Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar
Áramlástan Tanszék
Egyesített rendszerű csatornahálózatok környezeti kibocsátásainak elemzése
PhD értekezés
Készítette: Istók Balázs Konzulens: Dr.: Kristóf Gergely
Budapest 2013
2 Itt szeretnék köszönetet mondani mindazoknak, akik fontos segítséget nyújtottak ennek a disszertációnak az elkészítésében!
Köszönöm Kristóf Gergely konzulensemnek mindenkori segítségét a munkámban, a közös publikációkban és a disszertációm megírása során!
Köszönöm Vad Jánosnak, hogy a tudományos pálya lehetőségeit, szépségeit megmutatta nekem!
Köszönöm Lajos Tamásnak, hogy az áramlástant megismertette, megszerettette velem!
Köszönöm Horváth Csabának a türelmét és segítségét, hogy tűrte, hogy vége-nincs módon nyaggassam angol nyelvi lektorálás miatt!
Köszönöm minden további kollégámnak, aki valamilyen módon tolta a szekeremet!
Köszönöm a Fővárosi Csatornázási Műveknek, név szerint Makó Magdolnának, Kasek Andrásnak, Gerőfi Andrásnak, Rusznák Csabának Markovics Mariannak és Mórócz Gábornak, hogy a dolgozat hátterének a megteremtésében és szakmai kérdésekben segítettek!
Köszönöm az Országos Meteorológia Szolgálatnak, hogy rendelkezésemre bocsátotta a csapadékmérési adatokat!
És legfőképpen köszönöm feleségemnek, Panninak és a nagyszülőknek, hogy lehetővé tették oly gyakran, hogy „apa hagy dolgozzon”!
3
Tartalomjegyzék
1 Bevezető ... 6
1.1 Kutatási célkitűzés ... 6
1.2 Vizsgálati módszer ... 8
2 Nagy elemszámú csatornahálózati modellek felépítéséhez javasolt eljárások ... 10
2.1 Bevezető ... 10
2.2 A modellépítés lépéseinek javasolt sorrendje ... 10
2.3 A csatornahálózati modell építéséhez rendelkezésre álló adatok ... 11
2.3.1 Az adatbázis és a hibák forrása ... 13
2.3.2 Segédtulajdonságok ... 13
2.4 Gyakran előforduló csatlakozási hibák ... 14
2.4.1 Műtárgyak kezelése... 15
2.5 Végpontok ellenőrzése, releváns elemek kiválasztása ... 16
2.5.1 Záporkiömlők ellenőrzése ... 17
2.6 Rendszer korrekciós eljárások ... 17
2.6.1 Egyértelműen hibás elemek kigyűjtése ... 17
2.6.2 Fizikailag lehetetlen adatokkal rendelkező elemek ... 17
2.6.3 Hiányzó magassági adatok ... 18
2.6.4 A rendszer indokolatlan keresztmetszet szűkületeinek megjelölése... 18
2.6.5 Rövid vezetékszakaszok megjelölése ... 19
2.7 Részvízgyűjtő területek megadása ... 19
2.7.1 Részvízgyűjtők terület-használatának megadása ... 20
2.7.2 Érdességi paraméterek beállítása ... 22
2.7.3 Adathibák javítása reprodukálható módon ... 22
2.8 Paraméter beállítások javasolt eljárása ... 22
2.8.1 Részvízgyűjtő területek vízzáró területi arányának beállítása ... 22
2.9 A hidraulikai modell verifikálása ... 23
3 Kezdeti veszteség meghatározása egyesített rendszerű vízgyűjtőre ... 26
3.1 Bevezetés ... 26
3.2 A vizsgált vízgyűjtő terület ... 28
3.2.1 Geometria ... 28
3.2.2 Csapadékintenzitás adatok ... 29
3.3 A térfogatáram mérési adatok feldolgozása ... 29
3.4 Eső események meghatározása ... 31
3.4.1 Havazás, fagyott talaj (F1) ... 33
3.4.2 Ismétlődő záporok kiszűrése (F2) ... 33
3.4.3 Kis kiterjedésű esők (F3) ... 33
3.4.4 Átlagos csapadékintenzitás használata (F4) ... 33
3.5 Függvényillesztés ... 34
3.6 Szűrő eljárások értékelése ... 35
3.7 Hőmérséklet hatásának elemzése ... 36
4
3.8 Összefoglalás ... 37
4 Esőmodell kialakítása záporleválasztón túlfolyó éves mennyiség számításához .. 39
4.1 Bevezetés ... 39
4.2 Szakirodalmi áttekintés ... 39
4.3 A vizsgált vízgyűjtő terület ... 41
4.3.1 Záporkiömlők a BMC vízgyűjtőjén ... 42
4.3.2 Rendszer kiürülési ideje ... 43
4.4 A csapadék effektív időtartamának és az időbeli intenzitás lefutásának a hatása a túlfolyó mennyiségekre ... 44
4.5 A modellcsapadék előállításának módszere ... 46
4.6 A módszer alkalmazása ... 47
4.7 Csapadék területi változékonyságának hatása ... 51
4.8 Következtetések ... 54
5 Szennyezés követése csatornában, lefolyási idő ... 56
5.1 Motiváció, az elemzés céljai ... 56
5.2 A lefolyási idő számítása ... 56
5.3 A módszer alkalmazása térinformatikai és hidraulikai adatok alapján a budapesti csatornahálózatra ... 58
5.3.1 További alkalmazások ... 59
5.4 A modell méréses ellenőrzése ... 59
5.4.1 Szállító áramlás (főtömeg) nyomjelzője ... 60
5.4.2 Koncentráció mérése ... 60
5.4.3 A koncentrációmérő kalibrálása... 61
5.5 A vizsgált csatornaszakaszok ... 63
5.5.1 Üzemállapot ... 65
5.6 Mérési eredmények ... 66
5.7 Összefoglalás ... 67
6 Felszíni szennyezés relatív elmozdulása ... 69
6.1 Irodalmi áttekintés ... 69
6.2 A nyomjelző elemek ... 70
6.3 Mérési eredmények ... 71
6.3.1 arányt befolyásoló paraméterek ... 72
7 A szennyezés diszperziója ... 74
7.1 Bevezetés ... 74
7.2 Diszperzió modellek, szakirodalmi áttekintés ... 74
7.3 Mérési eredmények értékelése ... 76
7.3.1 Elméleti háttér ... 76
7.4 Diszperziós tényező becslése ... 79
7.4.1 A számítás menete állandó geometriájú szakaszokra ... 79
7.4.2 Diszperzió szórásának becslése változó geometriájú szakaszra ... 81
7.4.3 Szakaszok diszperziós tényezőjének meghatározása ... 82
5
7.4.4 Szórás és diszperziós tényező megállapítása ... 82
7.1 Összefoglalás ... 83
8 Új tudományos eredmények összefoglalása tézisekben... 84
8.1 Tézis 1 ... 84
8.2 Tézis 2 ... 84
Tézis 3 ... 85
8.3 Tézis 4 ... 85
9 A szerző tézispontokhoz kapcsolódó publikációi ... 87
10 Irodalomjegyzék ... 88
„A” melléklet Hidraulikai modellépítés KANAL++ rendszerben ... 93
„B” melléklet A hidraulikai modell validálása ... 97
„C” Melléklet A felszíni és a főtömegi áramlás mérési eredményei ... 106
„D” Melléklet: Diszperziós tényezők szakirodalomban javasolt meghatározási módszerei ... 107
„E” Melléklet: Cohen módszere, határos normál eloszlás illesztése ... 109
6
1 Bevezető
1.1 Kutatási célkitűzés
Európa nagyvárosainak a többségében egyesített rendszerű csatornahálózat vezeti el a keletkező csapadékvizeket és a szennyvizeket. A nagyvárosok csatornahálózata már csak a kiterjedésük miatt is meglehetősen bonyolult. Térinformatikai célokra szinte már mindenhol digitális térképeket használnak és ezek közül a korszerűek már adatbázisban tárolják a hálózat adatait. A hálózat elemzésének egyik korszerű eszköze a csatornahálózat numerikus hidraulikai modelljén végzett számítások, a modellt pedig praktikusan a térinformatikai adatbázis alapján lehet felépíteni. Az adatbázisban tárolt geometriai adatok hozzáférhetősége jelentősen meggyorsítja a csatornahálózat hidraulikai modelljének a felépítését, mivel ezek az adatok importálhatóak egy korszerű modellező rendszerbe. Azonban az adatok egy nem elhanyagolható része hibával terhelt, ezért a modellépítés során jelentős számú javítást is alkalmazni kell, ami meglehetősen lelassíthatja a modellalkotást.
A modellépítés során a hibák korrekciója rendszerint manuális úton, elemről elemre haladva történik, ami egy nagy kiterjedésű város esetén rengeteg munkát jelent, mind a modellezőnek, mind a hálózat üzemeltetőjének. A hibák felderítése és a javítások egy igen jelentős része ésszerű mérnöki megfontolás alapján automatizálható, ami jelentősen meggyorsítja a modellezés folyamatát. Célom volt egy olyan útmutató összeállítása, amely tartalmazza mindazokat a lépéseket, amelyek egy modellépítés során a folyamatot meggyorsíthatják. Az útmutató összeállítása során támaszkodtam a budapesti hálózat hidraulikai modelljének felépítése során szerzett tapasztalataimra.
Hazánk időjárása az elmúlt évtizedekben a globális időjárási trendek (Haase 2009;
Astaraie-Imani 2012) következtében jelentős mértékben megváltozott és feltételezhető, hogy ez változás folytatódni fog. Csapadékesemények jellemzően ritkábban fordulnak elő, de az előforduló események jellemzően hevesebbek, nagyobb intenzitásúak. A megnövekedett intenzitású esőkből rövidebb idő alatt nagyobb mennyiségű csapadék esik, aminek a jellemzően növekvő városi beépítettség miatt nagyobb hányada jut az egyesített csatornahálózatokba. A csatornahálózat intenzívebb terhelése esetén a túlfolyón távozó kevertvíz mennyisége is növekszik, aminek a mérés útján történő meghatározása igen nehéz feladat.
Egy megfelelően felépített és paraméterezett hidraulikai modell segítségével mért csapadékterhelés alapján megfelelő pontossággal meghatározható a túlfolyókon távozó kevertvíz mennyisége. A hidraulikai modell paraméterei részben a csatornahálózat geometriai adatai alapján adottak, részben területhasználati adatokból meghatározhatók. A vízgyűjtő területre hulló csapadék azon hányada, ami a területeken marad, azaz a kezdeti veszteség meghatározása történhet mérési adatok alapján vagy szakirodalmi ajánlások felhasználásával.
A szakirodalmi ajánlások általában tartományt adnak meg, ezért a mérés alapján történő meghatározás helyspecifikusabb, ezért várhatóan pontosabb. Egyesített rendszerű hálózat
7 esetén, amilyen a legtöbb nagyváros hálózata, a lefolyt csapadékvíz hányad meghatározásához szükséges a lefolyás ideje alatt befolyt szennyvíz mennyiségének becslése is. Célom volt egy olyan módszer kidolgozása, amelynek segítségével akár egyesített rendszeren végzett térfogatáram-mérés csapadékméréssel történő összehasonlítása alapján, az vízgyűjtő effektív területének ismeretében ez meghatározható.
Mivel a nagyvárosok szennyvizét ma már a legtöbb helyen szennyvíztisztító telepeken kezelik, napjainkban a túlfolyók okozzák a legjelentősebb környezetterhelést (Sieker, 2003).
Azonban a csapadékterhelés időbeli és térbeli változékonysága miatt több év vizsgálata szükséges az éves túlfolyó mennyiség megfelelő megbízhatóságú becslésének eléréséhez. Egy nagyváros kiterjedt hidraulikai modelljén végzett több éves hidraulikai szimuláció időigénye több hetes lehet, ami az operatív tervezést ellehetetleníti. Amennyiben a túlfolyó mennyiség számítása egy optimálási folyamat része és a számításokat többször is végre kell hajtani, a számítási igény több hónapos is lehet. Célom volt egy olyan eljárás kidolgozása, amiben az egyes eső eseményeket kétparaméteres blokkesőkkel helyettesítjük, és a hasonló esőket eső csoportokba vonjuk össze. A túlfolyás számítása a csoportok súlypontjának a szimulációjával történik, ezzel töredékére csökkentve a szimulálandó esetek számát.
A hidraulikai modell egy másik lehetséges alkalmazása, hogy megmutatja, hogy a rendszer egy pontjáról mennyi idő alatt jut el a szennyvíz a végponthoz (lefolyási idő) egy jellemző terhelés mellett, továbbá lehetővé teszi a szennyeződés diszperziójának előrejelzését is. Ez segítséget nyújthat a csatornahálózatba kerülő szennyeződés mozgásának modellezésére, a kárelhárítási intézkedések megalapozására. Bizonyos szennyező típusok azonban nem a szennyvízzel együtt mozognak, hanem annak felszínén úszva a keresztmetszeti átlagostól eltérő sebességgel haladnak. Célom volt egy csatornarendszereken alkalmazható oldott szennyező terjedésmodell elkészítése, továbbá olyan tapasztalati korrelációk felállítása, amelyek kapcsolatot teremtenek a felszínen lebegő szennyezés és a vízzel együtt mozgó szennyezés lefolyási idői és diszperzió intenzitásai között.
8
1.2 Vizsgálati módszer
Első kutatási célom egy nagyváros térinformatikai adatbázisának alapján történő csatornahidraulikai modell felépítéséhez új, a modellépítést érdemben felgyorsító eljárások útmutatóba foglalása.
Nagyvárosi csatornarendszer esetében a hálózatra vonatkozó geodéziai és hidraulikai adatok napjainkban már elektronikus formában, jellemzően adatbázisban rendelkezésre állnak. A csatornahidraulikai modell felállításához ezen felül térképészeti és területhasználati adatok is szükségesek (például domborzat, telekhatárok, felszínborítottság), melyek szintén digitális formában adottak. Mindezen információk megléte esetében is szükség van olyan algoritmusokra, amelyek alapján az adatok közötti konverziót, interpolációt, hibajavításokat el tudjuk végezni. Ennek szükségességét alátámasztja, hogy a budapesti csatornahidraulikai modell közelítőleg 160 ezer csatornaszakaszt, ugyanennyi csomóponti elemet (pl. aknát, műtárgyat) és kb. 100 ezer részvízgyűjtő területet foglal magában, és egy ekkora adatmennyiség manuális feldolgozása és egyedi mérnöki megítélése több emberéves munkát igényelne.
A csőhálózat geodéziai és hidraulikai alapadatait fizikai megfontolások alapján levezetett szűréseknek és korrekcióknak vetjük alá, amelyekkel biztosítható a modellhálózat topológiai konzisztenciája és a modellszámítások eredményét súlyosan befolyásoló egyéb adathibák javítása. Gyakorlatban, a javasolt algoritmusokat a térinformatikai adatbázisban implementált célprogramok formájában valósítottam meg.
A részvízgyűjtő területek automatizált paraméterezéséhez raszteres formátumú területhasználati térképből, továbbá domborzati adatokból indulhatunk ki. Javaslatot teszek a területhasználati térkép feldolgozásának módszerére, amelynek eredményeként előáll az egyes részvízgyűjtőkre jellemző vízáteresztő képesség és lakósűrűség. Ez a művelet a gyakorlatban a raszteres térkép grafikus előfeldolgozásával, képpontokra bontásával és a képpontok részvízgyűjtők középpontjával történő geometriai megfeleltetésével történt, amelyet szintén a térinformatikai adatbázisban implementált célprogramokkal valósítottam meg.
Második kutatási célom egy végponti térfogatáram mérőhellyel jellemzett vízgyűjtőterület kezdeti veszteségének méréses úton történő meghatározására alkalmas módszer kifejlesztése. Ez az információ a csatornahidraulikai modell modellparamétereként szolgál, értéke jelentősen befolyásolja a modell által előre jelzett záportúlfolyások volumenét.
A kezdeti veszteség identifikációjához felhasználjuk az egyesített rendszerű csatornahálózat végponti térfogatáram mérésből nyert több éves adatsort, továbbá két, a vizsgált területre jellemző meteorológiai állomás többéves csapadékintenzitási adatsorát. Olyan adatszűrő és korrekciós algoritmusokra teszek javaslatot, amelyekkel a kilépő kevert víz csapadékvíz tartalma meghatározható, továbbá erős korreláció érhető el az egyes csapadékok magassága és hálózatból adott idő alatt kilépő kevert víz térfogata között. Az új algoritmusok gyakorlati megvalósításához saját célszoftvereket (MS Excel Visual Basic makrókat) fejlesztettem.
9 Harmadik kutatási célom olyan, kis elemszámú modellcsapadék sorok előállítására alkalmas módszer kifejlesztése, amelynek felhasználásával egy egyesített rendszerű hálózat csatornahidraulikai modellje alkalmassá tehető a tisztítatlanul kibocsátott túlfolyó víz várható mennyiségének meghatározására.
A kidolgozott új módszer kiinduló adatai: a vízgyűjtő területre jellemző többéves csapadékintenzitás mérési adatsor, továbbá a csatornahidraulikai modell alapján állandósult állapotokra és egyetlen tranziens lefolyásra meghatározott hidraulikai eredmények. A hidraulikai alapadatok közül a hálózat kiürülési idejét a csapadék adatsor független eseményekre bontásához, a határintenzitást (mint hidraulikai alapadatot) pedig a csapadékesemények effektív időtartamának meghatározásához használom fel. A mérési adatsorból képzett blokkcsapadék sorozat felhasználásával, a kis elemszámú modellcsapadék sorozat előállításának céljára, konzervatív csoportosítási és átlagolási eljárásra teszek javaslatot. Ez utóbbi algoritmus gyakorlati megvalósításához saját célszoftvert fejlesztettem (szintén MS Excel Visual Basic makró formájában). A csatornahidraulikai modellen a javasolt módszerrel nyert modellcsapadék sor felhasználásával számított túlfolyó mennyiségeket több évnyi mért csapadék adatsorral számolt túlfolyással validáltam.
Negyedik kutatási célom csatornahálózatba baleset következtében bekerülő oldott vagy felszínen úszó szennyező lefolyási idejének és diszperziójának meghatározására alkalmas módszer kifejlesztése.
Az oldott szennyezők lefolyási idejét a csatornahidraulikai modell állandósult áramlásra vonatkozó eredményeire támaszkodó, saját fejlesztésű grafikus megjelenítéssel (lefolyási idő térképpel) valósítottam meg.
Több szegmensből álló összetett csatornákban is alkalmazható új módszert dolgoztam ki az oldott szennyezők diszperziójának meghatározására, mely a Taylor-féle (1954) advekciós- diszperziós modell Huisman (2000) által publikált megoldásának kiterjesztése. Ennek kiinduló adatait a meglévő csatornahidraulikai rendszerből állandósult áramlásra kinyerhető áramlási sebesség, felszín szélesség, vízmélység, esés és egyéb csővezetéki geometriai adatok. A számítási algoritmus gyakorlati megvalósításához saját célszoftvereket fejlesztettem (MS Excel makróként).
A módszer ellenőrzése céljából saját fejlesztésű mérőberendezéssel helyszíni méréseket végeztem oldott- és felszínen úszó nyomjelzőkkel. A mérési adatok alapján további következtetéseket vontam le a felszíni szennyezők terjedési sebességére (az oldott szennyezők terjedési sebességéhez viszonyítva), valamint a felszíni szennyezők diszperziójának mértékére (ugyancsak az oldott szennyezők diszperziójához viszonyítva).
10
2 Nagy elemszámú csatornahálózati modellek felépítéséhez javasolt eljárások
2.1 Bevezető
A budapesti csatornahálózat egy európai nagyváros csatornahálózatára jellemző minden jellegzetességet tartalmaz, ezért igen alkalmas a javasolt modellfejlesztési módszerek bemutatására. A hálózat üzemeltetője, a Fővárosi Csatornázási Művek zRt. (FCSM) kezeli és felügyeli az összesen 5400 km hosszú vízgyűjtő hálózatot, amely hozzávetőlegesen 525 km2 méretű vízgyűjtő területről gyűjti össze a naponta keletkező 500-600 ezer m3 szennyvizet. A kapcsolódó tisztítótelepeken megtisztított vizek és a túlfolyókon távozó víz befogadója a Duna. A hálózat túlnyomóan egyesített rendszerű, de az újabb építésű részeken elválasztott rendszerű alrendszereket is tartalmaz.
A hálózat hidraulikai modelljének felépítését az FCSM megbízásából 2006-2007-ben végeztük KANAL++ (Tandler 2013) rendszerben (összefoglaló leírás az „A” mellékletben).
A modellezés során alkalmazott új műszaki eljárásokat a következőkben foglalom össze és egyben javaslatot teszek ezek alkalmazásának a sorrendjére.
2.2 A modellépítés lépéseinek javasolt sorrendje
Nagykiterjedésű csatornahálózatok hidraulikai modelljének adatbázis adatokból történő létrehozását a következő lépésekben javasolom elvégezni:
1) A rendszer konzisztenciájának a felmérése, amit javaslok a rendszer végpontjai felől indított automatizált hálózat felfejtéssel végezni. A felfejtés eredményeképpen meghatározható az elemek lefolyás szerinti végpontja, ami lehetővé teszi, hogy a rendszert kisebb, könnyebben kezelhető egységekre bontsuk.
2) A rendszer kapcsolódási hibáinak a felderítése és azok javítása. E hibák tipikus megjelenéseit a 2.4 fejezetben írom le. Bizonyos esetekben a térinformatikai rendszerben hiányozhatnak a modellezés szempontjából fontos szakaszok, ezért tisztázni kell a rendszer üzemeltetőjével, hogy a térinformatikai adatbázis mire terjed ki. Patakmeder és csapadékvíz-elvezető árokszakaszok jelentősek lehetnek túlfolyás számítások esetén, de ezek a csatornahálózatnak nem részei, tehát nem szerepelnek az adatbázisban. Amennyiben ezek fontosak, digitalizálás útján pótolni kell azokat. A hibák javítása után a rendszer felfejtését meg kell ismételni.
3) A rendszer áttekintése és a hidraulikai számításokhoz szükséges alrendszerek kiválasztása. Pl. útvíztelenítő hálózat vagy a csapadékvíz-elvezető hálózat szárazidei terheléses vizsgálatoknál elhagyható.
11 4) A rendszerelemek paramétereinek a korrekciója, majd a hiányzó adatok pótlása. A 2.6.
alfejezetben ismertetek több olyan okot is, amelyek miatt egyes modellparaméterek hiányozhatnak vagy valószínűleg hibásak, ugyanitt bemutatom azokat az egyszerű algoritmusokat, amelyek a gyakorlatban leghatékonyabbnak bizonyultak a hibák javítására. E módszerekre vonatkozóan konkrét szakirodalmi ajánlásokat nem találtunk, ezért a javasolt korrekciós eljárások összességét egy műszaki probléma megoldására alkalmas új tudományos eredményként mutatjuk be.
5) A részvízgyűjtő területek létrehozása a hidraulikai modellben, amit javaslok digitális alaptérképből előállítani. A részvízgyűjtők paraméterezésére új grafikus eljárást javaslok, amelyben a részvízgyűjtő területek súlypontját egy területhasználati térkép megfelelő képpontjaihoz kapcsolunk.
6) A felületlejtések (mint modellparaméterek) beállítása az egyes rész-vízgyűjtő területekhez. A lejtés a domborzatot leíró felület (magasság függvény) alapján állítható elő, amelyet javasolok az akna fedlapok szintje alapján meghatározni.
7) A csatornahidraulikai modell bizonytalan paramétereinek a kalibrálása. Egy-egy végponti térfogatáram méréssel jellemzett vízgyűjtő területre a szárazidei fajlagos napi kibocsátás a mérési adatokhoz való illesztés alapján határozható meg.
8) A modell verifikálása, mely a gyakorlatban a 2.9 alfejezetben bemutatott többféle módszerrel is elvégezhető a mérési adatokkal való összevetések alapján. A „B”
mellékletben részletes verifikációs eredményeket mutatok be egy-egy konkrét alrendszerre vonatkozóan.
2.3 A csatornahálózati modell építéséhez rendelkezésre álló adatok
A budapesti csatornahálózat térinformatikai rendszerének alapja egy adatbázis és az ehhez kapcsolódó digitális térinformatikai térkép. Ebben az adatbázisban található adatokat 3500 db A0 méretű szakági terv szkennelésével és az eredmény digitalizálásával állította elő az FCSM Térképészeti Csoportja. Az adatbázist szintén a Térképészeti Csoport gondozza és folyamatosan frissíti a módosítások megvalósulási tervei és a búvárok felmérései alapján. Az adatbázisból a modellépítéshez a törzscsatorna hálózat adatait használtam fel az FCSM megbízásából. A tervek digitalizálása során az adatbázisba került hibák egy része a hálózat konzisztenciáját érinti, másik része a hidraulikai modellezést akadályozták, ezért ezeket a hidraulikai számítások előtt javítani kell. Hagyományosan ez manuális javítással történik, de egy ekkora hálózat esetében ez több évnyi munkát jelentene és további hibák forrása lehetne.
A budapesti hálózat adatainak feldolgozása során hozzávetőlegesen 160 ezer aknának és megközelítően ugyanennyi vezetékszakasznak az adatait kellett ellenőrizni, amelyek eredményeként összesen kb. 100 ezer adatmódosításra volt szükség.
Az adatfeldolgozás első lépéseként javaslom a nagyméretű csatornahálózatot független vízgyűjtőkre bontani. A felbontás módszerét javaslom a csatornahidraulikai rendszer valódi végpontjai felöl indított, az elemek feltételezett lefolyási irányával szemben végzett
12 felfejtéssel végezni. A felfejtés elsődleges haszna, hogy a rendszerben található esetleges szakadások miatt nem kapcsolódó részek azonnal láthatóvá válnak, mivel a felfejtés a szakadásokon megakad, és a rendszer esetleges topológiai hibáira fény derül. A másik haszna a felfejtésnek, hogy a hidraulikai szimuláció során a számításokat egyszerűbben kezelhető, kisebb, független egységeken lehet futtatni, ami a kisebb elemszám miatt gyorsabb számítást tesz lehetővé.
Csekély számú esetben a rendszer tartalmaz elágazásokat, és egy hálózati elemből két végpontba is történhet az áramlás, ezekben az esetekben szükséges mérnöki megfontolások alapján a két rendszer szétválasztása. Az általam alkalmazott felfejtést az FCSM Térképészeti Csoport munkatársaival együtt megállapított vízgyűjtőkhöz tartozó releváns végpontjai felől végeztem.
2.1. ábra Vízgyűjtőterületek alapján leválogatott és színezett hálózati elemek és szárazidei kiömlőik
A budapesti hálózatot végpontok alapján 6 nagy vízgyűjtőre lehetett bontani, de praktikus okokból csak 4, közel azonos számú aknát tartalmazó egységre bontottam, amelyek a következőek voltak:
Kelenföldi szivattyútelep vízgyűjtője
Ferencvárosi szivattyútelep vízgyűjtője
Észak-Pesti Szennyvíztisztító Telep vízgyűjtője
Dél budapesti területek vízgyűjtője (Dél-pesti Szennyvíztisztító Telep, Csepeli Szivattyútelep, Hárosi Szivattyútelep vízgyűjtője)
Az egyes részmodellekbe sorolt elemeket a 2.1. ábra mutatja be. Az egyes kiömlési pontokhoz tartozó elemek leválogatását javaslom az adatbázisban implementált SQL programokkal, továbbá az adatstruktúra alkalmas kiegészítésével megvalósítani.
13
2.3.1 Az adatbázis és a hibák forrása
Egy, az FCSM által üzemeltetett és a térinformatikai rendszer alapját képező adatbázis tartalmazza a budapesti csatornahálózat minden, a csatornahidraulikai szimuláció szempontjából releváns elemét. Az adatbázis tartalmaz minden megépült és a rendszerbe integrált szakaszt, azokat is, amiket az FCSM még hivatalosan nem vett át. Az adatbázis jelentős része papír alapú térképek digitalizálásával készült és a változtatásokat is papíralapú térképekről vezették át. A digitalizálás során, a térképen szöveges formában feltüntetett adatokat a feldolgozó leolvassa és a digitalizáló programban manuálisan írja be az adatbázisba. A csatorna nyomvonalát szintén manuálisan digitalizálják a háttérként beillesztett, scannelt rajzok alap. Ezeken a pontokon hibák elkövetésére van lehetősége a feldolgozónak, hiszen semmi visszajelzést nem kap egy helytelenül rögzített fedlapszint vagy egy hibásan létrehozott kapcsolat esetén.
A térképen előfordulhat, hogy egy adat nincsen feltüntetve, vagy a feldolgozó nem találja meg, ekkor az adat nem kerül be az adatbázisba, jellemzően ilyenkor vagy „0”-t írnak be vagy üresen hagyják az adott mezőt. A csatornaszakaszokon lehet olyan rész is, ahol törés található a vonalvezetésben és ahol nem tettek a töréspontra tisztítóaknát. Ezeken a pontokon nincsen a térképen feltüntetett folyásfenék-szint adat sem, ezért az összes kapcsolódó elem szint adata is hiányzik. Mivel ezeket az adatokat a hidraulikai modellekben ki kell tölteni, ezeket az adatokat is hibásnak tekintettük, amit javítani kell a megfelelő működés érdekében.
A hibakeresés és javítás során adatbázis műveleteket használtam, amelyeket az adatbázist tartalmazó PostgreSQL rendszer SQL programozási nyelvén írt, saját fejlesztésű szoftverkomponensekkel végeztetem el. A következő szakaszban feltüntettem azokat a gondolatokat, amelyek alapján ezeket az SQL szoftverkomponenseket megfogalmaztam, valamint bemutatom az általam javasolt és használt, a hibakeresést nagyban megkönnyítő elemekhez rendelt segédtulajdonságokat is.
2.3.2 Segédtulajdonságok
A hibakeresés megkönnyítése érdekében célszerűnek láttam az elemeket tartalmazó táblákat egy sorozat jelző bittel ellátni, amelynek értékei speciális, főleg a rendszer topológiájából származó tulajdonságot jelölnek. Ilyen tulajdonságok voltak az aknák esetében például, hogy az a folyásirány szerinti kezdőpont-e, a topológia szerint végpont-e vagy, hogy éppen elágazásról van szó. Ezeknek a jelző biteknek a jelentősége a hibakeresés során realizálódik, mivel sokkal gyorsabban és egyszerűbben lehet bizonyos hibatípusokat megtalálni, ha ezek a speciális tulajdonságok ismertek. Pl. az akna, amelyik egyszerre kezdőpont (nincsen befolyó vezetéke) és végpont (nincsen belőle kiinduló vezeték) is biztosan hibás, hiszen nem csatlakozik hozzá egyetlen vezeték sem. Szintén hibára utal az a végpont, ami a vízgyűjtő közepén, a befogadótól távol, de éppen egy vezetékszakasz közvetlen közelében helyezkedik el.
14
2.4 Gyakran előforduló csatlakozási hibák
A hálózat építése során sokszor lehet találni olyan pontokat, ahol az alrendszerek kapcsolódásában egy néhány méteres vezetékszakasz hiánya következtében hiba lép fel. A hiányzó vezetékszakaszok sem a papíralapú térképen, sem az abból digitalizált térinformatikai rendszerben korábban nem okozott problémát, mivel azok a grafikus megjelenítésben alig vagy egyáltalán nem látszottak (pl. takarta őket egy másik rajzi elem). Ezeket a topológiai hibákat csak manuális úton, új vezetékszakaszok felvételével tudtam javítani, a hiányzó szakaszok pótlása az üzemeltető térképészeti osztályával együttműködve történt. A hibák helyének felderítésében azonban a hálózati topológia automatikus felfejtése nélkülözhetetlennek bizonyult.
Sok esetben a kapcsolódás a digitalizálás során történt elemfogás (snap) hibája miatt nem jött létre. Az egyik lehetséges megjelenése ennek a hibának, ha például a digitalizálás során a digitalizált szakaszt befejezték egy ponton, mert ott volt a térképszelvény széle. A folytatás során nem az előző szakasz utolsó aknája lett a következő szakasz kezdő aknája a hibás elemfogás miatt, hanem új akna jött létre. Ebben az esetben az első szakasz végaknája a rendszer egy végpontja, a folytatása egy új kezdőpont lett. Ezt a jelenséget szemlélteti a 2.2.
ábra.
2.2. ábra Digitalizálás során létrejött kapcsolódási hiba, balra, ahogy az a térinformatikai rendszerben megjelenik, jobbra, ahogy az valójában logikailag kapcsolódik
Az ilyen jellegű hibák vizuális felderítése a térkép alapján szinte lehetetlen. A feladatot az általam javasolt adatbázis alapú eljárás úgy végzi el, hogy olyan végponti aknákat keresek SQL programok segítségével, amely koordinátája egy másik akna koordinátájához képest kis távolságon (1-2 méteren) belül volt. Azaz meghatároztam minden adatbázisbeli végponti akna vízszintes távolságát az összes többi adatbázisbeli aknától mérve. Az eredménylistából leszűrtem azokat az aknapárokat, ahol a távolság 1m-nél kisebb volt.
Jellemző hiba és hasonló okokra vezethető vissza az a több esetben szakadást okozó hibatípus is, ahol a digitalizálás során egy szakasz digitalizálását egy, már korábban digitalizált szakaszon fejezték be, de a digitalizáló program nem ismerte fel a
15 vezetékszakaszok közti kapcsolatot. Itt a térinformatikai rendszerben szintén lehetetlen felismerni a hibát és adatbázis szűrések segítségével tudtam ezeket összegyűjteni. Az esetet a szemlélteti a 2.3. ábra.
2.3. ábra Digitalizálás során létrejött kapcsolódási hiba, balra, ahogyan az a térinformatikai rendszerben megjelenik, jobbra, ahogyan az valójában logikailag kapcsolódik
Azzal az eljárással tudtam a legjobb hatásfokkal kigyűjteni az ennek megfelelő eseteket, ha meghatároztam A és B akna távolságát (LAB), A és C akna távolságát (LAC) valamint BC szakasz hosszát (LBC). Ha A pont nem esik egy B és C által megadható egyenesre, akkor a két távolság összegére igaz, hogy LAB+LAC>LBC. Amennyiben A akna nagyon közel esik BC szakaszhoz a két távolság összege csak kissé nagyobb, mint a szakaszhossz (esetemben LAB+LAC-LBC<0,5m volt), akkor nagy valószínűséggel az előbb bemutatott esetről van szó.
A digitalizálás egy további lehetséges hibája, hogy vezetékszakaszok, jellemzően rövid szakaszok, a helyes folyásiránnyal ellentétesen kerültek digitalizálásra. Ebben az esetben egy belső végpont jön létre a vezetékek irányítása szerint. Ez a hiba szintén belső végpontokat hozott létre, amelyeket SQL program részletekkel láttam célszerűnek felderíteni. Ezeket az elemeket az üzemeltető térképészetével történő egyeztetés után fordítottam meg.
2.4.1 Műtárgyak kezelése
A csatornahálózatban nagy számban találhatók speciális műtárgyak, amelyek fizikai kiterjedése jelentős, ezért ezeket a térinformatikai rendszerben kirajzolják.
B A
C B
A C
16 2.4. ábra Digitalizálás során létrejött kapcsolódási hiba egy trombita műtárgynál, balra a
térinformatikai megjelenés, jobbra a korrigált csatornahidraulikai modell
A műtárgyak kirajzolt körvonala a térképészeti ábrázolásban helyes, de a hidraulikai rendszerépítés során szakadást okoz, ebben az esetben ezeket a szakaszokat utólag digitalizálni kell. Amennyiben az utólagos digitalizálás megtörténik, a vezetékszakaszoknak a geometriai adatait még pótolni kel. Ennek módja praktikusan a befolyó vezeték szakaszok paramétereinek a meghosszabbítása a műtárgy belsejében. Ez egyben hidraulikai közelítés, mert a műtárgy belsejében nem valószínű, hogy azonos keresztmetszeten áramlik tovább a közeg, hanem pl. a trombita műtárgyban jellemzően valamilyen áthatás a keresztmetszetek alakja.
2.5 Végpontok ellenőrzése, releváns elemek kiválasztása
Egy nagy csatornahálózat térinformatikai rendszere jelentős számban tartalmaz olyan hálózati elemeket, végpontokat, alrendszereket, amelyek a hidraulikai modellezés szempontjából nem relevánsak. Például nagyobb közutak vízelvezető hálózatát, vagy elválasztott rendszerű hálózatrészen digitalizált esővízszikkasztó árkokat vagy a vízelvezető rendszer átereszeit. Fontos a modellezés szempontjából érdekes végpontokat azonosítani és a korábban leírt módszer segítségével az ezekhez kapcsolódó hálózatot felfejteni és a modellezés során a felfejtett hálózatot használni. Amennyiben a felfejtés megtörtént, érdemes még a visszamaradó hálózatrészeket megvizsgálni, hogy esetleg egy felderítetlen szakadás miatt nem maradnak-e ki fontos részek.
Szintén fontos ellenőrizni, hogy a térinformatikai rendszer milyen rendszerelemekre terjed ki, mivel a hidraulikai számításokhoz elengedhetetlen nyílt árkok jellemzően nem szerepel a digitalizált hálózatrészek között, ezért egy rövid nyílt árkos szakasz esetén szintén szakadást okozhat a modellben, melyet egyedileg kell kezelni a modellben.
17
2.5.1 Záporkiömlők ellenőrzése
Egyesített rendszerű csatornahálózatból túlterhelés esetén üzemszerűen kifolyás történhet záporkiömlőkön keresztül. A túlterhelés létrejöttét a csatornában jelentősen megemelkedett vízszint mutatja és egy bizonyos szint felett a csatornahálózatban kialakított oldalbukókon keresztül tud a víz távozni. A túlfolyó mennyiség záporkiömlőkön keresztül jut a befogadó víztestbe. A záporkiömlőkhöz tartozó bukók szintjének helyes ismerete a túlfolyás számítása során kritikus információ. A térinformatikai rendszerben ez a kritikus információ nem biztos, hogy megjelenik, mivel térképészeti szempontból nincsen jelentősége. Az adatok pótlására mindenképpen szükség van, ezért fontos a vészkiömlőkhöz tartozó végpontok irányából minden bukót megkeresni, és a térképek, tervek a bukószintet meghatározni.
Amennyiben valamelyik bukó szintadatával kapcsolatban kétely merül fel, a legbiztosabb adatpótlás búvárvizsgálat segítségével kivitelezhető.
2.6 Rendszer korrekciós eljárások
2.6.1 Egyértelműen hibás elemek kigyűjtése
Adatbázis műveletek segítségével kigyűjthetők azok az aknák és aknaközök, amelyek egyértelműen valamilyen feldolgozási hiba folytán kerülhettek az adatbázisba. Ilyenek lehetnek például:
Csatlakozó aknaközzel nem rendelkező aknák (pontszerű elemek, amelyeket nem töröltek a csatlakozó vezetékek törlése során)
Felvízi és alvízi oldalon azonos aknához csatlakozó csatornaszakaszok (önmagukban záródó elemek általában megkezdett és azonos aknában befejezett digitalizálás eredményeként jönnek létre, amelyek a térinformatikai rendszerben nem láthatók pontszerű voltuk miatt.)
Ezeknek az elemeket célszerű a hálózat üzemeltetőjének térképészeti csoportjával közreműködve eltávolítani az adatbázisból.
2.6.2 Fizikailag lehetetlen adatokkal rendelkező elemek
Az adatbázisban tárolt elemek egy része fizikailag rendkívül valószínűtlen geometriai adatokkal rendelkezik. Ezek nagy részben digitalizálás során elkövetett gépelési hiba következményei, jól tipizálható hibák, melyeket néhány SQL programrészlettel javítani lehet.
18 Ilyen hibatípusba sorolhatóak:
Egy aknához csatlakozó vezeték csatlakozási magassága az akna folyásfenék- szintje alatt van;
Egy aknához csatlakozó vezeték csatlakozási magassága az akna fedlapszintje felett van;
Egy aknához csatlakozó vezeték csatlakozási magassága ugyan az akna fedlapszintje alatt, de a csatlakozás felső pontja, azaz profilmagassággal megnövelt csatlakozási magasság már a fedlapszint fölé esik;
Több elemből álló csatornaszakaszon 1-2 vezetékszakasz profiljának indokolatlan eltérése jelentős mértékben (pl. egy utcában levő egymást követő azonos profilmagasságú vezetékek közül egy-két szakasz átmérője jelentősen eltér).
2.6.3 Hiányzó magassági adatok
Egyes aknák és vezetékek esetében az adatbázisból hiányoznak nélkülözhetetlen magassági adatok (fedlap-szint, folyásfenék-szint, csatlakozó magasság). Ezeknek az aknák egy részét fizikai takartságuk miatt lehetetlen felmérni, másik részük esetében nagyméretű csatornaszelvények nyomvonalán felvett töréspontról van szó, ahol nem mindig található akna. Akna nélküli rákötés esetén (azaz ott, ahol egy oldalirányból bekötő csatornaszakasz nem tisztítóaknába, hanem jellemzően egy nagykeresztmetszetű vezeték oldalában csatlakozik) a legtöbb esetben ugyancsak hiányoznak a modellezéshez szükséges magassági adatok.
Bizonyos esetekben a magassági adatok helyén nem abszolút rendszerben vett magassági adatok kerülnek az adatbázisba, hanem a csatlakozás helyén levő folyásfenék- szinttől mért relatív magasságok. Ezeket az eseteket egy fizikailag valószínűsíthető értékeken alapuló szűrő eljárással javaslom megjelölni. A modellezett vízgyűjtő legmélyebb pont alatt és a város legmagasabb pontja felett adott mértékben levő elemeket ki kell szűrni.
Az így megjelölt és kiszűrt hiányzó adatokat a szomszédos aknák fenékszint adataiból a vezetékszakaszok hosszának figyelembevételével, lineáris interpolációval javaslom meghatározni. Amennyiben a szomszédos elemekben sem állnak rendelkezésre adatok, akkor a hiányt egy ismert magasságú pontból a lejtés figyelembevételével, lineáris extrapoláció segítségével lehet pótolni.
2.6.4 A rendszer indokolatlan keresztmetszet szűkületeinek megjelölése
A csatornahálózat térinformatikai modellje tartalmaz olyan szakaszokat, amelyek gyakran néhány méter hosszúságúak, de a szelvényméretük elmarad a felvízi oldalon kacsolódó rendszerrész szelvényméretétől. Ez gyakran adatrögzítési hiba következménye, pl.
19 egy 0-val kevesebbet írtak a paraméterek megadása során. Abban az esetben, ha a felvízi csatlakozó vezetékszakasz paraméterei megegyeznek az alvízi oldalon csatlakozó vezetékszakasz paramétereivel, akkor az ilyen hibák automatizált módon javíthatók.
Megjegyzendő, hogy a rendszer tartalmazhat ilyen szűkületeket (bújtatók, átvezetések), de ezek tapasztalataim szerint nem egyetlen vezetékszakasz hosszúságúak.
2.6.5 Rövid vezetékszakaszok megjelölése
A csatornaszakasz vagy aknaköz definíció szerint két akna közötti egyenes, állandó paraméterekkel rendelkező csövet jelenti. Vannak olyan esetek azonban, jellemzően korábbi patakmeder lefedésével létrehozott nagykeresztmetszetű csatornaszakaszok, amelyeknél a csatorna íves szakaszokat tartalmaz. Ezeket az íveket a digitalizálás során rövid egyenes szakaszokkal közelítik. A rövid vezetékszakaszok azonban a szimuláció során jelentős numerikus hibát okozhatnak, amelynek kiküszöbölésére az ívek rövid végpontjait a szimulációs modellben törésponttá kell alakítani, ami azt jelenti, hogy a modell a töréspont alvízi és a felvízi csatlakozó vezetékszakaszát egy szakaszként kezeli.
Hasonló problémát okoz az az eset, amikor egy nagyobb szelvénybe bekötő vezeték nem a szelvényen levő tisztítóaknába, hanem a tisztító aknához közel eső pontba köt be. Így létrejön egy néhány méteres vezetékszakasz a bekötési pont és a tisztító akna között, ami a szimuláció stabilitása szempontjából megint csak káros. Az ilyen esetekben a bekötő vezetéket át kell kötni a tisztító aknába és a korábbi bekötési pont szintén törésponttá kell alakítani. Ez a módosítás kis mértékben befolyásolta az átkötött vezeték hosszát, de a rövid szakasz megszüntetése jelentősen javítja a számítás stabilitását és pontosságát.
2.7 Részvízgyűjtő területek megadása
A csatornahidraulikai modellekben az elvezetendő vizek részvízgyűjtő területeken keletkeznek, és a részvízgyűjtő területek összessége a vízgyűjtő terület. A keletkező víz formája lehet például a területre eső csapadékvíz vagy területen keletkező kommunális szennyvíz. Jellemzően a keletkező vízmennyiség arányos a terület kiterjedésével, ezért célszerű a keletkező vízmennyiséget fajlagos paraméterekkel megadni (Hosang 1998).
Nagyvárosi csatornahidraulikai modellek esetén a részvízgyűjtők nagy száma miatt a területek kézzel történő digitalizálása csak javításra alkalmazható, a részvízgyűjtő területeket digitális alaptérképből kell létrehozni. A telekhatárok és a házak körvonala definiálja a részvízgyűjtő területeket, amelyek területét a program határozza meg.
Az utcafelületek összessége a beolvasás után jellemzően egy területként jelenik meg, így ennek paraméterezését azonnal meg lehet valósítani. A paraméterezést követően ezt a nagy egybefüggő területet a modellező szoftver segítségével kisebb részterületekre kell bontani. A részvízgyűjtő területeket a létrehozásukat követően az adott területen keletkező
20 vizeket elvezető vezetékszakaszokhoz kell rendelni, amelyet a csatornahidraulikai szoftver automatikusan végez.
A csapadék felszíni összegyülekezési ideje jelentősen függhet a terület átlagos lejtésétől. A domborzati modell előírásához a területen található aknák fedlapszintjét javaslom felhasználni. Mivel nem minden akna vagy csomópont felső pontja éri el a talajszintet, ki kell szűrni a takart aknákat, a térképészeti elemeket, illetve azokat az aknákat, amelyeknek a felső pontja valamilyen okból nem éri el az utcaszintet. A terepszinten levő aknák fedlapszintjeiből előállított magassági ponthalmazra a modellező programban felület illeszthető, amely ezután lehetővé teszi a területek átlagos lejtésének a meghatározását.
2.7.1 Részvízgyűjtők terület-használatának megadása
A rendszer hidraulikai modelljének pontosságát döntően befolyásolják az egyes részvízgyűjtő területek hidraulikai paraméterei:
a felület vízzáró képességének mértéke, vízzáró felületek részaránya [%]
lejtés [%]
népsűrűség [lakó/ha]
koncentrált vízkibocsátás a területen [liter/nap]
A részvízgyűjtő területek lejtését a domborzati modell alapján meg lehet egyszerűen határozni. A koncentrált vízkibocsátás a területen található szennyvízforrás (pl. nagy ipari szennyvízkibocsátó vagy kommunális létesítmény) által kibocsátott szennyvíz térfogatárama.
A fajlagos paraméterek meghatározásához célszerű a területeket a területhasználat módja szerint osztályokba sorolni és az osztályokra átlagos értékeket előírni. Az alábbi osztályok létrehozását javasolom:
Területhasználat módja
Népsűrűség [lakó/ha]
Vízzáró fel. aránya
[%] Színjel
Nincsen lefolyás 0 0
Zöld terület 10 5
Kertes ház 40 10
Emeletes házak 100 30
Lakótelep 200 50
Zártsorú övezet 350 70
Utca 0 90
2.1. táblázat Területhasználat övezeteinek fajlagos átlagos értékei
21 Tekintve, hogy a budapesti csatornarendszer modellje sok ezer részterületet tartalmaz, a területhasználat módját csoportosítva, a következő eljárás segítségével látom célszerűnek megadni:
Egy budapesti területhasználati térkép digitalizált változatát kell alapul venni. Ebben le kell csökkenteni az alkalmazott színek számát a
2.1 táblázatban megadott színekre és ki kell javítani a színátmeneteket. Ezek a színek ezután a területhasználati osztálynak felelnek meg. Ezt a csökkentett színszámmal rendelkező képet képpontokra kell bontani és a területek súlypontjainak kell megfeleltetni. Én egy saját fejlesztésű grafikus program segítségével feleltettem meg a részvízgyűjtők súlypontját a területhasználati kép képpontjainak. A meghatározott képpont színe megadta a területhasználat módját, amit a modell részvízgyűjtőjébe írtam vissza. Utolsó lépésként a területhasználat csoportja alapján beállítottam a területek vízzáró és lakósűrűségi paramétereit. A területhasználat szerint színezett területek a hidraulikai modellben a 2.5 ábra jobb oldalán láthatók.
A területhasználat módjának finomítását manuálisan végeztem a hozzáférhető műholdas felvételek alapján. Jellemzően több telek által közbezárt zöld felület, park esetén volt szükség a területek használati módjának a korrekciójára.
2.5. ábra Területhasználatnak megfelelően színezett térkép és az ennek megfelelően paraméterezett részterületek megjelenése a KANAL++ rendszerben
Nagy ipari kibocsátók ismert napi szennyvíz-mennyiségét és az agglomerációból érkező szennyvíz-mennyiségét a megfelelő részterületen, többlet kibocsátásként érdemes megadni.
A területhasználati osztályok átlagos vízzáróságának a meghatározását ismert csapadékmennyiség esetén végzett lefolyási szimulációval és szakirodalmi ajánlások alapján végeztem. A területek fajlagos lakósűrűségi paramétereinek a beállítását szárazidei térfogatáram szimulációval való összehasonlításával határoztam meg több vízgyűjtő területre képezve azt. A lakosság fajlagos kibocsátását pedig a mindenkori szimulációs esetre igazítva kell meghatározni a hálózat egyes alrendszereire vonatkozóan.
22
2.7.2 Érdességi paraméterek beállítása
A vezetékekben a csatornafal érdességét a vezetékhálózatra egységesen 1mm [Sali 1995] értékre állítottam, kivéve azokat a szakaszokat, ahol ezt a paramétert dokumentációk alapján meg tudtam határozni.
A hidraulikai veszteségek számítására a Prandlt-Karman-Coolebrook összefüggést választottam, amit zárt szelvényű csatornaszakaszok hidraulikai számításának szabványos [MSZ-752 2000] módszere:
3,71 D
k 1
Re 51 , log 2 1 2
10 2.1. E
ahol csősúrlódási tényező [-], Re Reynolds szám [-], k a fali érdesség [m], D hidraulikai egyenértékű átmérő [m]
2.7.3 Adathibák javítása reprodukálható módon
Javaslom a javításokat a térinformatikai adatbázison végrehajtható SQL műveletek gyűjteményeként létrehozni, amiben a program egyes szakaszai egyedi vagy csoportos javítást végeznek, a korrekciók logikai sorrendjében. Erre azért van szükség, mert nem lehet minden javítást vagy adatpótlást ellenőrzés nélkül az eredeti adatbázisba visszavezetni, azonban ha az adatbázis változik, újra végre kell tudni hajtani a frissítéseket. Ilyen formában implementálva a korrekciós eljárás bármikor alkalmazható a csatornahidraulikai alapadatok előállítására az adatbázis leszűrésével, így követhetők a térinformatikai adatbázisban létrehozott módosítások is.
2.8 Paraméter beállítások javasolt eljárása
A csatornahidraulikai modell paramétereinek egy része jelentős bizonytalansággal terhelt, ezek meghatározása kalibráció útján történik. A modellezés során a kalibrációt a részvízgyűjtő területek kezdeti veszteségére végeztem el.
A részvízgyűjtő területekre hulló csapadék egy része visszamarad a területen felszíni egyenetlenségekben vagy a területen levő növények levelein. Ennek a csapadékmagasságnak (mint modellparaméternek) mérések alapján történő meghatározására új eljárást dolgoztam ki, amelyet a dolgozat 3. fejezetében mutatok be.
2.8.1 Részvízgyűjtő területek vízzáró területi arányának beállítása
23 A részvízgyűjtő területek vízzáróságát szakirodalmi adatok alapján vettem fel, a feltételezések helyességét a validációs számításokkal ellenőriztem.
2.9 A hidraulikai modell verifikálása
A hidraulikai modell verifikációja során a csatornahálózaton mért térfogatáram, vízmélység és lefolyási idő adatokat hasonlítottam össze a szimulációs modellel meghatározott értékekkel. A lefolyási idő mérését csapadékmentes időszakban végeztem. A lefolyási idő meghatározására vonatkozó méréseim módszerét, eredményeit és a számítási eredményeket az 5.fejezetben foglaltam össze. A számítási eredmények a mérési eredményeket lefolyás idő tekintetében elfogadhatóan kis hibával megközelítették.
A csatornahálózat feltelésének szimuláció útján történő meghatározásának az eredményeit szárazidőszaki körülmények mellett végzett mérési adatokhoz hasonlítottam, aminek részletes leírását a „B” melléklet foglalja össze.
Csapadékos időszakban végzett térfogatáram mérések és vízállás mérések esetén az összehasonlító számításhoz szükséges volt még a vízgyűjtőre hullott csapadékmennyiség ismerete is. E validációs vizsgálatok során törekedtem arra, hogy legalább 2 csapadékmérő állomás mérési adatsora ismert legyen. Ugyanakkor fontos megjegyezni azt, hogy mint ahogy azt több szakirodalom is megjegyzi, a csapadékadatoknak a területi változékonysága igen jelentős lehet (Jensen 2005, Pedersen 2010), ezért ennél sokkal több mérőállomásra lett volna szükség, ami a gyakorlati alkalmazás során szinte sosem állt rendelkezésre. Az esővíz levonulásával kapcsolatos validációs eseteket szintén a „B” mellékletben közlöm részletes formában, a vizsgált esetek főbb paraméterei és az összehasonlítások eredményei az 2.2.
táblázatban találhatók:
24
Hely Dátum H Vmért Vszim Tmért Tszim
[-] [év-hó-nap] [mm] [m3] [m3] [Dátum] [Dátum]
DP 2005-05-08 3,9 8800 10800 2005-05-08 6:40 2005-05-08 7:00 DP 2005-06-30 7,8 8266 8891 2005-06-30 20:58 2005-06-30 20:57 DP 2005-07-02 17 29510 29328 2005-07-02 6:17 2005-07-02 6:18 DP 2005-07-05 3,9 5200 9300 2005-07-06 1:11 2005-07-05 23:12 DP 2005-08-28 11,3 19338 18760 2005-08-28 11:29 2005-08-28 8:26 DP 2005-10-13 2,4 3400 5800 2005-10-13 20:16 2005-10-13 20:00 DP 2006-05-21 3,5 7778 7438 2006-05-21 20:17 2006-05-21 20:08 DP 2006-06-22 55,8 48337 41626 2006-06-23 15:34 2006-06-23 8:56 DP 2006-08-13 4,3 6774 10380 2006-08-13 5:12 2006-08-13 5:45 DP 2006-08-21 9,3 5950 7300 2006-08-21 0:03 2006-08-21 0:13 DP 2007-01-19 6,8 14300 13684 2007-01-19 7:00 2007-01-20 6:40 DP 2007-03-09 9 23000 15043 2007-03-09 23:51 2007-03-09 23:03 DP 2007-03-20 2,9 7600 5671 2007-03-20 9:15 2007-03-20 9:44 DP 2007-05-21 2,1 3919 5600 2007-05-22 16:26 2007-05-22 17:05 DP 2007-10-22 39,5 26922 38338 2007-10-23 8:15 2007-10-23 9:41 ÖR 2008-01-18 2,1 9180 9461 2008-01-18 12:39 2008-01-18 12:52 ÖR 2008-01-19 2,6 11657 12087 2008-01-19 10:54 2008-01-19 11:16 BMC 2010-06-18 29 96215 96769 2010-06-18 21:43 2010-06-18 20:06 BMC 2010-07-16 1,4 5525 6335 2010-07-16 09:29 2010-07-16 9:52 BMC 2010-07-20 1,6 13282 9685 2010-07-20 20:27 2010-07-20 20:40
2.2. táblázat Dinamikus validációs esetek eredményeinek összefoglalása, a hely oszlop a vízgyűjtőre vonatkozik (DP Délpesti Szennyvíztisztító, ÖR Ördögárok, BMC Budai Főgyűjtő),
a dátum oszlop a csapadék kezdetének időpontját jelöli, H a lehullott csapadékösszeg átlagosan 2 csapadékmérőre, Vmért és Vszim a mért és a szimulált befolyó csapadékvíz mennyisége, Tmért és Tszim a mért és a szimulált csapadékvíz (összes – szennyvíz) lefolyási
görbe súlypontja a mérés és a szimuláció szerint
A mért és számított integrált csapadékvíz térfogatok grafikus összehasonlítását a 2.6.
ábra mutatja be az illesztett regressziós egyenessel. A regressziós egyenes meredeksége (m=0,9911) és a R2 (R2=0,965) értéke arra utal, hogy a modell és az alkalmazott csapadékadatok megfelelő pontosságú eredményeket adnak. A pontok szórásának egyik oka, hogy a csapadékterhelés mérés kevés megfigyelési pont adataira támaszkodik. A szakirodalmi adatok által javasolt 1-3 km rácspontokban történő csapadékmérés megvalósítása is csak igen jelentős anyagi ráfordítással valósítható meg, ami a validáció jelenleg elérhető pontosságának korlátot szab.
25 Az eltérést okozhat továbbá a befolyó szennyvíz mennyiségének tökéletlen becslése, mivel a számításaim során korábbi napok átlagos befolyó térfogatáramát használtam fel, de az eső napján keletkező valódi szennyvíz térfogatáram ettől eltérhet.
y = 0.9911x R² = 0.965
100010000100000
1000 10000 100000
Szimulált csapadékvíz mennyisége [m3]
Mért csapadékvíz térfogata [m3] DP térfogat ÖR térfogat BMC térfogat
2.6. ábra Szimulált és mért befolyó csapadékvíz mennyiségek összehasonlítása
26
3 Kezdeti veszteség meghatározása egyesített rendszerű vízgyűjtőre
3.1 Bevezetés
Numerikus áramlási szimulációt széles körben alkalmaznak csatornahálózatok és a hozzájuk kapcsolódó vízgyűjtő hidraulikai elemzése során. Egyesített rendszerű vagy csapadékvíz csatornában eső okozta terhelésnövekedés számítása is egyre gyakrabban szimulációs modellel történik. Az alkalmazott numerikus hidraulikai modell funkcióját tekintve 4 önálló egységre osztható (Thorndahl 2007): A csapadék inputra, a felszíni visszatartásra, a felszíni lefolyásra és a csatornahálózatbeli lefolyásra.
A csapadék input a csapadék intenzitásának térbeli és idő szerinti változását adja meg, rendszerint mérési eredmény vagy szintetikus adatsor. A felszíni visszatartás során meghatározásra kerül az a vízmennyiség, ami a csatornahálózatba kerül, hiszen a lehullott eső egy része a felszínen marad, egy része a talajba szivárog, egy része elpárolog a légkörbe. A felszínen maradó esőmennyiség egy része a növényzeten, egy része pedig felszíni egyenetlenségekben marad meg. A legtöbb modell ezt egy ú.n. kezdeti veszteséggel (depressziós tározódás) veszi figyelembe (Dotto 2011). A modell szerint, ha ennél kevesebb eső esik a felszínre, akkor a számításokban a csatornahálózatba nem kerül esővíz.
Jellemzően a természetes vízgyűjtő területek esetén a kezdeti veszteség nagyságrendje 0-60 mm, 22 mm körüli középértékkel (El-Kafagee és szerzőtársai 2011). Városi környezetben azonban ennek töredéke a kezdeti veszteség, Boyd és szerzőtársai 1993-ban publikált kutatásai szerint 0-6 mm 1.4 mm átlaggal. Több korábbi, hasonló témájú forrás is hasonló eredményeket közölt:
Szerzők Vízgyűjtő terület Kezdeti veszteség El-Kafagee és szerzőtársai 2011 természetes vízgyűjtő 0-60mm,
22mm középértékkel Boyd és szerzőtársai 1993 városi vízgyűjtő 0-6mm,
1,4mm középértékkel Tholin és szerzőtársai 1960 chicago-i városi
vízgyűjtő 1,6mm
Melanen és Laukkanen 1981 finn városok 0,4-1mm
Ando és szerzőtársai 1986 2mm
Hollis és Ovenden 1988 tető és utcafelület
Nagy-Britannia 0,5mm
3.1.táblázat Kezdeti veszteség publikált értékei
27 A publikált kezdeti veszteség értékek kivétel nélkül elválasztott rendszerű vízgyűjtő területre lettek meghatározva, ahol az esővíz vezetéken végzett mennyiségmérés eredményét hasonlították össze a lehullott eső mennyiségével. Egyesített rendszerű hálózat vízgyűjtőjére sem értéket, sem módszertani leírást nem találtam a fellehető szakirodalomban. Mivel a nagyvárosokban többnyire egyesített rendszerű a vízelvezetés, egy egyesített rendszerhez kapcsolódó vízgyűjtő kezdeti veszteségének mértékét meghatározni képes módszertani leírás hiánypótló lehet.
Tovább növelik ennek az adatnak meghatározásának a fontosságát, hogy a rövid intenzív záporok, amik a csatornába mossák a közterületeken lerakódott szennyeződéseket és fellazítják csatorna-lerakódásokat, jellemzően a kezdeti veszteség nagyságrendjébe eső csapadék-magasággal rendelkeznek. Például 2005-2007 időszakban a délpesti csapadékmérő állomáson rögzített 236 eső közül 159 db esetén 5mm vagy annál kevesebb volt a csapadékösszeg, de ezek nagy része intenzitásában már elérte azt az intenzitást, ami például a Budai Főgyűjtőn túlfolyást okozna. Amennyiben túlfolyás történik, jellemzően annak kezdetén érkezik az a lökésszerű, csatornából fellazított és kimosott lerakódás (Szabo és tsai 2005), ami a befogadó jelentős igénybevételét adja („first flush”). Egyesített csatornahálózat túlfolyóira elvégzett éves kevertvíz mennyiségének szimulációs meghatározása során tehát nagymértékben befolyásolja a figyelembe vett kezdeti veszteség értéke a szimulációs eredmények pontosságát. Látható, hogy a kezdeti veszteség várható értéke és az említett esőtartomány egy nagyságrendbe esik, ezért munkámban ezekre az esőkre koncentráltam.
Bemutatom annak a vizsgálatnak is az eredményeit, amelyet egy jelentős kiterjedésű, budapesti vízgyűjtőn végeztem. Ennek során 3 év esőit dolgoztam fel és meghatároztam az esőkből keletkezett lefolyás mennyiségét. Az eredményeket a szakirodalomban javasolt csapadék – lefolyás diagramban ábrázoltam. Az adatpontokra regressziós függvényt illesztettem, mivel a témával foglalkozó dolgozatok (Miller 1978; Jennings és Doyle 1978, Calomino és Veltri 1984) alapján kis esők esetén várható, hogy csak vízzáró területekről fog lefolyás keletkezni, várhatóan a vízgyűjtő terület és az esőmennyiség arányában.
Megállapítottam, hogy az eredménypontok szórása olyan mértékű, hogy bármilyen illesztett függvény esetén a szórás túl nagy lesz.
Ezt követően megvizsgáltam, hogy milyen korrekcióval lehet a számítási eredmények szórását jelentősen csökkenteni és számszerűsítettem az egyes eljárások hatását. Ezekkel a szűrőésekkel kiegészítve már egy olyan eljárást sikerült kialakítanom, amivel megfelelő pontossággal becsülhető egy vízgyűjtő jellemző kezdeti vesztesége. Az eljárás alkalmazását esettanulmány keretében mutatom be a következő fejezetekben.
Mivel a kezdeti veszteség szakirodalomban javasolt értéke relatív széles határok között változhat és egyesített rendszerű csatornahálózat vízgyűjtőjére nincsen publikált adat, a leírt eljárás hiánypótló. A felhasznált adatok általában egy nagyvárosi vízgyűjtő esetén rendelkezésre állnak, ezért az itt leírt módszerrel pontosan meghatározható ez a fontos paraméter.
28
3.2 A vizsgált vízgyűjtő terület
3.2.1 Geometria
Számításaim során a Budapesten található Délpesti Szennyvíztisztító Telepen (DSZVT) mért befolyó vízmennyiség mérési adatait használtam fel. A mérési adatok 3 perces felbontásban 2005-2006-2007 évekre álltak rendelkezésemre. A szennyvíztisztító telepre Budapest négy kerületének a szennyvize folyik be, hozzávetőlegesen 280 ezer lakostól. A teljes vízgyűjtő területnek nagysága 4500 ha, és a szennyvíztelephez közelebb eső fele kapcsolódik az egyesített rendszerű csatornahálózathoz. A vízgyűjtő terület effektív vízzáró területének a hányadát lehatárolással határoztam meg.
3.1. ábra Részlet a vízgyűjtő területből, a részvízgyűjtők területhasználat kódja szerint vannak színezve
Térinformatikai számítások alapján, amelyek során figyelembe vettem a területhasználattal járó fajlagos vízzáróság arányát és a területek nagyságát, meghatároztam az effektív vízzáró terület méretét, amely összesen 391 ha-ra adódott. A terület egyesített rendszerű részén jellemzően többszintes épületek illetve lakótelepek találhatóak. A terület lejtési viszonyai 1% körüliek.
A lefolyó vízmennyiségének mérése a tisztítótelep befolyó vezetékének 3 ágán történik 3 perces felbontásban. A telepi bevezetés előtt egy záporvíz leválasztó műtárgy található, a telepre befolyó összes vízmennyiség 4500 m3/h térfogatáramban van korlátozva, az e feletti
29 térfogatáram a műtárgyon leválasztásra kerül. A leválasztott kevertvíz mennyiségéről nincsenek mérési adatok.
3.2.2 Csapadékintenzitás adatok
A vizsgált 3 évre a vízgyűjtőre csapadékintenzitás mérési adatsoraival rendelkeztem, amit két budapesti OMSZ csapadékmérő állomás Vaisala csapadékmérője (Vaisala 2011) 10 perces felbontásban rögzített. A csapadékmérő állomások és a vízgyűjtő terület elhelyezkedését a 3.2. ábra mutatja.
Csapadékmérő 1 Csapadékmérő 2
Vízgyűjtő
3.2. ábra Vizsgált vízgyűjtő terület, a szennyvíztisztító telep és a csapadékmérő állomások.
Bár a 2-es csapadékmérő távolabb esik a vízgyűjtőtől, a két csapadékmérő állomás közrefogja a vizsgált területet, és ha mindkét állomáson mérhető volt egy esőesemény, akkor feltételeztem, hogy nem lokális, ismeretlen kiterjedésű, kis esőről volt szó.
3.3 A térfogatáram mérési adatok feldolgozása
A mért térfogatáram értékeket 30 perces felbontású adatsorba átlagoltam, így szűrve ki a szivattyúkapcsolások okozta rövid térfogatáram ingadozásokat (ezt qv,30 jelöli). A több napos periódusú változások kiszűrésére egy 3 napnyi térfogatáram adatból mozgó átlagértéket számoltam, amit minden 30 perces átlagértékből levontam (ezt q’v,30 jelöli), így határoztam meg a napi időbeli térfogatáram lefutás átlag körüli ingadozását.
A csapadékmérés adatait felhasználva megjelöltem a csapadékos napokat. A csapadékmentes napok 30 perces felbontású térfogatáram adatainak ingadozását (q’v,30) felhasználva a hét azonos napjainak azonos időszakára eső 1 havi értékeket átlagoltam. Így például hétfők 10:00-tól 10:30 tartó adatait átlagolva határoztam meg egy adatpontot, a számítás eredményét a 3.3. ábra szemlélteti.
