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Einleitung von Wasser in Seen
Wenn Wasser in einen See eingeleitet wird, sucht es den Ort gleicher Dichte auf.
Es muss unterschieden werden zwischen der Einleitungstiefe und der Einschichtungstiefe.
Beispiel: Wird Wasser von 20°C in 10m Tiefe in eine Schicht geleitet, die nur 10°C warm ist, so mischt es sich und steigt dann bis zur Höhe der Mischtemperatur. Wenn es sich um gereinigtes Abwasser handelt, so ist die Einschichthöhe etwas tiefer, weil Abwasser bei der gleichen Temperatur wie Seewasser eine etwas grössere Dichte hat.
Das übliche Konzept wird “Freistrahl” genannt (Vischer, Hutter, Taus, Imboden etc.Wasserbauer, Hydrauliker, Physiker). Im Nahfeld mischt sich der Strahl am Rand mit dem Umgebungswasser und der Kern des Strahls wird gebremst.
Dieses hydraulische Problem wurde mathematisch behandelt und numerisch gelöst - da leider keine mathematisch geschlossenen Lösungen möglich sind. Das Computermodell wurde im Hallwilersee mit Messungen geprüft und bestätigt. (es ist immer möglich, dass irgendein wichtiger Parameter übersehen wurde) . Der Kern wird etwas weiter weg gemischt, wobei diese Mischung mit Mantelrohr wesentlich besser ist. Das Mantelrohr hält die kinetische Energie zusammen und ermöglicht damit eine bessere Mischung der Kernbereiche des Strahls. Die Energie, die verbraucht wird, um den Randbereich von 1:100 auf 1:1000 zu mischen, verpufft damit nicht mehr nutzlos.Die Länge wird mit dem Oeffnungswinkel des Strahls und ab Kontakt mit dem Mantel mit gespiegelten virtuellen Quellen berechnet. Dabei ergeben sich unhandliche Längen. Um die Länge dieses Mantels auf eine vernünftige Länge zu beschränken, sollten Schikanen eingebaut werden. Denkbar sind zum Beispiel Gitter, wie sie in Windkanälen im Einsatz sind. Deren Wartungsaufwand und Strömungswiderstand dürfte allerdings gross sein. Wesentlich besser sind Drallwände, wie sie in Wärmetauschern im Einsatz sind.
Nach neuesten Erkenntnissen ist eine Schraubenlänge von 140° besser, als eine Drehung von um 180°.
Ein heikler Punkt beim Freistrahl ist der Einschiesswinkel. Wenn die Rohrmündung nach unten weist, wird das Sediment gestört. Weist die Rohrmündung nach oben - was bei einem Durchhang leicht geschieht - so ist die Einschichtungstiefe wesentlich höher als erwartet. Mit einem Mischrohr wird diese Schwierigkeit entschärft, da das Rückgabewasser bereits gut mit Seewasser gemischt ist.
Ein anderer Knackpunkt beim Freistrahl ist der Eintrag von kinetischer Energie in den See. Diese geht in eine Tiefe, wo sich die Energie aus dem natürlichen Eintrag (Wind an der Oberfläche) bereits zum grössten Teil in Wärme umgewandelt hat. Bäche können allerdings auch bis in diese Tiefe vorstossen, dies ist aber, im Gegensatz zu einer Tiefeneinleitung, nur sporadisch der Fall. Damit hat der Freistrahl eine grössere Wirkung auf die Sprungschicht als ein Mantelrohr und greift direkt auf die sommerliche Phosphor-Barriere zu (siehe Tempo der Sanierung).
Im Fernfeld verhalten sich alle Strahlen gleich: Sie überschiessen erst die Tiefe gleicher Dichte, pendeln zurück und die endgültige Tiefe wird erst in grosser Distanz erreicht.
Es gilt der Grundsatz, dass sich Wasser nicht freiwillig mit Wasser mischt. Dazu wird immer Energie gebraucht. Eigentlich mischen sich zwei ruhende Wasserkörper “freiwillig” nur aufgrund der atomaren Bewegungen. Dies ist der Bereich der echten Diffusion - und dies ist für unsere Zwecke um Grössenordnungen zu langsam.
Ein weiteres Detail bei grossen Wassermengen.