Hydraulischer Test einer Rigole

Ein letzter Auftrag im Jahr 2022 war die Ermittlung des k_f-Wertes und der hydraulische Nachweis der Versickerung mit Prüfung der Dimensionierung nach DWA-Arbeitsblatt DWA-A 138 für eine vorhandene Rigole. Es handelt sich um ein Praxisbeispiel für eine weitere „Feldmethode“ eines in situ Versickerungsversuches.

Der Test war erfolgreich und der Antrag auf Änderung des Anschlusses an die öffentliche Niederschlagswasseranlage (Abkoppelung vom RW-Kanal) ist genehmigt.

Rigolendaten

• Breite = 1,40 m
• Länge = 1,40 m
• Höhe = 1,00 m
• Grundfläche = 1,96 m²
• Volumen = ca. 600 Liter (berechnet 598 l)
• Füllung: Grobschotter (32/64 mm, ca. 2 m³)

Untersuchungsansatz, Methodik

Da vorher für den Rigolenbau keine Untersuchung der Bodendurchlässigkeit durchgeführt wurde, fiel die Wahl der Untersuchungsmethode auf einen Test der Versickerung an der fertigen Rigole. Dabei soll durch „Flutung der Rigole bis zur Vollfüllung“ die Wassermenge und die Zeit gemessen und die versickerte Menge ausgewertet werden. Dieses Vorgehen liefert direkt in situ den Versickerungsnachweis mit k_f-Wert. Damit wird dann die Dimensionierung der Rigole nach DWA-A 138 überprüft.

Die Versickerung der vorhandenen Rigole wird mit einem hydraulischen Funktionstest untersucht. Aus der versickerten Wassermenge, den bekannten Abmessungen und der gestoppten Zeit wird dann mit der versickerten Wassermenge der k_f-Wert berechnet. Während der Befüllung findet parallel die Versickerung statt, wobei der Versickerungsanteil aus der Gesamtmenge herausgerechnet wird (unter bestimmten Annahmen*).

Die Rigole wird mit einem Wasserschlauch durch das Einlaufrohr bis zur Oberkante befüllt und in gleichen Zeitabständen von gewählten 10 Minuten die Hauswasseruhr abgelesen. Das erfolgt nahezu sekundengenau durch ein Foto mit dem Handy beim Minutenumsprung (Genauigkeit: t = 1-2 Sekunden, Q = 1 Liter). Bei Vollfüllung wird die Wasserzufuhr gestoppt (t = 87 Minuten) und für einen Zeitraum erfolgt nur die Versickerung. Dieser Zeitraum wurde mit 30 Minuten gewählt (Abschätzung aus der Zulaufmenge pro Zeitintervall und einem noch unbekannten Versickerungsanteil von geschätzten ca. 30 – 50 %).

Anschließend wird die Befüllung noch einmal bis zur Oberkante der Rigole wiederholt, um einen 2. Wert zu erhalten (Fülldauer hier 14 Minuten). Auch hierbei wurde der Wasserspiegel im Zulaufrohr der Rigole gesichtet. Während der gesamten Zeit erfolgte kein zusätzlicher Wasserverbrauch über die Wasseruhr.

Annahmen, Bedingungen

*) Für die Auswertung werden folgende Annahmen gemacht:

• Die Wassermenge Q wird mittels der Hauswasseruhr gemessen
• Die Zeit t wird dabei sekundengenau gestoppt (Fotobeweis)
• Die wirksame Versickerungsfläche A_w ist größer als die Grundfläche A der Rigole und nimmt mit der Höhe h_t des Wasserstandes entsprechend zu
• Die versickerte Wassermenge Q_v ist linear proportional zur Druckhöhe h_t
• Der k_f-Wert wird aus den Daten bei Vollfüllung (Q_v, t, h_t, A_w) ermittelt

Vorgehen bei der Auswertung

• Aus den äußeren Abmessungen wurde zuerst mit dem Volumen der genaue Hohlraumanteil berechnet: P = 0,598 / ( 1,4 _* 1,4 _* 1,0 ) _* 100 = 30,5 %
• Die wirksame Versickerungsfläche A_w wird aus der Grundfläche und einem Anteil der Seitenflächen mit ¼ der Wasserstandhöhen berechnet: A_w = A + 2 _* ( B _* h/4 + L _* h/4 )
• Aus der zugeführten Wassermenge wird die theoretische Druckhöhe h_x berechnet: h_x = Q / ( A _* 0,305 )
• Die max. mögliche Druckhöhe bei Vollfüllung beträgt h_r = 1,0 m; der theoretische Überstau wird während der Befüllung durch Versickerung ausgeglichen: h_v = h_x – h_r mit (h_r = 1,0 m)
• Aus der Volumendifferenz ergibt sich ein Versickerungsanteil von 53,5 %, mit:
• Q_ges. = 1289 L (gemessen)
• V_R = 1,96 m³ _* 1000 _* 30,5 % / 100 = 598 L

Rigolentest: Auswertung

Die Messergebnisse und die damit durchgeführten Berechnungen sind auszugsweise unten in der Tabelle und die zugehörigen Diagramme in den Abbildungen 1 und 2 dargestellt. Im abgebildeten Tabellenbeispiel sehen Sie das Vorgehen zur Ermittlung des Versickerungsanteils mit Formel und Berechnung.

Die Gesamtmenge der 1. Befüllung beträgt 1289 Liter in 87 Minuten. Damit wird theoretisch eine Druckhöhe von h_x = 2,16 m erreicht, die über das Doppelte der Rigolenhöhe beträgt. In der Rigole beträgt sie aber max. nur 1,00 m. Aus der Differenz ergibt sich die Versickerungshöhe h_v und daraus die Versickerungsmenge Q_v während der Befüllung.

Für die Berechnung des k_f-Wertes wird hier die Formel in Anlehnung an die Berechnung nach DWA-A 138 für A_w modifiziert, indem zur Grundfläche ¼ der Höhe der Längsseiten und auch der Stirnseiten zur Versickerungsfläche dazu genommen werden. Alle Seiten sind hier gleich groß (für längere Rigolen ist die Stirnseite zu vernachlässigen).

Ansatz bei Vollfüllung: Q_s = Q_v / t = A_w * k_f

k_f = Q_s / A_w = Q_v / t / A_w

• A_w = A + 2 _* ( B _* h/4 + L _* h/4 )
• h = h_t = 1,0 m
• B = L = 1,40 m
• A = B _* L = 1,96 m²
• A_w = 3,36 m²

Tabellenbeispiel

Uhrzeit	Zeit [min.]	Wasseruhr [m³]	Menge Q [L]	Höhe hx [cm]	Höhe hr [cm]	Höhe hv [cm]	Volumen Vr [L]	Volumen Qv [L]	Sickerfl. Aw [m²]
14:30 14:40 15:57 16:41	0 10 87 14	260,005 260,156 261,294 261,500	0 151 1289 206	0 25,2 216 216	0 11,7 100 100	0 13,5 116 116	0 70 598 96	0 81 691 110	1,96 2,12 3,36 3,36

Die Größe der wirksamen Sickerfläche A_w steigt hier bis zur Vollfüllung um ca. 70 % der Grundfläche A auf max. 3,36 m². Gerechnet wird mit einer linearen Proportionalität in der Höhe. Für die 2. Teilfüllung wird mit dem gleichen Versickerungsanteil von 53,5 % das versickerte Volumen Q_v berechnet.

Ergebnis 1 (Vollfüllung in 87 min.)

k_f = Q_s / A_w = Q_v / t / A_w = 0,691 / (87 _* 60) / 3,36 = 3,93 _* 10^-5 m/s

Ergebnis 2 (Teilvollfüllung in 14 min.)

k_f = 0,110 / 14 / 60 / 3,36 = 3,89 _* 10^-5 m/s

Das 2. Ergebnis kann eine etwas größere Ungenauigkeit aufweisen, da die Messwerte geringer sind. Es wird der gerundete k_f-Wert bei Vollfüllung von 4 _*10^-5 m/s für die Bemessung genommen.

Rigolenversickerung der vorhandenen Rigole

Bei einer Rigolenbreite von 1,4 m und einer Höhe von 1,0 m ergibt sich mit einer versiegelten Fläche von 40,5 m² und dem k_f-Wert von 4,0 _*10^-5 m/s ein max. erforderliches Speichervolumen von 0,594 m³ und eine erforderliche Rigolenlänge von 1,39 m (berechnet nach DWA-A 138). Für das max. Volumen bei einer Regendauerstufe D = 60 min. gilt das Starkregenereignis von r_(60/0,2) = 69,2 L/s_*ha (Standort Barsinghausen, KOSTRA-DWD 2010R, Rasterfeld 38031).

Damit erfüllt die Rigole mit o.g. Abmessungen genau die erforderliche Speicherbedingung für eine angeschlossene undurchlässige Fläche von A_E = 40,5 m²*).

*)Die Flächengröße A_E wurde dabei so angepasst, dass die vorhandene Rigole der Rigolengröße in der Dimensionierung entspricht. Für die darüber hinaus vorhandene versiegelte Fläche wurde eine weitere 2. Rigole berechnet, die noch gebaut wird.

Im Diagramm 1 sind alle Messwerte der Wassermenge über die Gesamtzeit des Rigolentests enthalten. Die versickerte Wassermenge (grün) wurde aus der Differenz vom Zulauf und dem Wasserstand in der Rigole berechnet, ausgehend vom Prozentsatz der Versickerung bei max. 1,0 m Höhe der Vollfüllung (53,5 %).

Diagramm 2 zeigt den Verlauf des berechneten k_f-Wertes über die Zeit für jede Messung. Da mit zunehmender Füllung auch die Sickerfläche der Seitenwände zunimmt, errechnet sich eine größere wirksame Versickerungsfläche und damit ein geringer werdender k_f-Wert (am Anfang 6,4 _*10^-5 m/s). Zusätzlich kann sich ggf. auch ein besserer oder hier ein schlechterer k_f-Wert in geringerer Tiefe unter GOK bei höherem Wasserstand überlagernd auf das Ergebnis auswirken.

Der Endwert bei Vollfüllung entspricht den Verhältnissen um die Rigole, wie sie auch bei dem max. 5-jährigen Starkregenereignis für die Dauer von einer Stunde auftreten. Geringere Niederschlagsmengen in kürzerer/längerer Zeit bedingen eine geringere Füllung (s. Diagramm 3).

Diagramm 3 zeigt den Verlauf des berechneten Speichervolumens der Dimensionierung mit dem max. erforderlichen Speichervolumen bei D = 60 Minuten.