[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
KS Kaskaden-
Schwall Bewirtschaftung von Kanalisationsnetzen, bei denen die in Fließrichtung verlaufenden
Kanaltrassen unterhalb von anzuordnenden, schnell verfahrbaren Steuerungsanlagen in
Form von Wehren, Schiebern usw. flacher verlegt werden können, ohne daß die weiterführenden
Rohrdurchmesser
D bei gleicher Ablaufleistung größer dimensioniert werden müssen, da zum Ausgleich
des zu reduzierenden Sohlgefälles
Js die Aussteuerung der nutzbaren, oberhalb der Ablaufscheitel zu aktivierenden hydrostatischen
Druckhöhen
HSD der eingestauten Kaskadenvolumen über die Steuerungsanlagen mit einem entsprechenden
Druckliniengefälle
JD genutzt werden. Die weitere Optimierung der Kanalnetzbewirtschaftung durch den Einsatz
von hydraulisch verfahrbaren bis zu 10 m/min schnellen Wehren {6} und Schiebersystemen
{7} soll durch das vorgestellte Verfahren zur möglichen Reduzierung der Investitions-
und Folgekosten wesentlich verbessert werden. Den derzeitigen Stand der Technik wird
durch das nachfolgende Literaturverzeichnis wiedergegeben.
Literaturverzeichnis:
[0002]
{1} Dohmann M., Weyand M.
Analyse und Klassifizierung lokaler Steuerungseinrichtungen in Kanalisationen RWTH
Aachen 1990 Heft 117
{2} Weikopf M.
Das Mischsystem mit seinen bisherigen Unzulänglichkeiten und Trendwende zur MSR-Kaskaden
und Entlastungstechnik
Korrespondenz Abwasser 7/95
{3} Weikopf M.
Die KSE Kaskaden-, Schwall- und Entlastungstechnik als Optimierungsmöglichkeit zukunftsorientierter Mischsysteme
Vortrag zum 5. Chinesisch - Deutschen Umweltsymposium
Guangzhou Juni 1997
{4} Weikopf M.
Kanalnetzbewirtschaftung mit der Kaskaden-, Schwall- und Entlastungstechnik Grundlagen
der KSE-Technik und Prozeßsteuerung
VDI/DMA Fachtagung am 22./23.11.1999 in Langen
{5} Uecker K.J.
Tabellen zur Berechnung von Steinzeugrohren nach Prandtl-Colebrook Fachverband
Steinzeugindustrie e.V.
{6} Weikopf M.
DE 36 16 418
Steuerbares Wehr zum Spülen von Kanalisationsanlagen bzw. Verfahren zur Abflußverzögerung
{7} Weikopf M.
EP 0 918 113
Schiebersystem zur kontinuierlichen Aussteuerung
[0003] Nach den bisher gängigen Verfahren zur Dimensionierung von Kanalrohren {5} geht man
davon aus, die Querschnitte der Kanalisation so auszulegen, daß eine vorgegebene Wassermenge
theoretisch bei Scheitelfüllung des Rohres abfließen kann. Es wird der zur Verfügung
stehende Querschnitt des Rohres voll ausgenutzt, ohne daß in der Leitung Überdruck
entsteht. Darüber hinaus können insbesondere nachts bei geringeren Abflüssen in Misch-
und Schmutzwassersystemen, sowie in größeren Kanälen bei entsprechend reduzierten
Teilfüllungen Ablagerungen und damit Geruchsbelästigungen auftreten. Anschließende
Spülstöße bei entsprechend höheren Zulaufmengen aus Regenwasser, insbesondere bei
Mischsystemen können den Betrieb der Kläranlage beeinträchtigen.
[0004] Die wesentlichsten Investitionskosten beim Bau von Kanalisationsnetzen werden nicht
durch Lieferung und Verlegung der Rohrsysteme verursacht, sondern maßgebend sind vielmehr
die aus der notwendigen Tiefenlage herzuleitenden Kostenanteile aus Aushub, Verbau,
Wasserhaltung und Sonderbauwerke wie Pumpstationen, Kurvenbauwerke, Schächte usw.,
nebst den zugehörigen technischen Ausrüstungen. Wesentliche Problempunkte der Abwasserkanalisation
sind nach wie vor der Themenbereich Sedimentation und Geruchsbelästigung mit der daraus
resultierenden Schwefelwasserstoffkorrosion, denn zum Beispiel gehört eine kontinuierliche,
automatisierte Belüftung von Kanalisationssystemen bisher nicht zur Regel der Technik,
da diesbezügliche Investitions- und Folgekosten als nicht tragbar erscheinen. Die
anfallenden Betriebskosten zur Unterhaltung der Kanalisationsnetze, sowie die Problematik
von Rohrsanierungen unter Betrieb rücken immer mehr in den Vordergrund, schon aus
diesen Gründen ist es unausweichlich, die Möglichkeiten der Kanalnetzbewirtschaftung
zu nutzen, damit in Zukunft der stetige Kostenanstieg bei den Abwassergebühren wesentlich
flacher verläuft.
[0005] Die vorliegende Erfindung hat es sich demnach zur Aufgabe gemacht, die
KS Kaskaden-
Schwall Bewirtschaftung für bestehende und geplante Kanalisationsnetze zur Reduzierung
von Investitions- und Folgekosten dadurch erheblich zu reduzieren, in dem gegenüber
der bisherigen Planungspraxis die notwendigen Gefälle zur gesteuerten und zeitgetakteten
Ableitung von
Qmax nicht über ein diesbezüglich notwendiges Sohlgefälle
JS umgesetzt werden, sondern dies durch ein zumindest adäquates Druckliniengefälle
JD über Steuerungsanlagen wie Wehr- und Schiebersysteme usw. im Ablaufbereich von einzustauenden
Kaskadenvolumen mit den zugehörigen zu aktivierenden Wasserspiegellagen
WSP optimaler verwirklicht wird.
[0006] Hierbei gilt als maximal zu aktivierende Druckhöhe
HSD die jeweilige Konstruktionsgrenze der Steuerungsanlagen, für Wehre der Hub bzw. für
Schieber die maxinale Höhe der WSP-Lage.
[0007] Diese Vorgehensweise hat den weiteren Vorteil, daß die Querschnitte nicht vergrößert
werden müssen, weil die hydrostatische Druckhöhe
HSD oberhalb des Ablaufscheitels über Zufahren von Steuerungsanlagen in den vorgelagerten
Kaskaden aktiviert werden können. Durch die mögliche flachere Verlegung der weiterführenden
Kanaltrassen können zwischengeschaltete Pumpstationen mit entsprechend reduzierten
hydrostatischen Förderhöhen
hred gemäß Formel [1b] dimensioniert werden. Auch kleinere Zulaufwassermengen, die über
frequenzgesteuerte Pumpen z.B. nachts der nachfolgenden Kaskade zufließen, können
durch zeitweises, getaktetes Zufahren der Steuerungsanlage zur Aktivierung notwendiger
Wasserspiegellagen
WSP genutzt werden, um optimale Spülwirkungen in den Ablauftrassen mit entsprechender
Belüftungswirkung zu erzielen
[0008] Bei Generierung unterschiedlicher Schwallhöhen im Bereich
0<SHD>D können die unterschiedlichsten Optimierungen wie Volumensverlagerungen mit qualitativen
Mischprozessen, z.B. Sauerstoffeintrag bei kurzen Schwallwellen und anaerober Transport
bei längeren Wellen gesteuert werden. Die serielle und parallele Aktivierung von Kaskaden
im Kanalisationsnetz eröffnen neue Möglichkeiten zur qualitativen und quantitativen
Bewirtschaftung mit erheblichen Einsparungen bei den Investitions- und
[0010] Die mathematischen Zusammenhänge zur Verwirklichung der Reduzierung des Sohlgefälles
JS und deren Auswirkung zur adäquaten Aktivierung des notwendigen Druckliniengefälles
JD wird durch die nachfolgenden Formelansätze verdeutlicht:

[0011] Durch Umformung der Gleichung
[1] erhält man die aktivierbare statische Druckhöhe über
Rohrscheitel:

[0012] Durch Umformung der Gleichung
[1a] erhalten wir die nutzbare Gefälledifferenz:

[0013] Bei Aktivierung mehrerer Kaskaden gilt weiterhin in Anlehnung an Formel [1b]

[0014] Die Grundgleichung für die Bestimmung der reduzierten
Sohldifferenz [h1] aus Ablauf Kaskade und Sohleneinlauf Pumpstation ergibt sich wie folgt:

[0015] Durch Umformung der Gleichung
[2] erhält man
h1
[0016] Fig. 1 zeigt eine Skizze der konstruktiven baulichen Zusammenhänge bei einem
[0017] Freispiegelzulauf
[8] gemäß Fließrichtung
[6] zur Kaskade
[16] in Verbindung mit den zugehörigen Verfahrensvariablen zur
KS Kaskaden-
Schwall Bewirtschaftung einer weiterführenden Kanaltrasse
[15]. Im Sinne des Verfahrens wird die Kaskade
[16] durch hochfahren einer Steuerungsanlage [30] in diesem Falle eines Wehres
[33] bis zur
[0018] Drucklinie
[4] aufgestaut. Durch schnelles Absenken des Wehres
[33] kann eine programmierte Schwallwelle
[25] mit einer zugehörigen Drucklinie
[4] und daraus zu aktivierenden Schwallhöhe
[24] erzeugt werden, die gemäß der Trassenlänge
[31] eine entsprechende Schwallwellenabflachung
[26] bewirkt. Erkennbar ist auch, daß eine mögliche Aktivierung der Druckhöhe
[3] über den Ablaufscheitel
[1] unterhalb der Steuerungsanlage
[30] eine Reduzierung des Sohlengefälles
[29] ermöglicht, die in Form einer Gefälledifferenz
[9] dimensionstechnisch bei gleicher Ablaufleistung nicht zu einer Vergrößerung des Rohrdurchmessers
[20] führen muß. Die im Tiefpunkt am Ende der flacheren Kanaltrasse
[15] anzuordnende Pumpstation
[18] ist somit in der Lage mit einer reduzierten Förderhöhe
FH [7] den ankommenden Freispiegelzulauf
[8] in eine weitere Kaskade
[16] hochzupumpen.
[0019] Fig. 2 zeigt eine Skizze mit zwei hintereinander geschalteten Kanaltrassen [15] in die jeweils
eine weitere Steuerungsanlage
[30] angeordnet ist. Hierbei werden gegenüber
Fig. 1 zusätzliche Kaskadenvolumen
KV [17] im vorgelagerten Kanalrohr
[14] der Steuerungsanlage
[30] aktiviert. Die zwischengeschaltete Pumpstation
[18] entspricht funktional den Gegebenheiten des letzten Satzes aus
Fig.1. Durch die zusätzliche Anordnung z.B. einer weiteren Steuerungsanlage
[30] in der Kanaltrasse
[15] wird verdeutlicht, daß hierdurch weitere Druckhöhen
HSD [3] zur Bewirtschaftung und Optimierungen im Sinne des Verfahrens für Kanalisationsnetze
[13] genutzt werden können. Die zu reduzierenden Förderhöhen
FH [7] für die Pumpstationen
[18] sowie die vielfältig zu aktivierenden variablen Druckliniengefälle
JD [5] innerhalb der Trassenlängen
[31] werden verdeutlicht.
[0020] Fig. 3 zeigt ein Diagramm mit der Auswertung einer Wasserstand-Abfluß-Beziehung auf der
Basis der bisherigen Dimensionierungshinweise {5} nach den anerkannten Regeln der
Technik im Vergleich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.. Hierbei wird beispielhaft
der Verfahrensvorteil ersichtlich, wenn z.B. das ursprüngliche Qmax Gefälle
Js = 2 ‰ betragen hätte und man nunmehr das vorgenannte Gefälle auf
Js = 1 ‰ halbiert, ist die gleiche Abflußleistung unter Beibehaltung des ursprünglichen
Rohrdurchmessers
D [20] von DN 1000 mit einer Erhöhung der Druckhöhe
HSD [3] auf 1,00 m entsprechend einem minimalen
Hubmin von 2,00 m durch eine Steuerungsanlage
[30] auszugleichen.
[0021] Da aber Wehre z.Z. mit bis zu 4,00 m Hub
[12] produziert werden können, kann die verbleibende Druckhöhendifferenz
DHD = Hub
[12] - Hubmin = 2,00 m zu weiteren varianten Beziehungen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
aktiviert und im Extremfall z.B. beim Sohlgefälle
[29] bis in den negativen Sohlgefällebereich genutzt werden.
Aufstellung der Bezugszeichen
[0022]
1. Ablaufscheitel |
|
2. Differenzhöhe Kaskade - Zulaufsohle Pumpstation: |
h1 |
3. Druckhöhe statisch über Scheitel: |
HSD |
4. Drucklinie |
|
5. Druckliniengefälle: |
JD |
6. Fließrichtung |
|
7. Förderhöhe: |
FH |
8. Freispiegelzuläufe |
|
9. Gefälledifferenz reduziert: |
hred |
10. Höhe WSP-Lage: |
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11. Höhendifferenz für JD: |
HDJ |
12. Hub gilt für Wehre: |
Hub |
13. Kanalisationsnetz |
|
14. Kanalrohren |
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15. Kanaltrasse |
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16. Kaskade |
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17. Kaskadenvolumen: |
KV |
18. Pumpstation |
|
19. Querschnitt |
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20. Rohrdurchmesser: |
D |
21. Rohrgefälle reduziert: |
Jred |
22. Scheitelfüllung |
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23. Schieber |
|
24. Schwallhöhen: |
SH |
25. Schwallwelle |
|
26. Schwallwellenabflachung: |
SWA |
27. Sohldifferenz der Kaskade: |
h0 |
28. Sohleneinlauf |
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29. Sohlgefälle: |
Js |
30. Steuerungsanlage |
|
31. Trassenlänge: |
L |
32. Wasserspiegellage: |
WSP |
33. Wehr |
|
1. Verfahren zur KS Kaskaden-Schwall Bewirtschaftung von Kanalisationsnetzen [13], bei denen die in Fließrichtung [6] verlaufenden Kanaltrassen [15] unterhalb von anzuordnenden, schnell verfahrbaren Steuerungsanlagen [30] in Form von Wehren, Schiebern usw. flacher verlegt werden können, ohne daß die weiterführenden
Rohrdurchmesser D [20] bei gleicher Ablaufleistung größer dimensioniert werden müssen, da zum Ausgleich
des zu reduzierenden Sohlgefälles Js [29] die Aussteuerung der nutzbaren, oberhalb der Ablaufscheitel [1] zu aktivierenden variablen hydrostatischen Druckhöhen HSD [3] der eingestauten Kaskadenvolumen KV [17] über die Steuerungsanlagen [30] mit einem entsprechenden Druckliniengefälle JD [5] genutzt werden.
2. Verfahren zur KS Bewirtschaftung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines Qmax Schwalles bei flacher verlegten Kanaltrasse [15], die zugehörige hydrostatische Nutzung des Kaskadenvolumens KV [17] durch zeitgetaktetes Zufahren der vorgelagerten Steuerungsanlage [30] erfolgt, damit auch unterschiedliche Zulaufmengen aus Freispiegelzuläufen [8] bzw. Förderleistungen der Pumpen innerhalb der Pumpstationen [18] zur notwendigen Aktivierung der hydrostatischen Drucklinie [4] in der Kaskade [16] beitragen können.
3. Verfahren zur KS Bewirtschaftung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die flacher verlegte Kanaltrasse [15] je nach Notwendigeit durch programmiertes Öffnen der Steuerungsanlage [30] zur Aktivierung unterschiedlicher Schwallhöhen SH [24] in Teil- bis Vollfüllung zur Optimierung der Kanalnetzbelüftung beiträgt und weiterhin
auch hierdurch eine permanent zu automatisierende Kanalreinigung zu erzielen ist.
4. Verfahren zur KS Bewirtschaftung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß je nach Bedarf weitere Steuerungsanlagen [30] in der weiterführenden Kanaltrasse [15] angeordnet werden können, damit das Kaskadenvolumen KV [17] im vorgelagerten Kanalisationsnetz [13]in Abhängigkeit der wiederholt nutzbaren Druckhöhen HSD [3] zu weiteren steuerungstechnischen Optimierungen z.B. von Schwallaktivierungen, Luftwechsel
usw. genutzt werden können.
5. Verfahren zur KS Bewirtschaftung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß weitere hintereinander geschaltete Pumpstationen [18] am Ende der flacher verlegter Kanaltrassen [15] mit entsprechend geringeren hydrostatischen Förderhöhen FH [7] gemäß zugehöriger Druckhöhe HSD [3] aus Formel [1b] geplant und ausgebaut werden können.
6. Verfahren zur KS Bewirtschaftung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Generierung wechselnder Schwallhöhen [24] im Bereich 0<SHD>D die unterschiedlichsten Optimierungen wie Volumensverlagerungen mit qualitativen
bzw. quantitativen Mischprozessen, z.B. Sauerstoffeintrag bei kurzen Schwallwellen
und anairober Transport bei längeren Wellen, sowie insbesondere parallele zeitversetzte
Aktivierung von Kaskadenvolumen KV [17] zum Aufmischen und Mittelwertbildung unterschiedlicher Schmutzfrachten unmittelbar
unterhalb der Zusammenführungen von Kanaltrassen [15] ermöglicht werden.