Integreret modellering, forecasting og styring af afløbssystemer og renseanlæg. Drainage from private property and streets. Rainfall-runoff process

Transkript

1 Ground water Receiving water Drinking water treatment Treatment plant Drinking water distribution Sewer system Developed area Mikkelsen, P.S.: Integrated Urban Drainage Optimisation Improving the System of Dansk Vand konference, arrangeret af DANVA Århus, d november 2011 Integreret modellering, forecasting og styring af afløbssystemer og renseanlæg P.S. Mikkelsen 1, M. Rasmussen 2, J.D. Nielsen 3, M. Grum 4, T.N. Gadegaard 4, D. Thornberg 5, K. Juel-Berg 6, H. Madsen 7, B. Plósz 1, H.J. Albrechtsen 1, A. Sharma 1 1 DTU Miljø, 2 Aalborg University, 3 DHI 4 Krüger, 5 Udviklingssamarbejdet, 6 Københavns Energi, 7 DTU Informatics + DMI, Aarhus Vand, Lynettefællsesskabet, Spildevandscenter Avedøre Detention Sewage storage tank Drainage from private property and streets Rainfall-runoff process Det integrerede Reservoir Percolation Clean water inflow Detention Storage tank Sedimentation Purification Overflow structure Combined sewer overflow Urbane vandsystem Afløbssystem og renseanlæg Waste disposal In-/Exfiltration Adapted from: Krebs, P. (1996): Interdependencies and dynamics within the urban water management. EAWAG News, 41E, November 1996, pp

2 Renoverings udfordringen! Klima og fortætnings udfordringen 2

3 Forurenings udfordringen Afløbssystemer og renseanlæg Ude af øje Ude af sind Ude af kontrol? Er det situationen i dag? Skal det være situationen fremover? 3

4 Strategisk forskningsprojekt, Finansieret af Det Strategiske Forskningsråd (DSF, ENMI) samt deltagerne (~50%) I alt ca. 30 M DKK 12 partnere 6 ph.d. studerende (+3) 4 postdocs Forskning, med tæt tilknytning til teknologiudvikling og forsyningsselskabers behov Universiteter Danmarks Tekniske Universitet DTU Miljø DTU Kemiteknik DTU Informatik Aalborg Universitet Institut for Byggeri og Anlæg Forskningsinstitutioner/virksomheder Danmarks Meteorologiske Institut DHI Krüger PH-Consult Forsyningsselskaber Spildevandscenter Avedøre Københavns Energi Lynette Fællesskabet Aarhus Vand 4

5 Historik ~1970: Afløbssystemer ~ Bygningsingeniører Renseanlæg ~ Kemiingeniører Recipienter ~ Biologer ~1980: Forskning starter om interaktioner mellem afløbssystemer, renseanlæg og recipienter ~1990: Første INTERURBA konference (interaktioner erkendt som vigtige) Første version af integrations e-learning kursus (TRITON) uden www. Avanceret kursus for PhD studerende og forskere,med med prof. software Miljøingeniøruddannelsen på DTU starter ~2000: Anden INTERURBA konference (interaktioner mainstream i forskning, men ikke endnu meget i praksis) Fuldstændig revision af integreret e-learning kursus, dedikeret simuleringsmodel (UWREM2000) + www. Inkluderet som normalt DTU kursus på MSc/PhD niveau ~2010: Emnet er (igen) blevet hot, flere studerende er interesseret Forsyningsselskaber, bedre sensorer/modeller, vejrradar, tiden moden nu? Change from natural stream to canal Basin K Dæmning Fisketorvet WWTP Øresund Summer University : Urban Water 5

6 Case område for DTU e-learning kursus Simplificering af virkeligt opland i København Mange års arbejde bag forenklingerne (af data OG modeller) Dedikated simulerings tool med særligt bruger-interface (afløbssystem, renseanlæg, recipient) Øvelser baseret på at køre ~10 års simuleringer, undersøge forskellige fænomener, og foreslå ingeniørmæssige løsninger Nuværende DTU kursus: 7 moduler (ca. hver anden uge) Modul Evaluering 1. Indledende systemanalyse Nej 2. Næringsstof belastning (10%) Rapport, grupper 3. Iltsvind i vandløb ifm. overløb (10%) Rapport, grupper 4. Interaktion mellem bassiner og RA (10%) Rapport, grupper 5. Nye systemkomponenter (10%) Quiz, individuel 6. Regel baseret styring (15%) Rapport, grupper 7. Optimerings konkurrence (35%) Rapport, grupper Deltagelse i diskussions forum (10%), individuel/gruppe evaluering Moduler om nye emner som klimaforandringer og miljøfremmede stoffer under udarbejdelse Tilbydes også som efteruddannelseskursus 6

7 København Lyngbyvej 16 aug Photo: Bente Schou Min havefest to aftener før 7

8 Signe T. Andersen Ph.d. Studerende, DTU Miljø Kvantitativ mikrobiel risikovurdering Påvirking af renseanlæg, regnstyring (data fra Lynetten i Kbanhavn, med ATS) Qin Bypass Qbio,max ATS SS i udløbet fra efterklaringstank Kan dette undgås, hvis vi kan forecaste Qin? 8

9 Realtids styring af afløbssystemer Bassin filling Area Cost Sensitivity of recipients Qbio,max Vi har brug for information om Qbio,max nu og i fremtiden Wanted state State Qbio,max Integreret realtids styring af afløbssystem og renseanlæg Potentialet for at reducere miljøpåvirkningen ved integreret styring af afløbssystemer og renseanlæg er demonstrered ved modelstudier gennem de seneste tre årtier. Erfaringerne fra den praktiske verden er imidlertid begrænset, og model prædiktiv styring er stadig kun en teori. Praktiske eksempler dokumenteres ofte ikke i den videnskabelige literatur. Vi forsger at gøre noget ved dette nu! Renseanlæg Afløbssystem Flow og kvalitet Maksimal hydrauisk kapacitet 9

10 Elham Ramin, PhD student, DTU Environment Secondary clarifiers: experimental assessments & modelling 1. Demonstrating the significance of clarifier models and their parameters as sources of uncertainties in WWTP modelling SRT 2. Developing settling sub-models doing laboratoryscale experiments 3. Identifying and calibrating 1-D hydraulic submodels using CFD simulations r H r_h F TSS, COD F_TSS_COD V_0 V 0 r_p r P f f_xi XI Y Y_H H Scenarios Convectiondispersion SST First-order v V_Con_F WAS F,DC Scenario 1 RAS (Recycle Scenario 2 of activated Scenario Scenario1 3 Scenario 3 V_Dis_Ov sludge) Scenario 4 v Ov,D Hydraulic (Last aerobic Scenario 2 Scenario 4 f NS f_ns reactor) Sensitivity measure ( i), - 4. Confirming CFD simulation using full-scale quasi-steady-state and dynamic measurements 5. Promoting good clarifier modelling practice and relevant knowledge transfer between academia and engineering Data assimilering Forbedre startbetingelserne for en forecast model ved at inddrage målinger frem til TOF (model opdatering) Reducere modellens prædiktionsfejl indenfor forecast perioden Measured Variables Input Variables Numerical Model state parameters variables Forecast or Output Variables Data assimilation procedure

11 Morten Borup, ph.d. studerende, DTU Miljø Lisbet Hansen, studerende, DTU Miljø (nu Krüger) Opdatering af tilstande i afløbsmodeller Beregnet korrektion! Målt til t 1 =t 0 +dt Beregnet til t 1 =t 0 +dt Beregnet til t 0 Evaluering af eksisterende MOUSE Update værktøj, nogen forecast skill Tilsvarende værktøj udviklet til MOUSE RDII, bedre forecast skill Næste skridt: Stokastisk opdatering H. Madsen, DTU Informatics Stochastic modelling P.S. Mikkelsen, DTU environment Environmental engineering 11

12 Grey Box (stokastisk) modellering Drift term (deterministisk) Observations støj Diffusions term (stochastisk) System ligning Observationsligning Notation: Anders Breinholt, ph.d. studerende, DTU Miljø Fannar Thordarsson, ph.d. studerende, DTU Informatik Probabilistisk forecasting 15 min og 4 timer frem med 12

13 direct runoff indirect runoff precipitation slow runoff saturation storage diurnal variation Radar Flow Forecast Concept Forecast Rainfall forecast as mean intensity for sub-catchment flow model daily temperature snow storage normal potential evaporation auto- calibration Forecast flow measurement flow radar data rain gauge data flow measurements forecast 25 Slagelse Forecast Flow [m3/s] 2 hours forecast measured 13

14 Hvidovre 15th June 2010 Flow [m3/s] measured 30 minute forecast 60 minute forecast Flow [m3/s] measured 90 minute forecast 120 minute forecast Hvidovre 15 th June

15 URBANWATER Weather Radar Applications Radar måling af regn Hændelse 1, Stratiform event Nov 18, :10 Hændelse1I, Cyclonisk rotation Nov 18, :10 Hændelse 3, Konvektiv hændelse May 28, :00 Kilde: Michael Rasmussen og Søren Thorndahl 29 of 2 URBANWATER Weather Radar Applications Sammenkobling af C-bånds og X-bånds vejrradar til nedbørsmåling over urbane områder Jesper Ellerbæk Nielsen Ph.d. studerende Jen@civil.aau.dk X-bånds radar observationer i atmosfæren C-bånds radar observationer i atmosfæren Observationer ved jorden Regn målere/disdrometere + netop startet ph.d. studerende ved AAU: Malthe Ahm 30 of 2 15

16 Roland Löwe, ph.d. Studerende, DTU Informatik Data driven forecasts for optimal control Behovet -modellering af usikkerhed i data og modeller -forecast usikkerhed af -Regn -Flow -Renseanlægs kapacitet Værktøjerne -Kalman filtering -Grey Box modeller -Probabilistisk optimering Wikipedia + netop startet erhvervsforsker om styring ved Københavns Energi og DTU Kemiteknik: Ane Mollerup Status og fremtid Der er fuldt blus på forskningen, mange metoder er ved at blive dokumenteret og publiceret videnskabeligt (radar, data assimilering, usikkerhed, forecasting, styring) Alle ph.d.- og postdoc stillinger er nu besat, flere søges igangsat i tilknytning til SWI for at sikre kontinuitet 2 ph.d. forsvar forventes i 2012, de sidste i Det næste år: Øget fokus på afprøvning af forskningsresultater hos forsyningsselskaberne ifm. deres implementeringsaktiviteter (f.eks. METSAM i København og PREPARED i Aarhus) Vi begynder nu også at formidle på dansk I dag var en snak om SWI projektet som helhed, andre gange kan det blive indlæg med flere detaljer, vi er mange der kan spørges! 16