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Integrierte Implizite Kanalnetzberechnung mit Integrierte Implizite Kanalnetzberechnung mit BaSYS-HydroCADBaSYS-HydroCAD
1.1. Aachener Softwaretag in der WasserwirtschaftAachener Softwaretag in der Wasserwirtschaft28.2.200728.2.2007
bringing visions to life Dorsch Gruppe
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Dr. Raju Rohde/ Dipl.-Ing. Armin Müller
Kanalnetzberechnung von A bis Z! Kanalnetzberechnung von A bis Z! Hydrodynamische Kanalnetzberechnung mit Hydrodynamische Kanalnetzberechnung mit
integrierter Langzeit- und Schmutzfrachtsimulationintegrierter Langzeit- und Schmutzfrachtsimulation
BaSYS-HydroCAD
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Das System BaSYS-L.E.O.
Ganglinien-Volumen-Methode
Hydrodynamische Kanalnetzberechnung
Hydrodynamische Schmutzfrachtberechnung
Hydraulische Objekte
Inhalt Präsentation
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StromStraßen
Einleiter Gas
WasserKanal
Berechnung
Planung
Erfassung
Das System BaSYS L.E.O.
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Wartung
Finanzierungsplan
Sanierung
BetriebSpülpläne
Inspektionspläne
VermögenAnlagevermögen
Restbuchwert
ZustandsbewertungSchadensklassen
SanierungenDringlichkeiten
HydraulikAuslastungSanierung
KanaldatenbankKanaldatenbank
GeometrieHydraulik
KostenBetrieb
Das System BaSYS L.E.O.
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…40 Jahre in praktischer Anwendung….
Hydrodynamische Berechnung mit Berücksichtigung ...... von Rückstau und Rückfluss... der Verbundwirkung in vermaschten Netzen... des Speichervermögens der Kanäle, Schächte und Becken
Profile (TEIFUE)• Teilfüllungskurvenberechnung für offene, geschlossene und gegliederte
Querschnitte
Oberflächenabflussmodell integriert in Transportmodell• Hydrodynamische Niederschlagsabflussberechnung für durchlässige und
befestigte Flächen
Transportmodell (KANAL)• Lösung der vollständigen Barré de Saint-Venant-Gleichungen• Geregelte Pumpen, Schieber und Wehre
Ganglinien-Volumen-Methode (GVM)
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Naturregen
ModellregenStarkregenauswertung
Regenserien
Bemessungsregen
Versickerung
modellspezifische Daten
EinzugsgebietGröße, Charakteristik
GefälleFließweg Koordinaten
NetztopologieKanäle, Sonderbauwerke
NetzgeometrieKoten, Haltungslängen, Profile
modellspezifische Daten
Regenmodell Oberflächen-abflussmodell
KanalnetzmodellSimulation mit
BaSYS-HydroCAD (GVM)
Oberflächen-daten
Kanalnetz-daten
Niederschlags-daten
Niederschlags-Abfluss-Modell
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Ortsbegehung
Kartenwerk
Kanaldatenbank
GeometrieHydraulik
SonderbauwerkspläneDigitale Kanalnetzdaten
Digitale Regendaten
Wasserverbrauch, ED, …
Datengrundlage
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Definition beliebiger Querschnitte• Definition der Profilquerschnitte
als Polygonzug oder über geometrische Kenngrößen
Geometrische Ähnlichkeit• Geometrische Ähnlichkeit von
Kanalquerschnitten unterschiedlicher Größe
Hydraulische Kennwerte ALLER Profile
• Darstellung der geometrischen und hydraulischen Kennwerte aller Gerinne anhand dimensionsloser Werte
Kanalprofile
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Teilfüllungskurven
• Berechnung der Teilfüllungskurven offener und geschlossener Gerinne mit TEIFUE
• eine Teilfüllungskurve für alle geometrisch ähnlichen Profile
• Die Berechnung der Teilfüllungskurven ist nur einmal vor der Kanalnetzberechnung durchzuführen
Kanalprofile
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Rain Tool
Eigenständige Software zur Ansicht und Aufbereitung von Niederschlagsdaten
MD-Niederschlagsdaten
Grafische Darstellung
Analyse und Eingrenzung
Auswertung und Auswahl
Input für BaSYS HydroCAD
Import
Identifikation von Regenereignissen
Generieren von Modellregen
Export in XML-Datei
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Nach DWA - A 118 (DIN-EN-752)
Euler-Modellregen
Modellregen(gruppe)
Starkregenserien
0
50
100
150
200
250
300
0 50 100 150 200 250 300
Zeit (min)
Reg
en
sp
en
de l/(
s h
a)
15-min-Regen 30-min-Regen 60-min-Regen 120-min-Regen 240-min-Regen
Rain Tool erzeugt aus Regenmassendaten folgende Bemessungsregen
Rain Tool
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x
h
f(t)
r(t)
Q(t)h
he
0// eixqth Kontinuitätsgleichung
:
Oberflächenabfluss
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Bewegungsgleichung:
v t v v x g h x g I I vr hS R
/ / / ( ) / 0
mit
r Niederschlagsintensität [m³/(sm²)] ie effektiver Niederschlag [m³/(sm²)] q spezifischer Abfluß [m³/(sm)] x Entfernung in Fließrichtung [m] h Wassertiefe [m] v Fließgeschwindigkeit [m/s] t Zeit [s] IS Neigung der Oberfläche [-] IR Reibungsgefälle [-] g Erdbeschleunigung [m/s²]
Hydrodynamische Berechnung
Oberflächenabfluss
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Bezeichnung/ Eigenschaften Größe / berechnete Größe
[ha]Oberflächentyp Befestigungsgrad
GAMMA Schmutzwasser
ED [l/(s*ha)] oder [E/ha] Industrielles Abwasser IW [l/s] oder [l/(s*ha)] Fremdwasserspende
FREM [l/(s*ha)] oder [l/(s*km)]
Oberflächenabfluss
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• VerkehrsflächenStraßen, Gehwege, Hofflächen, ...
• DachflächenFlachdächer, Steildächer, ...
• GrünflächenBöschungen, landwirtschaftliche Nutzflächen, ...
... mit unterschiedlichen Eigenschaften:
• Größe, Fließweg• Neigung• Versickerungsvermögen• Größe und zeitliche Abfolge der Verluste
Überlagerung der einzelnen Abflussganglinien bei der Berechnung
Oberflächenganglinien für die unterschiedlichen Oberflächentypen
Oberflächenabfluss
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Def: Anteil der befestigten Fläche an der Gesamtfläche der TeileinzugsflächeGAMMA = Abefestigt / Agesamt
Abfluss von der Teileinzugsfläche in die angeschlossene Haltung:
Q = Agesamt (qbefestigt · GAMMA + qunbefestigt (1 - GAMMA))
Ared
Aundurchlässig, nicht (direkt) angeschlossen
Au=Aundurchlässig, angeschlossen
AEK Einzugsgebiet
Ad = Adurchlässig, (direkt) angeschlossenunbefestigt
befestigt
FernerkundungKalibrierung
Ared
Befestigungsgrad
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Vollständige Lösung der Saint-Venant-Gleichungen
Instationärer, ungleichförmiger, diskontinuierlicher,
strömender und schießender Abfluß
Hydraulische Besonderheiten
• Senkungskurven an Abstürzen und bei Gefällswechseln
• Impulsverluste in Verbindungsbauwerken und bei Querschnittsänderungen
• Schachtverluste beim Einstau
• Speicherung in Schächten und Kammern
• Aufstau im Sammelgerinne hinter Streichwehren
• freier und rückgestauter Ausfluß unter Schützen
• Schwingungsvorgänge beim vollständigen Schließen von Schiebern
Hydrodynamische Kanalnetzberechnung
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B e w e g u n g s g l e i c h u n g
6 5 4 3 2 1
RSoII
Ag
cqv
t
v
g
1
x
v
g
v
x
y
m i t
1 W a s s e r s p i e g e l g e f ä l l e2 Ä n d e r u n g d e r G e s c h w i n d i g k e i t s h ö h e i n F l i e ß r i c h t u n g3 l o k a l e r B e s c h l e u n i g u n g s t e r m4 E n e r g i e b e i t r a g d u r c h s e i t l i c h e n Z u f l u ß5 S o h l e n g e f ä l l e6 R e i b u n g s g e f ä l l e
Gleichungssystem
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Kontinuitätsgleichung
Q
x
A
tq
1 2 3
mit1 Änderung des Durchflusses in Fließrichtung2 Änderung der durchströmten Fläche3 seitlicher Zu- oder Abfluß
Gleichungssystem
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Nichtlineares Gleichungssystem
Bewegungsgleichung (Saint-Venant) im Kanal
Kontinuitätsgleichung (Saint-Venant) im Kanal
Bewegungsgleichung und / oder Impulsgleichung am Knoten unten
Kontinuitätsgleichung am Knoten oben
yy
y'
y'
aa
a
Qa
Q'aym
t=t'+ t
t'
QeQ'e
e
e
x
e
m
m
ISo
Hydraulik
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Lösungsverfahren
Implizites Differenzenverfahren, Newton-Iteration und überlagertes, globales
Relaxationsverfahren
Numerisches Lösungsverfahren
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Vorteile des impliziten Lösungsverfahren
• Keine Beschränkung der Länge der Berechnungsstrecken und der Zeitschritte durch das
numerische Verfahren
Courant‘sche Stabilitätskriterium
• Keine "Näherungslösungen" nötig für den Abfluss unter Druck (eingestautes
Netz, Düker) Preissmann-Schlitz
• Genauigkeit der Volumenbilanz stets < 0,1 %
• Keine arbeitsaufwendigen und fehleranfälligen "Netzvereinfachungen“
• Unveränderte (1:1) Übernahme der tatsächlichen Netzdaten aus der Datenbank
bgAvt
x/
Numerisches Lösungsverfahren
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Anfangsbedingung:
Stationärer Trockenwetterabfluß: Nachtminimum und Tagesspitze; häusliches Abwasser, Industrieabwasser, Fremdwasser
Zufluß von den Oberflächen:
Schmutz- und Regenwasser: gleichmäßig über die Haltungslänge verteilter seitlicher Zufluß
Randbedingungen:
oben:
Zuflußganglinien: Übernahme von Zuflüssen von Nachbargebieten oder Gewässern
unten:
Rückstauganglinien: wahlweise Wasserstandsübernahme oder freier Ausfluß mit Grenztiefe oder schießender Wassertiefe
Knoten:
Schächte, Vereinigungs-, Verzweigungsbauwerke
mit vom Programm aus der Netzgeometrie und -topologie ermittelten Verlustansätzen (Impuls- und Energiesatz)
Numerisches Lösungsverfahren
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Transportelemente
•Haltungen: Rohre, Kanäle und offene Gerinne mit beliebigem Sohlengefälle:
ein- oder mehrteilige Profile (Trockenwetterrinne),
wahlweise mit Ausflußmöglichkeit auf das Gelände (mit / ohne Rückfluß), oder als Druckrohre
Betriebsrauheit nach Prandtl-Colebrook, oder Manning-Strickler
Sonderbauwerke
•Knoten: Speicherbauwerk, Wehre, Streichwehre, Leapingwehre, Schälzungen, Rückhaltebecken:
frei wählbare Überlauf- und Durchflußbeiwerte, Streichwehre mit/ ohne Sammelrinne
Regelorgane
•Schieber, Wirbeldrosseln, Pumpen, Wehre, Klappen:
frei wählbare Durchflußbeiwerte bzw. Kennlinien, geregelte Elemente als PID-Regler
Hydraulische Objekte
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• Bezeichnung (Nummer)• logische Verknüpfung• Haltungsdaten
• Sohl- und Deckelkoten
• Haltungslänge• Profilform und
-abmessungen• Reibungsparameter• ...
Haltungsdaten
Haltungsdaten
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RÜ TB RÜB RRB
Speicherbauwerke
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Regelorgane (Schieber)
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Regelorgane (Pumpe)
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Berechnungsergebnisse
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Berechnungsergebnisse Langzeitsimulation
Überstaunachweis:
Ergebnisse für jede Haltung
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Berechnungsergebnisse Langzeitsimulation
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Absetzwirkung in Becken und Stauraumkanälen
• Definition und Berechnung unabhängiger Ereignisse
Niederschlag (Rain Tool)
Grenzpause
• variable Bindung der Schmutzstoffe
• Freie definierbare Absetzwirkung getrennt für jedes Bauwerk
Trockenwetter
• Werktage, Wochenende
• Häusliches und industrielles Abwasser Fremdwasser (Monatsgang)
• 25 Gangliniengruppen (Tagesgang)
Schmutzparameter
• 6 Schmutzstoffe, Konzentration getrennt definierbar für jede Teileinzugsfläche
• Häusliches und industrielles Abwasser, Fremdwasser, Regenwasserabfluss von befestigten und unbefestigten Flächen
Hydrodynamische Schmutzfrachtberechnung
2-(4)-Komponenten-Methode mit konstanten Konzentrationen pro Schmutzparameter
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Stofftransport
Kontinuitätsgleichung für den instationären, diskontinuierlichen Stofftransport (Chen, 1975) :
SF
x
c A
tsf sf
X XTW X RW X , ,
mit der Stofffracht SFX,
der durchflossenen Querschnittsfläche A,der Frachtkonzentration
und den seitlichen Frachtzuflüssen SFTW,X und SFRW,X.
Die Querschnittsfläche A und der Abfluss Q werdenvorab mit Hilfe der Kontinuitätsgleichung und der vollständigen Bewegungsgleichung für den instationären Abfluss von B. de Saint-Venant ermittelt und sind daher bekannt.
c SF QX X
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Trockenwetter
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Schmutzstoffe
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Ergebnisse für jedesSonderbauwerk
Ergebnisse Schmutzfrachtberechnung
Entlastungshäufigkeiten
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Ergebnisse Schmutzfrachtberechnung
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