Университет по архитектура строителство и геодезия Хидротехнически факултет

Университет по архитектура, строителство и геодезия Хидротехнически факултет катедра “Водоснабдяване, канализация и пречистване на водите” Факултативен курс по “Компютърно моделиране на канализационни мрежи” Лектор: проф. д. т. н. инж. Румен Арсов Асистент: гл. ас. д-р инж. Таня Игнева-Данова 1

Лекционен курс “Компютърно моделиране на канализационни мрежи” СЪДЪРЖАНИЕ I. Кратък лекционен курс – основни сведения • Функционални и нормативни изисквания при проектиране на канализационни мрежи • Комерсиални симулационни програмни продукти – област на приложение, съдържание и ограничения • Количествена оценка на риска от хидравлично претоварване на канализационните мрежи и наводнения – илюстрации II. Упражнения – практически занятия • Основни сведения и постановки при симулационния програмен продукт MOUSE • Въвеждане на канализационна мрежа и съответните водосбори в MOUSE • Избор на проверовъчен дъжд при MOUSE • Провеждане на симулационни изследвания • Онагледяване на резултатите чрез програмния продукт MIKE / MIKE URBAN • Количествена оценка на риска от хидравлично претоварване на 2 канализационните мрежи и наводнения – упражнения

Лекционен курс “Компютърно моделиране на канализационни мрежи” Литература • Записки по лекционния курс и упражненията • Т. Игнева-Данова, Оценка на риска от хидравлиюно претоварване на • • • канализационна мрежа и наводнение, Дисертация, София, УАСГ, 2010 MIKE – Collection Systems, Ръководство на потребителя, DHI Software, DHI Water & Environment, 2001 MIKE URBAN – Collection Systems, Ръководство на потребителя, DHI Software, DHI Water & Environment, 2005 Butler, D. , J. W. , Davies, Urban Drainage, Spon Press, London, 2006 3

Лекционен курс “Компютърно моделиране на канализационни мрежи” Защо е необходимо компютърно моделиране на канализационните мрежи? Защото: • Това се изисква от действащия Български държавен стандарт БДС • • EN 752, в случаите когато той се прилага Това е императивно изискване на Наредба № РД-02 -20 -8 от 17 май 2013 г. “Правила и норми за проектиране, строителство и експлоатация на канализационни системи” към Закона за устройство на териториите (ЗУТ) Това е императивно изискване в тръжните документи на международните конкурси за проектиране и строителство на канализационни системи, обявявани от Правителството на Р. България (чрез МРР и МОСВ) 4

Лекционен курс “Компютърно моделиране на канализационни мрежи” Поради локалния си характер, наводненията при хидравлично претоварване на канализационната мрежа не са толкова зрелищни в сравнение с тези, които са причинени от реките, но те имат по-голяма повтаряемост и затова причиняват големи икономически и екологични щети. В някои случаи комбинацията от валежи със сравнително малка интензивност, но с голяма продължителност, може да доведe до по-голямо наводнение, отколкото при само еднократен интензивен дъжд. 5

Лекционен курс “Компютърно моделиране на канализационни мрежи” Дали наводненията на урбанизираните територии, причинени от интензивни дъждове, наистина не са толкова зрелищни и опасни, както тези, причинени от разливането на реки? Следващите няколко илюстрации свидетелстват недвусмислено за противното. . 6

7

8

9

10

11

Операта в гр. Дрезден, 2005 г. 12

13

14

Рим, 2005 г. 15

Чадърът никога не е излишен 16

Един дъждовен ден в Белград 17

. . . и в Русе (май 2005 г. ) 18

Германия, 2005 г. 19

20

Левият завой обикновено е по-труден. . . 21

До козирката. . . 22

Една от тривиалните причини за наводненията в урбанизираните територии в България - София, кв. “Лозенец”, 2008 г. 23

Лекционен курс “Компютърно моделиране на канализационни мрежи” Тема 1 Функционални и нормативни изисквания при проектиране на канализационните мрежи Функционални изисквания (според “Правила и норми за проектиране, строителство и експлоатация на канализационни системи” – Наредба № РД-02 -20 -8 от 17 май 2013 г. ) Чл. 3 (1) защита на прилежащите територии от наводняване и намаляване на риска и евентуалните щети от наводнения при екстремални условия; …………………………………………… 10. хидравлична проводимост и функционалност на системата при реконструкции, преустройства и/или основни ремонти; 1. 24

Лекционен курс “Компютърно моделиране на канализационни мрежи” Чл. 8. Списък на приложимите български стандарти проектирането, изграждането и експлоатацията на канализационните системи е даден в Приложение № 5. . . . . . . . . . . Приложение № 5 към чл. 8 Списък на приложимите български стандарти проектирането, изграждането и експлоатацията на канализационните системи 1. БДС EN 752 „Канализационни системи извън сгради”. . . . . . . . . . . 25

Функционални и нормативни изисквания при проектиране на канализационни мрежи БДС EN 752/2008 г. – т. 8. 4. 3. , Табл. 3 № Вид на урбанизираната територия и нейни елементи 1 2 Период на еднократно претоварва не на мрежата Р* , год Повтаряемост на наводненията** при хидравлично претоварване през експлоатационния период, год-1, (год) 3 4 1. селски райони 1 0, 1 (1 път на 10 г. ) 2. жилищни територии 2 0, 05 (1 път на 20 г. ) 3. смесени централни зони, територии за обществено обслужване и производствени територии в урбанизираните територии 5 0, 033 (1 път на 30 г. ) 4. подземни пътни съоръжения, подлези и др. 10 0, 02 (1 път на 50 г. ) * За оразмерителния дъжд не трябва да настъпва хидравлично претоварване. ** Наводнение при хидравлично претоварване на канализационната мрежа възниква при достигане на водното ниво в шахтите до нивото на терена (уличната настилка). То се предизвиква от дъжд с период на еднократно претоварване (цифрите в скобите в последната колона на таблицата) или с неговата реципрочна стойност - повтаряемост (цифрите извън скобите в последната колона). 26

Функционални и нормативни изисквания при проектиране на канализационни мрежи Правила и норми за проектиране, строителство и експлоатация на канализационни системи – Приложение № 2, Табл. 1 № по ред Вид на урбанизираната територия и нейните елементи Период на еднократно претоварване на мрежата * Р, год. 1. Дъждовна канализация 0, 5 2. Населени места до 10 000 жители 1 -2 Населени места над 10 000 жители 3. Жилищни територии 2 -3 4. Производствени територии 1 -3 5. Смесени централни територии, територии за обществено обслужване в урбанизираните територии 2 -5 6. Подземни пътни съоръжения 10 * За оразмерителния дъжд не трябва да настъпва хидравлично претоварване. 27

Функционални и нормативни изисквания при проектиране на канализационни мрежи • Отточният коефициент е класическият параметър за определяне на загубите на дъждовна вода, използван още през 19 век, във връзка с оценката на дъждовния повърхностен отток в речни водосбори и урбанизирани територии • Отточният коефициент е груба количествена мярка за отчитане на частта от дъждовните води, формиращи повърхностния отток, който попада в канализационната мрежа • Отточният коефициент влияе пряко върху големината на дъждовното оразмерително водно количество, а чрез него – и на действителния период на еднократно претоварване – Р • Така например, ако канализационната мрежа е оразмерена при ψ = 0, 50 и Р = 10 г. , а в действителност се окаже, че ψ = 0, 60, то действителната стойност на Р ще бъде 4 г. При действителна стойност на ψ = 0, 40, периодът на еднократно претоварване Р се оказва 40 г. • Следователно, прилагайки отточния коефициент при хидравличното оразмеряване на канализационните мрежи (съгласно изискванията на Наредба РД-02 -20 -8/2013 г. ) не е сигурно точното спазване на нормативния период на еднократно претоварване. Такава сигурност може да бъде постигната само чрез проверовъчни изследвания със симулационни модели, което обаче не е регламентирано в наредбата. 28

Функционални и нормативни изисквания при проектиране на канализационни мрежи Наредба № РД-02 -20 -8 за проектиране, изграждане и експлоатация на канализационни системи Чл. 11. (1) За извършване на проверка на резултатите при проектирането на разделни дъждовни и на смесени канализационни мрежи, обхващащи водосборни области над 200 ha, се прилагат компютърни модели за симулиране на оттока в съответствие с приложение № 6. . . . (следват предпоставки и ограничения, на практика изключвайки възможността от прилагане на проверки чрез симулационни хидравлични модели проектирането) Чл. 159. (1) Планът за експлоатация и поддръжка на канализационните мрежи и съоръжения съдържа най-малко: 8. оценка на риска за излизане от експлоатация на елементите на системата и на последиците в резултат на това при спазване на нормативните изисквания за управление на водите; 29

Функционални и нормативни изисквания при проектиране на канализационни мрежи Наредба № РД-02 -20 -8 за проектиране, изграждане и експлоатация на канализационни системи Чл. 161. . . . . . . . . . . . . . . 30

Функционални и нормативни изисквания при проектиране на канализационни мрежи Наредба № РД-02 -20 -8 за проектиране, изграждане и експлоатация на канализационни системи Чл. 166. (1) При експлоатацията на канализационните мрежи се събира, обработва и съхранява информация за следните основни цели: 2. изготвяне на доклади за състоянието на мрежата, за необходимоста от текуща поддръжка, ремонти и реконструкции на канализационната мрежа и на съоръженията към нея, за инцидентни повреди и аварии, за чистотата на водоприемниците, за безопасните и здравословни условия на труд за персонала и за оценката на риска от хидравлично претоварване и наводняване; 31

Функционални и нормативни изисквания при проектиране на канализационни мрежи Наредба № РД-02 -20 -8 за проектиране, изграждане и експлоатация на канализационни системи (2) Информацията по ал. 1 съдържа най-малко следните данни: . . . . . . 7. за симулационни моделни изследвания, провеждани при подходящи сценарии, за определяне на поведението и хидравличния капацитет на канализационната мрежа при интензивни дъждове, като евентуално се преценява необходимостта от реконструкция на мрежата; . . . . . . 18. доклади за оценка на риска от хидравлично претоварване на канализационната мрежа и наводняване на урбанизираните територии. . . . . . . (3) Информацията по ал. 2 се отразява своевременно в кадастъра на канализационната система. 32

Нормативни изисквания - чл. 166 (2) т. 7 и т. 18 • В Наредба РД-02 -20 -8 липсват всякакви изисквания и насоки за оценка на • • риска от хидравлично претоварване и наводнение Оценката на риска може да бъде направена на две нива: – качествена оценка – количествена оценка Качествена оценка чрез матрица на риска П о с л е д с т в и е Вид последствия Вероятност за случване на нежелано събитие голяма средна малка много малка незначи телна катастрофално 1 1 1 2 3 -4 критично 1 1 2 3 4 планирано (поносимо) 2 2 3 3 4 незначително (пренебрежимо) 4 4 4 Легенда (според чл. 147, ал. 1 т. 8, Приложение 14 от проекта за Наредба за КС, вариант 2012 г. ): 1 – висок риск; 2 – среден риск; 3 – нисък риск; 4 33 незначителен риск

Нормативни изисквания - чл. 166. (2) т. 18 • Количествена оценка на риска – – Опростен емпиричен метод Метод на Бейс Метод, основан на Теорията на размитите множества Други методи Методите за количествена оценка на риска за хидравлично претоварване на канализационната мрежа или за наводнения се основават на детайлно симулиране на хидравличното поведение на системата чрез съответните компютърни програми. 34

Функционални и нормативни изисквания при проектиране на канализационни мрежи Наредба № РД-02 -20 -8 за проектиране, изграждане и експлоатация на канализационни системи Методи за моделиране на канализационни мрежи Приложение 6 1. 1. Опростени (емпирични) методи При тези методи течението се разглежда като равномерно и стационарно. Скоростта при условия на течение при пълен профил може да се използва за изчисляване на времето за оттичане. Опростените (емпирични) методи се използват предимно за установяване на максималното количество на повърхностните дъждовни води от водосборни области до 200 ha или на време за оттичане до 15 min, като се приема постоянна интензивност на дъжда. Към тях се отнася и рационалният метод (метод на пределната интензивност) съгласно приложение № 2, т. 1. 35

Функционални и нормативни изисквания при проектиране на канализационни мрежи Наредба № РД-02 -20 -8 за проектиране, изграждане и експлоатация на канализационни системи Приложение 6 1. 2. Хидрологични методи При тези методи освен равномерно и стационарно течение може да се симулира и неравномерно стационарно течение и да се вземат предвид задържащата и акумулиращата функция на канализационната мрежа, но не и обратните потоци, предизвикани от появата на хидравлично претоварване на канализационната мрежа. Методите са подходящи за проектирането на поголеми канализационни мрежи, за проверка на хидравличния капацитет (без хидравлично претоварване) на съществуващи канализационни мрежи или за симулиране на действието на канализационна мрежа при дълга серия от интензивни валежи, регистрирани за продължителен период. 36

Функционални и нормативни изисквания при проектиране на канализационни мрежи Наредба № РД-02 -20 -8 за проектиране, изграждане и експлоатация на канализационни системи Приложение 6 1. 3. Хидродинамични методи При тези методи може да се симулира и неравномерно нестационарно течение, дори при условия на претоварване и подприщване. С тези методи могат да се отчитат както задържащата и акумулиращата функция на канализационната мрежа, така и обратните потоци, предизвикани от появата на хидравлично претоварване на канализационната мрежа при препълване и подприщване. Затова те могат да се използват при проверка на състоянието на канализационните мрежи относно условията и честотата на препълването им и наводняванията. При хидрологичните и хидродинамичните методи повърхностният дъждовен отток може да се моделира опростено (E) или подробно (D). Областите на приложение на методите са дадени в следната таблица: 37

Функционални и нормативни изисквания при проектиране на канализационни мрежи БДС EN 752 и Правила и норми за проектиране, строителство и експлоатация на канализационни системи Приложение 6 1. . . . . . . . 2. . . . . . . . 3. . . . . . . . Таблица 1. Област на приложение на методите за симулация на оттока (по БДС EN 752) Методи Обхват на използване Опростени Хидрологични Хидродина -мични Проектиране на малки канализационни мрежи Е Е * Проектиране на големи канализационни мрежи - Е * Проверка честотата на препълване и наводняване - - Е или D Преизчисляване на съществуващи мрежи - Е или D Проектиране на дъждопреливници/преливници - Е или D Влияние върху качествата на постъпващата във водоприемника вода - Е Е или D Влияние върху количествата постъпващата във водоприемника вода - Е Е или D Диспечерна система на контрол на мрежата (контрол в реално време) - Е или D * Забележки: Е Оттокът от повърхността се взема предвид по опростен (концептуален) начин 38

IT при оценка на хидравличния капацитет и риска за хидравлично претоварване на канализационни мрежи при интензивни валежи Такава оценка е необходима поради изискванията в следните нормативни документи: • Европейски норми EN 752 за проектиране на канализационни мрежи извън сгради • БДС EN 752 за проектиране на канализационни мрежи извън сгради • Наредба № РД-02 -20 -8 от 17 май 2013 г. за проектиране, изграждане и експлоатация на канализационни системи (ДВ бр. 49 / 04. 06. 2013) За съжаление, в Наредба № РД-02 -20 -8 липсва ясен регламент за прилагане на симулационни хидравлични модели проектирането на канализационни мрежи. Липсва и точен регламент за прилагане на изискванията за използване на симулационни хидравлични модели при експлоатацията на канализационни мрежи и оценка на риска. 39