Schöpfwerk Leimersheim
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Reeelkfnwenjn RESERVERAUM FÜR EXTREMHOCHWASSER HÖRDTER RHEINAUE Vorgezogene Maßnahmen: Neubau des Schöpfwerks Leimersheim/ Maßnahmen zur Anpassung der Binnenentwässerung südlich des Reserveraums Heft 4 Fachgutachten Hydraulik März 2018 Antragsteller: Struktur- und Genehmigungsdirektion Süd Regionalstelle Wasserwirtschaft, Abfallwirtschaft u. Bodenschutz Neustadt an der Weinstraße Deichmeisterei / Neubaugruppe Hochwasserschutz Bearbeiter: Reeelkfnwenjn RESERVERAUM FÜR EXTREMHOCHWASSER HÖRDTER RHEINAUE Vorgezogene Maßnahmen: Neubau des Schöpfwerks Leimersheim/ Maßnahmen zur Anpassung der Binnenentwässerung südlich des Reserveraums Heft 4 Teil 1 Schöpfwerk Leimersheim März 2018 Antragsteller: Struktur- und Genehmigungsdirektion Süd Regionalstelle Wasserwirtschaft, Abfallwirtschaft u. Bodenschutz Neustadt an der Weinstraße Deichmeisterei / Neubaugruppe Hochwasserschutz Bearbeiter: Struktur- und Genehmigungsdirektion Süd Hördter Rheinaue – LOS 2 Schöpfwerk Leimersheim FACHTECHNISCHE BERECHNUNGEN Juli 2017 Schöpfwerk Leimersheim Fachtechnische Berechnungen INHALTSVERZEICHNIS INHALTSVERZEICHNIS ......................................................................................................... I TABELLENVERZEICHNIS ..................................................................................................... I ABBILDUNGSVERZEICHNIS ................................................................................................. I 1 ZULAUFKANAL SCHÖPFWERK LEIMERSHEIM ..................................................... 1 1.1 Allgemeines ................................................................................................................ 1 1.2 Aufgabenstellung ........................................................................................................ 1 1.3 2D-Modellierung im Bestand....................................................................................... 1 1.4 Modellierung des Planungszustandes ........................................................................ 3 2 ABLAUFKANAL SCHÖPFWERK LEIMERSHEIM .................................................... 7 2.1 Allgemeines ................................................................................................................ 7 2.2 Aufgabenstellung ........................................................................................................ 7 2.3 Modellierung mit SWMM ............................................................................................. 7 2.4 Modellierung mit HEC-RAS ........................................................................................ 9 2.5 Ergebnisse der Modellierung .................................................................................... 11 TABELLENVERZEICHNIS Tabelle 1-1: Simulationsvarianten mit einheitlich 6 m³/s Pumpleistung ............................ 2 Tabelle 1-2: Variation der Kanallängsneigungen und Sohlhöhen ..................................... 3 Tabelle 1-3: Variation der Reibungsbeiwerte (kst) ............................................................ 4 Tabelle 1-4: Variation der Oberwasserstände (OW) ........................................................ 4 Tabelle 2-1: Übersicht der Modellierung mit SWIMM ....................................................... 9 Tabelle 2-2: Übersicht der Modellierung mit HEC-RAS ...................................................11 ABBILDUNGSVERZEICHNIS Abbildung 1-1: Wasserspiegellängsschnitte Verbindungskanal ........................................... 2 Abbildung 1-2: Berechnungsnetz im Planungszustand ........................................................ 4 Abbildung 1-3: flächenhafte Darstellung einer Simulation .................................................... 5 Abbildung 1-4: Wasserspiegellängsschnitte der Ausführungsvarianten 3 ............................ 6 Abbildung 1-5: Wasserspiegellängsschnitte der Ausführungsvariante Var 3-b-S ................. 6 Seite I Schöpfwerk Leimersheim Fachtechnische Berechnungen 1 ZULAUFKANAL SCHÖPFWERK LEIMERSHEIM 1.1 Allgemeines Für die Dimensionierung des Kanals zur Zuleitung in Richtung des Schöpfwerks wurden hyd- raulische Modellierungen durchgeführt. Um die außergewöhnlich hydraulische Situation - mit definiertem Wasserstand im oberstromigen Fischmal und unbekanntem Wasserstand am Schöpfwerk - hydraulisch exakt nachmodellieren zu können, wurden zweidimensionale hyd- rodynamisch-numerische Modelle (2D-HN-Modelle) des Verbindungskanals erstellt. Der Wasserstand im Fischmal fungiert hierbei als für die Simulation zeitlich konstante obere Randbedingung des Modells. Hierbei wird jedoch zwischen Pumpenbeginn im Winter mit y = 98,50müNN und Pumpenbeginn im Sommer mit y = 98,20müNN unterschieden. Dies wird sowohl im Bestand als auch in den Planungszuständen als Randbedingung vorgege- ben, wobei der Sommerzustand hydraulisch maßgebend in der Bemessung zu betrachten ist. 1.2 Aufgabenstellung Um die Abflussleistung des bestehenden Verbindungskanals zu analysieren, die vom Betrei- ber als zu gering eingestuft wird, soll dieser Bestand im ersten Schritt hydraulisch über hyd- rodynamisch-numerische Simulationen nachmodelliert werden. Im zweiten Schritt wird der Planungszustand modelliert und bezüglich Leistungsfähigkeit von Q = 14,0 m³/s optimiert und entsprechend nachgewiesen. 1.3 2D-Modellierung im Bestand Der Verbindungskanal besitzt kein ausgewiesenes Gefälle in Richtung des Schöpfwerks. Teilweise liegt sogar ein inverses Gefälle vor. Damit ergeben sich das hydraulische Gefälle und damit der Abfluss ausschließlich durch die Reduzierung der Fließtiefe bei Betrieb des Schöpfwerks. Die Unterkanten der Pumpeneinlaufstutzen sind mit einer Höhe von 97,18ümNN angegeben. Bei Unterschreitung dieses Wertes im Wasserspiegellängsschnitt würden die Pumpen Luft ansaugen. Die Modellierung erfolgt mit der geographischen Bestandsituation für einen Abfluss von überschlägig 6,0 m³/s. Es ergab sich ein unstrukturiertes Berechnungsnetz von ca. 14.000 m² mit ca. 6.200 Elementen und ca. 3.200 Knotenpunkten. Mit ca. 2,0 m² pro Zelle ergibt sich eine hohe Auflösung, die auch instationäre Berechnungen mit lokalen und plötzli- chen hydraulischen Störungen auflösen kann. Die dargestellten Berechnungsergebnisse beziehen sich jedoch auf stationäre Strömungsverhältnisse. Zusätzlich instationär durchge- führte Simulationen ergaben keine hydraulisch problematischen Strömungszustände. Als Randbedingungen wurden zum einen unterschiedliche Seewasserstände im Fischmal und zum anderen unterschiedliche Einflüsse von Bewuchs und Kanalverkrautung bzw. Ka- Seite 1 von 11 Schöpfwerk Leimersheim Fachtechnische Berechnungen nalverlegung betrachtet. Die Verkrautung wurde über die Variation der Reibungsbeiwerte (kst = 30 und 20 m1/3/s) für den betrachteten Abfluss von 6,0 m³/s simuliert. Hierbei ist zu beach- ten, dass die Annahme der „starken Verkrautung“ eine Extremwertvariante darstellt, die in situ in der Art als unwahrscheinlich anzusehen ist. Der Seewasserstand im Fischmal wurde zwischen 98,20ümNN (Sommer) und 98,50müNN (Winter) variiert. Folgende Tabelle be- zeichnet die untersuchten Varianten. Tabelle 1-1: Simulationsvarianten mit einheitlich 6 m³/s Pumpleistung Seewasserspiegel Varianten Kanalzustand (Fischmal) 1a 98,50müNN (Winter) standard (kst = 30 m1/3/s) 1b 98,50müNN (Winter) stark verkrautet (kst = 20 m1/3/s) 2a 98,20müNN (Sommer) standard (kst = 30 m1/3/s) 2b 98,20müNN (Sommer) stark verkrautet (kst = 20 m1/3/s) Die Auswertung erfolgt als Längsschnitt in Kanalmitte vom Schöpfwerk bis in den See (Fischmal). Folgende Graphik zeigt die entsprechenden Wasserspiegel im Längsschnitt des Verbindungskanals. 98.6 Schöpfwerk Fischmal 98.5 98.4 98.3 98.2 98.1 98 Variante 1a WSP [mNN] WSP 97.9 Variante 1b 97.8 97.7 Variante 2a 97.6 Variante 2b 97.5 97.4 0 50 100 150 200 250 Abstand zu Schöpfwerk [m] Abbildung 1-1: Wasserspiegellängsschnitte Verbindungskanal Es zeigt sich, dass die angegebene Unterkante der Pumpeneinläufe (H = 97,16müNN) rech- nerisch in keiner untersuchten Variante unterschritten wird, so dass die Anlage in diesen stationären Zuständen gefahren werden kann. Lediglich bei Sommerpumpbetrieb mit der unwahrscheinlichen Annahme einer „starken Verkrautung“ entlang der gesamten Kanalstre- Seite 2 von 11 Schöpfwerk Leimersheim Fachtechnische Berechnungen cke ergibt sich eine verstärkte Absenkung des Wasserspiegels am Schöpfwerk bis auf 97,50müNN, womit ein Pumpenüberstau von 0,34 m verbleibt. 1.4 Modellierung des Planungszustandes Für die Planungszustände wird das Pumpwerk mit um ca. 30 m verkürzter Kanallänge um ca. 26°m nach Süden verschwenkt. Für den Anschluss von 4 Schneckenpumpen wird der Kanal verspundet und von einer Kanalbreite von ca. B = 10,0 m im unterstromigen Bereich auf ca. 17,0 m aufgeweitet, Zudem erfolgt ab der Kanalbrücke eine Kanalvertiefung um ca. 0,2 m sowie ein gestuftes Längsgefälle. Die Aufstandsfläche der Pumpen wird horizontal ausgebaut. Der weitere Zulauf der Schneckenpumpen in Richtung oberstrom erhält für den gewählten Ausbauzustand eine Sohlneigung von 5 %. Die weitere Neigung bis zur Radweg- brücke wird mit 0,5 % ausgebildet. Damit wird die Möglichkeit der Trockenlegung des Kanals im Revisionsfall gewährleistet. Die örtliche Lage des Kanals stand zu Beginn der hydrauli- schen Analysen fest. Die Modellierung erfolgt bis zum Grobrechen an den Pumpeneinläufen. Die Ausbildungen der Sohlneigungen bis zum Brückenquerschnitt und die Kanalvertiefung sind jedoch Gegenstand der vorliegenden Optimierung. Ziel ist hierbei die rechnerisch siche- re Abflussleistung von 14,0