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This paper deals with an experimental investigation of the mean and turbulence characteristics of supercritical quasi-uniform and gradually varied open-channel flows over a transitional rough bed. These conditions are typical for sediment bypass tunnels. The results show that the log-law holds well in the inner region across the channel. The roughness shifts the velocity profiles downward by an amount of ΔU+. The velocity-dip phenomenon and strong secondary currents exist in the channel for narrow open-channel flow. These currents cause the Reynolds shear stress distributions to deviate from the linear distribution and an undulation on the transversal distribution of the bed shear stress, which matches with the bed abrasion pattern. The streamwise turbulence intensity profiles deviate from the semi-empirical universal function whereas the vertical turbulence intensity profiles fit well with it only at the centerline of the channel. A strong wall effect exists on the turbulence intensities in the outer region.
Without adequate measures, reservoirs are not sustainable, neither the
reservoir itself due to continuous sedimentation, nor the downstream ecosystem due to altered sediment continuity. Appropriate actions are inevitable and require a systematic sedimentation management. Sediment bypassing constitutes one effective strategy that routes sediment load around reservoirs during floods. A sediment bypass system has the advantage that only newly entrained sediment is diverted from the upstream to the downstream reach thereby re-establishing sediment connectivity. Hence, such a system contributes to a sustainable water resources management while taking the downstream environment into consideration. This paper gives a state-of-the-art overview
encompassing design, bypass efficiency, hydraulics, challenges due to abrasion, positive effects on both downstream morphology and ecology, and makes design recommendations.
Entlandung des Stausees Solis mit Hilfe eines Geschiebeumleitstollens – hydraulische Modellversuche
(2009)
Das Reservoir der Talsperre Solis in Graubünden wurde 1986 vom Elektrizitätswerk der Stadt Zürich (ewz) in Betrieb genommen. Bei Hochwasserereignissen werden grosse Sedimentmengen in den Stausee transportiert. Über 25 % des ursprünglichen Reservoirvolumens sind bereits verlandet. Aus diesem Grund plant ewz den Bau eines Geschiebeumleitstollens, der das bei Hochwasser ankommende Sediment um die Talsperre herum in Richtung Unterwasser leitet. Die Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) der ETH Zürich untersucht und optimiert in einem hydraulischen Modell den projektierten Umleitstollen. Bei Hochwasser wird der Stausee auf den minimalen Betriebswasserspiegel abgesenkt, der Verlandungskörper liegt grösstenteils frei, das Sediment erodiert. Mit Hilfe einer Leitkonstruktion wird die Strömung in Richtung Einlaufbauwerk des Stollens gelenkt und der Abfluss sowie das Geschiebe durch diesen geleitet. Bei Abflüssen, die die Ausbaukapazität des Stollens (HQ5) überschreiten, wird die überschüssige Strömung in den vorderen Bereich des Sees in Richtung Grundablass abgeführt. Das Geschiebe wird dennoch nahezu vollständig in den Stollen eingeleitet. Bei Hochwasser mit Schwemmholzaufkommen wird mit Hilfe einer Tauchwand sowie einer Teilablleitung des Hochwasserabflusses in den vorderen Seebereich verhindert, dass Schwemmholz in den Umleitstollen
eingezogen wird.
Supercritical sediment-laden open channel flows occur in many hydraulic structures including dam outlets, weirs, and bypass tunnels. Due to high flow velocities and sediment flux severe problems such as erosion and abrasion damages are expected in these structures (Jacobs et al., 2001). Sediment bypass tunnels (SBT), as an effective measure to decrease reservoir sedimentation by bypassing sediments during floods, are exceptionally prone to high abrasion causing significant annual maintenance cost (Sumi et al., 2004; Auel and Boes, 2011). The Laboratory of Hydraulics, Hydrology and Glaciology (VAW) of ETH Zurich conducted a laboratory study to counteract these negative effects (Auel, 2014). The main goals of the project were to analyze the fundamental physical processes in supercritical flows as present in SBTs by investigating the mean and turbulence flow characteristics (Auel et al., 2014a), particle motion (Auel et al., 2014b; 2015b), and abrasion development caused by transported sediment. Besides new insights into the three listed topics, paramount interest is given to their inter-relations and the development of an easily applicable abrasion prediction model (Auel et al., 2015a). This paper presents selected results on the second topic, i.e. the analysis of saltation trajectories of single coarse particles in supercritical flow.
Single glass sphere motion recordings were conducted in a transitional-rough bed open channel at steady and highly supercritical flow similar to hydraulic conditions in sediment bypass tunnels. A high speed camera with a maximum resolution of 2,560 × 2,160 pixels was used to record the movement of bedload particles with diameters of D = 5.3, 10.3 and 17.5 mm. An in-house developed Particle Tracking Velocimetry (PTV) program was used to determine the transport mode and velocities of each particle for a wide range of Froude numbers up to Fo = 6. The relative roughness defined as the ratio of the bed roughness height ks to the water depth h varied from ks/h = 0.02–0.03. Particles were observed to move in rolling and saltation modes depending on the Shields number. The particle velocity shows a linearly increasing relationship with both friction velocity and Froude number nearly independent on the particle diameter. A linear relationship was also found between rolling and saltating particle velocities indicating that particle velocity does not depend on the transport mode in the range of the investigated hydraulic conditions. Scaling of particle velocity with the wave celerity plotted as a function of the Froude number adequately merged external data sets with the present data. As a consequence, a linear fit for a large Froude number range was obtained.
Hydroabrasion tritt im alpinen Raum hauptsächlich bei Wasserbauwerken auf, die durch hohe Fließgeschwindigkeiten und große Sedimentfrachten belastet werden. Dies sind beispielswei-se Wehrschwellen in Flüssen, Wasserfassungen von Wasserkraftwerken und vor allem Sedi-mentumleitstollen. Letztere dienen dazu sedimentreiche Hochwasserspitzen um die Talsperre herum in den Unterlauf des Flusses zu leiten. Sie verhindern so eine fortschreitende Verlan-dung des Stauraums.
Es gibt verschiedene Konzepte, dem Problem der Hydroabrasion entgegen zu wirken. Einer-seits kann der Umleitstollen hydraulisch optimiert werden, um die Einwirkung auf die Sohle zu minimieren. Auf der anderen Seite kann deren Widerstand verbessert werden. An der Ver-suchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) der ETH Zürich werden zur Zeit zwei Forschungsarbeiten durchgeführt, die sich jeweils diesen Aspekten widmen. Dieser Beitrag befasst sich mit der hydraulischen Optimierung von Sedimentumleitstollen mit Hilfe von großskaligen Laborversuchen.
In insgesamt drei Versuchsreihen werden die Mittelwert- und Turbulenz-Fließcharakteristik von schießendem Abfluss in einer Versuchsrinne mittels eines Laser-Doppler Anemometrie-Systems (LDA) aufgenommen, die Fortbewegungsart des Sediments mittels eines High-Speed Kamera-Systems analysiert sowie die Abrasion der Stollensohle untersucht. In Abhängigkeit des Sohlgefälles, des Durchflusses, der Größe und Menge der Sedimentfracht erfolgt die Fortbewegung des Sedimentkorns hüpfend, rollend oder gleitend und verursacht unterschied-liche Abrasionserscheinungen in der Stollensohle. Die Ergebnisse der LDA Experimente zei-gen, dass, abhängig vom Verhältnis Gerinnebreite zur Abflusstiefe, Sekundärströmungen auf-treten. Diese Sekundärströmungen beeinflussen im untersuchten Froude-Zahlenbereich 2, 4 und 8 das longitudinale Strömungsprofil sowie die Verteilung der Sohlen- bzw. Reynolds-Schubspannungen und der Turbulenzintensität und somit letztlich die Fortbewegungsart des Sedimentkorns in der Wassersäule.
Mittels der drei Versuchsreihen sollen bestmögliche hydraulische Bedingungen für Sedimen-tumleitstollen gefunden werden, um die Hydroabrasion und somit die Unterhaltskosten signi-fikant zu minimieren.
The derivation of an abrasion prediction model for concrete hydraulic structures valid in supercritical flows is presented herein. The state of the art saltation-abrasion model from Sklar and Dietrich (2004) is modified using the findings of a recent research pro-ject on the design and layout of sediment bypass tunnels. The model correlates the im-pacting parameters with the invert material properties by an abrasion coefficient kv. The value of this coefficient is verified by a similarity analysis to bedrock abrasion in river systems applying a correlation between the abrasion rate and the bed material strength. A sensitivity analysis reveals that the saltation-abrasion model is highly dependent on an adequate estimation of kv. However, as a first order estimate the proposed model en-ables the practical engineer to estimate abrasion at hydraulic structures prone to super-critical flows.
The Solis reservoir is located in the Alps in Grisons, Switzerland and is operated by the electric power company of Zurich (ewz). Since its construction in 1986, high sediment input during flood events has led to major aggradations in the reservoir. Up to date, nearly half of the original reservoir volume has been filled with sediments from upstream mountain torrents. The deltaic deposition starts extending into the active water volume. Therefore, ewz plans a sediment bypass tunnel to flush the incoming bedload around the dam to the downstream reach. In a first step the reservoir level during flood events is lowered to the minimum operation level. The delta is subjected to free surface flow and the bedload is transported over the delta and deposited further downstream. This sediment relocation decreases the delta volume within the active storage. During further flood events, the incoming sediment is led to the bypass tunnel intake using a guiding structure and flushed through the tunnel. If the flood exceeds the capacity of the bypass tunnel, the surplus flow passes the tunnel intake towards the bottom outlets with the bedload still being flushed through the tunnel. A skimming wall located upstream from the tunnel intake prevents driftwood blocking by leading it to the reservoir front where it can be safely removed. Both the sediment relocation due to water level drawdown and the flushing through the bypass tunnel are investigated and optimized in a hydraulic model at the Laboratory of Hydraulics, Hydrology and Glaciology (VAW) of ETH Zurich. Additionally, the sediment relocation process in the model is compared with a relocation test in the prototype.
Reservoir sedimentation is an increasing problem affecting the majority of reservoirs both in Switzerland and worldwide. As many dams are more than 50 years of age, this problem is becoming more and more serious nowadays. Res-ervoir sedimentation leads to various severe problems such as a decisive de-crease of the active reservoir volume leading to both loss of energy production and water available for water supply and irrigation. These problems will intensify in the near future, because sediment supply tends to increase due to climate change. Therefore, countermeasures have to be developed. They can be divided into the three main categories sediment yield reduction, sediment routing and sediment removal. This paper focuses on the sediment routing using sediment bypass tunnels. Sediment bypass tunnels are an effective means to decrease the reservoir sedimentation process. By routing the sediments around the reservoir into the tailwater, sediment accumulation is reduced significantly. However, the number of sediment bypass tunnels in the world is limited primarily due to high investment and maintenance costs. The main problem of all bypass tunnels is the invert abrasion due to high velocities in combination with high sediment transport. Three Swiss bypass tunnel examples suffering invert abrasion are presented in this paper. Furthermore, VAW started a research project to investigate the invert abrasion process by conducting hydraulic scale tests in the laboratory. The goal of this research project is to establish general design criteria for optimal flow con-ditions where both sediment depositions in the tunnel are avoided and the result-ing abrasion damages are kept at a minimum.
Reservoir sedimentation, a serious problem affecting the majority of reservoirs worldwide, was not systematically accounted for in the past. After 50 years of operation, a constantly decreasing reservoir volume becomes currently a serious challenge for reservoir owners, against which countermeasures have to be developed. This research focuses on sediment routing using a bypass tunnel to convey sediments past a dam.
By transporting sediments into the tailwater past a dam, their accumulation in the reservoir is reduced significantly. However, the global number of sediment bypass tunnels is limited primarily due to high investment and maintenance cost. The main problem of all bypass tunnels is the massive invert abrasion due to high flow velocities combined with high sediment transport rates. Therefore, VAW started two research projects to counter this problem. The main goal of the first project Layout and design of sediment bypass tunnels is to investigate the invert abrasion process by conducting hydraulic laboratory tests and to establish general design criteria for optimal flow conditions in which both sediment depositions in the tunnel are avoided and the resulting abrasion damages are kept at a minimum. The second project Optimizing hydroabrasive-resistant materials at sediment bypass tunnels and hydraulic structures investigates the hydraulic resistance of different tunnel invert materials, such as high performance concrete or cast basalt plates in prototype tests at the Solis bypass tunnel. The sediment transport measurement technique used in this project was optimized during preliminary model tests.
Reservoir sedimentation is increasingly affecting the majority of reservoirs all over the world. As many dams are more than 50 years of age, this problem is becoming more and more seriou403s nowadays. Reservoir sedimentation leads to various severe problems such as a decisive decrease of the active reservoir volume leading to both loss of energy production and water available for water supply and irrigation. These problems will intensify in the very next future, because sediment supply tends to increase due to climate change. Therefore coun-termeasures have to be developed. They can be divided into the three main categories sediment yield reduction, sediment routing and sediment removal. This paper focuses on sediment routing by means of sediment bypass tunnels. Sediment bypass tunnels are an effective measure to stop or at least decrease the reservoir sedimentation process. By routing the sediments around the reservoir into the tailwater in case of flood events sediment accumulation of both bed load and suspended load is reduced significantly. However, the number of sediment bypass tunnels in the world is limited primarily due to high investment and above all maintenance costs. The state-of-the-art design criteria of constructing bypass tunnels are summarized herein; major problems such as tunnel invert abrasion are discussed. The need for further research regarding sediment transport in bypass tunnels and invert abrasion is highlighted.
The Gaulwerk hydropower plant (HPP) has a design discharge of 3.5 m3/s and generates about 6.5 GWh per year. The HPP has been in operation since 1963 and uses the flow of two alpine streams. The HPP impounds a 300 m long reservoir with a 6.50 m high weir. The storage is completely filled with sediments and is classified as a valuable habitat for fauna and flora. Due to the sedimentation, the area upstream of the reservoir head inundates about two to three times per year during small flood events, leading to complaints from affected landowners and adjacent municipalities. To investigate sustainable solutions, a study of alternatives has been carried out in which three alternatives to im-prove both the sediment and flood situation are being investigated. In addition, the residual flow release will be adjusted and fish facilities realized in all alternatives. The paper will summarize the analysis of the alternatives encompassing the (1)
flood situation, (2) sediment management, (3) reha-bilitation measures of the hydraulic structures and their costs and (4) the environmental impact.
In order to prevent reservoir sedimentation, sediment bypass tunnels can be an efficient countermeasure restoring sediment continuity of impounded rivers. Although supercritical open channel flow conditions in these tunnelsprevent tun-nel blockage, in combination with the high bypassed sediment volume it may lead tosevere abrasion damages on inverts. Consequently,wear termed hydroabra-sionoccurs. Based on laboratoryexperiments, a theoretical model was devel-oped to predict abrasion rates and service life timeof sediment bypass tunnels. Insituexperiments are further conducted for model calibration to provide an abrasion prediction approach for field applications.Finally,recommendations concerning the hydraulic design of the tunnel as well as the structural design ofthe invertareprovided.
Positive effects of reservoir sedimentation management on reservoir life: Examples from Japan
(2016)
The effectiveness of different strategies against reservoir sedimentation is demonstrated herein using data sets of Asahi, Nunobiki and Dashidaira reservoirs in Japan. The applied strategies encompass
sediment routing with a bypass tunnel, drawdown flushing during floods and sabo dam construction in the catchment. It is shown that bypassing and flushing are very efficient strategies enlarging reservoir life by 3 to 21 times up to many hundreds of years. Furthermore, it is revealed that also efforts in the catchment, e.g. sabo dam construction, is effective enlarging reservoir life by 2.4 times.
Due to high bedload sediment transport, many sediment bypass tunnels (SBT) are prone to severe invert abrasion. However, there is little information about the flow characteristics in SBTs after invert abrasion initiated and progresses with time. In the present study, laboratory flume experiments were performed to investigate how the hydraulic conditions change after abrasion patterns developed on the invert. A typical invert abrasion pattern was produced using 3D-printing technique and implemented in the laboratory flume. Flow depths were measured to compare the initial with the abraded state.
Furthermore, turbulence measurements using 2D-laser Doppler anemometry technique were performed to obtain the mean and turbulence flow characteristics. This paper describes results of these measurements focusing on the streamwise and vertical flow velocities, turbulence intensities and Reynolds shear stress.
Sediment bypass tunnels are an effective and sustainable strategy against reservoir sedimentation. Sediments are diverted into the down-stream during floods without deposition in the reservoir, hence mor-phological and ecological variability increases. One major drawback of these tunnels is the severe invert abrasion due to a combination of high flow velocities and bedload sediment transport. The abrasion phenom-ena is briefly described, different abrasion prediction models are pre-sented and their applicability for the estimation of concrete abrasion is discussed.
This paper describes the design of the new tunnel invert lining of the 9-foot tunnel at Mud Mountain Dam, Washington, USA. The tunnel diverts all bed load sediments into the tailwater. Major invert abrasion has been observed in the existing steel lining. The new invert design consists of 0.59 m2 and 0.79 m2 granite blocks that are 0.25 m thick and placed tightly together along the tunnel. Stability analysis showed factors of safety ranging from 1.2 to 2.6 against uplift. This will be achieved with strip drains placed in the bedding material along the tunnel. A service-design-life analysis was performed using abrasion prediction modelling.
This model was based on abrasion measurement data acquired from granite field tests at Pfaffensprung sediment bypass tunnel, Switzerland. The estimated annual abrasion depths for the granite were approximately 0.50 mm/year for average sediment transport conditions.
A major drawback of sediment bypass tunnels is the potential for severe invert abrasion due to intense bedload sediment transport. This paper briefly describes the abrasion phenomena as well as the available models used to predict invert material loss. The application and calibration is demonstrated on the basis of the Mud Mountain sediment bypass tunnel, Washington, USA.
Die klimabedingte Zunahme extremer Wetterereignisse ist eine der Herausforderungen in der gegenwärtig durch Krisen geprägten Zeit. Gefahren gehen von großräumigen Hochwasserereignissen und von kleinräumigen Überflutungen innerhalb besiedelter Bereiche aus. Ursache sind ausgeprägte Extremniederschläge. Das Schadpotenzial hängt maßgeblich von den lokalen Bedingungen ab. Ein Starkregen richtet im Flachland mit versickerungsfähigen Böden wesentlich weniger Schäden an als im Bereich eines Kerbtalgewässers, wenn dort die Hochwasserwelle auf bebaute Talbereiche trifft. Auch sind die Folgen einer als urbane Sturzflut bezeichneten Überflutung in dicht besiedelten Räumen in der Regel dramatischer als bei ländlich geprägten Siedlungsstrukturen. Aber nicht nur dem Problem „zu viel Wasser“, sondern auch der zunehmenden Herausforderung „zu wenig Wasser“ muss sich die Wasserwirtschaft stellen. Trockenheit und Hitze führen vor allem in Innenstädten immer häufiger zu Bedingungen, in denen das Leben und Arbeiten zur Belastung wird. Vielerorts sinkende Grundwasserspiegel stellen die Bewirtschaftung natürlicher Wasserressourcen und nicht zuletzt die öffentliche Wasserversorgung in Deutschland vor bislang weitgehend unbekannte Herausforderungen. Einen absoluten Schutz gegen Überflutungen und vor Hitzeperioden gibt es nicht. Wir müssen Vorsorge betreiben, um die Belastungen zu begrenzen. In der letzten Zeit hat dafür der Begriff der „Resilienz“ im wasserwirtschaftlichen Kontext eine besondere Bedeutung gewonnen. Dazu erforderliche Konzepte greifen die Wassertage Münster im Jahr 2023 auf. Zu den Maßnahmen der wasserbewussten Stadtentwicklung zählen beispielsweise die gezielte Versickerung und Verdunstung von Niederschlagswasser oder die Ableitung von Oberflächenabflüssen bei seltenen Starkregen in weniger kritische Bereiche. Thematisiert wird auch der Umgang mit (Ab-)Wasser als Ressource. Hierbei werden die Bedeutung und Chancen der Wasserwiederverwendung betrachtet.
This report examines the strength of young and early age concrete that has been systematically exposed to horizontal, sinusoidal vibrations with varying vibration parameters. Specimens were subjected to vibrations of predefined vibration times (4–14 h) and the compressive strength was determined after a period of 28 days. It was found that the different parameters have no critical influence on compressive strength and that vibration prior to initial setting of the concrete can increase its strength. Additional information to examine the reasons for this increase was obtained by further investigations (nuclear magnetic resonance, x-ray diffraction, and thermogravimetric analysis).
Worldwide, a large number of reservoirs impounded by dams are rapidly filling up with sediments. As on a global level the loss of reservoir volume due to sedimentation increases faster than the creation of new storage volume, the sustainability of reservoirs may be questioned if no countermeasures are taken. This paper gives an overview of the amount and the processes of reservoir sedimentation and its impact on dams and reservoirs. Furthermore, sediment bypass tunnels as a countermeasure for small to medium sized reservoirs are discussed with their pros and cons. The issue of hydroabrasion is highlighted, and the main design features to be applied for sediment bypass tunnels are given.
In this paper typical bypass efficiencies of sediment bypass tunnels (SBTs) used to counter reservoir sedimentation are described, distinguishing between two layouts of the tunnel intake. It results that SBTs are an effective measure to reduce the sedimentation of dam reservoirs, particularly of type (A) with intake at the reservoir head. The hydroabrasive wear of tunnel inverts is significant and
has to be mitigated by using adequate invert liners. The invert abrasion can be estimated based on an abrasion model where a correct input value of the bed material resistance coefficient is paramount to limit model uncertainties. Based on abrasion measurements at prototype SBTs typical values of the material resistance coefficient are recommended for high-strength concrete, natural stones and steel liners. The field experiences gathered so far and the comparison of various invert materials suggest granite pavers as a promising lining material for severe abrasion conditions.
Potential and risks of water reuse in Brandenburg (Germany) – an interdisciplinary case study
(2024)
For Brandenburg, a region in Germany with increasing water shortage and drought events, water reuse can counteract competition scenarios between drinking water supply, agricultural irrigation, and industrial use. Centralized and decentralized sources for reclaimed water are found to potentially substitute 245 or 28% of irrigation water, respectively, in agriculture production in Brandenburg. For such a reuse scenario, the
fate of organic micropollutants is examined for diatrizoate (DZA) and carbamazepine (CBZ). Retention in local sandy soil and transfer into roots and leaves of arugula are analyzed in lysimeter studies and greenhouse pot experiments. Vertical transport was found for DZA and accumulation in or on arugula roots with a root concentration factor of 1,925+34% but a low bioconcentration factor due to intrinsic molecule properties. CBZ was not found to be mobile in the sandy soil but accumulates in arugula roots and leaves by factors of 70+7% and 155+12%, respectively. Further research on potential plant uptake and groundwater enrichment for more substances is highly recommended as well as tertiary wastewater treatment prior to water reuse.
Statische Berechnung von Abwasserkanälen und -leitungen nach ATV-DVWK-A 127, 3. Auflage 08.2000
(2001)
Mit der 3. Auflage des Arbeitsblattes ATV-DVWK-A 127 vom August 2000 werden die folgenden Ziele verfolgt: Für den Rohrleitungsbau wichtige Neuentwicklungen werden berücksichtigt, z. B. neue Werkstoffe, profilierte Rohre, Erweiterung auf Druckentwässerungen usw. Zwar ist damit auch der Umfang der Vorschrift angewachsen, die Änderungen bleiben jedoch auch bei Handrechnungen überschaubar und plausibel. Beispiele sind die Abminderungsfaktoren beim Beulnachweis oder die einfach zu ermittelnden Vergrößerungsfaktoren, wenn ein nichtlinearer Nachweis geführt werden muss. In der Praxis sind Berechnungen mit dem PC üblich - dort fällt der Mehraufwand nicht ins Gewicht. Neben den gewohnten Handrechenverfahren (also die Verwendung von Beiwerten und geschlossenen Formeln) werden durch eine Öffnungsklausel auch EDV-Verfahren unter der Bedingung zugelassen, dass die bodenmechanischen Grenzzustände beachtet werden. Als Berechnungsmodell kann der elastisch gebettete Kreisring oder ein Stabwerk im Kontinuum verwendet werden. Wie in der 2. Auflage werden einfache und nachvollziehbare Formeln angegeben, mit deren Hilfe z. B. Einzeleinflüsse auf die Nachweise leicht überprüft werden können (Beispiel: die Verringerung der Beullast aufgrund der Vorverformungen des Rohres). Durch Diagramme werden die Auswirkungen von Parametern transparent gemacht.
Struktural design of linings
(2001)
The German Worksheet ATV-M 127-2 published in January 2000 after a seven years period of preparation and discussion is now well accepted in design practice for lining systems made of different materials and installed in various methods. The concept based on stress, deformation and stability analyses supports simple formula and diagram usage in standard cases like circular pipes up to ND 600 and more elaborate analyses for non-circular cross sections. Beside a short description of the design code the theoretical background is presented. Experimental test configurations are discussed regarding restrictions such as test specimen length, friction and load distribution. There is need of further research projects in co-operation with other universities to solve the problems left in theory and in practical use.
With the assessment of sewers and drains generally recognised criteria such as tightness, stability, hydraulic capability and efficiency are valid. For the assessment of the stability, however, there are often uncertainties. In this connection the ATV-DVWK Advisory Leaflet ATV M 127-2 represents a practical development of the system of rules and standards for the stability of earth-bedded pipelines that is called upon in the case of dimensioning for rehabilitation procedures. Nevertheless, further assumptions about the pipe-soil system are necessary which often are based on individual appraisals and experiences of the designer. To that end, in the years 1999 to the beginning of 2002, extensive experiments and theoretical investigations were carried out at the Universities of Bremen and Muenster as well as at the Bremen hanseWasser GmbH in order to assess more reliably the load-carrying capacity in particular of damaged host pipes in the ground. The research was supported by the Federal Ministry for Education and Research (BMB+F) under the short title ASSUR. The paper gives a view of the essential contents of the research; further information can be taken from the final report to ASSUR.
Das Stabilitätsproblem eines radial elastisch gebetteten Kreisringes unter gleichmäßiger Temperaturerhöhung wird mit der klassischen Stabilitätstheorie einer geometrisch nichtlinearen Theorie und durch Versuche untersucht. Die Ergebnisse für die kritische Temperatur, das Verhalten im überkritischen Bereich und den Einfluss von Vorverformungen werden in Diagrammen in Abhängigkeit von den Steifigkeitsparametern angegeben.
Ten opzichte van de richtlijnen voor direct in de bodem ingebedde leidingen (In Duitsland betreft het de richtlijn ATV A127[1], in Frankrijk de Fascicule 70, in Nederland Cur n° 122 voor betonbuizen) vereist de richtlijn voor de statische berekening van linersystemen (kousrelining, u lining, buis in buislining...) voor de sanering van beschadigde riolen een grondig andere aanpak en berekeningsmethodiek. Onder meer zijn voor liners volgende parameters van belang: Toestand van de beschadigde leiding. Wanneer de oude leiding vervormd is, zal bij close fit renovatiesystemen zoals kousliners ook de liner zelf voorvervormingen vertonen. Bij deze onvolkomenheden wordt onderscheid gemaakt tussen lokale intrusie (opbolling) globale voorvervorming (ovalisatie); Materiaalkarakteristieken van de liner samenhangend met de uitharding (vorming van ringspleet enz.); Hoge drukspanningen door externe waterdruk in combinatie met de geringe wanddikte en de relatief lage elasticiteitsmodulus van de liner; De liggingcondities van de liner in de beschadigde leiding (aanwezigheid van scheuren, radiale en axiale verplaatsing enz..); Specifieke eigenschappen van de materialen waaruit de liner is opgebouwd (Elasticiteitsmodulus en buigtreksterkte op lange termijn) Vragen in verband met de stabiliteit van saneringsystemen werden de afgelopen jaren uitgebreid in internationale fora en wereldwijd bediscussieerd, [2] tot [5], en om de mechanische draagkracht ervan na te gaan werden omvangrijke proeven uitgevoerd, [2], [4], [6], [12] en [18]. Aan de hand van het document Merkblatt ATV-M 127-2 [14] is het mogelijk om statische berekeningen op een voor liners adequate wijze uit te voeren en is het mogelijk controleberekeningen uit te voeren zoals dit in Duitsland in het document Merkblatt ATV-M 143-3 [13] geëist wordt.
Für elastisch gebettete, kreiszylindrische Konstruktionen wird im Fall getrennter Belastungs- und Bettungswirkung das Last-Verschiebungsverhalten analysiert. Es zeigt sich, dass das System eine Grenzlast hat, nach deren Überschreitung die aufnehmbare Belastung absinkt. Für Anwendungsfälle in der Praxis und zur Auswertung von Modell- und Großversuchen wird ein Diagramm für die Ermittlung der Grenzlasten angegeben. Die untersuchten Bereiche des Steifigkeitsparameters ß und des Konstruktionsparameters k* umfasst Anwendungen wie Tunnelwandungen, Rohre und Rohrauskleidungen aus PVC und Polyethylen sowie Durchlässe aus kalt gewellten und kalt gebogenen Stahlblechen. Es wird die Gültigkeit des gewählten, linear elastischen Stoffgesetzes der Konstruktion abgegrenzt. Beim Erddruckproblem kann die Last- und Bettungswirkung nicht mehr voneinander getrennt werden. Hierfür werden Versuche und rechnerische Ansätze dargestellt, die einen Einblick in das Verhalten der Konstruktion bei Laststeigerung ermöglichen. Unter idealisierten Voraussetzungen existiert im überkritischen Bereich des zunächst mehrwelligen Beulproblems ein weiterer Indifferenzpunkt und eine einwellige Beulform.
Schadhafte Abwasserkanäle und -leitungen können durch Einziehen eines flexiblen Liners oder durch Teilauskleidung mit Platten saniert werden. Der Ringraum zwischen Rohr und Liner wird häufig mit Dämmer verfüllt. Die Standsicherheit muss für die Lebensdauer des sanierten Bauwerks unter den während der Sanierungsarbeiten und beim Betrieb des Abwasserkanals herrschenden Bedingungen gewährleistet sein. Das bedeutet, dass konservative Annahmen bezüglich des System- und Belastungsverhaltens zu treffen sind. Für einige wichtige Lastfälle (hydrostatischer Druck mit Auftrieb, Eigenlasten, Temperaturänderungen usw.) werden Lösungsansätze diskutiert und Durchschlagbeiwerte alpha D angegeben. Von besonderer Bedeutung für die Sicherheitsnachweise ist der richtige Ansatz der Vorverformungen: Sie müssen sowohl die Verformungen des Kanals repräsentieren als auch stabilitätstheoretischen Erkenntnissen entsprechen.
Konstruktionen aus dem Werkstoff PE-HD haben sich in besonderer Weise für den Einbau in einer Deponie bewährt. Zur Berücksichtigung der Einflüsse während des Betriebs wie Wärmeentwicklung, Chemikalieneinwirkung und hohe Belastungen ist eine sichere Dimensionierung mit analytischen und numerischen Verfahren möglich (Merkblatt ATV-M 127-1 und Finite Element Methode). Im Anschlussbereich Schachtmantel/-boden und Speicherrohr/Kopfschacht sind analytische Modelle auf der Grundlage der Schalentheorie zur Beurteilung von Randbedingungen vorteilhaft. Ferner liefern sie bei Anwendung der FEM Informationen für die an solchen Stellen er-forderliche Elementverfeinerung. Mit analytischen Verfahren lassen sich die relevanten Ein-flüsse von Imperfektionen der Konstruktion und von Grenzzuständen im Boden auf das Trag-verhalten systematisch aufzeigen. Bei zutreffender Modellierung kann das Tragverhalten von Rohren und Schächten in Deponien mit der Finite Element Methode gut angenähert werden. So muss mit geeigneten Schalenelementen der Einfluss von Schubverformungen erfasst werden. Bei Mitnahme des Bodens im Modell müssen Zugspannungen ausgeschlossen und die Schubspannungen im Boden be-grenzt werden. Bei profilierten Querschnitten ist eine Untersuchung der in Rohr- und Schachtanschlüssen auftretenden Spannungen von besonderer Bedeutung - die Schnittgrößen müssen in den inneren Wandaufbau verfolgt werden. Messprogramme an ausgeführten Bauwerken sind erfor-derlich, um die verwendeten Rechenmodelle weiter abzusichern.
The German Code ATV-M 127-2 published in 2000 for the design of linings to rehabilitate sewers has proved itself a helpful guideline to find the optimum wall thickness of any liner material, e.g. CIPP or stainless steel sleeves. Many rehabilitation projects in different European countries have been performed successfully using this code. The code differentiates between three host pipe states: State I for untight sewers without cracks, state II for sewers with longitudinal cracks but a stable soil pipe system and state III for cracked pipes with larger deformations and considerable risk to collapse in the near future. State II sewers but installed close to the traffic surface must be calculated as a state III situation too. According to the code stress, deformation and stability tests are necessary. For many practical cases charts with stress factors and imperfection reductions allow to design without a computer. Numerous theoretical and experimental papers are available which mainly deal with circular linings. An evaluation of design codes carried out by experts of different countries shows a fairly good coincidence of the required wall thicknesses, but the assessment of pipeline damages by engineers is sometimes resulting in quite different assumptions necessary for the design input parameters. The paper reports about the progress in liner design since the 1st edition of the code. Additional clauses have to be introduced into the 2nd edition for non circular geometries (e.g. for hood and rectangular profile), imperfections describing practical and theoretical situations and new applications (e.g. railway crossings). International discussion can be useful to find safe and resources saving constructions.
Im Rahmen eines USA-Praxissemesters der erstgenannten Autorin an der Tulane University in New Orleans wurden im Jahr 1995 in Zusammenarbeit mit Pipe Liners, Inc. Außendruckversuche an PE-HD-Linern durchgeführt. Bei diesen Versuchen sollte der maximale Beuldruck unter Variation von Randbedingungen des Liners im Altrohr (hier: Längsversatz und Ovalisierung) ermittelt werden. Außerdem war die Ermittlung des Zeitstandverhaltens der mit konstantem Außendruck beaufschlagten Versuchskörper ein wichtiges Versuchsziel. Die experimentellen Ergebnisse werden unter Verwendung der vom Zweitverfasser entwickelten nichtlinearen Theorie ausgewertet.
Experimentelle Standsicherheitsuntersuchung an einem gemauerten Abwasserkanal mit Eiquerschnitt
(1999)
Die Standsicherheitsbeurteilung alter gemauerter Kanäle mit Eiprofil wird dadurch erschwert, dass neben den Unwägbarkeiten der Materialeigenschaften und des Baugrundes keine Regeln zur Nachweisführung vorliegen. ln Anlehnung der Schnittgrößenermittlung an das Arbeitsblatt ATV-A 127 ergeben sich insbesondere bei bestimmten Tiefenlagen rechnerisch unzureichende Sicherheitsbeiwerte, die jedoch offensichtlich mit der örtlich erreichten Tragfähigkeit nicht übereinstimmen. Um die im Sammler-Baugrund-System auftretenden Lastabtragungen zu erkennen und um diese in einem Rechenmodell nachzubilden, wurden die Untersuchungen an einem Abwassersammler in Bremen durchgeführt.
Es werden die Verzweigungslasten von Kreisringen, die auf der Außenseite elastisch gebettet sind, nach der klassischen Stabilitätstheorie ermittelt und das Verhalten im überkritischen Bereich untersucht. Im Hinblick auf praktische Anwendungen werden sowohl Kreisringe mit Momentengelenken bzw. Momentenfedergelenken als auch biegesteife Ringe betrachtet. Als Ergebnisse werden die kritischen Lasten mitgeteilt und Hinweise für ihre Anwendung bei der Berechnung von Tunnelauskleidungen und unterirdischen Behältern gegeben.
In the German design code ATV-M 127-2, three host pipe states are differentiated: State I for leaky sewers without cracks, state II for sewers with longitudinal cracks but a stable soil pipe system, and state III for cracked pipes with larger deformations and considerable risk of collapse in the near future. State II sewers that are close to the traffic surface must be calculated as a state III situation. On the other hand, the US Standard ASTM F 1216 defines two states: structurally safe and fully deteriorated sewers. This paper examines the common aspects and differences between the two codes. A simple non-linear numerical approach is presented to evaluate the actual safety of the host pipe-soil system based on the following parameters: 1. the pipe material (e. g. age, corrosion depth, state of the contact zones), 2. the measured or estimated pipe deformations, 3. the soil group, stiffness, and possible voids occurring next to the springlines of the pipe, 4. the loading to be applied on the deteriorated pipe-soil system. Using stability and ultimate stress criteria, the safety of the system can be defined in a rational way. Missing parameters have to be introduced into the algorithm conservatively. Case studies are presented to demonstrate safe estimations for the host pipe state. The consequences on the required wall thickness of a lining and the application of non-circular linings are shown. The wall thicknesses resulting from a design for the fully deteriorated state as defined by the design codes in both the USA and Germany are compared and discussed.
Hinweise und Kommentare zur Anwendung des ATV-M 127-2 für die statische Berechnung von Linern
(2003)
Das deutsche Merkblatt ATV-M 127-2 regelt die statische Berechnung von Lining- und Montagesystemen zur Sanierung von Abwasserkanälen und leitungen. Es wurde in den Jahren 1994 bis 1999 von der ATV-Arbeitsgruppe ES 2.3 erstellt, mit Vertretern der Praxis im Rahmen eines internen Einspruchverfahrens diskutiert und im Januar 2000 veröffentlicht. Die Bemessungsregeln werden bei einer großen Zahl von Liningmaßnahmen im Leistungsverzeichnis als Grundlage der Ermittlung von Linerwanddicken und der Qualitätssicherung vorgeschrieben. Sie wurden bereits vor der endgültigen Fertigstellung des Merkblattes an einer Vielzahl von Projekten erprobt und angewendet. Ferner werden sie zur Begutachtung von Schadensfällen und zu internationalen Vergleichen herangezogen. Auch nach dem Erscheinen des Merkblattes ATV-M 127-2 wurden die Forschungsarbeiten zu Fragen des Altrohrzustandes III, der Standsicherheit geschädigter Rohrleitungen und der Mess- und Versuchstechnik im Sandkasten und in-Situ fortgesetzt und publiziert. Die Arbeit behandelt z. B. Abgrenzungen der Altrohrzustände I bis III, Messung und Abschätzung der Ovalisierung bei Altrohrzustand II und III, Abminderungsfaktoren der Beullast für mehrere gleichzeitig zu berücksichtigende Imperfektionen, experimentelle Traglasten und Nachweise von Druckzonen in geschädigten Altrohren, Verformungszustände bei Eiprofilen mit Längsrissen, Hinweise für Ausschreibungen von Rehabilitationsmaßnahmen mit Linern.
Bedingt durch die zunehmende Mächtigkeit des Wasser führenden Deckgebirges wird bei neueren Schachtbauten der innere Ausbau als Verbundkonstruktion ausgeführt (Voerde, Sophia Jacoba 8): Ein Stahl- oder Gusseisenliner wird von einem dickwandigen Betonmantel mit außen liegendem, wasserdicht verschweißten Stahlmantel umschlossen. Die Verbundkonstruktion wird durch mit der Teufe anwachsende Druckkräfte beansprucht, die einen besonderen Stabilitätsnachweis des relativ dünnwandigen Liners verlangen. Es werden die Durchschlaglasten für unverankerte und verankerte Liner in Abhängigkeit vom Radius-/Wanddickenverhältnis angegeben. Die bei der Berechnung zu berücksichtigenden Imperfektionen, die Grenzwerte für die Annahme einer starren Bettung und weitere Gültigkeitsgrenzen für die Durchschlagslasten werden erläutert und Rechenverfahren für die Praxis aufbereitet.
Statische Berechnungen von Linern zur Sanierung von Abwasserkanälen und -leitungen werden in Deutschland nach dem Merkblatt ATV-M 127-2 durchgeführt. Hierfür ist der Zustand der Altleitung durch die Altrohrzustände I, II und III zu beschreiben, die für die anzusetzenden Belastungen und Imperfektionen maßge-bend sind. Für den in der Praxis bedeutsamen Fall einer Störung der Kreisgeometrie (oder der Geometrie des Ei-querschnitts) durch eingebaute Telekommunikationskabel existiert noch keine gesonderte Berechnungsvor-schrift. Im folgenden werden hierfür auf der Grundlage der Vorgehensweise in ATV-M 127-2 und unter Be-rücksichtigung von Verfahrensprüfungen Nachweismöglichkeiten fortentwickelt und Vergleichsrechnungen dis-kutiert. Die Untersuchungen beschränken sich auf den Altrohrzustand I (keine Längsrisse), da dieser Fall für den Einbau von Kabeln eher geeignet ist
Während über die Erfassung und Bewertung des Bauzustands kleinformatiger Abwasserkanäle inzwischen umfangreich berichtet wurde, liegen über begehbare Kanäle nur wenige Veröffentlichungen vor. Als Teil einer umfassenden Bestandsaufnahme werden Methoden vorgestellt, wie bei Mauerwerkskanälen die Bauzustandserfassung durch Begehungen und ergänzende Untersuchungen erfolgen kann. Ferner werden Verfahren zur Bewertung des Kanalmilieus, der Baustoffverhältnisse und insbesondere der statischen Tragfähigkeit aufgezeigt. Diese Methoden sind teilweise auf begehbare Kanäle aus anderen Baustoffen übertragbar.
Die statische Berechnung von erdgebetteten Abwasserleitungen und -kanälen erfolgt in Deutschland seit 1984 nach dem Arbeitsblatt ATV-A 127 [V1]. Im Rahmen der CEN/TC165/WG12 wurden zwar zwei Optionen für eine europäische Rohrstatik erarbeitet, es konnte jedoch keine Einigkeit auf ein gemeinsames Verfahren erzielt werden. Die Ergebnisse werden daher lediglich in Form eines Technischen Berichtes TR 1295-3 [V4] veröffentlicht. Zur Berücksichtigung von Weiterentwicklungen bei der Rohrherstellung und beim Rohreinbau sowie der Notwendigkeit einer Anpassung an europäisch übliche Regelungen zur Standsicherheit wird daher in der DWA-Arbeitsgruppe ES 5.4 eine 4. Auflage des Arbeitsblattes A 127 vorbereitet. Dabei können auch neuere Erkenntnisse bezüglich der Tragwirkung des Rohr-Boden-Systems einbezogen werden. Flache Überdeckungen sind für die Praxis von besonderer Bedeutung, da solche Anwendungen einerseits zunehmen, andererseits auf die Rohrleitungen hohe Bodenspannungen aus Verkehrslasten einwirken. Im Rahmen eines durch das Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes NRW unterstützten Forschungsvorhabens, an dem die Fachhochschule Münster, das Institut für Unterirdische Infrastruktur Gelsenkirchen, die Leibniz Universität Hannover und die Ruhr-Universität Bochum beteiligt sind, sollen mit Hilfe von Versuchen im Maßstab 1:1 und Finite Element-Simulationen eine Reihe von Fragen geklärt werden, die bei der Dimensionierung von Abwasserkanälen mit flacher Überdeckung auftreten. Die Untersuchungen sollen außerdem Aussagen über die Reststandsicherheit von geschädigten Kanälen und die Berechnung von Sanierungssystemen bei nicht mehr allein tragfähigen Altrohren liefern.
Beschreibung von Qualitätsmerkmalen und deren Messmethodik in der Abfall- und Wertstoffabfuhr
(2013)
Im Auftrag der Entsorgergemeinschaft der Deutschen Entsorgungswirtschaft e.V. (EdDE) wurde eine neue Messmethodik zur Bewertung der Qualität der Abfall- und Wertstoffabfuhr erarbeitet. Die Messmethodik soll erstmals die Qualität der Dienstleistung in diesem Bereich vor Ort durch geeignete Indikatoren messbar und vergleichbar machen. Die je nach Gegebenheit modulartig auswählbaren, einheitlichen Bewertungsmaßstäbe bieten die Chance zu einer realistischen Einschätzung der Qualität der gebotenen Dienstleistung. Damit ist die Messmethodik sowohl für Auftraggeber, welche die beauftragte Abfuhr hinsichtlich ihrer Qualität überprüfen wollen, als auch für Entsorgungsunternehmen, welche im Rahmen ihrer eigenen Qualitätssicherung ihre Dienstleistung bewerten wollen, interessant und anwendbar. Die Studie bietet darüber hinaus eine solide Basis für aktuell stattfindende Beratungen zur Erarbeitung einer nationalen beziehungsweise europäischen Norm im Bereich der Abfall- und Wertstofflogistik. Die EdDE hat den Forschungsbericht "Beschreibung von Qualitätsmerkmalen und deren Messmethodik in der Abfall- und Wertstoffabfuhr" im Rahmen Ihrer Schriftenreihe als EdDE-Dokumentation Nr. 15 veröffentlicht.
In der Mathematik ist es im Allgemeinen üblich, alle Fragen ohne die Berücksichtigung der Einheiten der verwendeten Größen zu behandeln. Wendet man dann die Gesetze und Ergebnisse auf Probleme der Physik und der Ingenieurwissenschaften an, so ergeben sich hinsichtlich der Einheitenanalyse für den kritischen Betrachter formal einige unbefriedigende Darstellungen. Da für den Physiker und den Ingenieur die Einheitenanalyse zu den besonders aussagekräftigen Kontrollmöglichkeiten zählt, muss dieser Bereich widerspruchsfrei und klar aufgebaut werden. Im folgenden wird der Versuch unternommen, die formalen Widersprüche anhand einiger einfacher Beispiele anschaulich herauszustellen; anschließend wird ein Vorschlag für eine konsistente Einheitenanalyse gemacht.
Nach einer kurzen Bestandsaufnahme zur Ingenieurmathematik an Hochschulen werden langjährige Testergebnisse zu den Mathematik-Vorkenntnissen der Studienanfänger im Fach Bauingenieurwesen dargestellt. Auf eine Diskussion über die Folgen der aufgezeigten Defizite werden zunächst allgemeine organisatorische und inhaltliche Vorschläge gemacht, wie diese Defizite im Ingenieurstudium abgebaut werden können. Anschließend wird ein detailliertes Lehrkonzept für die Ingenieurmathematik beschrieben, das der Autor zusammen mit Kollegen entwickelt und viele Jahre lang erfolgreich durchgeführt hat. Im Anhang wird ein vom Autor entworfener Fragebogen zur Evaluation der Mathematik-Lehrveranstaltung vorgestellt und kommentiert.
Sedimentumleitstollen leiten die sedimentreichen Hochwasserspitzen um die Tal-sperre herum in den Unterlauf des Flusses und verhindern so eine fortschreitende Verlandung des Stauraums. Aufgrund der hohen Fließgeschwindigkeiten und gro-ßen Sedimentfrachten in Umleitstollen weisen diese starke Verschleißerscheinun-gen auf, die zu hohen Unterhaltskosten führen. Es gibt verschiedene Konzepte um diesem Problem entgegen zu wirken. Einerseits kann der Umleitstollen hydrau-lisch optimiert werden, um die Belastung auf die Sohle zu minimieren. Auf der anderen Seite kann der Widerstand der Stollensohle verbessert werden. An der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) der ETH Zü-rich werden zur Zeit zwei Forschungsarbeiten durchgeführt, die sich diesen zwei Aspekten widmen. In großskaligen Laborversuchen erfolgt eine systematische Untersuchung und Optimierung der maßgebenden Parameter wie Fortbewegungs-art des Sediments und Abrasionstiefe der Stollensohle. Anhand von Prototypver-suchen im neu errichteten Sedimentumleitstollen Solis in Graubünden (Schweiz) werden die Zusammenhänge zwischen Beanspruchung, Materialeigenschaften und Abrasion im Prototyp ermittelt. Darauf basierend können Empfehlungen be-züglich Materialwahl, konstruktiver Durchbildung und Dimensionierung abgege-ben und so zu einer nachhaltigen und wirtschaftlichen Wasserbewirtschaftung in Stauseen beigetragen werden.
Das Stabilitätsproblem eines radial elastisch gebetteten Kreisringes unter gleichmäßiger Temperaturerhöhung wird mit der klassischen Stabilitätstheorie einer geometrisch nichtlinearen Theorie und durch Versuche untersucht. Die Ergebnisse für die kritische Temperatur, das Verhalten im überkritischen Bereich und den Einfluss von Vorverformungen werden in Diagrammen in Abhängigkeit von den Steifigkeitsparametern angegeben. In Versuchen mit starr und elastisch gebetteten Hostaphan-Ringen werden die Vorverformungen systematisch variiert.
In Germany, the current sectoral urban planning often leads to inefficient use of resources, partly because municipalities lack integrated planning instruments and argumentation strength toward politics, investors, or citizens. The paper develops the ResourcePlan as (i) legal and (ii) a planning instrument to support the efficient use of resources in urban neighborhoods. The integrative, multi-methodological approach addresses the use of natural resources in the building and infrastructural sectors of (i) water (storm- and wastewater) management, (ii) construction and maintenance of buildings and infrastructure, (iii) urban energy system planning, and (iv) land-use planning. First, the development as legal instrument is carried out, providing (i) premises for integrating resource protection at all legal levels and (ii) options for implementing the ResourcePlan within German municipal structures. Second, the evaluation framework for resource efficiency of the urban neighborhoods is set up for usage as a planning instrument. The framework provides a two-stage process that runs through the phases of setting up and implementing the ResourcePlan. (Eco)system services are evaluated as well as life cycle assessment and economic aspects. As a legal instrument, the ResourcePlan integrates resource protection into municipal planning and decision-making processes. The multi-methodological evaluation framework helps to assess inter-disciplinary resource efficiency, supports the spatial identification of synergies and conflicting goals, and contributes to transparent, resource-optimized planning decisions.
Wastewater generation model to predict impacts of urine separation on wastewater treatment plants
(2024)
Wastewater treatment plants (WWTPs) are under increasing pressure to enhance resource efficiency and reduce emissions into water bodies. The separation of urine within the catchment area may be an alternative to mitigate the need for costly expansions of central WWTPs. While previous investigations assumed a spatially uniform implementation of urine separation across the catchment area, the present study focuses on an adapted stochastic wastewater generation model, which allows the simulation of various wastewater streams (e.g., urine) on a household level. This enables the non-uniform separation of urine across a catchment area. The model is part of a holistic modelling framework to determine the influence of targeted urine separation in catchments on the operation and emissions of central WWTPs, which will be briefly introduced. The wastewater generation model is validated through an extensive sampling and measurement series.
Results based on observed and simulated wastewater quantity and quality for a catchment area of 366 residents for two dry weather days indicate the suitability of the model for wastewater generation and transport modelling. Based on this, four scenarios for urine separation were defined. The results indicate a potential influence of spatial distribution on the peaks of total nitrogen and total phosphorus.
To understand the effects of sediment bypass on environmental recovery of the degraded channels below dams, bed topography and bed materials above and below dam reaches were surveyed by ground-based measurements and aerial photos using quadrocopter. Coarse bed materials such as boulders were more represented below than above the Koshibu dam, where the bypass tunnel had not been in operation yet. The coarse materials formed steps and protruded in the water column within riffles and runs, both of which can increase slow-flow areas, below the dam. On the other hand, sand, gravel, and cobbles were abundant below as much as above the Asahi dam, where the bypass tunnel had been operated for >17 years. The downstream environment in terms of bed topography and grain size seems to have almost been recovered for the Asahi dam. However, less representation of large cobbles and boulders below the dam suggested a possibility of a selective deposition of coarse materials at the upstream of the bypass tunnel inlet.
Sediment, which deposits and damages the function of reservoirs, is an essential element of aquatic habitats in downstream ecosystems. We reviewed ecosystem features of degraded channels associated with sediment deficiency below dams and ecosystem responses to changes in sediment conditions after management practices in Japan. Sediment bypass tunnel (SBT) is an effective way to transport sufficient amount of sediment to downstream ecosystems. Based on a concept of suitable mass and size of sediment for ecosystem, some effects and limitations of SBT on downstream ecosystems were discussed.
For long term use of dams, it is required to develop methods of sediment management in reservoirs.
As one method, Sediment BypassTunnels (SBT) are operated in Japan and Switzerland to prevent reservoir sedimentation. SBT reduces sedimentation in reservoirs by routing the incoming sediments around the dam. SBT, however, is prone to severe invert abrasion caused by high sediment flux. Therefore, it is necessary to establish a measurement system of sediment transport rates in the SBT. A geophone was experimentally investigated in a laboratory flume at ETH Zurich. The sediment transport rate is calculated based on the plate vibration caused by hitting of gravels. In this paper, in order to alleviate disadvantages of a geophone, two newly developed sensor systems, a plate microphone and plate vibration sensor, are suggested and the results of their calibration experiments are shown. Finally, they are compared with the existing methods.
Sediment Bypass Tunnels are operated to divert sediment around reservoirs reducing reservoir sedimentation. A major drawback of these tunnels is severe invert abrasion due to high velocity and sediment flows. There is an urgent need to establish innovative measurement systems of sediment transport rates in SBTs. In this paper, three bedload measuring systems, namely hydrophones, geophones, and newly developed plate microphones are introduced and compared. The Koshibu SBT is planned to operate from 2016. Plate microphones combined with geophones and other planned systems are installed in the tunnel. Results of preliminary tests and installation plans of bedload
measurement are presented.
Die Tigray and Afar Wasser Initiative (TAWI) ist ein Kooperationsprojekt der Mekelle Universität (Äthiopien), der Fachhochschule Münster und der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster. Gegenstand der Initiative ist die Wasserversorgung im ländlichen Raum der besonders wasserarmen Regionalstaaten Tigray und Afar im semi-ariden Norden Äthiopiens. Im Untergrund ist häufig noch Wasser zu finden, das gelegentlich auch von Menschen zu landwirtschaftlichen Zwecken extensiv genutzt wird. Dichtwände im Untergrund können dazu dienen, diese Nutzung zu intensivieren und zusätzlich den Landschafts-Wasserhaushalt positiv zu beeinflussen. Die so aufgestauten unterirdischen Wasserspeicher sollen als kleine bzw. kleinste Anlagen dezentral die Versorgungslage kleiner, lokaler Bevölkerungsgruppen verbessern. Gleichzeitig vermeidet die unterirdische Speicherung die Gefahr einer Erhöhung der Inzidenzrate für beispielsweise Malaria, wie sie infolge von oberirdisch angelegten Ponds nachgewiesen worden ist.
Field Investigation on Hydroabrasion in High-Speed Sediment-Laden Flows at Sediment Bypass Tunnels
(2020)
Wear due to sediment particles in fluid flows, also termed hydroabrasion’ or simply ‘abrasion’, is an omnipresent issue at hydraulic structures as well as in bedrock rivers. However, interactions between flow field, particle motion, channel topography, material properties and abrasion have rarely been investigated on a prototype scale, leaving many open questions as to their quantitative interrelations. Therefore, we investigated hydroabrasion in a multi‐year field study at two Swiss Sediment Bypass Tunnels (SBTs). Abrasion depths of various invert materials, hydraulics and sediment transport conditions were determined and used to compute the abrasion coefficients kv of different abrasion models for high‐strength concrete and granite. The results reveal that these models are useful to estimate spatially averaged abrasion rates. The kv‐value is about one order of magnitude higher for granite than for high‐strength concrete, hence, using material‐specific abrasion coefficients enhances the prediction accuracy. Three‐dimensional flow structures, i.e., secondary currents occurring both, in the straight and curved sections of the tunnels cause incision channels, while also longitudinally undulating abrasion patterns were observed. Furthermore, hydroabrasion concentrated along joints and protruding edges. The maximum abrasion depths were roughly twice the mean abrasion depths, irrespective of hydraulics, sediment transport
conditions and invert material.
The Tigray and Afar Water Initiative (TAWI) is a collaboration between the Mekelle University (Ethiopia), the Muenster University of Applied Sciences (Germany) and the Westfalian Wilhelms-University Muenster (Germany). This special initiative is concerned with the rural water supply for the particularly water-scarce regional states of Tigray and Afar in the semi-arid north of Ethiopia. This paper describes a pilot project near the village of Koraro, Hawzen county in the Tigray region and deals with river reaches or creeks which carry water for short periods and only after the longer of two rainy seasons. When these waters run dry, water is still often to be found under the dry beds and is used casually by local people for agricultural purposes. An impermeable wall constructed as a subsurface dam to retain water in the ensuing subsurface micro-reservoir under the bed of such rivers could enable this usage to be intensified and hence enhance the water supply of small local user-groups, while at the same time positively influencing the landscape water balance. Here, the word micro refers to the fact that only the pores of the granular soil of an alluvial river bed are used to store water. Furthermore, storing water underground also avoids the danger of increasing the incidence of diseases such as malaria, a consequence of open water ponds.
The Solis dam was built in 1986 by the Electric Power Company of Zurich (ewz). Ever since the construction, large amounts of sediments accumulated in the reservoir and led to severe sediment aggradation. As a consequence, the storage volume was reduced by about 50% till 2012 causing loss of energy production. Additionally, in the near future sediments may have caused severe damage at the dam due to blockage of the bottom outlets. Therefore, in 2011 and 2012 a sediment bypass tunnel was realized in order to redirect the incoming sediments into the tailwater to inhibit sediment aggradation. Since its inauguration, the tunnel was operated four times including a 100-year flood event in August 2014. First operational experiences are described herein.
Eine besonders von Wassermangel betroffene Region ist das Bundesland Afar im Nordosten Äthiopiens. In diesem Gebiet befindet sich das Dorf Hidmo. Mittels Geldern aus der Entwicklungshilfe hat die äthiopische Regierung dort ein Schulgebäude errichten lassen, damit die Kinder aus der Umgebung der allgemeinen Schulpflicht nachkommen können. Es wurde aber vergessen, Geld für eine Wasser-und Sanitärversorgung einzuplanen, diese wäre notwendig, da die nächste Wasserstelle 500 m weit entfernt ist. Im Rahmen dieser Arbeit soll auf Vorplanungsniveau untersucht werden, inwiefern es möglich ist, Niederschlagswasser zu speichern, welches den Schülern als Wasserquelle dient und welche Sanitärsysteme dafür in Frage kommen. Zum einen sollen diese das Ausbreiten von Krankheiten verhindern und zum anderen die knappe Ressource Wasser schonen. Zusätzlich soll versucht werden, Bewässerungswasser bereit zu stellen, zur Bewässerung eines schuleigenen Nutzgartens, der dazu dienen soll, die Kinder in sparsamen Bewässerungsmethoden zu schulen. Der Wasserspeicher soll nur Brauchwasser zum Händewaschen und zu Bewässerungszwecken liefern. Trinkwasser soll mittels einer Rohrleitung aus der vorhandenen, 500m von der Schule entfernten, Wasserquelle bezogen werden. Zur Auswahl sollen nur angepasste Technologien kommen, vorwiegend einfach gehalten, dem Prinzip der Kreislaufwirtschaft nahekommend.
The construction sector is one of the largest consumers of raw materials and energy, as well as a producer of CO2 in the European Union. To reduce environmental pollution and to preserve raw materials and energy, resource-efficient building elements must be designed. Even if laws demand resource-efficient product design in the building sector, there is no independent evaluation system for the resource efficiency of building elements (e.g., walls, roofs, floors). Such an evaluation should take the whole life cycle into account. The measurement of reusability and recyclability is therefore necessary. This article, therefore, describes the development of an evaluation system for reusability and recyclability to be included in resource efficiency assessment. Existing approaches and the special requirements of the building sector are considered. Finally, a practical example shows that the developed system is suitable for the assessment of reusability and recyclability. It can be used for the comparison of different construction methods or for the comparison of specific designs or products; thus, the evaluation system is helpful for architects as well as for product designers.
Verockerung wasserbaulicher Filteranlagen: Stand der Wissenschaft und notwendige Untersuchungen
(2022)
In den letzten Jahrzehnten kam es in Einzelfällen zu schweren Schäden an wasserbaulichen geotextilen Filteranlagen infolge der Verstopfung durch ausgeflockte ockerhaltige Produkte. Durch eine starke Verminderung der Durchlässigkeit der Geokunststoffe in Kombination mit einem hohen hydrostatischen Druck wurden unter anderem die Deckschichten verschiedener Deckwerke in den tidebeeinflussten Wasserstraßen Ems und Weser angehoben und beschädigt. Bisher wurden die Milieubedingungen, d.h. Grundwasser- und Oberflächenwasserbeschaffenheit sowie Aquifer- und Deckwerksmaterial, unter denen die Ockerbildung in geotextilen und mineralischen Filteranlagen auftritt, noch nicht systematisch untersucht. Im Rahmen des vorliegenden Beitrags werden im ersten Schritt aus theoretischen Untersuchungen und Datenanalysen von Grundwasser- und Oberflächenwasseruntersuchungen Kriterien zur Bewertung der Verockerungsneigung abgeleitet. Diese Kriterien bzw. DOCP (decisive ochre clogging parameters) zeigen in den Ästuaren Ems, Weser und Elbe Beträge an, die Verockerungserscheinungen begünstigen bzw. ermöglichen. Auf Basis dieser Untersuchungen werden im zweiten Schritt Randbedingungen für zukünftige systematische in-situ Untersuchungen an wasserbaulichen Filteranlagen sowie im experimentellen Modell abgeleitet.