Verfahrensbeschreibung Flow

Flow++ setzt auf die hydrodynamischen Abflusstransportberechnung an und ermöglicht somit einen realistische Abbildung der Schmutzstoffe und -frachten im Kanalnetz. Der neue zeitsymmetrische Ansatz von Flow++ für die Durchmischung von Schmutzstoffen regelt den mechanischen Einfluss des Niederschlags auf den Schmutztransport. Es handelt sich dabei um einen gleichmäßig durchmischten Reaktor, der auch z.B. in der Lage ist, Rückfluss von Schmutzstoffen abzubilden. Zusätzlich gibt es hier die Möglichkeiten, individuelle oder automatisch funktionale Einheiten (sog. FE‘s) über die Berechnungsknoten der hydraulischen Berechnung hinaus zu definieren. Dies ermöglicht auch die Bilanzierung von sehr komplexen Sonderbauwerken der Kanalisation. Dieses Programmfeature wird als "Bilanzierungsaufsatz" auf die bestehende Berechnungskern der Schmutzfracht gesehen.

Darstellung des Moduls Flow und der Berechnungsgrundlage, sowie Bilanzierung mit Funktionalen Einheiten

Also Grundlage jeder Schmutzfrachtberechnung ist somit eine Hydraulische Berechnung

Hydrodynamische Schmutzfrachtberechnung

Die Berechnung des Stofftransportes im Kanalnetz erfolgt durch Bilanzierung der Abflüsse und Frachten an den Netzknoten und Strängen. Jeder Netzknoten und jeder Strang werden dafür als ein Volumenelement beschrieben. Dass das Volumen des Schachtes bzw. Bauwerks und der angrenzenden Haltungshälfte abbildet.

• Durchmischungsberechnung erfolgt bereits auf der Transportstrecke - anstatt wie bei gängigen hydrologischen Verfahren erst am Bauwerk
• Das dynamische Verhalten wird auch bei Schmutzstoffen während der Transportphase mitberücksichtigt – Rückstau oder Fließumkehr ist möglich
• Einsehbarkeit der Konzentration aller Schmutzstoffe an jeder Stelle

Modellansatz: Erzeugung eines Grobnetzes aus Netzknoten

Es werden die Netzknoten aus den DYNA-Ergebnissen identifiziert. Danach werden Haltungen und Knoten, welche sich zwischen zwei Netzknoten befinden zusammengefasst.

Da in DYNA die Bilanz-Volumen an den Schächten immer die halben Volumina der ankommenden und abgehenden Haltungen mit berücksichtigen, werden die Volumina im Grobnetz hier teils doppelt betrachtet. Bei der Erstellung des Grobnetzes werden die unterschiedliche Netzkonstellationen (Sonderbauwerke, Druckrohrnetze, …) im Automatismus mit berücksichtigt.

Modellansatz: Ermittlung Stoffkonzentrationen an Netzknoten

Die Frachten der einzelnen Stoffe werden mit dem Modul Flow an den entsprechenden Schwellen bilanziert. Dabei werden keine Konzentrationen gesetzt, Flow verwendet hier den Ansatz für die Massenerhaltung. Hier sind die Konzentrationen für die Frachtenermittlung nicht entscheidend.

An den Netzknoten wird für jeden Schmutzstoff eine separate Konzentration im Regenwasser bestimmt. Diese Konzentration kann an jedem Netzknoten für jeden Schmutzstoff, entsprechend der in die oberhalb zufließenden Haltungen einleitenden Einzugsgebiete, unterschiedlich sein. Für einen Netzknoten und einen Schmutzstoff ist die Konzentration im Regenwasser über den gesamten Berechnungsverlauf konstant. Die Konzentration von Schmutzstoff Si an Netzknoten Nj errechnet sich wie folgt:

mit:

Die Gewichtung der Flächen erfolgt in der Formel ausschließlich über AE,k,b, Modell. Diese Gewichtung wird auf die zeitkonstante Kenngrößen “ Neigung einer Fläche“ ausgedehnt.

Exkurs: Abhängigkeit der RW-Konzentrationen vom Jahresniederschlag

Das Ziel ist hier, die durch die Wasserbehörde vorgegebenen mittleren RW-Konzentrationen je Flächentyp näherungsweise zu erreichen. Die vorgegebene mittlere RW-Konzentration kann, wie unten beschrieben, über die einzelnen Jahre „theoretisch“ eingehalten werden. Bei der exakten Bilanzierung im Rechenlauf kann es zu geringen Abweichungen von der vorgegebenen, mittleren RW-Konzentration kommen, da bei der Aufteilung der unterschiedlichen RW-Konzentrationen (Eingabe durch Bearbeiter) der exakte Regenwetterabfluss von den Flächen nicht bekannt ist und über die Fläche, etc. (siehe Formel ki,j) vorgenommen wird. Ggf. ist hier ein iterativer Abgleich durch den Bearbeiter nötig. In der Regel wird als Eingangsgröße für den Schmutzfrachtnachweis von der Wasserbehörde je Stoffgröße eine mittlere Konzentration im RW-Abfluss vorgegeben (z.B. CSB = 240 mg/l); bei Modellansätzen mit variablen RW-Konzentrationen ist nachzuweisen, dass die mittleren Konzentrationen über den Betrachtungszeitraum diesen Vorgaben entsprechen. Ansatz über jährl. Stoffpotenzial Npot in kg/(hau*a) Die mittleren Konzentrationen berechnen sich wie folgt:

c [mg/l] = Npot [kg/(haux*a)] x AE,k,b [ha] x AnzJahre [a] / Vrw,eff [m³] * 1000

mit

• c : mittlere Konzentration eines Stoffes im Regenwasserabfluss in [mg/l]
• Npot : jährl. Stoffpotenzial eines Stoffes in [kg/(ha*a)], über die Jahre konstante Stoffmenge, die in einem Jahr vom Regenwasserabfluss von der Oberfläche abgespült wird
• AE,k,b : befestigte Fläche in [ha]
• AnzJahre : Betrachtungszeitraum in [a], bei Simulation über einen Zeitraum, der keine ganze Zahl von Jahren berücksichtigt (z.B. Betrachtungsdauer 8,5 Jahre), muss dies bei der Angabe von AnzJahre auch so berücksichtigt werden
• Vrw,eff : gesamtes effektives Regenabflussvolumen im Betrachtungszeitraum in [m³]

Au, AnzJahre, Vrw und Trockenperiode zwischen den Einzelregen liegen aus Hydraulikberechnung vor bzw. sind zu generieren. Formel nach Npot umstellen. Der Anwender gibt für jeden Flächentyp die mittlere Stoffkonzentrationen an, hieraus berechnet die Software Npot. Für jedes einzelne Jahr wird dann unter Ansatz von Npot und dem Jahres-Regenabflussvolumen die RW-Konzentration dieses Jahres berechnet und für die Schmutzfrachtsimulation bereitgehalten. Dieser Ansatz führt zu RW-Konzentrationen, die für jedes Regenereignis innerhalb eines Jahres gleich sind, sich aber in Abh. von den Jahresniederschlagshöhen von Jahr zu Jahr unterscheiden. In einem Ergebnisblatt werden je Schmutzstoff die Stoffpotentiale, die mittleren Stoffkonzentrationen (über den Gesamtbetrachtungsraum) sowie die jährlichen Stoffkonzentrationen ausgegeben.

Modellansatz: Bilanzierung an den Netzknoten

„Die Berechnung des Stofftransportes im Kanalnetz erfolgt durch Bilanzierung der Abflüsse und Frachten an den Netzknoten und Strängen. Jeder Netzknoten und jeder Strang wird dafür als ein Volumenelement beschrieben, dass das Volumen des Schachtes bzw. Bauwerks und der angrenzenden Haltungshälften abbildet.“

Zu jedem Zeitpunkt ist bekannt, in welcher Weise sich das vorhandene Volumen in den Netzknoten auf die verschiedenen Abwasserarten aufteilt. Die Volumenänderung und die Aufteilung des Volumens in den Netzknoten auf die verschiedenen Abwasserarten hängt nur von den Zu- und Abflüssen aus bzw. in die angeschlossenen Stränge ab. Diese Zu- bzw. Abflussvolumina können exakt aus den Flutkurvenbestimmt werden. Das Volumen in den Strängen und dessen Aufteilung auf die verschiedenen Abwasserarten hängt von den Zu- und Abflüssen aus den Netzknoten und den Regen- und Schmutzwasserzuflüssen, welche von den Einleitern kommen, ab. Die Zu- und Abflüsse aus bzw. in die Netzknoten können wieder direkt den Flutkurven entnommen werden. Ebenso sind die Schmutzwasserzuflüsse bekannt. Der Regenwasserzufluss ist nicht explizit bekannt, da dieser von DYNA nicht separat ausgewiesen wird. Für die Bestimmung des Regenwasserzuflusses wird folgender Ansatz verwendet: 1. Der Regenwasserzufluss wird durch Subtraktion der Durchflusskurven am Anfang und am Ende des Stranges ermittelt. Da es bei diesem Ansatz zu einen geringen zeitlichen Versatz zwischen der auslaufenden und einlaufenden Durchflusskurven kommen kann, ist die Genauigkeit der Ergebnisse zu überprüfen. Der Ansatz wird als ausreichend befunden, wenn die abgeschätzte Regenzuflussmenge eine Abweichung von unter 15% zur tatsächlich von DYNA ermittelten Regenzuflussmenge aufweist. Sollte der erste Ansatz die Toleranzgrenzen überschreiten, so kann der erste Ansatz folgendermaßen erweitert werden: 2. Bei der Subtraktion der ausgehenden zur eingehenden Durchflussganglinie wird ein zeitlicher Versatz angesetzt. Der zeitliche Versatz entspricht hierbei der Summe der mittleren Fließzeit aller Haltungen im Strang. Sollte auch diese Erweiterung Ergebnisse außerhalb des Toleranzbereiches liefern, so muss Ansatz 3 verwendet werden: 3. Während der hydrodynamischen Berechnung in DYNA wird zu jedem Zeitpunkt die Regenwasserzuflussmenge aufgezeichnet und in Form einer Zuflusskurve ausgegeben.

Formel zur Bilanzierung (Bestimmung der Stoffmasse M) von Schmutzstoff Si an Netzknoten Nj.

mit:  

Modellansatz: Volumenbestimmung bei Strängen

FORMEL ZUR BILANZIERUNG

Bei Strängen ist keine Bilanzierung der Stoffmengen nötig. Bei Strängen ist es ausreichend, das Gesamtvolumen und dessen Aufteilung auf die einzelnen Abwasserarten zu kennen. Dies erfolgt durch einfaches Aufaddieren.

Berechnungsgrundlage der Ergebnisse & Ausgabeparameter

Die Ergebnislisten sind ein umfangreiches Werkzeug zur Ausgabe und Analyse der Schmutzfrachtberechnung. Diese werden im ersten Schritt zum nachvollziehen der Ergebnisse verwendet und die detaillierten Ergebnisse der Funktionalen Einheiten zu überprüfen. Die Abgabe dieser Ergebnislisten kann nur an Fachpersonal erfolgen, wobei mit dem neuen A102-2 eine Zusammenfassung der Ergebnisse im Aktenreiter Flow erfolgt und für die meisten Behörden ausreichend sind.

Im folgenden werden die einzelnen Parameter aufgelistet und beschrieben worden:

Mischverhältnis (Ergebnistabelle Aktenreiter A102

Bei der Ermittlung des Mischverhältnis wird entsprechend den Regelwerken (DWA M 177 und dem darauffolgenden A102-2) mit folgendem Ansatz berechnet:

• M0 = (ct - ce) / ce (Nach DWA M 177, Gleichung 18)
  • Ce = Entlastungsfracht pro Jahr, Schmutzstoff und Schwelle / Entlastungvolumen pro Jahr und Schwelle.(„Jahr“ heißt hier: summiert über alle in einem entsprechenden Kalenderjahr beginnende Regenereignisse. Über die Jahresgrenze gehende Ereignisse werden dem Startjahr zugeschlagen).
  • Ct = Gesamtfracht pro Jahr und Schmutzstoff im Zulauf der Funktionalen Einheit, Ohne Regenwasserbeitrag / Gesamtvolumen TW (also ohne den Regenwasseranteil) pro Jahr im Zulauf der Funktionalen Einheit.

Daher wird das Mischverhältnis für das Bauwerk ermittelt und wird für jede Schwelle zwar einzeln ausgewiesen (FE-Listen), ist aber über die Ermittlung anhand des Gesamtzulauf am Bauwerk nicht verortet.

Für das Mischverhältnis nach dem A102-2 wird nur der CSB-Wert in der Ergebnisliste mit ausgegeben. Für andere Stoffe ist dieses Mischverhältnis nicht definiert und somit nicht zu verwenden!

„Regendauer TQR“ und die zulaufenden Volumen (VzuT und VzuR)

Die Werte werden ermittelt für die Zeit, in der sich die Funktionale Einheit im „Mischwasserzulauf“ – Fall befindet – also der Zulauf um „Trockenwetterabweichung“ % über dem TW Zulauf (zu dem entsprechenden Zeitpunkt, nicht gemittelt) ist. Diese Analyse wird natürlich nur während simulierten (DYNA) Regenereignissen durchgeführt – über den Rest des Jahres gibt es diesbezüglich keine Informationen. Treten während dem „Rest des Jahres“ signifikante Mischwasserzulauf auf, dann ist das Modell dementsprechend mit den Regenereignissen anzupassen (Nachlaufzeit, Anpassung Regendaten etc..) Ob Regenpausen / Nachläufe mitberücksichtigt werden, hängt vom Verhalten des Netzes ab – befindet sich die Funktionale Einheit noch im „Mischwasserzulauf“-Fall:

• Ja (ggf. anteilig)
• Nein

Zeiten innerhalb eines DYNA Regenereignisses VOR dem Eintreten des „Mischwasserzulauf“-Falles schlagen – natürlich – hier nicht zu Buche.

Maximum und Mittelwert im Zulauf (Ergebnislisten)

Wie bereits erwähnt wird die Gesamtfracht und das Volumen pro Kalenderjahr, sowie Schwelle und Stoff berechnet (Massenerhaltung). Hier werden nur die simulierten Regenereignisse für die Berechnung herangezogen. Über Jahresgrenzen hinweggehende Regenereignisse werden dem Startkalenderjahr zugeschlagen. Bilanziert werden bei den Zuläufen alle zulaufenden Haltungen, sofern sie nicht als Stauraumhaltungen ausgewiesen sind. Hier sind die Regeln für die Abbildung von Funktionale Einheiten einzuhalten (durchgehende Haltungen, Knoten beginnen, etc..). Flächen oder Zuflüsse die direkt an dem Stauraumkanal mitangeschlossen sind, werden hierdurch nicht bilanziert und müssten gegeben falls über eine fiktive Haltungen angeschlossen werden oder über die bestehenden Zuläufe verteilt werden.