Integrierte Implizite Kanalnetzberechnung mit Integrierte Implizite Kanalnetzberechnung mit BaSYS-HydroCADBaSYS-HydroCAD

1.1. Aachener Softwaretag in der WasserwirtschaftAachener Softwaretag in der Wasserwirtschaft28.2.200728.2.2007

bringing visions to life Dorsch Gruppe

Dr. Raju Rohde/ Dipl.-Ing. Armin Müller

Kanalnetzberechnung von A bis Z! Kanalnetzberechnung von A bis Z! Hydrodynamische Kanalnetzberechnung mit Hydrodynamische Kanalnetzberechnung mit

integrierter Langzeit- und Schmutzfrachtsimulationintegrierter Langzeit- und Schmutzfrachtsimulation

BaSYS-HydroCAD

Das System BaSYS-L.E.O.

Ganglinien-Volumen-Methode

Hydrodynamische Kanalnetzberechnung

Hydrodynamische Schmutzfrachtberechnung

Hydraulische Objekte

Inhalt Präsentation

StromStraßen

Einleiter Gas

WasserKanal

Berechnung

Planung

Erfassung

Das System BaSYS L.E.O.

Wartung

Finanzierungsplan

Sanierung

BetriebSpülpläne

Inspektionspläne

VermögenAnlagevermögen

Restbuchwert

ZustandsbewertungSchadensklassen

SanierungenDringlichkeiten

HydraulikAuslastungSanierung

KanaldatenbankKanaldatenbank

GeometrieHydraulik

KostenBetrieb

Das System BaSYS L.E.O.

…40 Jahre in praktischer Anwendung….

Hydrodynamische Berechnung mit Berücksichtigung ...... von Rückstau und Rückfluss... der Verbundwirkung in vermaschten Netzen... des Speichervermögens der Kanäle, Schächte und Becken

Profile (TEIFUE)• Teilfüllungskurvenberechnung für offene, geschlossene und gegliederte

Querschnitte

Oberflächenabflussmodell integriert in Transportmodell• Hydrodynamische Niederschlagsabflussberechnung für durchlässige und

befestigte Flächen

Transportmodell (KANAL)• Lösung der vollständigen Barré de Saint-Venant-Gleichungen• Geregelte Pumpen, Schieber und Wehre

Ganglinien-Volumen-Methode (GVM)

Naturregen

ModellregenStarkregenauswertung

Regenserien

Bemessungsregen

Versickerung

modellspezifische Daten

EinzugsgebietGröße, Charakteristik

GefälleFließweg Koordinaten

NetztopologieKanäle, Sonderbauwerke

NetzgeometrieKoten, Haltungslängen, Profile

modellspezifische Daten

Regenmodell Oberflächen-abflussmodell

KanalnetzmodellSimulation mit

BaSYS-HydroCAD (GVM)

Oberflächen-daten

Kanalnetz-daten

Niederschlags-daten

Niederschlags-Abfluss-Modell

Ortsbegehung

Kartenwerk

Kanaldatenbank

GeometrieHydraulik

SonderbauwerkspläneDigitale Kanalnetzdaten

Digitale Regendaten

Wasserverbrauch, ED, …

Datengrundlage

Definition beliebiger Querschnitte• Definition der Profilquerschnitte

als Polygonzug oder über geometrische Kenngrößen

Geometrische Ähnlichkeit• Geometrische Ähnlichkeit von

Kanalquerschnitten unterschiedlicher Größe

Hydraulische Kennwerte ALLER Profile

• Darstellung der geometrischen und hydraulischen Kennwerte aller Gerinne anhand dimensionsloser Werte

Kanalprofile

Teilfüllungskurven

• Berechnung der Teilfüllungskurven offener und geschlossener Gerinne mit TEIFUE

• eine Teilfüllungskurve für alle geometrisch ähnlichen Profile

• Die Berechnung der Teilfüllungskurven ist nur einmal vor der Kanalnetzberechnung durchzuführen

Kanalprofile

Rain Tool

Eigenständige Software zur Ansicht und Aufbereitung von Niederschlagsdaten

MD-Niederschlagsdaten

Grafische Darstellung

Analyse und Eingrenzung

Auswertung und Auswahl

Input für BaSYS HydroCAD

Import

Identifikation von Regenereignissen

Generieren von Modellregen

Export in XML-Datei

Nach DWA - A 118 (DIN-EN-752)

Euler-Modellregen

Modellregen(gruppe)

Starkregenserien

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250 300

Zeit (min)

Reg

en

sp

en

de l/(

s h

a)

15-min-Regen 30-min-Regen 60-min-Regen 120-min-Regen 240-min-Regen

Rain Tool erzeugt aus Regenmassendaten folgende Bemessungsregen

Rain Tool

x

h

f(t)

r(t)

Q(t)h

he

0// eixqth Kontinuitätsgleichung

:

Oberflächenabfluss

Bewegungsgleichung:

v t v v x g h x g I I vr hS R

/ / / ( ) / 0

mit

r Niederschlagsintensität [m³/(sm²)] ie effektiver Niederschlag [m³/(sm²)] q spezifischer Abfluß [m³/(sm)] x Entfernung in Fließrichtung [m] h Wassertiefe [m] v Fließgeschwindigkeit [m/s] t Zeit [s] IS Neigung der Oberfläche [-] IR Reibungsgefälle [-] g Erdbeschleunigung [m/s²]

Hydrodynamische Berechnung

Oberflächenabfluss

Bezeichnung/ Eigenschaften Größe / berechnete Größe

[ha]Oberflächentyp Befestigungsgrad

GAMMA Schmutzwasser

ED [l/(s*ha)] oder [E/ha] Industrielles Abwasser IW [l/s] oder [l/(s*ha)] Fremdwasserspende

FREM [l/(s*ha)] oder [l/(s*km)]

Oberflächenabfluss

• VerkehrsflächenStraßen, Gehwege, Hofflächen, ...

• DachflächenFlachdächer, Steildächer, ...

• GrünflächenBöschungen, landwirtschaftliche Nutzflächen, ...

... mit unterschiedlichen Eigenschaften:

• Größe, Fließweg• Neigung• Versickerungsvermögen• Größe und zeitliche Abfolge der Verluste

Überlagerung der einzelnen Abflussganglinien bei der Berechnung

Oberflächenganglinien für die unterschiedlichen Oberflächentypen

Oberflächenabfluss

Def: Anteil der befestigten Fläche an der Gesamtfläche der TeileinzugsflächeGAMMA = Abefestigt / Agesamt

Abfluss von der Teileinzugsfläche in die angeschlossene Haltung:

Q = Agesamt (qbefestigt · GAMMA + qunbefestigt (1 - GAMMA))

Ared

Aundurchlässig, nicht (direkt) angeschlossen

Au=Aundurchlässig, angeschlossen

AEK Einzugsgebiet

Ad = Adurchlässig, (direkt) angeschlossenunbefestigt

befestigt

FernerkundungKalibrierung

Ared

Befestigungsgrad

Vollständige Lösung der Saint-Venant-Gleichungen

Instationärer, ungleichförmiger, diskontinuierlicher,

strömender und schießender Abfluß

Hydraulische Besonderheiten

• Senkungskurven an Abstürzen und bei Gefällswechseln

• Impulsverluste in Verbindungsbauwerken und bei Querschnittsänderungen

• Schachtverluste beim Einstau

• Speicherung in Schächten und Kammern

• Aufstau im Sammelgerinne hinter Streichwehren

• freier und rückgestauter Ausfluß unter Schützen

• Schwingungsvorgänge beim vollständigen Schließen von Schiebern

Hydrodynamische Kanalnetzberechnung

B e w e g u n g s g l e i c h u n g

6 5 4 3 2 1

RSoII

Ag

cqv

t

v

g

1

x

v

g

v

x

y

m i t

1 W a s s e r s p i e g e l g e f ä l l e2 Ä n d e r u n g d e r G e s c h w i n d i g k e i t s h ö h e i n F l i e ß r i c h t u n g3 l o k a l e r B e s c h l e u n i g u n g s t e r m4 E n e r g i e b e i t r a g d u r c h s e i t l i c h e n Z u f l u ß5 S o h l e n g e f ä l l e6 R e i b u n g s g e f ä l l e

Gleichungssystem

Kontinuitätsgleichung

Q

x

A

tq

1 2 3

mit1 Änderung des Durchflusses in Fließrichtung2 Änderung der durchströmten Fläche3 seitlicher Zu- oder Abfluß

Gleichungssystem

Nichtlineares Gleichungssystem

Bewegungsgleichung (Saint-Venant) im Kanal

Kontinuitätsgleichung (Saint-Venant) im Kanal

Bewegungsgleichung und / oder Impulsgleichung am Knoten unten

Kontinuitätsgleichung am Knoten oben

yy

y'

y'

aa

a

Qa

Q'aym

t=t'+ t

t'

QeQ'e

e

e

x

e

m

m

ISo

Hydraulik

Lösungsverfahren

Implizites Differenzenverfahren, Newton-Iteration und überlagertes, globales

Relaxationsverfahren

Numerisches Lösungsverfahren

Vorteile des impliziten Lösungsverfahren

• Keine Beschränkung der Länge der Berechnungsstrecken und der Zeitschritte durch das

numerische Verfahren

Courant‘sche Stabilitätskriterium

• Keine "Näherungslösungen" nötig für den Abfluss unter Druck (eingestautes

Netz, Düker) Preissmann-Schlitz

• Genauigkeit der Volumenbilanz stets < 0,1 %

• Keine arbeitsaufwendigen und fehleranfälligen "Netzvereinfachungen“

• Unveränderte (1:1) Übernahme der tatsächlichen Netzdaten aus der Datenbank

bgAvt

x/

Numerisches Lösungsverfahren

Anfangsbedingung:

Stationärer Trockenwetterabfluß: Nachtminimum und Tagesspitze; häusliches Abwasser, Industrieabwasser, Fremdwasser

Zufluß von den Oberflächen:

Schmutz- und Regenwasser: gleichmäßig über die Haltungslänge verteilter seitlicher Zufluß

Randbedingungen:

oben:

Zuflußganglinien: Übernahme von Zuflüssen von Nachbargebieten oder Gewässern

unten:

Rückstauganglinien: wahlweise Wasserstandsübernahme oder freier Ausfluß mit Grenztiefe oder schießender Wassertiefe

Knoten:

Schächte, Vereinigungs-, Verzweigungsbauwerke

mit vom Programm aus der Netzgeometrie und -topologie ermittelten Verlustansätzen (Impuls- und Energiesatz)

Numerisches Lösungsverfahren

Transportelemente

•Haltungen: Rohre, Kanäle und offene Gerinne mit beliebigem Sohlengefälle:

ein- oder mehrteilige Profile (Trockenwetterrinne),

wahlweise mit Ausflußmöglichkeit auf das Gelände (mit / ohne Rückfluß), oder als Druckrohre

Betriebsrauheit nach Prandtl-Colebrook, oder Manning-Strickler

Sonderbauwerke

•Knoten: Speicherbauwerk, Wehre, Streichwehre, Leapingwehre, Schälzungen, Rückhaltebecken:

frei wählbare Überlauf- und Durchflußbeiwerte, Streichwehre mit/ ohne Sammelrinne

Regelorgane

•Schieber, Wirbeldrosseln, Pumpen, Wehre, Klappen:

frei wählbare Durchflußbeiwerte bzw. Kennlinien, geregelte Elemente als PID-Regler

Hydraulische Objekte

• Bezeichnung (Nummer)• logische Verknüpfung• Haltungsdaten

• Sohl- und Deckelkoten

• Haltungslänge• Profilform und

-abmessungen• Reibungsparameter• ...

Haltungsdaten

Haltungsdaten

RÜ TB RÜB RRB

Speicherbauwerke

Regelorgane (Schieber)

Regelorgane (Pumpe)

Berechnungsergebnisse

Berechnungsergebnisse Langzeitsimulation

Überstaunachweis:

Ergebnisse für jede Haltung

Berechnungsergebnisse Langzeitsimulation

Absetzwirkung in Becken und Stauraumkanälen

• Definition und Berechnung unabhängiger Ereignisse

Niederschlag (Rain Tool)

Grenzpause

• variable Bindung der Schmutzstoffe

• Freie definierbare Absetzwirkung getrennt für jedes Bauwerk

Trockenwetter

• Werktage, Wochenende

• Häusliches und industrielles Abwasser Fremdwasser (Monatsgang)

• 25 Gangliniengruppen (Tagesgang)

Schmutzparameter

• 6 Schmutzstoffe, Konzentration getrennt definierbar für jede Teileinzugsfläche

• Häusliches und industrielles Abwasser, Fremdwasser, Regenwasserabfluss von befestigten und unbefestigten Flächen

Hydrodynamische Schmutzfrachtberechnung

2-(4)-Komponenten-Methode mit konstanten Konzentrationen pro Schmutzparameter

Stofftransport

Kontinuitätsgleichung für den instationären, diskontinuierlichen Stofftransport (Chen, 1975) :

SF

x

c A

tsf sf

X XTW X RW X , ,

mit der Stofffracht SFX,

der durchflossenen Querschnittsfläche A,der Frachtkonzentration

und den seitlichen Frachtzuflüssen SFTW,X und SFRW,X.

Die Querschnittsfläche A und der Abfluss Q werdenvorab mit Hilfe der Kontinuitätsgleichung und der vollständigen Bewegungsgleichung für den instationären Abfluss von B. de Saint-Venant ermittelt und sind daher bekannt.

c SF QX X

Trockenwetter

Schmutzstoffe

Ergebnisse für jedesSonderbauwerk

Ergebnisse Schmutzfrachtberechnung

Entlastungshäufigkeiten

Ergebnisse Schmutzfrachtberechnung

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit...

... Ihre Fragen beantworte ich gerne!

Dr. Raju Rohde/ Dipl.-Ing. Armin Müller Hansastraße 2080686 München

Fon +49 (0)89 / 5797 - 635 Fax -802

E-Mail: raju.rohde@dorsch.deInternet: www.dorsch.de

Danke für die Aufmerksamkeit!