Regenwassersteuerungen sind Strukturen, die Wasser auf seinem Weg zum Auslauf des Systems aufhalten, verzögern und versickern lassen sollen. Aufgrund ihrer spezifischen Beschaffenheit werden sie in der Engine anders dargestellt als Knotenpunkte/Schächte und Verbindungen.
Die Analyse von Regenwassersteuerung in InfoDrainage basiert auf den SWMM5-LID-Methoden (Low Impact Development), diese Methoden wurden jedoch um zusätzliche Funktionen erweitert (siehe Anmerkung am Ende dieser Seite).
Die SWMM5-LID-Methoden werden ausführlich in Kapitel 6 des EPA-Referenzhandbuchs, Band III: Wasserqualität beschrieben.
Eine Regenwassersteuerung kann aus mehreren miteinander verbundenen Layern mit unterschiedlichen Eigenschaften bestehen. Diese Skizze zeigt die Darstellung von Layern innerhalb der SWMM5-LID-Methoden:
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Die Oberflächenschicht wird in SWCs mit einem Wasserhaltungsbereich verwendet: Biorückhaltung, Becken und Drängraben. Sie wird auch zur Darstellung des Speichers im Tank und in der Kammer verwendet. Außerdem dient sie zur Speicherung von Überflutungen in SWCs ohne Wasserhaltungsbereich. Die Bodenschicht wird nur bei der Biorückhaltung verwendet. Die Speicherschicht wird bei der Biorückhaltung, dem trockenen Brunnen, dem Versickerungsgraben, der durchlässigen Befestigung und dem Drängraben mit Graben verwendet. |
Verbindungen können mit jeder Schicht in einer SWC verbunden werden. Dies gilt sowohl für eingehende Verbindungen entweder über einen Zulauf oder eine direkte Verbindung (unbeschränkter Zulauf) als auch für ausgehende Verbindungen entweder über einen Auslass oder eine direkte Verbindung (Auslass mit freiem Abfluss).
Die Schadstoffbeseitigung kann in jeder Schicht angegeben werden.
Schichten von Regenwassersteuerungen
Eine Regenwassersteuerung kann aus bis zu drei Schichten bestehen. Diese Schichten können je nach individuellem Zufluss, Abfluss und verfügbarer Kapazität Wasser austauschen.
Oberflächenschicht
Die Oberflächenschicht kann einfließendes Wasser aufnehmen, speichern, versickern und ablassen (Evapotranspiration ist derzeit nicht verfügbar).
Die Versickerung wird mit einer konstanten Sickergeschwindigkeit berechnet. Wenn die darunter liegende Schicht gesättigt ist, kann das Wasser nicht nach weiter versickern und sammelt sich weiter in der Oberflächenschicht an.
Für die Basis und die Seiten der Oberflächenschicht kann eine unterschiedliche Versickerungsrate angegeben werden (obwohl bei der Seitenversickerung Wasser aus dem System entfernt wird).
Die Form der Oberflächenschicht kann auf zwei Arten angepasst werden:
- Bei den SWCs Becken und Tank kann die Form der Oberflächenschicht in Form einer Tiefenbereichskurve angegeben werden.
- Bei der Biorückhaltung und dem Drängraben können die Seitenneigungen angegeben werden.
Bodenschicht
Die Bodenschicht kann einfließendes Wasser aufnehmen, speichern, versickern und ablassen (Evapotranspiration ist derzeit nicht verfügbar). Die Bodenschicht ist nur bei der SWC Biorückhaltung verfügbar.
Es wird davon ausgegangen, dass das Wasser innerhalb der Bodenschicht gleichmäßig (vertikal und horizontal) verteilt ist. Der Wassergehalt der Bodenschicht wird durch die folgenden drei Parameter beschränkt:
- Porosität: Maximaler Wassergehalt in der Schicht
- Feldkapazität: Wassergehalt, nachdem der Boden vollständig entwässert ist, d. h. wenn kein Wasser mehr versickern kann, weil das Matrixpotenzial des Bodenmediums die Schwerkraft überschreitet. Das restliche Wasser ist jedoch weiterhin für Pflanzen verfügbar und kann verdunsten.
- Welkpunkt: Wassergehalt, unterhalb dessen das Wasser nicht für Pflanzen verfügbar ist. Hier wird angenommen, dass der Welkpunkt der kleinstmögliche Wert des Wassergehalts ist.
Die Perkolationsrate durch die Bodenschicht wird mit der Darcy-Gleichung berechnet.
Um den Benutzer bei der Einstellung der Bodenparameterwerte zu unterstützen, sind eine Reihe vordefinierter Bodentypen verfügbar. Bei Bedarf können benutzerdefinierte Werte festgelegt werden.
| Bodentyp | Feldkapazität (%) | Welkpunktpunkt (%) |
| Sand | 6.2 | 2.4 |
| Lehm |
23.2 |
11.6 |
| Ton | 37.8 | 26.5 |
| Lehmsand | 10.5 | 4.7 |
| Sandiger Lehm | 19.0 | 8.5 |
| Tonlehm | 31.0 | 18.7 |
| Sandiger Ton | 32.1 | 22.1 |
| Schluffiger Ton | 37.1 | 25.1 |
Diese Werte stammen aus Abschnitt 5.5 des EPA-Referenzhandbuchs, Band I: Hydrologie.
Speicherschicht
Die Speicherschicht kann einfließendes Wasser aufnehmen, speichern, exfiltrieren und ablassen (Evapotranspiration ist derzeit nicht verfügbar).
Wasser sammelt sich an der Basis der Speicherschicht bis zur angegebenen Höhe an (anders als in der Bodenschicht). Das Material in der Speicherschicht kann nur anhand der Porosität beschrieben werden.
Die Speicherschicht kann Wasser durch die Basis der Schicht, durch die Seiten oder beides aus der SWC exfiltrieren. Die Exfiltration wird mit einer konstanten, aber jeweils für Basis und Seiten unterschiedlichen Sickergeschwindigkeit berechnet.
Ein Rohrdrän kann für Biorückhaltung, durchlässige Befestigung, Versickerungsgraben und Drängraben mit Graben angegeben werden. Der Rohrdrän wird durch den Durchmesser und die Höhe über der Basis, einen Reibungskoeffizienten sowie die Anzahl der Rohrleitungsabschnitte charakterisiert. Der Volumenstrom durch den Rohrdrän wird entweder mit der Manning-Gleichung oder der Colebrook-White-Gleichung berechnet, wobei die Energiehöhendifferenz zwischen dem Wasserstand in der Schicht und dem stromabwärts liegenden Ende des Rohrdräns den Volumenstrom bestimmt. Der Rohrdrän kann als Alternative zu den normalen Auslässen (siehe unten) verwendet werden, um Wasser aus der Speicherschicht zu entnehmen.
Überflutung
Wenn die Oberflächenschicht über ihre Nennkapazität hinaus gefüllt ist (weil der Zufluss den Abfluss über einen längeren Zeitraum übersteigt oder die darunter liegende Schicht eine Versickerung verhindert), wird von einem Überflutungszustand ausgegangen.
Hochwasser wird in einem Bereich gespeichert, der der oberen Fläche der Oberflächenschicht entspricht. Wenn der Scheitel der SWC unterhalb der Überschreitungshöhe liegt, wie es bei Tanks, Zellspeichern und Kammern möglich ist, wird dagegen der maximale Planbereich verwendet.
Das Hochwasservolumen kann in den SWC-Ergebnissen visualisiert werden. Ähnlich wie bei einem Schacht kann das Hochwasser später in die Oberflächenschicht zurückfließen, wenn die Kapazität wieder ausreicht.
Zuläufe und Auslässe
Alle Zuläufe und Auslässe, die für Knotenpunkte verwendet werden können, sind auch für Regenwassersteuerungen geeignet und funktionieren auf die gleiche Weise.
Ein Auslass ist abhängig von seiner Sohlenhöhe und den entsprechenden Basishöhen der SWC-Schichten mit einer bestimmten Schicht verbunden. Zuläufe werden mit der oberen Schicht verbunden, es sei denn, das Zulaufziel wird in eine Biorückhaltung oder einen Drängraben mit Graben geändert. Im Gegensatz zur SWMM5-Norm kann ein Zulauf oder Auslass mit einer beliebigen Schicht verbunden werden.
Anmerkung: Wenn bei einem Zufluss in eine unterirdische Schicht das Wasser nicht versickern kann, weil etwa die darunter liegende Schicht gesättigt ist oder die Exfiltrationsrate null beträgt, wird die Schicht allmählich gefüllt, sodass das Wasser schließlich in die darüber liegende Schicht fließen kann.
Bei einem Auslass wird die Energiehöhe, die den Volumenstrom verursacht, anhand des Wasserstands in der entsprechenden Schicht berechnet. Abgesehen von diesen Details funktionieren die Auslässe wie im Abschnitt Auslässe beschrieben.
Fließzeit und seitlicher Zufluss
Die von Wasser benötigte Zeit, um vertikal von einer Schicht in die nächste zu fließen oder zu exfiltrieren, wird durch die Zeitschrittberechnungen der Fließbewegungen zwischen den Schichten und die regelmäßige Aktualisierung des Wassergehalts in jeder Schicht erfasst. Wie oben erwähnt, wird die Perkolationsrate durch die Bodenschicht mit der Darcy-Gleichung berechnet. Andererseits erreicht das in die Speicherschicht gelangende Wasser sofort den Boden der Schicht.
Diese Darstellung der vertikalen Bewegung wird als angemessen erachtet, die horizontale Bewegung von Wasser wird jedoch bei den SWMM5-LID-Methoden ignoriert. Es wird davon ausgegangen, dass sich die in eine Schicht gelangende Wassermenge sofort gleichmäßig innerhalb der Schicht verteilt. Dies ist für die Oberflächenschicht eines Beckens oder eine Speicherschicht mit großer Porosität geeignet. Dabei wird jedoch nicht die von Wasser benötigte Zeit erfasst, um einen langen Drängraben mit dichter Vegetation oder eine Speicherschicht mit geringer Porosität zu durchfließen.
Um dieses Problem zu lösen, wird eine Regenwassersteuerung mit horizontaler Rückhaltung in eine Reihe untergeordneter LID-Einheiten unterteilt, die zur Erfassung der Fließzeit miteinander verbunden sind. In der Oberflächenschicht wird das Wasser wie bei einer normalen Verbindung horizontal geleitet, wobei die Fließzeit primär durch die Manning- oder Colebrook-White-Rauigkeit beeinflusst wird. Andererseits wird bei der Boden- und Speicherschicht der horizontale Verlauf mit der Darcy-Gleichung berechnet, wobei die Fließzeit primär durch die Leitfähigkeit beeinflusst wird.
Eine SWC wird abhängig von ihrer Länge in 2 bis 5 untergeordnete LID-Objekte unterteilt.
Die Software meldet das gemittelte Ergebnis für alle untergeordneten LID-Objekte. Dadurch kann die Interpretation der Ergebnisse bei einer niedrigen Leitfähigkeit oder einer hohen Rauigkeit in langen Systemen komplexer sein. Die Zuläufe sind mit dem ersten untergeordneten LID-Objekt verbunden (außer bei aktiviertem seitlichen Zufluss) und die Auslässe mit dem letzten untergeordneten LID-Objekt. In einem einfachen Szenario, in dem Wasser am Zulauf einfließt, muss das Wasser zum letzten untergeordneten LID-Objekt gelangt sein, bevor es die SWC verlassen kann. Aufgrund der Mittelwertbildung über die untergeordneten LID-Objekte kann die Wassertiefe für die berücksichtigte Schicht im letzten untergeordneten LID-Objekt null betragen (d. h. kein Abfluss), während die durchschnittliche Tiefe in der SWC signifikant ist.
Bei Regenwassersteuerungen mit seitlichem Zufluss wird der Zufluss gleichmäßig auf die untergeordneten LID-Objekte verteilt, sodass er entlang der gesamten Länge der SWC verteilt wird.
Schadstoffe
Die Schadstoffkonzentrationen werden in jeder Schicht bei jedem Berechnungszeitschritt berechnet, obwohl in den SWC-Ergebnissen derzeit nur die über alle Schichten gemittelte Konzentration angezeigt wird. Die Konzentrationen in einer bestimmten Schicht werden auf ähnliche Weise wie bei einem Speicherknoten berechnet, wobei die Konzentration im aktuell gespeicherten Volumen, die eingehende Belastung (externer Zufluss oder Zufluss aus einer anderen Schicht), die durch Auslässe, Rohrdräne und Exfiltration beseitigte Belastung sowie die Verdunstung berücksichtigt werden.
Die Schadstoffbeseitigung kann in jeder Schicht angegeben werden, nicht nur in der Speicherschicht wie bei der SWMM5-Norm. Die Methode und die Rate der Beseitigung können für jeden Schadstoff in jeder Schicht separat angegeben werden.
Bei der Methode Prozentsatz Entfernung wird bei jedem Berechnungszeitschritt ein festgelegter Anteil der eingehenden Belastung entfernt.
Bei der Methode Abbau erster Ordnung wird bei jedem Berechnungszeitschritt eine berechnete Menge aus der Schadstoffmasse in der Schicht entfernt. Die Masse des entfernten Schadstoffs wird mit einer exponentiellen Gleichung berechnet, siehe hier.
Informationen:
Liste der Funktionen, die über die Funktionen der LID-Objekte nach SWMM5 hinaus erweitert wurden:
- Zufluss in eine beliebige Schicht
- Verbindung von Auslässen mit einer beliebigen Schicht
- Zuweisung einer Tiefenbereichs- und einer Tiefenumfangskurve zur Oberflächenschicht zur Darstellung einer komplexen Form
- Seitliche Versickerung
- Drängraben mit Graben
- Fließzeit und seitlicher Zufluss
- Anfangstiefe in der Oberflächenschicht
- Berechnung der Schadstoffkonzentrationen in jeder Schicht
- Die Schadstoffbeseitigung kann in jeder Schicht angegeben werden.
Damit die SWCs als Teil des hydraulischen Netzes analysiert werden können, werden die benutzerdefinierten hydraulischen LID-Methoden als Teil der hydraulischen Analyse (mit den Knotenpunkten und Verbindungen) auf einer sehr viel genaueren Zeitskala als die Einzugsgebiet-LID-Methoden (als Teil der hydrologischen Analyse) ausgeführt.