Wykorzystanie modelu hydrodynamicznego dla symulacji funkcjonowania sieci ogólnospławnej na przykładzie wybranego osiedla.

Transkrypt

1 Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Wydział Inżynierii Kształtowania Środowiska i Geodezji Kierunek Inżynieria Środowiska mgr inż. Marta Mazur Nr indeksu Wykorzystanie modelu hydrodynamicznego dla symulacji funkcjonowania sieci ogólnospławnej na przykładzie wybranego osiedla. Referat pracy magisterskiej Opiekun pracy dr inż. Paweł Licznar Wrocław, październik 2009

2 Podstawowym celem pracy jest podjęcie próby wykorzystania modelu hydrodynamicznego dla symulacji funkcjonowania sieci ogólnospławnej dla wybranego osiedla. Model hydrodynamiczny miał być w założeniu przygotowany, jako narzędzie wspomagające eksploatację sieci i miał służyć weryfikacji jej funkcjonowania, lokalizacji kanałów przeciążanych hydraulicznie oraz studni, w których dochodzi do nadpiętrzania ścieków. Dodatkowym celem pracy była weryfikacja przydatności dla modelowania hydrodynamicznego dużej sieci kanalizacji ogólnospławnej pakietu oprogramowania SewerPac niemieckiej firmy Rehm Software GmbH. W zakres pracy wchodziły następujące zadania: 1) Analiza dostępnych danych archiwalnych o sieci (wykorzystanie zasobów udostępnionej dokumentacji: papierowej oraz bazy danych GIS o sieci kanalizacyjnej), 2) Budowa od podstaw modelu komputerowego sieci kanalizacji ogólnospławnej wybranego osiedla w programie GraPS pakietu SewerPac (trasowanie układu sieci i kontrola przebiegu wysokościowego sieci), 3) Oszacowanie obciążenia sieci przez dopływy ścieków: sanitarno-bytowych oraz wód deszczowych, 4) Prowadzenie obserwacji deszczy nawalnych na obszarze modelowanej zlewni w celu ustalenia dopływu wód opadowych, 5) Sporządzenie dodatkowych sztucznych scenariuszy opadowych według opadu modelowego Eulera typ II, 6) Wizja terenowa dla ustalenia lokalnych warunków spływu wód opadowych, zasięgów poszczególnych zlewni spływu powierzchniowego oraz ich stopnia uszczelnienia, 7) Obliczenia hydrodynamiczne sieci dla zarejestrowanych opadów deszczy nawalnych i opadów modelowych w programie Hykas w pakiecie SewerPac. 8) Analiza otrzymanych wyników i ich podsumowanie. 2

3 W pracy autorka scharakteryzowała pakiet programów dla modelowania hydrodynamicznego SewerPac, który został wykorzystany w badaniach własnych. Licencja edukacyjna oprogramowania została zakupiona przez Wydział Inżynierii Kształtowania Środowiska i Geodezji UP we Wrocławiu. Ponadto ważną cechą, która zdecydowała o użyciu pakietu SewerPac w badaniach była jego dostępność w polskiej wersji językowej. Pakiet programów SewerPac to profesjonalne narzędzie, pozwalające inżynierowi zbudować model hydrodynamiczny sieci kanalizacji: ogólnospławnej, deszczowej lub sanitarnej. W skład pakietu SewerPac firmy Rehm wchodzą ściśle współpracujące ze sobą programy: Hykas, Graps, Kanalplot oraz program Cadex. Programy te działają w środowisku AutoCADa (musi to być jednak pełna wersja 3-wymiarowa środowiska CAD). Obliczenia sieci kanalizacyjnej sporządzone przez, wchodzący w skład pakietu SewerPac, program Hykas są zgodne z wytyczną ATV-A118 oraz PN-EN 752. W pakiecie SewerPac informacje dotyczące projektowanego układu są przechowywane w formacie bazy danych Access, dzięki czemu można łatwo zmieniać lub aktualizować dane o sieci. Programy pakietu SewerPac dają możliwość prowadzenia obliczeń za pomocą metod stacjonarnych oraz niestacjonarnych. Metoda niestacjonarna uwzględnia hydrodynamiczny model przepływu, natomiast stacjonarna metoda opiera się na metodzie współczynnika opóźnienia i krzywej sumowej odpływu. W trakcie realizacji pracy z grona programów pakietu SewerPac korzystano przede wszystkim z dwóch aplikacji: GraPS oraz Hykas. Obiektem badań, dla którego przygotowano model hydrodynamiczny jest istniejąca sieć kanalizacji ogólnospławnej na osiedlu Murcki w Katowicach. Budowa bazy danych dla potrzeb modelowania była procesem złożonym. Informacje zostały pozyskane z dokumentacji technicznej, a pełna budowa i kalibracja modelu sieci wymagała wielu kategorii informacji. Dane wejściowe do obliczeń zostały pozyskane z map analogowych, elektronicznej bazy danych GIS a także dokumentacji udostępnionej przez Rejonowe Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji (RPWiK) w Katowicach oraz Katowicką Infrastrukturę Wodociągowo-Kanalizacyjną (KWIK). Pozyskanie i przetworzenie danych na potrzeby modelowania było długotrwałe i pracochłonne. Wysoki nakład pracy polegał na ręcznym przenoszeniu informacji z tradycyjnej dokumentacji do programu GraPS. W celu budowy modelu hydrodynamicznego sieci kanalizacji ogólnospławnej wykorzystano dane przestrzenne lokalizacji obiektów sieci ogólnospławnej, ze szczególnym uwzględnianiem informacji wysokościowych, które wprowadzono do bazy danych programu GraPS na podstawie cyfrowych i analogowych map oraz dokumentacji uzyskanych z RPWiK. 3

4 Wykorzystując przeglądarkę ArcReader wchodzącą w skład oprogramowania ArcGis firmy ESRI (Environmental Systems Research Institute) odczytano parametry techniczne obiektów sieciowych takie jak: średnice, przekroje, materiał, z którego wykonane są przewody oraz informacje wysokościowe: rzędne terenu, rzędne pokrywy oraz dna studzienek. Niestety nie istniała możliwość przejęcia automatycznego tych parametrów sieci z udostępnionej bazy GIS do programu GraPS. Poza tym przy odczytywaniu danych wykryto wiele błędów w bazie GIS, które korygowano z użyciem dokumentacji papierowej oraz na drodze konsultacji z eksploatatorami sieci. Informacje o rodzaju zabudowy i stopniu uszczelnienia zlewni uzyskano z wizji terenowej przeprowadzonej w dniu roku. Dodatkowo informacje dotyczące zlewni cząstkowych przypisanych do poszczególnych odcinków sieci zostały uzupełnione przy wykorzystaniu satelitarnych map umieszczonych na portalu Mapy PKT.PL. Budowa szkieletu sieci kanalizacji ogólnospławnej była najbardziej pracochłonnym elementem pracy, z uwagi na rozległy obszar badanej zlewni. Pierwszym etapem całej sekwencji działań w tym zakresie budowy modelu hydrodynamicznego było zaimportowanie cyfrowej mapy miasta Katowic do programu AutoCAD (była to kolekcja map rastrowych). Następnie stworzono szkielet sieci kanalizacji za pomocą narzędzi programu GrapPS uruchomionego w środowisku graficznym AutoCAD. Zaczęto od wprowadzenia rzędnych studni znajdujących się na obszarze dzielnicy Murcki. Informacje te wprowadzane z poziomu aplikacji GraPS były automatycznie zapisywane w bazie danych programu Access. Baza danych o studniach pozwoliła na odtworzenie położenia poszczególnych odcinków sieci. Spadki na odcinkach zostały skorygowane z danymi zawartymi w bazie GIS. Stworzony ostatecznie komputerowy model sieci kanalizacji ogólnospławnej osiedla Murcki składał się z 945 odcinków przelotowych, 956 studzienek, 2 pompowni oraz 1 przelewu burzowego (zamodelowanego, jako wolny wylot), znajdującego się przy pompowni na ulicy Tartacznej. Po zakończeniu budowy szkieletu sieci i po weryfikacji jej topologii przystąpiono do wydzielenia zlewni cząstkowych spływów powierzchniowych. Wszystkie wydzielone zlewnie zostały przypisane do odpowiednich kanałów, do których ciąży spływ powierzchniowy z tych zlewni. Wydzielenia zlewni dokonano na podstawie planu sytuacyjnowysokościowego dzielnicy oraz obserwacji zgromadzonych w czasie wizji terenowej. Łącznie wydzielono 748 zlewni cząstkowych. Każda ze zlewni była przyporządkowana do konkretnej strefy zabudowy. Decydował o tym spadek zlewni (kategoria spadku) oraz zabudowa zlewni (procent zlewni zajętej przez powierzchnię dachów, dróg i innych terenów uszczelnionych). Łącznie wydzielono 18 typów zlewni. Ten trudny i żmudny proces 4

5 charakteryzacji poszczególnych zlewni spływu powierzchniowego pozwolił na zastosowanie w obliczeniach modelu spływu powierzchniowego Keser a. Przystępując do obliczeń hydrodynamicznych sieci kanalizacji ogólnospławnej osiedla Murcki konicznym było ustalenie obciążenia opadami modelowanego systemu. Na podstawie Komentarza do wytycznej ATV118 uznano, że obliczenia hydrodynamiczne sieci należy przeprowadzić zarówno dla zmierzonej serii opadów intensywnych jak również dla opadów modelowych według modelu Eulera typ II. Uznano to za koniczne z uwagi na dysponowanie zapisami rzeczywistych deszczy jedynie z 1 roku własnych pomiarów. Generalnie przy modelowaniu dostęp do tego typu danych jest bardzo trudny i nie jest praktycznie możliwe spełnienie wymogów wytycznych aby dla modelowania dysponować ciągami opadowymi o długości co najmniej 30 lat. Serię opadów nawalnych dla modelowania hydrodynamicznego sieci kanalizacji ogólnospławnej osiedla Murcki wyselekcjonowano z okresu własnych obserwacji od do roku. Pomiary deszczy prowadzono w sposób ciągły deszczomierzem wagowym umieszczonym na terenie oczyszczalni ścieków Podlesie. W badaniach wykorzystano prototypowy deszczomierz skonstruowany w Zakładzie Techniki Sanitarnej Wsi (ówczesnego Instytutu Budownictwa i Architektury Krajobrazu AR Wrocław) Modułem rejestracji opadów z deszczomierza był komputer PC zainstalowany w budynku administracyjnym oczyszczalni z programem, działającym w systemie DOS. Pomiary przyrostów warstwy opadów były określane na bieżąco w sposób pośredni na podstawie stałego pomiaru przyrostu masy wody gromadzącej się w zbiorniku wewnętrznym przyrządu. Odczyty wagi wody gromadzącej się w deszczomierzu były prowadzone w sposób cykliczny co 1 minutę, co odpowiadało późniejszym wymogom obliczeń w programie Hykas. Istotną zaletą pomiarów prowadzonych elektronicznym deszczomierzem wagowym był cyfrowy format ich wyników, tak więc zapisy mogły być łatwo wczytywane do programu obliczeniowego. Ważnym zadaniem przed obliczeniami było wydzielenie w ciągłych obserwacjach, konkretnych deszczy spełniających wymogi kryterium deszczy istotnych dla modelowania kanalizacji. Postępowano przy tym według kryteriów wytycznej ATV 118: - deszcz musiał się charakteryzować warstwą co najmniej 10 mm, - minimalny odstęp czasowy między deszczami musiał wynosić przynajmniej 4 godziny, - minimalna intensywność opadów musiała przekraczać wartość h N,min= 0,1 mm w ciągu 5 minut, względnie 0,5 mm w ciągu 1 godziny. 5

6 Na podstawie powyższego kryterium wydzielono z zarejestrowanego szeregu opadowego na oczyszczalni Podlesie 13 deszczy nawalnych. Posiadane zapisy wszystkich tych deszczy wczytano do programu obliczeniowego Hykas. Obliczenia przeprowadzono osobno dla każdego z wydzielonych deszczy. Po każdorazowym przeprowadzeniu obliczeń hydraulicznych obserwowano zmiany poziomu zwierciadła ścieków w studzienkach i natężenia przepływu w kanałach sieci. Zaobserwowano, że każdy z opadów nawalnych zasymulowanych w programie Hykas powodował wylania o różnej skali. Obserwacja ta była zgodna ze zgłaszanymi do eksploatatorów sieci uwagami ze strony mieszkańców osiedla Murcki. Po przejściu serii opadów nawalnych zaobserwowano 192 wylania, które nastąpiły przede wszystkim po intensywnych opadach, dając sumarycznie wylania o łącznej objętości 5425,91 m 3. Na podstawie przeprowadzonych na tym etapie badań stwierdzono przekroczenie dopuszczalnej częstości nadpiętrzania sieci kanalizacyjnej. Zgodnie z wytycznymi Komentarza do ATV-A 118 sieć ogólnospławna osiedla Murcki nie powinna być nadpiętrzana, częściej niż 1 raz na 3 lata (wymogi jak dla terenów mieszkaniowych). Przeprowadzone analizy pozwoliły na identyfikację miejsc szczególnie newralgicznych, w których nadpiętrzenia występują najczęściej i są największe. W załączniku do pracy znajduje się specjalna mapa z zaznaczonymi tymi miejscami. W drugiej serii obliczeń hydrodynamicznych postanowiono skorzystać z opadów modelowych. Opady modelowe są całkowicie sztucznymi hietogramami deszczy, opracowanymi na podstawie natężeń deszczy miarodajnych. Są one łatwe do opracowania, jednak ich stosowanie nasuwa wiele zastrzeżeń. W pracy zgodnie z wytyczną ATV 118 zastosowano deszcze modelowe Eulera (typ II). Konstrukcja opadu modelowego Eulera typ II, bazuje na odpowiednim rozmieszczeniu pojedynczych przedziałów wysokości deszczu dla odwzorowania pewnych typowych przebiegów deszczy burzowych. Cechą charakterystyczną modelu Eulera (typ II) jest położenie przedziału z maksymalną intensywnością deszczu przyjmowane po upływie 0,3 całkowitego czasu trwania opadu. Dla potrzeb symulacji, biorąc pod uwagę typ zabudowy osiedla Murcki i skalę wielkości jego sieci kanalizacyjnej, skonstruowano 6 deszczy modelowych o prawdopodobieństwie 20% i 50% i czasach trwania: 30, 45 i 60 minut. Konstrukcję przeprowadzono według wytycznej ATV 118 na podstawie zestawienia natężeń deszczy miarodajnych. Obliczenia przeprowadzone dla opadów modelowych wykazały wstępowanie wylań kanalizacji na większości obszaru dzielnicy. Jak już wcześniej wspomniano deszcze modelowe to opady oparte na przepływach miarodajnych. Są to nierzeczywiste scenariusze opadów, które nie muszą wstępować w rzeczywistości na 6

7 badanym obszarze. Tłumaczy to nagminne wylewanie sieci w ich przypadku. Wydaje się, że są one zbyt gwałtowne w porównaniu z opadami rzeczywistymi. W Polsce nie przeprowadzono jak dotąd badań dotyczących modeli matematycznych służących do tworzenia hietogramów wzorcowych. Także Schmitt w Komentarzu do ATV 118 wskazuje na problemy związane z użyciem opadów modelowych, które wynikają z braku bezpośredniej znajomości częstotliwości ich występowania. Dlatego znacznie bardziej uzasadnione staje się wykorzystywanie serii zmierzonych opadów nawalnych w symulacji sieci kanalizacyjnych, jak było uczynione w pierwszej serii symulacji hydrodynamicznych. Wyniki symulacji z sztucznych życiem opadów modelowych należy traktować zatem jako bardzo przybliżone, niemniej pozwalają one na identyfikację szczególnie zagrożonych obszarów zlewni i kanałów o zbyt małej przepustowości. W nawiązaniu do powyższych uwag, stwierdzono, że funkcjonowanie sieci pod obciążeniem deszczy rzeczywistych kształtuje się znacznie lepiej niż wtedy, gdy sieć była obciążona opadami deszczy modelowych. Przede wszystkim nie wystąpiło aż tak wiele wylań jak w przypadku symulacji deszczy modelowych. Po przeprowadzeniu obliczeń i obserwacji zmian dynamicznych zwierciadła ścieków w przewodach zauważono, że po zasymulowaniu przejścia serii opadów nawalnych wylania, nastąpiły przede wszystkim w miejscach gdzie następuje połączenie rurociągów, które odprowadzają ścieki z dużych i bardzo mocno uszczelnionych obszarów zlewni. Wykresy napełnienia i odpływu w tych miejscach wskazują na to, że przy wylaniach pojawia się charakterystyczna niestabilność numeryczna symulacji widoczna jako skokowe zmiany wykresów napełnień i przepływów. Przeprowadzone symulacje pozwoliły zweryfikować rozwiązania projektowe sieci kanalizacyjnej osiedla Murcki. Liczba nadpiętrzeń sieci jest bardzo duża i zdecydowanie przekracza dopuszczalną ilość zalecaną przez wytyczną. Nie dziwi to jednak w przypadku sieci ogólnospławnej na badanej dzielnicy, która pierwotnie nie była zaprojektowana na mniejszy strumień ścieków, a wraz z rozbudową dzielnicy została zbyt mocno dociążona przez spływy wód opadowych. Przeprowadzone w pracy symulacje numeryczne przekonują o potrzebie modernizacji sieci i jej rozbudowy. Opracowany model hydrodynamiczny może być także użyty dla testowania proponowanych wariantów zaradczych, poprawiających zdolności tranzytowe sieci. 7

8 Przeprowadzone badania pozwoliły na sformułowanie następujących wniosków końcowych: 1) Model hydrodynamiczny jest cennym narzędziem mogącym wspomagać eksploatację rozbudowanych sieci kanalizacyjnych. Opracowany model hydrodynamiczny sieci kanalizacji ogólnospławnej osiedla Murcki zapewniał możliwość wykrycia najsłabszych miejsc sieci, narażonych w sposób szczególny na przeciążenia w trakcie opadów deszczy o dużych intensywnościach. 2) Pakiet SewerPac jest wygodnym narzędziem dla tworzenia modeli hydrodynamicznych, przeprowadzania obliczeń oraz edycji ich wyników. Cenną cechą pakietu jest jego współpraca ze środowiskiem graficznym AutoCADa, co pozwala na graficzne obrazowanie wyników obliczeń i jest bardzo pomocne na etapie samego budowania modelu. Drugą równie ważną zaletą pakietu SewerPac jest jego interfejs, który został całkowicie przetłumaczony na język polski, co zdecydowanie ułatwia komunikację z programami pakietu. 3) Bardzo trudnym i żmudnym procesem jest budowa komputerowego modelu sieci. Niestety pomimo posiadania bazy danych GIS o sieci kanalizacyjnej osiedla Murcki nie można było automatycznie przenieść tych informacji do programu Hykas. Brak jest w tym zakresie w Polsce odpowiednich standardów komunikacji, pomiędzy bazami danych o sieci i bazami danych programów obliczeniowych. Standardy są takie dostępne już w Niemczech i program GraPS jest do nich dostosowany. 4) Obliczenia hydrodynamiczne wykonane na bazie opadów modelowych wydają się być bardzo mało wiarygodnymi. Występujące po nich każdorazowe wylania na większości obszaru zlewni nie są zgodne z rzeczywistością. Pozwala to przypuszczać, że opady modele według Eulera typ II nie są wiarygodne w warunkach Katowic. Należy przy tym pamiętać, że wiarygodność tego typu opadów modelowych nie była nigdy w Polsce przedmiotem naukowej weryfikacji. Pomimo to wyniki symulacji hydrodynamicznych na podstawie opadów modelowych są przydatne dla identyfikacji rejonów sieci szczególnie narażonych na wylania. 5) Obliczenia hydrodynamiczne przeprowadzone w oparciu o własne pomiary lokalnych deszczy są bardziej wiarygodne od symulacji opartych na opadach modelowych. Wylania po opadach rzeczywistych występowały w nielicznych miejscach sieci, które w rzeczywistości sprawiają największe problemy dla jej eksploatatorów. Dalsze doskonalenie opracowanego modelu jest możliwe dopiero po opomiarowaniu sieci i 8

9 zgromadzeniu wyników rzeczywistych przepływów w wybranych kanałach sieci po wystąpieniu konkretnych opadów. Dane takie pozwoliłyby na kalibrację modelu. 6) Przeprowadzone symulacje numeryczne pracy kanalizacji ogólnospławnej osiedla Murcki świadczą o potrzebie działań zmierzających z jednej strony do odciążenia sieci, przez lokalne systemy rozsączania wód opadowych lub też retencję ścieków w specjalnie instalowanych zbiornikach retencyjnych, jak również zwiększenie zdolności tranzytowych pewnych kolektorów sieci. W tym celu w przyszłości warto byłoby myśleć o np. częściowym rozdziale strumienia ścieków i zamianie systemu kanalizacji ogólnospławnej na kanalizację rozdzielczą: sanitarną i deszczową przynajmniej dla wybranych obszarów zlewni. Praca i sporządzony w jej ramach komputerowy model hydrodynamiczny może znaleźć bezpośrednie zastosowanie w codziennej praktyce eksploatacyjnej sieci kanalizacyjnej osiedla Murcki oraz przy planowaniu jej modernizacji i rozbudowy. Walorem pracy jest ponadto kompleksowe przedstawienie całego ciągu skoordynowanych działań, jaki musi podjąć inżynier w celu budowy modelu, zgromadzenia danych opadowych, przeprowadzenia symulacji hydrodynamicznych sieci kanalizacji ogólnospławnej oraz interpretacji ich wyników. Praca dowodzi także konieczności stosowania w aktualnej praktyce inżynierii środowiska nowoczesnych narzędzi, takich jak np.: komputerowe modele hydrodynamiczne, bazy danych GIS, programy typu CAD, elektroniczne przyrządy do pomiarów opadów, itp. 9

10 10