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Hydrological modelling and water flux tracking to quantify controls on water transit and residence time

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[Quelle: https://www.research-collection.ethz.ch]

Weltweit werden hydrologischeModelle auf Einzugsgebietsskala verwendet, um Abflussentstehung und Drainagedynamik besser zu verstehen und Wasserressourcen zukünftig besser zu managen. Derzeit gibt es keinen zufriedenstellenden Modellansatz, um die Bewegung von Wasser und den Transport gelöster Stoffe innerhalb von Einzugsgebieten auf grösserer Skala zu modellieren, der zur Verbesserung der Wasserqualität eingesetzt werden könnte. Wasser und darin gelöste Stoffe bewegen sich auf sehr unterschiedlichen Transportwegen durch Einzugsgebiete, die Drainage kann von Minuten bis hin zu Jahrhunderten dauern. Dieses grosse Spektrum an unterschiedlichen Transportwegen und Verweildauern stellt neben anderen Faktoren, wie der grossen Heterogenität der unterschiedlichen Einzugsgebiete, sowie der Abhängigkeit von klimatischen Faktoren, die grösste Herausforderung bei der Modellierung dar. Diese Informationen sind wesentlich, um die Grössenordungen und Zusammenhänge der unterschiedlichen Prozesse zu verstehen, da sie die Verteilung von Wasser und gelösten Stoffen auf Einzugsgebietsebene und die Drainage massgebend beeinflussen. Die zentrale Kennzahl zur Charakterisierung dieser Prozesse ist die Verteilung der Verweildauer (Transit Time Distribution - TTD), die letztendlich dazu beiträgt die wesentlichen Herausforderungen zur Verbesserung der Wasserqualität zu adressieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiger Entscheidungsrahmen sowie ein Prognosemodell entwickelt, um die Abschätzung der TTDs und ihrer Kontrollfaktoren zu verbessern. Hydrologische und konservative Transportsimulationen werden verknüpft, um mehrere Wasserpakete in Zeit und Raum durch das Einzugsgebiet zu verfolgen. Das Modell wurde zunächst in einem Einzugsgebiet in Grossbritannien, für welches langjährige Datenreihen von Niederschlägen und Chloridionen – einem konservativen Tracer – vorliegen, getestet und kalibriert. Die dynamischen TTDs können sowohl für vergangene als auch zukünftige Ereignisse zufriedenstellend reproduziert werden. Die Ergebnisse zeigen eine Korrelation zwischen TTDs für einen zeitlich definierten Niederschlag zur Jahreszeit in welcher der Niederschlag stattfindet. TTDs für einen zeitlich definierten Abfluss werden jedoch am meisten durch die Feuchtigkeit des Einzugsgebiets beeinflusst. In einem zweiten Schritt wurde das Modell in fünf Einzugsgebieten in unterschiedlichen klimatischen Regionen angewandt, um den Einfluss von klimatischen und geomorphologischen Eigenschaften und Charakteristika auf die Verweildauer zu entwickeln. Die Ergebnisse zeigen, dass es bei feuchtem Klima möglich ist, eine Kurve zur Beschreibung der Verweildauer als Funktion des kumulierten Niederschlages zu definieren, welche nur von geographischen Eigenschaften abhängt. Im Gegensatz dazu ist bei trockenem Klima die Variabilität der Verweildauer und der Anteil von jungem Wasser in allen Berechnungen wesentlich höher, weshalb eine endgültige Bewertung des Effektes von klimatischen Bedingungen aus Verweildauern komplex ist. Insgesamt trägt die Arbeit wesentlich zu einem verbesserten Verständnis von Transportprozessen in Einzugsgebieten in verschiedenen Klimaregionen und mit unterschiedlicher Topographie bei. Mögliche Ansatzpunkte für weitere aufbauende Forschung zu diesem Thema, wären die Generalisierung von Transportprozessen in Einzugsgebieten, sowie eine Quantifizierung der natürlichen und vom Menschen verursachten Einflüsse auf Wasserressourcen.

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Bücher, Broschüren

Stahlwasserbauten - Kommentar zu DIN 19704
E&S Zeitlos - Klassiker des Bauingenieurwesens
Klassiker des Bauingenieurwesens
2021, XII, 350 S., 18 Tabellen. 244 mm, Hardcover
Ernst & Sohn

 

 

Das Buch enthält, neben dem Normenkommentar, 32 ausgewählte stahlwasserbautypische Berechnungsbeispiele und ist reich bebildert. Eine wertvolle Ergänzung sind außerdem 12 Sonderbeiträge über die Forschung und Entwicklung im Stahlwasserbau von namhaften Autoren. Der Kommentar zu DIN 19704:1998 "Stahlwasserbauten" enthält Erläuterungen zu den einzelnen Textabschnitten der Norm und Hinweise und Anregungen für die Praxis über die Hintergründe und Zielvorstellungen des Regelwerks. Es enthält gegenüber der früheren Ausgabe (Sept. 1976) eine Reihe wichtiger substantieller Änderungen und neue Regelungen. Dies gilt insbesondere für die neue Form der rechnerischen Nachweise und für die neuen konstruktiven Hinweise. Die ausgewählten Berechnungsbeispiele führen u. a. in die Vorgehensweise beim Sicherheitskonzept, bei den Betriebsfestigkeitsnachweisen, bei Verschleißteilen und bei Kontaktproblemen (z. B. Laufrad und Laufschiene) ein. Ferner konnten Beiträge namhafter Autoren zu Fragen des Stahlwasserbaus in das Buch aufgenommen werden. Das Buch erscheint in der Reihe "E&S Zeitlos" als unveränderter Nachdruck der 1. Auflage von 2000.

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Band 9. Wasserwesen, Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik
Handbuch für Bauingenieure
Technik - Organisation - Wirtschaftlichkeit
3., Aufl.
2020, ix, 317 S., IX, 317 S. 203 Abb., 15 Abb. in Farbe. 254 mm, Hardcover
Springer

 

 

Der Band aus der Reihe Handbuch für Bauingenieure erläutert wichtige grundlegende und aktuelle Inhalte der Fachgebiete, welche sowohl durch die lebensnotwendige Ressource Wasser gekennzeichnet sind, als auch essentielle Auswirkungen auf diese hat. Es werden die Grundlagen als auch die angewandten Disziplinen behandelt. Zu den Grundlagendisziplinen zählen die Hydrologie und die Wasserwirtschaft sowie die technische Hydraulik, während zu den angewandten Disziplinen der Wasserbau, die Siedlungswasserwirtschaft mit den Teilbereichen Wasserversorgung sowie Abwassertechnik und die Abfalltechnik gehören. Der Band ist Teil der Reihe Handbuch für Bauingenieure, die insgesamt sieben Bände umfasst. Dazu gehören die Allgemeine Grundlagen des Bauingenieurwesens; Bauwirtschaft und Baubetrieb; Konstruktiver Ingenieurbau und Hochbau; Geotechnik; Wasserbau, Siedlungswasserwirtschaft, Abfalltechnik; Raumplanung, Stadtentwicklung und Öffentliches Baurecht; Verkehrsplanung sowie Bau und Betrieb von Verkehrsanlagen.

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Simon P. Seibert, Karl Auerswald
Hochwasserminderung im ländlichen Raum
Ein Handbuch zur quantitativen Planung
2020, xi, 236 S., 8 SW-Abb., 97 Farbabb. 240 mm, Softcover
Springer

 

 

Die Open-Access-Publikation ist ein anwendungsorientiertes Lehr- und Handbuch zur Abflussminderung im ländlichen Raum. Meteorologische Extreme wie Dürren, Starkregen und Überschwemmungen häufen sich wegen des Klimawandels. Gleichzeitig steigt der Druck auf unsere Landschaft kontinuierlich, indem sie immer intensiver genutzt und effizienter erschlossen wird. Durch diese Entwicklungen ergeben sich dringende Herausforderungen für den ländlichen Hochwasserschutz und den Erhalt unserer natürlichen Ressourcen Wasser und Boden. Das Buch beschreibt Methoden für die Planung von Maßnahmen zur Abflussminderung. Es ist speziell für kleine Einzugsgebiete (weniger als 25 qkm) konzipiert, da gerade dort viele Gemeinden durch die genannten Entwicklungen zunehmend mit Sturzfluten und Überflutungen konfrontiert sind. Gleichzeitig können dezentrale Ansätze zur Abflussminderung hier am meisten bewirken. Das Handbuch richtet sich vornehmlich an Ingenieure, Planer und Berater von Landwirtschaft, Kommunen und Ländlicher Entwicklung, soll aber auch Studenten und Wissenschaftlern der relevanten Fachgebiete als Informationsquelle und Nachschlagewerk dienen.

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Hochwasser-Handbuch
Auswirkungen und Schutz
3., Aufl.
2020, xxii, 715 S., XXII, 715 S. 331 Abb., 34 Abb. in Farbe. 240 mm, Hardcover
Springer

 

 

Die prognostizierten Klimaveränderungen stellen für die Wasserwirtschaft in Bezug auf den Hochwasserschutz, aber auch im Umgang mit trockenen Jahren, eine große Herausforderung dar. Neben den großen, flächendeckenden Überschwemmungen und den damit einhergehenden besonderen Risiken für die eingedeichten Bereiche sind insbesondere die nach Starkregenereignissen plötzlich auftretenden Sturzfluten mit einem hohen Gefährdungspotenzial verbunden. Die Schäden sind bei beiden Hochwasserformen nur dann erfolgreich und dauerhaft zu minimieren, wenn viele Fachgebiete ihr besonderes Wissen in den Planungsprozess des Hochwasserschutzes einbringen. Hierzu zählen unterschiedliche Maßnahmenpakete der Wasserwirtschaft und des Wasserbaus (u. a. die Bereitstellung verlässlicher hydrologischer und hydraulischer Planungsgrößen, der natürliche Wasserrückhalt in den Gewässerauen, unterschiedliche Ausbauvarianten und deren Auswirkungen auf die Abflüsse, technische Rückhaltemaßnahmen, Schutz der genutzten Bereiche durch Deiche, Dämme und Hochwasserschutzmauern und nicht zuletzt die rechtlichen Grundlagen), aber auch der Ablauf und die Koordination unterschiedlicher Maßnahmengruppen vor, während und nach einem vorausgesagten Hochwasserereignis. Hierzu gehören ebenfalls die aktuellen Ausführungen zur Versicherung von Hochwasserschäden. Der erste Zyklus der Hochwasserrisikomanagement-Richtlinie wurde Ende 2015 mit der Erstellung der Hochwasserrisikomanagementpläne abgeschlossen. Allen Aspekten der Hochwasservorsorge wird nunmehr ein sehr hoher Stellenwert eingeräumt. Die Erfahrungen aus diesem Prozess sowie die aktuellen Richtlinien der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) wurden in dieser dritten Auflage berücksichtigt. Insbesondere die Bauvorsorge ist dabei umfassend dargestellt.

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Gerhard Bollrich
Technische Hydromechanik, .1. Grundlagen
Beuth Praxis
8., aktualisierte Auflage.
2019, 448 S., 21 cm, Hardcover
Beuth

 

 

Der erste Band der insgesamt vierbändigen Fachbuchreihe zur technischen Hydromechanik informiert den Leser über die Grundlagen dieses speziellen Fachgebiets (Berechnung der Kraftwirkungen ruhender Flüssigkeiten, insbesondere aber mit Strömungsvorgängen an Bauwerken und in Anlagen). Behandelt werden unter anderem die Gesetzmäßigkeiten des ruhenden und fließenden Wassers sowie das erforderliche technische Know-how zu deren Bestimmung. Geeignet ist das Werk nicht nur als studienbegleitende Literatur, es hat sich auch in der täglichen Praxis als Nachschlagewerk mit wichtigen Berechnungsgrundlagen in Form von Formelansätzen, Beiwerten und Kennzahlen bewährt. Die achte Auflage wurde inhaltlich aktualisiert und an den neuesten Stand der Normung angepasst.

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Forschungsberichte

Bauforschungsberichte, Kurzberichte, Dissertationen, Hinweise auf laufende und abgeschlossene Forschungsvorhaben sowie Bauforschungs-Informationen aus dem deutschsprachigen Raum können Sie sich kostenlos/kostenpflichtig als Download direkt auf den Bildschirm holen oder online auf Papier bestellen.
Weitere Informationen rund um das Thema Bauforschung finden Sie in unserem
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Matthias Pahn, Jürgen Schnell, Horst Stopp, Martin Kiesche, Wolfgang Schmidt, Torsten Toepel
Thermisch aktivierte Sandwichschwimmkörper für das Bauen auf dem Wasser. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2981
2016, 118 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das weltweite Bevölkerungswachstum und der steigende Meeresspiegel führen u.a. zu einem Mangel von Bauflächen. Durch den Klimawandel ist der Wohnraum speziell in den Küstengebieten gefährdet. Gegenwärtig werden kostenintensive Hochwasserschutz-Bauwerke umgesetzt, um sich gegen die drohenden Wassermassen zu schützen. Auch werden Maßnahmen zur Landrückgewinnung durchgeführt. Dabei wird, vom Meer abgetragenes Ufermaterial aufwändig wieder an Land transportiert, welches mit der Zeit wieder an das Meer verloren geht. Das Bauen auf dem Wasser bietet eine alternative Maßnahme an um verlorene Bauflächen und Lebensraum zu gewinnen, ohne gegen den steigenden Meeresspiegel anzutreten oder Maßnahmen zur Landrückgewinnung durchführen zu müssen. Bauwerke auf dem Wasser sind von der Versorgung über das Festland abgeschnitten und müssen sich autark versorgen können. Dafür steht das umgebende Wasser als ein enormes Energiereservoir zur Verfügung. Die Erschließung des Energiereservoirs ist durch eine thermisch aktivierte Bauteilschicht möglich. Aus wärmeschutztechnischen Gründen ist es notwendig die thermisch aktivierte Bauteilschicht mit einer Dämmschicht thermisch zu entkoppeln. Für diese Anforderungen sind Bauteile in Sandwichbauweise optimal geeignet. Die Sandwichbauteile bestehen aus einer Tragschale, einer Kerndämmschicht und einer Vorsatzschale. Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, einen Schwimmkörper mit möglicher Innenraumnutzung in Sandwichbauweise mit einer thermisch aktivierten Vorsatzschale aus hochfestem Beton zu entwickeln und zu errichten. Innerhalb des Forschungsprojekts wurden die Einwirkungen auf schwimmende Bauwerke untersucht und Lastannahmen für den Großdemonstrator getroffen. Bei der Bemessung eines schwimmenden Bauwerks sind neben den herkömmlichen Einwirkungen, der ständige Wasserdruck, die dynamische Wellenbelastung und der thermische Eisdruck infolge einer geschlossenen Eisdecke zu beachten. Der Lastfall Schiffs- oder Eisanprall wurde ausgeschlossen, da die Errichtung des schwimmenden Bauwerks auf ei

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Guenther Garbrecht, Joachim Schmidt, Johann Buss
Untergrundhydraulische Berechnungen an Flussdeichen auf bindigen Deckschichten
siehe auch: Buss, Johann. Unterströmung von Deichen. tech.Diss. Braunschweig 1987/92.
1987, 164 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Zur untergrundhydraulischen Bemessung unterströmter Deiche ist die Kenntnis der Potentialverteilung von entscheidender Bedeutung. In bisher veröffentlichten Arbeiten zu diesem Thema werden stark vereinfachende Näherungslösungen behandelt, die eine zutreffende Beschreibung der untergrundhydraulischen Verhältnisse unterströmter Deiche kaum zulassen und zudem nur von zeitunabhängigen (stationären) Systemen ausgehen. In dieser Arbeit werden Berechnungsverfahren zum Teil auf der Grundlage der Finiten-Elemente-Methode für ein- zwei- und dreidimensionale, stationäre und instationäre, gesättigte-ungesättigte Deichsysteme behandelt und Bemessungshilfen entwickelt, die eine problemangepaßte Beurteilung der Untergrundhydraulik unterströmter Deiche ermöglichen. Damit können die erforderlichen Maßnahmen zur Deichsicherung und zur Trockenlegung des Deichhinterlandes durch Entspannungsbrunnen, Abzugs- und Entlastungsgräben, Schöpfwerke und Siele nach Lage und Größe zweckmäßig und sicher bemessen werden. (-y-)

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B. Barczewski, H.P. Koschitzky, H. Kobus
Theoretische und experimentelle Vorstudien zur Frage des Lufteintrags und Lufttransports an Sohlbelüftern in Hochgeschwindigkeitsströmungen
1987, 71 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Einführend wird der Kenntnisstand zur Frage des Lufteintrags an Sohlbelüftern in Hochgeschwindigkeitsströmungen dargelegt. Die wichtigsten Formeln werden dargestellt und kritisch diskutiert. Der Hauptteil des Berichts beschäftigt sich mit Überlegungen zur Physik des Lufteintragsmechanismus. Dafür werden Gedankenmodelle aufgestellt und auf Plausibilität überprüft. Für den Transport der eingemischten Luft unterstrom des Auftreffpunktes wird ein numerisches Modell zusammenfassend dargestellt, in dem der Transportprozeß der Luftblasen in Analogie zum Transport suspendierter Feststoffpartikel in turbulenten Gerinneströmungen behandelt wird. In Hinblick auf eine Weiterführung des Forschungsvorhabens wurden grundlegende Testversuche zur Frage der Einsatzfähigkeit der vorgeschlagenen Meßverfahren durchgeführt. (-y-)

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Kuhn, Ute
Bewirtschaftungspläne, Maßnahmenprogramme und Hochwasserrisikomanagementpläne 2021 - 2027 für die deutschen Flussgebiete
Wasser und Abfall, 2022

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Jüpner, Robert; Miegel, Konrad; Barion, Dirk
Fachgemeinschaft Hydrologische Wissenschaft feiert 20. Geburtstag
KW Korrespondenz Wasserwirtschaft, 2022

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Hengl, Michael; Stephan, Ursula
Beckenrampen - Fließtiefenberechnung bei stark überströmten Riegeln
Wasserwirtschaft, 2022

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Hengl, Michael; Stephan, Ursula
Beckenrampen - Dimensionierung und Stabilität bei Hochwasser
Wasserwirtschaft, 2022

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Donner, Christoph; Rösch, Hendrik; Johnen, Gregor; Niemann, André
Werden unsere wasserwirtschaftlichen Entscheidungen durch Digitalisierung und KI in Zukunft besser?
Energie Wasser-Praxis, 2022

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Highlights aus dem Programm 2022