Integrierte Implizite Kanalnetzberechnung mit BaSYS-HydroCAD Aachener Softwaretag in der Wasserwirtschaft 28.2.2007 bringing visions to life Dorsch Gruppe

Dr. Raju Rohde/ Dipl.-Ing. Armin Müller BaSYS-HydroCAD Kanalnetzberechnung von A bis Z! Hydrodynamische Kanalnetzberechnung mit integrierter Langzeit- und Schmutzfrachtsimulation Dr. Raju Rohde/ Dipl.-Ing. Armin Müller

Ganglinien-Volumen-Methode Inhalt Präsentation Das System BaSYS-L.E.O. Ganglinien-Volumen-Methode Hydrodynamische Kanalnetzberechnung Hydraulische Objekte (Inhalt) Hydrodynamische Schmutzfrachtberechnung

Y Das System BaSYS L.E.O. Kanal Wasser Einleiter Gas Straßen Strom Erfassung Das System BaSYS bietet folgende Fachschalen zur Planung und Erfassung von Kanal und Straße : Kanal: Erfassung und Planung (Zeitbeiwert- und hydrodynamisches Verfahren) von Kanalnetzen Erfassung: Erfassung von Indirekteinleitern und evtl. Planung von Maßnahmen Straßen: Erfassung und Planung von Straßen Für die Versorgung mit Medien aller Art sind folgende Fachschalen im Angebot: Wasser: Erfassung und Planung von Wasserversorgungssystemen Gas: Erfassung und Planung von Gasversorgungssystemen Strom: Erfassung und Planung von Gasversorgungssystemen (in Vorbereitung) Fernwärme: Erfassung und Planung von Fernwärmeversorgungssystemen (in Planung) Alle Fachschalen beinhalten: Einlesen der planungs- bzw. erfassungsrelevanten Daten über GIS Planungstools Berechnungstools (z.B. Erstellung von Massenbilanzen) Darstellung der Planungsergebnisse über GIS Mit BaSYS Version 7.0 kommt eine Version von BaSYS auf den Markt, die durch die Einbindung in den MS SQL Server völlig neue Funktionalitäten, einen erheblich größeren Benutzer – Komfort und fast unbegrenzte Möglichkeiten der Systemgröße bietet. Auf diese Möglichkeiten – zusammen mit den zukünftigen Möglichkeiten von GIS – wird im letzten Vortrag „Was bringt die Zukunft?“ eingegangen. Eine detaillierte Vorstellung von BaSYS GVM wird dort zeitlich nicht möglich sein. Interessierte können sich aber an mich wenden. Planung Berechnung

Das System BaSYS L.E.O. Kanaldatenbank Hydraulik Zustandsbewertung Geometrie Hydraulik Kosten Betrieb Hydraulik Auslastung Sanierung Zustandsbewertung Schadensklassen Sanierungen Dringlichkeiten Sanierung Vermögen Anlagevermögen Restbuchwert Finanzierungsplan Betrieb Spülpläne Inspektionspläne Wartung

…40 Jahre in praktischer Anwendung…. Ganglinien-Volumen-Methode (GVM) …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

Niederschlags-Abfluss-Modell Naturregen Modellregen Starkregenauswertung Regenserien Bemessungsregen Versickerung modellspezifische Daten Einzugsgebiet Größe, Charakteristik Gefälle Fließweg Koordinaten Netztopologie Kanäle, Sonderbauwerke Netzgeometrie Koten, Haltungslängen, Profile modellspezifische Daten Niederschlags- daten Oberflächen- daten Kanalnetz- daten Oberflächen-abflussmodell Kanalnetzmodell Simulation mit BaSYS-HydroCAD (GVM) Regenmodell

Datengrundlage Kanaldatenbank Geometrie Hydraulik Kartenwerk Digitale Kanalnetzdaten Sonderbauwerkspläne Kanaldatenbank Geometrie Hydraulik Digitale Regendaten Ortsbegehung Wasserverbrauch, ED, …

Kanalprofile 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

Rain Tool Eigenständige Software zur Ansicht und Aufbereitung von Niederschlagsdaten MD-Niederschlagsdaten Import Grafische Darstellung Identifikation von Regenereignissen Analyse und Eingrenzung Generieren von Modellregen Auswertung und Auswahl Export in XML-Datei Input für BaSYS HydroCAD

Rain Tool Nach DWA - A 118 (DIN-EN-752) Rain Tool erzeugt aus Regenmassendaten folgende Bemessungsregen Nach DWA - A 118 (DIN-EN-752) Euler-Modellregen Modellregen(gruppe) Starkregenserien

Kontinuitätsgleichung: Oberflächenabfluss Kontinuitätsgleichung:

Hydrodynamische Berechnung Oberflächenabfluss Hydrodynamische Berechnung

Oberflächenabfluss Oberflächentyp 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)]

Überlagerung der einzelnen Abflussganglinien bei der Berechnung Oberflächenabfluss Oberflächenganglinien für die unterschiedlichen Oberflächentypen Verkehrsflächen Straßen, Gehwege, Hofflächen, ... Dachflächen Flachdächer, Steildächer, ... Grünflächen Böschungen, landwirtschaftliche Nutzflächen, ... ... mit unterschiedlichen Eigenschaften: Größe, Fließweg Neigung Versickerungsvermögen Größe und zeitliche Abfolge der Verluste Überlagerung der einzelnen Abflussganglinien bei der Berechnung

Kalibrierung befestigt Fernerkundung unbefestigt Befestigungsgrad Def: Anteil der befestigten Fläche an der Gesamtfläche der Teileinzugsfläche GAMMA = Abefestigt / Agesamt Abfluss von der Teileinzugsfläche in die angeschlossene Haltung: Q = Agesamt (qbefestigt · GAMMA + qunbefestigt (1 - GAMMA)) Kalibrierung Ared befestigt Fernerkundung unbefestigt

Hydrodynamische Kanalnetzberechnung 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

Gleichungssystem

Gleichungssystem

Hydraulik Nichtlineares Gleichungssystem Bewegungsgleichung (Saint-Venant) im Kanal Kontinuitätsgleichung (Saint-Venant) im Kanal Bewegungsgleichung und / oder Impulsgleichung am Knoten unten Kontinuitätsgleichung am Knoten oben

Numerisches Lösungsverfahren Implizites Differenzenverfahren, Newton-Iteration und überlagertes, globales Relaxationsverfahren

Vorteile des impliziten Lösungsverfahren 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

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)

Hydraulische Objekte 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

Haltungsdaten Haltungsdaten Bezeichnung (Nummer) logische Verknüpfung Sohl- und Deckelkoten Haltungslänge Profilform und -abmessungen Reibungsparameter ...

Speicherbauwerke RÜ TB RÜB RRB

Regelorgane (Schieber)

Regelorgane (Pumpe)

Berechnungsergebnisse

Berechnungsergebnisse Langzeitsimulation Überstaunachweis: Ergebnisse für jede Haltung

Berechnungsergebnisse Langzeitsimulation

Hydrodynamische Schmutzfrachtberechnung 2-(4)-Komponenten-Methode mit konstanten Konzentrationen pro Schmutzparameter Definition und Berechnung unabhängiger Ereignisse Niederschlag (Rain Tool) Absetzwirkung in Becken und Stauraumkanälen variable Bindung der Schmutzstoffe Freie definierbare Absetzwirkung getrennt für jedes Bauwerk Trockenwetter Schmutzparameter Werktage, Wochenende Häusliches und industrielles Abwasser Fremdwasser (Monatsgang) 25 Gangliniengruppen (Tagesgang) 6 Schmutzstoffe, Konzentration getrennt definierbar für jede Teileinzugsfläche Häusliches und industrielles Abwasser, Fremdwasser, Regenwasserabfluss von befestigten und unbefestigten Flächen

Stofftransport Kontinuitätsgleichung für den instationären, diskontinuierlichen Stofftransport (Chen, 1975) : 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 werden vorab mit Hilfe der Kontinuitätsgleichung und der vollständigen Bewegungsgleichung für den instationären Abfluss von B. de Saint-Venant ermittelt und sind daher bekannt.

Trockenwetter

Schmutzstoffe

Ergebnisse Schmutzfrachtberechnung Entlastungshäufigkeiten Ergebnisse für jedes Sonderbauwerk

Ergebnisse Schmutzfrachtberechnung

Danke für die Aufmerksamkeit! Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit... ... Ihre Fragen beantworte ich gerne! Dr. Raju Rohde/ Dipl.-Ing. Armin Müller Hansastraße 20 80686 München Fon +49 (0)89 / 5797 - 635 Fax -802 E-Mail: raju.rohde@dorsch.de Internet: www.dorsch.de