Theoretische Grundlagen

Dr.-Ing. Dirk Muschalla

Theoretische Grundlagen

N-A-Modellierung Schmutzfrachtberechnung

Abflussbildung

Abflusskonzentration

Wellenablauf

Aufteilung

Speicherung

Sonderbauwerke

Stoffakkumulation / Stoffabtrag

Stofftransport

Stoffaufteilung

Stoffspeicherung

Weitergehende Mischwasserbehandlung


Modellkonzept - abzubildende Prozesse

2 3

1

75

4

8

1

4

8

8

6

7

2 3

1. Verdunstung

2. Abflussbildung

3. Abflusskonzentration

4. Abflusstransformation

5. Abflussaufteilung undAbflussspeicherung

6. Entlastung

7. Berechnung des Trockenwetterabflusses und der Schmutzkonzentrationen

8. Spezielle Prozesse


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


AnsammlungAustrag

Abwasserreinigung

EinleitungSelbstreinigung

Ablagerung

Prozessphasen

Stof

fum

satz

Stof

ftran

spor

t

Stof

fakk

umul

atio

n

Teilsysteme

(Euler et al. 1983)


Prozesse

NIEDERSCHLAG - ABFLUSS SCHMUTZ - NIEDERSCHLAG - TRANSPORT

Bei NiederschlagBei Niederschlag

Atmosphäre

Oberfläche

Kanal

Entlastungsbauwerk

Kanal

Kläranlage

Gewässer

Teilprozesse Teilprozesse

Auswaschung

AbwasserreinigungEinleitung

Selbstreinigung

AbspEintrag

AusspVermischungSpeicherungWeiterleitungWeiterleitungSpeicherungBehandlungEntlastung

BelastungsbildungAbflussbildung



Abflussaufteilung


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



Abflussaufteilung


Prozessphasen

Stof

fum

satz

Stof

ftran

spor

t

Stof

fabt

rag

Stof

fauf

teilu

ng

Teilsysteme

(Euler et al. 1983)


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)

1

75

4

8

1

2 3

4

8

8

6

2 3



2 3

1

75

4

8

1

4

8

8

6

7

2 3

1. Verdunstung

2. Abflussbildung




6. Entlastung




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

1.5

2.0

2.5

3.0

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


AbflussbildungBilanzierung der Benetzungs- und Muldenverluste

Niederschlag Verdunstung

BenetzungsspeicherVerdunstung

3 Muldenspeicher


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


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


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



2 3

1

75

4

8

1

4

8

8

6

7

2 3

1. Verdunstung

2. Abflussbildung




6. Entlastung




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



2 3

1

75

4

8

1

4

8

8

6

7

2 3

1. Verdunstung

2. Abflussbildung




6. Entlastung




Wellenablauf in Sammlern - Translation und Retention

Qzu

LaufzeitverschiebungTranslationseffekt

Scheiteldämpfung(Retentionseffekt)

Qab

Berechnung nach Kalinin-Miljukov mitinterner Abschätzungder Modellparameter

Wellenverformung für Freispiegelabfluss

Q

t


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.


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

1

2

3

4

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



2 3

1

75

4

8

1

4

8

8

6

7

2 3

1. Verdunstung

2. Abflussbildung




6. Entlastung




AbflussaufteilungBauwerke (schematische Abbildung)

Qent

Verzweigung Regenüberlauf

Qab1 Qzu Qkrit

Qab2

Qzu


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


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)


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.


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


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


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)


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 -



2 3

1

75

4

8

1

4

8

8

6

7

2 3

1. Verdunstung

2. Abflussbildung




6. Entlastung




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

+ =


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


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


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


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


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


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)



2 3

1

75

4

8

1

4

8

8

6

7

2 3

1. Verdunstung

2. Abflussbildung




6. Entlastung




WMB - Bodenfilter (vertikal durchströmt)

BU

KU

Perkolation

Infiltration

vorge-schalteterSpeicher

aktuelle Verdunstung

Niederschlag

PumpeDrainage

Zulauf


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


WMB - Brauchwassernutzungsanlagen

VerdunstungNiederschlag

Verdunstung

eff. Niederschlag

Trinkwasserzuspeisung

OptionVersickerung (ja/nein)

Kanalzufluss

Hof-/StraßenflächeBrauchwasser

speicher

Entnahme / Verbrauch

Überlauf

Versickerung

KanalabflussKanal

Dachfläche

Niederschlag


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)


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


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)


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


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

Theoretische Grundlagen

Documents

Transcript of Theoretische Grundlagen