Strömungen in offenen Gerinnen
ein erster Einstieg, wird fortgesetzt
Die Fragen der Strömungen in offenen Gerinnen bzw. stehenden Gewässern sind für viele Bereiche der Hydrologie von Bedeutung. Diese wären beispielhaft:
- Die Berechnung der Leistungsfähigkeit von Flüssen zur Hochwasserabfuhr bzw. die Ausweisung von Hochwasserabflussgebieten
- Die Berechnung von Triebwasserkanälen von Wasserkraftwerken
- Die Wasserzufuhr zu Bewässerssystemen und zur Wasserversorgung im Allgemeinen
- Die Strömungen in Seen.
Arten der Strömungsvorgänge
Grundsätzlich sind die Strömungen in offenen Gerinnen und stehenden Gewässern zumeist instationär (von der Zeit abhängig) und auch in allen drei Raumrichtungen zu betrachten. Derartige Berechnungen sind äußerst aufwendig. Für viele Fälle ist daher eine Vereinfachung zulässig. Oft ist auch ein Modellversuch erforderlich.
Zumeist wird bei der Berechnung in Gerinnen auf stationäre, eindimensionale Berechnungen zurückgegriffen. Dabei wird ein über die Zeit konstanter Abfluss entlang der Gerinneachse betrachtet.
Auf Grund der steigenden Anforderungen an die Berechnungsgenauigkeit und die laufend verbesserte Leistungsfähigkeit der Rechenanlagen werden in jüngerer Vergangenheit jedoch auch instationäre, zweidimensionale Berechnungen durchgeführt. Damit ist der zeitliche Ablauf von z.B. Überflutungen auch in komplexen Abflussituationen (z.B. flache, breite Täler, Dammbrüche) darstellbar. Ebenso trifft dies für die Berechnung von Strömungen in flachen Seen beziehungsweise küstennahmen Bereichen der Meere zu.
Eindimensionaler Abfluss in offenen Gerinnen
Strömen und Schießen
Naturbeobachtungen zeigen, dass sich bei langsamer Fließgeschwindigkeit in Oberflächengewässer Störungen (z.B. Einbauten) in Fließrichtung nach oben und bei schnellen Fließgeschwindigkeiten nach unten auswirken. Unter strömenden Abfluss versteht man daher eine Fließbewegung, bei der sich Störungen in Fließrichtung nach oben auswirken, unter schießenden Abfluss das Gegenteil. Mathematisch lässt sich dies aus der Bernoullischen Energiegleichung ableiten. Als Quadratische Gleichung besitzt diese für die Energiehöhe bei konstanten Abfluss ein Minimum. Bei diesem tritt die kritische Geschwindigkeit auf. Schnellerer Aufluss ist Schießen, langsamerer Strömen.
Für die Berechnung von Gerinnen ist dies von großer Bedeutung. Bei strömenden Abfluss hat die Berechnung der Energielinie stromaufwärts zu erfolgen, bei schießenden Abfluss stromabwärts. Am Punkt des Fließwechsels (z.B. an Wehren) können die Anfangsbedingungen für eine Abflußberechnung gewonnen werden.
Der Wechsel von strömenden zu fließenden Abfluss z.B. bei Erhöhung des Gefälles während des Fließweges oder großen Einengungen erfolgt gleichsam kontinierlich während der Wechsel von schießenden zu strömenden Abfluß von einem "Wechselsprung" mit heftiger Energieumsetzung begleitet ist. Letzteres wird in Tosbecken von Wasserkraftwerken zur gezielten Energieumsetzung ausgenutzt.
Gleichförmiger Ungleichförmiger Abfluss
Bei stationären (zeitlich konstanten) und gleichförmigen Abfluss ist der Wasserspiegel parallel zur Gerinnesohle.
Einengungen, Erweiterungen, Schwellen und ähnliches führen zu Abflussverhältnissen, bei denen ungleichförmiger Abfluss vorliegt und der Wasserspiegel nicht mehr parallel zur Gerinnesohle verläuft.