Kanalhydraulik

BaSYS ermöglicht die vollständige bautechnische Erfassung des geplanten und/oder bestehenden Kanalnetzes. In der Generalentwässerungsplanung werden die erfassten Daten zur hydraulischen Vordimensionierung der geplanten Netzvarianten genutzt. Die hydraulische Leistungsfähigkeit des realisierten und/oder sanierten Kanalnetzes wird durch das integrierte hydrodynamische Simulationsverfahren nachgewiesen. Die intuitiven BaSYS Fachdatenformulare verfügen über Detailansichten und Tabellen zur Erfassung/Planung/Verwaltung der Stamm- und Hydraulikdaten des Kanalnetzes.

Hydraulische Varianten ermöglichen die Bemessung unterschiedlicher Ausführungsvarianten ohne Veränderung der Stammdaten. Beispielsweise sind die Einzugsflächendaten, wichtige hydraulische Leitungsparameter und Details der Sonderbauwerksdetaillierung wie Beckenvolumen, Wehrschwellenhöhe und Pumpenleistung variantenbezogen variierbar. Nach Genehmigung der Vorzugsvariante seitens Auftraggeber kann diese mit den Stammdaten abgeglichen werden.

Durch die Ansichten der Fachdatenformulare und interaktive Grafiken sind die Ergebnisse der hydraulischen Berechnung vielfältig und übersichtlich kontrollierbar. Allgemeine Vorgabedaten befinden sich in projektübergreifenden durch benutzerdefinierte Schnittstellen erweiterbaren Bibliotheken. Dazu gehören Kanalprofile mit Kennlinien, reale/modellierte Niederschläge, Einzugsflächencharakteristika, Volumen- und Pumpenkennlinien.

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Die im Rahmen der Kanalnetzhydraulik nutzbaren BaSYS-Module bieten eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten. Dazu gehören:

  • Statistische Auswertung von Niederschlagsmassendaten nach DWA-A 118/121
  • Generalentwässerungsplanung der Kanalnetze
  • Detail- und Ausführungsplanung von Kanalnetzen
  • Erweiterung/Umplanung vorhandener Kanalnetze; auch hydrodynamisch
  • Hydrodynamischer Überstaunachweis bestehender Kanalnetze nach DIN EN 752
  • Modellierung und hydrodynamische Simulation von Sonderbauwerken
  • Hydrodynamischer Überstaunachweis im Rahmen der Kanalsanierungsplanung
  • Hydraulische Zustandsbewertung im Rahmen eines Kanalsanierungskonzeptes
  • Eingangsdaten für die Überflutungssimulation der Kanalnetze

Die Generalentwässerungsplanung der Kanalnetze benötigt eine effiziente Methode zur schnellen Kanalnetzdimensionierung im Rahmen der zu untersuchenden Netzvarianten. Hierfür ist das bewährte Zeitbeiwert-Verfahren in die BaSYS-Applikationen integriert. Damit sind folgende Vorteile verbunden:

  • Direkte Verwendung der vorhandenen Stammdaten ohne zusätzliche Modellierung
  • Bibliothek der KOSTRA-Regen mit Standardregen und benutzerdefinierter Schnittstelle
  • Bibliothek der Kanalprofile und daraus zusammengestellter Profilstaffeln
  • Bibliothek der möglichen Trockenwetterbelastungen
  • Definition der zu berechnenden Teilnetze
  • Direkte Dimensionierung des gesamten Kanalnetzes mit Möglichkeiten zu nachträglichen Anpassungen im Planungslängsschnitt
  • Benutzerdefinierte Voreinstellungen der relevanten Dimensionierungsparameter
  • Übersichts- und Detailberichte zu den Ergebnissen der Dimensionierung

Die automatische Dimensionierung kann für das Gesamtnetz und – alternativ – ausschließlich für geplante oder hydraulisch überlastete Haltungen durchgeführt werden. Hydraulisch komplexe Bereiche des Kanalnetzes wie Haltungen mit Gegengefälle, Pumpwerke oder Sonderbauwerke der Regenwasserbehandlung werden über die hydrodynamische Kanalnetzsimulation mit MIKE1D dimensioniert und bei Bedarf weiter für das Zeitbeiwert-Verfahren genutzt.

Zur Simulation nutzt das hydrodynamische Berechnungsprogramm den national und international anerkannten Rechenkern MIKE1D von DHI. Nach sorgfältiger Kalibrierung über Messdaten bildet das integrierte Niederschlag-Abfluss-Modell die Strömungsvorgänge von der Abflussbildung innerhalb der Einzugsgebiete bis zu den Übergabepunkten vom Kanalnetz in die Kläranlage und/oder die Vorflut real ab.

Die der hydrodynamischen Kanalnetzsimulation zugrunde liegenden Saint-Venant-Gleichungen werden auch für folgende Randbedingungen im Normalfall ohne größere Instabilitäten gelöst:

  • Senkungskurven an Abstürzen und bei Gefällewechsel
  • Impulsverluste durch Querschnitts- und Richtungsänderungen
  • Aufstau einschließlich hydraulischer Verluste in Bauwerken und Schächten, speziell in Sammelrinnen und bei Ausfluss unter Schützen
  • Speicherung in Bauwerken und Schächten, auch anhand von Volumenkennlinien
  • Arbeitsbereiche der Pumpen zwischen jeweils zwei Grenzkennlinien

Die Kennlinienbibliothek ermöglicht die standardisierte Vorgabe von Volumen-, Versickerungs-, Pumpen-, Durchfluss- und Drosselkennlinien. Diese besitzen relative Höhen, so dass sie unabhängig von der Höhenlage der referenzierenden Kanalobjekte einsetzbar sind.

Durch Verwendung der Simulationsergebnisse in der MIKE1D Vollversion lassen sich Vorschläge zur Kanalnetzbewirtschaftung auf ihre Funktionstauglichkeit prüfen. Wichtige Anwendungsbeispiele sind die Kanalnetzsteuerung über Wehre, Schieber/Drosseln und Pumpen, der Überflutungsnachweis und die hydraulische Interaktion mit den vorhandenen Vorflutern. Außerdem lassen sich hydraulische Details der Kanalnetzdimensionierung wie Sonderbauwerke, Verzweigungen in Fließrichtung und Strecken mit Gegengefälle simulieren.

Fokussiert auf die wichtigsten Eckdaten bietet die Kanalnetzsimulation mit dem in BaSYS integrierten MIKE1D-Berechnungskern dem Anwender vor allem folgende Vorteile:

  • Vereinfachte explizite Lösung der Saint-Venant-Gleichungen für kurze Leitungslängen sowie automatische Optimierung der Iterationsintervalle zur Vermeidung von Instabilitäten.
  • Berücksichtigung des Rückstaus, der Verbundwirkung vermaschter Netze, der Retention, komplexer hydraulischer Randbedingungen, möglicher Änderungen der Fließrichtung.
  • Direkte Simulation beliebiger Netzelemente (Rohre, Druckrohre, Gräben, Stauräume, Verzweigungen, Sonderbauwerke, Schieber/Drosseln) ohne Veränderung der Stammdaten durch hydraulische Ersatzsysteme.
  • Einfache hydraulische Detaillierung der Regenwasserbehandlungs-Sonderbauwerke ohne Stammdatenanpassung. Planung der Anschlüsse, Wehre, Pumpen und Schieber/Drosseln im Baukastenprinzip mit beinahe beliebiger Anzahl der genannten Elemente.
  • Nutzung der BaSYS-Arena-Architektur mit vielfältigen Möglichkeiten zur schnellen Suche, Gegenüberstellung, Plausibilitätskontrolle, strukturierten Anpassung und Ausgabe der relevanten Daten.
  • Definition der Einzugsflächenattribute per Oberflächentypen-Bibliothek, durch deren intelligente Nutzung der Zeitaufwand zur Erfassung der Einzugsflächen und damit zur Kalibrierung der Abflussbildung erheblich reduziert wird.
  • Grafische Ausgabe der Niederschlagsdaten, Profilquerschnitte, Ganglinien und Kennlinien. Vergleichende Ganglinienausgabe für benachbarte Haltungen sowie für Bauwerke mit allen Unterelementen. Fertige benutzerdefiniert variierbare Themenpläne sowie dynamischer Längsschnitt der Berechnungsergebnisse.
  • CSV-Schnittstelle für alle Bibliotheksdaten und Schnittstelle zum Import der Niederschlagsdaten aus dem Rain Manager.

Damit mündet die Durchführung von Projekten der Regenwasserbewirtschaftung mit MIKE1D schnell in eine solide Wertschöpfung für Auftragnehmer und Auftraggeber.

In den Rain Manager werden standardmäßig die Massendaten des Deutschen Wetterdienstes importiert. Die Daten werden dort in einer Firebird-Datenbank verwaltet. Der Import anderer Massendatenformate ist bei entsprechender Konfiguration der Definitionsdatei ebenfalls möglich.

Über die integrierten Statistikfunktionen werden gemäß DWA-A 121 je nach Aufgabenstellung Datums- und Einzelregen, Modellregengruppen, Serienregen und/oder ein Kontinuum erzeugt.

Zur Vorabanalyse der Niederschlagsdaten lassen sich Standardansichten mit unterschiedlichen Detaillierungsstufen und zusätzlicher Anzeige der Extremwerte sowie individuell einstellbare Ansichten nutzen.

Die Konfigurationen zur Generierung der Modellregengruppen und Serienregen werden automatisch über die Vorgaben gemäß DWA-A 118 erzeugt. Das gewünschte Ergebnis der statistischen Auswertung wird in eine standardisierte XML Datei geschrieben – mit direkter Importmöglichkeit in die hydrodynamische Kanalnetzsimulation oder eine andere Applikation.

Der zu berechnende Kanalnetzbereich wird nach einmaliger grafischer Wahl der Endhaltungen automatisiert als sogenanntes Hydrauliknetz erzeugt. Bedarfsweise werden Anfangshaltungen zusätzlich definiert. Die Kanalobjekte des Hydrauliknetzes sind ohne Veränderung der Stammdaten durch hydraulische Ersatzsysteme direkt aus der Datenbank berechenbar.

Dabei berücksichtigt die hydrodynamische Kanalnetzsimulation je Berechnungslauf alle Berechnungselemente wie Rohre, offene Gräben, Rückhalteeinrichtungen, Verzweigungen, Sonderbauwerke, Wehre, Pumpen und Schieber/Drosseln. Die Kanalnetzdimensionierung mit dem Zeitbeiwert-Verfahren interpretiert das Hydrauliknetz automatisch als Schächte-Haltungen-Modell, das die Detaillierung von Sonderbauwerken nicht berücksichtigt.Globale Voreinstellungen ermöglichen die parallele Formulierung und Verwaltung unterschiedlicher Randbedingungen für die hydraulische Dimensionierung und/oder hydrodynamische Simulation des Kanalnetzes. Vor jedem Rechenlauf wird die gewünschte globale Voreinstellung gewählt.

Zusätzlich sind je Kanalobjekt individuelle, von der globalen Voreinstellung abweichende, hydraulische Bedingungen definierbar. Jedem Rechenlauf wird ein Regen aus der Regentypbibliothek zugeordnet.

Zur Visualisierung der Ergebnisse aus der Kanalnetzdimensionierung und der hydrodynamischen Kanalnetzsimulation stehen vordefinierte Datenbankabfragen und Berichte zur Verfügung. Die darin ausgegebenen Daten sind in Form beliebiger Office-Dokumente wie MS-Excel-Dateien zur weiteren Verwendung exportierbar.

Das BaSYS Dashboard analysiert die Ergebnisse statistisch. Wichtige Kenndaten werden dynamisch über baukastenartig angeordnete Diagramme ausgegeben. Die in das Baukastensystem integrierten Statistiken können interaktiv gefiltert werden. Den Entscheidungsträgern wird damit interaktiv der aktuelle Projektstand präsentiert.

Durch die Rechenläufe der hydrodynamischen Kanalsetzsimulation werden für die relevanten Kanalobjekte Ganglinien erzeugt und in die Datenbank gespeichert. In den Formularen werden die Ganglinienwerte tabellarisch und grafisch, die Extremwerte tabellarisch und in Feldern dargestellt. In BaSYS-Plan werden die Daten über Themenpläne, beispielsweise zu Wasserstand und hydraulischer Auslastung, visualisiert.

Ebenfalls für die Kanalnetzsimulation zeigt eine Ergebnisübersicht die Ganglinien des aktiven Kanalobjekts und seiner Nachbarobjekte. Für Haltungen sind außerdem die Abflussganglinien der angeschlossenen Einzugsflächen, für Sonderbauwerke die Ganglinien der Unterelemente zu sehen. Die Ansicht ist zwischen Wassertiefe und Durchfluss wechselbar. Der dynamische Längsschnitt wird in einem separaten Abschnitt beschrieben.

Die Datenbankabfragen und Berichte, das Dashboard und die Themenpläne sind über standardisierte XML-Dokumente definiert. Diese können dupliziert, im multifunktionalen Editor bearbeitet sowie beliebig importiert und exportiert werden.

Der dynamische Längsschnitt ist in die hydrodynamische Kanalnetzsimulation integriert und entspricht einer Videoanimation zur zeitlichen Entwicklung der Wasserspiegellage in einer gewählten Haltungsfolge. Die Simulationsergebnisse können so den Entscheidungsträgern für kritische Stellen des Kanalnetzes realitätsnah visualisiert werden.

Die Haltungsfolgen des dynamischen Längsschnitts werden intuitiv definiert und in der Datenbank verwaltet. Je geladener Haltungsfolge sind die Daten eines beliebigen Berechnungslaufs abrufbar.

Die Animation wird automatisch und/oder über einen manuellen Schieberegler durchgeführt. Durch die Unterbrechung der Animation, den Halt des Schiebereglers oder die direkte Ansteuerung eines Zeitschritts entsteht ein Standbild, das gedruckt und/oder exportiert werden kann.

 

 

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