13. GÖTTINGER ABWASSERTAGE Aus der Praxis Für die Praxis

Transkript

1 WASSER / ABWASSER / INFRASTRUKTUR 13. GÖTTINGER ABWASSERTAGE Aus der Praxis Für die Praxis Rosdorf Götzenbreite 7 Tel Heiligenstadt Petristraße 9 Tel Alsfeld Alicestraße 44 Tel

2 EINSPARPOTENZIALE DURCH DEN EINSATZ REALISTISCHER BERECHNUNGSMETHODEN 1 EINFLUSS DER HYDRAULIK AUF SANIERUNGSMAßNAHMEN 2 MÖGLICHKEITEN UND GRENZEN DER LANGZEITSERIENSIMULATION 3 UMBAU VON SCHÄCHTEN ALS SANIERUNGSVARIANTE

3 EINFLUSS DER HYDRAULIK AUF SANIERUNGSMAßNAHMEN

4 1 EINFLUSS DER HYDRAULIK AUF SANIERUNGSMAßNAHMEN Nachweisgröße der Kanalnetzberechnung nach DWA-A 118 Das DWA-Arbeitsblatt 118 empfiehlt für den rechnerischem Nachweis von Entwässerungssystemen die Verwendung der Überstauhäufigkeit als Zielgröße. Überlastung: Wasserstand > Rohrscheitel, Abfluss unter Druck Einstau: Wasserstand zwischen Rohrscheitel und GOK Überstau: Wasserstand auf bzw. über GOK Überflutung: auftretende Schäden bzw. Funktionsstörungen infolge Überstau

5 1 EINFLUSS DER HYDRAULIK AUF SANIERUNGSMAßNAHMEN Empfohlene Überstauhäufigkeiten bei Neuplanungen bzw. nach Sanierung gemäß DWA-A 118: Ort Häufigkeit des Bemessungsregens Überflutungshäufigkeit Überstauhäufigkeit Ländliche Gebiete 1 in 1 a 1 in 10 a 1 in 2 a Wohngebiete 1 in 2 a 1 in 20 a 1 in 3 a Stadtzentren, Industrieund Gewerbegebiete 1 in 5 a (ohne Überflutungsprüfung) 1 in 30 a seltener als 1 in 5 a Unterführungen, unterirdische Verkehrsanlagen 1 in 10 a 1 in 50 a seltener als 1 in 10 a

6 1 EINFLUSS DER HYDRAULIK AUF SANIERUNGSMAßNAHMEN Methoden der Kanalnetzberechnung Im wesentlichen unterscheiden sich die Methoden zur Kanalnetzberechnung bei der Berechnung des Abflusses im Kanal Konventionelle Methoden zur Kanalnetzberechnung (Zeitbeiwertverfahren, Flutplanverfahren). Nach DWA-A110 nur zur Dimensionierung (Qvoll > Qmax) verwenden. Nicht als Nachweis! Hydrologische Abflussmodelle (i.d.r. Bemessung und Nachweis von Regenrückhalteanlagen) Hydrodynamische Kanalnetzberechnung Nachweis der Überstauhäufigkeit kann ausschließlich hydrodynamisch erfolgen.

7 1 EINFLUSS DER HYDRAULIK AUF SANIERUNGSMAßNAHMEN Methoden der Kanalnetzberechnung Empfehlungen für den Nachweis der Überstauhäufigkeit: Fließzeitverfahren Hydrologische Verfahren Hydrodynamische Verfahren Blockregen nicht empfohlen Modellregen nicht empfohlen empfohlen Modellregengruppe nicht empfohlen empfohlen Starkregenserie nicht empfohlen empfohlen

8 1 EINFLUSS DER HYDRAULIK AUF SANIERUNGSMAßNAHMEN Hydrodynamische Kanalnetzberechnung Welche Möglichkeiten bietet die Hydrodynamische Kanalnetzberechnung dem Anwender? Druckabfluss simulieren! Wassermengenaufteilung berechnen! Einstau und Rückstau der Kanäle berücksichtigen! Sonderbauwerke berechnen (z.b. Regenüberlauf, Düker, Abflussdrossel)! = realistische Simulation des Abflussverhaltens im Kanalnetz

9 1 EINFLUSS DER HYDRAULIK AUF SANIERUNGSMAßNAHMEN Hydrodynamische Kanalsanierung zur Kostenoptimierung Netzverknüpfung und rückwärtige Entlastung Neubau Haltung DN 300

10 1 EINFLUSS DER HYDRAULIK AUF SANIERUNGSMAßNAHMEN Hydrodynamische Kanalsanierung zur Kostenoptimierung Abflusssteuerung durch Schwellen und einfache Drosseleinrichtungen Einbau Drossel DN 200 Einbau Schwelle Höhe 168,00 mnn

11 1 EINFLUSS DER HYDRAULIK AUF SANIERUNGSMAßNAHMEN Hydrodynamische Kanalsanierung zur Kostenoptimierung Abflussdämpfung Neubau Stauraumkanal DN 1000

12 1 EINFLUSS DER HYDRAULIK AUF SANIERUNGSMAßNAHMEN Hydrodynamische Kanalsanierung zur Kostenoptimierung Regenrückhaltung RRB Nonnenstieg: Reduzierung der Drosselleistung

13 1 EINFLUSS DER HYDRAULIK AUF SANIERUNGSMAßNAHMEN STANDARDVERFAHREN Generalentwässerungsplan zur hydraulischen Sanierung Überprüfung der Leistungsfähigkeit bei geschlossener Sanierung Querschnittsreduzierung bei Inlinerverfahren Problemfall: Wie dimensioniere ich meinen Schmutzwasserkanal bei hydraulischer Belastung durch Fremdwasser in gewachsenen Systemen mit großen Durchmessern?... während der Umstellung von Misch- auf Trennsystem?

14 1 EINFLUSS DER HYDRAULIK AUF SANIERUNGSMAßNAHMEN... so groß wie nötig, um bis zur endgültigen Fremdwasserbeseitigung einen schadlosen Abfluss zu gewährleisten (Baukosten)... so klein wie möglich, um nach der Fremdwasserbeseitigung eine ausreichende Schleppspannung gegen Geruchsbelastung zu gewährleisten

15 1 EINFLUSS DER HYDRAULIK AUF SANIERUNGSMAßNAHMEN Innenstadtsanierung Göttingen im Rahmen des Ausbaus der Fußgängerzone

16 1 EINFLUSS DER HYDRAULIK AUF SANIERUNGSMAßNAHMEN Aufgabenstellung: Rechnerischer Trockenwetterabfluss Q T gemäß GEP Ermittlung der Fremdwassermenge Rückschluss auf RW-Fehlanschlüsse (A red undurchlässiger Flächenanteil) Ermittlung des erforderlichen Schmutzwasserquerschnitts mit A red und einem Bemessungsregen n = 0,2 Reduzierung des Querschnitts durch Netzverknüpfungen

17 1 EINFLUSS DER HYDRAULIK AUF SANIERUNGSMAßNAHMEN Durchflussmesskampagne mit Regenschreiberaufzeichnung Ausgrenzung Anteil infiltriertes Grundwasser

18 1 EINFLUSS DER HYDRAULIK AUF SANIERUNGSMAßNAHMEN Ergebnis der Durchflussmessung Anlage 1-1: Abfluss MP A vom (44.KW) , Regen Abfluss Qf = 3 l/s 1 0,8 Regen [mm] 20 0,6 15 0, , :00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 Zeit Fremdwasseranteil = 3,0 l/s Grundlast 0,08 l/(s ha)

19 1 EINFLUSS DER HYDRAULIK AUF SANIERUNGSMAßNAHMEN Ermittlung der fehlangeschlossenen Regenwassermenge Q Fehl Eingangswerte: Schmutzwasserabfluss Q S aus dem GEP m³/d Fremdwasserabfluss Q F aus der Messreihe m³/d Regenwasserabfluss Q R aus der Messreihe m³/d Volumenbilanzierung Q Fehl Q Fehl = Q R (Q S + Q F ) Q Fehl = m³/d (457 m³/d m³/d) = 329 m³/d

20 1 EINFLUSS DER HYDRAULIK AUF SANIERUNGSMAßNAHMEN Ermittlung der fehlangeschlossenen Flächen A red Anhand der gemessenen Regenreihen wurde mit einer iterativen hydrodynamischen Kanalnetzberechnung dem Einzugsgebiet A E = 37,6 ha ein so großer befestigter Flächenanteil zugeordnet, der im Simulationszeitraum ein Abflussvolumen von Q Fehl = 329 m³/d erzeugt. Ergebnis: A red = 2,86 ha fehlangeschlossener Fläche ~ 7,6 % von A E

21 1 EINFLUSS DER HYDRAULIK AUF SANIERUNGSMAßNAHMEN Netzverknüpfung Variante 1 DA 630 DA 560 DA 450 Bereich Jüdenstraße DN / DA 450 bis 630 PE 80

22 1 EINFLUSS DER HYDRAULIK AUF SANIERUNGSMAßNAHMEN Netzverknüpfung Variante 2 DA 560 DA 450 DA 355 Bereich Jüdenstraße DN / DA 355 bis 560 PE 80

23 1 EINFLUSS DER HYDRAULIK AUF SANIERUNGSMAßNAHMEN Fazit: Ohne Hydrodynamische Kanalnetzberechnung des Entwässerungssystems keine kostenoptimierte Sanierungsplanung möglich! Fortschreibung des GEP wichtig!

24 MÖGLICHKEITEN UND GRENZEN DER LANGZEITSERIENSIMULATION

25 2 MÖGLICHKEITEN UND GRENZEN DER LANGZEITSERIENSIMULATION Niederschlagsbelastungen in der Kanalnetzberechnung Statistisch abgeleitet: Regenspendelinie und Blockregen Regen konstanter Intensität während der Regendauer aus KOSTRA-Daten Einzelmodellregen Intensitätsvariabler Regen, Modellregen nach Euler Typ 2 aus KOSTRA-Daten erstellt Modellregengruppen Modellregen unterschiedlicher Dauer (sowohl kurze Starkregen, als auch lang andauernde Regen) aus örtlichen gemessenen Niederschlägen erstellt, KOSTRA-Daten sind nicht geeignet.

26 2 MÖGLICHKEITEN UND GRENZEN DER LANGZEITSERIENSIMULATION Modellregen nach Euler Typ 2 Grundlage: KOSTRA-DWD Station Göttingen: D = 120 min T = 3 Jahre hn = 30,5 mm

27 2 MÖGLICHKEITEN UND GRENZEN DER LANGZEITSERIENSIMULATION Modellregen nach Euler Typ 2 Nachweis der Überstauhäufigkeit möglich! (DWA-A 118) Kanalnetz wird mit Modellregen unterschiedlicher Häufigkeit durchgerechnet. An jedem einzelnen Schacht wird geprüft, ob es bei der jeweiligen Häufigkeit zu einem Überstau kommt. Vorgehensweise zur Ermittlung der Überstauhäufigkeit bei Ansatz eines Modellregens

28 2 MÖGLICHKEITEN UND GRENZEN DER LANGZEITSERIENSIMULATION Starkregenserie Ermittelt aus ortsbezogenen Regenereignissen mit tatsächlich auftretender Dauer und zeitlichem Verlauf. Empfohlene Richtwerte der Mindestdauer von Regenaufzeichnungen Überstaufähigkeit Mindestdauer der Registrierungen 1-2 in 2 a 1 in 3 a 1 in 5 a 1 in 10 a 10 a 15 a 20 a 30 a

29 2 MÖGLICHKEITEN UND GRENZEN DER LANGZEITSERIENSIMULATION Starkregenserie für Göttingen Grundlage: 44-jährige Niederschlagsreihe des DWD von und von Auswahlkriterien: - Regenpause = 19 Stunden (Entleerungszeit der RRB) - Regenhöhe = > 0,1mm in 5min - Regenhäufigkeit n < 0,5 176 Regenereignisse maßgebend!

30 2 MÖGLICHKEITEN UND GRENZEN DER LANGZEITSERIENSIMULATION Starkregenserie Nachweis der Überstauhäufigkeit mittels Langzeitseriensimulation Schacht Anzahl Überstau Nutzungskategorie Überstauhäufigkeit Überstauhäufigkeit DWA-A / 44 = 0,61 Wohngebiet 0, / 44 = 0,18 Stadtzentrum 0, / 44 = 0,32 Wohngebiet 0, / 44 = 0,27 Industriegebiet 0, / 44 = 0,45 ländlich 0, / 44 = 0,05 Unterführung 0, / 44 = 0,34 Wohngebiet 0,33

31 2 MÖGLICHKEITEN UND GRENZEN DER LANGZEITSERIENSIMULATION Einsparpotenzial durch die Langzeitseriensimulation Fallbeispiel GEP Göttingen-Süd (RW-Kanalisation): Gesamtgebietsgröße = 400 ha, davon 44% befestigt Berechnungsnetz umfasst 1733 Knoten und Haltungen (62,7km) in DN 200 bis DN 1600 einschl. Ei, Maul, Rechteckprofile Flächennutzung besteht zum Großteil aus Wohnbebauung, öffentlichen und universitären Einrichtungen Entwässerung in den Vorfluter Leine das Berechnungsnetz enthält drei Regenrückhaltebecken (Sandersbeek, Eberbach, Am Kirschberge) Außengebiete mit einer Größe von 170 ha entwässern in die RW - Kanalisation

32 2 MÖGLICHKEITEN UND GRENZEN DER LANGZEITSERIENSIMULATION Einsparpotenzial durch die Langzeitseriensimulation Fallbeispiel GEP Göttingen-Süd (RW-Kanalisation): - Auswertung der Berechnung Belastungsbildung Modellregen nach Euler Typ 2, D = 2h, n = 0,33 Starkregenserie, Langzeitseriensimulation nü 0,33 Anzahl überstauter Schächte

33 2 MÖGLICHKEITEN UND GRENZEN DER LANGZEITSERIENSIMULATION Einsparpotenzial durch die Langzeitseriensimulation Fallbeispiel GEP Göttingen-Süd (RW-Kanalisation): - Erforderliche Hydraulische Querschnittsvergrößerung (m) Belastungsbildung Modellregen nach Euler Typ 2, D = 2h, n = 0,33 Starkregenserie, Langzeitseriensimulation nü 0,33 Haltungslängen m m

34 2 MÖGLICHKEITEN UND GRENZEN DER LANGZEITSERIENSIMULATION Einsparpotenzial durch die Langzeitseriensimulation Fallbeispiel GEP Göttingen-Süd (RW-Kanalisation): Hydraulische Sanierungskosten in, brutto - erforderliche Querschnitte DN300 DN800 - mittlerer Trassenmeterpreis brutto 900,00 /m Belastungsbildung Modellregen nach Euler Typ 2, D = 2h, n = 0,33 Starkregenserie, Langzeitseriensimulation nü 0,33 Sanierungskosten , ,00

35 2 MÖGLICHKEITEN UND GRENZEN DER LANGZEITSERIENSIMULATION Wahl der Niederschlagsbelastung Modellregen nach Euler Typ 2: - Berechnungszeit = 10 min - Vorbemessung von Sanierungsvarianten, um schnell ein Ergebnis zu erhalten - Angabe von Wassermengen (Qmax/Qvoll) Starkregenserie: - Berechnungszeit = 2,5 Tage - Nachweis der Überstauhäufigkeit an jedem Schacht als Endergebnis - keine Ergebnisse bezüglich Wassermengen

36 2 MÖGLICHKEITEN UND GRENZEN DER LANGZEITSERIENSIMULATION Fazit: Kostenoptimierte Sanierungsplanung ohne Starkregenserie / Langzeitseriensimulation nicht möglich! Fortschreibung der Starkregenserie mit den neuen Niederschlagsjahren! Investition = 440 je Niederschlagsjahr

37 UMBAU VON SCHÄCHTEN ALS SANIERUNGSVARIANTE

38 3 UMBAU VON SCHÄCHTEN ALS SANIERUNGSVARIANTE Individualkonzept nach DWA-A 110 Pauschalkonzept (DWA-A 110) Individualkonzept Pauschalkonzept: Pauschaler Ansatz der betrieblichen Rauhigkeit k b zur gemeinsamen Berücksichtigung der kontinuierlichen Verluste h V,K (Wandreibung K und Viskosität des Wassers ν) und der lokalen Verluste h V,L einer Haltung. Individualkonzept: Getrennte Berücksichtigung der kontinuierlichen Verluste h V,K und die detaillierte Berücksichtigung aller lokalen Verluste h V,L im Einzelfall.

39 3 ALS Beachte: UMBAU VON SCHÄCHTEN SANIERUNGSVARIANTE Gemäß DWA-A 110 ist zur (Vor-) Dimensionierung neuer Kanalnetze die Berechnung nach dem Pauschalkonzept noch anzuwenden, ABER für den Nachweis der Überstauhäufigkeit von Abwassernetzen ist das Individualkonzept anzuwenden.

40 3 UMBAU VON SCHÄCHTEN ALS SANIERUNGSVARIANTE Pauschalkonzept: Berücksichtigte Verlustbeiwerte bei der betrieblichen Rauheit k b : Wandrauheit k Lageungenauigkeit und -änderung (ζ ΔL ) Rohrverbindungen (ζ RV ) Zulauf- und Formstücke (ζ Z ) Lokale Verluste Schachtbauwerke (ζ SCH ) Der Pauschalansatz für k b beinhaltet die genannten Einflussgrößen für typische Fälle von Kanalstrecken und Netzstrukturen ohne detaillierte getrennte Berechnung.

41 3 UMBAU VON SCHÄCHTEN ALS SANIERUNGSVARIANTE Beispiele für den Ansatz betrieblicher Rauheiten K b nach dem Pauschalkonzept: Größenordnungen (Pauschalwerte für Kanäle mit Sonderschächten, DWA-A 110, Tab. 4): - k b = 0,25 mm Druckrohrleitungen, Drosselstrecken, Reliningstrecken ohne Schächte - k b = 0,75 mm Transportkanäle - k b = 1,50 mm Sammelkanäle Unabhängig vom Rohrmaterial und den tatsächlichen lokalen Verlusten!

42 3 UMBAU VON SCHÄCHTEN ALS SANIERUNGSVARIANTE Einfluss der betrieblichen Rauheit k b auf die Abflussleistung von Kanälen: Beispiel für DN 250

43 3 UMBAU VON SCHÄCHTEN ALS SANIERUNGSVARIANTE Individualkonzept: Detaillierte getrennte Berücksichtigung der lokalen Verlustbeiwerte ζ : Wandrauheit k Lageungenauigkeit und -änderung (ζ ΔL ) Rohrverbindungen (ζ RV ) Zulauf- und Formstücke (ζ Z ) Regelschächte (ζ RSCH ) Sonderschächte (ζ SSCH ) } Schachtabwinklung, Abflusssituation Verlustbeiwerte nach Tabellen des DWA-A 110 Ermittlung je Einzelstelle

44 3 UMBAU VON SCHÄCHTEN ALS SANIERUNGSVARIANTE Individualkonzept: Schachtdefinition Sonderschacht: Schachtberme bis Kämpferhöhe Regelschacht: Schachtberme bis Scheitelhöhe Verwirbelung Abflussverluste Verwirbelung Abflussverluste

45 3 UMBAU VON SCHÄCHTEN ALS SANIERUNGSVARIANTE Der hydraulische Regelschacht in der Kanalnetzberechnung Q voll am Beispiel von drei Haltungen: k b =1,5mm: 164 l/s Sonderschacht: 184 l/s Regelschacht: 202 l/s k b =1,5mm: 94 l/s Sonderschacht: 98 l/s Regelschacht: 111 l/s k b =1,5mm: 145 l/s Sonderschacht: 98 l/s Regelschacht: 131 l/s

46 3 UMBAU VON SCHÄCHTEN ALS SANIERUNGSVARIANTE Mindestanforderung von Eingabedaten zur Berücksichtigung der lokalen Verlustbeiwerte (ζ): Kanalleitungen und eingebaute Inliner mit Angabe des genauen Innendurchmessers, z.b. STZ Ai PHGF DN 242 Einzelrohrlänge im Bestand mit 2,0 m einheitlich festlegen (ζ RV ) Anzahl der Hausanschlüsse haltungsweise ermitteln (ζ Z ) ( TV-Befahrung ) Den Querschnitt der Abflussleitungen einheitlich auf DN 150 festlegen (ζ Z ) Regel- und Sonderschächte sowie Abflusssituationen je Schacht ermitteln (ζ RSCH / ζ SSCH )

47 3 UMBAU VON SCHÄCHTEN ALS SANIERUNGSVARIANTE Vergleich von 2 Berechnungsmethoden Belastungsbildung Modellregen Euler Typ 2 Abflusstransformation Pauschalkonzept (k b = 1,5 mm) Starkregenserie (LZS) Individualkonzept Lastfall: Hydraulischer Nachweis der Überstauhäufigkeit

48 3 UMBAU VON SCHÄCHTEN ALS SANIERUNGSVARIANTE Einsparpotenzial durch den Umbau von Schächten Fallbeispiel GEP Göttingen-Süd (RW-Kanalisation): Erforderliche Hydraulische Querschnittsvergrößerung (m) Belastungsbildung Modellregen nach Euler Typ 2, D = 2h, n = 0,33 Starkregenserie Langzeitseriensimulation (nü < 0,33) Pauschalkonzept 7.290m 4.080m Individualkonzept Umbau zum Regelschacht 3.090m

49 3 UMBAU VON SCHÄCHTEN ALS SANIERUNGSVARIANTE Einsparpotenzial durch den Umbau von Schächten Fallbeispiel GEP Göttingen-Süd (RW-Kanalisation): Hydraulische Sanierungskosten in, brutto - erforderliche Querschnitte DN300 DN800 - mittlerer Trassenmeterpreis brutto 900,00 /m Belastungsbildung Modellregen nach Euler Typ 2, D = 2h, n = 0,33 Starkregenserie Langzeitsimulation (nü= < 0,33) Pauschalkonzept , ,00 Individualkonzept Umbau zum Regelschacht ,00

50 3 UMBAU VON SCHÄCHTEN ALS SANIERUNGSVARIANTE Sanierungsmaßnahme Schachtumbau Schacht R466 Kostenvergleich: - Schachtumbau = 4.500,00 brutto - Kanalneubau (DN1500, L = 60m) = ,00 brutto

51 3 UMBAU VON SCHÄCHTEN ALS SANIERUNGSVARIANTE Sanierungsmaßnahme Schachtumbau Schacht N368.5 Kostenvergleich: - Schachtumbau = 1.200,00 brutto - Kanalneubau (DN1200, L = 20m) = ,00 brutto

52 3 UMBAU VON SCHÄCHTEN ALS SANIERUNGSVARIANTE Fazit: Rückbau von Schächten anstreben, kurze Haltungen vermeiden! Der Umbau von Schächten wird vorab als Sanierungsvariante geprüft! Alle neu zu erstellenden RW-Schächte werden als hydraulische Regelschächte ausgebildet! Bestandsaufnahme der Schächte mit anschließender hydraulischer Bewertung!

53 WASSER / ABWASSER / INFRASTRUKTUR VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT! Rosdorf Götzenbreite 7 Tel Heiligenstadt Petristraße 9 Tel Alsfeld Alicestraße 44 Tel