Theoretische Grundlagen

1. Theoretische Grundlagen

2. Modellkonzept - abzubildende Prozesse • Verdunstung • Abflussbildung • Abflusskonzentration • Abflusstransformation • Abflussaufteilung undAbflussspeicherung • Entlastung • Berechnung des Trockenwetterabflusses und der Schmutzkonzentrationen • Spezielle Prozesse

3. NIEDERSCHLAG - ABFLUSS SCHMUTZ - NIEDERSCHLAG - TRANSPORT Prozesse In niederschlagsfreien Zeiten In niederschlagsfreien Zeiten Teilsysteme Teilprozesse Teilprozesse Teilprozesse Teilprozesse Prozessphasen Prozessphasen Ansammlung Ansammlung Atmosph Atmosph ä ä re re Austrag Austrag Ansammlung Ansammlung Verdunstung Oberfl Oberfl ä ä che che Stoffakkumulation Stoffakkumulation Ablagerung Ablagerung Trockenwetterabfluss Kanal Kanal Stoffumsatz Stoffumsatz Abwasserreinigung Abwasserreinigung Stofftransport Stofftransport Kl Kl ä ä ranlage ranlage Einleitung Einleitung Abflusstransformation Abflusstransformation Gew Gew ä ä sser sser Selbstreinigung Selbstreinigung (Euler et al. 1983)

4. NIEDERSCHLAG - ABFLUSS SCHMUTZ - NIEDERSCHLAG - TRANSPORT Prozesse Bei Niederschlag Bei Niederschlag Teilsysteme Prozessphasen Prozessphasen Teilprozesse Teilprozesse Teilprozesse Teilprozesse Belastungsbildung Belastungsbildung Atmosph Atmosph ä ä re re Auswaschung Auswaschung Abflussbildung Abflussbildung Absp Abspülung Oberfl Oberfl ä ä che che Abflusskonzentration Abflusskonzentration Stoffabtrag Stoffabtrag Eintrag Eintrag Ausspülung Aussp Vermischung Vermischung Abflusstransformation Abflusstransformation Kanal Kanal Speicherung Speicherung Weiterleitung Weiterleitung Stoffumsatz Stoffumsatz Weiterleitung Weiterleitung Stoffaufteilung Stoffaufteilung Speicherung Speicherung Abflussaufteilung Abflussaufteilung Entlastungsbauwerk Entlastungsbauwerk Behandlung Behandlung Stofftransport Stofftransport Entlastung Entlastung Kanal Kanal Kl Kl ä ä ranlage ranlage Abwasserreinigung Abwasserreinigung Einleitung Einleitung Abflusstransformation Abflusstransformation Gew Gew ä ä sser sser Selbstreinigung Selbstreinigung (Euler et al. 1983)

5. Modellkonzept – Abgebildete Prozesse • 1 - Verdunstung • 2 - Abflussbildung • 3 - Abflusskonzentration • 4 - Abflusstransformation(Kanal, offene Gräben) • 5 - Abflussaufteilung undAbflussspeicherung • 6 - Entlastung • 7 - Berechnung desTrockenwetterabflusses und der Schmutzkonzentrationen • 8 - spezielle Prozesse(z.B. BW-Nutzung) 8 1 1 8 4 2 3 8 2 3 4 7 6 5

6. Modellkonzept - abzubildende Prozesse • Verdunstung • Abflussbildung • Abflusskonzentration • Abflusstransformation • Abflussaufteilung undAbflussspeicherung • Entlastung • Berechnung des Trockenwetterabflusses und der Schmutzkonzentrationen • Spezielle Prozesse

7. Jahresgang Tagesgang 4.0 2.25 2.00 3.5 1.75 3.0 1.50 2.5 Vielfaches von VP [-] 1.25 potentielle Verdunstung [mm/d] 2.0 1.00 1.5 0.75 1.0 0.50 0.5 0.25 0.0 0.00 JAN FEB MRZ APR MAI JUN JUL AUG SEP OKT NOV DEZ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Monat t [h] Abflussbildung - Verdunstung (potentiell)

8. Niederschlag Verdunstung Benetzungsspeicher Verdunstung 3 Muldenspeicher AbflussbildungBilanzierung der Benetzungs- und Muldenverluste

9. Abhängigkeit des aktuellen Abflussbeiwertes von der Vorgeschichte (hN=konst.) 0.9 CN = 90 0.8 0.7 CN = 80 0.6 CN = 70 0.5 CN = 60 aktueller Abflussbeiwert - PSI [-] CN = 50 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Vorregenindex VN [mm] Abflussbildung -SCS-Verfahren

10. Abhängigkeit des aktuellen Abflussbeiwertes von der Niederschlagssumme (VN=konst.) 0.9 CN = 90 0.8 CN = 80 0.7 0.6 CN = 70 0.5 CN = 60 aktueller Abflussbeiwert - PSI [-] 0.4 CN = 50 0.3 0.2 0.1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 kumulierter Niederschlag in einem Ereignis [mm] Abflussbildung -SCS-Verfahren

11. Abflusskonzentration kanalisierter Teilflächen (versiegelter Anteil) hN ß · hN (1-ß) · hN K1 K2 K1 K2 K1 K2 QD Abflusskonzentration - Parallel-Speicherkaskaden

12. Modellkonzept - abzubildende Prozesse • Verdunstung • Abflussbildung • Abflusskonzentration • Abflusstransformation • Abflussaufteilung undAbflussspeicherung • Entlastung • Berechnung des Trockenwetterabflusses und der Schmutzkonzentrationen • Spezielle Prozesse

13. h N,d h N,u h (1- ) h     N,d N,d K K K 1 2 3 1 . 30 K  3 . 00  K 2 1 1  L / I  10 K K K 1 2 3 3 . 2444   L   1 . 0  0 . 02425 ln     I Q D 0 . 555 L K   0 . 511  ln  0 . 355   1 0 . 61 I L / I L / I  10 3 . 910    0 . 10   0 . 86 l / I Abflusskonzentration - Parallel-Speicherkaskaden Abflusskonzentration unversiegelter Teilflächen 9 1.8 8 1.6 7 1.4 6 1.2 5 1 K [h] 4 0.8 3 0.6 Beta [-] 2 0.4 1 0.2 0 0 1 10 100 1000 L/ I0.5

14. Modellkonzept - abzubildende Prozesse • Verdunstung • Abflussbildung • Abflusskonzentration • Abflusstransformation • Abflussaufteilung undAbflussspeicherung • Entlastung • Berechnung des Trockenwetterabflusses und der Schmutzkonzentrationen • Spezielle Prozesse

15. Wellenablauf in Sammlern - Translation und Retention Laufzeitverschiebung Translationseffekt Q Scheiteldämpfung ( Retentionseffekt) Berechnung nach Kalinin-Miljukov mit interner Abschätzung der Modellparameter Qzu Qab Wellenverformung für Freispiegelabfluss t

16. Wellenablauf in Sammlern - Rückstauvolumen • Voraussetzung: Korrekte Angabe der geometrischen Kenngrößen Mögliche Systemzustände in rückgestauten Sammlern Die Berechnung des Rückstauvolumens wird beendet, sobald ein Sammler mit der Option Fließzeitberechnung berechnet wird oder bei Erreichen der Schwellenhöhe des zugehörigen Bauwerks. Das ermittelte Volumen wird dem Speichervolumen des Bauwerks zugerechnet.

17. Wellenablauf in Sammlern - Rückstauvolumen • Wichtigste Unterschiede zwischen hydrodynamischen Verfahren und der hydrologischen (vereinfachten) Berücksichtigung von Rückstau • hydrologische Verfahren sind immer volumen- nicht höhenbezogen d.h. • In den Berechnungsalgorithmen sind keine energetischen Gleichungen verankert • energetische Komponente des hydrodynamischen Gleichungssystems wird durch Volumen/Abfluss-Beziehung ersetzt • keine Berücksichtigung von Rückströmungen und Vermaschungen • keine Übertragung von Druckwellen • "reale" Spiegellinie wird durch Horizontale ersetzt 4 4 Vergleich von Smusi und HydMod Vergleich von Smusi und HydMod Entlastungswelle an Becken B10 Entlastungswelle an Becken B10 mit automatisierter Rückstauberücksichtigung 3 3 Qkue Smusi Strd Qkue Smusi 4.0 Qkue HydMod Qkue HydMod QKue [cbm/s] 2 QKue [cbm/s] 2 Entlastungsvolumen Entlastungsvolumen HydMod : 1937 cbm HydMod : 1937 cbm Smusi strd. : 5181 cbm Smusi 4.0 : 2092 cbm 1 1 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Zeit [min] Zeit [min]

18. Modellkonzept - abzubildende Prozesse • Verdunstung • Abflussbildung • Abflusskonzentration • Abflusstransformation • Abflussaufteilung undAbflussspeicherung • Entlastung • Berechnung des Trockenwetterabflusses und der Schmutzkonzentrationen • Spezielle Prozesse

19. AbflussaufteilungBauwerke (schematische Abbildung) Verzweigung Regenüberlauf Qzu Qab1 Qzu Qkrit Qent Qab2

20. Abflussaufteilung - Berechnungsansätze (Näherung) Q QAuslass Schwellenwertkonzept <=> Realität Realität QKrit Näherung QDrossel t Qab gute Näherung (Trennschärfe > 1) Realität Definition der Trennschärfe T = Qab(Qzu=5·Qkrit) / Qkrit QKrit grobe Näherung (Trennschärfe = 1) QKrit Qab 45° Qzu 5·QKrit

21. AbflussaufteilungBerechnungsansätze (interne Kennlinienermittlung) Schematische Seitenansicht eines Regenüberlaufs hü,m hü,u Dsam hü,o hu ho hm hü Ddro lü Auslauf unten Draufsicht Einlauf oben Breiteunten Draufsicht und Querschnitte eines Regenüberlaufs (Schema) lü DZulauf Ddro Breiteoben

22. AbflussaufteilungBerechnungsschema interne Kennlinienberechnung • Vorgabe eines Wasserstands am Drosseleinlauf • Berechnung des Drosselabflusses • Berechnung der Energiehöhe am Drosseleinlauf • Schätzung des Wasserstands am Einlauf des Bauwerks • Berechnung des Überfallabflusses • Berechnung der Summe der Abflüsse ( = Gesamtzufluss) • Berechnung der Energiehöhe am Einlauf des Bauwerks • Überprüfung, ob beide Energiehöhen gleich sind Die Berechnung wird entweder bei Erreichen der Maximalhöhe abgebrochen, oder sobald am Zulaufquerschnitt schießende Strömungsverhältnisse (FROUDE-Zahl > 1) festgestellt werden.

23. Abflussspeicherung - Berechnungsannahmen gespeichertes Q Volumen Schema der Näherungsberechnung eines Durchlaufbeckens BU KU KLA t Q gespeichertes Volumen “Exakte” Berechnung eines Durchlaufbeckens BU KU KLA t

24. Abflussspeicherung - Berechnungsschema (Kennlinien) h [m] Q (h) gr S (h) Q (h) bu h(t) Q (h) ku Ermittlung der Abflusskenngrößen eines Durchlaufbeckens zum Zeitpunkt t anhand von Kennlinien S (t) 3 Q (t) Q (t) Q (t) S [m ] Q [l/s] bu gr ku ab

25. Beckenüberlauf Klärüberlauf h_bue h h_kue Sohlhöhe in müNN Drossel A1 A = f(h) A2 h A3 Abflussspeicherung - Berechnungsansätze (interne Kennlinienermittlung) Annahmen zur Beckengeometrie und zur Anordnung der Drossel Beckenquerschnitt als Funktion des Wasserstandes (bzw. der Höhe)

26. AbflussspeicherungBerechnungsschema interne Kennlinienberechnung • Vorgabe eines Wasserstands am Drosseleinlauf • Berechnung des Drosselabflusses • Berechnung des Beckenspeichervolumens • Wasserstand > HKUE => Berechnung des Klärüberlaufs • Wasserstand > HBUE => Berechnung des Beckenüberlaufs • Ermittlung des Gesamtzuflusses (Summe der Abflüsse) Die Berechnung wird bei Erreichen der maximalen Beckenhöhe beendet - aus der Höhe / Querschnittsfläche Beziehung entnommen -

27. Modellkonzept - abzubildende Prozesse • Verdunstung • Abflussbildung • Abflusskonzentration • Abflusstransformation • Abflussaufteilung undAbflussspeicherung • Entlastung • Berechnung des Trockenwetterabflusses und der Schmutzkonzentrationen • Spezielle Prozesse

28. Trockenwetterabfluss 40 800 Trockenwetterabfluss [l/s] Schmutzfracht [g/s] 600 Trockenwetterkonzentration [mg/l] Mischwasserabfluss c [mg/l] Q [l/s] , SF [g/s] 20 400 800 Mischwasserabfluss [l/s] 200 Schmutzfracht [g/s] Mischwasserkonzentration [mg/l] 0 0 600 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Zeit [h] Q [l/s] , SF [g/s] c [mg/l] 400 Regenwetterabfluss 350 350 200 Regenwetterabfluss [l/s] 300 300 Schmutzfracht [g/s] Regenwetterkonzentration [mg/l] 50 250 250 200 200 0 c [mg/l] Q [l/s] , SF [g/s] 0 150 150 100 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 50 50 Zeit [h] 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Zeit [h] Vermischungsprozesse unterschiedlicher Abflüsse 400 350 300 250 200 + = 150 100

29. Verschmutzungskenngrößen Mittelwerte der Schmutzwasserabflusskonzentrationen Stoff AFS BSB CSB TOC NH -N PO -P 5 4 4 mittlerer Konzentration 400 mg/l 300 mg/l 600 mg/l 200 mg/l 22 mg/l 15 mg/l im Schmutzwasserabfluss Standardwerte der Stoffpotentiale Stoff AFS BSB CSB TOC NH -N PO -P 5 4 4 abspülbares Stoffpotential in kg /haAred 770 60 600 200 6 6.5

30. Abschätzung des Abflussbeiwertes bei echten Regenreihen

31. Abschätzung des Abflussbeiwertes bei repräsentativen Regenreihen

32. Regenbelastung - Entlastungsvolumina echter und übertragener Regenreihen

33. Stofftransport im Sammler 14 Q-Trocken 12 Q-zu 10 Q-ab 8 Q [cbm/s] 6 4 2 Die zeitgerechte Überlagerung von Trockenwetter- und Regenabfluss führt zu erheblichen Konzentrationsschwankungen während des Wellenablaufs 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Zeit [100s] 2000 C-zu 1600 C-ab SF-ab 1200 SF [g/s] , C [mg/l] SF-zu 800 400 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Zeit [100s]

34. Absetzverhalten der Schmutzstoffe AFS, CSB und BSB (Absetzkurven nach Sierp) 100% Absetzverhalten von AFS als f(t) Absetzverhalten von BSB als f(t) 90% Absetzverhalten von CSB als f(t) 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 Aufenthaltszeit [h]

35. Modellkonzept - abzubildende Prozesse • Verdunstung • Abflussbildung • Abflusskonzentration • Abflusstransformation • Abflussaufteilung undAbflussspeicherung • Entlastung • Berechnung des Trockenwetterabflusses und der Schmutzkonzentrationen • Spezielle Prozesse

36. Niederschlag aktuelle Verdunstung BU KU Zulauf Infiltration vorge- schalteter Perkolation Speicher Pumpe Drainage WMB - Bodenfilter (vertikal durchströmt)

37. Infiltrationsfunktion Perkolationsfunktion akt/pot Verdunstung WMB - Bodenfeuchtesimulation GPV WP FK 1 0.9 0.8 0.7 0.6 akt/pot Verdunstung 0.5 Infiltrations-, bzw Perkolationsrate 0.4 0.3 0.2 0.1 0 FK WP GPV Bodenfeuchtebereiche

38. WMB - Brauchwassernutzungsanlagen Niederschlag Verdunstung eff. Niederschlag Niederschlag Verdunstung Dachfläche Trinkwasserzuspeisung Kanalzufluss Überlauf Brauchwasser speicher Hof-/Straßenfläche Entnahme / Verbrauch Option Versickerung (ja/nein) Versickerung Kanal Kanalabfluss

39. Prozesskombinationen Rohabwasser 1 Filtration Ablauf mechan. biolog. 2 Filtration Reinigung chemische 3 Filtration Reinigung Advanced Treatment mechan. biolog. chemische Filtration 4 Reinigung Reinigung WMB - Möglichkeiten zur Filtration Zusammenstellung der Einsatzmöglichkeiten der Abwasserfiltration (wegen anderer Wasserqualität nur bedingt auf die Mischwasserbehandlung übertragbar)

40. WMB - CSB-Wirkungsgrade von Fällung und Flockung 100 90 80 72 72 71 70 70 70 70 % 65 60 57 55 Eliminationsleistung [%] 50 % 48 48 50 40 30 20 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Veröffentlichte Forschungsprojekte

41. WMB - Reinigungsleistung von Abwasserteichen Wirkungsgrad von Teichen als Funktion der Zulaufkonzentration (aus einer Literaturstudie abgeleitete empirische Funktion) 100 max. Wirkungsgrad Wirkungsgrad [%] 0 c1 c2=2*c1 Czu [mg/l]

42. WMB - Definition des Verbesserungsfaktors bei Ansatz eines Wirbelabscheiders Grundüberlegung: - Ein Wirbelabscheider (WA) ersetzt ein Fangbecken (FB) größeren Volumens - In der Simulation muss die verbesserte Abscheidewirkung berücksichtigt werden - Hierzu kann ein Verbesserungsfaktor errechnet werden, nachdem der Wirbelabscheider ordnungsgemäß dimensioniert wurde und die Abscheidegrade des WA und des FB bekannt sind - Nach heutigem Stand des Wissens sollte ein WA nicht weniger als 50% des vergleichbaren Volumens eines zu ersetzenden FB aufweisen

43. Zusammenfassung: Theoretische Grundlagen