Abflussbildung

Theoretische Grundlagen
N-A-Modellierung
Schmutzfrachtberechnung
Abflussbildung
Stoffakkumulation / Stoffabtrag
Abflusskonzentration
Stofftransport
Wellenablauf
Stoffaufteilung
Aufteilung
Stoffspeicherung
Speicherung
Weitergehende
Mischwasserbehandlung
Sonderbauwerke
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Modellkonzept - abzubildende Prozesse
8
1. Verdunstung
7
2. Abflussbildung
1
1
3. Abflusskonzentration
8
4. Abflusstransformation
4
5. Abflussaufteilung und
Abflussspeicherung
2 3
8
6. Entlastung
2 3
7
4
6
5
7. Berechnung des
Trockenwetterabflusses und
der
Schmutzkonzentrationen
8. Spezielle Prozesse
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Prozesse
NIEDERSCHLAG - ABFLUSS
SCHMUTZ - NIEDERSCHLAG - TRANSPORT
In niederschlagsfreien Zeiten
Abflusstransformation
Oberfläche
Ansammlung
Kanal
Ablagerung
Klä ranlage
Abwasserreinigung
Gewässer
Einleitung
Selbstreinigung
Prozessphasen
Stofftransport
Trockenwetterabfluss
Atmosphäre
Teilprozesse
Ansammlung
Austrag
Stoffumsatz
Verdunstung
Teilsysteme
Stoffakkumulation
Teilprozesse
(Euler et al. 1983)
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Prozesse
NIEDERSCHLAG - ABFLUSS
SCHMUTZ - NIEDERSCHLAG - TRANSPORT
Bei Niederschlag
Atmosphäre
Auswaschung
Abflussbildung
Abflusskonzentration
Oberfläche
Absp
Abspülung
Kanal
Eintrag
Ausspülung
Aussp
Vermischung
Speicherung
Weiterleitung
Weiterleitung
Speicherung
Behandlung
Entlastung
Kläranlage
Abwasserreinigung
Gewässer
Einleitung
Selbstreinigung
Abflusstransformation
Kanal
Abflussaufteilung
Entlastungsbauwerk
Abflusstransformation
Stoffaufteilung
Belastungsbildung
Prozessphasen
Stofftransport
Teilprozesse
Stoffumsatz
Teilsysteme
Stoffabtrag
Teilprozesse
(Euler et al. 1983)
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Modellkonzept – Abgebildete Prozesse
•
•
•
•
8
1
1
8
4
•
2 3
8
•
•
2 3
7
4
6
5
•
1 - Verdunstung
2 - Abflussbildung
3 - Abflusskonzentration
4 - Abflusstransformation
(Kanal, offene Gräben)
5 - Abflussaufteilung und
Abflussspeicherung
6 - Entlastung
7 - Berechnung des
Trockenwetterabflusses
und der
Schmutzkonzentrationen
8 - spezielle Prozesse
(z.B. BW-Nutzung)
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Modellkonzept - abzubildende Prozesse
8
1. Verdunstung
7
2. Abflussbildung
1
1
3. Abflusskonzentration
8
4. Abflusstransformation
4
5. Abflussaufteilung und
Abflussspeicherung
2 3
8
6. Entlastung
2 3
7
4
6
5
7. Berechnung des
Trockenwetterabflusses und
der
Schmutzkonzentrationen
8. Spezielle Prozesse
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abflussbildung - Verdunstung (potentiell)
Jahresgang
Tagesgang
4.0
2.25
3.5
2.00
1.75
3.0
1.50
2.5
1.25
2.0
1.00
1.5
0.75
1.0
0.50
0.5
0.25
0.0
0.00
JAN FEB MRZ APR MAI JUN JUL AUG SEP OKT NOV DEZ
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Monat
t [h]
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abflussbildung
Bilanzierung der Benetzungs- und Muldenverluste
Niederschlag
Verdunstung
Benetzungsspeicher
Verdunstung
3 Muldenspeicher
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abflussbildung - SCS-Verfahren
Abhängigkeit des aktuellen Abflussbeiwertes von der Vorgeschichte (hN=konst.)
0.9
CN = 90
aktueller Abflussbeiwert - PSI [-]
0.8
0.7
CN = 80
0.6
CN = 70
0.5
CN = 60
0.4
CN = 50
0.3
0.2
0.1
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
Vorregenindex VN [mm]
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abflussbildung - SCS-Verfahren
Abhängigkeit des aktuellen Abflussbeiwertes von der Niederschlagssumme (VN=konst.)
0.9
CN = 90
aktueller Abflussbeiwert - PSI [-]
0.8
CN = 80
0.7
0.6
CN = 70
0.5
CN = 60
0.4
CN = 50
0.3
0.2
0.1
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
kumulierter Niederschlag in einem Ereignis [mm]
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abflusskonzentration - Parallel-Speicherkaskaden
Abflusskonzentration kanalisierter Teilflächen (versiegelter Anteil)
hN
ß · hN
Aufteilungsverhältnis 
(1-ß) · hN
K1
K2
1.00
Langsame Kaskade
K1
0.85
K2
Schnelle Kaskade
K1
K2
30
A[ha]
QD
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Modellkonzept - abzubildende Prozesse
8
1. Verdunstung
7
2. Abflussbildung
1
1
3. Abflusskonzentration
8
4. Abflusstransformation
4
5. Abflussaufteilung und
Abflussspeicherung
2 3
8
6. Entlastung
2 3
7
4
6
5
7. Berechnung des
Trockenwetterabflusses und
der
Schmutzkonzentrationen
8. Spezielle Prozesse
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abflusskonzentration - Parallel-Speicherkaskaden
Abflusskonzentration unversiegelter Teilflächen
9
 h N,d
8
K1
7

K
1

L
/
I

3 . 00  K
2
10


1.0

0 . 02425



L
ln
I



(1- )h N,d
K2
1.6
K3
1 . 30
1.4
1
K1
6
K2
K3
3 . 2444
1.2
5
1
QD
4
0.8
0 .555

K
3
1

L /
I
L

 0 . 511
0 . 61
 ln
 0 . 355
0.6
I
L /
2
 
3 . 910

l /
1
I  10
I

Beta [-]
K [h]
1.8
h N,d
h N,u
0.4
 0 .10
0. 86
0.2
0
0
1
10
L/ I0.5
100
1000
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Modellkonzept - abzubildende Prozesse
8
1. Verdunstung
7
2. Abflussbildung
1
1
3. Abflusskonzentration
8
4. Abflusstransformation
4
5. Abflussaufteilung und
Abflussspeicherung
2 3
8
6. Entlastung
2 3
7
4
6
5
7. Berechnung des
Trockenwetterabflusses und
der
Schmutzkonzentrationen
8. Spezielle Prozesse
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Wellenablauf in Sammlern - Translation und
Retention
Laufzeitverschiebung
Translationseffekt
Q
Qzu
Scheiteldämpfung
(Retentionseffekt)
Qab
Berechnung nach
Kalinin-Miljukov mit
interner Abschätzung
der Modellparameter
Wellenverformung für Freispiegelabfluss
t
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Wellenablauf in Sammlern - Rückstauvolumen
• Voraussetzung: Korrekte Angabe der geometrischen Kenngrößen
Vsam
hu
Vsam
D
D
hu
Lsam>Lrück
Lsam<Lrück
Mögliche Systemzustände
in rückgestauten Sammlern
hu
Vsam
Vsam
Lsam=Lrück
hu
D
D
Lsam<Lrück
Die Berechnung des Rückstauvolumens wird beendet, sobald ein Sammler mit der Option
Fließzeitberechnung berechnet wird oder bei Erreichen der Schwellenhöhe des zugehörigen
Bauwerks. Das ermittelte Volumen wird dem Speichervolumen des Bauwerks zugerechnet.
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Wellenablauf in Sammlern - Rückstauvolumen
•
Wichtigste Unterschiede zwischen hydrodynamischen Verfahren und der
hydrologischen (vereinfachten) Berücksichtigung von Rückstau
hydrologische Verfahren sind immer volumen- nicht höhenbezogen d.h.
•
–
–
In den Berechnungsalgorithmen sind keine energetischen Gleichungen verankert
energetische Komponente des hydrodynamischen Gleichungssystems wird durch
Volumen/Abfluss-Beziehung ersetzt
• keine Berücksichtigung von Rückströmungen und Vermaschungen
• keine Übertragung von Druckwellen
• "reale" Spiegellinie wird durch Horizontale ersetzt
4
4
Vergleich von Smusi und HydMod
Vergleich von Smusi und HydMod
Entlastungswelle an Becken B10
Entlastungswelle an Becken B10 mit
automatisierter Rückstauberücksichtigung
3
3
Qkue Smusi Strd
QKue [cbm/s]
Qkue Smusi 4.0
Qkue HydMod
2
Entlastungsvolumen
Entlastungsvolumen
HydMod : 1937 cbm
HydMod : 1937 cbm
Smusi strd. : 5181 cbm
Smusi 4.0 : 2092 cbm
1
0
Qkue HydMod
2
1
0
10
20
30
40
50
Zeit [min]
60
70
80
90
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Zeit [min]
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Modellkonzept - abzubildende Prozesse
8
1. Verdunstung
7
2. Abflussbildung
1
1
3. Abflusskonzentration
8
4. Abflusstransformation
4
5. Abflussaufteilung und
Abflussspeicherung
2 3
8
6. Entlastung
2 3
7
4
6
5
7. Berechnung des
Trockenwetterabflusses und
der
Schmutzkonzentrationen
8. Spezielle Prozesse
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abflussaufteilung
Bauwerke (schematische Abbildung)
Verzweigung
Qzu
Regenüberlauf
Qab1
Qzu
Qkrit
Qent
Qab2
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abflussaufteilung - Berechnungsansätze (Näherung)
Q
QAuslass
Schwellenwertkonzept <=> Realität
Realität
QKrit
Näherung
QDrossel
t
Qab
gute Näherung
(Trennschärfe > 1)
Realität
QKrit
QKrit
Qab
grobe Näherung
(Trennschärfe = 1)
Definition der Trennschärfe
T = Qab(Qzu=5·Qkrit) / Qkrit
45°
5·QKrit
Qzu
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abflussaufteilung
Berechnungsansätze (interne Kennlinienermittlung)
Dsam
hü,o
ho
hü,m
hm
hü
Schematische Seitenansicht
eines Regenüberlaufs
hü,u
hu
Ddro
lü
Draufsicht
Einlauf oben
Auslauf unten
Breiteunten
Draufsicht und Querschnitte
eines Regenüberlaufs (Schema)
lü
DZulauf
Ddro
Breiteoben
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abflussaufteilung
Berechnungsschema interne Kennlinienberechnung
•
•
•
•
•
•
•
•
Vorgabe eines Wasserstands am Drosseleinlauf
Berechnung des Drosselabflusses
Berechnung der Energiehöhe am Drosseleinlauf
Schätzung des Wasserstands am Einlauf des Bauwerks
Berechnung des Überfallabflusses
Berechnung der Summe der Abflüsse ( = Gesamtzufluss)
Berechnung der Energiehöhe am Einlauf des Bauwerks
Überprüfung, ob beide Energiehöhen gleich sind
Die Berechnung wird entweder bei Erreichen der Maximalhöhe
abgebrochen, oder sobald am Zulaufquerschnitt schießende
Strömungsverhältnisse (FROUDE-Zahl > 1) festgestellt werden.
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abflussspeicherung - Berechnungsannahmen
Q
gespeichertes
Volumen
Schema der Näherungsberechnung
eines Durchlaufbeckens
BU
KU
KLA
Q
t
gespeichertes
Volumen
“Exakte” Berechnung
eines Durchlaufbeckens
BU
KU
KLA
t
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abflussspeicherung - Berechnungsschema
(Kennlinien)
h [m]
Qgr (h)
S (h)
Qbu (h)
h(t)
Qku (h)
Ermittlung der Abflusskenngrößen
eines Durchlaufbeckens zum
Zeitpunkt t anhand von Kennlinien
S (t)
3
S [m ]
Qbu(t) Qgr(t) Qku (t)
Q ab [l/s]
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abflussspeicherung - Berechnungsansätze (interne
Kennlinienermittlung)
Beckenüberlauf
Klärüberlauf
h_bue
h
h_kue
Sohlhöhe in müNN
Drossel
Annahmen zur Beckengeometrie und zur Anordnung der Drossel
A1
A2
A = f(h)
h
A3
Beckenquerschnitt als Funktion des Wasserstandes (bzw. der Höhe)
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abflussspeicherung
Berechnungsschema interne Kennlinienberechnung
•
•
•
•
•
•
Vorgabe eines Wasserstands am Drosseleinlauf
Berechnung des Drosselabflusses
Berechnung des Beckenspeichervolumens
Wasserstand > HKUE => Berechnung des Klärüberlaufs
Wasserstand > HBUE => Berechnung des Beckenüberlaufs
Ermittlung des Gesamtzuflusses (Summe der Abflüsse)
Die Berechnung wird bei Erreichen der maximalen Beckenhöhe beendet
- aus der Höhe / Querschnittsfläche Beziehung entnommen -
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Modellkonzept - abzubildende Prozesse
8
1. Verdunstung
7
2. Abflussbildung
1
1
3. Abflusskonzentration
8
4. Abflusstransformation
4
5. Abflussaufteilung und
Abflussspeicherung
2 3
8
6. Entlastung
2 3
7
4
6
5
7. Berechnung des
Trockenwetterabflusses und
der
Schmutzkonzentrationen
8. Spezielle Prozesse
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Vermischungsprozesse unterschiedlicher Abflüsse
Trockenwetterabfluss
40
Trockenwetterabfluss [l/s]
Schmutzfracht [g/s]
Trockenwetterkonzentration [mg/l]
800
400
600
20
300
200
0
250
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Zeit [h]
+
350
300
250
200
150
100
50
0
Mischwasserabfluss [l/s]
800
Schmutzfracht [g/s]
Mischwasserkonzentration [mg/l]
600
200
=
150
400
100
Regenwetterabfluss
350
300
250
200
150
100
50
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Zeit [h]
Regenwetterabfluss [l/s]
Schmutzfracht [g/s]
Regenwetterkonzentration [mg/l]
Mischwasserabfluss
350
400
200
50
0
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Zeit [h]
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Verschmutzungskenngrößen
Mittelwerte der Schmutzwasserabflusskonzentrationen
Stoff
mittlerer Konzentration
im Schmutzwasserabfluss
AFS
BSB5
CSB
TOC
NH4-N
PO4-P
400 mg/l
300 mg/l
600 mg/l
200 mg/l
22 mg/l
15 mg/l
NH4-N
PO4-P
6
6.5
Standardwerte der Stoffpotentiale
Stoff
AFS
BSB5
CSB
TOC
abspülbares Stoffpotential
in kg /haAred
770
60
600
200
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abschätzung des Abflussbeiwertes bei echten
Regenreihen
Abflußbeiwerte von versiegelten Flächen unterschiedlicher Neigungsklassen
bei Ansatz von echten Regenreihen
0.85
Essen/Steele, NG 1
Essen/Steele, NG 2
Essen/Steele NG 3/4
Frankfurt/M., NG 1
0.80
NG 3/4
Frankfurt/M. NG 2
Frankfurt/M., NG 3/4
NG 2
Abflußbeiwert [-]
0.75
NG 1
0.70
0.65
0.60
0.55
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Niederschlag [mm]
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Abschätzung des Abflussbeiwertes bei
repräsentativen Regenreihen
Abflußbeiwerte von versiegelten Flächen unterschiedlicher Neigungsklassen
bei Ansatz von repräsentativen Regenreihen
0.85
Neigungsklasse 1
Neigungsklasse 2
0.80
Neigungsklasse 3/4
Abflußbeiwert [-]
0.75
0.70
0.65
0.60
0.55
0.50
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Niederschlag [mm]
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Regenbelastung - Entlastungsvolumina echter und
übertragener Regenreihen
Vergleich der Entlastungsvolumina von übertragenen und echten Regenreihen
600
3
Entlastungsvolumen [m]
500
übertr. Regenreihen
Geisenheim, 3/4 a
Frankfurt, 3/4 a
Giessen, 3/4 a
Bad Hersfeld, 3/4 a
Essen, 3/4 a
400
300
200
100
0
300
400
500
600
700
800
900
Niederschlagshöhe [mm]
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Stofftransport im Sammler
14
12
10
8
6
4
2
0
Q-Trocken
Q-zu
Q-ab
0
2
4
6
8
10
12
14 16 18
Zeit [100s]
20
22
24
26
2000
28
30
C-zu
C-ab
SF-ab
SF-zu
1600
1200
800
Die zeitgerechte Überlagerung von
Trockenwetter- und Regenabfluss
führt zu erheblichen
Konzentrationsschwankungen
während des Wellenablaufs
400
0
0
2
4
6
8
10
12
14 16 18
Zeit [100s]
20
22
24
26
28
30
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Absetzverhalten der Schmutzstoffe AFS, CSB und
BSB (Absetzkurven nach Sierp)
100%
Absetzverhalten von AFS als f(t)
Absetzverhalten von BSB als f(t)
Absetzverhalten von CSB als f(t)
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
Aufenthaltszeit [h]
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Modellkonzept - abzubildende Prozesse
8
1. Verdunstung
7
2. Abflussbildung
1
1
3. Abflusskonzentration
8
4. Abflusstransformation
4
5. Abflussaufteilung und
Abflussspeicherung
2 3
8
6. Entlastung
2 3
7
4
6
5
7. Berechnung des
Trockenwetterabflusses und
der
Schmutzkonzentrationen
8. Spezielle Prozesse
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
WMB - Bodenfilter (vertikal durchströmt)
Niederschlag
aktuelle Verdunstung
BU
KU
Zulauf
Infiltration
vorgeschalteter
Speicher
Perkolation
Drainage
Pumpe
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
WMB - Bodenfeuchtesimulation
WP
GPV
FK
Infiltrationsfunktion
0.9
Perkolationsfunktion
0.8
akt/pot Verdunstung
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
akt/pot Verdunstung
Infiltrations-, bzw Perkolationsrate
1
0.2
0.1
0
WP
FK
Bodenfeuchtebereiche
GPV
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
WMB - Brauchwassernutzungsanlagen
Niederschlag Verdunstung
eff. Niederschlag
Niederschlag Verdunstung
Kanalzufluss
Hof-/Straßenfläche
Dachfläche
Trinkwasserzuspeisung
Überlauf
Brauchwasser
speicher
Option
Versickerung (ja/nein)
Entnahme / Verbrauch
Versickerung
Kanal
Kanalabfluss
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
WMB - Möglichkeiten zur Filtration
Prozesskombinationen
1
Rohabwasser
Filtration
Ablauf
2
mechan. biolog.
Reinigung
Filtration
3
chemische
Reinigung
Filtration
Advanced
Treatment
4
mechan. biolog.
Reinigung
chemische
Reinigung
Filtration
Zusammenstellung der Einsatzmöglichkeiten der Abwasserfiltration
(wegen anderer Wasserqualität nur bedingt auf die Mischwasserbehandlung übertragbar)
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
WMB - CSB-Wirkungsgrade von Fällung und
Flockung
100
90
80
70
70
60
72
70
72
71
70 %
65
57
55
48
50
50 %
48
40
30
20
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Veröffentlichte Forschungsprojekte
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
WMB - Reinigungsleistung von Abwasserteichen
Wirkungsgrad von Teichen als Funktion der Zulaufkonzentration
(aus einer Literaturstudie abgeleitete empirische Funktion)
100
max. Wirkungsgrad
0
c1
c2=2*c1
Czu [mg/l]
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
WMB - Definition des Verbesserungsfaktors bei
Ansatz eines Wirbelabscheiders
Grundüberlegung:
- Ein Wirbelabscheider (WA) ersetzt ein Fangbecken (FB) größeren Volumens
- In der Simulation muss die verbesserte Abscheidewirkung berücksichtigt werden
- Hierzu kann ein Verbesserungsfaktor errechnet werden, nachdem der Wirbelabscheider
ordnungsgemäß dimensioniert wurde und die Abscheidegrade des WA und des FB
bekannt sind
Faktor  1  (1  (
WA

FB
)) 
e
e
o, FB
o, WA
- Nach heutigem Stand des Wissens sollte ein WA nicht weniger als 50% des
vergleichbaren Volumens eines zu ersetzenden FB aufweisen
Dr.-Ing. Dirk Muschalla
Zusammenfassung: Theoretische Grundlagen
Niederschlags Abfluss Modellierung
Schmutzfrachtberechnung
Modellkonzept
Stoffakkumulation/Stoffabtrag
Verschiedene Phasen
Abflussbildung
Verdunstung, Oberflächenstruktur
Abflusskonzentration
Kanalisierte Flächen, Außengebiete
Wellenablauf
Phänomen, Berechnungsansätze
Drei-Komponenten-Methode
Stofftransport
Stoffaufteilung
Stoffspeicherung
Weitergehende Mischwasserbehandlung
Überlegungen zu verschiedenen
Verfahren
Aufteilung
Berechnungsansätze
Speicherung
Berechnungsansätze
Sonderbauwerke
Dr.-Ing. Dirk Muschalla