Hydrodynamisches Schmutzfrachtmodell FLAPS         

Das Programm besteht aus 4 Teilprogrammen:

Der Name FLAPS ist vielleicht noch nicht die letzte Idee. Er steht für Flow And Particle/Pollution Simulation mit den Erweiterungen Sewer und Surface.

Die für eine Simulation einzugebende Datenmenge ist ohne eine intuitive Eingabeoberfläche nicht handhabbar.  Also gibt es eine Programm-Shell zur Eingabe der... 

Die Shell ist zwar nicht grafisch unterlegt, es wurde aber versucht, die Dateneingabe mit verschiedenen Tools zu erleichtern und die Daten zu prüfen. Auch der Umgang mit große Kanalnetzen dürfte kein großes Problem sein. Sicherlich lässt sich noch viel verbessern und ergänzen, doch für meine Dissertation ist die Shell nur Mittel zum Zweck. Wenn ich mal wieder mehr Zeit habe...

Die Shell sieht dann so aus...        

Das Programm berechnet aus realen Niederschlagsreihen (MD-Format) über Einzelverlustansätze (Epsilon-/Psi-Ansatz) den abflusswirksamen Niederschlag der Teilflächen (Abflussbildung) und über Speicherkaskaden oder einen hydraulischen Ansatz den Zufluss zu den Schächten des Kanalnetzes (Abflusskonzentration). Parallel können die von Oberflächen abgespülten und den Schächten zufließenden Feststofffrachten simuliert werden. Diese werden durch das Programm FLAPS-SE als eine Zuflusskomponente eingelesen. Die Feststoffe berechnen sich durch Akkumulation (e-Funktion) und 6 verschiedene Ansätze für den Stoffabtrag nach 5 Partikelgrößen-Fraktionen und dem gelösten Anteil (Basiskonzentration des Niederschlags).

Der Programmbaustein für den Kanalabfluss ist fertig und läuft erfreulich stabil. Der Nachweis der Ergebnisqualität und der Kalibrierbarkeit ist Thema meiner Dissertation. Dazu also dann dort mehr. Natürlich ergeben sich bei der praktischen Anwendung immer wieder neue Ideen und Wünsche. Also gibt es auch immer noch was zu tun.

Hydraulik
Die Differentialgleichungen nach Barré de Saint Venant werden in vollständiger Form explizit gelöst. Bei der Hydraulik werden Ablagerungen nach Höhe (verändertes Abflussprofil) und anderer Rauheit berücksichtigt. Das war in der Umsetzung nicht so einfach, denn einige "übliche" Hydraulik-Funktionen können nicht mehr in der einfachen Form verwendet werden. Sei es z.B. nur die Berechnung kritischer Fließtiefen. Ein einfaches Kreisprofil ist dann kein Standardprofil mehr. Allein schon diese Funktion wird man nicht in vielen Modellen finden.

Der Simulations-Zeitschritt kann fest oder variabel gewählt werden. Im variablen Fall wird der Zeitschritt nach der bekannten COURANT-Bedingung selbst berechnet.

An Sonderbauwerken bzw. -elementen sind 6 verschiedene Typen von Pumpen und 6 verschiedene Typen von Drosseln implementiert. Dabei ist natürlich der Dresdner Drehbogen. Einige der Typen können durch den Anwender über die Vorgabe von Kennlinien definiert werden. Bei den Drossel-Elementen ist noch das Element "Schieber bzw. Schütz" programmseitig vorbereitet, aber noch nicht verfügbar. Weiterhin gibt es Wehre mit der bekannten Wehrformel nach POLENI. Der Abfluss kann vollkommen und unvollkommen sowie mit verschiedenem Anströmwinkel erfolgen.

Neben den Standardprofil-Typen wie Kreis, Ei, Maul, Trapez/Rechteck, Dreieck (jeweils offen und geschlossen) können beliebige Profile von einer Sonderprofil-Datei eingelesen werden. Im Augenblick wird das originale Datenformat von HYSTEM/EXTRAN^© des ITWH Hannover verwendet. Damit sind theoretisch alle Profilarten rechenbar.

Die maximale Größe des Netzes habe ich noch nicht ausgetestet. Derzeit rechne ich mit einem Netz von ca. 1900 Haltungen. Zum Test habe ich es auch schon mal mit 10000 Haltungen probiert. 

Feststofftransport
Der Schmutzfrachttransport erfolgt für 2 Feststoff-Typen (z.B. organisch/anorganisch), die der "Simulant" über die Dichte und den Porenanteil definieren kann. Diese 2 Feststoff-Typen werden dann mit z. Zt. je 5 Partikelgrößen-Fraktionen (Sieblinie) und dem gelösten Anteil transportiert. 

Der Transport der Partikel erfolgt nach verschiedenen Modellansätzen. Da wären:

Für den differenzierten Transport sind:

Für die Entscheidung über Akkumulation, Erosion oder Transport werden also Gleichungen aus einem bunten Gemisch empirischer und (halb-)physikalischer Abstammung herangezogen. Die fraktionierte Betrachtung kann bereits bei der Simulation des Abflusses von Oberflächen erfolgen.

Durch die Integration von Hydraulik und Schmutzfrachtmodell kann sich das Modell die Ablagerungshöhen selbst berechnen. Da wohl allgemein bekannt ist, dass die Modellansätze für die Schmutzfrachtberechnung sehr umstritten sind, habe ich für die Berücksichtigung der Ablagerungen bei der Hydraulik verschiedene Möglichkeiten vorgesehen. Da wären:

Anwendung auf für Abwasser wesentliche Schmutzparameter:
Der Partikeltransport ist die Basis für die Beschreibung des Schmutzfrachttransportes üblicher Abwasserparameter wie CSB, BSB, NH₄-N usw. Diese Parameter werden prozentual den Feststoffpartikeln bzw. der gelösten Phase zugeordnet. Der Transport ist damit beschreibbar, da sich die Partikel in ihren Fraktionen unterschiedlich bewegen. Ob ich später mal Umsatzprozesse über den Fließweg integriere, steht noch in den Sternen, ist aber theoretisch recht einfach möglich. 

Das Ganze läuft unter Windows. Man kann sich zur Laufzeit die Online-Daten anzeigen lassen, wahlweise als Tabelle oder Diagramm. So sieht man schon rechtzeitig, was einen erwartet. Die Simulation kann außerdem unterbrochen werden, und der Anwender kann noch verschiedene Einstellungen vornehmen z.B. Simulationsende, Zeitschritt ändern oder Ansatz für die Schmutzfrachtberechnung. Diesen Punkt werde ich künftig noch ausbauen. Ich denke da an die Änderung von Drossel-/Schieberstellungen oder Pumpenleistungen zur Laufzeit. Dann ist theoretisch eine Steuerung möglich. Neu ist auch, dass man einen Simulationsstand speichern kann, bei dem zu einem späteren Zeitpunkt weitergerechnet wird. Das ist gerade für die Schmutzfrachtberechnung mit größeren Netzen praktisch, wenn z.B. ein Ablagerungsbett bei Trockenwetter selbst berechnet und dann mit Regenereignissen beaufschlagt werden soll. Der Simulationsaufwand bis zur Berechnung des AL-Bettes braucht so nur 1x berechnet werden.

Das Programm ist in der FLAPS-Familie ein eigenständiges Programm. Es kann über die Shell, als auch separat gestartet werden. Beim Start über die Shell läuft die Simulation im blinden Modus, d. h., es werden keine Nutzereingaben erwartet. Es kann ein Batch-Lauf zusammengestellt werden, der beliebig viele Einzelsimulationen, je nach Größe der Festplatte;-), enthält. Da FLAPS-SE auch nach Simulationsende den Rechner selbständig runterfahren kann, kann man also beruhigt einen Simulationslauf übers Wochenende starten.

Während der Simulation können zur Online-Überwachung Tabellen und Diagramme angezeigt werden.

Das sieht dann so aus...        

Die Idee zu diesem Programm ist erst jetzt im praktischen Einsatz an großen Kanalnetzen geboren. Da die großen Ausgabedaten irgendwie verwaltet werden mussten. Mit dem Programm werden die laufenden Ausgabedateien von FLAPS-Surface und FLAPS-Sewer gelesen. Es lassen sich für frei wählbare Haltungen oder Schächte Diagramme anzeigen oder die Daten für den Import mit z.B. EXCEL ausgeben. Der Umfang ist inzwischen relativ komfortabel mit Diagrammformatierung, Ein-/Ausblenden von Achsen, Datenabfragen, Druckfunktion ...

Das sieht dann so aus...     

Stand: März 2008

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