Flowmålingsmæssige udfordringer i regn- og spildevandssystemer Temadag om Flowmåling i udvikling Teknologisk Institut den 19.

Flowmålingsmæssige udfordringer i regn- og spildevandssystemer Temadag om Flowmåling i udvikling Teknologisk Institut den 19. november 2009 23-11-2009 Dias nr. 1

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. 23-11-2009 Dias nr. 2

Flowmåling i kloakledninger Delfyldte rør! 23-11-2009 Dias nr. 3

Hvorfor måler vi? Kommunalt serviceniveau 23-11-2009 Dias nr. 4

Hvad har vi at gøre med? 23-11-2009 Dynamisk kloakfornyelse Dias nr. 5

Afstrømning under regn modelleres 23-11-2009 Dynamisk kloakfornyelse Dias nr. 6

Beregning af serviceniveau Model Inddata Resultat Målinger Sikkerhedstillæg 23-11-2009 Dias nr. 7

Skrift 27 anbefaler Bevidst valgt sikkerhedstillæg Skrift 27 Kalibreret Ukalibreret model Vi kan reducere Bevidst valgt sikkerhedstillæg ved kalibrering UDEN det ændrer på den statistiske sikkerhed for at ramme rigtigt 23-11-2009 Dias nr. 8

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. 23-11-2009 Dias nr. 9

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! 23-11-2009 Dias nr. 10

Klimaændringer i Danmark 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. 23-11-2009 Dias nr. 11

Hvilke usikkerheder kan vi kalibrere mindre? Scenarieusikkerhed: Tendenslinie: Vurderet usikkerhed som følge af f.eks. klimaforandringer, ændring i arealudnyttelsen, hydrauliske forhold osv. i planlægningshorisonten Tendenslinie Skrift 27 Bemærk! Konfidensintervallet i planhorisontens sidste fase er ikke nødvendigvis af samme størrelse som i status! Scenarieusikkerheden kan ikke reduceres ved målinger! 23-11-2009 Dias nr. 12

Reduktion af den statistiske usikkerhed ved kalibrering Godt kalibreret model Kontinuere flow- og nedbørsmålinger s Kontinuere niveauog nedbørsmålinger Erfaringsregistrering s Ikke kalibreret model Kvalitative målinger 23-11-2009 Dias nr. 13

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 23-11-2009 Dias nr. 14

Eksempel på udstyr 23-11-2009 Dias nr. 15

Måleprincip 23-11-2009 Dias nr. 16

Installation 23-11-2009 Dias nr. 17

Eksempel på bestemmelse af hydrologiske parametre Sammenhørende flow- og nedbørsmålinger Nedbørsmåler Afstrømning Flowmåler Hældning = afstrømningskoefficient OBS: Punktmåling af nedbør er ikke repræsentativ for store områder! Undersøgelser viser, at nedbøren kan variere kraftigt på afstande helt ned til 500 m! Skæring = initialtab Nedbør 23-11-2009 Dias nr. 18

Eksempel på vurdering af afstrømningsbillede Kalibrering af overflademodellen og/eller de hydrauliske parametre 60 50 Flow [l/sek] 40 30 20 10 0 03:00 05:24 07:48 10:12 12:36 Kl. Målt flow Beregnet flow 23-11-2009 Dias nr. 19

Men kan målingerne betale sig? Fælleskloakeret område i Them, Them Kommune: Ukalibreret model Detaljeret hydrologisk oplandsbeskrivelse (Model A) Inddata vurderet på baggrund af faglitteraturen 14,8 ha 24% bef. Resultat af (ukalibrerede) modelberegninger: Maksimal tilstrømning til overløb (n=1): 272 l/s 65 årlige overløb 2.200 m 3 aflastes årligt Til RA Dimensionering af forsinkelsesbassin (n=1): Sikkerhedsfaktor valgt til 1,44 Nødvendigt forsinkelsesbassin: 700 m 3 Overslagspris for etablering af bassin: 3,9 mio. kr. 23-11-2009 Dias nr. 20

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 23-11-2009 Dias nr. 21

Samhørende flow- og nedbørsmålinger Måleprogram: Registrering af nedbør i oplandet Måling af flow umiddelbart opstrøms overløbet Nedbørsmåler 1.60 Afstrømmet regnvolumen (mm).. 1.40 1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 y = 0.104x - 0.002 R 2 = 0.971 Til RA 0.00 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Flowmåling Nedbør (mm) 23-11-2009 Dias nr. 22

Samhørende flow- og nedbørsmålinger Resultat: God sammenhæng mellem nedbør og afstrømning Hydrologisk reduktionsfaktor målt til 0,43 Nedbørsmåler Resultat af den kalibrerede model: Maksimal tilstrømning til overløb (n=1): 272 l/s 65 årlige overløb 29 årlige overløb 2.200 m 3 aflastes årligt 450 m3 aflastes årligt 127 l/s Til RA Dimensionering af forsinkelsesbassin (n=1): Sikkerhedsfaktor reduceret til 1,32 Nødvendigt forsinkelsesbassin: 700 m 3 260 m3 Overslagspris for etablering af bassin: 3,9 mio. kr. 1,4 mio. kr. Flowmåling 23-11-2009 Dias nr. 23

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 23-11-2009 Dias nr. 24

Ja, det kan betale sig at kalibrere! I eksemplet fra Them opnåede vi: 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. Nettobesparelse: ca. 2,3 mio. kr.! Besparelse som følge af reduceret sikkerhedsfaktor: ca. 0,3 mio. kr. s s 23-11-2009 Dias nr. 25

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 23-11-2009 Dias nr. 26

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! 23-11-2009 Dias nr. 27

Konklusion: Måling og kalibrering kan varmt anbefales.. men det gør os ikke i stand til at spå om fremtiden! Tak for opmærksomheden! 23-11-2009 Dias nr. 28

Eksempel Hedensted Kommune Den aktuelle afstrømning måles -> afløbskoefficient beregnes Fremtidige ændringer i oplandet (f.eks.) fortætning indregnes. Usikkerheder som følge af forventede klimaændringer vurderes Valgt sikkerhed: 15 % 4,5 4 3,5 Målt afstrømning [mm] 3 2,5 2 1,5 1 0,5 y = 0,24x - 0,29 R 2 = 0,93 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Målt nedbør [mm] 23-11-2009 Dias nr. 29

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 23-11-2009 Dias nr. 30

Eksempel Hedensted Kommune Resultat: Bassinvolumen reduceret fra 760 m 3 til 590 m 3 Anlægsudgifterne reduceret med ca. kr. 0,8 mio. Sikkerhedsfaktorer er bevidst valgt ingen tommelfinger-værdier Bedre råd til ombygning af bassin og overløb 2000 10000 1800 9000 Nødvendig bassinudvidelse [m 3 ] 1600 1400 1200 1000 800 600 400 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 Aflastet volumen [m 3 ] 200 1000 0 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 Antal årlige overløb Aflastet volumen Nødvendig bassinudvidelse 23-11-2009 Dias nr. 31