Program SewerGEMS, wymiarowanie zbiorników retencyjnych, modelowanie hydrodynamiczne Maria NIESOBSKA, Dagmara DŻUGAJ, Paweł LICZNAR* 1 ZASTOSOWANIE PROGRAMU SEWERGEMS DO PROBABILISTYCZNEGO WYMIAROWANIA OBJĘTOŚCI ZBIORNIKA RETENCYJNEGO WÓD OPADOWYCH W pracy prezentowany jest program SewerGEMS, należący do bogatego pakietu oprogramowania inżynierskiego firmy Bentley. Jego potencjał w zakresie modelowania jest demonstrowany na przykładzie wybranej zlewni kanalizacyjnej ze szczególnym uwzględnieniem aspektu możliwości wykorzystywania wyników symulacji hydrodynamicznych do probabilistycznego wymiarowania objętości zbiornika retencyjnego zgodnie z niemiecką wytyczną DWA-A 117 [1]. WSTĘP I CEL PRACY Współcześnie, mimo rozwoju nauki i techniki inżynierskiej, w dużych miastach głównym problemem przy budowie i eksploatacji sieci kanalizacyjnej jest odebranie wód opadowych (przede wszystkim z opadów nagłych i nawalnych). Problem z zagospodarowaniem wód deszczowych i ich odprowadzeniem wynika przede wszystkim ze stale wzrastającego poziomu uszczelnienia terenów miejskich oraz budowy wielu obiektów pod ziemią (mowa tu o tunelach metra, tunelach infrastrukturalnych, wielopoziomowych podziemnych parkingach) [4]. Spływ powierzchniowy przechwytywany przez kanalizację ma charakter bardzo nieciągły i zmienny w czasie. Jest to wynikiem nieciągłości i silnej zmienności chwilowych natężeń opadów wywołujących spływ powierzchniowy. Jest zatem w pełni uzasadnione poszukiwanie rozwiązań umożliwiających spowolnienie odpływu, zatrzymanie jego części na terenie zlewni i wydłużenie czasu odpływu wód opadowych przy jednoczesnym obniżeniu natężenia odpływu. Jednym z zabiegów technicznych * Politechnika Wrocławska, Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska, Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław, maria.niesobska@pwr.wroc.pl
448 M. NIESOBSKA i in. w tym zakresie jest wyposażanie systemów kanalizacyjnych w retencyjne zbiorniki wód opadowych. Prosta idea stosowania zbiorników kanalizacyjnych jest trudną w realizacji, gdyż są to budowle drogie, a ich instalacja w obrębie już istniejących zlewni kanalizacyjnych napotyka na liczne ograniczenia. Konieczne zatem jest bardzo precyzyjne określanie niezbędnej objętości retencyjnej i rozpatrywanie wielu wariantów lokalizacji tych budowli. Wszystko to jest możliwe z użyciem modeli komputerowych sieci kanalizacyjnych. Wyniki symulacji przepływów w kanałach dla szeregu lokalnych opadów przynoszą informację o niezbędnych objętościach wód opadowych do zretencjonowania w systemie. Objętości takie dla odpowiednio bogatego zbioru mogą być przedmiotem opracowania statystycznego. Wynikiem takiego podejścia nie jest jedna absolutna wartość niezbędnej objętości zbiornika, lecz zależność o charakterze funkcyjnym łącząca objętość zbiornika z prawdopodobieństwem jej przewyższenia. Zgodnie z wymogami nowej niemieckiej wytycznej Arbeitsblatt DWA-A 117 z 2006 [1], których wykładnię prezentował Licznar [7, 8] objętość zbiorników retencyjnych, zwłaszcza tych o dużych objętościach, winna być dobierana w taki probabilistyczny sposób. W praktyce projektowej w Polsce, probabilistyczne wymiarowanie zbiorników nadal jeszcze nie doczekało się wdrożenia. Na pewno po części wynika to z nadal słabej i niedostatecznej wiedzy w zakresie modelowania hydrodynamicznego i braku praktycznej umiejętności obsługi wyspecjalizowanych pakietów oprogramowania inżynierskiego. Niemniej zasadniczą barierą jest brak danych opadowych. Symulacje hydrodynamiczne muszą być prowadzone na bazie wieloletnich, zwykle co najmniej 30-letnich lokalnych szeregach opadowych o wysokiej rozdzielczości czasowej [10]. Danych takich w kraju brakuje, jednak jak dowodzą wyniki ostatnich badań światowych i krajowych w tym zakresie, szeregi opadowe mogą być zastępowane łatwiej dostępnymi szeregami syntetycznymi. Celem pracy jest podjęcie próby wdrożenia metodyki probabilistycznego wymiarowania zbiornika retencyjnego w warunkach krajowych z wykorzystaniem programu SewerGEMS i syntetycznych szeregów opadowych. MODEL HYDRODYNAMICZNY W PROGRAMIE SEWERGEMS Aplikacja SewerGEMS jest produktem międzynarodowej firmy Bentley, dedykowanym modelowaniu hydrodynamicznemu sieci kanalizacyjnych. W programie możliwa jest symulacja przepływów nieustalonych i wolnozmiennych kanałami przy wykorzystaniu własnego silnika obliczeniowego lub klasycznego silnika modelu SWMM (ang. Storm Water Management Model). SewerGEMS oferuje możliwość wyboru platformy operacyjnej i kompatybilność z różnymi interfejsami graficznymi, w tym ze środowiskami typu CAD (programy MicroStation i AutoCAD).
Zastosowanie programu SewerGEMS do probabilistycznego wymiarowania objętości... 449 W pracy niniejszej z uwagi na szczupłość dostępnych środków nie było możliwe przeprowadzenie badań dla rzeczywistej dużej i opomiarowanej zlewni kanalizacyjnej. Dysponowano jedynie ograniczoną edukacyjną wersją programu SewerGEMS, w której występowały ograniczenia co do wielkości modelowanego systemu. Badania przeprowadzono zatem dla przykładowej niewielkiej i nieopomiarowanej sieci kanalizacji deszczowej (przedstawionej na rys. 1). Warto podkreślić, że przyjęcie takiego uproszczonego poligonu badawczego nie koliduje z zasadniczym celem pracy, jakim jest badanie funkcjonalności programu SewerGEMS pod kątem jego przydatności do probabilistycznego wymiarowania zbiorników retencyjnych. Ponadto specyficzna budowa sieci (rys. 1) uzasadnia potrzebę zastosowania modelowania hydrodynamicznego do właściwego wymiarowania zbiornika retencyjnego. Sieć odbiera spływ powierzchniowy jedynie z górnej części zlewni, po czym odpływ odbywa się kanałem tranzytowym o długości 460 m do odbiornika. Na długości tego kanału dochodzi do transformacji fali spływu i znacznego wydłużenia czasu przepływu, z racji czego uproszczone wymiarowanie niezbędnej objętości zbiornika retencyjnego na odpływie z sieci w oparciu o klasyczne wzory prezentowane w książkach Błaszczyka i in. [2] czy też Imhoffa [3] wydaje się być nieuzasadnione. Odbiornikiem modelowanej sieci kanalizacyjnej jest niewielki ciek. Odbiornik ten może przyjmować zrzuty podczyszczonych w separatorze ścieków deszczowych o natężeniu nieprzekraczającym 63,87 dm 3 /s. W tym celu na wylocie sieci zainstalowano regulator przepływu oraz zbiornik rurowy, którego celem było przechwytywanie nadmiaru wód opadowych, a tym samym ochronę przed powstawaniem zjawiska cofki w kanalizacji i jej wylewaniem. Na wstępie badań przyjęto niewielki zbiornik rurowy o średnicy wewnętrznej 1,6 m i długości 12 m, o łącznej kubaturze 24,12 m 3. Szereg symulacji przeprowadzonych w zasadniczej części badań miał służyć weryfikacji, czy przyjęta objętość jest właściwa, czy też wymaga powiększenia. O ile wymaga powiększenia? odpowiedź na te pytania miało zapewnić opracowanie statystyczne uzyskanych wyników symulacji. Topologię sieci odtworzono w programie SewerGEMS uruchomionym w środowisku graficznym MicroStation na podstawie posiadanych podkładów mapowych. Opracowany model hydrodynamiczny zlewni składał się z: 46 studzienek (o średnicy 1 m), 46 przewodów o przekroju kołowym o średnicach (od 0,2 m do 0,6 m), 66 wydzielonych zlewni spływu powierzchniowego (o powierzchniach od 180 m 2 do 2870 m 2 ). W zależności od stopnia zabudowania (uszczelnienia zlewni) dobrano odpowiednie wartości parametru CN dla zlewni, które wahały się od 77 do 83.
450 M. NIESOBSKA i in. Rys. 1. Model hydrodynamiczny sieci kanalizacji deszczowej utworzony w programie SewerGEMS. DANE OPADOWE Do symulacji hydrodynamicznych wykorzystano syntetyczne szeregi opadowe. Szeregi te wygenerowano z modelu kaskady mikrokanonicznej z generatorem betanormalnym i z atomem w 0,5; opracowanego i zweryfikowanego przez Licznara [6] i Licznara i in. [9] dla stacji meteorologicznej Wrocław-Swojec. Szeregi syntetyczne miały rozdzielczość 5 minut i powstały przez rozdział dobowych sum opadów z okresu 38 lat, mieszczących się w wieloleciu 1962 2004. Z bazowych syntetycznych szeregów opadowych wydzielono łącznie 261 deszczów nawalnych, według kryteriów podawanych przez Schmitta w wytycznych [10]. Uzyskano zatem częstość deszczów nawalnych na poziomie 6,87 deszczów na rok, co odpowiadało częstości podawanej przez Licznara [6] dla szeregów obserwacyjnych ze stacji Wrocław-Swojec. Wydzielone opady charakteryzowały się warstwami całkowitymi od 10 do 54,3 mm i czasami trwania od 25 do 1135 minut.
Zastosowanie programu SewerGEMS do probabilistycznego wymiarowania objętości... 451 SYMULACJE HYDRODYNAMICZNE I STATYSTYCZNE OPRACOWANIE ICH WYNIKÓW Poszczególne symulacje hydrodynamiczne były prowadzone oddzielenie dla kolejnych deszczów. W ramach badań przeprowadzono zatem łącznie 261 symulacji. Program SewerGEMS po zakończeniu każdej symulacji wysyłał komunikaty o przebiegu symulacji i o stanie sieci. Ten ostatni komunikat obejmował przede wszystkim informację o objętości nadpiętrzenia systemu, które zgodnie z wytyczną [10] oznaczało sytuacje, kiedy poziom ścieków w przepełnionych studzienkach przekraczał poziom terenu. W ramach wyników symulacji możliwe było wyznaczenie punktów sieci szczególnie narażonych na nadpiętrzenia. Wynikiem symulacji były także hydrogramy przepływów dla poszczególnych kanałów. Przykładowy hydrogram przepływu dla kanału CO23 (widocznego na rys. 1), dla losowo wybranego deszczu prezentowany jest na rys. 2. Ilustracja ta dowodzi, jak mocno dynamika odpływu jest determinowana przez zmienność hietogramu opadu go wyzwalającego. Zgodnie z niemiecką wytyczną ATV-117 [1], wymiarowanie niezbędnej objętości zbiornika retencyjnego można przeprowadzać metodą ogólną (niem. Nachweis) [8] lub metodą uproszczonego wymiarowania (niem. Bemessung) [7]. Pierwsza z nich może być stosowana zarówno do małych, jak i dużych zlewni, druga zaś tylko do zlewni małych, o powierzchni mniejszej od 200 ha. W pracy w sposób oczywisty skoncentrowano uwagę na metodzie ogólnej. W celu implementacji tej metody dokonano uporządkowania zbioru wyników symulacji. W jego wyniku stwierdzono, że dla większości opadów (246 przypadków) nadpiętrzenia nie występują, co powinno być oczywiste dla prawidłowo zaprojektowanej i eksploatowanej sieci. Dla pozostałej części zbioru niezerowych nadpiętrzeń dokonano ich uporządkowania w szereg rozdzielczy o malejących wartościach. Poszczególnym elementom tego szeregu przyporządkowano następnie wartości czasów ponownego nawrotu nadpiętrzenia, zgodnie z poniższym wzorem: T n L 1 k M L gdzie: T n czas ponownego nawrotu [lata], M zakres czasu symulacji [liczba lat], w tym przypadku M=38 lat, L liczebność zbioru wyników, w tym przypadku L=261, k numer pozycji elementu zbioru wyników w szeregu rozdzielczym (od 1 do L).
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 warstwa deszczu [mm] przepływ [m 3 /s] 452 M. NIESOBSKA i in. 8.00 7.00 6.00 warstwa deszczu przepływ 400 350 300 5.00 250 4.00 200 3.00 150 2.00 100 1.00 50 0.00 0 czas [min] Rys. 2. Przykładowe hydrogramy przepływów dla kanału CO23 uzyskane dla dwóch losowo wybranych deszczów Graficzną prezentacją sporządzonego szeregu rozdzielczego, jest rys. 3. Wykres zależności objętości nadpiętrzenia sieci od czasu jego powtórnego nawrotu wykreślono w skali logarytmicznej czasu T n. Układ uzyskanych na wykresie punktów w tej skali ma charakter liniowy, co jest zgodne z wynikami prezentowanymi w wytycznej [1] i zarazem jest potwierdzeniem jakościowym poprawności przeprowadzonych badań. Wspomniany wykres wiąże w sposób jednoznaczny wielkość nadpiętrzenia obserwowanego w sieci z czasem jego ponownego nawrotu, a więc prawdopodobieństwem wystąpienia. Ma on zatem duży walor, gdyż wprowadza podejście probabilistyczne do wymiarowania objętości zbiornika retencyjnego, które to podejście jest obecnie preferowane w całokształcie projektowania i eksploatacji kanalizacji. Wystarczy przy tym wspomnieć o przyjmowanym prawdopodobieństwie deszczów miarodajnych, czy też akceptowalnej częstości nadpiętrzenia i wylewania sieci kanalizacyjnych. W ostatnim etapie badań dokonano odczytu dodatkowej objętości retencyjnej, o którą należy powiększyć już istniejący zbiornik w celu uniknięcia stwierdzonych nadpiętrzeń. Odczytu dokonano dla czasu ponownego nawrotu Tn = 3 lata (czyli p=33%), zakładając, że badana kanalizacja obsługuje osiedle mieszkaniowe, na którym nie powinno dochodzić do nadpiętrzeń częściej niż 1 raz na 3 lata, zgodnie z wytycznymi podawanymi przez Schmitta [10]. Odczytana przy tym założeniu objętość dodatkowej wymaganej retencji wynosiła 400 m 3. Dla porównania, gdyby chcieć zmniejszyć częstość nadpiętrzeń do poziomu rzędu 1 raz na 5 lat, tak jak jest to wymagane dla centrów miasta i terenów przemysłowych [10], wówczas objętość zbiornika należałoby zwiększyć o ponad 500 m 3.
Zastosowanie programu SewerGEMS do probabilistycznego wymiarowania objętości... 453 Rys. 4. Wykres zależności między objętością rejestrowanych nadpiętrzeń sieci a czasem ich ponownego nawrotu. WNIOSKI KOŃCOWE Przeprowadzone badania pozwalają na sformułowanie następujących wniosków końcowych: 1) Program SewerGEMS jest profesjonalnym narzędziem inżynierskim, pozwalającym na prowadzenie symulacji hydrodynamicznych sieci kanalizacyjnych. Interfejs programu jest przejrzysty dla użytkownika, a dzięki osadzeniu aplikacji w środowisku typu CAD, łatwe jest odtworzenie topologii sieci w modelu na podstawie podkładów mapowych. 2) Opady nawalne wydzielone z syntetycznych szeregów opadowych mogą być podstawą do prowadzenia symulacji hydrodynamicznych sieci kanalizacyjnej w programie SewerGEMS. Otrzymywane na ich bazie zbiory wartości nadpiętrzeń sieci kanalizacyjnej mogą być poddawane dalszemu opracowaniu statystycznemu, którego rezultatem jest zależność łącząca wartości objętości nadpiętrzeń z czasem ich ponownego nawrotu. 3) Wspomniane powyżej zależności wiążące objętości nadpiętrzeń sieci z czasami ich ponownego nawrotu mogą być podstawą do probabilistycznego
454 M. NIESOBSKA i in. przyjmowania niezbędnej objętości retencyjnych zbiorników kanalizacyjnych. Zależności te jasno dowodzą, że podniesienie wymagań komfortu kanalizacyjnego i zwiększenie poziomu bezpieczeństwa systemów odwodnienia wiąże się z koniecznością przyjmowania większych objętości zbiorników retencyjnych. Badania zrealizowano ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego na przełomie lat 2012-2013 w ramach działalności statutowej Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej LITERATURA [1] ARBEITSBLATT DWA-A 117, 2006: Bemessung von Regenrückhalteräumen. Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V., Hennef [2] BŁASZCZYK W., ROMAN M., STAMATELLO H., 1974: Kanalizacja. Tom 1, Arkady [3] IMHOFF K. i K., 1996 Kanalizacja miast i oczyszczanie ścieków. Poradnik, Oficyna Wydawnicza Projprzem-EKO Bydgoszcz [4] KWIETNIEWSKI M. 2008: GIS w wodociągach i kanalizacji. PWN, Warszawa. [5] LICZNAR P., 2008b: Praktyczna realizacja modelu hydrodynamicznego sieci kanalizacyjnej w pakiecie SewerPac. GWiTS, marzec 2008 r., 11-19. [6] LICZNAR P., 2009: Generatory syntetycznych szeregów opadowych do modelowania sieci kanalizacji deszczowych i ogólnospławnych. UWP Wrocław. [7] LICZNAR P., 2010b: Wymiarowanie zbiorników retencyjnych wód opadowych zgodnie z wymogami niemieckiej wytycznej DWA A-117. INSTAL 11/2010. 51-56. [8] LICZNAR P., 2011: Wykrywanie niezbędnej objętości zbiorników wód opadowych na podstawie symulacji hydrodynamicznych. INSTAL 1/2011, 39-48. [9] LICZNAR P., ŁOMOTOWSKI J., RUPP DAVID E., 2011: Random cascade driver rainfall disaggregation for Urban hydrology: An evaluation of six models and a new generator, ATMOSPHERIC RESEARCH, no 99, 563-578 [10] SCHMITT T.G., 2000: Komentarz do ATV-A118P, Hydrauliczne wymiarowanie systemów odwadniających. Wydawnictwo Seidel-Przywecki sp. z o.o., Warszawa. APPLICATION OF THE SEWERGEMS PROGRAM FOR PROBABILISTIC DIMENSIONING OF STORMWATER RESERVOIR VOLUME This paper presents SewerGEMS program, belonging to a extensive suite of Bentley company engineering software. Its potential for modeling is demonstrated on the example of selected drainage catchment with particular emphasis on the usability aspect of hydrodynamic simulation results for the probabilistic dimensioning of reservoir volume, according to the German DWA-A 117 guideline [1].