Modelowanie hybrydowe cieków otwartych w połączeniu z kanalizacją

Wyobraźmy sobie sytuację, w której mieszkańcy miasta, w przypadku występowania opadów, (szczególnie tych nawalnych), borykają się z problemem podtopień. Dlaczego tak się dzieje?

Miasto jest odwadniane za pomocą kanalizacji deszczowej oraz rowów otwartych. Nie są to jednak dwa niezależne systemy. Sieć kanalizacyjna oraz cieki naturalne i koryta rowów tworzą system naczyń połączonych. W normalnych warunkach woda odprowadzana jest systemem rur poprzez wyloty do odbiorników – cieków otwartych. Częstokroć w przypadku wysokich stanów wody w odbiorniku, wylot kanalizacyjny zostaje zatopiony, co uniemożliwia odprowadzenie wody z systemu, a nawet może powodować wlewanie się wody z odbiornika do kanalizacji, a kolejno na powierzchnię terenu. Takie zjawisko uniemożliwia pracę systemu odwodnieniowego w sposób poprawny i prowadzi do miejscowych podtopień.

Przedsiębiorstwa oraz samorządy, które odpowiadają za odprowadzanie wody deszczowej za pomocą systemu przedstawionego powyżej, są postawione przed bardzo wymagającym zadaniem. Szczególnie gdy zadawane są pytania z kategorii: co by było, gdyby w danym miejscu utworzyć zbiornik otwarty? Jaką pojemność musiałby mieć, aby pomieścił wodę z opadu o intensywności występującej statystycznie raz na sto/dziesięć lat lub jak powinniśmy zmodernizować istniejący system odwodnienia, aby wylot kanalizacji deszczowej nie był zatopiony?

Do sprawdzenia wariantów oraz przetestowania rozwiązań, które pozwolą odpowiedzieć na powyższe pytania oraz wiele innych związanych z branżą wodną, które przychodzą na myśl, możemy wykorzystać szereg aplikacji do modelowania hydrodynamicznego systemów kanalizacyjnych oraz rowów otwartych – np. MIKE+. Jednym z celów inżynierów, odpowiedzialnych za funkcjonalności aplikacji, jest zapewnienie możliwości tworzenia modeli hybrydowych tzn. łączących modele jednowymiarowe (1D) i dwuwymiarowe (2D). W tym przypadku, można połączyć model 1D kanalizacji i model rzeczny 1D, 2D bądź hybrydowy (1D-2D) sieci rzecznej z modelem 2D powierzchni terenu. Wykorzystując MIKE+ jesteśmy w stanie w obrębie jednej aplikacji stworzyć, edytować i analizować wyniki modelu łączącego w sobie elementy kanalizacji oraz obszary odwadniane za pomocą cieków otwartych.

Model 1D bazuje na obliczeniach hydrodynamicznych symulujących przepływ oraz poziom wody w sieci kanalizacyjnej. W przypadku sytuacji, w której w studzienkach kanalizacyjnych obliczony poziom wody przewyższa rzędną pokrywy, woda wypływająca na powierzchnię terenu zostaje zmagazynowana powyżej studzienki w wirtualnym zbiorniku o średnicy pomnożonej przez zdefiniowany w ustawieniach silnika obliczeniowego mnożnik. Woda, zgromadzona w wirtualnym zbiorniku, powraca do sieci, gdy tylko stan wody w sieci ulegnie zmniejszeniu. Dobrze obrazuje to poniższe wideo. 

Symulacja modelu 2D uwzględnia możliwość rozpływu wylanej wody ze studzienek po terenie. Przed rozpoczęciem obliczeń należy przygotować model odzwierciedlający ukształtowanie terenu, wskazanie różnych wartości szorstkości (np. za pomocą pliku shapefile lub pliku rastrowego) w zależności od rodzaju pokrycia terenu oraz wskazanie wartości infiltracji w zależności od posiadanych informacji na temat rodzaju wierzchniej warstwy profilu glebowego. Gdy woda znajdzie się na terenie odwzorowanym za pomocą modelu 2D, następują obliczenia przepływu, prędkości oraz stanu wody w każdej kolejnej komórce obliczeniowej. Schemat działania modelu 2D przedstawiono na filmiku poniżej

Do budowy modelu 1D kanalizacji deszczowej wymagane jest posiadanie danych topologicznych sieci, zawierających podstawowe informacje takie jak: rzędne dna oraz pokrywy studzienek, średnice oraz materiał przewodów, charakterystyka urządzeń występujących na modelowanej sieci. Do niego możemy “dołączyć” model hydrauliczny sieci rzecznej: 1D – zbudowany z wykorzystaniem przekrojów geodezyjnych lub 2D – wykorzystujący siatkę terenu, bądź łączący dwa powyższe – 1D – 2D. W modelu, w miejscu lokalizacji wylotów kanalizacji deszczowej ustawia się połączenie pomiędzy przewodem kanalizacyjnym (z modelu sieci kanalizacyjnej) i ciekiem otwartym (z modelu sieci rzecznej). Tak skonfigurowany model zapewni spójność obliczeń, a wyniki symulacji w pełni zaprezentują rzeczywiste oddziaływanie pomiędzy ciekiem, a kanalizacją deszczową, obrazując przy okazji miejsca potencjalnych podtopień.

Przykładowy widok interfejsu MIKE+ przedstawiający połączone modele 1D kanalizacji oraz rzeki

Oczywiście taki model może być uszczegółowiony za pomocą dostępnych struktur charakterystycznych dla modelu kanalizacji oraz rzeki. Do modelu możemy wstawić obiekty:

• dla sieci kanalizacyjnej: studzienki okrągłe, rozgałęzienia, zbiorniki retencyjne, studnie chłonne, przekroje standardowe oraz nietypowe, kryzy, zasuwy, klapy zwrotne, przelewy burzowe, pompy, zawory, regulatory przepływu, wpusty deszczowe, możliwość uwzględnienia w obliczeniach rozwiązań zielono – niebieskiej infrastruktury (jeziorka bioretencyjne, porowaty bruk, korytka filtracyjne, beczki deszczowe, niecki chłonne, ogrody deszczowe, zielone dachy)
• dla sieci rzecznej: przepusty, jazy, mosty, pompy, zastawki, zbiorniki

Ważnym elementem modelu 1D jest uwzględnienie modułu odpowiedzialnego za transformację opadu w odpływ (Rainfall Runoff). Moduł ten pozwala odzwierciedlić pracę zlewni hydrologicznych ciążących do modelu kanalizacji bądź cieku. Za pomocą danych opadowych oraz jednego z dostępnych modeli hydrologicznych możemy z łatwością obliczyć jaka ilość wody zasili nasz system kanalizacyjny. W MIKE+ dostępne modele hydrologiczne to:

• czas – obszar (A)
• fala kinematyczna (B)
• zbiornik liniowy (C1 i C2) 
• UHM 
• RDI

W obrębie jednego modelu możliwe jest wykorzystanie więcej niż jednego modelu hydrologicznego. Umożliwia to dostosowanie zlewni hydrologicznych do specyfikacji terenu, np. dla terenów miejskich, wysoko zurbanizowanych o znaczącym procencie uszczelnienia dobrym wyborem może się okazać model fali kinematycznej (B), który umożliwia zastosowanie w obliczeniach redukcji odpływu w postaci rozwiązań zielono – niebieskiej infrastruktury. Z kolei dla obszarów o wysokim stopniu pokrycia terenem przepuszczalnym lepszym wyborem może okazać się model RDI, który umożliwia symulację ciągłych i powolnych napływów w wyniku infiltracji np. wód gruntowych.  

Przykładowy profil podłużny uwzględniający sieć kanalizacyjną oraz fragment cieku otwartego

Powyżej przedstawiony został profil podłużny, na którym zobrazowano miejsce połączenia kanalizacji z odbiornikiem. Jak możemy zauważyć, obszar kanalizacji znajduje się poniżej wałów rzecznych, oznacza to, że przy wysokich stanach wody w modelowanym cieku możliwe jest zjawisko cofki do kanalizacji, co spowoduje miejscowe podtopienie. Taka sytuacja została przedstawiona na profilu poniżej. Niebieską linią oznaczony został maksymalny poziom wody w trakcie symulacji, uwzględniającej przejście fali w modelowanym cieku bez zasilenia kanalizacji opadem. Oznacza to, że wylanie się wody ze studzienek jest w pełni spowodowane wysokim stanem wody w odbiorniku.

Profil podłużny – napełnienie w kanałach bez klap zwrotnych

Dla sytuacji przedstawionej powyżej została przeprowadzona symulacja modelu zintegrowanego 1D i 2D, w celu analizy potencjalnej strefy zagrożenia powodzią. Teren został odzwierciedlony za pomocą siatki trójkątów, których każdy wierzchołek posiada wartość wysokości nad poziomem morza, interpolowaną na podstawie numerycznego modelu terenu pobranego z serwisu Geoportal. Poniżej przedstawiono zasięg modelu 2D. Kolorem czerwonym oznaczono studnie, w których rzędna zwierciadła wody jest większa niż rzędna terenu.

Przykładowy model 2D

Przygotowany model 2D został połączony z modelem 1D. W sytuacji, gdy rzędna zwierciadła wody w studzienkach kanalizacyjnych będzie większa niż rzędna terenu nastąpią obliczenia rozpływu wody po powierzchni terenu. Program, na podstawie rzędnych nad poziomem morza w każdym wierzchołku trójkąta oraz obliczonej ilości wody wypływającej na powierzchnię terenu, będzie obliczał przepływ wody na modelu 2D uwzględniając pełną hydrodynamikę. Wyniki symulacji 1D+2D zostały zamieszczono poniżej. Na mapie przedstawiono poziom wody na terenie oraz główne kierunki przepływu.

Przykładowa strefa zalewu spowodowana wysokim stanem wody w odbiorniku

W sytuacji, w której możliwe jest całkowite zatopienie wylotu, praktycznym rozwiązaniem jest zamontowanie klap zwrotnych. Klapa zwrotna pozwala w normalnych warunkach odprowadzać wody opadowe do cieku jednocześnie zapobiegając przelewaniu się wody z odbiornika do kanalizacji. Wyniki symulacji z uwzględnieniem klapy zwrotnej na wylocie przedstawiono poniżej. Maksymalny poziom wody oznaczony został niebieską linią.

Profil podłużny – napełnienie w kanałach z klapą zwrotną

Zintegrowany model 1D rzeki i kanalizacji może posłużyć do sprawdzania wpływu wysokich stanów wody w odbiorniku na pracę kanalizacji pod różnym obciążeniem. Możliwe jest także sprawdzenie wpływu intensywnych opadów odprowadzanych kanalizacją na stan wody w odbiorniku. Sprowadza się to do łączenia różnych prawdopodobieństw opadu w obrębie jednego modelu. W obszarze kanalizacji interesujące będą krótkie i intensywne opady przy różnych poziomach wody na wylocie. Z kolei na stan wody w rzece będą miały wpływ opady o długim czasie trwania z dodatkowym dopływem z kanalizacji. Dołączenie modelu terenu 2D do obliczeń wymienionych scenariuszy pozwoli wykonać mapy stref zalewu dla różnych warunków modelowych, ocenić stopień potencjalnych strat w czasie wystąpienia powodzi a także przewidzieć kroki zaradcze w celu minimalizowania skutków powodzi miejskich.

Aby uzyskać pełną zgodność wyników symulacji ze stanem rzeczywistym należy przeprowadzić kampanię pomiarową, która pozwoli zarejestrować rzeczywiste opady oraz zebrać dane hydrauliczne, tj.: napełnienie, przepływ oraz prędkość przepływu. Takie pomiary zostaną wykorzystane jako dane wsadowe do kalibracji modelu. Kampania pomiarowa zwykle trwa kilka miesięcy, najczęściej wybierane są miesiące wiosenne oraz letnie, kiedy istnieje największe prawdopodobieństwo wystąpienia ulewnych deszczy, które pozwalają sprawdzić działanie sieci pod dużym obciążeniem. Umiejscowienie punktów pomiarowych wybierane jest na podstawie przebiegu sieci, tak aby wyznaczyć kilka, kilkanaście lub kilkadziesiąt (w zależności od wielkości modelu) stref o podobnym zagospodarowaniu terenu. Podczas wyznaczania punktów pomiarowych ważne jest, aby w miarę możliwości w danej studzience występował przepływ laminarny, oznacza to, że unikane są studzienki lub komory w których dochodzi do połącznia wielu kolektorów lub znajduje się osad. Poniżej przedstawiono zdjęcia przedstawiające urządzenia pomiarowe zamontowane w studzience kanalizacyjnej.

Widok studni w trakcie montażu urządzeń pomiarowych. [PMEcology]

Widok zamontowanej sondy poziomu [PMEcology]

Radarowy czujnik poziomu napełnienia oraz prędkości przepływu [PMEcology]

Kalibracja jest procesem stanowiącym bardzo istotną część modelowania – niejednokrotnie bardzo skomplikowanym i obnażającym błędy czy też braki w danych topologicznych. Bez tego etapu jesteśmy w stanie opracować model hydrauliczny jednak wyniki symulacji niekoniecznie będą reprezentowały jego faktyczny stan oraz pracę systemu kanalizacyjnego.

Wykres porównujący przykładowe wartości pomierzone oraz wynik symulacji po procesie kalibracji – natężenie przepływu

Wykres prezentujący przykładowe wartości pomierzone oraz wynik symulacji po procesie kalibracji – poziom wody

Posiadając skalibrowany model zintegrowany, możliwe jest wykonanie symulacji dla różnych wariantów, koncepcji, analiz wpływu planowanych do wykonania na sieci urządzeń oraz obiektów hydrotechnicznych na pracę systemu.

Więcej o tym oraz wielu innych tematach związanych z modelowaniem znajdziecie Państwo na naszym blogu www.modelowaniesieci.pl