Schritt-für-Schritt-Anleitung Aqua

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AQUA ist ein Modul von der Software ++Systems zur Darstellung, Verwaltung, Berechnung, Bewertung und Ausgabe von Wasserversorgungsnetzen. Es ermöglicht die graphische Verwaltung und Planerstellung aller für das Wasserversorgungsnetz relevanten Elemente. Dabei werden die einzelnen Elemente wie Leitungen, Pumpen, Ventile usw. als eigenständige Objekte angesehen und können mit speziellen Attributen und Werten belegt werden. Diese Werte können sowohl grafisch (z. B. können Leitungen bzgl. ihrer Beschaffenheit farblich eingefärbt werden) sichtbar gemacht werden als auch zur Bewertung des Druckrohrnetzes herangezogen werden. Hierfür ist das hydrodynamische Berechnungsverfahren EPANET des von der U.S. Environmental Protection Agency entwickelten Verfahrens angeschlossen.

Um dem Anwender bei der Darstellung des Wasserversorgungsnetzes mit AQUA++ alle Freiheiten (bzgl. Normen, Symboldarstellung, …) zu geben, können spezielle Symbolbibliotheken, Linienkonfigurationen und Bemaßungen angegeben werden. Durch einfache Konfigurationsschritte lässt sich aus dem mit AQUA++ erstellten Versorgungsnetz ein individuell abgestimmter Plan drucken.

AQUA++ bietet weiterhin eine sehr große und flexible Anzahl an Import- und Export-Schnittstellen. Somit lassen sich beliebige Daten in den zu erstellenden Plan einbinden. Darunter fallen unter anderem Importfunktionen von Geodaten, DXF-Import und -Export, sowie der flexible text-spaltenweise Import und Export.

Erste Schritte

Falls Sie sich bei der Bedienung mit ++Systems noch unsicher sind, finden Sie eine ausführliche Anleitung zu den grundlegenden Funktionen bei der Schritt-für-Schritt-Anleitung Hydraulik. Um das ++Systems-Modul AQUA nutzen zu können, müssen Sie es zunächst in den Projekteinstellungen aktivieren.

In AQUA wird ein objektorientiertes Konzept zur Verwaltung, Darstellung und Verarbeitung des Wasserversorgungsnetzes verwendet. Jedes Element, das in AQUA++ eingefügt oder dargestellt wird, liegt als eigenständiges Objekt mit eigenen Eigenschaften und Attributen vor. Zu unterscheiden sind hier in erster Linie punktförmige und linienförmige Elemente:

• Punktförmige Elemente: Elemente des Wasserversorgungsnetzes, die keinen definierten Anfangs- bzw. Endpunkt benötigen und deren Flussrichtung für die hydrodynamische Berechnung nicht relevant ist. Typische Vertreter sind Wasserleitungspunkte, T-Stücke, Hydranten, Endstücke usw.
• Linienförmige Elemente: Elemente, die eindeutig durch einen definierten Anfangs- und Endpunkt festgelegt sind. Dadurch kann auch eine eindeutige Flussrichtung festgelegt werden. Als linienförmige Elemente sind Leitungen, Hausanschlüsse, Schieber, Ventile aller Art und Pumpen anzusehen.

Weitere Elemente sind zur Darstellung (Beschriftungen, Symbole), Bemaßung (Koordinatensysteme) und Berechnung (Kennlinien, Pattern) vorhanden. Für eine detaillierte Beschreibung wird auf die jeweiligen Kapitel verwiesen.

Import der Daten

Im Gegensatz zum Abwasser gibt es für die Daten der Wasserversorgung kein festes Eingangsdatenformat. Der Import der Daten kann über folgende Formate stattfinden:

• Shape
• DXF
• Textdatei (XYZ)

Empfohlen wird die Verwendung des Shape-Formats, da hier neben den geometrischen Eigenschaften (wie z.B. dem Leitungsverlauf) auch weitere Informationen (z.B. zum Durchmesser) übertragen werden können. Der Import von Textdateien kann über die Schnittstellen im Projektbaum erfolgen. Bitte importieren Sie immer erst die Wasserknoten und erst im Anschluss die Wasserleitungen.

Allgemeine Informationen

• Bei einer Berechnung mittels des Moduls AQUA handelt es sich um eine druckgesteuerte Berechnung, d.h. die Abnahmen sind fest und finden immer statt. Der Druck wird darauf aufbauend berechnet.
• Sie können die Abnahme entweder am Wasserknoten selbst (bei signifikanten Verbrauchern) oder als Mengenmeterwert in den Wasserleitungen eingeben. Über die Bedarfskategorien ist eine genauere Eingabe der Abnahme möglich. Sie können zudem die verschiedenen Arten der Eingabe einer Abnahme kombinieren und auch einen Multiplikationsfaktor für den Verbrauch einstellen.
• Falls Sie in Ihrem Modell keine negativen Durchflüsse wünschen, können Sie über einen Ausdruck alle Wasserleitungen mit negativem Durchfluss markieren und diese wenden.
• AQUA stellt ein flexibles Einheitensystem für die hydraulisch relevanten Attribute und Ergebnisse zur Verfügung (z.B. Liter pro Sekunde, Gallonen pro Minute, Kubikmeter pro Tag). Lage- und Positionsattribute werden jedoch nur im metrischen System vorgehalten.

Wasserleitungspunkte

Die sogenannten Wasserleitungspunkte sind als Hilfsmittel für das Digitalisieren von Wassernetzen gedacht. Sie haben keinerlei hydrodynamische Relevanz. Ihr Zweck besteht darin, die geografische Position eines Knotens zu bestimmen, dem noch keine direkte Funktionalität (Verbraucher, Tank, usw.) zugewiesen ist. Wasserleitungspunkte verfügen daher auch lediglich über die Standardattribute für Wasserknoten.

Bevor eine hydrodynamische Berechnung durchgeführt werden kann, muss jedem Wasserleitungspunkt ein bestimmter Typ zugeordnet werden.

Knoten / Verbraucher

Knoten sind die einfachsten und variabelsten punktförmigen Objekte. Sie werden als Verbindungsstücke, T-Stücke usw. von Leitungen verwendet und können zugleich jegliche Art von Verbraucher bzw. einer Einspeisung repräsentieren.

Attributliste:

Höhe in [m]: Die Höhe in Metern über einem bestimmten Referenzpunkt (z. B. NN). Dieses Attribut muss vorhanden sein, um die Druckverhältnisse an diesem Knoten zu berechnen.

Emitter-Koeffizient: Ablasskoeffizient für einen Emitter (Sprinkler, Düse), der am Knoten sitzt. Der Koeffizient repräsentiert den Fluss bei einem Druckabfall von einem Meter.

Standardbedarf: Der durchschnittliche Wasserverbrauch an einem Knoten. Ein negativer Wert repräsentiert eine externe Quelle, die Wasser ins System abgibt.

Bedarfspattern: Die ID eines Pattern. Dadurch lässt sich ein variabler Wasserverbrauch realisieren.

Bedarfskategorien: Um den Verbrauch an einem Knoten genauer aufzuschlüsseln (gewerblich, privat, landwirtschaftlich, …), können auch verschiedene Verbraucher angegeben werden. Klicken Sie hierfür auf den Ändern-Button.

Attribute der Bedarfskategorien:

• Verbrauch: siehe Standardbedarf
• Pattern: siehe Bedarfspattern
• Typ: Auswahl zwischen konstant, zeitabhängig und Gebiet. Konstant bedeutet, dass der Verbrauch über die gesamte Berechnungsdauer konstant bleibt. Bei einem zeitabhängigen Bedarf wird der Verbrauch durch das angegebene Pattern gesteuert. Falls ein Gebiet als Verbraucher angegeben wurde, erhält der Verbrauch den Typ Gebiet. Ein Gebiet kann durch die Aktion „Einzugsgebiet -> Gebiet zu Wasserknoten zuordnen" einer Wasserleitung zugeordnet werden. Klicken Sie hierfür mit der linken Maustaste auf ein Gebiet und halten Sie diese gedrückt. Fahren Sie mit dem Mauszeiger auf den gewünschten Knoten und lassen Sie die Maustaste los.
• Beschreibung: Optionale Beschreibung des Verbrauchs.

Reservoir

Reservoirs sind Knoten, die eine unendliche externe Quelle oder einen unendlichen Ausfluss von Wasser bzgl. des Systems repräsentieren. Sie können genutzt werden, um Seen, Flüsse, Grundwasserreservoirs usw. zu modellieren. Da Reservoirs als Grenzpunkte des Systems angesehen werden, hat das System auch keinen Einfluss auf deren Attribute.

Attributliste:

Gesamtdruck in [m]: Der hydraulische Druck (Höhe + Druck) des Wassers im Reservoir.

Druckpattern: Die ID eines Pattern. Dadurch lässt sich ein variabler Gesamtdruck realisieren.

Tank

Tanks sind Knoten mit Speicherkapazität, in denen das Volumen während der Simulationsphase temporär variiert.

Attributliste:

Höhe in [m]: Die Sohlhöhe in Metern über einem bestimmten Referenzpunkt (z. B. NN). Dieses Attribut muss vorhanden sein, um die Druckverhältnisse an diesem Knoten zu berechnen.

Anfangslevel: Anfangswasserhöhe im Tank bezogen auf die Sohlhöhe. Dieses Attribut muss vorhanden sein, um die Druckverhältnisse an diesem Knoten zu berechnen.

Minimaler Level: Minimaler Wasserstand, der im Tank erhalten werden muss. Der Wasserstand kann nicht unter diesen Level fallen. Dieses Attribut muss vorhanden sein, um die Druckverhältnisse an diesem Knoten zu berechnen.

Maximaler Level: Maximaler Wasserstand, der im Tank erreicht werden darf. Der Wasserstand kann nicht über diesen Level steigen. Dieses Attribut muss vorhanden sein, um die Druckverhältnisse an diesem Knoten zu berechnen.

Durchmesser: Durchmesser eines zylindrisch angesehenen Tanks in Metern. Für quadratische und rechteckige Tanks können entsprechende Umrechnungen erfolgen. Dieses Attribut muss vorhanden sein, um die Druckverhältnisse an diesem Knoten zu berechnen.

Minimales Volumen: Das Volumen des Wassers im Tank, wenn es den minimalen Wasserstand eingenommen hat.

Volumenkurve: Durch Angabe der ID einer Kurve kann eine Relation zwischen Wasserstand und Volumen angegeben werden. Dadurch können beliebige Tankgeometrien modelliert werden.

Hydrant

Knoten zur expliziten Darstellung eines Hydranten. Die Attributliste und deren Verhalten auf das System entsprechen den Knoten/Verbraucher (siehe oben).

Endstück

Knoten zur expliziten Darstellung eines Endstücks. Die Attributliste und deren Verhalten auf das System entsprechen den Knoten/Verbraucher (siehe oben).

Hausanschlusspunkt

Knoten zur expliziten Darstellung eines Hausanschlusses. Die Attributliste und deren Verhalten auf das System entsprechen den Knoten/Verbraucher (siehe oben).

Für eine bessere Übersicht und Skalierbarkeit sollte jede Hausanschlussleitung an solch einem Knoten beginnen.

Leitungen

Leitungen repräsentieren die linienförmigen Objekte in AQUA++. Die Attribute, die in jeder Leitung vorhanden sind, sehen Sie auf der linken Seite des Eigenschaftsdialogs für Leitungen. Auf der rechten Seite sind die variablen Eigenschaften zu sehen. Diese ändern sich je nach gewähltem Objekttyp.

Folgende Arten von Leitungstypen sind verfügbar:

• Leitung
• Pumpe
• Ventil
• Schieber
• Hausanschlussleitung

Die allgemeinen Attribute/Eigenschaften sind:

Name: Dieser Name muss eindeutig sein und dient zur Identifizierung der Leitung.

Anfangsknoten: Knoten, an dem die Leitung beginnt.

Endknoten: Knoten, an dem die Leitung endet.

Beschreibung: Kann optional genutzt werden, um weiterführende Informationen zu speichern. Die Beschreibung hat keinen Einfluss auf andere Attribute und Berechnungen.

Tag: Mit Hilfe des Tag-Feldes lassen sich beliebige Mengen von Knoten und Leitungen zusammenfassen (z. B. Leitungsnetz Ost).

Typ: Auswahl des konkreten Leitungstyps (Wasserleitung, Ventil, …).

Symbol: Zur Auswahl eines selbst definierten Symbols (z. B. Darstellung der Pumpe).

Linie: Auswahl einer selbst definierten Linie (siehe Linienarten).

Gemeinde: Angabe einer Gemeinde, der die Wasserleitung zugeordnet ist.

Straße: Angabe einer Straße, der die Wasserleitung zugeordnet ist.

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Leitung

Leitungen sind Verbindungen, die Wasser von einem Punkt zum anderen befördern. Es wird angenommen, dass alle Leitungen zu jedem Zeitpunkt voll sind. Die Flussrichtung ist von dem Ende mit dem höheren hydraulischen Druck zum Ende mit dem niedrigeren hydraulischen Druck.

Attributliste:

Berechnete Länge: Die aus der Plandarstellung resultierende Länge. Kann wegen Höhenunterschieden, vertikalen Bögen usw. von der tatsächlichen Länge differieren.

Eingegebene Länge: Die Länge der Leitung in Metern. Dieses Attribut wird für die hydraulische Berechnung benötigt.

Durchmesser: Der Durchmesser des Rohrs in Millimetern. Dieses Attribut wird für die hydraulische Berechnung benötigt.

Rauhigkeit: Rauhigkeitswert in Hazen-Williams- oder Chezy-Manning-Rauhigkeit. Dieses Attribut wird für die hydraulische Berechnung benötigt.

Verlustkoeffizient: Beschreibung der Verluste von Bögen, Armaturen usw.

Anfangszustand: Der Zustand der Leitung kann offen, geschlossen oder einem Rückschlagventil entsprechen.

Pumpe

Pumpen sind Verbindungen zwischen zwei Knoten, die einer Flüssigkeit Energie übertragen. Dadurch steigt der hydraulische Druck der Flüssigkeit an.

Attributliste:

Pumpenkurve: Die ID einer Kurve, die benutzt wird, um die Relation zwischen Durchfluss und vermitteltem Druck zu beschreiben.

Geschwindigkeit: Die relative Geschwindigkeit der Pumpe. Z. B. impliziert ein Wert von 1.2, dass sich die Pumpe 20 % schneller als bei Normaleinstellung dreht.

Pattern/Geschw.: Die ID eines Pattern. Erlaubt die zeitliche Steuerung des Pumpenbetriebs. Die Werte entsprechen der Geschwindigkeitseinstellung.

Leistung: Die Energie, die von einer Pumpe unabhängig vom Durchfluss zur Verfügung gestellt wird. Dieser Wert wird in kW angegeben und kann die Pumpenkurve ersetzen.

Anfangszustand: Der Zustand der Leitung kann offen, geschlossen oder einem Rückschlagventil entsprechen.

Abstand Pumpe von Anfangsknoten: Position der Pumpe in der Leitung relativ zum Anfangsknoten der Leitung.

Verzerrung in [m]: Zur Verbesserung der visuellen Darstellung lässt sich hiermit das Leitungssymbol verschieben, ohne seine logische Position zu verändern.

Für Details zur Auslegung einer Pumpenkennlinie (abfallende Kennlinie, sinnvolle Wertepaare) siehe die separate Seite Druckerhöhung.

Ventil

Ventile sind Verbindungen, die den Druck oder Fluss an einem bestimmten Punkt im Netz limitieren.

Attributliste:

Durchmesser: Der Durchmesser des Ventils in Millimetern. Dieses Attribut wird für die hydraulische Berechnung benötigt.

Verlustkoeffizient: Verlustkoeffizient, der angesetzt wird, wenn das Ventil komplett geöffnet ist.

Anfangszustand: Der Zustand des Ventils kann offen oder geschlossen sein.

Abstand Ventil von Anfangsknoten: Position des Ventils in der Leitung relativ zum Anfangsknoten der Leitung.

Typ: Dieses Attribut wird für die hydraulische Berechnung benötigt. Folgende Arten von Ventiltypen stehen zur Verfügung:

• PRV (Pressure Reducing Valve): limitiert den Druck an einem bestimmten Punkt im Netz.
• PSV (Pressure Sustaining Valve): erhält einen Stelldruck an einem bestimmten Punkt im Netz.
• PBV (Pressure Breaker Valve): erzwingt einen spezifizierten Druckverlust beim Durchfließen des Ventils.
• FCV (Flow Control Valve): limitiert den Fluss auf einen bestimmten Wert.
• TCV (Throttle Control Valve): simuliert ein teilweise geschlossenes Ventil durch die Justierung des Druckverlustkoeffizienten.
• GPV (General Purpose Valve): repräsentiert eine Verbindung, an der eine benutzerdefinierte Durchfluss-Druckverlust-Relation angesetzt werden kann.

Schieber

Leitung zur expliziten Darstellung eines Schiebers. Die Attributliste und deren Verhalten auf das System entsprechen der Leitung (siehe oben).

Attributliste (zusätzlich):

Abstand Schieber von Anfangsknoten: Position des Schiebers in der Leitung relativ zum Anfangsknoten der Leitung.

Hausanschlussleitung

Leitung zur expliziten Darstellung eines Hausanschlusses. Die Attributliste und deren Verhalten auf das System entsprechen der Leitung (siehe oben).

Attributliste (zusätzlich):

Abstand Hausanschluss von Anfangsknoten: Position des Hausanschlusses in der Leitung relativ zum Anfangsknoten der Leitung.

Der Anfangsknoten einer Hausanschlussleitung sollte immer ein Hausanschlusspunkt sein, der Endknoten nach Möglichkeit ein Verbraucher.

Wichtige Funktionen

Im Modul AQUA gibt es ein paar Funktionen, welche Sie so nicht aus den anderen Modulen kennen. Daher erfolgt hier eine kurze Beschreibung der wichtigsten Funktionen.

Wenn Sie mit einem Rechtsklick auf die "Wasserversorgung" im Projektbaum gehen, finden Sie die Funktion "Markiere Netz". Es wird dann das hydraulisch zusammenhängende Netz markiert. Diese Markierung kann zur Überprüfung der hydraulischen Verknüpfungen z.B. beim Netzaufbau dienen. Sie müssen jedoch beachten, dass es insbesondere bei Ringnetzen trotzdem noch Stellen geben kann, an denen die hydraulische Verknüpfung nicht gegeben ist, diese aber trotzdem markiert werden, da sie von der anderen Seite angeschlossen sind.

Des Weiteren finden Sie an der gleichen Stelle die Funktion "Reparieren". Hier finden Sie einige Möglichkeiten, um Ihr Wasserversorgungnetz modelltechnisch zu reparieren und z.B. isolierte Knoten zu verbinden.

Wasserknoten-Funktionen

Im Modul AQUA haben Sie die Möglichkeit, einen neuen Wasserknoten zu erstellen, indem Sie eine "Leitung teilen".
Wenn Sie einen Knoten mit "Neu" erstellen und auf eine Leitung setzen, entsteht zunächst keine hydraulische Verbindung zwischen Wasserknoten und -leitung. Wenn Sie einen Wasserknoten jedoch neu erstellen und beim Setzen auf die Haltung die Shift-Taste gedrückt halten, so entsteht automatisch eine hydraulische Verbindung zwischen Wasserknoten und Wasserleitung. Die Leitung wird jedoch nicht automatisch geteilt!

Wasserleitungen-Funktionen

Über die Funktion "Neu" können Sie neue Wasserleitungen erstellen und hierbei z.B. auch eine bogenförmige Wasserleitung erstellen. Sie haben zudem die Möglichkeit, über Knickpunkte den Verlauf Ihrer Wasserleitung anzupassen.

Analyse durchführen

Zur Berechnung der hydrodynamischen Vorgänge und Kenngrößen wird das Programm EPANET verwendet. Das Berechnungsprogramm wird automatisch von AQUA++ gestartet und mit den in AQUA++ eingefügten Daten versorgt. Die Berechnungsergebnisse werden nach Beendigung des Rechenvorgangs automatisiert in AQUA++ eingelesen und in den entsprechenden Knoten- und Leitungsdialogen (in einem zusätzlichen Tab) angezeigt.

Um eine Analyse (=Berechnung) durchführen zu können, müssen Sie zunächst einmal ein Wassernetzberechnungsobjekt anlegen. Sie können dies im Projektbaum unter "Hydraulische Berechnungen" machen. Weitere Informationen folgen...

Ergebnisdarstellung

Wie auch von den anderen Modulen gewöhnt, können Sie auch bei AQUA die Haltungen und Knoten nach Ihren Wünschen (z.B. nach dem Druck) einfärben. Eine ausführliche Erklärung zur Ansichts- und Farbkonfiguration finden Sie in der Schritt-für-Schritt-Anleitung Hydraulik.
Detailergebnisse finden Sie in dem Hydraulik-Reiter des Knotendialogs. Hier können Sie einen Zeitschritt wählen und sich dann die Ergebnisse des jeweiligen Knotens anzeigen lassen.

Um Ihre Ergebnisse auf Plausibilität zu prüfen, können Sie eine Eigenschaftsliste für die Wasserknoten mit folgenden Eigenschaften erstellen:

• min. Druck
• max. Druck
• min. Wasserbedarf
• max. Wasserbedarf

Eine Anleitung zur Erstellung einer Eigenschaftsliste finden Sie in der Schritt-für-Schritt Anleitung Hydraulik. Sie können die von Ihnen erstellte Eigenschaftsliste auch nutzen, um z.B. die Bereiche mit dem geringsten Druck ausfindig zu machen und zu überprüfen, ob der Mindestdruck überall eingehalten wurde.

Löschwasserberechnung

In den meisten Fällen handelt es sich bei der Löschwasserberechnung um den maßgebenden Bemessungsfall. Sie haben theoretisch zwei Möglichkeiten, diesen zu modellieren.

• Manuell
• Automatisch

Bei der manuellen Modellierung des Löschwasserfalls wird der Verbrauch an allen Hydranten manuell hochgesetzt sowie eine Tagesganglinie für 2 h erstellt. Es handelt sich um ein recht zeitaufwendiges Vorgehen und wird daher nicht empfohlen.
Bei der automatischen Modellierung des Löschwasserfalls werden bei der Modellerstellung die Felder "geforderte Abnahmemenge [m³/h]" und "geforderter Mindestdruck [bar]" für jeden Hydranten ausgefüllt (bzw. sind durch den Import bereits ausgefüllt). Der Standardwasserbedarf eines Hydranten muss mit 0 angegeben sein. Mit Rechtsklick auf die entsprechende Wassernetzberechnung können Sie eine "Analyse durchführen" und "Löschwasser" auswählen. Je nachdem ob Sie alle oder nur die zuvor markierten Hydranten in Ihre Berechnung miteinbeziehen möchten, können Sie Ihre Wahl treffen.

Nach der Berechnung finden Sie im Hydraulik-Reiter eines Hydranten folgende Berechnungsergebnisse:

• max. Löschmenge bei Druckvorgabe an Netz u. Hydrant [m³/h]
• Druck am Hydranten [bar]
  • bei vorgegebener Löschmenge
  • bei max. Löschmenge

Eine ausführlichere Erklärung finden Sie unter Löschwasserfall.