Afvoer capaciteit rivier berekenen en factoren: een uitgebreide handleiding

Rioleringssystemen (DWA, HWA), voor zowel binnen als buiten / in of buiten de woning, NEN 3215, worden samengesteld uit leidingen en hulpstukken en rioleringsputten. De diameters die we willen toepassen in ons rioleringssysteem zijn afhankelijk van een aantal factoren. Minimale diameter hoofdriolering (leidingen en putten); I.v.m. Voor rioleringsputten geldt meestal een minimale putdiameter van Ø600mm of Ø800mm. Hydraulische dimensioneringsuitgangspunten (Bui10 +10% voor HWA, maximaal 50% buisvulling DWA). Het rioolsysteem moet voldoen aan een bepaalde ontwerpcapaciteit Bui08 en Bui10 (vaak inmiddels plus 10% i.v.m. klimaatverandering) staan in de meeste vGRP’s gemeld.

Inmiddels zijn er via Rioned de composietbuien die steeds vaker de rol van de Bui08 en Bui10 over gaan nemen in de dimensionering van de hemelwaterafvoer. Binnen gemeenten en waterschappen speelt hierin steeds vaker de klimaatproblematiek. Dit verwerken gemeenten en ingenieursbureaus d.m.v. Vaak gebruikte historische bui is “De bui van Herwijnen” uit 2011 en tevens zijn er composietbuien beschikbaar met vergelijkbare herhalingstijden. Met dergelijke hoeveelheden neerslag lijkt de afvoercapaciteit minder relevant. Toch is niets minder waar. Het waarborgen van voldoende afvoercapaciteit naar de overstorten is belangrijk om de omvang en duur van water op straat te limiteren. Hiermee speelt de afvoercapaciteit een belangrijke rol met het voorkomen van wateroverlast en waterschade.

Voor het hemelwatersysteem worden hiermee de leidingdiameters bepaald. Iedere situatie vraagt om een goed doordachte aanpak. Hoe je het regenwater het beste kunt opvangen, is daarom ook afhankelijk van verschillende factoren.

Algemeen

Het woord ‘hydraulica’ stamt van oorsprong uit de Griekse woorden HYDRO (=water) en AULOS (= pijp, buis). Als de vereiste capaciteit van het leidingsysteem is bepaald, moet de leidingdiameter worden berekend. De leidingdiameters voor een vermaasde rioleringsstelsels (gemengd en HWA) worden berekend middels hydrodynamische modelingsprogramma’s.

Terreinriolering: Voor terreinriolering worden diameters berekend met behulp van statische of dynamische rekensheets. De terreinleiding kunnen worden gedimensioneerd met behulp van de NTR3216 volgens de norm NEN 3215. De norm bevat een dimensioneringsgrafiek waarbij u vanuit een afvoerhoeveelheid de juiste diameter in de grafiek kan aflezen. U ziet dit terug in Grafiek 1 onder aan deze pagina. De uitgangspunten qua weerstandwaarde van de grafiek zijn wat positief te noemen. Modelingssoftware maakt gebruik van de formule van Chezy. Deze formule is het meest geschikt voor tijdsafhankelijke dimensionering. C = Chezy coefficient (o.a. P = perimeter = natte omtrek).

Dimensionering van volledig gevulde buisleidingen: Bij de formule van Chezy is het drukverlies in de leiding afhankelijk van de eenheden in vorige paragraaf. De berekeningen kunnen sterk worden vereenvoudigd door gebruik te maken van Grafiek 1 onder aan deze pagina. In de grafiek zijn zowel het debiet als het verhang (drukverlies in meters per strekkende meter buisleiding) op logaritmische schaal afgebeeld. Bovendien is het mogelijk met behulp van de grafiek de stroomsnelheid te bepalen in de 100% gevulde buisleiding.

Snelheid en debiet bij gedeeltelijk gevulde leidingen

Voor DWA stelsels rekent men met maximaal 50% vulling van de leidingdiameter en een vuilwaterhoeveelheid van 12l/inw/uur (komt overeen komt drinkwatergebruik). Afhankelijk van de hoeveelheid woningen en inwoners (tussen de 2,5 en de 2,3 inwoners per huishouden) kan de DWA hoeveelheid worden berekend. In de praktijk gebruiken modelleurs een geheel gevulde leiding en rekenen met de helft van het debiet. Vervolgens wordt gecontroleerd of de totale vuilvracht van 12l/inw/uur afgevoerd kan worden met de half gevulde leiding. In de praktijk kan een PVC leiding Ultra 3, SN8 van Ø250mm met een verhang van 1:700 m/m de vuilvracht van 2500 inwoners afvoeren met halve vulling.

Voor terrein en binnenriolering gelden andere normen en hoeveelheden vuilwater. Als de leiding gedeeltelijk is gevuld, kunnen de afvoersnelheid en het debiet worden uitgedrukt in een percentage van de respectievelijke snelheid en debiet van een volledig gevulde leiding. In figuur 12 leest men af dat bijvoorbeeld bij een vulling van 40% van de diameter (h/D = 0,4) de afvoer Q’ 34% is van de afvoer Q, bij volledig gevulde buis.

Een van de voornaamste voordelen van PVC rioleringsbuizen is de geringe wandruwheid. Bij het berekenen van de capaciteit van een vrijvervalleidingsysteem kan men bij kunststof rekenen met een k-waarden van 0,8mm (gebaseerd onderzoek na 30 jaar gebruik). Voor een nieuwe kunststof leiding zit de k-waarde na aanleg op 0,25 a 0,40mm. Dit zijn de theoretische k-waarden van PVC buizen welke worden gebruikt voor rioolpersleidingen en vrijvervalriolering. Door in- en uittredeverliezen en de eventuele bochtverliezen te betrekken in de wandruwheid, ontstaat er een gemiddelde bedrijfswandruwheid.

Daarnaast spelen adviezen en producten van leveranciers zoals ACO een rol bij ontwerp en uitvoering. Advies op maat bespaart immers veel tijd en kosten. Vakkundige adviseurs zorgen voor een optimale begeleiding, van ontwerp tot uitvoering. Voor een optimale afvoercapaciteit wordt de noodzakelijke breedte en hoogte van de kanalen en het aantal uitlopen bepaald, hierbij rekening houdend met de karakteristieken van het af te wateren terrein.

NEN 3215 en dak- en gootberekeningen

Het berekenen van de afvoercapaciteit van een dak is mede afhankelijk van de afmetingen van de HWA-buizen en het aantal HWA-buizen. Dit aantal wordt bepaald door het dakoppervlak, de hoeveelheid neerslag en de afvoercapaciteit. i = regenintensiteit en is 1,8 liter/(minuut . De dakoppervlak wordt bepaald met het product van de lengte (l) en de effectieve breedte (b) van het dakvlak. De dakhelling ε bepaalt de reductiefactor β. (β = 0,3). Bij platte daken wordt de afvoer van regenwater naar de dakafvoer vertraagd. Hiervoor wordt de regenintensiteit (i) van 1,8 l/(min.m²) vermenigvuldigd met de factor α. Nu moet eerst het aantal HWA-buizen (n) worden bepaald.

Min. dakoppervlak (F) = 110 m² => min. gootlengte 22 meter (expansiestuk nodig). Min. en Max. Het debiet en het regiem zijn belangrijke eigenschappen van een rivier. Rivieren zijn er in alle soorten en maten. De afvoer oftewel debiet is de hoeveelheid water die per tijdseenheid een zekere doorsnede passeert; gemeten in l/s of m3/s. De afvoercapaciteit per HWA-buis is afhankelijk van het type dakgoot waar deze onder wordt gemonteerd. Er gelden altijd een aantal basisvoorwaarden: Een dakvlak groter dan 100 m2 moet minimaal 2 afvoerpunten hebben. De maximale lengte van een dakgoot per HWA-buis is gerelateerd aan de diameter van de HWA-buis: diameter 60 en 70: maximaal 10 meter; diameter 80 en 100: maximaal 20 meter.

In Nederland speelt ook het regionale waterbeheer een rol. De waterlijn van het dak moet binnen de vooropstand van de goot vallen. De afvoercapaciteit hangt af van de verhouding tussen de goothoogte en gootbodem en de diameter van de HWA-buis. In de downloadsectie vindt u alle belangrijke informatie. De berekening is gebaseerd op NEN 3215 met een regenintensiteit van 1,8 liter per minuut per m². Voor projecten boven 200 m² dakoppervlak is een volledige NEN 3215 berekening door een installateur verplicht. Het aantal benodigde HWA-buizen wordt bepaald door twee randvoorwaarden: het dakoppervlak (maximaal 110 m² per buis) en de gootlengte (maximaal 12 m per buis). De hoogste uitkomst is maatgevend.

Rivierdebiet en regiem

Het debiet en het regiem zijn belangrijke eigenschappen van een rivier. De afvoer of debiet is de hoeveelheid water die per tijdseenheid een zekere doorsnede passeert; deze wordt uitgedrukt in l/s of m3/s en wordt voor rivieren meestal opgegeven voor de monding. De grootte van het debiet is afhankelijk van de oppervlakte van het stroomgebied, het klimaat, de samenstelling van de bodem, de vegetatie en van menselijk ingrijpen. Een hoog debiet kan gebruikt worden voor hydro-elektriciteit maar ook leiden tot overstromingsrisico. Een regiem met sterke fluctuaties kan leiden tot verdroging. Doseren van water is essentieel in droge periodes en bij piekafvoeren.

Regenbelasting per dakvlak en reductiefactoren volgens NEN 3215 bepalen het benodigde aantal en diameter van HWA-buizen. De formule voor regenbelasting per dakvlak luidt: Regenbelasting per dakvlak (l/s) = α x i x β x Ad. Hierbij α staat voor het reductiefactor afhankelijk van het daktype, i voor regenintensiteit en β voor dakhelling. Ad is het dakoppervlak in m2. Uitkomsten worden in liter per seconde uitgedrukt en vormen de basis voor de dimensionering van HWA en VWA op gescheiden leidingen.

Samenvatting en praktijktips

• Begin met NEN 3215 als basis voor berekeningen en graphics met grafieken en Chezy-model waar nodig.
• Houd rekening met klimaatverandering door minimum +10% capaciteit voor Bui08/Bui10 trends.
• Bepaal dakoppervlak en gootlengte om aantal HWA-buizen te berekenen; max 110 m2 per buis, gootlengte per buis afhankelijk van diameter.
• Overweeg 2 HWA-buizen bij dakvlak > 100 m2 en controleer of 1 buis voldoende bij korte goten.
• Bij platte daken kan Regenintensiteit met α.factor worden aangepast; bij schuine daken zijn β en Ad doorslaggevend.
• Kies buismaterialen met lage wandruwheid zoals PVC; houd rekening met k-waarden voor verschillende vulingsgradaties.
• Riolering buiten de woning en ondergrond vereist geïntegreerde afstemming met gemeenten en waterschappen voor klimaatbestendigheid.
• Voor dakberekeningen kan een calculator worden gebruikt; projecteren op dakoppervlak per afvoerpunt en vul percentages.
• Let op hydrodynamische modelleertechnieken bij gemengde stelsels en gebruik grafieken voor snelle dimensionering.

Tabel: kernwaarden en randvoorwaarden

tags: #afvoer #capaciteit #rivier