Read referat-konkurs.doc text version

Uniwersytet Przyrodniczy we Wroclawiu Wydzial Inynierii Ksztaltowania rodowiska i Geodezji

Kierunek Inynieria rodowiska

mgr in. Marta Mazur Nr indeksu 72690

Wykorzystanie modelu hydrodynamicznego dla symulacji funkcjonowania sieci ogólnosplawnej na przykladzie wybranego osiedla.

Referat pracy magisterskiej

Opiekun pracy dr in. Pawel Licznar

Wroclaw, padziernik 2009

Podstawowym celem

pracy

jest podjcie próby wykorzystania modelu

hydrodynamicznego dla symulacji funkcjonowania sieci ogólnosplawnej dla wybranego osiedla. Model hydrodynamiczny mial by w zaloeniu przygotowany, jako narzdzie wspomagajce eksploatacj sieci i mial sluy weryfikacji jej funkcjonowania, lokalizacji kanalów przecianych hydraulicznie oraz studni, w których dochodzi do nadpitrzania cieków. Dodatkowym celem pracy byla weryfikacja przydatnoci dla modelowania hydrodynamicznego duej sieci kanalizacji ogólnosplawnej pakietu oprogramowania SewerPac niemieckiej firmy Rehm Software GmbH.

W zakres pracy wchodzily nastpujce zadania:

1) Analiza dostpnych danych archiwalnych o sieci (wykorzystanie zasobów udostpnionej dokumentacji: papierowej oraz bazy danych GIS o sieci kanalizacyjnej), 2) Budowa od podstaw modelu komputerowego sieci kanalizacji ogólnosplawnej wybranego osiedla w programie GraPS pakietu SewerPac (trasowanie ukladu sieci i kontrola przebiegu wysokociowego sieci), 3) Oszacowanie obcienia sieci przez doplywy cieków: sanitarno-bytowych oraz wód deszczowych, 4) Prowadzenie obserwacji deszczy nawalnych na obszarze modelowanej zlewni w celu ustalenia doplywu wód opadowych, 5) Sporzdzenie dodatkowych sztucznych scenariuszy opadowych wedlug opadu modelowego Eulera typ II, 6) Wizja terenowa dla ustalenia lokalnych warunków splywu wód opadowych, zasigów poszczególnych zlewni splywu powierzchniowego oraz ich stopnia uszczelnienia, 7) Obliczenia hydrodynamiczne sieci dla zarejestrowanych opadów deszczy nawalnych i opadów modelowych w programie Hykas w pakiecie SewerPac. 8) Analiza otrzymanych wyników i ich podsumowanie.

2

W

pracy

autorka

scharakteryzowala

pakiet

programów

dla

modelowania

hydrodynamicznego SewerPac, który zostal wykorzystany w badaniach wlasnych. Licencja edukacyjna oprogramowania zostala zakupiona przez Wydzial Inynierii Ksztaltowania rodowiska i Geodezji UP we Wroclawiu. Ponadto wan cech, która zdecydowala o uyciu pakietu SewerPac w badaniach byla jego dostpno w polskiej wersji jzykowej. Pakiet programów SewerPac to profesjonalne narzdzie, pozwalajce inynierowi zbudowa model hydrodynamiczny sieci kanalizacji: ogólnosplawnej, deszczowej lub sanitarnej. W sklad pakietu SewerPac firmy Rehm wchodz cile wspólpracujce ze sob programy: Hykas, Graps, Kanalplot oraz program Cadex. Programy te dzialaj w rodowisku AutoCADa (musi to by jednak pelna wersja 3-wymiarowa rodowiska CAD). Obliczenia sieci kanalizacyjnej sporzdzone przez, wchodzcy w sklad pakietu SewerPac, program Hykas s zgodne z wytyczn ATV-A118 oraz PN-EN 752 . W pakiecie SewerPac informacje dotyczce projektowanego ukladu s przechowywane w formacie bazy danych Access, dziki czemu mona latwo zmienia lub aktualizowa dane o sieci. Programy pakietu SewerPac daj moliwo prowadzenia oblicze za pomoc metod stacjonarnych oraz niestacjonarnych. Metoda niestacjonarna uwzgldnia hydrodynamiczny model przeplywu, natomiast

stacjonarna metoda opiera si na metodzie wspólczynnika opónienia i krzywej sumowej odplywu. W trakcie realizacji pracy z grona programów pakietu SewerPac korzystano przede wszystkim z dwóch aplikacji: GraPS oraz Hykas.

Obiektem bada, dla którego przygotowano model hydrodynamiczny jest istniejca sie kanalizacji ogólnosplawnej na osiedlu Murcki w Katowicach. Budowa bazy danych dla potrzeb modelowania byla procesem zloonym. Informacje zostaly pozyskane z dokumentacji technicznej, a pelna budowa i kalibracja modelu sieci wymagala wielu kategorii informacji. Dane wejciowe do oblicze zostaly pozyskane z map analogowych, elektronicznej bazy danych GIS a take dokumentacji udostpnionej przez Rejonowe Przedsibiorstwo Wodocigów i Kanalizacji (RPWiK) w Katowicach oraz Katowick Infrastruktur Wodocigowo-Kanalizacyjn (KWIK). Pozyskanie i przetworzenie danych na potrzeby modelowania bylo dlugotrwale i pracochlonne. Wysoki naklad pracy polegal na rcznym przenoszeniu informacji z tradycyjnej dokumentacji do programu GraPS. W celu budowy modelu hydrodynamicznego sieci kanalizacji ogólnosplawnej wykorzystano dane przestrzenne lokalizacji obiektów sieci ogólnosplawnej, ze szczególnym

uwzgldnianiem informacji wysokociowych, które wprowadzono do bazy danych programu GraPS na podstawie cyfrowych i analogowych map oraz dokumentacji uzyskanych z RPWiK. 3

Wykorzystujc przegldark ArcReader wchodzc w sklad oprogramowania ArcGis firmy ESRI (Environmental Systems Research Institute) odczytano parametry techniczne obiektów sieciowych takie jak: rednice, przekroje, material, z którego wykonane s przewody oraz informacje wysokociowe: rzdne terenu, rzdne pokrywy oraz dna studzienek. Niestety nie istniala moliwo przejcia automatycznego tych parametrów sieci z udostpnionej bazy GIS do programu GraPS. Poza tym przy odczytywaniu danych wykryto wiele bldów w bazie GIS, które korygowano z uyciem dokumentacji papierowej oraz na drodze konsultacji z eksploatatorami sieci. Informacje o rodzaju zabudowy i stopniu uszczelnienia zlewni uzyskano z wizji terenowej przeprowadzonej w dniu 31.03.2008 roku. Dodatkowo informacje dotyczce zlewni czstkowych przypisanych do poszczególnych odcinków sieci zostaly uzupelnione przy wykorzystaniu satelitarnych map umieszczonych na portalu Mapy PKT.PL. Budowa szkieletu sieci kanalizacji ogólnosplawnej byla najbardziej pracochlonnym elementem pracy, z uwagi na rozlegly obszar badanej zlewni. Pierwszym etapem calej sekwencji dziala w tym zakresie budowy modelu hydrodynamicznego bylo zaimportowanie cyfrowej mapy miasta Katowic do programu AutoCAD (byla to kolekcja map rastrowych). Nastpnie stworzono szkielet sieci kanalizacji za pomoc narzdzi programu GrapPS uruchomionego w rodowisku graficznym AutoCAD. Zaczto od wprowadzenia rzdnych studni znajdujcych si na

obszarze dzielnicy Murcki. Informacje te wprowadzane z poziomu aplikacji GraPS byly automatycznie zapisywane w bazie danych programu Access. Baza danych o studniach pozwolila na odtworzenie poloenia poszczególnych odcinków sieci. Spadki na odcinkach zostaly skorygowane z danymi zawartymi w bazie GIS. Stworzony ostatecznie komputerowy model sieci kanalizacji ogólnosplawnej osiedla Murcki skladal si z 945 odcinków przelotowych, 956 studzienek, 2 pompowni oraz 1 przelewu burzowego (zamodelowanego, jako wolny wylot), znajdujcego si przy pompowni na ulicy Tartacznej. Po zakoczeniu budowy szkieletu sieci i po weryfikacji jej topologii przystpiono do wydzielenia zlewni czstkowych splywów powierzchniowych. Wszystkie wydzielone zlewnie zostaly przypisane do odpowiednich kanalów, do których ciy splyw powierzchniowy z tych zlewni. Wydzielenia zlewni dokonano na podstawie planu sytuacyjnowysokociowego dzielnicy oraz obserwacji zgromadzonych w czasie wizji terenowej. Lcznie wydzielono 748 zlewni czstkowych. Kada ze zlewni byla przyporzdkowana do konkretnej strefy zabudowy. Decydowal o tym spadek zlewni (kategoria spadku) oraz zabudowa zlewni (procent zlewni zajtej przez powierzchni dachów, dróg i innych terenów uszczelnionych). Lcznie wydzielono 18 typów zlewni. Ten trudny i mudny proces 4

charakteryzacji poszczególnych zlewni splywu powierzchniowego pozwolil na zastosowanie w obliczeniach modelu splywu powierzchniowego Keser'a. Przystpujc do oblicze hydrodynamicznych sieci kanalizacji ogólnosplawnej osiedla Murcki konicznym bylo ustalenie obcienia opadami modelowanego systemu. Na podstawie Komentarza do wytycznej ATV118 uznano, e obliczenia hydrodynamiczne sieci naley przeprowadzi zarówno dla zmierzonej serii opadów intensywnych jak równie dla opadów modelowych wedlug modelu Eulera typ II. Uznano to za koniczne z uwagi na dysponowanie zapisami rzeczywistych deszczy jedynie z 1 roku wlasnych pomiarów. Generalnie przy modelowaniu dostp do tego typu danych jest bardzo trudny i nie jest praktycznie moliwe spelnienie wymogów wytycznych aby dla modelowania dysponowa cigami opadowymi o dlugoci co najmniej 30 lat. Seri opadów nawalnych dla modelowania hydrodynamicznego sieci kanalizacji ogólnosplawnej osiedla Murcki wyselekcjonowano z okresu wlasnych obserwacji od 1.06.2008 do 10.11.2008 roku. Pomiary deszczy prowadzono w sposób cigly deszczomierzem wagowym umieszczonym na terenie oczyszczalni cieków Podlesie. W badaniach wykorzystano prototypowy deszczomierz skonstruowany w Zakladzie Techniki Sanitarnej Wsi (ówczesnego Instytutu Budownictwa i Architektury Krajobrazu AR Wroclaw) Modulem rejestracji opadów z deszczomierza byl komputer PC zainstalowany w budynku administracyjnym oczyszczalni z programem, dzialajcym w systemie DOS. Pomiary przyrostów warstwy opadów byly okrelane na bieco w sposób poredni na podstawie stalego pomiaru przyrostu masy wody gromadzcej si w zbiorniku wewntrznym przyrzdu. Odczyty wagi wody gromadzcej si w deszczomierzu byly prowadzone w sposób cykliczny co 1 minut, co odpowiadalo póniejszym wymogom oblicze w programie Hykas. Istotn zalet pomiarów prowadzonych elektronicznym deszczomierzem wagowym byl cyfrowy format ich wyników, tak wic zapisy mogly by latwo wczytywane do programu obliczeniowego. Wanym zadaniem przed obliczeniami bylo wydzielenie w ciglych

obserwacjach, konkretnych deszczy spelniajcych wymogi kryterium deszczy istotnych dla modelowania kanalizacji. Postpowano przy tym wedlug kryteriów wytycznej ATV 118: - deszcz musial si charakteryzowa warstw co najmniej 10 mm, - minimalny odstp czasowy midzy deszczami musial wynosi przynajmniej 4 godziny, - minimalna intensywno opadów musiala przekracza warto hN,min= 0,1 mm w cigu 5 minut, wzgldnie 0,5 mm w cigu 1 godziny.

5

Na podstawie powyszego kryterium wydzielono z zarejestrowanego szeregu opadowego na oczyszczalni Podlesie 13 deszczy nawalnych. Posiadane zapisy wszystkich tych deszczy wczytano do programu obliczeniowego Hykas. Obliczenia przeprowadzono osobno dla kadego z wydzielonych deszczy. Po kadorazowym przeprowadzeniu oblicze hydraulicznych obserwowano zmiany poziomu zwierciadla cieków w studzienkach i natenia przeplywu w kanalach sieci. Zaobserwowano, e kady z opadów nawalnych zasymulowanych w programie Hykas powodowal wylania o rónej skali. Obserwacja ta byla zgodna ze zglaszanymi do eksploatatorów sieci uwagami ze strony mieszkaców osiedla Murcki. Po przejciu serii opadów nawalnych zaobserwowano 192 wylania, które nastpily przede wszystkim po intensywnych opadach, dajc sumarycznie wylania o lcznej objtoci 5425,91 m3. Na podstawie przeprowadzonych na tym etapie bada stwierdzono przekroczenie dopuszczalnej czstoci nadpitrzania sieci kanalizacyjnej. Zgodnie z wytycznymi Komentarza do ATV-A 118 sie ogólnosplawna osiedla Murcki nie powinna by nadpitrzana, czciej ni 1 raz na 3 lata (wymogi jak dla terenów mieszkaniowych). Przeprowadzone analizy pozwolily na identyfikacj miejsc szczególnie newralgicznych, w których nadpitrzenia wystpuj najczciej i s najwiksze. W zalczniku do pracy znajduje si specjalna mapa z zaznaczonymi tymi miejscami.

W drugiej serii oblicze hydrodynamicznych postanowiono skorzysta z opadów modelowych. Opady modelowe s calkowicie sztucznymi hietogramami deszczy, opracowanymi na podstawie nate deszczy miarodajnych. S one latwe do opracowania, jednak ich stosowanie nasuwa wiele zastrzee. W pracy zgodnie z wytyczn ATV 118 zastosowano deszcze modelowe Eulera (typ II). Konstrukcja opadu modelowego Eulera typ II, bazuje na odpowiednim rozmieszczeniu pojedynczych przedzialów wysokoci deszczu dla odwzorowania pewnych typowych przebiegów deszczy burzowych. Cech charakterystyczn modelu Eulera (typ II) jest poloenie przedzialu z maksymaln intensywnoci deszczu przyjmowane po uplywie 0,3 calkowitego czasu trwania opadu. Dla potrzeb symulacji, biorc pod uwag typ zabudowy osiedla Murcki i skal wielkoci jego sieci kanalizacyjnej, skonstruowano 6 deszczy modelowych o prawdopodobiestwie 20% i 50% i czasach trwania: 30, 45 i 60 minut. Konstrukcj przeprowadzono wedlug wytycznej ATV 118 na podstawie zestawienia nate deszczy miarodajnych. Obliczenia przeprowadzone dla opadów modelowych wykazaly wstpowanie wyla kanalizacji na wikszoci obszaru dzielnicy. Jak ju wczeniej wspomniano deszcze modelowe to opady oparte na przeplywach miarodajnych. S to nierzeczywiste scenariusze opadów, które nie musz wstpowa w rzeczywistoci na 6

badanym obszarze. Tlumaczy to nagminne wylewanie sieci w ich przypadku. Wydaje si, e s one zbyt gwaltowne w porównaniu z opadami rzeczywistymi. W Polsce nie przeprowadzono jak dotd bada dotyczcych modeli matematycznych slucych do tworzenia hietogramów wzorcowych. Take Schmitt w Komentarzu do ATV 118 wskazuje na problemy zwizane z uyciem opadów modelowych, które wynikaj z braku bezporedniej znajomoci czstotliwoci ich wystpowania. Dlatego znacznie bardziej uzasadnione staje si wykorzystywanie serii zmierzonych opadów nawalnych w symulacji sieci kanalizacyjnych, jak bylo uczynione w pierwszej serii symulacji hydrodynamicznych. Wyniki symulacji z sztucznych yciem opadów modelowych naley traktowa zatem jako bardzo przyblione, niemniej pozwalaj one na identyfikacj szczególnie zagroonych obszarów zlewni i kanalów o zbyt malej przepustowoci. W nawizaniu do powyszych uwag, stwierdzono, e funkcjonowanie sieci pod obcieniem deszczy rzeczywistych ksztaltuje si znacznie lepiej ni wtedy, gdy sie byla obciona opadami deszczy modelowych. Przede wszystkim nie wystpilo a tak wiele wyla jak w przypadku symulacji deszczy modelowych. Po przeprowadzeniu oblicze i obserwacji zmian dynamicznych zwierciadla cieków w przewodach zauwaono, e po zasymulowaniu przejcia serii opadów nawalnych wylania, nastpily przede wszystkim w miejscach gdzie nastpuje polczenie rurocigów, które odprowadzaj cieki z duych i bardzo mocno uszczelnionych obszarów zlewni. Wykresy napelnienia i odplywu w tych miejscach wskazuj na to, e przy wylaniach pojawia si charakterystyczna niestabilno numeryczna symulacji widoczna jako skokowe zmiany wykresów napelnie i przeplywów.

Przeprowadzone symulacje pozwolily zweryfikowa rozwizania projektowe sieci kanalizacyjnej osiedla Murcki. Liczba nadpitrze sieci jest bardzo dua i zdecydowanie przekracza dopuszczaln ilo zalecan przez wytyczn. Nie dziwi to jednak w przypadku sieci ogólnosplawnej na badanej dzielnicy, która pierwotnie nie byla zaprojektowana na mniejszy strumie cieków, a wraz z rozbudow dzielnicy zostala zbyt mocno dociona przez splywy wód opadowych. Przeprowadzone w pracy symulacje numeryczne przekonuj o potrzebie modernizacji sieci i jej rozbudowy. Opracowany model hydrodynamiczny moe by take uyty dla testowania proponowanych wariantów zaradczych, poprawiajcych zdolnoci tranzytowe sieci.

7

Przeprowadzone badania pozwolily na sformulowanie nastpujcych wniosków kocowych:

1)

Model hydrodynamiczny jest cennym narzdziem mogcym wspomaga eksploatacj rozbudowanych sieci kanalizacyjnych. Opracowany model hydrodynamiczny sieci kanalizacji ogólnosplawnej osiedla Murcki zapewnial moliwo wykrycia najslabszych miejsc sieci, naraonych w sposób szczególny na przecienia w trakcie opadów deszczy o duych intensywnociach.

2)

Pakiet SewerPac jest wygodnym narzdziem dla tworzenia modeli hydrodynamicznych, przeprowadzania oblicze oraz edycji ich wyników. Cenn cech pakietu jest jego wspólpraca ze rodowiskiem graficznym AutoCADa, co pozwala na graficzne obrazowanie wyników oblicze i jest bardzo pomocne na etapie samego budowania modelu. Drug równie wan zalet pakietu SewerPac jest jego interfejs, który zostal calkowicie przetlumaczony na jzyk polski, co zdecydowanie ulatwia komunikacj z programami pakietu. Bardzo trudnym i mudnym procesem jest budowa komputerowego modelu sieci. Niestety pomimo posiadania bazy danych GIS o sieci kanalizacyjnej osiedla Murcki nie mona bylo automatycznie przenie tych informacji do programu Hykas. Brak jest w tym zakresie w Polsce odpowiednich standardów komunikacji, pomidzy bazami danych o sieci i bazami danych programów obliczeniowych. Standardy s takie

3)

dostpne ju w Niemczech i program GraPS jest do nich dostosowany. 4) Obliczenia hydrodynamiczne wykonane na bazie opadów modelowych wydaj si by bardzo malo wiarygodnymi. Wystpujce po nich kadorazowe wylania na wikszoci obszaru zlewni nie s zgodne z rzeczywistoci. Pozwala to przypuszcza, e opady modele wedlug Eulera typ II nie s wiarygodne w warunkach Katowic. Naley przy tym pamita, e wiarygodno tego typu opadów modelowych nie byla nigdy w Polsce przedmiotem naukowej weryfikacji. Pomimo to wyniki symulacji hydrodynamicznych na podstawie opadów modelowych s przydatne dla identyfikacji rejonów sieci szczególnie naraonych na wylania. 5) Obliczenia hydrodynamiczne przeprowadzone w oparciu o wlasne pomiary lokalnych deszczy s bardziej wiarygodne od symulacji opartych na opadach modelowych. Wylania po opadach rzeczywistych wystpowaly w nielicznych miejscach sieci, które w rzeczywistoci sprawiaj najwiksze problemy dla jej eksploatatorów. Dalsze doskonalenie opracowanego modelu jest moliwe dopiero po opomiarowaniu sieci i 8

zgromadzeniu wyników rzeczywistych przeplywów w wybranych kanalach sieci po wystpieniu konkretnych opadów. Dane takie pozwolilyby na kalibracj modelu. 6) Przeprowadzone symulacje numeryczne pracy kanalizacji ogólnosplawnej osiedla Murcki wiadcz o potrzebie dziala zmierzajcych z jednej strony do odcienia sieci, przez lokalne systemy rozsczania wód opadowych lub te retencj cieków w specjalnie instalowanych zbiornikach retencyjnych, jak równie zwikszenie zdolnoci tranzytowych pewnych kolektorów sieci. W tym celu w przyszloci warto byloby myle o np. czciowym rozdziale strumienia cieków i zamianie systemu kanalizacji ogólnosplawnej na kanalizacj rozdzielcz: sanitarn i deszczow przynajmniej dla wybranych obszarów zlewni.

Praca i sporzdzony w jej ramach komputerowy model hydrodynamiczny moe znale bezporednie zastosowanie w codziennej praktyce eksploatacyjnej sieci kanalizacyjnej osiedla Murcki oraz przy planowaniu jej modernizacji i rozbudowy. Walorem pracy jest ponadto kompleksowe przedstawienie calego cigu skoordynowanych dziala, jaki musi podj inynier w celu budowy modelu, zgromadzenia danych opadowych, przeprowadzenia symulacji hydrodynamicznych sieci kanalizacji ogólnosplawnej oraz interpretacji ich wyników. Praca dowodzi take koniecznoci stosowania w aktualnej praktyce inynierii rodowiska nowoczesnych narzdzi, takich jak np.: komputerowe modele hydrodynamiczne, bazy danych GIS, programy typu CAD, elektroniczne przyrzdy do pomiarów opadów, itp.

9

10

Information

referat-konkurs.doc

10 pages

Find more like this

Report File (DMCA)

Our content is added by our users. We aim to remove reported files within 1 working day. Please use this link to notify us:

Report this file as copyright or inappropriate

851837