Flowmålingsmæssige udfordringer i regn- og spildevandssystemer
Temadag om Flowmåling i udvikling
Hvem er jeg?
• Mads Uggerby - uddannelse og ansættelse:
– 2009- Teamleder, EnviDan
– 2007-2009 Teamleder og Viceafdelingschef, Krüger – 2004-2007 Projektleder, EnviDan
– 2001-2004 Projektingeniør og –leder, NIRAS
– 1999-2001 Spildevandssagsbehandler, Ringkjøbing Amt – 1994-1999 Civilingeniør i Miljøteknik, Aalborg Universitet
• EnviDan – rådgivende ingeniør indenfor afløb og spildevand
– Planlægning og bygherrerådgivning – Modelberegninger og flowmålinger – Kloakfornyelsesplanlægning
– Bassiner, bygværker og ledningsanlæg
– Projektering, udbud og tilsyn med traditionelle samarbejdsformer og partnering.
Flowmåling i kloakledninger
Delfyldte rør!
Hvorfor måler vi?
Kommunalt serviceniveau
Hvad har vi at gøre med?
Afstrømning under regn modelleres
Beregning af serviceniveau
Model
Resultat Inddata
Målinger
Sikkerhedstillæg
Skrift 27 anbefaler ”Bevidst valgt sikkerhedstillæg”
Kalibreret model
Skrift 27
Vi kan reducere
”Bevidst valgt sikkerhedstillæg”
ved kalibrering – UDEN det ændrer på den statistiske
sikkerhed for at
”ramme” rigtigt Ukalibreret
model
Hydrauliske modeller – simulering af regnafstrømning
• Usikkerheder på inddata:
1. Oplandsbeskrivelse
2. Nedbør (og andre tilstrømninger)
3. Beskrivelse af afløbssystemets fysiske udformning
4. Hydrologiske og hydrauliske forhold/parametre
• Usikkerheder kan reduceres ved:
– Ad 1.: GIS-analyser og besigtigelser
– Ad 2.: lokale målinger, radar og Skrift 28.
– Ad 3.: TV-inspektion, brøndrapportering, opmåling mv.
– Ad 4.: registreringer og målinger i det aktuelle område / kloakopland.
Hvilke usikkerheder kan vi ’kalibrere’ mindre?
Statistisk usikkerhed:
Estimat:
F.eks. beregnet opstuvning i en specifik brønd.
Konfidensniveau:
Valgt sandsynlighed, der anvendes til beregning af det interval opstuvningen med den valgte
sandsynlighed ligger indenfor.
Konfidensinterval:
Interval som opstuvningen i brønden med den valgte sandsynlighed
(konfidensinterval) ligger indenfor
Skrift 27
Den statistiske usikkerhed (konfidensintervallet)
kan reduceres ved modelkalibrering!
Øget nedbør
Siden 1873 er nedbøren i DK steget ca. 15 %.
Der forventes stigninger på mellem 20-45 % frem til år 2100.
Flere ekstremer
I fremtiden forventes længere hedebølger, mindre sommernedbør, men flere kraftigere (20-50 %) regnhændelser.
Højere vandstand
Vandspejlsstigninger på 15-75 cm.
Den maksimale vandstand i ekstreme stormflodssituationer øges med 45-105 cm.
Højere grundvandstand
I vinterhalvåret ske en stigning i grundvandsstanden på mere end 0,25 m i over 50% af området, og i næsten 10% af området vil grundvandsstanden stige med mere end 1 m
Mildere og fugtigere vintre
I samme periode er gennemsnitstemperaturen i DK steget ca. 1,5 °C.
Der forventes stigninger i vintertemperaturen på 2-3 °C frem til år 2100.
Varmere somre
Sommertemperaturen forventes at stige yderligere 1-3 °C frem mod år 2100.
Klimaændringer i Danmark
Hvilke usikkerheder kan vi ’kalibrere’ mindre?
Scenarieusikkerhed:
Tendenslinie:
Vurderet usikkerhed som følge af f.eks. klima-
forandringer, ændring i arealudnyttelsen,
hydrauliske forhold osv. i planlægningshorisonten
Bemærk!
Konfidensintervallet i
planhorisontens sidste fase er ikke nødvendigvis af samme størrelse som i status!
Skrift 27
Tendenslinie
Scenarieusikkerheden kan ikke reduceres ved målinger!
Reduktion af den statistiske usikkerhed ved kalibrering
Godt kalibreret model
Ikke kalibreret model
”Kvalitative” målinger Erfaringsregistrering Kontinuere niveau- og nedbørsmålinger Kontinuere flow- og nedbørsmålinger
s
s
Kontinuere målinger
• Måling af opstuvningsniveau:
– Selvstændige niveaumålere – Niveaumåling i pumpestationer – Overløbsregistrering
• Måling af flow
– Pumpeydelser – Flowmålinger
– Overløbsregistreringer
• Målinger af nedbør
– Ovenstående sammenholdes med
samtidige nedbørsmålinger
Eksempel på udstyr
Måleprincip
Installation
Eksempel på bestemmelse af hydrologiske parametre
Afstrømning
Nedbør
Hældning = afstrømningskoefficient
Skæring = initialtab
Sammenhørende flow- og nedbørsmålinger
Nedbørsmåler
Flowmåler
OBS:
Punktmåling af nedbør er ikke repræsentativ for store områder!
Undersøgelser viser, at
nedbøren kan variere kraftigt på afstande helt ned til 500 m!
Eksempel på vurdering af afstrømningsbillede
0 10 20 30 40 50 60
03:00 05:24 07:48 10:12 12:36
Kl.
Flow [l/sek]
Målt flow Beregnet flow
Kalibrering af overflademodellen og/eller de hydrauliske parametre
Men kan målingerne betale sig?
Fælleskloakeret område i Them, Them Kommune:
– Ukalibreret model
– Detaljeret hydrologisk oplandsbeskrivelse (Model A) – Inddata vurderet på baggrund af faglitteraturen
Resultat af (ukalibrerede) modelberegninger:
– Maksimal tilstrømning til overløb (n=1): 272 l/s – 65 årlige overløb
– 2.200 m3 aflastes årligt
Til RA 14,8 ha 24% bef.
Dimensionering af forsinkelsesbassin (n=1):
– Sikkerhedsfaktor valgt til 1,44
– Nødvendigt forsinkelsesbassin: 700 m3
– Overslagspris for etablering af bassin: 3,9 mio. kr.
Valgt sikkerhedsfaktor – ukalibreret model
• På baggrund af Skrift 27 er valgt:
– 1,2 for at tage højde for den statistiske usikkerhed på inddata
• manningtal
• hydrologisk reduktionsfaktor
• nedbør
– 1,2 for at tage højde for scenarieusikkerheden
• klimaforandringer
• ændret arealanvendelse
• Anvendt sikkerhedsfaktor: 1,44
Samhørende flow- og nedbørsmålinger
Måleprogram:
– Registrering af nedbør i oplandet
– Måling af flow umiddelbart opstrøms overløbet
Til RA
Flowmåling Nedbørsmåler
y = 0.104x - 0.002 R2 = 0.971 0.00
0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Nedbør (mm)
Afstrømmet regnvolumen (mm)..
Samhørende flow- og nedbørsmålinger
Resultat:
– God sammenhæng mellem nedbør og afstrømning – Hydrologisk reduktionsfaktor målt til 0,43
Til RA
Flowmåling Resultat af den kalibrerede model:
– Maksimal tilstrømning til overløb (n=1): 272 l/s – 65 årlige overløb
– 2.200 m3 aflastes årligt
Dimensionering af forsinkelsesbassin (n=1):
– Sikkerhedsfaktor reduceret til 1,32
– Nødvendigt forsinkelsesbassin: 700 m3
– Overslagspris for etablering af bassin: 3,9 mio. kr.
127 l/s 29 årlige overløb
450 m3 aflastes årligt
1,4 mio. kr.
260 m3
Nedbørsmåler
Valgt sikkerhedsfaktor – kalibreret model
• På baggrund af Skrift 27 er valgt:
– 1,1 for at tage højde for den statistiske usikkerhed på inddata – værdi er vurderet, men bør beregnes ved en Monte Carlo analyse
• manningtal
• hydrologisk reduktionsfaktor (lille usikkerhed som følge af målinger!)
• nedbør
– 1,2 for at tage højde for scenarieusikkerheden
• klimaforandringer
• ændret arealanvendelse
• Anvendt sikkerhedsfaktor: 1,32
Ja, det kan betale sig at kalibrere!
1. at tilnærme modellen til virkeligheden (hyd. red.
faktor på 0,8 0,43), og 2. at sikkerhedsfaktoren (s)
blev reduceret fra 1,44 til 1,32.
s
s
Besparelse som følge af reduceret sikkerhedsfaktor:
ca. 0,3 mio. kr.
Nettobesparelse:
ca. 2,3 mio. kr.!
I eksemplet fra Them
opnåede vi:
Der er dog en vigtig forudsætning!
• Usikkerheden på målingerne skal være mindre end usikkerheden på den ukalibrerede model!
• Teknik anvendt i Them:
– ISCO vippekarsmåler – NIVUS Flowmåler
KE, Dæmningen Skt. Hans aften 2003
Niveaumåling!
Eks. målestation NIVUS-måler
OBS: Kalibreret model ≠ virkelighed
• Der er stadig en masse usikkerheder – hvad f.eks. med:
– Inhomogene regnhændelser – vi bør i højere grad bruge vejrradar,
– Ikke-liniær sammenhæng mellem nedbør og afstrømning, – Forudsigelser om maksimal opstuvning ved en 10-års
hændelse forudsætter ca. 40 års nedbørsmålinger – længste observationsperiode på én måler i SVK-regnmålersystemet er ca. 26 år!
Det er den virkelige hændelse der tæller!
Konklusion: Måling og kalibrering kan varmt anbefales .. men det gør os ikke i stand til at spå om fremtiden!
Tak for opmærksomheden!
Eksempel – Hedensted Kommune
• Den aktuelle afstrømning måles -> afløbskoefficient beregnes
• Fremtidige ændringer i oplandet (f.eks.) fortætning indregnes.
• Usikkerheder som følge af forventede klimaændringer vurderes
y = 0,24x - 0,29 R2 = 0,93
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Målt nedbør [mm]
Målt afstrømning [mm]
Valgt sikkerhed: 15 %
Eksempel – Hedensted Kommune
• Hydraulisk model kalibreres ud fra:
– målt nedbør og afstrømning – målt opstuvning ved overløb
– registreret pumpedrift og –ydelse
• 25 års regnserie gennemregnes med den kalibrerede model
• Nødvendigt bassinvolumen og aflastede volumener findes
Eksempel – Hedensted Kommune
• Resultat:
– Bassinvolumen reduceret fra 760 m3 til 590 m3 – Anlægsudgifterne reduceret med ca. kr. 0,8 mio.
– Sikkerhedsfaktorer er bevidst valgt – ingen ”tommelfinger-værdier”
– Bedre råd til ombygning af bassin og overløb …
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Aflastet volumen [m3 ]
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Nødvendig bassinudvidelse [m3 ]