Zastosowanie programu SewerGEMS do - Eko-DOk

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, [email protected]
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 dm3/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 m3. 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 m2 do 2870 m2).
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:
Tn 
L 1 M

k
L
gdzie:
Tn – 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).
452
M. NIESOBSKA i in.
8.00
400
warstwa
deszczu
350
przepływ
300
280
270
260
250
240
230
220
210
200
190
180
170
160
150
140
130
120
0
110
0.00
90
50
100
1.00
80
100
70
2.00
60
150
50
3.00
40
200
30
4.00
20
250
0
5.00
przepływ [m 3/s]
6.00
10
warstwa deszczu [mm]
7.00
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 Tn. 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 m3. 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 m3.
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].