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Stefan Trülzsch; Lars Marschke
Hydraulische Berechnung
eines Kanalnetzes
Teil 2: Simulation von Ableitungsprozessen und Vergleich
der lizenzfreien Software SWMM mit der deutschen
Referenzsoftware HYSTEM-EXTRAN.
Bild 1 Modifiziertes Ausgangsnetz /6/
A
bwasserableitungssysteme sind stark
von klimatischen und demografischen
Wandlungsprozessen betroffen. Hierdurch
nehmen u. a. die Probleme infolge der Bildung von Ablagerungen im Trockenwetterfall und der Netzüberlastung im Regenwetterfall weiter zu. Durch den Einsatz von
Berechnungsprogrammen lassen sich entsprechende Auswirkungen auf die Netzsysteme simulieren und auswerten. Im Folgenden soll überprüft werden, ob die lizenzfreie
Software SWMM hierzu geeignet ist. Anhand eines Vergleichs mit der deutschen Referenzsoftware HYSTEM-EXTRAN soll
die Anwendbarkeit untersucht werden. Eine
Beispielanwendung auf einen Teil des
Dresdner Kanalnetzes soll abschließend die
Vergleichbarkeit der Berechnungsergebnisse überprüfen.
Berechnungsgrundlagen
Als Grundlage für die Betrachtung der Softwareprodukte werden im ersten Schritt die
allgemeinen Arbeitsschritte bei der Berechnung von Abwassernetzen dargestellt. Des
Weiteren sollen die Randbedingungen für
den Softwarevergleich geklärt werden.
1. Erstellung des digitalen Kanalnetzmodells: Für den Fall, dass bisher kein digitales
Kanalnetzmodell, z. B. in Form eines Kanalinformationssystems (KIS) /1/, vorhanden ist, müssen zunächst die erforderlichen
Bestandsdaten erfasst werden. Auf Grundlage der vorhandenen Netzelemente (Haltungen, Regel- und Sonderbauwerke), Teileinzugsgebiete (Flächen, Abflussparameter
usw.), Belastungsdaten (Abwasseranfall)
und der zugehörigen Lage- und Höhenangaben kann mithilfe einer geeigneten Hydrauliksoftware ein entsprechendes Netzsystem
entwickelt werden. Es ist zu beachten, dass
für die bei der Beispielbetrachtung folgenden Netzberechnungen nur ein vereinfachtes
Grobnetz (nur öffentliche Kanäle, vereinfachte Netzstruktur) genutzt wird.
2. Kalibrierung des digitalen Rohrnetzmodells /2, 3, 4/: Mithilfe der Kalibrierung
kann sichergestellt werden, dass das hydraulische Verhalten des digitalen Netzmodells
in etwa den örtlich vorliegenden Verhältnissen entspricht und demnach für die jeweilige
Problemstellung anwendbar ist. Zunächst ist
das angesetzte Niederschlags-Abfluss-Modell auf Plausibilität zu prüfen, z. B. hinsichtlich Regenbelastung sowie Verlust- und
Abflussansätzen. Des Weiteren werden für
Trocken- und Regenwetterbelastungen an
verschiedenen Stellen des Netzes Abflussmessungen vorgenommen. Hierdurch kann
u. a. ein Basisabfluss (infolge Fremdwasser)
bestimmt werden. Zudem können damit die
realen Gesamtabflüsse für verschiedene
Ereignisse ermittelt und anhand der Netzsimulation nachgerechnet und analysiert werden. Das Netzmodell wird nachfolgend so
lange korrigiert (z. B. hinsichtlich der Rauheit k2) bis sich eine weitgehende Übereinstimmung mit den Messwerten ergibt. Es ist
zu bemerken, dass bei der vorliegenden Beispielbetrachtung keine Netzkalibrierung
vorgenommen wurde, da dies hinsichtlich
des Vergleichs der Berechnungsergebnisse
der Softwareprodukte irrelevant ist.
3. Netzberechnungen: Im nächsten Schritt
kann die Simulation verschiedener Abflussereignisse erfolgen. Hierbei ist zu unterscheiden, ob ein bestehendes Netz berechnet
werden soll, bei dem insbesondere die Kapazitätsreserven von Bedeutung sind oder
ob ein neues Netz zu planen ist. Die Neudimensionierung kleinerer Netze erfolgt bei
der konventionellen „Handrechnung“ mittels hydrologischer Methoden, im Regelfall
mit dem Zeitbeiwertverfahren. Dieser Ansatz wird ebenso zur Vordimensionierung
von Kanalnetzen genutzt. Für größere bzw.
komplexe Netze ist zudem eine Überprüfung des Systems hinsichtlich Überlastungserscheinungen (Einstau, Überstau) erforderlich. Dies wird im Regelfall durch den Ansatz hydrologischer Abflussmodelle (meist
Bild 2 Umsetzung Beispielgebiet in SWMM
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hydrodynamische Methoden) überprüft,
wofür der Einsatz einer geeigneten Netzberechnungssoftware erforderlich ist /5/. Da
mit den hydrologischen Modellen alle Abflusszustände im Kanalnetz betrachtet werden können, entfällt in der praktischen Anwendung meist der Schritt der Vordimensionierung /2/. Im vorliegenden Fall soll die
Neudimensionierung eines kleinen Teilgebietes des Dresdner Abwassernetzes erfolgen. Um die hierfür eingesetzten Softwareprodukte besser vergleichen zu können
wird eine Vordimensionierung mittels Zeitbeiwertverfahren sowie eine hydrodynamische Abflusssimulation zur Überprüfung
möglicher Überlastungserscheinungen
durchgeführt.
4. Einbindung in ein KIS: Falls noch nicht
geschehen bietet es sich an, das digitale Kanalnetzmodell in ein KIS zu übernehmen.
Damit wird die Datenhaltung- und fortschreibung um ein Vielfaches vereinfacht
/1/. Da entsprechende Anwendungen im Regelfall auf einem geografischen Informationssystem (GIS) aufbauen und hier meist
auch alle anderen Medienträger erfasst sind,
lassen sich mögliche Wechselwirkungen der
Anlagen, wie Probleme bei Baumaßnahmen, frühzeitig erkennen.
Beispielgebiet
Die Softwareprodukte SWMM und HYSTEM-EXTRAN sollen auch hinsichtlich ihrer Berechnungsergebnisse verglichen werden. Als Grundlage wurde ein vereinfachtes
digitales Rohrnetzmodell für einen kleinen
Teil des Dresdner Abwassernetzes erstellt.
Dieses Teilgebiet weist eine Fläche von ca.
107 ha auf. Das Gelände fällt von 250 m
ü. NHN im Westen auf 185 m ü. NHN im
Osten ab. Die Einwohnerzahl beträgt etwa
4.300. Um den Bearbeitungsaufwand zu minimieren, sind einige Vereinfachungen am
Originalnetz getroffen worden. Das bestehende Trennsystem wurde in ein Mischsystem überführt, wodurch sich der zeitliche
Aufwand erheblich reduziert. Des Weiteren
wurde die historisch gewachsene Struktur
aufgelöst und angepasst. Die zahlreichen
weiterführenden Abwassersammler aus anderen Stadtteilen blieben zudem unberücksichtigt. Es ergibt sich ein Kanalnetz mit
einer Länge von 7.550 m, das aus 38 Haltungen und 39 Schächten besteht. Das modifizierte Netz ist in Bild 1 dargestellt /6/.
Programmbeschreibung SWMM
Anbieter: Die Software SWMM wird von
der US-amerikanischen Umweltschutzbehörde EPA als Freeware-Produkt angeboten. Für die Bearbeitung wurde die Softwareversion 5.0 verwendet.
Dateneingabe: Die Dateneingabe erfolgt
über eine Netzgrafik sowie einzelne Bear10/2014
Bild 3 Ergebnisdarstellung Beispielgebiet im HE-Viewer
beitungsfelder. Zur genauen Orientierung
können Hintergrundbilder koordinatengetreu eingefügt werden. Da der Quellcode
von SWMM offen vorliegt, besteht die Möglichkeit mittels eines frei erhältlichen Programmierwerkzeugs weitere Funktionen zu
erstellen und in die Software aufzunehmen.
Das allgemeine Vorgehen bei der Netzmodellierung stellt sich so dar, dass im ersten
Schritt die Netzelemente wie Haltungen und
Schächte über die Grafik gezeichnet werden
und anschließend eine Objektspezifizierung
über die verschiedenen Bearbeitungsfenster
(interne Datenbank) erfolgt. Des Weiteren
ist anzumerken, dass das Maßsystem auf SIEinheiten umstellbar ist, was eine Grundvoraussetzung für die Anwendung der Software im deutschen Raum ist.
Berechnungsansätze /7/: Da die Simulation
von Abflussvorgängen ein sehr komplexes
Thema ist, soll an dieser Stelle nur eine Auswahl der wichtigsten Ansätze genannt werden. Zu beachten ist, dass die Software
SWMM meist nur zur Nachrechnung bestehender Netze bzw. zur Dimensionierung
komplexer Netze genutzt wird. Das für die
Vordimensionierung in Deutschland oft eingesetzte Zeitbeiwertverfahren (bzw. rational
method), ist daher in SWMM nicht vorhanden. Zwar können die Abflusseinstellungen
auf den notwendigen Normalabfluss (steady
flow) eingestellt werden, die Verlustansätze
müssen jedoch, entsprechend den vorliegenden Abflussbeiwerten, angepasst werden.
Für den Nachweis von Überlastungserscheinungen sind die entsprechenden Ansätze
vorhanden. Der Oberflächenabfluss kann
nach verschiedenen Modellen wie z. B. dem
Horton-Verfahren gebildet werden. Für die
Abflusskonzentration wird ein nichtlinearer
Einzelspeicher verwendet. Der Kanalabfluss kann auf Grundlage der dynamischen
Wellengleichungen (dynamic wave) bestimmt werden.
Anwendungsgebiete: Die Software SWMM
ist in der Lage Abflusssimulationen für verschiedene Fließzustände (z. B. ungleichförmig instationärer Abfluss) und Abflussansätze durchzuführen. Hierbei können neben
Abflusswerten auch die Wasserstandshöhen
und Auslastungen in den Haltungen sowie
mögliche Ein- und Überstauerscheinungen
Bild 4
Datenaustausch
Schnittstelle
EPANET/STANET
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SWMM
Qmin, H [m3/s] 0,05
0,05
13,75
15,40
Qmax, H [m3/s]
Q
Kap. Auslastung Haltungen
42,18
37,59
Kap.max, H [%]
min Mindestwerte
0,05
0,05
Qmin, Z [m3/s]
max Maximalwerte
14,95
14,37
Qmax, Z [m3/s]
46,74
Kap.max, Z [%]
0
HYSTEM-EXTRAN
Abfluss Auslass
10
20
30
40
52,92
50
H
Ergebnisse hydrodynamischer Abflusssimulation
Z
Ergebnisse Zeitbeiwertverfahren
60
Bild 5 Ergebnisvergleich SWMM/HYSTEM-EXTRAN
an den Schächten ausgegeben werden. Es
besteht weiterhin die Möglichkeit, Abflüsse
aus Schneeschmelzen zu simulieren. Zudem
können verschiedene Sonderbauwerke wie
Pumpen, Wehre oder Speicherbauwerke bei
der Berechnung berücksichtigt werden. Darüber hinaus ist es möglich Schmutzfrachtberechnungen durchzuführen.
Schnittstellen /7/: SWMM-Dateien können
als ASCII-Textdateien gespeichert werden
und sind damit mit einigen anderen Programmen (z. B. MS-Excel) kompatibel. Eine
direkte Einbindung in ein GIS ist nicht verfügbar. Über das freie Programmierwerkzeug ist es aber möglich, weitere Schnittstellen zu anderen Anwendungen zu erzeugen.
Die Netzdarstellungen können in Vektor
(.dxf)- und Rastergrafiken (.wmf) überführt
werden.
Programmbeschreibung
HYSTEM-EXTRAN
Anbieter: HYSTEM-EXTRAN wird vom
Institut für technisch-wissenschaftliche
Hydrologie (itwh) mit Sitz in Hannover
angeboten. Die Software zählt zu den am
häufigsten verwendeten deutschen Kanalnetzberechnungsprogrammen. Für die Bearbeitung wurde die Version 7.5 eingesetzt.
SWMM
Vergleich mit Referenzprodukt
Dateneingabe
wenige Komfortfunktionen, Vordimensionierung
nicht implementiert
Datenausgabe
keine Unterschiede
Datenhaltung
übersichtliche Datenstruktur, weniger Speicherbedarf
aber keine direkte GIS-Einbindung
Schnittstellen
Kompatibilität mäßig, keine GIS-Schnittstelle
Berechnungsansatz
abweichende Berechnungsansätze, jedoch
grundsätzlich anwendbar
Berechnungsergebnisse
kleinere Abweichungen gegenüber Referenzprodukt
Gegenüberstellung mit dem
Referenzprodukt HYSTEM-EXTRAN:
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Dateneingabe: Das Programm besteht aus
drei Modulen, zur Erstellung des Netzes
(HE-Editor), zur Berechnung (HE-Simulation) und zur Visualisierung der Ergebnisse
(HE-Viewer). Die Eingabe der Daten erfolgt
über eine Netzgrafik und eine interne Datenbank. Es besteht weiterhin die Möglichkeit ein Hintergrundbild einzufügen. Die
Modellierung erfolgt im Wesentlichen ähnlich wie bei SWMM. Zunächst werden die
Elementeigenschaften über Bearbeitungsfenster (interne Datenbank) definiert, anschließend können die Elemente auf der
Netzgrafik abgesetzt werden.
Berechnungsansätze /8/: Hinsichtlich der
Berechnungsansätze wird, aufgrund der
Komplexität dieser, nur auf eine Auswahl
der wichtigsten Verfahren eingegangen. In
HYSTEM-EXTRAN sind hydrologische
Verfahren und Modelle sowie ein hydrodynamisches Verfahren implementiert. Es ist
auch die Möglichkeit gegeben, Netze entsprechend dem häufig genutzten Zeitbeiwertverfahren zu berechnen. Hervorzuheben ist die Möglichkeit der automatischen
Nennweitenoptimierung, wodurch der zeitliche Aufwand um einiges verringert wird.
Der Oberflächenabfluss kann z. B. nach
Neumann oder Horton gebildet werden.
Die Erstellung der Abflusskonzentration
schlechter
besser
erfolgt mittels einer Speicherkaskade.
Anwendungsgebiete: Mit HYSTEM-EXTRAN können Abflusssimulationen für verschiedene Fließ- und Abflussansätze durchgeführt werden. Die Software eignet sich
durch die Möglichkeit zur automatischen
Nennweitenoptimierung besonders zur Dimensionierung neuer Netze. Das Zeitbeiwertverfahren kann hierfür als Berechnungsverfahren gewählt werden. Des Weiteren können durch die Option zur
hydrodynamischen Berechnung auch Überlastungszustände wie z. B. ein Überstau an
den Schächten nachgewiesen werden. Zudem sind einige Zusatzoptionen verfügbar.
Es können verschiedene Transportelemente
wie Wehre, Pumpen oder Drosseln berücksichtigt werden und es besteht die Möglichkeit Schmutzfrachtsimulationen durchzuführen.
Schnittstellen /8/: HYSTEM-EXTRAN nutzt
ISYBAU bzw. XML als Austauschformat
und ist hiermit mit einer Vielzahl von Anwendungen wie anderen (vor allem deutschen) Netzberechnungsprogrammen oder
verschiedenen Datenbanken kompatibel. Zudem ist eine direkte Einbindung in ein GIS
möglich, wobei hier neben den Netzdaten
auch die Hydraulikwerte des Netzes angezeigt und weiter verarbeitet werden können.
Vergleich SWMM und
HYSTEM-EXTRAN
Softwareanwendung: Die Eingabe der Daten sowie das Zeichnen der Netzelemente ist
bei beiden Programmen einfach und verständlich vorzunehmen. Bei der Simulation
bietet HYSTEM-EXTRAN die besseren
bzw. nützlicheren Möglichkeiten (z. B. automatisierte Neudimensionierung). Hinsichtlich der Programmstruktur unterscheiden sich beide Anwendungen. HYSTEMEXTRAN ist modular aufgebaut. Die
Handhabung erscheint aufwändiger bzw.
komplexer als bei SWMM, da für eine Netzsimulation mehrere Berechnungsschritte
ausgeführt und die Ergebnisse in einem gesonderten Modul angezeigt werden müssen.
Positiv dabei ist aber die Möglichkeit der
Darstellung mehrerer Berechnungszustände
über dieselbe Grafikdatei. SWMM ist klarer
aufgebaut (eine Netzdatei), es ist jedoch
standardmäßig keine Funktion zur Vordimensionierung von Netzen vorhanden. Hinsichtlich der Ergebnisausgabe unterscheiden
sich beide Programme nur wenig. Grundsätzlich können alle Berechnungsgrößen
über die Netzgrafiken und in Berichtform
ausgegeben werden. In SWMM können zudem Filmsequenzen erstellt werden (minutengenaue Datenausgabe über die Netzgrafik). Die Projektverwaltung stellt sich in
HYSTEM-EXTRAN als etwas unübersicht-
gleich
Bild 6 Zusammenfassung der Untersuchung
10/2014
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licher als in SWMM dar, da aufgrund des
modularen Aufbaus eine Vielzahl einzelner
Dateien angelegt wird. Zudem ist der Speicherplatzbedarf größer. SWMM verfügt
über keine Möglichkeit einer direkten Einbindung in ein GIS, womit die Aufbereitung
und Weiterverarbeitung der Daten bzw.
Ergebnisse aufwändiger ist. Im Allgemeinen ist zu bemerken, dass die Schnittstellen
beider Programme nur beschränkte Möglichkeiten bieten. Der XML- bzw. ISYBAUStandard von HYSTEM EXTRAN bietet
gegenüber dem von SWMM verwendeten
ASCII-Format dennoch Vorteile hinsichtlich des Datenaustauschs mit anderen in
Deutschland verwendeten Berechnungsprogrammen. In Bild 6 ist beispielhaft die
Kompatibilität von SWMM und HYSTEMEXTRAN dargestellt. Es wird deutlich,
dass keine Verbindung vorgesehen ist. Über
das SWMM-Programmierwerkzeug erscheint die Erstellung einer entsprechenden
Verbindung jedoch möglich. Die Leistungsfähigkeit von SWMM hinsichtlich der Softwareanwendung ist insgesamt ausreichend.
Bei der Netzmodellierung (Vordimensionierung) und beim Datenaustausch ist jedoch
ein erhöhter Bearbeitungsaufwand erforderlich.
Berechnungsergebnisse: Um die Anwendbarkeit der Software SWMM beurteilen zu
können, sind die Berechnungsergebnisse
von entscheidender Bedeutung. In Bild 5
sind für das betrachtete Netz die Abflüsse
am Gebietsauslass sowie die Haltungsauslastungen (Durchschnitt) für die Vordimensionierung (Zeitbeiwertverfahren) sowie
den Netznachweis (hydrodynamische Abflusssimulation) dargestellt. Bei den Abflüssen ergeben sich Unterschiede zwischen
4 und 11 %, die Haltungsauslastungen weichen im Durchschnitt (systematisch) um
ca. 12 % ab. Hinsichtlich der ermittelten optimalen Kanalnennweiten ergeben sich jedoch keine Unterschiede. Zusammenfassend ist festzustellen, dass die mit SWMM
ermittelten Ergebnisse auf eine ausreichende Leistungsfähigkeit schließen lassen.
Zwar sind kleine Abweichungen gegenüber
der Referenzsoftware festzustellen, die ermittelten Nennweiten sind jedoch bei beiden
Programmen gleich. Eine Wertung der Berechnungsergebnisse ist insgesamt schwierig, da bei beiden Produkten unterschiedliche Berechnungsgrundsätze verwendet werden, die jedoch grundsätzlich anwendbar
sind /6/.
Zusammenfassung
Die Software SWMM ist ein einfaches aber
für die meisten Problemstellungen ausreichendes Programm für die Berechnung von
Kanalnetzen. Die Anwendbarkeit für den
deutschen Markt konnte durch den Vergleich mit dem Referenzprodukt HYSTEM10/2014
EXTRAN nachgewiesen werden, wenn
auch mit kleinen Abstrichen. So ist z. B. eine
Funktion zur automatischen Netzdimensionierung nicht vorhanden und hinsichtlich
der Berechnungsergebnisse gibt es kleine
Abweichungen, die allerdings auf unterschiedliche Berechnungsansätze zurückzuführen sind. In Bild 6 ist die Bewertung der
Software SWMM mittels eines Vergleichs
verschiedener Parameter mit HYSTEMEXTRAN dargestellt.
LITERATUR
/1/ DWA-M 145-1: Kanalinformationssysteme. Teil 1:
Grundlagen und systemtechnische Anforderungen, 29 S., 2013
/2/ Seiler, T.: Stadtentwässerung Dresden, Interview
05/2009
/3/ Gujer, W.: Siedlungswasserwirtschaft, 16.
Auflage, Springer Verlag, 410 S., 1999
/4/ www.dr-olaf-schulz.de/fileadmin/referenzen/
Entwaesserung/862_ 20120521_Bochum_
Grummer_Bach.pdf (Zugriff am 16. 7. 2014)
/5/ DWA-A 118: Hydraulische Bemessung und
Nachweis von Entwässerungssystemen (März
2006). (Korrigierte Fassung, Stand: September
2011), 32. S., 2011
/6/ Trülzsch, S.: Studienprojekt Software
Systemvergleich STANET/EPANET (Trinkwasser)
und HYSTEM-EXTRAN/SWMM (Abwasser) an
einem ausgewählten Gebiet der Landeshauptstadt Dresden, TU Dresden, 235 S., 2009
/7/ U.S. EPA: Storm Water Management Model User`s
Manual Version 5.0, 271 S., 2010
/8/ ITWH: Anwenderhandbuch HYSTEM-EXTRAN, 1999
KONTAKT
Stefan Trülzsch · TU Dresden
Institut für Stadtbauwesen und Straßenbau
Fachbereich Stadtbauwesen und Stadttechnik
Georg-Schumann-Straße 7 · 01187 Dresden
Tel.: 0351/463 32383
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