Ein stochastischer Ansatz für Transportprozesse in einem Kanalsystem

Robert Sämann1, Thomas Graf1, Insa Neuweiler1
1 Institut für Strömungsmechanik, Leibniz Universität Hannover

P 14.2 in Urbane Hydrogeologie

 

Die Abwassersysteme in Großstädten leiten Abwässer in Kläranlagen und Regenwasser zum Teil direkt in Oberflächengewässer ab. Da das Kanalsystem viele Zuflüsse aufweist, ist es anfällig für den Eintrag von Schadstoffen. Bei Starkregenereignissen kann Kanalwasser an Schächten sowohl in den Untergrund als auch an die Oberfläche gelangen (Fuchs, 2013), was zu einer potentiellen Gefährdung durch Schadstoffe führt.

Im Falle einer Havarie (z.B. Tanklaster-Leckage) wird eine möglichst schnelle Vorhersage der möglichen Fließwege und einer Verteilung der Stoffe gebraucht. Numerische Schemata zur Modellierung des Schadstofftransports sind nötig, um von der Ursache auf die Folgen zu schließen und mögliche Gegenmaßnahmen zum Schutze der Umwelt einzuleiten.

Solche Schemata müssen schnell und effizient sein. Daher werden 2D und 3D Transportprozesse in einem Rohr oder Kanalabschnitt auf eine eindimensionale Betrachtung reduziert. Dennoch soll der Transport und die Vermischung der Stoffe, besonders unter zeitlich stark veränderlichen Bedingungen, so realistisch wie möglich reproduziert werden, um zum Beispiel Spitzenkonzentrationen gut abschätzen zu können.

In diesem Beitrag wird ein Partikelmodell für den Transport in einem Rohrnetzwerk vor. Die Berechnung der Transportgeschwindigkeit erfolgt anhand der Füllstände, Geometrie und Lage der Rohre. Die Variabilität wird mit einem stochastischem Ansatz (Chiu et al., 2006) abgebildet. Eine Vielzahl von Partikeln repräsentiert dabei die Bandbreite der auftretenden Geschwindigkeiten im Rohrnetzwerk. Somit wird der Transport nicht in einem diskreten Gitter aufgelöst, sondern für jedes Partikel als kontinuierlich betrachtet. Hierdurch ist eine Adaption der räumlichen und zeitlichen Schrittweiten möglich. Zudem dienen die Partikel der genauen Kopplung mit Oberflächenabfluss- und Rohr-Leckage-Modellen.

Um künftig ein gekoppeltes Strömungs- und Transportmodell für eine Stadt von mehr als 500.000 Einwohnern anwenden zu können, werde die möglichen Werte der Geschwindigkeit im Vorfeld berechnet und in Umsetzungstabellen abgelegt (Austin et al., 2014).



 

Fuchs, L. (2013). Gefährdungsanalyse zur Überflutungsvorsorge kommunaler Entwässerungssysteme. Sanierung und Anpassung von Entwässerungssystemen–Alternde Infrastruktur und Klimawandel, Österreichischer Wasser-und Abfallwirtschaftsverband, Wien, ISBN, 978-3.

Chiu, C. L., & Hsu, S. M. (2006). Probabilistic approach to modeling of velocity distributions in fluid flows. Journal of Hydrology, 316(1), 28-42.

Austin, R. J., Chen, A. S., Savić, D. A., & Djordjević, S. (2014). Quick and accurate Cellular Automata sewer simulator. Journal of Hydroinformatics, 16(6), 1359-1374.