Városi hidroinformatika MÓDSZERTANI ÚTMUTATÓ URBANIZÁLT VÍZGYŐJTİK CSATORNÁZÁSI RENDSZEREINEK ÉRTÉKELÉSE DINAMIKUS SZIMULÁCIÓ ALKALMAZÁSÁVAL
UWEX
Projekt: LEONARDO DA VINCI Transfer of innovation Tempus No.: 09/0128-L/4006
Urban Water Expert: Development of complex mobile IT center for lifelong learning by involvement of end-users and training network in urban water management.
SZEPTEMBER 2011
2
Ez a módszertani útmutató az alábbi forrásmunkák felhasználásával készült:
Cseh Köztársaság Szennyvíz-szakértık Szövetsége Urbanizált területek vízelvezetése, 2009. Szakcsoport: Cseh Köztársaság, Szennyvíz-szakértık Szövetsége A szakértıi csoport tagjai: Ing. David Stránský, PhD.
ČVUT (Cseh Mőszaki Egyetem) Prága, Építımérnöki Kar, Egészségügyi és Ökológiai Mérnöki Tanszék
Doc. Ing.Vladimír Havlík, CsC
HYDROPROJEKT CZ a.s.
Dr. Ing. Ivana Kabelková
ČVUT (Cseh Mőszaki Egyetem) Prága, Építımérnöki Kar, Egészségügyi és Ökológiai Mérnöki Tanszék
Ing. Tomás Metelka, PhD.
DHI a.s.
Ing. Petr Sýkora
Pražské vodovody a kanalizace, (Prágai Víz- és Csatornamő) a.s.
Ing. Michal Dolejš
Pražské vodovody a kanalizace, (Prágai Víz- és Csatornamő) a.s.
Ing. Radovan Haloun, CsC.
Aqua Prokon Kft.
Ing Aleš Mucha, MBA
HYDROPROJEKT CZ a.s.
Ing. Karel Pryl,
DHI a.s.
és CSATORNARENDSZEREK HIDRAULIKAI MODELLEZÉSÉNEK ELJÁRÁSI SZABÁLYZATA, (Egyesült Királyság), 2002 Szennyvíztervezıi felhasználói csoport (Wastewater Planning Users Group – WaPUG) A szakértıi csoport tagjai: Nick Orman, Nick Martin, Peter Myerscough Neil Scarlett Ian Noble
WRc Swindon, Thames Water, Yorkshire Water Services, Integrated Hydro Systems és Montgomery Watson.
3
4
Tartalomjegyzék Bevezetés .................................................................................................................................... 9 1. Az integrált települési szenny- és csapadékvíz gazdálkodás fı rendszerparaméterei és azok célértékei .................................................................................................................................. 11 1.1 Felszíni lefolyás: a vízgyőjtı válasza a csapadékterhelésre ................... 11 1.2 Csatornahálózati lefolyás: a hálózat és hálózati mőtárgyak szállítási és tározási jellemzıi. ................... 14 1.2.1 A hálózat mőszaki állapota ..................................................................................... 14 1.2.2 Idegen vizek ............................................................................................................ 15 1.2.3 Feliszapolódás a csatornahálózatban ....................................................................... 17 1.2.4 Hidraulikai kapacitás ............................................................................................... 18 1.2.5 Elöntés (árvíz) elleni védelem ................................................................................. 21 1.3 A csatornahálózat és a szennyvíztisztító telep kapcsolata: a telep hidraulikai és szennyezıanyag terhelése ................... 23 1.4 A csatornahálózat és a befogadó kapcsolata: a befogadó hidraulikai és szennyezıanyag terhelése ................... 24 2. A lehetséges intézkedések terjedelme, modellezési feladat-típusok .................................... 29 2.1 Modellezési feladat-típusok ................... 31 2.1.1. I. típus: vázlatos tervezési modell .......................................................................... 32 2.1.2. II. típus: vízgyőjtı-tervezési modell....................................................................... 33 2.1.3. III. típus: részletes tervezési modell ....................................................................... 33 2.1.4. Csatornarendszerbeli lefolyás minıségének modellezése...................................... 34 2.1.5. Más elıírások alapján készülı modellek ................................................................ 34 2.2. Korábban kidolgozott modell felhasználása más célból ................... 34 3. A szimuláció alkalmazási területe és a modellezett folyamatok .......................................... 35 4. Terhelési paraméterek és a szimulált események típusai ..................................................... 38 4.1 A szimulált események típusai ................... 38 4.2 A szimulációs modellek adatai ................... 38 4.2.1 Adatok ..................................................................................................................... 38 4.2.2 Az adatgyőjtés szintjei ............................................................................................ 44 4.2.3 A modellek felépítése .............................................................................................. 48 4.2.4 A modellek tesztelése .............................................................................................. 57 4.2.5 Kalibrálás, verifikálás.............................................................................................. 58 4.3 Monitoring program ................... 64 4.3.1 Monitoring hálózat kijelölése a vízgyőjtı méretének figyelembe vételével ........... 64 4.3.2 A monitoring program idıtartama........................................................................... 66 4.3.3 A mérés, mintavételezés idıléptéke ........................................................................ 66 4.3.4 Az ajánlott mérési eljárás és a helyes mérés feltételei ............................................ 67 4.3.5 A mérési adatok értékelése ...................................................................................... 75 5. Az alkalmazandó modell és a megoldandó feladat kapcsolata ............................................ 77 5.1 Hosszú idıszakra vonatkozó szimulációs igény ................... 77 5.1.1 A felszíni lefolyás meghatározása és értékelése ..................................................... 77 5.1.2 A hálózat hidraulikai kapacitásának meghatározása, értékelése ............................. 78 5.1.3 Az egyesített rendszerő hálózathoz kapcsolódó szennyvíztisztító telep terhelésének meghatározása .................................................................................................................. 78 5.1.4 A csatornahálózat hatása a befogadó vízjárására és/vagy vízminıségére............... 79 6. A tervdokumentáció ajánlott felépítése (szerkezete) ........................................................... 80 6.1 Bevezetés ................... 80 5
6.2 A tervezéssel érintett terület és vízgazdálkodási rendszer ismertetése ................... 80 6.2.1 A terület jellemzıje ................................................................................................. 80 6.2.2 Természeti viszonyok .............................................................................................. 80 6.2.3 Szocio-ökonómiai jellemzık ................................................................................... 80 6.2.4 Vonatkozó jogi elıírások ........................................................................................ 81 6.3 A tervek alapadatai ................... 81 6.3.1 A területtervezés dokumentációja ........................................................................... 81 6.3.2 A települési információs rendszer dokumentációja ................................................ 81 6.3.3 A csatornahálózat tulajdonviszonyai ....................................................................... 81 6.3.4 A GIS és a modell információi ................................................................................ 81 6.3.5 Üzemeltetési információk a csatornahálózatról ...................................................... 81 6.3.6 Egyéb információk .................................................................................................. 82 6.3.7 A számszerő alapadatok értékelése ......................................................................... 82 6.4 A települési vízelvezetés rendszere ................... 82 6.4.1 A vízgyőjtı .............................................................................................................. 82 6.4.2 A csatornahálózat .................................................................................................... 82 6.4.3 A csatornahálózat mőtárgyai ................................................................................... 83 6.4.4 A szennyvíztisztító telep (SZVTT) ......................................................................... 83 6.4.5 A befogadó és a talajvíz .......................................................................................... 83 6.5 A projekt céljai ................... 84 6.5.1 A területfejlesztési célok ......................................................................................... 84 6.5.2 Vízgazdálkodási célok............................................................................................. 84 6.5.3 A vízelvezetési rendszer mőködésének kulcsmutatói ............................................. 85 6.5. 4 A terhelési feltételek megválasztása ...................................................................... 85 6.6 A monitoring mérési eredményeinek dokumentálása ................... 85 6.6.1 Alap információk a monitor program elvégzésérıl................................................. 85 6.6.2 A mérési adatok ....................................................................................................... 85 6.6.3 Statisztikai kiértékelés ............................................................................................. 85 6.7 A modell felépítésének, kalibrálásának és verifikálásának dokumentálása ................... 85 6.7.1 A vízelvezetési rendszer részletességének és/vagy egyszerősítése mértékének bemutatása ........................................................................................................................ 86 6.7.2 A szimulációs modell összeállítása ......................................................................... 86 6.7.3 A szimulációs modell kalibrálása és verifikálása .................................................... 86 6.8 A rendszer aktuális és jövıbeli (tervezett) mőködésének elemzése ................... 86 6.8.1 A meglévı állapot kiértékelése és az azonosított problémák .................................. 86 6.8.2 Javaslat a meglévı- és a tervezett jövendı állapot intézkedéseire .......................... 87 6.8.3 A települési vízelvezetés jövıbeli állapotának értékelése....................................... 87 6.9 Javaslat a szerkezeti és nem szerkezet intézkedésre ................... 87 6.10 Gazdasági értékelés ................... 87 6.11. A projekt dokumentációja ................... 87 6.11.1 A vízgyőjtı dokumentálása .................................................................................. 88 6.11.2 A csatornahálózat dokumentálása ......................................................................... 90 6.11.3 A záporkiömlık dokumentálása ........................................................................... 91 6.11.4 A szennyvíztisztítás dokumentálása ...................................................................... 93 6.11.5 A befogadó(k) ismertetése ................................................................................... 94 6.11.6 A monitoring program dokumentálása .................................................................. 95 6.11.7 A modellezés dokumentálása ................................................................................ 96 6.11.8 Tematikus térképek ............................................................................................... 99 6.11.9 Gazdasági értékelés ............................................................................................. 103 7. A projekt értékelésének összefoglalása (szöveges és táblázatos formában) ...................... 104
6
7
8
Bevezetés A tanulmány célja A tanulmány célja a megbízóként fellépı magyarországi közcsatorna-tulajdonosok (önkormányzatok), az üzemeltetık és a vállalkozóként jelentkezı tervezık számára a városi hidroinformatika elméletén alapuló, dinamikus szimulációval végzett városi szenny- és csapadékvíz, illetve egyesített rendszerő hálózatok közép és hosszú távú átalakítási, felújítási és beruházási terveit szolgáló elemzések szükséges mőszaki tartalmának és dokumentációjának módszertani összefoglalása. Nemzetközi kitekintésben, az 1980-as évekig az urbanizált, elsısorban nagyvárosi területek vízelvezetésének egyetlen tervezési szempontja a csapadék okozta károk elkerülése volt. Ezt a hagyományos, ma is szükséges, de már nem elégséges célt a csapadékvizek befogadóba történı minél gyorsabb elvezetésére alkalmas hálózatok kialakításával érték el. A múlt század elsı feléig a nagyvárosokban fıként egyesített rendszerő hálózatok létesültek, amelyeknél a befogadók védelmét mindössze a záporkiömlık mőködésbe lépéséhez tartozó hígítási arány elıírása szolgálta. Napjainkban is ezek a rendszerek képezik a nagyvárosok törzscsatorna hálózatát. Ennek a mőszaki megoldásnak a hiányosságai akkor váltak világszerte nyilvánvalóvá, amikor kiderült, hogy a városi vízgyőjtırıl, elsısorban annak a nagy gépjármő forgalmú és iparosodott részterületeirıl lefolyó csapadékvíz már nem tekinthetı egyértelmően hígító víznek. Kétségtelenül hígítja ugyan a szennyvíz szerves anyag (BOI5) és növényi tápanyagtartalmát, ám egyidejőleg a lefolyó keverékszennyvízben a szárazidei szennyvízhez képest jelentısen megnövekszik a lebegıanyag, a nehézfém és a szénhidrogén szennyezettség. Ez a jelenség egyúttal az elválasztott rendszerekkel a befogadóba vezetett csapadékvíz súlyos, idıszakos környezetszennyezı szerepére is utal. Az urbanizáció és az elvezetı rendszerekben végrehajtott mőszaki beavatkozások az elmúlt húsz évben jelentıs koncepcionális változásokhoz vezettek a fejlett országokban. A hálózatok mőködésének megítélésében az a rendszerszemlélet került elıtérbe, amely kölcsönhatásaiban kezeli a vízelvezetés összes elemét és folyamatát. Olyan integrált megoldások célszerősége és szükségessége vált nyilvánvalóvá, melyek egyszerre alkalmasak a városi agglomerációk állandó fejlıdésébıl származó igényeknek és a szigorodó környezetvédelmi (vízminıség védelmi) elıírásoknak a kielégítésére. A rendszerszemlélet térhódításában meghatározó szerepe volt és van a számítástechnika, a numerikus modellezés és a térinformatika hatalmas fejlıdésének, melyek együttesen teremtették meg a komplex elemzés és feladat végrehajtásának technikai feltételeit. Ez a rendszerszemlélet a hazai gyakorlatban még meg sem jelent, miközben a fejlett országok csatornázási koncepciójában már újabb paradigmaváltás van kialakulóban. A klímaváltozás elıre jelzett következményei a vízi közmővek üzemeltetési körülményeinek kedvezıtlenebbé válását vetítik elıre. Az extrém idıjárási helyzetek, a nagycsapadékok, tartós hıhullámok és aszályos idıszakok elıfordulási gyakoriságának növekedése olyan összetett és sok esetben egymással ellentétes követelményeket támaszt a csatornahálózatok mőködésével szemben, amelyek teljesítésére még csak esély sincs, ha nem tudjuk a bonyolult hidrológiai, hidraulikai és kémiai-biológiai folyamatokkal jellemezhetı rendszerek viselkedését szimulálni. A csapadékvíz felszíni, beszivárgási és a szennyvízzel együttes vagy különálló hálózati lefolyásának dinamikus szimulációja hatékony eszköz a túlterhelt szakaszok átépítési igényének és az elöntési területek meghatározásához, a záporkiömlık által okozott szennyezı hatás csökkentéséhez. Ugyancsak nélkülözhetetlen a csapadékvíz-gazdálkodást szolgáló 9
rendszerelemek (tározók, beszivárogtató tározók és csatornák, felszíni ideiglenes elöntési területek) optimális elhelyezésének és méretének meghatározásához, továbbá szennyvízelvezetésnél az átemelık mőködtetésének optimalizálásához, a reális tartózkodási idı meghatározásához, az infiltrációs hálózati terhelés számításához, valamint az infiltráció megszüntetése miatt változó talajvízjárás elırejelzéséhez. A településfejlesztési tervek megvalósításának az elvezetı rendszerre gyakorolt hatásvizsgálatához és a rendszerek klímaváltozásra való érzékenységének elemzéséhez, tehát a hosszú távú fejlesztési, átalakítási koncepció megalapozásához csak az igazolt érvényességő szimulációs modellek, melyek a vízgyőjtı felszíni és felszín alatti részének, valamint a csatornahálózatnak a matematikai modelljei, adhatnak teljes körő információt. Összefoglalóan: a teljes hidrológiai és hidraulikai rendszer dinamikus szimulációja tekinthetı ma az egyetlen, korszerő és hatékony eszköznek a célszerő települési szenny- és csapadékvízgazdálkodási rendszer tervezéséhez és üzemeltetéséhez. A hagyományos méretezési, számítási módszerekhez képest a nyerhetı információkban igen jelentıs minıségi változásnak azonban ára van. A megfizetendı ár az elvégzendı többletmunkák költségeként jelentkezik. Ez a többletmunka részben a modellek felépítéséhez, részben pedig a számítási eredmények megfelelıségének igazolásához szükséges adatigény kielégítéséhez kapcsolódik. Az elsıként említett többletmunka a vízgyőjtı és a csatornahálózat feltárási folyamatában jelentkezik, amelynél sokkal több paraméter és azok térbeli változékonyságának meghatározása válik szükségessé, mint a racionális vízhozam számítás lefolyási tényezıje. A rendszerparaméterekre digitálisan, térinformatikai rendszerhez kapcsolva van szükség. A többletmunka második csoportja a modellek kalibrálásánál és az eredmények igazolásánál (verifikálás) keletkezik, és a rendszer terheléseinek (csapadék és szennyvíz), valamint az azokra kapott válaszok (a vízhozamok, vízállások és a vízminıség) térbeli és idıbeli változásának mérését foglalja magába. Tekintettel arra, hogy a rendszer alapvetıen és erısen nem lineáris, a válaszokat több, eltérı és jellemzı terhelésre is mérni kell. A szimulációs modellezéshez ezért minden esetben, kötelezı jelleggel, térben kiterjedt és legalább egy olyan csapadékos idıszakot magába foglaló monitoring program végrehajtása tartozik, amiben egyaránt elıfordulnak kis- és nagycsapadékok. A monitorozandó csapadékok szükséges száma legalább a kalibrálandó paraméterek számával egyezzen meg. Kalibrálás és igazolás nélkül a modellezési eredmények érdemi mőszaki-gazdasági döntésekhez nem használhatók fel!
10
