Simulationsprogramme zur städtischen Entwässerung werden manchmal auch als Zeit-Flächen-Methoden bezeichnet. Diese Methoden basieren darauf, dass Niederschläge auf größtenteils befestigte Einzugsgebiete fallen und der generierte Abfluss durch das Kanalnetz geleitet wird. Die verwendeten Gleichungen für städtische Abflüsse beruhen auf dem Wallingford-Verfahren (es können auch andere Werte verwendet werden). Die Methoden konzentrierten sich traditionell auf schnelle Abflüsse. Diese Abflüsse sind für erschlossene Standorte wichtig, da sie am meisten zu Spitzenvolumenströmen beitragen. Das Wallingford-Verfahren war nicht für den Einsatz an Standorten vorgesehen, die zu weniger als 20 % befestigt sind.
Der Abfluss an nicht erschlossenen oder ländlichen Standorten ist langsamer. Die Methode, die traditionell zum Entwickeln von Abfluss-Ganglinien an diesen Standorten verwendet wird, ist die Einheiten-Ganglinien-Methode. Auch sie benötigt Niederschlag und eine Abflussbeziehung, um Volumenströme zu generieren, und wird aus diesem Grund als Niederschlags-Abfluss-Methode bezeichnet. Es gibt Ähnlichkeiten mit den städtischen Zeit-Flächen-Methoden, und es ist möglich, die Variablen des Wallingford-Verfahrens so einzustellen, dass ähnliche Ergebnisse erzielt werden. Dies hängt jedoch stark von der Erfahrung von Ingenieuren ab. Da jedoch die Einheiten-Ganglinien-Methode zur Verfügung steht und umfangreiche Forschung zu ihrer Anwendung an ländlichen Standorten betrieben wurde, hat Innovyze sie implementiert, um Ingenieuren eine geeignetere Methode für nicht erschlossene Einzugsgebiete (oder Teile eines Einzugsgebiets, die weitgehend unerschlossen sind) bereitzustellen.
Unabhängig davon, ob es sich um ein städtisches oder ein ländliches Einzugsgebiet handelt, ist die Reaktionszeit des Standorts sehr wichtig. Je schneller der Abfluss einen Punkt erreicht, desto höher ist der Spitzenvolumenstrom. Bei der städtischen Entwässerung werden diese Reaktionszeiten als Konzentrationszeit oder Zeit-/Flächenwerte ausgedrückt. In der Terminologie von Einheiten-Ganglinien werden Variablen wie Zeit bis Spitze und Verzögerungszeit verwendet, um die Reaktionszeiten von Einzugsgebieten zu definieren. Noch wichtiger ist, dass die Einheiten-Ganglinien-Methode kalibrierte Gleichungen zum Bestimmen der Reaktionszeiten von nicht erschlossenen Einzugsgebieten umfasst. Diese können anhand von Einzugsgebietsmerkmalen prognostiziert werden, oder, falls Messdaten vorliegen, sind die Methoden zum Bestimmen der Verzögerung detailliert im FEH-Handbuch beschrieben.
Die andere Variable, die bei allen Entwässerungsberechnungen unerlässlich ist, ist der prozentuale Abfluss. Bei städtischen Entwässerungsmethoden konzentriert sich das Modell des prozentualen Abflusses auf die prozentual befestigte Fläche, da dies von entscheidender Bedeutung ist. Ländliche Modelle achten jedoch stärker auf die Bodeneigenschaften, und die FSR- und FEH-Einheiten-Ganglinien-Methoden weisen geeignetere Gleichungen für weitgehend unbefestigte Einzugsgebiete auf. Ingenieure für die städtische Entwässerung mögen vom prognostizierten Abflussgrad der FSR- und FEH-Einheiten-Ganglinien-Modellen überrascht sein, allerdings müssen sie bedenken, dass der Abfluss in der Regel über einen viel längeren Zeitraum erfolgt, d. h. ländliche Standorte haben eine viel längere Reaktionszeit.
Die Einheiten-Ganglinien-Methode lässt sich auf teilweise urbanisierte Einzugsgebiete anwenden, und hier kann es eine Überschneidung mit dem städtischen Simulationsansatz geben. In diesen Fällen ist es jedoch eine Ermessensfrage, welche Methode die beste ist, und es gibt keine feste Regel.
Im FEH wird empfohlen, die Einheiten-Ganglinien-Methode nicht zu verwenden, wenn die Variable URBEXT größer als 0.5 ist (Band 4, Kapitel 9.3). Dies ist wenig hilfreich, da es impliziert, dass der Standort sehr gut erschlossen ist und der übliche Ansatz für die städtische Entwässerung verfolgt werden sollte. Wenn der Standort größtenteils kanalisiert ist und Versickerungs- sowie Speicherstrukturen umfasst, ist der normale städtische Simulationsansatz wahrscheinlich genauer.
Verfahren zum Prognostizieren von Spitzenvolumenströmen mithilfe von statistischen Methoden unterscheiden sich in mehrfacher Hinsicht von der Einheiten-Ganglinien-Methode. Zunächst handelt es sich nicht um Niederschlags-Abfluss-Methoden, da sie nicht direkt mit Niederschlagsereignissen zusammenhängen. Sie werden aus der statistischen Analyse von Volumenströmen aus Einzugsgebieten abgeleitet. Natürlich wurden die Volumenströme aus Niederschlagsereignissen generiert, doch die Analyse basiert auf den resultierenden Volumenströmen. Zudem erzeugen sie ausschließlich Spitzenvolumenströme, die sich nicht für Simulationen oder Volumenberechnungen verwenden lassen. Diese Spitzen sollten sich jedoch auf den von der Einheiten-Ganglinie generierten Spitzenvolumenstrom beziehen. Aus diesem Grund können sie zur Kalibrierung der Einheiten-Ganglinie genutzt werden.
Die Probleme im Hinblick auf die Bestimmung von Abflüssen im ländlichen Raum ähneln denen für Abflüsse in städtischen Gebieten. Die beiden Hauptvariablen sind der Abflussfaktor und die Zeit bis zur Spitze. Es liegt auf der Hand, dass je größer der Abflussfaktor (im Zusammenhang mit Verstädterung und Boden) ist, desto größer ist der Abfluss. Je kürzer die Zeit bis zur Spitze ist, desto größer ist der Volumenstrom, und dies wird auch durch die Verstädterung beeinflusst. Wenn ein Standort eine verbesserte Entwässerung oder höhere Verstädterung aufweist, verkürzt sich die Zeit bis zur Spitze, und der Spitzenvolumenstrom nimmt ebenfalls zu. Dies ergibt sich möglicherweise nicht aus der Anwendung der allgemeinen Formeln, und die Zeit bis zur Spitze (Tp) muss möglicherweise geändert werden. Wenn gemessene Daten zur Verfügung stehen, kann die Verzögerungszeit gemessen werden, und diese Informationen sollten anstelle der allgemeinen Formel für die Zeit bis zur Spitze (Tp) verwendet werden.
Die ReFH2-Methode ist der neueste Ansatz und lässt sich anwenden, wenn der Standort im FEH-Webdienst identifiziert werden kann und die ReFH2-Software auf demselben Computer wie InfoDrainage installiert ist. Das SuDS-Handbuch von CIRIA (Kapitel 24, C753, 2015) empfiehlt die Verwendung dieses Verfahrens als bevorzugte Einheiten-Ganglinien-Methode, enthält jedoch auch Anleitungen zur Eignung anderer Methoden.
InfoDrainage ruft die ReFH2-Software auf, um ein entsprechendes Ergebnis zu generieren und auszugeben. Hinweise zur ReFH2-Berechnungsmethode finden Sie im ReFH Technical Report unter http://files.hydrosolutions.co.uk/refh2/ReFH2_Technical_Report.pdf.
Die dreieckige unmittelbare Einheiten-Ganglinie der FSR- und FEH-Methoden wurde durch ein geknicktes Dreieck ersetzt. Die Gleichung für die Zeit bis zur Spitze (Tp) wurde geändert, und ein variabler Basisvolumenstrom wurde eingeführt. Die Abflussgleichung wurde ebenfalls geändert und basiert auf einem Verlustmodell, das aus dem von Moore entwickelten Probability Distributed Model (PDM) abgeleitet wurde.
Beachten Sie, dass die ReFH2-Methode nun anstelle von ReFH eingesetzt werden sollte. Das Verfahren wurde jedoch in der Software belassen, um die Analyse historischer Ergebnisse zu ermöglichen.
Für eine umfassende Erörterung der Unterschiede zwischen FSR und FEH wird auf das Flood Estimation Handbook (Band 4) verwiesen.
Die FEH-Methode ist eng an die FSR-Methode angelehnt. Der größte Unterschied besteht darin, dass das FEH-Niederschlagsmodell unter Umständen zu deutlich anderen Ergebnissen als die FSR-Niederschlagsgenerierung führt. Wie jedoch später erläutert wird, kann die FSR-Methode in der Software für jeden Niederschlag verwendet werden, einschließlich Niederschlagsdateien, die mithilfe des FEH-Niederschlagsmodells generiert wurden.
Der in der Software implementierte FSR-Ansatz ist derjenige, der im Rahmen des IH 124-Dokuments für kleine Einzugsgebiete (weniger als 25 km²) geändert wurde. Er hat den Vorteil, dass die meisten Variablen leicht verständlich und verfügbar sind. Falls der Einheiten-Ganglinien-Ansatz neu für Sie ist, kann es hilfreich sein, die FSR-Methode zu studieren und die vergleichbaren Variablen in den FEH- und ReFH-Methoden zu identifizieren.
Die ReFH2-, ReFH- und FEH-Ansätze stützen sich auf die digital abgeleiteten Daten, die auf der FEH-CD verfügbar sind. Es kann schwierig sein, Daten für ein kleines Einzugsgebiet von der CD zu erhalten, und es ist wichtig, die Daten anhand einer lokalen Standortvermessung zu prüfen. Wenn die Begrenzung eines Flusseinzugsgebiets nur wenige Meter entfernt wäre, würde dies für ein 300 km² großes Einzugsgebiet kaum einen Unterschied ausmachen, für ein 50 ha großes Einzugsgebiet an dieser Begrenzung wäre es jedoch von großer Bedeutung.
Die ReFH2- und ReFH-Methoden lassen sich anwenden, wenn der Standort auf der FEH-CD oder im FEH-Webdienst identifiziert werden kann. Kleine Einzugsgebiete bereiten möglicherweise jedoch besondere Schwierigkeiten, und die Auswahl der Variablen kann wichtiger sein als die Wahl der Methoden. Die ReFH2-Methode geht mithilfe von Plotmaßstab-Gleichungen speziell auf das Skalierungsproblem ein. Sie werden in der durch InfoDrainage ausgelösten ReFH2-Analyse bei der Betrachtung kleinerer Flächen verwendet.
Lokale Informationen zu vorhandenen Wasserläufen und Dükerkapazitäten sowie zur Häufigkeit von Überschreitungen sollten eingeholt werden, um das Modell zu überprüfen. Sämtliche Messdaten, die am Standort oder an angrenzenden Standorten verfügbar sind, sollten erfasst werden. Weitere Informationen zur Leistungsfähigkeit der Niederschlags-Abfluss-Methode finden Sie in FEH, Band 4, Kapitel 7 und im R&D Technical Report FD1913/TR.
Die Wiederkehrperiode eines Überflutungsereignisses hängt von einer Reihe von Faktoren ab. Wird ein Überflutungsereignis durch eine Kombination aus gesättigtem oder schneebedecktem Boden mit einem meist hohen Wasserstand im Vorfluter und mäßigen Niederschlägen verursacht, dann ist die Wiederkehrperiode des Ereignisses deutlich größer als die Wiederkehrperiode der Niederschläge allein.
Die hydrologischen Niederschlags-Abfluss-Modelle in FSR und FEH verwenden in der Regel einen Niederschlag mit einer Wiederkehrperiode von 81 Jahren in Kombination mit anderen Faktoren, um einen 50-jährigen Volumenstrom für ländliche Einzugsgebiete zu erzeugen. Der Zusammenhang zwischen der Wiederkehrperiode von Niederschlägen und Spitzenvolumenströmen wird in der folgenden Tabelle erläutert:
| Wiederkehrperiode von Spitzenvolumenströmen (Jahre) | 2.33 | 10 | 30 | 50 | 100 | 1000 |
| Wiederkehrperiode von Niederschlägen (Jahre) | 2 | 17 | 50 | 81 | 140 | 1000 |
(Basierend auf FEH-Tabelle 4.3.1, Kapitel 4, Seite 44).
Modelle für die städtische Entwässerung wie das Wallingford-Verfahren gehen jedoch davon aus, dass die Wiederkehrperioden von Volumenströmen und Niederschlägen gleich sind.
Der CIRIA-Bericht zum Entwurf von Hochwasserspeicher-Reservoiren (Buch 14, CIRIA, Seite 41, 1996) enthält dieselbe Annahme in seinem Entwurfsbeispiel, das eine aktualisierte FSR-Methode für ein teilweise urbanisiertes Einzugsgebiet verwendet.
Weitere Arbeiten zu teilweise urbanisierten Einzugsgebieten wurden in FSSR 5 berichtet, die darauf hindeuteten, dass diese Einzugsgebiete im Hinblick auf die Reaktion weniger variabel waren und die Wiederkehrperioden von Niederschlägen und Hochwasser als gleichwertig angesehen werden können. Für Einzugsgebiete mit mehr als 25 % Verstädterung (URBAN > 0.25 oder URBEXT > 0.125) empfiehlt FEH daher, die Wiederkehrperioden von Niederschlägen und Entwurfshochwasser auf denselben Wert einzustellen und ein angemessenes Sommer-Niederschlagsprofil zu verwenden. Für ländliche Einzugsgebiete mit geringerer Verstädterung sollte FEH-Tabelle 4.3.1 zusammen mit dem Winter-Niederschlagsprofil angewendet werden. Falls URBEXT > 0.5, ist das Einzugsgebiet wahrscheinlich kanalisiert, und es sollte als Modell für die städtische Entwässerung modelliert werden.
Wenn das Modell automatisch eine Wiederkehrperioden-Analyse für einen Standort erstellt (kann Elemente von FEH- und Wallingford-Verfahren im Rahmen der Abflussanalyse enthalten), wird aus Konsistenzgründen im gesamten Modell derselbe Niederschlag verwendet. Entsprechend der FEH-Annahme für teilweise urbanisierte Einzugsgebiete wird davon ausgegangen, dass die Wiederkehrperioden von Niederschlägen und Abflüssen identisch sind. Ländliche Ganglinien können separat generiert und zum Modell hinzugefügt werden, wenn die oben genannten Annahmen für einen bestimmten Standort nicht gelten. Zudem lässt sich ein anderer Flächenreduktionsfaktor für die städtischen und Einheiten-Ganglinien-Methoden (FSR-/FEH-Eingabe) angeben. Auf diese Weise kann ein Niederschlag mit einer Wiederkehrperiode von 81 Jahren ausgeführt und unter Verwendung des Flächenreduktionsfaktors für das Netz an eine entsprechende 50-jährige Wiederkehrperiode angepasst werden. Diese Konstellation würde es effektiv ermöglichen, verschiedene Wiederkehrperioden zusammen auszuführen.
In den FEH- und FSR-Methoden gibt es keine 1:1-Korrelation zwischen Wiederkehrperioden von Niederschlägen und Abflüssen. In ländlichen Gebieten (URBEXT < 0.125) wird beispielsweise ein Niederschlag mit einer Wiederkehrperiode von 140 Jahren benötigt, um einen 100-jährigen Abfluss zu erzeugen. Dies stellt eine Schwierigkeit dar, wenn das Wallingford-Verfahren mit diesen Einheiten-Ganglinien-Methoden kombiniert wird. Dieses Problem wird in ReFH behoben, da sowohl das Wallingford-Verfahren als auch ReFH denselben Abfluss mit Wiederkehrperioden erzeugen wie das Niederschlagsereignis, das zum Generieren von Volumenströmen verwendet wird.
Die FEH-Methode zum Generieren statistischer Niederschläge kann zu deutlich anderen Ergebnissen führen. Wenn also FEH-Niederschlagsdaten für das städtische Element verwendet werden, wird die FEH-Methode auch für die Erstellung von Einheiten-Ganglinien eingesetzt. Falls FSR-Niederschlag angegeben wird, wird die entsprechende Methode für den gesamten Abfluss angewendet. Wenn Niederschlags-Hyetografen angegeben sind, können beide Methoden zum Generieren der Einheiten-Ganglinie verwendet werden, da der Hyetograf anstelle des statistischen Niederschlags sowohl für die städtische als auch für die ländliche Abflusserstellung genutzt wird.
Die ReFH-Methode modifiziert den FEH DDF-Bemessungsniederschlag durch einen saisonalen Korrekturfaktor für Sommer und Winter.