Post on 10-Feb-2016
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Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Theoretische Grundlagen
N-A-Modellierung Schmutzfrachtberechnung
Abflussbildung
Abflusskonzentration
Wellenablauf
Aufteilung
Speicherung
Sonderbauwerke
Stoffakkumulation / Stoffabtrag
Stofftransport
Stoffaufteilung
Stoffspeicherung
Weitergehende Mischwasserbehandlung
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Modellkonzept - abzubildende Prozesse
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1. Verdunstung
2. Abflussbildung
3. Abflusskonzentration
4. Abflusstransformation
5. Abflussaufteilung undAbflussspeicherung
6. Entlastung
7. Berechnung des Trockenwetterabflusses und der Schmutzkonzentrationen
8. Spezielle Prozesse
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Prozesse
NIEDERSCHLAG - ABFLUSS SCHMUTZ - NIEDERSCHLAG - TRANSPORT
In niederschlagsfreien ZeitenIn niederschlagsfreien Zeiten
Ansammlung
Kanal
Kläranlage
Gewässer
Oberfläche
AtmosphäreTeilprozesse Teilprozesse
Abflusstransformation
AnsammlungAustrag
Abwasserreinigung
EinleitungSelbstreinigung
Ablagerung
Prozessphasen
Stof
fum
satz
Stof
ftran
spor
t
Stof
fakk
umul
atio
n
Ansammlung
Kanal
Kläranlage
Gewässer
Oberfläche
AtmosphäreTeilprozesse Teilprozesse
Verdunstung
Trockenwetterabfluss
Abflusstransformation
AnsammlungAustrag
Abwasserreinigung
EinleitungSelbstreinigung
Ablagerung
Prozessphasen
Stof
fum
satz
Stof
ftran
spor
t
Stof
fakk
umul
atio
n
Teilsysteme
(Euler et al. 1983)
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Prozesse
NIEDERSCHLAG - ABFLUSS SCHMUTZ - NIEDERSCHLAG - TRANSPORT
Bei NiederschlagBei Niederschlag
Atmosphäre
Oberfläche
Kanal
Entlastungsbauwerk
Kanal
Kläranlage
Gewässer
Teilprozesse Teilprozesse
Auswaschung
AbwasserreinigungEinleitung
Selbstreinigung
AbspEintrag
AusspVermischungSpeicherungWeiterleitungWeiterleitungSpeicherungBehandlungEntlastung
BelastungsbildungAbflussbildung
Abflusskonzentration
Abflusstransformation
Abflussaufteilung
Abflusstransformation
Prozessphasen
Stof
fum
satz
Stof
ftran
spor
t
Stof
fabt
rag
Stof
fauf
teilu
ng
Atmosphäre
Oberfläche
Kanal
Entlastungsbauwerk
Kanal
Kläranlage
Gewässer
Teilprozesse Teilprozesse
Auswaschung
AbwasserreinigungEinleitung
Selbstreinigung
AbspülungEintrag
AusspülungVermischungSpeicherungWeiterleitungWeiterleitungSpeicherungBehandlungEntlastung
BelastungsbildungAbflussbildung
Abflusskonzentration
Abflusstransformation
Abflussaufteilung
Abflusstransformation
Prozessphasen
Stof
fum
satz
Stof
ftran
spor
t
Stof
fabt
rag
Stof
fauf
teilu
ng
Teilsysteme
(Euler et al. 1983)
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Modellkonzept – Abgebildete Prozesse
• 1 - Verdunstung• 2 - Abflussbildung• 3 - Abflusskonzentration• 4 - Abflusstransformation
(Kanal, offene Gräben)• 5 - Abflussaufteilung und
Abflussspeicherung• 6 - Entlastung• 7 - Berechnung des
Trockenwetterabflusses und der Schmutzkonzentrationen
• 8 - spezielle Prozesse(z.B. BW-Nutzung)
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Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Modellkonzept - abzubildende Prozesse
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1. Verdunstung
2. Abflussbildung
3. Abflusskonzentration
4. Abflusstransformation
5. Abflussaufteilung undAbflussspeicherung
6. Entlastung
7. Berechnung des Trockenwetterabflusses und der Schmutzkonzentrationen
8. Spezielle Prozesse
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abflussbildung - Verdunstung (potentiell)
Monat
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
1.75
2.00
2.25
Vie
lfach
es v
on V
P [-
]0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
t [h]
0.0
0.5
1.0
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3.5
4.0
pote
ntie
l le V
erdu
nst u
ng [m
m/d
]
JAN FEB MRZ APR MAI JUN JUL AUG SEP OKT NOV DEZ
Jahresgang Tagesgang
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
AbflussbildungBilanzierung der Benetzungs- und Muldenverluste
Niederschlag Verdunstung
BenetzungsspeicherVerdunstung
3 Muldenspeicher
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abflussbildung - SCS-VerfahrenAbhängigkeit des aktuellen Abflussbeiwertes von der Vorgeschichte (hN=konst.)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
Vorregenindex VN [mm]
aktu
elle
r Abf
luss
beiw
ert -
PSI
[-]
CN = 50
CN = 60
CN = 70
CN = 80
CN = 90
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abflussbildung - SCS-VerfahrenAbhängigkeit des aktuellen Abflussbeiwertes von der Niederschlagssumme (VN=konst.)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
kumulierter Niederschlag in einem Ereignis [mm]
aktu
elle
r Abf
luss
beiw
ert -
PSI
[-]
CN = 50
CN = 60
CN = 70
CN = 80
CN = 90
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abflusskonzentration - Parallel-Speicherkaskaden
Aufteilungsverhältnis
0.85
1.00
30 A[ha]
Schnelle Kaskade
Langsame Kaskade
Abflusskonzentration kanalisierter Teilflächen (versiegelter Anteil)
QD
K1
ß · hN (1-ß) · hN
hN
K1
K1
K2
K2
K2
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Modellkonzept - abzubildende Prozesse
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1. Verdunstung
2. Abflussbildung
3. Abflusskonzentration
4. Abflusstransformation
5. Abflussaufteilung undAbflussspeicherung
6. Entlastung
7. Berechnung des Trockenwetterabflusses und der Schmutzkonzentrationen
8. Spezielle Prozesse
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abflusskonzentration - Parallel-Speicherkaskaden
L/ I0.5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1 10 100 1000
K [h
]
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
Bet
a [-]
K
L I
L
I1
0 555
0 610 511 0 355
.
/.
. ln .
L I
l I
/
.
/.
.
10
3 910
0 860 10
K K2
3 001
1 30 .
.
1 10
1 0 0 02425
3 2444
L I
L
I
/
. . ln
.
hN,d
hN,d
(1- )hN,d
QD
K3
K3K2
K2
K1
K1
hN,u
Abflusskonzentration unversiegelter Teilflächen
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Modellkonzept - abzubildende Prozesse
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1. Verdunstung
2. Abflussbildung
3. Abflusskonzentration
4. Abflusstransformation
5. Abflussaufteilung undAbflussspeicherung
6. Entlastung
7. Berechnung des Trockenwetterabflusses und der Schmutzkonzentrationen
8. Spezielle Prozesse
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Wellenablauf in Sammlern - Translation und Retention
Qzu
LaufzeitverschiebungTranslationseffekt
Scheiteldämpfung(Retentionseffekt)
Qab
Berechnung nach Kalinin-Miljukov mitinterner Abschätzungder Modellparameter
Wellenverformung für Freispiegelabfluss
Q
t
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Vsam
Vsam
Vsam
Vsam
hu
Lsam<Lrück
hu
hu
hu
D
DD
D
Lsam>Lrück
Lsam=Lrück
Lsam<Lrück
Wellenablauf in Sammlern - Rückstauvolumen
• Voraussetzung: Korrekte Angabe der geometrischen Kenngrößen
Mögliche Systemzuständein rückgestauten Sammlern
Die Berechnung des Rückstauvolumens wird beendet, sobald ein Sammler mit der OptionFließzeitberechnung berechnet wird oder bei Erreichen der Schwellenhöhe des zugehörigenBauwerks. Das ermittelte Volumen wird dem Speichervolumen des Bauwerks zugerechnet.
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Wellenablauf in Sammlern - Rückstauvolumen• Wichtigste Unterschiede zwischen hydrodynamischen Verfahren und der
hydrologischen (vereinfachten) Berücksichtigung von Rückstau• hydrologische Verfahren sind immer volumen- nicht höhenbezogen d.h.
– In den Berechnungsalgorithmen sind keine energetischen Gleichungen verankert– energetische Komponente des hydrodynamischen Gleichungssystems wird durch
Volumen/Abfluss-Beziehung ersetzt• keine Berücksichtigung von Rückströmungen und Vermaschungen• keine Übertragung von Druckwellen• "reale" Spiegellinie wird durch Horizontale ersetzt
0
1
2
3
4
QK
ue [c
bm/s
]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90Zeit [min]
Qkue Smusi Strd
Qkue HydMod
Vergleich von Smusi und HydMod
Entlastungswelle an Becken B10
Entlastungsvolumen
Smusi strd. : 5181 cbm
HydMod : 1937 cbm
0
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QK
ue [c
bm/s
]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Zeit [min]
Qkue Smusi 4.0
Qkue HydMod
Vergleich von Smusi und HydMod
Entlastungswelle an Becken B10 mitautomatisierter Rückstauberücksichtigung
Entlastungsvolumen
Smusi 4.0 : 2092 cbm
HydMod : 1937 cbm
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Modellkonzept - abzubildende Prozesse
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1. Verdunstung
2. Abflussbildung
3. Abflusskonzentration
4. Abflusstransformation
5. Abflussaufteilung undAbflussspeicherung
6. Entlastung
7. Berechnung des Trockenwetterabflusses und der Schmutzkonzentrationen
8. Spezielle Prozesse
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
AbflussaufteilungBauwerke (schematische Abbildung)
Qent
Verzweigung Regenüberlauf
Qab1 Qzu Qkrit
Qab2
Qzu
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abflussaufteilung - Berechnungsansätze (Näherung)
QKrit
t
QDrossel
QAuslass
Näherung
Realität
Q
gute Näherung(Trennschärfe > 1)
grobe Näherung(Trennschärfe = 1)
Realität
45°
QKrit
Qab
QKrit Qab
Qzu5·QKrit
Schwellenwertkonzept <=> Realität
Definition der TrennschärfeT = Qab(Qzu=5·Qkrit) / Qkrit
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
AbflussaufteilungBerechnungsansätze (interne Kennlinienermittlung)
Dsam
ho
Draufsicht Auslauf unten
Breiteunten
Einlauf oben
Schematische Seitenansicht eines Regenüberlaufshü,o
hühm
hü,uhü,m
hu
lü
Ddro
Ddro
DZulauf
lü
Breiteoben
Draufsicht und Querschnitte eines Regenüberlaufs (Schema)
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
AbflussaufteilungBerechnungsschema interne Kennlinienberechnung
• Vorgabe eines Wasserstands am Drosseleinlauf• Berechnung des Drosselabflusses• Berechnung der Energiehöhe am Drosseleinlauf• Schätzung des Wasserstands am Einlauf des Bauwerks• Berechnung des Überfallabflusses• Berechnung der Summe der Abflüsse ( = Gesamtzufluss)• Berechnung der Energiehöhe am Einlauf des Bauwerks• Überprüfung, ob beide Energiehöhen gleich sind
Die Berechnung wird entweder bei Erreichen der Maximalhöheabgebrochen, oder sobald am Zulaufquerschnitt schießende
Strömungsverhältnisse (FROUDE-Zahl > 1) festgestellt werden.
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abflussspeicherung - Berechnungsannahmen
KLA
BU
KU
gespeichertes Volumen
t
Q
KLA
BU
KU
gespeichertes Volumen
t
Q
Schema der Näherungsberechnung eines Durchlaufbeckens
“Exakte” Berechnung eines Durchlaufbeckens
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abflussspeicherung - Berechnungsschema (Kennlinien)
Qku (h)h(t)
h [m]Qgr (h)
Qbu (h)
Qbu(t) Qgr(t) Qku(t) Qab [l/s]S [m3]
S (t)
S (h)
Ermittlung der Abflusskenngrößeneines Durchlaufbeckens zum
Zeitpunkt t anhand von Kennlinien
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abflussspeicherung - Berechnungsansätze (interne Kennlinienermittlung)
KlärüberlaufBeckenüberlauf
Drossel
h_kueh_bue
hSohlhöhe in müNN
h
A = f(h)
A3
A2
A1
Annahmen zur Beckengeometrie und zur Anordnung der Drossel
Beckenquerschnitt als Funktion des Wasserstandes (bzw. der Höhe)
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
AbflussspeicherungBerechnungsschema interne Kennlinienberechnung
• Vorgabe eines Wasserstands am Drosseleinlauf• Berechnung des Drosselabflusses• Berechnung des Beckenspeichervolumens• Wasserstand > HKUE => Berechnung des Klärüberlaufs• Wasserstand > HBUE => Berechnung des Beckenüberlaufs• Ermittlung des Gesamtzuflusses (Summe der Abflüsse)
Die Berechnung wird bei Erreichen der maximalen Beckenhöhe beendet - aus der Höhe / Querschnittsfläche Beziehung entnommen -
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Modellkonzept - abzubildende Prozesse
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1. Verdunstung
2. Abflussbildung
3. Abflusskonzentration
4. Abflusstransformation
5. Abflussaufteilung undAbflussspeicherung
6. Entlastung
7. Berechnung des Trockenwetterabflusses und der Schmutzkonzentrationen
8. Spezielle Prozesse
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Vermischungsprozesse unterschiedlicher Abflüsse
050
100150200250300350
Q [ l
/ s] ,
SF
[g/ s
]
050100150200250300350
c [m
g/l ]
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24Zeit [h]
Regenwetterabfluss [l/s]Schmutzfracht [g/s]Regenwetterkonzentration [mg/l]
Regenwetterabfluss
0
20
40
Q [ l
/ s] ,
SF
[g/ s
]
0
200
400
600
800
c [m
g /l]
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24Zeit [h]
Trockenwetterabfluss [l/s]Schmutzfracht [g/s]Trockenwetterkonzentration [mg/l]
Trockenwetterabfluss
100
150
200
250
300
350
400
0
50
Q [ l
/ s] ,
SF
[g/ s
]
0
200
400
600
800
c [m
g /l ]
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24Zeit [h]
Mischwasserabfluss [l/s]
Schmutzfracht [g/s]
Mischwasserkonzentration [mg/l]
Mischwasserabfluss
+ =
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Verschmutzungskenngrößen
Stoff AFS BSB5 CSB TOC NH4-N PO4-P
mittlerer Konzentrationim Schmutzwasserabfluss 400 mg/l 300 mg/l 600 mg/l 200 mg/l 22 mg/l 15 mg/l
Mittelwerte der Schmutzwasserabflusskonzentrationen
Standardwerte der Stoffpotentiale
Stoff AFS BSB5 CSB TOC NH4-N PO4-P
abspülbares Stoffpotentialin kg /haAred
770 60 600 200 6 6.5
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abschätzung des Abflussbeiwertes bei echten Regenreihen
Abflußbeiwerte von versiegelten Flächen unterschiedlicher Neigungsklassen bei Ansatz von echten Regenreihen
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
Niederschlag [mm]
Abf
lußb
eiw
ert [
-]
Essen/Steele, NG 1
Essen/Steele, NG 2
Essen/Steele NG 3/4Frankfurt/M., NG 1
Frankfurt/M. NG 2
Frankfurt/M., NG 3/4
NG 3/4
NG 2
NG 1
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abflußbeiwerte von versiegelten Flächen unterschiedlicher Neigungsklassen bei Ansatz von repräsentativen Regenreihen
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
Niederschlag [mm]
Abf
lußb
eiw
ert [
-]
Neigungsklasse 1
Neigungsklasse 2
Neigungsklasse 3/4
Abschätzung des Abflussbeiwertes bei repräsentativen Regenreihen
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Regenbelastung - Entlastungsvolumina echter und übertragener Regenreihen
Vergleich der Entlastungsvolumina von übertragenen und echten Regenreihen
0
100
200
300
400
500
600
300 400 500 600 700 800 900
Niederschlagshöhe [mm]
Entla
stun
gsvo
lum
en [m3 ]
übertr. RegenreihenGeisenheim, 3/4 aFrankfurt, 3/4 aGiessen, 3/4 aBad Hersfeld, 3/4 aEssen, 3/4 a
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Stofftransport im Sammler
02468
101214
Q [c
bm/ s
]
0
400
800
1200
1600
2000
SF [g
/s] ,
C [ m
g/l]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30Zeit [100s]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30Zeit [100s]
Q-TrockenQ-zuQ-ab
C-zuC-abSF-abSF-zu
Die zeitgerechte Überlagerung von Trockenwetter- und Regenabfluss
führt zu erheblichen Konzentrationsschwankungen
während des Wellenablaufs
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Absetzverhalten der Schmutzstoffe AFS, CSB und BSB (Absetzkurven nach Sierp)
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0Aufenthaltszeit [h]
Absetzverhalten von AFS als f(t)Absetzverhalten von BSB als f(t)Absetzverhalten von CSB als f(t)
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Modellkonzept - abzubildende Prozesse
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1
4
8
8
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1. Verdunstung
2. Abflussbildung
3. Abflusskonzentration
4. Abflusstransformation
5. Abflussaufteilung undAbflussspeicherung
6. Entlastung
7. Berechnung des Trockenwetterabflusses und der Schmutzkonzentrationen
8. Spezielle Prozesse
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
WMB - Bodenfilter (vertikal durchströmt)
BU
KU
Perkolation
Infiltration
vorge-schalteterSpeicher
aktuelle Verdunstung
Niederschlag
PumpeDrainage
Zulauf
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
WMB - Bodenfeuchtesimulation
InfiltrationsfunktionPerkolationsfunktionakt/pot Verdunstung
Bodenfeuchtebereiche
Infil
trat
ions
-, bz
w P
erko
latio
nsra
te
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
akt/p
ot V
erdu
nstu
ng
FKWP GPV
WP FK GPV
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
WMB - Brauchwassernutzungsanlagen
VerdunstungNiederschlag
Verdunstung
eff. Niederschlag
Trinkwasserzuspeisung
OptionVersickerung (ja/nein)
Kanalzufluss
Hof-/StraßenflächeBrauchwasser
speicher
Entnahme / Verbrauch
Überlauf
Versickerung
KanalabflussKanal
Dachfläche
Niederschlag
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
WMB - Möglichkeiten zur Filtration
Filtration
Filtration
Filtration
Filtration
mechan. biolog. Reinigung
mechan. biolog. Reinigung
chemische Reinigung
chemische Reinigung
Advanced Treatment
Rohabwasser
Ablauf
Prozesskombinationen
1
2
3
4
Zusammenstellung der Einsatzmöglichkeiten der Abwasserfiltration(wegen anderer Wasserqualität nur bedingt auf die Mischwasserbehandlung
übertragbar)
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
WMB - CSB-Wirkungsgrade von Fällung und Flockung
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Elim
inat
ion s
leis
tun g
[%]
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
55
48
70 72
65
48
70 72
57
7170 %
50 %
Veröffentlichte Forschungsprojekte
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
WMB - Reinigungsleistung von Abwasserteichen
0
100
Wirk
ungs
grad
[%]
c1 c2=2*c1Czu [mg/l]
max. Wirkungsgrad
Wirkungsgrad von Teichen als Funktion der Zulaufkonzentration (aus einer Literaturstudie abgeleitete empirische Funktion)
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Grundüberlegung:
- Ein Wirbelabscheider (WA) ersetzt ein Fangbecken (FB) größeren Volumens
- In der Simulation muss die verbesserte Abscheidewirkung berücksichtigt werden
- Hierzu kann ein Verbesserungsfaktor errechnet werden, nachdem der Wirbelabscheider ordnungsgemäß dimensioniert wurde und die Abscheidegrade des WA und des FB bekannt sind
- Nach heutigem Stand des Wissens sollte ein WA nicht weniger als 50% des vergleichbaren Volumens eines zu ersetzenden FB aufweisen
WMB - Definition des Verbesserungsfaktors bei Ansatz eines Wirbelabscheiders
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Zusammenfassung: Theoretische GrundlagenNiederschlags Abfluss Modellierung SchmutzfrachtberechnungModellkonzept
Verschiedene PhasenAbflussbildung
Verdunstung, OberflächenstrukturAbflusskonzentration
Kanalisierte Flächen, AußengebieteWellenablauf
Phänomen, BerechnungsansätzeAufteilung
BerechnungsansätzeSpeicherung
BerechnungsansätzeSonderbauwerke
Stoffakkumulation/StoffabtragDrei-Komponenten-Methode
StofftransportStoffaufteilungStoffspeicherungWeitergehende Mischwasserbehandlung
Überlegungen zu verschiedenen Verfahren