Ein probabilistisches Verfahren für die Bestimmung ablagerungskritischer Teilbereiche einer Mischkanalisation

Staufer, Philipp; Pinnekamp, Johannes

doi:3580

Ein probabilistisches Verfahren für die Bestimmung ablagerungskritischer Teilbereiche einer Mischkanalisation = A probabilistic approach for the identification of areas with risk of sedimentation in combined sewerages

Staufer, Philipp (Author)

2010 & 2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Philipp Staufer

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangXVI, 224, 13 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Prüfungsjahr: 2010. - Publikationsjahr: 2011

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Pinnekamp, Johannes (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-12-14

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-35804
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/64050/files/3580.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft und Siedlungsabfallwirtschaft und Institut für Siedlungswasserwirtschaft (314110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kanalisation (Genormte SW) ; Sedimenttransport (Genormte SW) ; Ablagerung (Genormte SW) ; Monte-Carlo-Simulation (Genormte SW) ; Schmutzfracht (Genormte SW) ; Sediment (Genormte SW) ; Technik (frei) ; Spülstoss (frei) ; Schwallspülverfahren (frei) ; Kanalreinigung (frei) ; Mischwasserbehandlung (frei) ; Sedimente (frei) ; first flush (frei) ; flush cleansing (frei) ; sewer cleaning (frei) ; combined sewer overflows (frei) ; sediments (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 600

Kurzfassung
Durch Regenabfluss remobilisierte Ablagerungen in der Mischkanalisation tragen signifikant zu den über Mischwasserentlastungen in Gewässer eingetragenen Frachten bei. Vor dem Hintergrund der demographischen Entwicklung in Deutschland und den Veränderungen der Niederschlagshäufigkeiten und –intensitäten durch den prognostizierten Klimawandel ist eine Verschärfung der negativen Folgen von Ablagerungen zu erwarten. Mit konstruktiven und betrieblichen Maßnahmen kann die in der Regel lokal begrenzte und zeitlich schwankende Ablagerungsbildung reduziert bzw. vermieden werden. Informationen über die Lage der Ablagerungen können durch Inaugenscheinnahme oder mathematischer Modellierung gewonnen werden. Beide Vorgehensweisen sind allerdings mit beträchtlichen Aufwendungen verbunden Gegen den Einsatz der deterministischen Stofftransportsimulation in der Mischkanalisation spricht, dass die zugrunde liegenden Modelle mit hohen Unsicherheiten behaftet sind. Um dennoch mit mathematischen Modellen die ablagerungskritischen Teilbereiche effizient erkennen zu können, bietet sich die hydrologisch-stochastische Stofftransportsimulation an. Sie verzichtet auf einen eindeutigen durch Kalibrierung gewonnen Parametersatz für das Stofftransportmodell und variiert die Parameter stattdessen bei der Durchführung einer Vielzahl von Berechnungsläufen. Ziel der durchgeführten Untersuchungen war es, mit der Entwicklung einer systematischen Vorgehensweise (1) den Umfang der Ablagerungsbildung in der Mischkanalisation, der die Schmutzfrachtdynamik beeinflusst, abzubilden und (2) die ablagerungskritischen Teilbereiche eines Mischwassernetzes zu identifizieren.Durch Felduntersuchungen in einer Mischwasserkanalisation wurden leicht erodierbarer Sedimente als der wesentliche stoffliche Prozess identifiziert, der die Variation in der Schmutzfrachtdynamik verursacht. Aus den Erkenntnissen der Felduntersuchungen wurde ein hydrologisch-stochastisches Stofftransportmodell erstellt. Das gegliederte Modell betrachtet ein Gesamtnetz einschließlich der kleinen Durchmesserklassen (kleiner-gleich DN 300), die fast 50% der Gesamtlänge des Mischwassernetzes ausmachen, konzeptionell ab. Aus den mathematischen Untersuchungen zur Ablagerungsbildung, deren Ergebnisse der Situation einer realen Mischkanalisation gegenübergestellt wurden, konnten folgende Erkenntnisse gewonnen werden: (1) Der berechnete Umfang der ablagerungskritischen Teilbereiche in Summe von 2.998 m Länge stimmt gut mit dem durch Inspektionen ermitteltem Wert von 3.121 m überein. (2) Die Modellbeschreibung des Eintrags und der Stofftransportprozesse von groben organischen Sedimenten konnte die beobachteten realen Ablagerungsverhältnisse in den Anfangssträngen zutreffend abbilden. Damit ist die Bewertung der Auswirkungen intermittierender Abflüsse und des Rückganges des Schmutzwasseranfalls, die insbesondere Abschnitte mit geringen Fließtiefen betreffen, auf die Ablagerungsbildung erfolgreich.

Sediments in combined systems (CS) significantly increase loads emitting via combined sewer overflows. In future prognosticated changes in the storm water characteristics, decreasing popu-lation or water conservation will probably worsen these effects. Various actions can prevent the formation of large quantities of sediments whose amounts change considerably over time and space within the sewer. Information about the whereabouts of deposit can be obtained by visual inspection or mathematical modeling. Both approaches require large efforts. Furthermore, presently available deterministic sewer-quality models with sediment transport were found to be over-parameterized and inherit large uncertainties. Mathematical models as the semi-stochastic sediment transport model are still able to efficiently identify areas with risk of sedimentation. This category of models does not use a single parameter set obtained from calibrating the quality model but varies these parameters instead stochastically within a Monte-Carlo Simulation. The investigation aimed (1) to model the amount of mobile sediments that effect the load distribution during wet weather flow and (2) to quantify the areas with risk of sedimentation within a combined sewerage.A detailed field study showed that readily erodible sediments are most important pollutant based process affecting the load distribution during wet weather flow. Based on this finding, a structured hydrological-stochastic sewer quality model was developed. The simplified conceptual model represents the whole sewer system including the pipes with small cross-sections (less than or equal to DN 300) because in small CS the corresponding part amounts to more than 50% of the total length. The simulations’ results were compared against field data. The results demonstrate validity of the approach. The investigation showed in particular:(1) The simulated total length of sewers with risk of sedimentation of 2’998 m agrees well with monitoring data of 3’121 m.(2) The submodel referring to the transport of gross solids effectively reproduce the deposit observed in reaches with intermittent flow. This allows for evaluation scenarios and management strategies that deal with demographic change or water conservation.

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