Barthauer und DHI Wasy haben gemeinsam eine Software-Lösung entwickelt, mit der sich das Kanalnetz abbilden und das Fließverhalten einströmenden Wassers simulieren lässt.
Starkregenereignisse können in bestimmten Situationen Hochwasser oder aber Überflutungen durch eine Überlastung des Kanalnetzes verursachen. Vor diesem Hintergrund ist es besonders für Kommunen wichtig, nicht nur das Kanalnetz selbst zu kennen, sondern auch die Kapazität der Kanalisation – besonders im Falle von Starkregen – richtig einschätzen zu können. Nur so können frühzeitig Maßnahmen zur Vorbereitung auf außergewöhnlich starke Belastungen des Kanalnetzes ergriffen und Schäden minimiert werden.
Ergebnisbericht der hydrodynamischen Kanalnetzsimulation mit Statistiken (Tabellen und Diagramme). Foto: Barthauer Software GmbH
Kombinierte Lösung
Vor diesem Hintergrund haben sich die Barthauer Software GmbH, Entwickler von Software-Lösungen für das Infrastruktur- Management und die Wasserwirtschaft, zusammen mit der DHI Wasy GmbH, Anbieter für Digitalisierung, Modellierung und Visualisierung von Wassersystemen, bereits 2014 für die Entwicklung einer gemeinsamen Softwarelösung zur hydrodynamischen Kanalnetzberechnung zusammengeschlossen. Das fertige Produkt BaSYS MIKE wurde 2015 erstmals veröffentlicht und ist eine Kombination aus dem Netzinformationssystem BaSYS von Barthauer und dem Rechenkern MIKE1D von DHI. Während BaSYS die vollständige bautechnische Erfassung des geplanten beziehungsweise bestehenden Kanalnetzes ermöglicht sowie über Detailansichten und Tabellen zur Erfassung, Planung und Verwaltung der Stamm- und Hydraulikdaten des Kanalnetzes verfügt, lässt sich mit MIKE1D die hydrodynamische Kanalnetzsimulation realisieren. Das heißt, Kommunen haben damit nicht nur einen Überblick über ihr Kanalnetz und den Verlauf der Rohre, sondern auch die Möglichkeit, das Fließverhalten des in die Kanalisation eindringenden Wassers zu simulieren und mögliche Schwachstellen des Netzes vorzeitig zu identifizieren.
„Allgemein richtet sich die Integration des Rechenkerns Mike 1D in die Barthauer Software Lösung BaSYS als BaSYS MIKE an all jene Personen, die eine hydrodynamische Kanalnetzberechnung durchführen möchten”, erklärt Dr. Florian Winter, Account Manager Süddeutschland/Schweiz bei Barthauer Software GmbH. „Häufig sind es Ingenieurbüros, die diese Leistung für Kommunen erbringen. Dennoch nutzen „größere“ Kommunen, Eigenbetriebe, Abwasserwerke, Stadtwerke aber auch Flughäfen unsere Software einschließlich der hydrodynamischen Kanalnetzberechnung.” Ein Vorteil der Lösung sei, dass es keine Schnittstellenproblematik gebe. „So können auch bestehende in BaSYS erstellte und verwaltete Abwasserkataster als Input für die hydrodynamische Berechnung verwendet werden”, so Dr. Winter weiter.
Kanalnetzdimensionierung
Um eine Generalentwässerungsplanung durchzuführen, muss das Kanalnetz zunächst im Rahmen der zu untersuchenden Netzvarianten dimensioniert werden. Dafür wurde das sogenannte Zeitbeiwert-Verfahren in die BaSYS Applikationen integriert, das in erster Linie bei zusammenhängenden Gebieten beziehungsweise bei der Neubemessung eines geplanten Entwässerungssystems zur Anwendung kommt. Dabei wird das lagemäßig verortete und unter Berücksichtigung der Mindestnennweiten vordimensionierte Kanalnetzmodell im Fließzeitverfahren berechnet. Das Gesamtnetz lässt sich automatisch sowie mit MIKE1D dimensionieren. Die automatische Dimensionierung kann für das Gesamtnetz und, alternativ, ausschließlich für geplante oder hydraulisch überlastete Haltungen durchgeführt werden. Hydraulisch komplexe Bereiche des Kanalnetzes wie Haltungen mit Gegengefälle, Pumpwerke oder Sonderbauwerke der Regenwasserbehandlung werden über die hydrodynamische Kanalnetzsimulation mit MIKE1D dimensioniert und bei Bedarf weiter für das Zeitbeiwert-Verfahren genutzt.
Hydrodynamische Kanalnetzsimulation
„Für die Kanalnetzsimulation wird das Modell zunächst über Messdaten sorgfältig kalibriert”, erklärt Dr. Florian Winter. Das integrierte Niederschlag-Abfluss- Modell bildet dann die Strömungsvorgänge von der Abflussbildung innerhalb der Einzugsgebiete bis zu den Übergabepunkten vom Kanalnetz in die Kläranlage und/ oder die Vorflut real ab. Grundlage für die hydrodynamische Kanalnetzsimulation sind die sogenannten Saint-Venant-Gleichungen.
Mit der Kennlinienbibliothek, die ebenfalls in BaSYS MIKE enthalten ist, lassen sich zudem Volumen-, Versickerungs-, Pumpen-, Durchfluss- und Drosselkennlinien standardisiert vorgeben.
Hydraulische Modellierung
Simulationsergebnisse: Dynamischer Längsschnitt mit zeitlichem Verlauf der Wasserspiegellage für die gewählte Haltungsfolge. Foto: Barthauer Software GmbH
Der zu berechnende Kanalnetzbereich wird nach einmaliger grafischer Wahl der Endhaltungen automatisiert als sogenanntes Hydrauliknetz erzeugt. Die Kanalobjekte des Hydrauliknetzes sind dabei ohne Veränderung der Stammdaten durch hydraulische Ersatzsysteme direkt aus der Datenbank berechenbar. Die Kanalnetzdimensionierung mit dem Zeitbeiwert-Verfahren interpretiert das Hydrauliknetz automatisch als Schächte- Haltungen-Modell, das die Detaillierung von Sonderbauwerken nicht berücksichtigt. Um die Ergebnisse aus der Kanalnetzdimensionierung und der hydrodynamischen Kanalnetzsimulation zu visualisieren, stehen vordefinierte Datenbankabfragen und Berichte zur Verfügung.
Das BaSYS Dashboard analysiert die Ergebnisse statistisch. Wichtige Kenndaten werden dynamisch über baukastenartig angeordnete Diagramme ausgegeben. Anhand der Rechenläufe der hydrodynamischen Kanalsetzsimulation werden für die relevanten Kanalobjekte Ganglinien erzeugt und in der Datenbank gespeichert. In BaSYS-Plan werden die Daten über Themenpläne, beispielsweise zu Wasserstand und hydraulischer Auslastung, visualisiert. Die Datenbankabfragen und Berichte, das Dashboard und die Themenpläne sind über standardisierte XML-Dokumente definiert. Diese können dupliziert, im multifunktionalen Editor bearbeitet sowie beliebig importiert und exportiert werden. Der dynamische Längsschnitt entspricht einer Videoanimation zur zeitlichen Entwicklung der Wasserspiegellage in einer gewählten Haltungsfolge. „Dieser dient dazu, Entscheidungsträgern die Simulationsergebnisse für kritische Stellen des Kanalnetzes realitätsnah visualisieren zu können”, so Dr. Winter.