Integrierte Implizite Kanalnetzberechnung mit BaSYS-HydroCAD

1. Integrierte Implizite Kanalnetzberechnung mit BaSYS-HydroCAD • Aachener Softwaretag in der Wasserwirtschaft28.2.2007 bringing visions to life Dorsch Gruppe

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

3. Das System BaSYS-L.E.O. Ganglinien-Volumen-Methode Hydrodynamische Kanalnetzberechnung Hydraulische Objekte InhaltPräsentation HydrodynamischeSchmutzfrachtberechnung

4. Y Das System BaSYS L.E.O. Kanal Wasser Einleiter Gas Straßen Strom Erfassung Planung Berechnung

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

6. 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

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

8. Datengrundlage Kartenwerk DigitaleKanalnetzdaten Sonderbauwerkspläne Kanaldatenbank Geometrie Hydraulik DigitaleRegendaten Ortsbegehung Wasserverbrauch, ED, …

9. 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

10. 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

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

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

13. Kontinuitätsgleichung: Oberflächenabfluss

14. Oberflächenabfluss Hydrodynamische Berechnung

15. Oberflächenabfluss • Bezeichnung/ Eigenschaften • Größe / berechnete Größe[ha] • Oberflächentyp • BefestigungsgradGAMMA • SchmutzwasserED [l/(s*ha)] oder [E/ha] • Industrielles Abwasser IW [l/s] oder [l/(s*ha)] • FremdwasserspendeFREM [l/(s*ha)] oder [l/(s*km)]

16. Oberflächenabfluss Oberflächenganglinien für die unterschiedlichen Oberflächentypen • 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

17. Kalibrierung Ared befestigt Fernerkundung unbefestigt Befestigungsgrad 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))

18. 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

19. Gleichungssystem

20. Gleichungssystem

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

22. Numerisches Lösungsverfahren Lösungsverfahren ImplizitesDifferenzenverfahren, Newton-Iteration und überlagertes, globales Relaxationsverfahren

23. Numerisches Lösungsverfahren • Vorteile des impliziten Lösungsverfahren • KeineBeschränkung 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 derVolumenbilanz stets < 0,1 % • Keinearbeitsaufwendigen und fehleranfälligen "Netzvereinfachungen“ • Unveränderte (1:1) Übernahmeder tatsächlichen Netzdaten aus der Datenbank

24. 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)

25. 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

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

27. Speicherbauwerke RÜ TB RÜB RRB

28. Regelorgane (Schieber)

29. Regelorgane (Pumpe)

30. Berechnungsergebnisse

31. Berechnungsergebnisse Langzeitsimulation Überstaunachweis: Ergebnisse für jede Haltung

32. Berechnungsergebnisse Langzeitsimulation

33. Hydrodynamische Schmutzfrachtberechnung Niederschlag (Rain Tool) • Definition und Berechnung unabhängiger Ereignisse 2-(4)-Komponenten-Methode mit konstanten Konzentrationen pro Schmutzparameter 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

34. 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.

35. Trockenwetter

36. Schmutzstoffe

37. Ergebnisse Schmutzfrachtberechnung Entlastungshäufigkeiten Ergebnisse für jedes Sonderbauwerk

38. Ergebnisse Schmutzfrachtberechnung

39. Danke für die Aufmerksamkeit! Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit...... Ihre Fragen beantworte ich gerne! Dr. Raju Rohde/ Dipl.-Ing. Armin Müller Hansastraße 2080686 MünchenFon +49 (0)89 / 5797 - 635 Fax -802E-Mail: raju.rohde@dorsch.deInternet: www.dorsch.de