Csatornahálózatba kerülő szennyeződés diszperziós folyamatának matematikai modellezését térinformatikai adatokra, továbbá a csatornahálózat hidraulikai szimulációjával nyert sebességadatokra támaszkodó, saját implementációjú terjedésmodellt készítettem.
Helyszíni mérések segítségével igazoltam a modell alkalmazhatóságát és meghatároztam a csatornában a szennyvíz felszínén úszó inert szennyeződés relatív elmozdulását. Vizsgálataim az alábbi új tudományos eredményekre vezettek:
4.1 A felszíni és főtömegi szennyezések lefolyási idejének aránya (=tfelszín/tfőtömeg) a mérési tapasztalataim alapján 0,8-0,9 tartományban változott, amellyel igazoltam, hogy a folyókra vonatkozó méréssel meghatározott (Xia, 1997) lefolyási idő arány kommunális csatornákra is alkalmazható. A felszín sebesség R2=0,86 korrelációs együtthatóval és η=17.6 uavg+75.92 egyenletű regressziós egyenessel jellemezhető lineáris kapcsolatot mutatott az uavg átlagsebességgel kommunális csatornákban.
4.2 A főtömegi és felszíni nyomjelzők lefolyásidejének szórása mérési tapasztalataim szerint kommunális csatornák esetében azonos nagyságrendbe esett. A szórások hányadosa 3 eltérő hidraulikai jellemzőkkel rendelkező csatorna alapján 0,5 < t,felszín/t,főtömeg < 1. Kisebb vízmélység-szélesség aránnyal jellemezhető patakra végzett kísérletek esetében a felszíni diszperzió intenzívebbnek mutatkozott 1,5 < t,felszín/t,főtömeg < 2.
86 4.3 Az oldott szennyezők terjedési folyamatának előrejelzésére új módszert javasoltam, amely a csatornahidraulikai szimulációval meghatározott áramlási sebességek és egyéb hidraulikai jellemzők felhasználására, valamint a Huisman-féle diszperziós tényezővel alkalmazott ADE terjedésmodell numerikus megoldására épül. A modell helyességét a budapesti csatornarendszer 16 szakaszára végzett mérésekkel igazoltam.
Az értekezés kapcsolódó fejezetei a 5., 6., és a 7. fejezetek Kapcsolódó publikációk: (Istók 2009a), (Istók 2013c)
87
9 A szerző tézispontokhoz kapcsolódó publikációi
Kristóf, G., Istók, B., Lajos T., (2006): „Budapest csatornahidraulikai modellje” III.
SZENNYVÍZÁGAZATI KONFERENCIA. Budapest, Magyarország, 2006. pp. 1-8.
Istók B., Kristóf G. (2008): „Budapest csatornahálózatának modellezése”.: Hydraulic Model of the Budapest Sewage System. GÉP LIX: pp. 28-29.
Istók B., Kristóf G., ZSEMLE F. (2009a): „Experimental investigation of residence time in communal sewers”. In: Proceedings of Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF’09).
Budapest, Magyarország, 2009.09.09-2009.09.12. Budapest: pp. 914-919. Paper ABS162.
Istók B., Kristóf G. (2009b): „Csatornahálózatok átöblítése és szellőztetése”. In: VI.
SZENNYVÍZÁGAZATI KONFERENCIA. Budapest, Magyarország, 2009.11.21-2009.11.22
Istók B., Kristóf G. (2010): „Egyesített rendszer környezeti hatásainak elemzése”. In: VII.
SZENNYVÍZÁGAZATI KONFERENCIA. Budapest, Magyarország, 2010.11.10-2010.11.11
Istók B., Kristóf G. (2013a): „Method for identification of the initial loss of combined sewer catchments”. PERIODICA POLYTECHNICA-CIVIL ENGINEERING. 57 (2) pp.185-190
Istók B., Kristóf G. (2013b): „Rain model for investigating overflow in combined sewer systems under regular operating conditions”. International Journal of Advances in Engineering & Technology IJAET 6(5) pp. 1967-1976
Istók B., Kristóf G. (2014):”Dispersion and travel time of dissolved and floating tracers in urban sewers”. Slovak Journal of Civil Engineering. 22 (1) elfogadva
88
10 Irodalomjegyzék
Ando, Y., Takahasi, Y., Izumi, K. & Kanao, K., (1986) Urban flood runoff modelling;
considering infiltration of various land uses. In: Urban Drainage Modelling ed. C.
Maksimovic & M. Radojkovic, Pergamon Press, Oxford, UK. 229-238.
Astaraie-Imani, M., Kapelan, Z., Fu, G., and Butler, D., (2012): Assessing the combined effects of urbanisation and climate change on the river water quality in an integrated urban wastewater system in the UK. Journal of environmental management, 112, 1–9.
Benotti, M. J., and Brownawell, B. J., (2009): Microbial degradation of pharmaceuticals in estuarine and coastal seawater. Environmental pollution (Barking, Essex : 1987), 157(3), 994–1002.
Butler, D., and Davies, John, W., (2004): Urban drainage (2nd edition., p. 566). Taylor &
Francis e-Library.
Calomino, F. & Veltri, P. (1984) Rainfall-runoff in a small urban basin: experimental results from Luzzi. In: Proc. 3rd Int. Conf. Urban Storm Drainage, ed. P. Balmer, Chalmers Univ. Technology, Goteborg, Sweden, 223-231.
Cheng, R.T. and Gartner, J.W. (2003). “Complete Velocity Distribution in River Cross-sections Measured by Acoustic Instruments.” in Proceedings of 7th Working Conf. On Current Measurement Technology, IEEE, San Diego, California, p. 21-26.
Chiu, C.L. and Said, C.A.A. (1995). “Maximum and mean velocities and entropy in open-channel flow.” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 121(1), 26-35.
Cohen A. C. jr. (1957). “On the solution of estimating equations for truncated and censored samples from normal populations.” Biometrika 44(1-2): 225-236 doi:10.1093/biomet/44.1-2.225
Coutu, S., Del Giudice, D., Rossi, L., and Barry, D. A., (2012): Parsimonious hydrological modeling of urban sewer and river catchments. Journal of Hydrology, 464-465, (2012), 477-484
Del Río, H., Suárez, J., Puertas, J., & Ures, P. (2013): PPCPs wet weather mobilization in a combined sewer in NW Spain. The Science of the total environment, 449, 189–98.
Elder, J. W. (1959). “The dispersion of marked fluid in turbulent shear flow.” Journal of Fluid Mechanics. 5, 544-60
Ellis, J.B., and Chatfield, P., R. (2006). “Diffuse urban oil pollution in the UK.” Urban Water Journal, 3(3), 165 – 173
Estèbe, A., Mouchel, J., & Thévenot, D., (1998): Urban runoff impacts on particulate metal concentrations in river Seine. Water, Air, and Soil Pollution, 83–105.
EU/2000/60/EC. Directive of the European Parliament and of the Council of 23 October 2000 establishing a framework for Community action in the field of water policy. Off J Eur Communities 2000; L327:1–72.
Felix, M., Bláha, K. (1964): Matematikai Statisztika a Vegyiparban, Műszaki Könyvkiadó Budapest 1964.
89 Fingas, M. F., Hughes, K. A., and Bobra, A. M. (1988) “Fuels in sewers: Behaviour and countermeasures.” Original Research Article Journal of Hazardous Materials, 19 (3), 289-302
Fischer, H.B. (1967). “The mechanics of dispersion in natural streams.” Journal of the Hydraulic Division ASCE., 93, 187-216.
Fischer, H.B. (1968a). “Methods for predicting dispersion coefficients in natural streams, with applications to lower reaches of the Green and Duwamish Rivers.” U.S. Geological Survey Professional Paper, 582A.
Fischer, H.B. (1968b). “Dispersion predictions in natural streams.” Journal of Sanitary Engineering ASCE, 94, 927-943.
Godfrey, R.G. and Frederick, B.J. (1970). “Stream dispersion at selected sites.” U.S.
Geological Survey Professional Paper, 433K.
Gogoase-Nistoran, D.E., Popescu, D.M., and Panaitescu, V. (2008). “Use of hydraulic modelling for river oil spills 1. Travel time computation for quick response.” U.P.B. Sci.
Bull., 70(D), No. 4
Gromaire, M. C., Garnaud, S., Saad, M., and Chebbo, G., (2001): „Contribution of different sources to the pollution of wet weather flows in combined sewers”. Water research, 35(2), 521–33.
Gunster, D. G., Gillis, C. A., Bonnevie, N. L., Abel, T. B., and Wenning, R. J. (1993).
“Petroleum and hazardous chemical spills in Newark Bay, New Jersey, USA from 1982 to 1991.” Environmental Pollution, 82(3), 245-253
Guymer, I, and O'Brien, R. (1995). “The effects of surcharged manholes on the travel time and dispersion of solutes in sewer systems.” Water Science and Technology, 31(7), 51-59 Guymer, I., Dennis, P., O’Brien, R., Saiyudthong, C. (2005). “Diameter and surcharge effects on solute transport across surcharged manholes” Journal of Hydraulic Engineering ASCE, Vol. 131(4), 312-321.
Haase, D., (2009): „Effects of urbanisation on the water balance – A long-term trajectory.”
Environmental Impact Assessment Review, 29(4), 211–219.
Hnatuková, P., Benesová, L., and Komínková, D., (2009): Impact of urban drainage on metal distribution in sediments of urban streams. Water Science and Technology, International Association on Water Pollution Research, 59(6), 1237–46.
Hosang, B. (1998): „Abwassertechnik” B.G. Teubner Stuttgart , Leipzig 1998
Hsu, S.M. (2004). “Probability based simulation of 2-D velocity distribution and discharge estimation in open channel flow.” Thesis (PhD), University of Pittsburgh
Huisman, J.L., Burckhardt, S., Larsen, T.A., Krebs, P. and Gujer, W.: „Propagation of waves and dissolved compounds in sewer”. J. Environ. Eng. -ASCE, 126(1), 2000, p. 12–20.
Isikwue, M. O., Onoja, S. B., Laudan, K. J., & Bauchi, F. P. (2012): „Establishment of an empirical model that correlates rainfall-intensity-duration-frequency for Makurdi Area, Nigeria”. International Journal of Advances in Engineering & Technology, 5(1), 40–46.
James, I. (2002). “Modelling pollution dispersion, the ecosystem and water quality in coastal waters: a review.” Environmental Modeling Software, 17(4), 363-385
90 Jennings, M. E. & Doyle, W. H. (1978) „Deterministic modelling of urban storm water processes, Broward County Florida” In: Proc. Int. Symp. on Urban Stormwater Management, ed. C. T. Haan., Univ. Kentucky Publications, 275-281.
Jensen, N. E., & Pedersen, L. (2005). „Spatial variability of rainfall: Variations within a single radar pixel.” Atmospheric Research, 77(1-4), 269–277.
Kölling, C. (1994). “Finite - Element - Simulation der Geschwindigkeitsverteilung in Kanälen und teilgefüllten Rohrleitungen.(Finite - Element - Simulation of the velocity distribution in canals and partly filled pipelines).” PhD - Thesis, Technical University of Munich, Germany
Lacour, C., Joannis, C., and Chebbo, G., (2009): „Assessment of annual pollutant loads in combined sewers from continuous turbidity measurements: sensitivity to calibration data”
Water Research, 43(8), 2179–90.
Lee M.C., Leu J.M., Chan H.C., Huang W.C. (2010). “The measurement of discharge using a commercial digital video camera in irrigation canals.” Flow Measurement and Instrumentation. 21(2), 150-154. Available at: http://linkinghub.elsevier.com /retrieve/pii/S0955598610000257 [Accessed May 25, 2011].
McLellan, S. L., Hollis, E. J., Depas, M. M., Van Dyke, M., Harris, J., and Scopel, C. O., (2007): „Distribution and Fate of Escherichia coli in Lake Michigan Following Contamination with Urban Stormwater and Combined Sewer Overflows” Journal of Great Lakes Research, 33(3), 566–580.
Meierdiercks, K. L., Smith, J. a., Baeck, M. L., and Miller, A. J., (2010): „Analyses of Urban Drainage Network Structure and its Impact on Hydrologic Response1” JAWRA Journal of the American Water Resources Association, 46(5), 932–943.
Melanen.M. & Laukkanen.R. (1981): „Dependenceof runoff coefficient on area type and hydrological factors”. Proc. 2nd Int. Conf. Urban Storm Drainage, ed. B. C. Yen, Water Resources Publications, Littleton, Colorado, USA, 404-410.
Miller, R. A. (1978) „The hydraulically effective impervious area of an urban basin, Broward County Florida” Proc. Int. Symp. on Urban Stormwater Management, ed. C. T. Haan, Univ. Kentucky, 259-261.
Miller, R. A., Mattraw, H. C. & Jennings, M. E. (1978) „Statistical modelling of urban storm water processes, Broward County Florida” Proc. Int. Symp. on Urban Stormwater Management, ed. C. T. Haan, Univ. Kentucky Publications, 269-273.
Montserrat, A, Gutierrez, O., Poch, M., and Corominas, L., (2013): „Field validation of a new low-cost method for determining occurrence and duration of combined sewer overflows”
The Science of the Total Environment, 463-464C, 904–912.
MSZ EN 752 „Települések vízelvezető rendszerei 4. rész: Hidraulikai méretezés és környezetvédelmi szempontok (Drain and sewer systems outside buildings Part 4:
Hydraulic design and environmental considerations)” Magyar Szabványügyi Testület.
2000. ICS 13.060.30
Nezu, I. and Nakagawa, H. (1993). “Turbulence in open-channel flows.” IAHR Monograph.
Rotterdam, The Netherlands: A. A. Balkema Publishers, 281 p.
Öllős, G.(1990): „K + F eredmények, Csatornázás-szennyvíztisztítás I-II.”, Budapest, AQUA Kiadó
91 Passerat, J., Ouattara, N. K., Mouchel, J.-M., Rocher, V., and Servais, P., (2011): „Impact of an intense combined sewer overflow event on the microbiological water quality of the Seine River”. Water research, 45(2), 893–903.
Pedersen, L., Jensen, N. E., Christensen, L. E., & Madsen, H. (2010). „Quantification of the spatial variability of rainfall based on a dense network of rain gauges”. Atmospheric Research, 95(4), 441–454.
Phillips, P., and Chalmers, A., (2009): „Wastewater Effluent, Combined Sewer Overflows, and Other Sources of Organic Compounds to Lake Champlain“. JAWRA Journal of the American Water Resources Association, 45(1), 45–57.
Rieckermann, J., Neumann, M., Ort, C., Huisman, J.L., Gujer, W. (2005). “Dispersion coefficients of sewers from tracer experiments.” Water Science & Technology, Vol. 52 (5), 123–133
Rutherford, J.C. (1994). “River Mixing.” Chichester: Wiley.
Sali, E. (2002): „Csatornázás, Tervezési segédlet”, Budapest, Tankönyvkiadó, 1990., Műegyetemi Kiadó 2002.
Sayre, W.W. and Chang, F.M. (1968). “A laboratory investigation of open-channel dispersion processes for dissolved, suspended and floating dispersants.” U.S. Geological Survey Professional Paper, 433E
Schudel, B., Biaggi, D., Dervey, T., Kozel, R., Muller, I., Ross, J. H. and Schindler, U.
(2003). “Application of artificial tracers in hydrogeology – Guideline”, Bulletin d’Hydrogéologie, Special Issue, 20, 94
Seo, I. W. and Baek, K. O. (2004). „Estimation of the longitudinal dispersion coefficient using the velocity profile in natural streams” Journal of Hydraulic Engineering-Asce, 130(3):227-236.
Seo, I. W. and Cheong, T. S. (1998). „Predicting longitudinal dispersion coefficient in natural streams” Journal of Hydraulic Engineering-Asce, 124(f):25-32.
Shen, H.T., and Yapa, P.D. (1988). “Oil Slick Transport in Rivers.”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 114(5), 529-543.
Singh, S. K. and Beck, M. B. (2003): „Dispersion coefficient of streams from tracer experiment data” Journal of Environmental Engineering-Asce, 129(6):539-546.
Srikanthan, R. – Frost, A.J. – Cowpertwait, P.S.P. (2004): „Stochastic Generation of Point Rainfall Data at Sub-Daily Timescales: A Comparison of DRIPAnd NSRP”, CRC Technical Report 04/09, CRC for Catchment Hydrology
Stearns, E. P. (1883): “A reason why the maximum velocity of water flowing in open channels is below the surface.” Transactions of the ASCE, 7, 331-338.
Tandler, R. (2013): „++SYSTEMS User Manual” Tandler.com GmbH
Taylor, G.l. (1954): “The dispersion of matter in turbulent flow through a pipe.” Proc. Roy.
Soc. London, Ser. A, 223, 446-468.
Tholin, A. L. & Keifer, C. J. (1960) „The hydrology of urban runoff” Trans. ASCE. 125, 1308-1379.
Tsanis, I.K. – Gad, M.A. – Donaldson, M.T. (2002): „A comparative analysis of rain-gauge and radar techniques for storm kinametics”, Advances in Water Resources 25, pp.305-316, 2002.
92 US EPA., (1999): „Combined sewer overflows — guidance for monitoring and modelling.”
U.S. Environmental Protection Agency Office of Water; January 1999 [EPA 832-B-99-002].
Vaisala Group, Finland, www.vaisala.com, 2013.
Vieux, B.E. – Vieux, J.E. (2005): „Statistical evaluation of a radar rainfall system for sewer system management”, Atmospheric Research 77, pp.322-336, 2005.
Wang Z, Cheng N. (2005): “Secondary flows over artificial bed strips.” Advances in Water Resources. 28(5), 441-450
Wastewater Planning Users Group (WaPUG) (2002): „Code of Practice for the Hydraulic Modelling of Sewer Systems”, Version 3.001, United Kingdom
Weitbrecht, V, Kuhn, G, and Jirka, G. H. (2002): “Large scale PIV-measurements at the surface of shallow water flows.”, Flow Measurement and Instrumentation, 13(5-6), 237-245
Wilson, J.F., Jr. (1967) “Time-of-travel measurements and other applications of dye tracing, in Hydrologic aspects of the utilisation of water.” International Association of Scientific Hydrology Publication 76, 252-265.
Xia, R., (1997). “Relation between mean and maximum velocities in a natural river.” Journal of Hydraulic Engineering ASCE, Vol. 123(8), 720-723.
Yang S.Q., Xu W.L., and Yu G.L. (2006). “Velocity distribution in a gradually accelerating free surface flow.” Advances in Water Resources. Vol. 29(12), 1969-1980. Available from: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0309170806000315 [Accessed January 13, 2011].
Yotsukura, N., Fischer, H.B. and Sayre, W.W. (1970). “Measurement of mixing characteristics of the Missouri River between Sioux City, Iowa, and Plattsmouth, Nebraska.” U.S. Geological Survey Water-Supply Paper, 1899-G.
Zabel, T., Milne, I., and Mckay, G., (2001): „Approaches adopted by the European Union and selected Member States for the control of urban pollution” Urban Water, 3(2001).
Zhu, H., Derksen, R. C., Krause, C. R., Fox, R. D., Brazee, R. D., and Ozkan, H. E. (2005).
“Fluorescent Intensity of Dye Solutions under Different pH Conditions.” Journal of ASTM International, 2(6), Paper ID JAI12926
93
„A” melléklet Hidraulikai modellépítés KANAL++ rendszerben
A KANAL++ egy csatornahálózat nyilvántartó rendszer, amely lehetőséget nyújt térinformatikai alapokon hálózat-, állóeszköz- és káresemények nyilvántartására. A szoftver egyes elemei segítségével elvégezhető a nyilvántartott hálózat hidraulikai elemzése is, különböző összetettségű hidraulikai modellek segítségével. Vizsgálható a csatornák szárazidei terheltsége állandósult állapot feltételezésével, de végezhető esős időszaki dinamikus lefolyásvizsgálat is. A program belső adatbázist tartalmaz a szükséges adatelérési sebesség biztosításának érdekében. A belső adatbázis módosítása vagy lekérdezése történhet grafikus felületen keresztül különböző ablakok, file-ok vagy közvetlen adatbázis-kapcsolat segítségével.
A hidraulikai modell KANAL++ rendszerben 3 alapvető építőelem típus felhasználásával készül el:
csomóponti elemek (aknák, átemelők, nagyobb betonműtárgyak)
csatornaszakaszok (nyomóvezeték szakaszok, árkok, átereszek)
részvízgyűjtők (utcaszakaszok, tetők vagy fedett területek)
A rendszer felépítése szempontjából a vezetékszakaszok minden esetben két csomóponti elem között találhatóak. Kisebb keresztmetszetű vezeték esetén ezek jellemzően tisztító aknák, amelyek között levő több csődarabból felépülő csatornaszakasz jellemzően 1 elem. Nagyobb keresztmetszetű csatornaszakaszokon több töréspont is található, ezek is csomóponti elemként jelennek meg jellemzően a rendszerben.
Kommunális szennyvíz, ipari szennyvíz, csapadékvíz részvízgyűjtőkön gyülekezik össze és a részvízgyűjtő és egy csatornaszakasz között létrehozott összekapcsolással definiált vezetékbe folyik le.
részvízgyűjtő csomópont
csatornaszakasz csomópont
A.1.ábra Rendszerelemek a csatornahálózati modellben.
94 Csomóponti elemek (továbbiakban aknák)
Csomóponti elemek jellemzően a csatornahálózatban található aknák, tisztítóaknák, vakaknák, átemelők. Ezek kiterjedése nem jelentős az esetek többségében, de a hidraulikai számítások során a kapacitásuk benne van az egyenletekben. Csomóponti elemek közé sorolhatjuk a rendszer hidraulikai végpontjait, minden olyan pontot, ahol a vizek eltávoznak a csatornahálózatból, például a tisztítótelepek kifolyói és a záportúlfolyók kiömlői. A rendszerben levő elágazási pontok szintén csomópontok, az ágakon eláramló mennyiség elosztása a csomópontok leíró egyenleteivel határozzuk meg.
Az általános csomóponti elemek legfontosabb paraméterei a pozíció, a folyás-fenékszint, azaz a hidraulikai rendszer alsó pontja és a fedlapszint, azaz az aknát lezáró fedlap magassága. Fontos még az akna átmérője, a kapacitás meghatározásához
A.2.ábra Csomóponti elem kommunikáció ablakának egy füle.
A hidraulikai modell megfelelő működése érdekében a csomóponti elemek bizonyos paramétereit mindenképpen meg kell adni. A paraméterek, amik kitöltése elengedhetetlen:
Csomóponti elem
egyedi neve (fontos az elem egyértelmű azonosíthatósága miatt)
x,y koordinátája
hidraulikai szempontból legalsó pontjának (általában a folyásfenék-szintnek) a magassága
hidraulikai szempontból legfelső pontjának (akna és műtárgy esetén a fedlap-szint, töréspontnál a profil legfelső pontja) magassága
95 Csatornaszakaszok (továbbiakban vezetékek)
Csatornaszakaszok minden esetben két csomóponti elem között találhatók. Jellemzően ezek állandó keresztmetszetű csőszakaszok, a gravitációs rendszerben valamilyen jellemző lejtéssel, amit a program állandónak vesz a hossz mentén. A csatornaszakaszok legfontosabb paraméterei a kezdő és végakna száma, a végeinek csatlakozási magassága, a szelvényalakja, a szelvény magassága és az érdességi paraméterei. A szakasz hossza, lejtése és a szelvény szélessége a megadott paraméterekből számításra kerül.
A csatornaszakaszok szelvényalakja a modellépítés kezdetén kerül megadásra és a szélesség/magasságarány egy állandó érték egy szelvényalakhoz.
A.3.ábra Csomóponti elem kommunikáció ablakának egy füle.
Csatornaszakaszok esetében is vannak olyan paraméterek, amelyek a hidraulikai számítások szempontjából elengedhetetlenek:
Ilyenek a csatornaszakasz
egyedi azonosító neve
kezdő és végaknájának a neve
csatlakozási magassága a kezdő- és a végaknában
profiljának az alakja (előre definiált magasság/ szélesség arányú profilalakokat lehet használni)
a profiljának a magassága vagy szélessége (csak az egyik paraméter határozható meg, mert a szelvény szélességének és magasságának az aránya a profil megadásakor fixálásra kerül)
hidraulikai érdesség magassága vagy Manning féle veszteségtényezője Részvízgyűjtők (továbbiakban területek)
A részvízgyűjtők jellemzően kétdimenziós kiterjedésű elemek, amiket digitalizálással, azaz a terület poligonokkal történő körberajzolásával lehet létrehozni. Nagy kiterjedésű, bonyolult területek háztömbjeinek, utcáinak a megadása történhet digitális műszaki rajzok
96 (DXF) beolvasásával. Lehetőség van nem térképi elemek vízgyűjtőként történő alkalmazására is, de ennek használata olyan területek esetén javasolt, amik a térképen nem láthatók (pl.
aluljárók, mélygarázsok, metró).
A keletkező vizek (csapadékvíz, szennyvíz stb.) jellemzően a részvízgyűjtőkön jönnek létre a szimuláció során, és innen folynak a meghatározott csatornaszakaszba a megadott dinamika alapján. Ezért fontos lépés a modellépítés során a területek vezetékszakaszhoz rendelése. A részvízgyűjtők területének nagyságát a szoftver integrálással, a határoló görbe ismeretében képes meghatározni. Ennek alapján számítja a szoftver a szimuláció során a fajlagos értékekből (lakósűrűség, csapadékintenzitás stb.) a területen keletkező víz mennyiségét.
Csatlakozó vezeték Vízzáróság
Lakosság
Lejtés
A.4.ábra Részvízgyűjtő elem kommunikációs ablaka
Bizonyos adatok megadása a részvízgyűjtők esetében sem lehet elhagyható. A részvízgyűjtők ezen adatainak a hiánya esetén, a területen keletkező, elvezetendő vízmennyiség nem fog a csatornahálózatba jutni. Az elhagyhatatlan paraméterek a részvízgyűjtő esetében:
A részvízgyűjtő terület
egyedi azonosító neve
vizét elvezető csatornaszakasz
vízzáró terület részaránya (a vízzáró területek aránya az összes területhez)
lejtése
lakossága vagy lakósűrűsége
97
„B” melléklet A hidraulikai modell validálása
Meglévő csatornahidraulikai modelleket validálni kell a számítási adatok megbízhatóságának a meghatározása érdekében. Ennek menete a szimulált eredmények méréssel történő összehasonlítása útján történik. A validálást szárazidei terhelésre és csapadékos terhelésre egyaránt el kell végezni. A modelljeim esetében 3 féle validálási eljárást végeztem:
- szárazidei terhelés mellett összehasonlítottam mért és szimulált lefolyási időt - lezárt csatornaszakaszon a vízszint változását.
- csapadékos terhelés mellett összehasonlítottam mért és számolt térfogatáramot.
Az egyes validációs eseteket a következő részekben foglalom össze részletesen a mérések helyszíneit a következő ábra mutatja
B.1.ábra Hidraulikai modell validációs pontjai (kék csapadék levonulási szimuláció, piros lefolyási idő ellenőrzése, barna szárazidei feltelés ellenőrzése)
98 Lefolyási idő mérése
A lefolyási idő mérésének módszerét és helyszíneinek részletes leírását a dolgozat 5.fejezete adja meg. A mérések során ismert terhelési állapot mellett festékanyagot juttatunk a csatornahálózatba, majd folyásirányban elhelyezett detektorral rögzítettem a festék koncentrációját. A festékanyag diszperziója miatt a festék megfigyelési pontján történő áthaladását egy koncentrációgörbe adja meg. A leírásban szereplő módon erre a koncentrációs görbére Gauss eloszlás sűrűségfüggvényét illesztettem, aminek szimmetriatengelye adja meg a festék beérkezés időpontját.
Az egyes mérési esetek részletes adatai megtalálhatók az 5.fejezetben. A mérések eredményeképpen az Ördögárok főgyűjtőn átlagosan 7%, egy hosszabb alberfalvai szakaszon átlagosan 2%, a rövidebb alberfalvai szakaszon 5%, a Budai főgyűjtő felső szakaszán átlagosan 16%, míg a teljes Budai Főgyűjtőn átlagosan 9%-os eltérését tapasztaltuk a mért és a számított lefolyási időknek. A Zsigmond térre befolyó Duna parti Főgyűjtőn 100%-os eltérését tapasztaltuk a mért és a számolt lefolyási időknek, de ezen a szakaszon a lefolyási időből számolt átlagos áramlási sebesség 0,2 m/s alatti volt, ami rendhagyó áramlási viszonyokra enged következtetni.
Csatorna feltelésének vizsgálata
Folyamatos szintmérési adatok állnak rendelkezésre főgyűjtő vezetékek végpontjainál található szivattyútelepeken. Ezek az adatok közvetlenül összevethetők szimulációs eredményekkel, ha az adott időszakra ismert a kommunális és ipari kibocsátás valamint a lehullott csapadék intenzitása. A B.2.ábra egy összehasonlítást mutat, csapadékterhelés nincsen. A vízszint emelkedését az okozza, hogy karbantartás miatt t=0 min pillanatban lezárták a főgyűjtő vezeték kilépő keresztmetszetében található zsilipet. Az érkező szennyvíz feltorlódik a csatornában, emelkedik a vízszint és egyre több csatornaszakaszban lassul le az áramlás. Mivel a rendszer több összefolyást is tartalmaz, a vízszint emelkedésének az üteme akkor lesz megfelelő, ha a szimulációs modell figyelembe veszi az elárasztott szakaszok kapacitását. A B.2.ábra mutatja, hogy mérési adatokkal jól egyező számítási eredményeket kaptam a térinformatikai adatokat felhasználó modell esetén. A számított és a mért vízszint átlagos eltérése 4cm volt a vizsgálat során, de az eltérés nem haladta meg a 12cm-t.
99
00.511.5
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Vízszint a gyűjtővezetékben [m]
Zárás után eltelt idő [min]
Mért adasor Számított adatsor Eltérés
B.2. ábra Vízszint magasságának időbeli változása csepeli erdősor utcai szivattyútelepre befutó gyűjtő vezetékekben a vezeték zárását követően (csapadékterhelés nélkül)
Csapadékos terhelés esetén létrejövő áramlás
Egyesített rendszerű vagy csapadékelvezető csatornahálózatok hidraulikai modelljét csapadékos időszakban végzett szállított vízmennyiség mérésekkel is kell validálni. Ennek oka, hogy a csapadékvíz okozta terhelés a szárazidei terhelésnél nagyságrenddel nagyobb, ezért az ilyen csatornákat is csapadékvíz okozta terhelésre méretezzük (Öllős 1990).
A szakirodalom javaslata szerint elöntések vizsgálatához nagy sűrűségű felszíni csapadékvíz-mérésre (Kuczera és tsai., 2003) vagy az azzal jó egyezést mutató csapadékradar mérésekre van szükség (Vieux and Vieux, 2005) és (Tsanis, 2001). Amennyiben nem áll rendelkezésre elegendő sűrűségű csapadékmérő hálózat, statisztikai eszközök alkalmazásával, valószínűségi alapon a mérési adatok besűríthetők, amire több eljárás is létezik (Srikanthan, 2004).
A szakirodalmi ajánlások alapján (WaPUG 2002) a teljes budapesti hálózat ellenőrzéséhez 200-300 csapadékmérő állomásra lenne szükség (Knollmár 2011). Ez a műszermennyiség jelenleg nem áll rendelkezésre sem az Országos Meteorológia Szolgálatnál, sem a magán mérők mérési adatait összegző magántársaságoknál. Ezért az ellenőrzések során részben radarfelvételeket, részben több csapadékmérő állomás összesített mérési adatait használtam.
Radarfelvételek felhasználásával és csapadékmennyiségi mérések alapján ellenőriztem az erdősor utcai részvízgyűjtőről lefolyó kevertvíz okozta szivattyútelepi szintváltozást.
100 B.3.ábra Radarfelvételek a 2006. augusztus 20.-i csapadékról
A radarfelvételek és a térinformatikai rendszer adatai alapján meghatároztam a zivatarfront haladási sebességét. Ezzel és a front csapadékintenzitásából megállapítottam, hogy az érintett területeken rövid időtartam alatt (5 perc) átlagosan 10mm csapadék hullott az érintett területeken. A számításaimat mind a csepeli, mind a délpesti telep összegzett mérési adatai is megerősítették.
A B.4.ábra a 2006. augusztus 20-án 21 órakor leesett zápor által okozott árhullám mérési adatait és az erre az esetre kapott számítási eredményeket mutatja az erdősor utcai szivattyútelepre vezető főgyűjtő vezeték kilépésénél. A rendszer helyes modellezése érdekében szükséges volt a szennyvíz és záporvíz átemelő szivattyúk által szállított térfogatáram előírása a kapcsolódó műtárgyak vízszintjének függvényében. Az átemelő rendszer szükséges adatai a tervrajzi dokumentációban megtalálható volt.
101
00.511.522.5
0 30 60 90 120 150
Vízszint a gyűjtővezetékben [m]/ Csapadékintenzitás [mm/perc]
Idő [min]
Mérési adatsor Számított adatsor Csapadékintenzitás
B.4.ábra Záporvíz lefutása Csepelen az erdősori szivattyútelepre befutó főgyűjtő vezetékben a zápor kezdetétől számított idő függvényében.
A B.5.ábra két csapadékos naphoz tartozó térfogatáramokat mutat a budai ördögárok vízgyűjtőjéről. A vízmennyiségeket az FCSM szakemberei mérték NIVUS PCM Pro (NIVUS 2011) típusú térfogatáram-mérő eszközzel. Mivel a mérések hosszabb ideig tartottak, az adatok feldolgozása során volt lehetőségem megállapítani a szárazidei terhelés alakulásának napi trendjét. Ezt kivontam a mért térfogatáramokból, így sokkal jobban láthatóvá vált a lefolyó esővíz térfogatáramának a változása.
025005000750010000
2008-01-18 2008-01-18 2008-01-19 2008-01-19 2008-01-20 Térfogatáram [m3/h]
Mért esővízmennyiség Szárazidei terhélés
Szimulált esővízmennyiség
B.5.ábra Záporvíz levonulása a budai Ördögárok kiömlőn, mérés és szimuláció összehasonlítása.
102 A csapadékterhelés mennyiségét a vízgyűjtőn található magán-csapadékmérő állomások napi csapadék adatainak átlagolásával nyertem, mivel mindkét napon csak egy-egy rövid csapadékos időszak volt csak. A szimulációban a két csapadékos napon blokkesőként hoztam létre a két esetet és meghatároztam a szimulációs modell segítségével a lefolyó esővíz mennyiségét, amit a méréssel hasonlítottam össze.
További csapadék szimulációs számításokat is végeztem, amelyek során a Délpesti Szennyvíztisztító Telepen végzett telepre befolyó vízmennyiség térfogatáramát hasonlítottam össze szimulált adatokkal. A telep vízgyűjtőjének hidraulikai modelljén a délpesti és a lágymányosi OMSZ állomás által mért csapadékterhelést szimuláltam (világoskék görbék) és a mért telepre befolyó adatokkal (sötétkék görbék) hasonlítottam össze, és ábrázoltam továbbá a napra jellemző napi átlagos szennyvíz térfogatáramot (barna görbe). A szimulációk első 2-3000 perce egy kezdeti szakasz, amely során a csatornában levő üzemállapot beáll, ezért több diagramon látszik a szimulációs rendszer számolt térfogatáramának felfutása, ezt részt az értékelés során nem vettem figyelembe. A mért és számított térfogatáram adatokat diagramban ábrázolva a validációs eseteket a B.1-3 táblázatokban foglaltam össze. Az eredmények számszerűsített összegzését a 2.2. táblázat tartalmazza.
103
010002000300040005000
2005-05-07 2005-05-08 2005-05-09
Térfogatáram [m3/h] 010002000300040005000
2005-06-29 2005-06-30 2005-07-01 2005-07-02
Térfogatáram [m3/h]
010002000300040005000
2005-07-01 2005-07-02 2005-07-03 2005-07-04
Térfogatáram [m3/h] 010002000300040005000
2005-07-04 2005-07-05 2005-07-06 2005-07-07
Térfogatáram [m3/h]
010002000300040005000
2005-08-27 2005-08-28 2005-08-29 2005-08-30
Térfogatáram [m3/h] 010002000300040005000
2005-10-12 2005-10-13 2005-10-14 2005-10-15
Térfogatáram [m3/h]
010002000300040005000
2006-05-20 2006-05-21 2006-05-22 2006-05-23
Térfogatáram [m3/h] 010002000300040005000
2006-06-22 2006-06-23 2006-06-24 2006-06-25
Térfogatáram [m3/h]
B.1.táblázat Validációs esetek Délpesti Szennyvíztisztító Telepen mért térfogatáram (sötétkék görbe), napi befolyó szennyvízmennyiség (barna görbe) és szimulált befolyó mennyiség
(világoskék görbe) összehasonlításával
104
010002000300040005000
2006-08-11 2006-08-12 2006-08-13 2006-08-14
Térfogatáram [m3/h] 010002000300040005000
2006-08-19 2006-08-20 2006-08-21 2006-08-22
Térfogatáram [m3/h]
010002000300040005000
2007-01-17 2007-01-18 2007-01-19 2007-01-20
Térfogatáram [m3/h] 010002000300040005000
2007-03-08 2007-03-09 2007-03-10 2007-03-11
Térfogatáram [m3/h]
010002000300040005000
2007-03-19 2007-03-20 2007-03-21 2007-03-22
Térfogatáram [m3/h] 010002000300040005000
2007-05-21 2007-05-22 2007-05-23 2007-05-24
Térfogatáram [m3/h]
01000200030004000
2007-10-22 2007-10-23 2007-10-24 2007-10-25
Térfogatáram [m3/h]
B.2.táblázat Validációs esetek Délpesti Szennyvíztisztító Telepen mért térfogatáram (sötétkék görbe), napi befolyó szennyvízmennyiség (barna görbe) és szimulált befolyó mennyiség
(világoskék görbe) összehasonlításával
105
05000100001500020000
2010-06-17 2010-06-18 2010-06-19 2010-06-20
Térfogatáram [m3/h] 050001000015000
2010-07-15 2010-07-16 2010-07-17 2010-07-18
Térfogatáram [m3/h]
050001000015000
2010-07-19 2010-07-20 2010-07-21 2010-07-22
Térfogatáram [m3/h]
B.3.táblázat Validációs esetek a Kelenföldi Szivattyútelepen mért térfogatáram (sötétkék görbe), napi befolyó szennyvízmennyiség (barna görbe) és szimulált befolyó mennyiség
(világoskék görbe) összehasonlításával
106
„C” Melléklet A felszíni és a főtömegi áramlás mérési eredményei
C.1.táblázat Mért festékkoncentráció változása idő függvényében (vastag, folyamatos vonal, jobb oldali skála) és a beérkező felszíni nyomjelzők (oszlop diagrammok), és az illetett Gauss
eloszlások (vékony pontvonal)
0
1
2
3 0102030
40 20002500300035004000
B2 012
3 0153045
60 20002500300035004000
B3
0
0.1
0.2
0.3 0246
8 20002500300035004000
A1 00.20.40.6
0.8 02468
10 20002500300035004000
A2 00.20.40.60.81
1.2 036912
15 20002500300035004000
A3 00.511.52 0102030 20002500300035004000
B1 00.20.40.60.8 01020304050 100001100012000130001400015000
C1 00.30.60.9
1.2 05101520
25 100001100012000130001400015000
C2 00.30.60.9
1.2 05101520
25 100001100012000130001400015000
C3 00.10.20.30.4 036912 20003000400050006000
D1 00.10.20.3
0.4 024
6 60007000800090001000011000
E1 00.10.20.3
0.4 024
6 60007000800090001000011000
E2
107
„D” Melléklet: Diszperziós tényezők szakirodalomban javasolt meghatározási módszerei
Szerző Modell Komment Egy.
Taylor (1957) K10,1Du* 0.1. E
Elder (1959) K5,93Hu0 Logaritmikus sebességprofil feltételezésével a függőleges tengelyen. Elhanyagolja a
keresztirányú sebesség nyírást. 0.2. E
Parker (1961)
0 2
3
S g 2 R 28 , 14
K Kör keresztmetszetű profil és logaritmikus sebességeloszlás feltételezésével 0.3. E Sooky (1969) KCl,cRu0 Kör keresztmetszet és logaritmikus sebességeloszlás feltételezésével Cl,c egy
komplex integrál, amit numerikusan kell megoldani. 0.4. E McQuivey
(1974) S0
u K H
Oldatok diszperziója és hidraulikai hullámok közötti hasonlóságon alapszik. 0.5. E
Fisher (1975)
H u
W K u
0 2 2
A keresztirányú sebességprofil és szabálytalan csatorna keresztirányú turbulens
keveredésének becslésén alapszik. Elhanyagolja a függőleges sebességnyírást. 0.6. E Liu (1977)
* 2 2
1
*
u H H
W u
18 u , 0
K
A (8) egyenlet terepi mérések alapján módosított verziója 0.7. E
Magazin (1988)
632 , 1
u*
4 u , 0 u R 86 , 75 K
Az érdességi tényező feltételezésével 0.8. E *
Iwasa (1991) *
2 / 3
u H H
0 W , 2
K
Súrlódás elhanyagolásával. Úgy tűnik, hajlamos alábecsülni az áramlás diszperzióját. 0.9. E
Seo (1998) *
62 , 0
u H H
6 W , 0
K
A (8) egyenlet dimenzió analízis és terepi méréseken alapuló módosításával. 0.10. E Koussis
(1998) *
2
u H H
0 W , 2
K
A súrlódás elhanyagolásával. Úgy tűnik, hajlamos alábecsülni az áramlás
diszperzióját. 0.11. E
108 Huisman
(2000) u H
W 003 u
, 0 K
* 2 2
A (8) egyenlet módosításával, szabályos csatornát feltételezve a jobb csatornabeli
keveredés érdekében. 0.12. E
Deng (2001)
* 3
/ 2 5
* 0 t
u H H
W u
u 8
15 ,
K 0
38 , 1
* 0
t H
W u
u 3520 145 1
,
0
A (8) egyenlet transzverzális keveredéssel kiegészítve. 0.13. E
A a nedvesített keresztmetszet, W a felszín szélessége, H=d=A/W átlagos vízszint kör keresztmetszetű csőben, R a hidraulikai sugár, S0 az átlagos lejtés, u az átlagsebesség, u* a nyírási sebesség
* Megjegyzés: (10) egyenlet Singh, S. K. and Beck, M. B. (2003) Dispersion coefficient of streams from tracer experiment data. J. Environ. Eng.-ASCE, 129(6), 539–546 forrásból hibás, mivel a kitevő 21,632 kimarad az összefüggésből. Ez az oka, amiért a szerzők K értékét 2 nagyságrenddel nagyobbra teszik,
mint a többi összefüggéssel számolt érték.
D.1.táblázat Diszperziós tényezők szakirodalomban javasolt meghatározási módszerei
109
„E” Melléklet: Cohen módszere, határos normál eloszlás illesztése
Az illesztést a következő szintetikus adatsoron mutatom be:
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
0 1 2 3 4 5
Festékkoncentráció [mg/l]
Idő [min]
Érzékelt koncentráció
E.1. ábra Szintetikus adatsor, határos normál eloszlás illesztésére
Az illesztés első lépése a mérési adatsorból egy azonos súlyú eseményekből álló sorozat előállítása, amely sorozatból készített a hisztogram az eredeti függvény alakját adja vissza.
Meghatároztam az koncentráció lefutásban előforduló maximális értéket (cmax), amit felosztottam nf részre, ez lett a felosztás lépésköze (Δc).
f max
n cc
0.1. E
Ezek után a koncentráció lefutás időtrendjének a mérési pontjaiból az idő értéket (ti) annyiszor (nt) adtam hozzá a sorozathoz, ahányszor az adott mérési pont koncentráció értéke (ci) a lépésközt (Δc) tartalmazta. ti időérték előfordulásának száma (nt) a sorozatban:
c ekítés c ker
nt i 0.2. E
Az előállított sorozaton már elvégezhetők azok a statisztikai eljárások, aminek végeredménye a sokaság középértéke, szórása és területe, ami az eredeti függvényre illesztett normál eloszlásfüggvény sűrűségfüggvénye.
110 0
20 40 60 80 100 120 140 160
0 1 2 3 4 5
Előfordulások száma [db]
Tartomány középértéke [mg/l]
E.2.ábra A koncentráció lefutás alapján előállított sokaság hisztogramja
A sokaságból számítással meghatározható annak középértéke és szórása.
s n
1 i
i
n s
s
0.3. E
s n
1 i
2 i
n s
s
0.4. E
ahol ns a teljes sokaság darabszáma, si a sokaság i-edik eleme. A E.3.ábra megmutatja, hogy a statisztikai módszerrel meghatározott szórás és középértékkel visszaszámolt normál eloszlás sűrűségfüggvénye mind alakban, mind középértékben jelentősen eltér az eredeti függvénytől.
111 0
0.5 1 1.5 2 2.5 3
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
Koncentráció [mg/l]
Idő [min]
Eredeti függvény Illesztett függvény
E.3.ábra A számolt szórás és középértékhez tartozó normál eloszlás sűrűségfüggvénye és az eredeti függvény
A szórás és a középérték korrekciójának elvégzéséhez Cohen (1950) leírt módszerét használtam fel. A módszer alkalmazása során feltételezünk egy normál eloszlású függvényt, amelynek leíró egyenlete
2
2
2 exp t 2
; 1
; M
;
t 0.5. E
Feltételezzük továbbá, hogy a sokaság, aminek gyakoriságát az eloszlás függvényünk ad meg két határ között található, azaz
w t t
t0 0 0.6. E
ahol t0 az alsó határérték, w a tartomány szélessége. Vegyünk fel továbbá egy standard normál eloszlásfüggvényt is:
exp 2
2
1 2
0.7. E
amire legyen igaz, hogy
d
I 0.8. E
112 Definiáljuk a határértékeket
1 t0
0.9. E
t0 w
2 0.10. E
Felírható a valószínűségi függvény logaritmusa
konst.2 ln t
n I I ln n L
n
1 i
2 2 i 2
1
0.11. E E1.12 egyenlet parciális deriváltjainak nullára rendezésével meghatározható µ és σ módosult értéke
Z1Z21
v10
0.12. E
Z Z
Z w v 01 1 1 2 1 2 2
2
0.13. E
amelyekben
1 2 1 1
I Z I
0.14. E
1 2 2 2
I Z I
0.15. E
n t t v
n
1 i
k 0 i k
0.16. E
kifejezve σ szórást
1 2
w
0.17. E
Átalakítva E1.15 és E1.16 egyenleteket:
w 0 v Z
Z 1
1 2
2 1
1
0.18. E
Z Z Z ws 0
Z 1
2 2 2
1 2
2 2 1 2 2
1 1
0.19. E
ahol s2 a határolt minta szórása
2 1 2
2 v v
s 0.20. E
113 Az egyenleteknek E1.19 és E1.20 alakját G.W. Thomson (1954) határozta meg Friedman és Garelis-el közösen.
A Newton módszer segítségével iteráció úton pontosíthatjuk az értékeket. Ehhez átrendezzük E1.18 és E1.19-et
w Z v
Z1 21 21 1 0.21. E
2 12 222 2 1 2 2
1 1
w Z s
Z Z Z
1 0.22. E
Felhasználva az azonosságot, hogy
1 2 1
1 2
2 1 22 2 1 2 2
1 Z1 Z Z Z 1 Z Z Z Z Z
1 0.23. E
E1.21 és E1.22 egymásba helyettesítésével
Z 1 0w Z v w Z
s
1 2 2
2 1 2 1
2 2 1
2
0.24. E
ez az egyenlet 21 másodfokú függvénye. Alkalmazva a másodfokú egyenlet megoldó képletét:
2
2 2 2 2
1 2 2 1 1 2
2 1 1
2 2 s
w w 4 s w Z
Z v Z w Z
Z v
Z
0.25. E
Csak a pozitív megoldást vesszük, hiszen 210
E1.21-ből kifejezve ξ1-et
w 1 v
Z w Z
v
1 2 1 1
2
1 0.26. E
Behelyettesítve E1.25-be
2 1 2
2 2 1 2 2 1 1 2
2 1 2
2 1
s 2
w v w w 4 s w Z
Z v Z w Z
Z v Z Z
Z
0.27. E
Mivel E1.26 és E1.27 egyenletrendszerek megadják ξ1 és ξ2 független egyenletek formájában, felhasználhatók iteráció számításához, tehát az iteráció egyenletei