von besonderem Interesse.
Ein erster optischer Vergleich der Abbildungen 13 und 15 legt nahe, dass die
Veränderungen, welche sich durch den Plan-Zustand im Vergleich zum Ist-Zustand
einstellen nur von geringem Ausmaß sind.
In der folgenden Tabelle sind noch einmal die Abflüsse zusammengefasst, welche
sowohl im Ist- als auch im Plan-Zustand durch die jeweiligen Bauwerke maximal fließen.
Weiterhin beinhaltet die Tabelle den Quotienten aus den Abflüssen im Ist-Zustand und im
Plan-Zustand. Dadurch wird prozentual angezeigt wie groß die Veränderungen zwischen
den Abflüssen im Ist- und Plan-Zustand sind.
Tabelle 7: Vergleich maximale Abflüsse Ist-Zustand / Plan-Zustand HQ100
Bezeichnung Abfluss
Ist-Zustand HQ100
Abfluss
Plan-Zustand HQ100
Abflussquotient
Ist / Plan
EÜ Sandgraben 22,0 m³/s 23,4 m³/s 94,0 %
EÜ Flutgraben 57,8 m³/s 56,5 m³/s 102,3 %
EÜ Kinzigbrücke 67,9 m³/s 68,0 m³/s 99,9 %
EÜ Flutbrücke BSS 34,3 m³/s 34,3 m³/s 100,0 %
Sowohl an der Eisenbahnüberführung Flutbrücke Bad Soden-Salmünster (BSS) als auch
der Kinzigbrücke sind die Abflüsse praktisch identisch. An der EÜ Flutgraben reduziert
sich der Abfluss geringfügig um 2,3 %, allerdings stellt sich auch im Plan-Zustand kein
Druckabfluss ein, sodass durch die EÜ Flutgraben auch ein höherer Abfluss möglich
wäre. Der geringfügig höhere Abfluss an der EÜ Sandgraben ergibt sich aus dem leicht
verringerten Abfluss am Flutgraben. Da sich in beiden Zuständen kein Druckabfluss
einstellt und die Abflüsse nahezu identisch sind, lässt sich insgesamt sagen, dass im
Rahmen der Modellgenauigkeit keine Veränderungen im Abflussverhalten ersichtlich
werden.
Neben den Abflüssen sind, wie zuvor bereits beschrieben, auch die
Überschwemmungsflächen von Interesse. Auf den beiden folgenden Abbildungen ist
jeweils die Veränderung des Wasserspiegels durch den Plan-Zustand im Vergleich zum
Ist-Zustand bei einem HQ100 dargestellt. Die Farbdarstellung der Wassertiefen in diesen
Darstellungen differiert von den vorherigen Darstellungen, um die Differenzen noch
deutlicher darstellen zu können.
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
pÉáíÉ=OS=îçå=PP=
OQKMQKOMNR
Abbildung 16: Wasserspiegelanstieg durch Plan-Zustand im Vergleich zum Ist-Zustand HQ100 [m]
Die voranstehende Abbildung zeigt den Wasserspiegelanstieg durch den Plan-Zustand
im Vergleich zum Ist-Zustand bei einem HQ100. Durch die bauliche Änderung des EÜ
Flutgraben kommt es bei einem HQ100 zu einer geringfügigen aber großflächigen
Erhöhung des Wasserspiegels auf der Nordseite des Bahndammes. Allerdings ist von
dieser Wasserspiegelerhöhung keine Bebauung betroffen. Berechnungen im Rahmen
der Leistungsphase 1 und 2, welche im Zuge einer vorangehenden Beauftragung
durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass bei einem geringeren Zufluss (ca. 134 m³/s
gegenüber ~ 184 m³/s aktuell) nur marginale Veränderungen des Wasserspiegels
hervorgerufen werden. Allerdings zeigt Abbildung 16 auch, dass selbst bei dem aktuellen
HQ100-Zufluss keine Bebauung von der Wasserspiegelerhöhung betroffen ist. Die
Wasserspiegelerhöhung auf der Südseite des Bahndammes liegt deutlich unter 3 cm und
hat ebenfalls keine Auswirkung auf die umliegende Bebauung.
Wie Abbildung 17 zeigt, kommt es durch die aktuelle Planung der Eisenbahnüberführung
Flutgraben nur zu einer äußerst geringfügigen Reduzierung des Wasserspiegels auf der
Südseite des Bahndammes, welche voraussichtlich durch die Erhöhung des
Retentionsvolumens auf der Nordseite zum Tragen kommt.
Insgesamt ist außerdem zu sagen, dass von einer Wasserspiegelveränderung, also
sowohl durch eine Wasserspiegelverringerung als auch durch eine
Wasserspiegelerhöhung, keine zusätzlichen Flächen betroffen sind. Sämtliche überflutete
Flächen im Plan-Zustand sind auch bereits im Ist-Zustand von einer Überflutung
betroffen, lediglich die Einstautiefen können variieren.
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
pÉáíÉ=OT=îçå=PP=
OQKMQKOMNR
Abbildung 17: Wasserspiegelverringerung durch Plan-Zustand im Vergleich zum Ist-Zustand HQ100 [m]
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
pÉáíÉ=OU=îçå=PP=
OQKMQKOMNR
S caòáí=
Die Lotz AG Ingenieure wurden seitens der DB ProjektBau GmbH beauftragt die
Erneuerung der EÜ Flutgraben Bad Soden-Salmünster hydraulisch zu überprüfen.
Diese Vorgehensweise wird erforderlich, da der bauliche Zustand der bestehenden
Eisenbahnüberführung keine langfristige Nutzung mehr zulässt. Das bestehende
Bauwerk mit zwei Feldern soll daher durch einen einfeldrigen Stahlbetonhalbrahmen mit
Tiefgründung ersetzt werden. Weiterhin ist vorgesehen, die bestehende Verrohrung des
Gewässers 3. Ordnung, welches in einem Kanal DN 800 durch die EÜ Flutgraben
geführt wird, durch ein offenes Gerinne mit Stahlbeton-U-Profilen zu ersetzen. Das
geplante Bauwerk soll auch in Zukunft das gleiche Abflussvermögen wie im Bestand
aufweisen.
Im Rahmen der Untersuchungen wurde sowohl der Ist-Zustand als auch der Plan-
Zustand für ein HQ100 betrachtet. Durch die Berechnung beider Zustände wird ein
direkter Vergleich der Berechnungsergebnisse ermöglicht.
Es zeigt sich, dass der Abfluss durch die Eisenbahnüberführungen im Rahmen der
Maßtoleranzen im Plan- und im Ist-Zustand identisch ist. In beiden Zuständen kommt es
nicht zum Druckabfluss an der Eisenbahnüberführung Flutgraben, d. h. es wird ein
freier Abfluss garantiert.
Der Vergleich der Überflutungsflächen zeigt, dass es nicht zu einem Einstau
zusätzlicher Flächen, nördlich des Bahndammes jedoch bei einem HQ100 zu einer
Erhöhung des Wasserspiegels in unbebauten Bereichen kommt, obwohl freier Abfluss
im Bereich der EÜ Flutgraben möglich ist. Dieser Zustand ist voraussichtlich der
Topographie geschuldet, welche dazu führt, dass im Plan-Zustand geringfügig mehr
Wasser durch die EÜ Sandgraben strömt.
In Ergänzung zu den hydraulischen Berechnungen sei an dieser Stelle noch auf ein
wasserbauliches Detail hingewiesen. Die Bodenplatte im Bereich der
Eisenbahnüberführung Flutgraben ist mit einem Gefälle zu versehen, um den Abfluss des
Wassers nach einem Hochwasserereignis zu ermöglichen.
Dieses Gutachten gilt als Ganzes. Grundlage für Berechnungen waren die zum Zeitpunkt
der Erstellung zur Verfügung stehenden Grundlagendaten. Es ist möglich, dass sich
durch bauliche Änderungen oder Nutzungsänderungen in den bewirtschafteten Flächen
auch Änderungen hinsichtlich des Abflussverhaltens ergeben.
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
pÉáíÉ=OV=îçå=PP=
OQKMQKOMNR
T sÉêòÉáÅÜåáë=Ü®ìÑáÖ=îÉêïÉåÇÉíÉê=^ÄâΩêòìåÖÉå=
ALK Allgemeines Liegenschaftskataster
Amin kleinste erlaubte Elementgröße des Modellnetzes
BSS Bad Soden-Salmünster
DGM Digitales Gelände Modell
FE Finite Elemente
Fkm Flusskilometer
FWG Flachwassergleichung
GIS Geoinformationssystem
HHW höchstes jemals beobachteter Hochwasserstand
HLUG Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie
Hmin minimale berechnete Wassertiefe
HQ100 Hochwasserabfluss mit einer statistischen Wiederkehrzeit von 100 Jahren
HVBG Hessische Verwaltung für Bodenmanagement und Geoinformation
KUK Konstruktionsunterkante
MQ mittlerer Abfluss (Definition nach DIN4049)
Q Abfluss bzw. Durchfluss in m³/s
q Abflussspende in l/(s*km²) oder mm/h
RKH Retentionskataster Hessen
SMS Surface Water Modeling System, Programmoberfläche des 2d-Strömungsmodells
TK25 Topographische Karte im Maßstab 1:25.0000
W Wasserstand in m+NHN
WSP Wasserspiegel/ -lage
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
pÉáíÉ=PM=îçå=PP=
OQKMQKOMNR
U ^ÄÄáäÇìåÖëîÉêòÉáÅÜåáë=
Abbildung 1: Übersicht Standort EÜ Flutgraben Bad Soden – Salmünster TK25 .............. 4
Abbildung 2: Auszug Geländemodell auf Grundlage Laserscandaten HVBG, 5-fach überhöht............................................................................................................................... 8
Abbildung 3: Berücksichtigte Gewässerprofile der Kinzig [HLUG, 2013] ............................ 9
Abbildung 4: Übersicht der Rauigkeiten im Geländemodell .............................................. 13
Abbildung 5: Beispielhafte Definition einer Zustrom-Randbedingung ............................... 14
Abbildung 6: Modellierung von Brücken mit Druckabfluss- und Wehrrandbedingungen .. 16
Abbildung 7: Beispiel Berücksichtigung von Ufermauern ................................................. 17
Abbildung 8: Berechnete Abflusstiefen HQ100 Ist-Zustand mit Überschwemmungsgebietsgrenzen .................................................................................. 19
Abbildung 9: Abgrenzung Modellbereich mit Luftbild ........................................................ 20
Abbildung 10: Planung EÜ Flutgraben – Lageplan [DB ProjektBau GmbH] .................... 21
Abbildung 11: Planung EÜ Flutgraben – Schnitt [DB ProjektBau GmbH] ......................... 21
Abbildung 12: Bezeichnungen Durchlässe im Modellbereich ........................................... 22
Abbildung 13: Maximale Abflusstiefen HQ100 Ist-Zustand ................................................. 23
Abbildung 14: Überfahrt südlich EÜ Flutgraben [DB ProjektBau GmbH, 2015] ................ 24
Abbildung 15: Maximale Abflusstiefen HQ100 Plan-Zustand ............................................. 24
Abbildung 16: Wasserspiegelanstieg durch Plan-Zustand im Vergleich zum Ist-Zustand HQ100 [m] ........................................................................................................................... 26
Abbildung 17: Wasserspiegelverringerung durch Plan-Zustand im Vergleich zum Ist-Zustand HQ100 [m] ............................................................................................................. 27
V qaÄÉääÉåîÉêòÉáÅÜåáë=
Tabelle 1: Kenndaten der Kinzig ......................................................................................... 5
Tabelle 2: Pegelstammdaten /3/ .......................................................................................... 6
Tabelle 3: Die 10 extremsten Hochwasserereignisse für Ahl [3]......................................... 6
Tabelle 4: Globale Modellparameter in SMS/Hydro_As-2d .............................................. 12
Tabelle 5: Übersicht der verwendeten Rauigkeitsbeiwerte nach Strickler ........................ 13
Tabelle 6: Berücksichtigte Kriterien zur Gewährleistung einer adäquaten Netzgeometrie ........................................................................................................................................... 18
Tabelle 7: Vergleich maximale Abflüsse Ist-Zustand / Plan-Zustand HQ100 ..................... 25
RTT=Ó=OÇJpáãìäaíáçå=b§=cäìíÖêaÄÉå=_aÇ=pçÇÉåJpaäãΩåëíÉê=
pÉáíÉ=PN=îçå=PP=
OQKMQKOMNR
NM iáíÉêaíìêåaÅÜïÉáë==
/1/ DB Netz AG: Erläuterungsbericht Vorplanung Ingenieurbauwerke T.016063709 *Erneuerung EÜ Flutgraben* Bad Soden-Salmünster, Frankfurt, 02.04.2014
/2/ Hessisches Ministerium für Umwelt, Klimaschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz: WRRL Hessen, http://wrrl.hessen.de/Main.html?role=default, abgerufen am 27.04.2015
/3/ Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie: Wasser / Aktuelle Messdaten, http://www.hlug.de/static/pegel/wiskiweb2/index.html#, Station Ahl_UW (24781206), abgerufen am 27.04.2015
/4/ Bundesumweltministerium: Hydrologischer Atlas von Deutschland, Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Bonn, 2002
/5/ Hessische Verwaltung für Bodenmanagement und Geoinformation: Laserscandaten Hydraulische Berechnung EÜ Flutgraben BSS, Wiesbaden, 2013
/6/ Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie: Gewässerprofildaten Kinzig, Wiesbaden, 2013
/7/ Nujíc, M.: LASER_AS-2d – Ausdünnung und Aufbereitung von Laserdaten für die 2d-Modellierung, Ingenieurbüro Nujíc, Rosenheim, 2006
/8/ Nujíc, M.: Flussnetz-2D, Ingenieurbüro Nujíc, Rosenheim, 2007
/9/ Schwaller, G.: Tutorial zum HYDRO_AS-2D – Grundkurs, Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft, 2006
/10/ Nujíc, M.: Hydro_As-2d – Ein zweidimensionales Strömungsmodell für die wasserwirtschaftliche Praxis – Benutzerhandbuch, Rosenheim, 2006
/11/ Schwaller, G.: Tutorial zum HYDRO_AS-2D – Aufbaukurs, Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft, 2006
/12/ Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft: Berechnung des Abflusskoeffizienten c, Mitteilung des Bayerischen Landesamtes für Wasserwirt-schaft, 2006
/13/ Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie: Hochwasserrisiko-managementpläne Hessen, http://hwrm.hessen.de/Main.html?role=default, abgerufen am 27.04.2015
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W-S-L-1 Lageplan – Wassertiefen Ist-Zustand HQ100 Kinzig, HQ100 Klingbach, M 1:2.000, 24.04.2015
W-S-L-2 Lageplan – Wassertiefen Plan-Zustand HQ100 Kinzig, HQ100 Klingbach, M 1:2.000, 24.04.2015
W-S-L-3 Lageplan – Wassertiefen Wasserspiegeländerung Vergleich Plan- / Ist-Zustand, M 1:2.000 / 1:500, 24.04.2015
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Aufgestellt:
LOTZ AG Ingenieure
Holger Christanz
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Anerkannt:
DB ProjektBau GmbH Regionalbereich Mitte I.BV-MI-P(K), Hahnstraße 52 in 60528 Frankfurt am Main
Frankfurt am Main, den
Genehmigt:
Kreisausschuss des Main-Kinzig-Kreises – Abteilung Wasser- und Bodenschutz – Gewässerschutz
Barbarossastraße 16 – 24, 63571 Gelnhausen
Gelnhausen, den