Abflussuntersuchung |
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Die Bedingungen für hohe Abflusswerte sind dann gegeben, wenn der Boden wassergesättigt ist und die Verdunstung gering ist. Die Höhe des Niederschlages, die Lufttemperatur, die relative Luftfeuchte und die Windgeschwindigkeit spielen daxbei eine sehr wichtige Rolle. Grundsätzlich gilt: je höher der Wassergehalt in Luft und Boden, desto weniger Wasser können beide durch Verdunstung oder Versickerung aufnehmen. Die regelmäßige Überflutung vieler Flüsse ist ein natürlicher Vorgang, der häufig durch starke Regenfälle hervorgerufen wird. Die Wasserführung von Flüssen, deren Einzugsgebiet in schnee- und eisbedeckten Regionen reicht, kann durch Schmelzwasser erheblich zunehmen. Der Hochwasserstand kann ohne, oder mit nur sehr kurzer Vorankündigung innerhalb kurzer Zeit steigen und wieder abfallen. Plötzliche Überschwemmungen werden in der Regel durch starke Regenschauer hervorgerufen.
Ein geeignetes Instrument in der Hochwasserprognose ist die Abflussuntersuchung. Der Hauptteil dieser Untersuchungen ist ein Lageplan in dem Überflutungsflächen für bestimmte Wiederkehrintervale (üblich sind Tn=1J, 5J, 10J, 30J und 100Jahre) dargestellt sind. Auch die eingesetzte Software ist ein sehr wichtiges Qualitätsmerkmal der Ergebnisse. Der Einsatz der alten guten stationären, eindimensionalen Wasserspiegelberechnungen, ist in den letzten Jahren, aufgrund der neuen Erkentnisse in der Strömungsmechanik und effizienter Ansätze bei der numerische Lösung der Flachwassergleichungen, nur mehr bedingt zu verantworten. Die Berücksichtigung der fließenden und stehenden Retention ist - teilweise - nur mittels instationärer 2D Modelle möglich. Die dafür benötigten hydrologischen Eingangsdaten können am besten mittels Niederschlag-Abfluss-Modellierung geliefert werden.
Die 1D hydraulischen Modelle sind effizient, kostengünstiger und in der Anwendung nicht allzu kompliziert. Die meisten kleinräumigen Abflussuntersuchungen werden noch immer - und mit gutem Grund - auf diese Weise durchgeführt. Die Entscheidung ob ein 1D, 2D oder sogar 3D Modell benötigt, ob ein stationäres oder instationäres Zustand berechnet wird, ist relativ einfach, wenn die Grenzen des Modells berücksichtigt werden und die Ergebnisse, welche die Abflussuntersuchung bringen soll, klar definiert sind.
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Eingangsdaten, Softwareauswahl
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Ein- oder mehrdimensional, stationär oder instationär -- primäre Entscheidung für eine Abflussuntersuchung:
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1D
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2D
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stationär
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instationär
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stationär
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instationär
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Vermessung
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Querprofile
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Flächendeckend, getreue Bruchkantebildung
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Geländemodell
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relativ einfach, automatisierbar, kostengünstig
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komplexe Aufgabe, hoqualifiziertes Personal, teuerer
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Hydrologische Daten
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konstante Werte
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Zuflussganglinien
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konstante Werte
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Zuflussganglinien
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Retentionswirkung
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nein
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ja
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nein
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ja
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Strukturiertes Gelände
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bedingt anwendbar, die Modellierung der seitliche Überströmung außerst komplex, schwierig bis unmöglich
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automatisch berücksichtigt
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Anforderungen an den Anwender
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mäßig, für quasi-2D Effekte große Erfahrung notwendig
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große Erfahrung und Kentnisse (neben Hydraulik im Bereich: Geländemodellierung, GIS 2D-Anwendung, und Numerik)
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Geeignet für Beurteilung der Habitate
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nein
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bedingt
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ja
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Ergebnisse - Wasserspiegellage
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nur für Querprofilen (bis max 3 Werte / Profil)
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genaue Höhe für jeden Punkt des Geländenetzes
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Ergebnisse - Anschlaglinien
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zwischen Querprofile - ungenau
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durchgehend genau ermittelt
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Ergebnisse - Geschwindigkeitsvektoren
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nein
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ja, dazu Schubspannungsgeschwindigkeit und Schleppspannung
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Ergebnisse - Wassertiefen
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indirekt - in Querprofil
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für jeden Geländepunkt
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Ergebnisse - Visualisierung
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In Querprofile und Längsprofile:sehr gut
Lageplan: keine, bis schematische Animationen: keine gefährdete Objekte: durch Nachbearbeitung
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für jeden Geländepunkt, umfangreiche Darstellungssmöglichkeiten, Animationen, für die gefährdete Objekte - automatische Ermittlung
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Gefahrenzonenpläne
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durch Nachbearbeitung - (in WASPI integrierte dafür vorgesehene Funktionen)
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präziser und mittels GIS Funktionen automatisierbar
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Schadenspotentiale und Risikoanalysen
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durch aufwendige Nachbearbeitung
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effizient, durch automatische Übernahme der Wassertiefen, Wasserhöhen, Geschwindig-keitsvektoren und Schleppspannungen als GIS Layer
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Ergebnisse
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Im Züge einer Abflussuntersuchung werden gefährdete Objekte erhoben, Schadenspotentiale und Risikoanalyse werden ebenfalls durchgeführt. Die Vorschläge für Hochwassershutzmaßnahmen gehören ebenfalls dazu. Einige Ergebnisse der 2D hydraulischen Berechnungen sind:
- Wasserspiegellhöhen
- Wassertiefen
- Skalarwerte und Richtungen der Geschwindigkeitsvektoren
- Schleppspannungen und Schubspannungsgeschwindigkeiten
- Animierte Darstellungen der Übeflutungsvorgänge auf Basis von digitale Katastermappen, Luftbilder oder Reliefmodelle - in Form von Kurzfilme (wetting-drying Vorgang)
- Animierte Darstellungen des Strömungfeldes - Fließpfade
- Abflussganglinien eines beliebigen Querprofils
- Genaue Angaben über die Wassermassen
- Präziser Verlauf der Anschlaglinien
Speziell Vorlandüberflutungen und der Abfluss im bebauten Gebiet werden anhand von 2D Abflussmodelle sehr gut wiedergegeben.
Die Resultate sind von uns in Querprofilen, Längenschnitten und Lageplänen dargestellt. Im Falle einer 2D Abflussuntersuchung liefern wir Kurzfilme mit Strömungsbildern über die Entwicklung der Fluttwelle für das Gesamtgebiet und für entscheidenden Bereiche.
Die detaillierten Ergebnisse der 2D hydraulischen Berechnungen sind für spätere GIS Analysen sehr vorteilhaft. Die Klassifizierung der Überflutungsflächen über Wassergeschwindigkeiten, Wassertiefen und Schleppspannungen - mittels GIS - ist somit leicht möglich. Resultate der Variantenanalysen können durch aussagekräftige Visualisierungen, der entstandenen Differenzen, ergänzt werden.
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Ausweisung von Überflutungsflächen |
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In der Wasserrechtsgesetz-Novelle 1990 wurde § 38 WRG 1959 (besondere bauliche Herstellungen im Hochwasserabflussgebiet) geändert, sodass Anlagen im HQ30-Bereich (Schutz vor dem sogenannten 30-jährlichen Hochwasserereignis) jedenfalls einer Bewilligung der Wasserrechtsbehörde bedürfen.
“Als Hochwasserabflussgebiet (Abs. 1) gilt das bei 30-jährlichen Hochwässern überflutete Gebiet. Die Grenzen der Hochwasserabflussgebiete sind im Wasserbuch in geeigneter Weise ersichtlich zu machen.”
Die Ausweisung der Überflutungsflächen, bzw. der Gefahrenzonen ist somit auch ein Raumplanungsinstrument. Die Ausweisung der Überflutungsflächen ist nur ein Schritt in dem komplexen Apparat des Hochwasser-Managements. Die umfassenden Maßnahmen die getroffen werden müssen, von Hochwasserschutzmaßnahmen bis zu Alarm- und Notfallplänen verlangen oft längere Enwicklungsphasen. Eine frühzeitige Durchführung einer Abflussstudie hat sich oftmals als entscheident erwiesen.
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Sedimenttransport |
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In ihren Oberläufen verfügen Flüsse in der Regel über eine hohe Erosionskraft. Die mitgeführte Wassermenge ist zwar noch gering, aufgrund der im Oberlauf großen Höhenunterschiede ist die Reliefenergie jedoch sehr hoch. Bei starker Erosion kommt es zur Entstehung markanter Täler mit V-förmigem Querschnitt. Wenn die Erosion besonders stark ist, wird beim Austritt des Flusses aus dem Gebirge eine große Menge an Material in Form von Schwemmfächern abgelagert.
Im Mittellauf des Flusses gehören Transport und Sortierung der Sedimente zu den vorherrschenden landschaftsgestaltenden Vorgängen. Der Fluss ist nicht mehr in der Lage, groben Kies und Geröll zu befördern, seine Schleppkraft reicht aber noch zum Transport von Material mit kleinerer Korngröße (z. B. Sand).
Die Ablagerung im Unterlauf ist in diesem Bereich des Flusslaufs der dominierende landschaftsgestaltende Prozess. In den Tiefländern bildet der Fluss eine breite Flussaue aus, indem er Feinmaterial seitlich ablagert, was zur Entstehung von Flusssandbänken führt. Während eines Hochwassers lagert das Wasser den größten Teil der mitgeführten Sedimente ab, wenn sich seine Fließgeschwindigkeit beim Verlassen des Flussbettes verlangsamt. Als Folge davon bilden sich mit der Zeit natürliche Kämme auf beiden Ufern aus, die als Dämme bezeichnet werden. Ist die Sedimentmenge, die der Fluss mitführt, ausreichend groß, kann er mehrere Flussbetten ausbilden, die miteinander verflochten sind. Dadurch entsteht ein breiter, stark verzweigter Fluss, der fortwährend seine Lage verändert.
Die Transportrate der Geschiebe setzt sich zusammen aus der Geschiebefracht und der Suspensionsfracht
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 Als Geschiebefracht werden alle Teilchen bezeichnet, die sich während ihrer Bewegung nicht vom Untergrund lösen, sondern auf der Sohle in Richtung der Strömung rollen, gleiten, hüpfen und rutschen. Wesentliche Faktoren für die Geschiebefracht sind die Größe und das Gewicht des Korns, sowie die Neigung der Sohle. Einstein definiert den Bereich, in dem “Bed-load” Transport maßgeblich beteiligt ist, als eine Schicht über dem Boden von der Dicke des doppelten Korndurchmessers.
Mit Suspensionsfracht wird der Transport jener Teilchen erfasst, die infolge Aufwirbelung “in Suspension gehen'' und mit der Strömung über weite Strecken transportiert werden, um an anderer Stelle abzusinken (sedimentieren). Die Aufnahme von Sediment wird durch die Morphologie und die Bodenschubspannung, bzw. deren Verhältnis zur kritischen Sohlschubspannung beeinflusst.
Konzentration der Suspension wird im wesentlichen durch das Kräfteverhältnis der aufwärtsgerichteten Geschwindigkeitskomponente und der Sinkgeschwindigkeit des Korns beeinflusst. Für den Transport der Suspensionsfracht, sind die horizontalen Geschwindigkeiten maßgebend. Die Grundlage des großräumigen Sedimenttransport-Modells sind - wie bei Strömungsmodelle - die Flachwassergleichungen.
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Kolkbildung - Vorhersage und Massnahmen
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Die Gefährdung der Brücken über Wasser durch Kolkbildung wurde neulich, durch eine umfangreiche Studie von 1988, durchgeführt von der Bundesstraßenbehörde der USA (FHWA), belegt. Diese Maßnahme war das Ergebnis der Überschwemmungen in den Neu-England-Staaten 1987, die 17 Brücken zerstörten oder beschädigten und 10 Menschenleben forderten. Kolke, die infolge einer Wechselwirkung von Boden, Bauwerk und Wasser entstehen, sind ein Problem, das die Infrastruktur beeinflusst und gleichzeitig menschliches Leben und Eigentum gefährden kann. Ein Kolk entsteht, wenn Bodenmaterial durch Wasser verlagert wird, häufig infolge verstärkter Turbulenz und von Störmungskräften, die im fließenden Wasser entstehen, auf Grund des Vorhandenseins von Bauwerken wie Dämmen, Brücken, Schussrinnen, Rohrleitungskreuzungen in Flüssen, Rohrleitungen im Seeboden, Ufersicherungen in Flüssen, Wellenbrechern, Abflussstollen und anderen Infrastrukturbauwerken, die der Wechselwirkung zwischen Boden und Wasser ausgesetzt sind.
Obwohl schon die reinen Reparaturkosten von beschädigten Infrastrukturbauwerken häufig eine bemerkenswerte Summe erreichen, können die indirekten Kosten solcher Versagensfälle sogar noch größer sein. Die Straßenbauverwaltung der USA schätzten die indirekten Kosten, die der Öffentlichkeit, dem Geschäftsleben und der Industrie infolge langer Umwegzeiten und verlorener Produktionszeiten entstanden sind, bis zu fünf Mal größer ein als die direkten Reparaturkosten der Brücke (Lagasse & Richardson 2001).
Ein Kolk kann beschrieben werden als der wellenbedingte Abtrag der wasserbenetzten Sedimente, der zu Schäden an dem natürlichen oder künstlichen Umfeld führen kann. Im Folgenden wird Kolk als global bezeichnet, wenn er im Flussbett oder an der Küste auftritt, und lokal, wenn er in der Nähe von Bauwerken oder als eine Folge vom Vorhandensein beliebiger Arten von hydraulischen Bauwerken entsteht.
Flusskolke
- Abtrag
- Krümmungskolke
- Vereinigungskolke
- Geschiebe induzierte Kolke
- seitliche Erosion
Kolke an Wasserbauwerken
- Kolke an Brückengründungen
- Durchlässe und Überfälle
- Zerstörung an Überläufen
- Talsperrengründungen
- Wellenbrecher
- Rohrleitungen unter Wasser
Die Vorhersage von Kolkbildung und die Bemessung von Maßnahmen, um die Infrastruktur gegen Kolk zu schützen, erfordert Wissen und Erfahrung in der Geotechnik, der Hydraulik, der Hydrologie und der Ingenieurgeologie. Die Analyse der Wechselwirkung zwischen Bauwerk, Boden und Wasser erfordert Kenntnis über die Strömungsvorgänge im Wasser und die Kräfte, die davon auf Bauwerk und Boden ausgeübt werden. Sie erfordert ebenfalls Kenntnis darüber, wie der Boden, auf dem ein Bauwerk gegründet ist, auf die vereinte Belastung von Bauwerk und fließendem Wasser reagiert.
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Verlandungsuntersuchungen von Stauräumauern |
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Der weltweit jährliche Verlust an Speichervolumen durch Verlandung übertrifft bereits heute die jährliche Volumenzunahme durch den Bau von neuen Stauseen, für die Bewässerung, Trinkwasserversorgung und Wasserkraftnutzung. Für alpine Speicher liegt die Verlandungsrate weit unter dem weltweiten Durchschnitt. Dennoch ist nach 40 bis 60 Jahren Betrieb der Stauseen in den Alpen die Verlandung in vielen Speichern zu einem bedeutenden Problem geworden. Verantwortlich sind Trübeströme, die sich als Unterwasserlawinen mit hohen Schwebstoffkonzentrationen entlang dem Talweg des Stausees bis in die Nähe der Staumauer bewegen.
Mit den Zuflüssen gelangen auch Feststoffe in die Speicher und in die Stauräume von Flusskraftwerken. Aus Speichern müssen solche Materialien entfernt werden. Damit wird verhindert, dass die Feststoffe wichtige Betriebseinrichtungen, wie die Grundablässe von Talsperren funktionsuntüchtig machen. Die Feststoffe werden aus den Speichern entweder ausgespült oder zum Beispiel von Saugbaggern ausgepumpt, verfrachtet und in dafür geeigneten Räumen abgelagert. Bei großen Jahresspeichern müssen Maßnahmen gegen die Verlandung durch Feststoffe erst nach sehr langem Betrieb ergriffen werden. Das Freispülen von sehr tief liegenden Betriebseinrichtungen kann mitunter allerdings erforderlich sein. Die Anlandungen von Feststoffen in den Stauräumen von Flusskraftwerken werden üblicherweise bei Hochwasser durch Öffnen der Wehranlagen ausgespült - und somit dem Fluss zurückgegeben.
Untersuchungen und Maßnahmen
Geeignete Maßnahmen sind individuell für jede Anlage festzulegen. Eine der praktizierten Maßnahmen ist die saisonal variable Dotierwassermenge, um neue Dynamik in die Verlandungsräume zu bringen, sodass einerseits alte Inseln angerissen werden und andererseits wieder offene Schwemmbänke entstehen. Eine weitere Maßnahme stellt die Planung eines neuen Grundablasses, an einer vorher präzise errechneten Stelle, als entscheidende Hilfe für die Abtragung der an der Dammmauer angelagerten Sedimente
Wir erstellen auf Basis eines Computermodells Verbesserungsvorschläge, in dem wir ermitteln, in welchem Umfang z.B. ein neuer Seitenarm, die bestehenden Sedimente abtragen würden. Durch Computer-Simulationen von mehreren Varianten lassen sich Rückschlüsse über die bestgeeignete Lösungsmaßnahme ziehen.
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Rohrhydraulik, Spezielle Hydraulik |
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Rohrhydraulik, Wasserversorgung
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Die Planung der Gewinnung, Aufbereitung und Beförderung von Wasser, meist in Trinkwasserqualität, für Haushalte, Industrie und Bewässerung sowie die Planung der dazu benötigten Anlagen ist eine sehr komplexe und sensible Aufgabe. Wir führen effiziente, kompetente und ausgedehnte Simulationen der hydraulischen Phänomene und des Wasserqualitätsverhaltens innerhalb der unter Druck gesetzten Rohrnetze durch. Ein Netz kann aus Rohren, Nullpunkten (Rohrverzweigungen), Pumpen, Ventilen und Sammelbehältern oder Vorratsbehälter bestehen. Die eingesetzte Software “spürt” den Fluss des Wassers in jedem Rohr, den Druck an jedem Nullpunkt, die Höhe des Wassers in jedem Behälter und die Konzentration einer chemischen Substanz während einer Simulationsperiode, die aus mehreren Zeitschritten besteht, auf. Zusätzlich zu chemischen Substanzen, kann auch Wasseralter und Quellverfolgung simuliert werden.
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Spezielle Hydraulik
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Wie zB Gerinneberechnung bei Busch- und Baumbestand, Stau- und Senkungslinien, instationäre Strömungen (Ausfluss aus Behältern, Druckstossproblematik und dergleiche sind wir stehts bereit zu unsere Aufgaben zu machen!
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