SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE STAVEBNÁ FAKULTA

Prepis

1 SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE STAVEBNÁ FAKULTA NAVRHOVANIE ODĽAHČOVACÍCH OBJEKTOV NA STOKOVÝCH SIEŤACH A POSUDZOVANIE VPLYVU ODĽAHČOVANIA DAŽĎOVÝCH VÔD NA KVALITU VODY VO VODNÝCH TOKOCH DIZERTAČNÁ PRÁCA SVF Ing. Tomáš Gibala

2 SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE STAVEBNÁ FAKULTA NAVRHOVANIE ODĽAHČOVACÍCH OBJEKTOV NA STOKOVÝCH SIEŤACH A POSUDZOVANIE VPLYVU ODĽAHČOVANIA DAŽĎOVÝCH VÔD NA KVALITU VODY VO VODNÝCH TOKOCH DIZERTAČNÁ PRÁCA SVF Číslo a názov študijného odboru: Zdravotnícko-technické stavby Školiace pracovisko: Katedra zdravotného a environmentálneho inžinierstva Vedúci záverečnej práce/školiteľ: Doc. Ing. Dušan Rusnák, PhD. Bratislava 2009 Ing. Tomáš Gibala

3 Prehlasujem, že som predloženú dizertačnú prácu vypracoval samostatne, a že som uviedol všetky preštudované literárne pramenee a prevzaté údaje. V Bratislave, december 2009

4 Touto cestou by som chcel poďakovať môjmu školiteľovi Doc. Ing. Dušanovi Rusnákovi, PhD. a kolektívu pracovníkov katedry zdravotného a environmentálneho inžinierstva za neoceniteľné rady a podporu pri riešení práce.

5 Obsah 1. ÚVOD SÚČASNÝ STAV PROBLEMATIKY NAVRHOVANIE ODĽAHČOVACÍCH KOMÔR VPLYV ČINNOSTI ODĽAHČOVACÍCH KOMÔR NA RECIPIENT POSUDZOVANIE ČINNOSTI ODĽAHČOVACÍCH KOMÔR Výpočet podľa Belova a Šigorina Výpočet podľa STN Výpočet podľa Urcikána HYDROINFORMATIKA A JEJ POUŽITIE PRI POSUDZOVANÍ ODĽAHČOVACÍCH KOMÔR HYDROINFORMATIKA SCHEMATIZÁCIA - MIERA ZJEDNODUŠENIA SIMULAČNEJ ÚLOHY METÓDY RIEŠENIA RIADIACICH ROVNÍC Metoda konečných prvkov Metoda konečných diferencií KALIBRÁCIA A VERIFIKÁCIA MODELU SIMULÁCIA NAVRHNUTÝM PROSTRIEDKOM Úloha posúdenia odľahčovacích komôr POSTUP RIEŠENIA MODEL MALACKY CHARAKTERISTIKA ZÁUJMOVÉHO ÚZEMIA A ROZSAHU ZBERAČOV POPIS HYDROLOGICKÉHO MODELU Zaťažovací stav - dažďová rada Tvorba modelu POPIS HYDRODYNAMICKÉHO MODELU Kalibrácia hydrodynamického modelu VYHODNOTENIE SÚČASNÉHO STAVU ODĽAHČOVACÍCH KOMÔR BILANČNÉ HODNOTY ČINNOSTI ODĽAHČOVACÍCH KOMÔR MODEL BRATISLAVY ZBERAČ E CHARAKTERISTIKA ZÁUJMOVÉHO ÚZEMIA A ROZSAHU ZBERAČOV POPIS HYDROLOGICKÉHO MODELU Zaťažovací stav - dažďová rada Tvorba modelu POPIS HYDRODYNAMICKÉHO MODELU Kalibrácia hydrodynamického modelu Výsledky kalibrácie VYHODNOTENIE SÚČASNÉHO STAVU ODĽAHČOVACÍCH KOMÔR BILANČNÉ HODNOTY ČINNOSTI ODĽAHČOVACÍCH KOMÔR MODEL TRENČÍNA CHARAKTERISTIKA ZÁUJMOVÉHO ÚZEMIA A ROZSAHU ZBERAČOV POPIS HYDROLOGICKÉHO MODELU Zaťažovací stav - dažďová rada Tvorba modelu POPIS HYDRODYNAMICKÉHO MODELU Kalibrácia hydrodynamického modelu Výsledky kalibrácie VYHODNOTENIE SÚČASNÉHO STAVU ODĽAHČOVACÍCH KOMÔR BILANČNÉ HODNOTY ČINNOSTI ODĽAHČOVACÍCH KOMÔR MODEL BANSKÁ BYSTRICA

6 8.1 CHARAKTERISTIKA ZÁUJMOVÉHO ÚZEMIA A ROZSAHU ZBERAČOV POPIS HYDROLOGICKÉHO MODELU Zaťažovací stav - dažďová rada Tvorba modelu POPIS HYDRODYNAMICKÉHO MODELU Kalibrácia hydrodynamického modelu VYHODNOTENIE SÚČASNÉHO STAVU ODĽAHČOVACÍCH KOMÔR BILANČNÉ HODNOTY ČINNOSTI ODĽAHČOVACÍCH KOMÔR MODEL LIPTOVSKÝ MIKULÁŠ CHARAKTERISTIKA ZÁUJMOVÉHO ÚZEMIA A ROZSAHU ZBERAČOV POPIS HYDROLOGICKÉHO MODELU Zaťažovací stav - dažďová rada Tvorba modelu POPIS HYDRODYNAMICKÉHO MODELU Kalibrácia hydrodynamického modelu VYHODNOTENIE SÚČASNÉHO STAVU ODĽAHČOVACÍCH KOMÔR BILANČNÉ HODNOTY ČINNOSTI ODĽAHČOVACÍCH KOMÔR STANOVENIE PARAMETROV PRE VÝPOČET BILANČNÝCH VELIČÍN ZHLUKOVÁ ANALÝZA ŠTATISTICKÉ SPRACOVANIE VÝSLEDKOV ZÁVERY ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY TABUĽKOVÉ PRÍLOHY

7 1. Úvod Na Slovensku je v prevažnej väčšine mestských oblastí odpadová voda odvádzaná jednotnou stokovou sústavou. Odľahčovacie komory predstavujú typický objekt pre tieto sústavy. Ich účelom je redukcia množstva dažďových vôd privádzaných do čistiarne odpadových vôd. Týmto sa sleduje zmenšovanie nerovnomerného zaťažovania čistiarne dažďovými vodami. Pri návrhu odľahčovacích komôr je požadované, aby v ČOV nedochádzalo k zníženiu účinnosti čistenia zmiešaných odpadových vôd počas dažďa a súčasne aby nárazové znečistenie recipientu odľahčovanými odpadovými vodami neprekročilo prijateľnú mieru. Samotný návrh týchto objektov by sa mal preto uskutočniť so zreteľom na hospodárne nakladanie s dažďovými vodami z povrchového odtoku a mestskými odpadovými vodami v celom odkanalizovanom povodí. Odľahčované vody predstavujú priame znečistenie recipientu vodami z jednotnej stokovej sústavy. Ide o odpadové vody zmiešané s dažďovými vodami. Donedávna sa predpokladalo, že vody zo zrážok odtekajúce stokovou sieťou sú pomerne čisté a rozrieďujú ostatné odpadové vody. K znečisťovania vôd zo zrážok v miestach s intenzívnou ľudskou činnosťou dochádza už priamo v ovzduší, zmývaním zemského povrchu a zvírením usadenín v stokách. Všeobecne sa uvádza, že v mestách a obciach odteká z jednotných stokových sústav cez odľahčovacie komory v priemere za rok také množstvo znečistenia vyjadrené BSK 5, ako je zvyškové množstvo znečistenia na odtoku z mechanicko biologickej čistiarne odpadových vôd [1]. Vzhľadom na charakter zrážok, ktorý je diskontinuálny a premenlivý, je ich okamžitý vplyv na recipient podstatne väčší. Množstvo dažďových vôd sa určuje hydrologicko-hydraulickým výpočtom. Akosť dažďových vôd je ale premenlivá a závisí od množstva faktorov. Patria sem meteorologické, hydrologické a geografické pomery, druh stokovej siete, sklony stôk, charakter povrchu odkanalizovaného územia a v neposlednom rade aj údržbu stokovej siete a spôsob čistenia ulíc. V posledných rokoch si spoločnosť začína uvedomovať význam zachovania aspoň súčasného stavu životného prostredia v ktorom žije a snaží sa prispievať k jeho ochrane. S týmto účelom bolo aj novelizované nariadenie vlády č. 242/92 Z.z. [23], ktoré vstúpilo do platnosti pod číslom NV 491/2002 Z.z.[23]. Medzi obmedzujúce limity pre vypúšťanie odpadových vôd do recipientu sa po prvýkrát dostalo aj ustanovenie o zmiešaných odpadových vodách pôvodom z odľahčovacích komôr na jednotných stokových sieťach. 3

8 Činnosť odľahčovacích komôr ako aj vplyv odľahčovaných odpadových vôd na recipient sa môže posudzovať alebo podľa jednotlivých charakteristických dažďových epizód, alebo podľa bilančných ročných veličín vyjadrených ako počet prípadov odľahčovania, trvanie odľahčovania v hodinách, ročne odľahčovaný objem dažďových vôd a privádzané znečistenie odľahčovanými odpadovými vodami do recipientu z odľahčovacích komôr počas priemerného roka. Posudzovanie vplyvu jednotlivých dažďových epizód predpokladá využitie relatívne ekonomicky náročného monitorovacieho systému. Tento by bol potrebný na kvantifikáciu zrážky v príslušnom povodí stokovej siete a následne na komplexné určenie hydraulickej odozvy v stokovom systéme vrátane príslušnej odľahčovacej komory. Pre dlhodobé pozorovanie je využitie takéhoto monitorovacieho systému príliš nákladné a doteraz sa na území Slovenskej Republiky nikde neuskutočnilo. Alternatívou je aplikácia zrážkoodtokových matematických modelov a modelov kvality zmiešaných odpadových vôd, ktorá je časovo aj finančne menej náročná, ale vyžaduje použitie verifikovaných modelov s kalibrovanými parametrami podľa nameraných hyetogramov a hydrogramov na stokovej sieti a rozsiahly súbor vstupných údajov. Matematické simulačné modely sa preto používajú v prípadoch zvýšených požiadaviek na ochranu recipientu. V prípade bežných požiadaviek sa používajú jednoduché výpočtové metódy. V súčasnosti máme k dispozícií orientačné výpočtové postupy založené na priemerných intenzitách dažďov, stále nám však chýbajú spoľahlivejšie výpočtové metódy založené na hydrogramoch dažďového odtoku. 4

9 2. Súčasný stav problematiky Odľahčovacie komory na jednotnej stokovej sústave predstavujú objekty regulujúce množstvo odpadových vôd pritekajúce do čistiarne odpadových vôd. Za týmto účelom je odľahčovacia komora vybavená priepadovou hranou, alebo iným zariadením na rozdelenie prietoku, cez ktoré sa počas zvýšeného dažďového prietoku v stokovej sieti odľahčuje t.j. časť odpadovej vody odteká priamo do recipientu. Kľúčovú úlohu tu hrá typ odľahčovacej komory podľa zvoleného spôsobu rozdelenia prietoku a samotná výška prepadovej hrany nad dnom stoky. 2.1 Navrhovanie odľahčovacích komôr V minulosti sa odľahčovacie objekty navrhovali na základe metódy tzv. pomeru riedenia. Neskôr sa zaviedla metóda medzného dažďa. Hlavným faktorom pre výpočet je v tomto prípade návrhová hodnota výdatnosti medzného dažďa, na základe ktorej spolu so znalosťami o samotnej stokovej sieti môžeme pristúpiť k návrhu samotnej komory. Pre výpočet návrhovej hodnoty výdatnosti medzného dažďa je možné použiť niekoľko spôsobov : STN [3] udáva pre výpočet medzného dažďa vzťah : q m = 4,324.lnα + 12 ( l.s -1.ha -1 ) (1) kde α = Q id.k x.k r -1.Q (-) (2) Q id je ideálny odtok dažďových vôd v m 3.s -1 z celého odkanalizovaného územia, stanovený ako súčin redukovanej plochy povodia a najmenšej návrhovej výdatnosti blokového dažďa použitej pri dimenzovaní stokovej siete. Súčiniteľ K sa určuje ako podiel priemerného počtu obyvateľov na hektár a čísla 100. Exponent x závisí od hustoty obyvateľstva a pre hustotu väčšiu prípadne rovnú 100 obyv./ha je x = 1,0 inak je x = 3,0. Súčiniteľ K r vyjadruje druh recipientu a pre vodárenský tok má hodnotu 1,0, pre nevodárenský tok maximálne hodnotu 1,5. Q 270 je prietok charakterizujúci recipient. Hodnoty vypočítané pomocou vzťahu (1) platia v rozsahu od 7,5 do 25 l/s/ha. V Nemecku podľa ATV A 128 [16] sa odporúča pre stanovenie hodnoty výdatnosti medzného dažďa vzťah : q m = /(t s +120) ( l.s -1.ha -1 ) (3) kde t s je čas dotoku z povodia v minútach, pričom pre t s > 120 min je q m = 7,5 l.s -1.ha -1 5

10 Vo Švajčiarsku [17] sa návrhová hodnota medznej výdatnosti dažďa vypočíta podľa vzťahu: q m = 45.(U - v s )/(t s +30) ( l.s -1.ha -1 ) (4) kde v s = V zb / S z,pričom max v s = 0,5.U ( l.s -1.ha -1 ) (5) t s je čas dotoku z povodia po odľahčovaciu komoru (min), V zb je objem zberača pred odľahčovacou komorou ohraničený úrovňou vysoko umiestnenej prepadovej hrany a hladinou normálneho prietoku odtekajúceho do ČOV z povodia prislúchajúceho danej OK (m 3 ), S z predstavuje spevnenú nepriepustnú plochu povodia OK (ha) a U je súčiniteľ odľahčovania, ktorého hodnoty sú uvedené v tab.1. : Tab. 1. Súčiniteľ odľahčovania U Ochrana toku minimálna priemerná vysoká mimoriadna U V Českej Republike je v súčasnosti navrhovaná úprava normy ČSN Dažďové nádrže a zároveň navrhovaná aj TNV Odľahčovacie komory a separátory, ktorá klasifikuje 3 prístupy k návrhu a posúdenie uvedených objektov: - návrh a posúdenie bez stanovenia zvláštnych podmienok - emisné posúdenie, kde sa vyžaduje analýza dlhodobých hydraulických funkcií (bilančných veličín) - imisné posúdenie, kde sa už okrem predchádzajúceho vyžaduje aj detailné posúdenie vplyvu akútnych zložiek znečistenia Pri stanovení návrhových hodnôt a prietokov uvažuje tento návrh s niekoľkými alternatívami podľa zvoleného prístupu. Vychádza zo vzťahov uvádzaných v pôvodnej ČSN, ktoré sú identické s našou STN (rovnice (1) a (2)), pre vyššie stupne posúdenia sa doporučuje výpočet podľa Urcikána, resp. priamo výsledky zo simulácie hydrodynamickýmivýpočtovými prostriedkami [2]. Urcikán a kol. publikoval [13] vzťah, podľa ktorého navrhuje počítať návrhovú výdatnosť medzného dažďa pre nevodárenské toky: qmb = a + b + f(ts) + kc (l s-1ha-1) (3) Rovnica (3) platí v rozsahu qmb = 7 až 15 l s-1ha-1pre toky s kategoriou ochrany B. Parameter a sa vypočíta pomocou rovníc a = (β + z ) ( 0,01 Hz 0,6 0,145 ) (l s-1ha-1) (4a) s platnosťou pre ročný zrážkový úhrn Hz = 500 až 1000 mm, alebo 6

11 a = (β + z) 0,003 q15 (l s-1ha-1) (4b) s platnosťou pre q15 = 95 až 155 l s-1ha-1s periodicitou p =1,0. Vo výpočte v rov. (3) sa použije väčšia z hodnôt a vypočítaná podľa rov. (4a) alebo podľa rov. (4b), q15 15 minútová výdatnosť blokového dažďa s periodicitou p = 1,0 (l s-1ha-1), Hz priemerný ročný zrážkový úhrn (mm), β je parameter zohľadňujúci vplyv odplavovaných nánosov a stokového slizu v stokách podľa rov. (14), z parameter zohľadňuje znečistenie v mestskom povrchovom odtoku podľa rov. (6), parameter b sa vypočíta podľa vzťahu b = y + 0,8 ln x x = Q(1) Q(270)-1 Sri (Σ Sri)-1 (-) (5) Rov. (5) platí pre x 1,0, ak x < 1,0 potom do rov. (5) sa dosadí x = 1,0, vtedy b = y. Parameter y = 1,0 1,5 2,0 l s-1ha-1 umožňuje sprísniť podmienky odľahčovania s ohľadom na miestne špecifické podmienky v rámci kategórie ochrany toku B a upraviť výdatnosť MD. Q(1) porovnávací dažďový prietok (ls-1) z celého odkanalizovaného povodia ČOV z dažďa s periodicitou p = 1,0 podľa rov. (7), Q270 prietok 270 dňovej vody v recipiente (l s-1), Sri redukovaná plocha povodia konkrétnej OK (ha), Σ Sri celková redukovaná plocha odkanalizovaného povodia k ČOV (ha), f(ts) je parameter zohľadňujúci čas dotoku z povodia konkrétnej OK podľa rov. (15), kc parameter vyjadrujúci vplyv splaškových, priemyselných a balastných vôd podľa rov. (9). Rovnica (3) platí pre podmienky ochrany nevodárenského toku zaradeného do kategórie B. Podobné typy rovníc na výpočet medzného dažďa sme publikovali v roku 2001 [10]. Výhodou rovnice (3) je zakomponovanie vplyvu znečistenia transportovaného z povrchu mestského povodia pomocou parametra z. Zavedenie troch kategórií A, B a C na ochranu recipientu pred znečistením súvisí s rôznou spotrebou kyslíka odľahčovanými odpadovými vodami v recipientoch. Čím je lepšia kvalita vody v recipiente, tým významnejšia je požiadavka na hospodárenie s kyslíkom pre zachovanie charakteristického spektra vodných organizmov citlivých na jeho úbytok. V kategóriách A, B, C sa zohľadňuje využívanie toku, vodnatosť a kyslíkový režim. Do kategórie A sa zaraďujú málo vodnaté toky a toky so zvýšenými požiadavkami na ochranu toku ak sa jedná o vodu používanú na kúpanie, chov rýb a pretekajúce parkami a rekreačnými oblasťami alebo ak je recipient zaradený do I. alebo II. triedy čistoty podľa kyslíkových ukazovateľov. 7

12 Do kategórie B ak sa recipient používa na rekreačné a športové účely (veslovanie, jachting), recipienty pretekajúce obytnými sídliskami a štvrťami v blízkosti prechádzkových chodníkov alebo zaradené do II. alebo III. triedy čistoty podľa kyslíkových ukazovateľov. Do kategórie C, ak sa jedná o vodnaté toky v ich strednej a dolnej časti, recipienty pretekajúce okrajovými oblasťami miest a záujem verejnosti o využívanie a pohyb pri toku je malý alebo ak recipient je zaradený do III. až V. triedy čistoty podľa kyslíkových ukazovateľov. Návrhové hodnoty výdatnosti medzného dažďa qma pre kategóriu A sa podľa miestnych podmienok a požiadaviek zväčšujú o výdatnosť 3,0 až 5,0 l.s -1 ha -1, pre kategóriu C sa zmenšujú o výdatnosť 2,0 až 4,0 l.s -1 ha -1 v porovnaní s hodnotami qmb vypočítanými podľa rov.(3) pre kategóriu B v úprave podľa tab. 1 pomocou korekčného parametra α. Návrhové hodnoty výdatnosti medzného dažďa odporúčame používať: 1) pre kategóriu A v rozsahu qma = 10 až 20 l.s -1 ha -1, 2) pre kategóriu C v rozsahu qmc = 5 až 13 l.s -1 ha -1, použitie qmc = 5 až 6 l.s -1 ha -1 sa uvažuje pre prípady veľmi vodnatých tokov, 3) pre kategóriu B podľa rov. (3). Ak je podľa rov. (3) vypočítaná hodnota qmb > 15 l.s -1 ha -1, návrhovú hodnotu treba voliť qmb = 15 l.s -1 ha -1, ak podľa rov. (3) vypočítaná hodnota qmb < 7,0 l.s -1 ha -1, ako návrhovú treba voliť qmb = 7,0 l.s -1 ha -1. Parameter z vyjadruje vplyv znečistenia v povrchových vodách z mestského povodia. Toto znečistenie narastá s podielom nepriepustných plôch najmä ciest a tým tiež so zväčšovaním odtokového súčiniteľa ψ. Parameter z možno vypočítať v závislosti od počtu obyvateľov na povodí odľahčovacej komory M a od priemerného odtokového súčiniteľa ψ pre povodie odľahčovacej komory podľa ČSN [3] podľa vzťahu z = ψ ( 6,0 + 0,3 ln M ) ( - ) (6) Charakteristický porovnávací dažďový prietok Q( 1 ) (l.s -1 ) z odkanalizovaného povodia ČOV sa vypočíta ako súčin redukovanej plochy celého odkanalizovaného povodia Σ Sri (ha) prislúchajúceho k ČOV a výdatnosti blokového dažďa s periodicitou p = 1,0, ktorého trvanie sa rovná dobe dotoku Σ ts z hydraulicky najvzdialenejšieho miesta kanalizačného povodia v trase kmeňovej stoky po OK v areáli ČOV. Sumárny čas dotoku Σ ts sa stanoví z projektu stokovej siete z tabelárneho výpočtu stôk. Potom Q( 1 ) = K( 1 ) (Σ ts + tc + B( 1 )) -1 Σ Sri (l s-1) (7) kde tc je čas povrchovej koncentrácie odtoku do dažďového vpustu tc = 5 min podľa racionálnej metódy, K( 1 ) a B( 1 ) sú lokálne parametre v rovnici na výpočet výdatnosti blokových dažďov q = K( 1 ) (t + B( 1 )) -1 s periodicitou p = 1,0, kde t je trvanie blokového dažďa (min). Ak pre určitú lokalitu poznáme numerické hodnoty q a t radu blokových dažďov pre periodicitu p = 1,0 (napr. podľa hydrometeorologického ústavu), môžeme 8

13 hodnoty parametrov K( 1 ) a B( 1 ) stanoviť pomocou matematicko štatistickej metódy minima štvorca najmenších odchýlok, alebo pomocou dvojbodovej metódy B( 1 ) = ( q 2 t 2 q 1 t 1 ) ( q 1 q 2 ) -1 K( 1 ) = q 1 ( t 1 +B( 1 ) ) (8) Parameter kc zohľadňujúci vplyv koncentrácie znečistenia cb podľa CHSK v bezdažďových odpadových vodách sa vypočíta podľa rovnice kc = cb ( l.s -1 ha -1 ) (9) kde 800 mg.l -1 CHSK je priemerná koncentrácia znečistenia v splaškových odpadových vodách pri špecifickej produkcii splaškových vôd qs = 150 l.ob -1 d -1. Rov. (9) platí v rozsahu kc = 0,5 až 3,0. Ak vypočítaná hodnota kc > 3,0, potom do rov. (3) sa dosadzuje kc = 3,0. Koncentrácia cb sa stanoví na základe nameraných hodnôt v ČOV, keď to nie je možné, vypočíta sa pomocou zmiešavacej rovnice cb = (Σ Qs cs + Σ Qp cp ) (Σ Qs + Σ Qp + QB ) -1 (mg l-1 CHSK) (10) kde Σ Qs je sumárny priemerný prietok splaškových vôd (l.s -1 ) z celého povodia nad OK Σ Qs = qs Σ M ( l.s -1 ) (11) kde Σ M plánovaný počet obyvateľov na celom odkanalizovanom povodí nad OK, qs špecifická produkcia splaškových vôd (l.ob -1 d -1 ), cs koncentrácia splaškových vôd (mg.l -1 CHSK) podľa vzťahu cs = qs -1, Σ Qp priemerné prietoky (l.s -1 ) priemyselných odpadových vôd z podnikov, ktoré vypúšťajú priemyselné odpadové vody do stokovej siete nad OK s povolením prevádzkovateľa kanalizácie, cp koncentrácie znečistenia v jednotlivých prietokoch priemyselných odpadových vôd (mg.l -1 CHSK). Prítok infiltrovaných balastných vôd QB sa z stanoví pomocou súčiniteľa infiltrácie ki QB = ki Qs ( l.s -1 ) (12) kde ki = 0 až 0,15 podľa úrovne hladiny podzemnej vody (HPV), ak HPV sa nachádza pod úrovňou dna stôk, potom ki = 0. Súčiniteľ β zohľadňuje prírastok znečistenia v odľahčovaných vodách v dôsledku odplavovania nánosov z dna stôk a stokového slizu z povrchu stôk dažďovými vodami. Súčasné poznatky o procesoch odplavovania neumožňujú tento jav matematicky simulovať jednoduchšími metódami. Preto β ako prirážka vyjadruje len určitú tendenciu zväčšovania znečisťovania zvírovanými nánosmi. Rozhodujúce sú sklony stôk v celom povodí nad konkrétnou odľahčovacou komorou. Stoky sa ukladajú súbežne so sklonom terénu, v rovinatom území v minimálnych požadovaných sklonoch. Výpočet hodnoty β sa môže potom vykonať podľa priemerného sklonu terénu ip v trasách stôk v povodí OK. V prípade 9

14 terénneho protisklonu sa uvažuje so sklonom ip = 1 v súvislosti s minimálnym sklonom stôk. Výpočtový postup začína stanovením priemernej hodnoty kategórie povrchového sklonu SPpr v trasách stokovej siete v celom povodí nad konkrétnou OK podľa vzťahu SPpr = ( Σ Sri SPi ) ( Σ Sri ) -1 ( - ) (13) kde Sri (ha) je časť redukovaného povodia nad konkrétnou OK charakterizovaného kategóriou SPi (1., 2., 3., alebo 4.) v závislosti od priemerného sklonu ip terénu v trase stôk v povodí OK. Súčiniteľ β môžeme vypočítať podľa rovnice β = 13,61 3,4 SPpr ( - ) (14) Najväčší podiel zo znečisťujúcich látok podľa všetkých ukazovateľov CHSK, TOC, NL, a TKN pripadá na nánosy. Podobne v navrhovanej metóde MD parameter β vplyvu nánosov a stokového slizu predstavuje najvýznamnejší faktor. Prieskumy stokových sietí v Anglicku ukázali, že približne v 80 % stokových úsekoch sa vyskytovali nánosy. Významný podiel na znečistení v ďalšom poradí za nánosmi podľa ukazovateľov CHSK a TOC pripadá na stokový sliz a na povrchový odtok, podľa NL najmä na povrchový odtok. Podobne o niečo menší význam v navrhovanej metóde MD po parametri β má parameter z vplyvu znečistenia povrchového odtoku a mestskej zástavby. V ukazovateli dusíkatého znečistenia TKN v tab. 3 druhý najväčší podiel za nánosmi pripadá na splaškové odpadové vody. V navrhovanej metóde MD vplyv splaškových a priemyselných odpadových vôd vyjadruje parameter kc. Čím sú dažde intenzívnejšie a častejšie, tým je zaťaženie recipientu odľahčovanými vodami väčšie. Preto sa vplyv faktorov znečistenia z a β v parametri a v navrhovanej metóde MD sa upravuje dažďovými charakteristikami pomocou ročného zrážkového úhrnu Hz a 15 minútovou výdatnosťou blokového dažďa q15 s periodicitou p = 1,0. So zväčšovaním dotokového času nastáva splošťovanie prietokových dažďových vĺn a tým zmenšenie počtu prípadov a trvania odľahčovania. Dlhšie dotokové časy umožňujú navrhovať menšie výdatnosti medzného dažďa. Vplyv dotokového času ts (min) vypočítame pomocou vzťahu f(ts) = 180 ( ts + 120) -1 ( l.s -1 ha -1 ) (15) kde ts je dotokový čas (min) z povodia konkrétnej OK, stanoví sa z projektu stokovej siete alebo orientačne podľa vzťahu ts = 0,0167.L.vk -1, kde L je dĺžka zberača (m) na povodí konkrétnej OK, vk odhadovaná kapacitná rýchlosť vk = 1,2 až 1,4 m.s -1. Ak dotokový čas ts (min) v povodí konkrétnej OK je väčší ako 100 min, dosadzuje sa do rov. (15) ts = 100 min. 10

15 Z konštrukčných dôvodov najmenšia návrhová hodnota limitného prietoku je QL = 30 l.s -1. Limitný prietok QL vypočítaný pomocou rovníc (1), (2) a (3) sa posúdi podľa zrieďovacieho pomeru nr podľa [15] pomocou rovnice nr = (Qm + Σ Qmi ) (Σ Qb24 ) -1 ( - ) (16) vyžaduje sa aby nr 7,0 pre cb 600 mg l-1 CHSK (17) nr 0,017 ( cb 180 ) pre cb > 600 mg l-1 CHSK (18) kde cb koncentrácia CHSK (mg.l -1 ) v bezdažďovom prietoku podľa rov.(10), Qm = qm Sr je medzný prietok (l.s -1 ) z redukovaného povodia Sr konkrétnej odľahčovacej komory pri ktorom ešte nenastáva odľahčovanie, Σ Qmi = Σ qmi Sri je medzný prietok (l.s -1 ) z povodí odľahčovacích komôr nachádzajúcich sa nad povodím konkrétnej OK, qm výdatnosť medzného dažďa (l.s -1 ha -1 ) podľa rov.(3), Σ Qb24 sumárny priemerný prietok bezdažďových vôd z celého povodia nad konkrétnou odľahčovacou komorou podľa rov. (2). 2.2 Vplyv činnosti odľahčovacích komôr na recipient V súčasnosti je ale hlavnou požiadavkou nielen samotný návrh objektu na základe správnych veličín, ale aj funkčnosť objektu z hľadiska dopadov na okolité prostredie.vplyv odľahčovaných zmiešaných odpadových vôd z odľahčovacích objektov na recipienty možno charakterizovať ako: - priame pôsobenie na kvalitu vody v recipiente (vyčerpanie rozpusteného O 2, eutrofizácia, toxické účinky), - zdravotné účinky, - estetické účinky. Významný vplyv má vodnatosť a charakteristika recipientu (potoky rýchlo alebo pomaly tečúce, rieky, jazerá plytké alebo hlboké). Šokové zaťaženie znečistením transportované odľahčovanými vodami do rieky sa pomerne rýchlo rozptyľuje v závislosti od objemu a rýchlostí prietoku. Naopak znečistenie privádzané do stojacích vôd a jazier sa rozptyľuje oveľa pomalšie a všeobecne pôsobí dlhší čas. Odľahčované odpadové vody pôsobia v recipiente: - fyzikálnymi účinkami - zmiešavaním, rozpúšťaním, flokuláciou, eróziou, sedimentáciou a termálnymi účinkami - biochemicky - oxidáciou, nitrifikáciou, kovmi a inými toxickými komponentami - mikrobiologicky - na rast a odumieranie vodných organizmov 11

16 Z hľadiska časového pôsobenia možno rozlišovať účinky odľahčovania ako - krátkodobé (v priebehu hodín - akútna toxicita, resuspenzia, sedimentácia hrubších častíc) - strednodobé (oneskorené v priebehu dní a týždňov - odumieranie baktérií, zhoršovanie BSK 5, účinky na makrofitné organizmy) - dlhodobé (chronické, kumulatívne v priebehu mesiacov až rokov - zmeny v bentose, akumulácia toxikantov v rybách, akumulácia v sedimentoch) V súčasnej dobe je jedným z kľúčových problémov nakladanie s odpadovými vodami. Slovenská Republika sa podpisom prístupového protokolu do EU v oblasti Životné prostredie zaviazala do roku 2010, resp vybudovať vo všetkých aglomeráciach s viac ako 2000 EO funkčné stokové systémy a čistiarne odpadových vôd. Riešenie takéhoto komplexného problému bude z ekonomických dôvodov vyžadovať budovanie delených stokových sústav a súčasne riešiť problematiku nakladania s dažďovými vodami vhodnými spôsobmi ich spätného zapojenia sa do prirodzeného obehu vody. Pre budovanie odľahčovacích komôr v takýchto systémoch už nebude dôvod, najmä pre skutočnosť, že odkanalizovanie obyvateľstva je na území Slovenskej Republiky na vysokom štandarde a nové systémy je potrebné realizovať pre pomerne malé (čo do počtu EO) sídla. Najzávažnejším problémom pri odľahčovacích komorách zostáva skutočnosť, že prakticky všetky z týchto jestvujúcich objektov sú súčasťou stokových sietí väčšinou veľkých urbanizovaných sídel na Slovensku a boli navrhované v minulom tisícročí. Ich návrh bol často robený s cieľom eliminácie ekonomických nákladov na ochranu a prevádzku čistiarne odpadových vôd a dôsledky na recipient sa posudzovali zväčša okrajovo. Exaktnejšie riešenie tejto problematiky sa prejaví hlavne pri potrebe rekonštrukcii jestvujúcich stokových systémov a objektov na nich. Ochrana životného prostredia začína zohrávať v živote súčasného ľudského spoločenstva kľúčovú úlohu. Pri objektoch, akými sú odľahčovacie komory sa táto skutočnosť prejavila na nariadení vlády 491/2002 Z.z., ktoré ustanovilo pre odľahčovacie komory nový parameter na posúdenie ich funkčnosti akými je počet prípadov odľahčovania za rok. Po prvý krát je takto v našej legislatíve použitá bilančná veličina na posudzovanie odľahčovacích komôr. 2.3 Posudzovanie činnosti odľahčovacích komôr Pre výpočet bilančných veličín je možné použiť empirické vzťahy podľa rôznych autorov, najmä zo zahraničia. Koncom 80-tich rokov boli v našej literatúre publikované rovnice Belova a Šigorina na výpočet bilančných veličín s možnosťou aplikácie na miestne 12

17 podmienky na Slovensku [4]. Pre Slovensko boli publikované empirické vzťahy odvodené z čiar prekročenia počtu a trvania priemerných výdatností historických dažďov počas teplých polrokov, upravené podľa modelových výpočtov zrážkoodtokovým modelom dlhobou simuláciou daždového odtoku, ktorých autorom je prof. Urcikán a kol.[11]. Zároveň je možné použiť výpočet bilančných veličín podľa súčasne platnej normy STN Dažďové nádrže [3]. Oprávnenosť použitia konkrétnej empirickej rovnice odvádzanej pre podmienky stokových sústav v zahraničí je diskutabilná vzhľadom na širokú škálu ovplyvňujúcich faktorov pre výsledné hodnoty bilančných veličín Výpočet podľa Belova a Šigorina Počet odľahčovania m za rok sa vypočíta podľa rovnice Belova a Šigorina ( t B) 3 0,83 q 1 m s + m = ( 1 τ ) 1 + C1 log + τ (11) K p kde C 1 je lokálny parameter, stanoví sa pre lokality na Slovensku pomocou mapy izolínií parametra C 1 [9], τ klimatický koeficient sa odporúča voliť v závislosti od parametra C 1, pre C 1 = 0,85 až 0,9 sa odporúča τ = 0,2, pre C 1 = 1,0 je τ = 0,24 a pre C 1 = 1,2 je τ = 0,27, p - periodicita používaná pri dimenzovaní stokovej siete, q m navrhovaná výdatnosť medzného dažďa (l.s -1.ha -1 ), t s čas dotoku v stokovej sieti z povodia prislúchajúceho k OK (min.), K a B lokálne parametre v rovnici na výpočet výdatnosti blokového dažďa q = K ( t + B ) -1. Čas odľahčovania T za rok sa vypočíta podľa Belova a Šigorina pomocou rovnice ts T = m A1 (h) (12) kde ( )( ) 1 A 1 1,47 m 1 = τ τ m (-) (13) Špecifický ročný objem odľahčovaných vôd v sa vypočíta pomocou rovnice ( 1,91 A ) v = 0,06 m q t A (m 3.ha -1 ) (14) m s Ročný objem odľahčovaných vôd V sa vypočíta pomocou rovnice V = ψ 0 S p v (m 3 ) (15) kde S p je plocha povodia OK (ha), ψ 0 odtokový objemový ročný koeficient Výpočet podľa STN Podľa Turčana [7] treba najprv stanoviť pomocou tabuľky bilančnú hodnotu podielu odľahčovaných vôd P od (B) (%) pre Bratislavu. Pre ostatné lokality L na Slovensku sa vypočíta podiel odľahčovaných vôd P od (L) pomocou rovnice 13

18 P od (L) = P od (B) [ A + B Z d ] (%) (16) kde Z d je zemepisná dĺžka lokality L v stupňoch. Súčinitele A a B sa vypočítajú podľa vzťahov A = 0,036 q m 0,31 (17) B = 0,076 0,002 q m (18) Špecifický objem odľahčovaných vôd v (m 3.ha -1 ) sa vypočíta pomocou rovnice v = 0,1 P od (L) H z (19) kde H z je priemerný ročný zrážkový úhrn (mm). Odľahčovaný objem dažďových vôd sa vypočíta pomocou rov.(15). Trvanie odľahčovania T v hod za rok sa určí pomocou vypočítaného podielu odľahčovaných vôd P od (L) podľa vzťahu T = C + D P od (L) (h) (20) a počet odľahčovaní m pomocou rovnice m = E + F P od (L) (21) keď parametre C,D,E a F sa stanovia pomocou tabuliek [3] pre lokalitu L v západoslovenskej oblasti podľa parametrov uvádzaných pre Bratislavu, v stredoslovenskej oblasti podľa Sliača a vo východoslovenskej oblasti podľa Košíc Výpočet podľa Urcikána Výpočtová metóda navrhnutá prof. Urcikánom a kol. [14] je z doteraz publikovaných metód výpočtovo najzložitejšia, ale zároveň aj najkomplexnejšia čo sa týka vstupných parametrov popisujúcich stokovú sieť a príslušné povodie odľahčovacej komory. Pre spresnenie je uvedený aj postup tvorby výpočtových vzťahov: Metóda vychádza z dažďomerných údajov spracovaných vo forme kriviek prekročenia priemerných výdatností historických dažďov v závislosti od ich sumárneho trvania T d v hodinách za teplý polrok (KPT) a kriviek prekročenia (KPP) počtu prípadov dažďových epizód m d počas teplého polroka. Pritom môžeme pokladať dažďové odtoky za úmerné dažďovým výdatnostiam, čo je prijateľné pre porovnávacie výpočty. Z viac ako 8000 ombrografických záznamov zo 16 ombrografických staníc na Slovensku boli vyhodnotené priemerné výdatnosti historických dažďov a časy ich trvania [8][9]. Tieto sa potom použili na odvodenie kriviek prekročenia KPT a KPP. Výber ombrografických staníc vykonali autori s pomocou RNDr. Valoviča zo SHMÚ, so zreteľom na kvalitu ombrografických záznamov, zároveň bolo cieľom dosiahnutie čo najrovnomernejšieho rozmiestnenia vybraných staníc na území Slovenska. Z oblasti juhozápadného Slovenska sa vybrali stanice Bratislava-Ivánka a Piešťany, z južného Slovenska stanice v Hurbanove, 14

19 v Dudinciach, v Hrachove a v Lučenci, z oblasti juhovýchodného Slovenska stanice v Košiciach a v Trebišove, z oblasti severovýchodného Slovenska stanice v Stropkove a v Kamenici nad Cirochou, z oblasti severného Slovenska v Poprade a v Liptovskom Hrádku, z oblasti severozápadného Slovenska stanicu v Źiline a z oblasti stredného Slovenska stanice v Prievidzi, v Sliači a Švermove-Telgárte. Zároveň aby lokality ombrografických staníc boli charakterizované širokým rozsahom priemerných ročných zrážkových úhrnov s minimálnymi hodnotami (Hurbanovo 576 mm, Trebišov 573 mm) strednými priemernými ročnými úhrnmi (Košice 650mm, Bratislava 662 mm, Stropkov 666 mm, Liptovský Hrádok 718 mm) a vyššími priemernými ročnými zrážkovými úhrnmi (Žilina 781 mm, Prievidza 790 mm, Švermovo-Telgárt 851 mm). Pre matematické vyjadrenie kriviek prekročenia boli testované viaceré matematické závislosti, najlepšie vyhovovala pre obidva typy kriviek exponenciálna rovnica. Pre krivky KPT má rovnica tvar: q = a p γ. 0 ( T d + b) c d 15 (l.s -1.ha -1 ) (22) β keď c = α.p 0, q - priemerná výdatnosť historického dažďa (l.s -1.ha -1 ), T d - celkové trvanie historických dažďov v hodinách za teplý polrok s rovnakou a väčšou hodnotou priemernej výdatnosti, p 0 - parameter (-) vypočíta sa v závislosti od dažďového úhrnu H zt ako charakteristickej veličiny pre určitú lokalitu. Hodnotu p 0 vypočítame podľa vzťahu ( 1 c)( 2,778 H zt+ t. d ) 1 c 1 c a ( t + b) b γ 1 p 0 = (-) (23) [ ] kde H zt je dažďový úhrn za teplý polrok (mm) pre určitú lokalitu, hodnota parametra c sa vypočíta s hodnotami parametrov podľa [18], t - celkový čas trvania dažďových epizód počas teplého polroka (h), vypočíta sa podľa rovnice z ( 10 p 0 + 0,5) + 10 t = k (h) (24) kde k, z, α, β, γ, a, b, d sú lokálne parametre [18]. Rov. (23) je implicitná, rieši sa postupným dosadzovaním hodnôt p 0 do rov. (24) a do závislosti c = α. β p 0. Hodnoty krivky prekročenia KPP vypočítame podľa rovnice 1 γ 1 0 c ( m + b1 ) 1 q = a. p d d (l.s -1.ha -1 ) (25) kde m d je počet historických dažďov s rovnakou a väčšou hodnotou priemernej výdatnosti q počas teplého polroka, p 0 - parameter (-) vyjadruje podobne ako v rov. (22) vplyv dažďového

20 úhrnu H zt, stanoví sa podľa rov. (23) a (24) a hodnôt v [18]. Lokálne parametre α 1, β 1, γ 1, a 1, β1 b 1, d 1 pre rov.(25) uvádzame v [18], parameter c = α 1. p v rov. (25) sa stanoví pomocou parametrov α 1, β 1 v [18]. Krivky prekročenia KPT a KPP neumožňujú priamo stanoviť skutočné počty prípadov a trvania odľahčovania počas teplého polroka. Reálne hodnoty budú ovplyvňované tvarom hydrogramov odtoku dažďových vôd. S cieľom odstránenia tohto nedostatku a priblíženiu sa k skutočným bilančným hodnotám odľahčovania boli zavedené do bilančných rovníc korekčné koeficienty. Tieto boli stanovené podľa výsledkov publikovaných Pecherom [1] dosiahnutých matematickou simuláciou dažďového odtoku a činnosti OK pomocou zrážkoodtokového modelu. Korekčnými koeficientami sa do bilančných rovníc zaviedol dotokový čas v stokovej sieti a odtokový súčiniteľ. Trvanie odľahčovania T t v hodinách počas teplého polroka vypočítame pomocou rovnice T = ( 0,32ψ + 0,68) γ a. p 0 qm + d 1 c 5 + 0, t t 0, ts s 0 b (h) (26) kde t s je čas dotoku (min) v stokovej sieti z povodia prislúchajúceho k OK q m - zadaná hodnota výdatnosti medzného dažďa v l/(s.ha), ostatné parametre α, β, γ, a, b, d, c sa stanovia ako pre rov.(22) podľa [15], ψ podiel spevnených plôch (strechy, chodníky, cesty). Hodnota parametra p 0 sa vypočíta pomocou rov.(23) a (24) iteráciou v závislosti od zadanej priemernej hodnoty dažďového úhrnu H zt za teplý polrok pre konkrétnu lokalitu. Pre prvý iteračný krok odporúčame voliť hodnoty parametra p 0 v závislosti od interpolovaných hodnôt dažďových úhrnov H zt podľa [15]. Počet prípadov odľahčovania m t počas teplého polroka sa vypočíta pomocou rovnice m t = k 1 ( 0,56 + 0,44 ) 1 γ c 1 a 1. p0 240 ψ + b 0,775 1 (27) qm + d1 qm kde k 1 je korekčný koeficient, vypočíta sa pomocou vzťahu k 0,304 n 1 = 0,61q m. t s (28) kde n = 0,095 q 0,51 m, t s - čas dotoku z povodia prislúchajúceho ku OK, q m - zadaná hodnota výdatnosti medzného dažďa v l/(s.ha), parametre c, α 1, β 1, γ 1, a 1, b 1, d 1 sa stanovia ako pre rov.(25) podľa [15], parameter p 0 v závislosti od zadaného dažďového úhrnu H zt podľa rov.(23) a (22) s hodnotami lokálnych parametrov uvedenými v [6]. V prípade ak k 1 > 1,0 dosadzuje sa k 1 = 1,0 do rov.(27). 16

21 Podiely objemov dažďových vôd PDČ odvádzaných do ČOV počas teplého polroka môžeme vypočítať pomocou rovnice -1 PDČ = 100 (H zt - 0,1 v t ) H zt (%) (29) kde H zt je dažďový úhrn v mm počas teplého polroka, v t - špecifický objem odľahčovaných vôd počas teplého polroka do recipientu (m 3 /ha), vypočíta sa pomocou rovnice v t = 1 ( 0,67 + 0,33 ) γ 5,76a. p0 ψ 1 c 1 c ( Tdm + b) b 0,26 ( t + 2).( 1 c) s ( 1 c). T ( ) dm c Tdm + b (m 3.ha -1 ) (30) 1 1 c [ ] b γ keď T = a. p ( q + d ) dm 0 m (h) kde parameter c = α. β p 0, lokálne parametre α, β, γ, a, b, d pozri [18]. Výpočty pre jednotlivé OK v iných lokalitách sa vykonávajú s hodnotami lokálnych parametrov ombrografickej stanice s najbližšou hodnotou dlhodobého priemerného dažďového úhrnu k dažďovému úhrnu príslušného mesta, pritom sa berie do úvahy aj orografická charakteristika a nadmorská výška lokalít. Odľahčovaný objem dažďových vôd V t (m 3 ) z OK do recipientu počas teplého polroka sa vypočíta pomocou vzťahu: V t =v t. ψ. S p (m 3 ) (31) Zaťaženie znečisťujúcimi látkami L t (kg) privádzané do recipientu z OK počas teplého polroka sa vypočíta pomocou vzťahu: L t = 0,001V t. c k (kg) (32) kde S p je plocha povodia odľahčovacej komory (ha), ψ podiel spevnených plôch povodia OK, v t - špecifický objem (m 3 /ha) vypočítaný pomocou rov.(21), c k priemerná koncentrácia znečisťujúcej látky v odľahčovaných vodách (g.m -3 ) podľa údajov v [19]. Pomocou stanovených hodnôt bilančných veličín T t, m t, V t, a L t pre konkrétnu OK možno vypočítať ďalšie posudzovacie veličiny a ich priemerné dlhodobé hodnoty pripadajúce na jeden prípad odľahčovania: - -1 trvanie odľahčovacieho prípadu T o (hod): T o = T t. m t (33) - odľahčovaný objem dažďových vôd V o (m 3-1 ) podľa: V o = V t. m t (34) - prietok odľahčovaných dažďových vôd Q od v priebehu jedného odľahčovania (m 3.s -1 ) podľa vzťahu: Q od = V o. T -1 o (35) - pomer priemerného zmiešavania n R odľahčovaných dažďových vôd s charakteristickým prietokom recipientu: n R = Q 270. (Σ Q od ) -1 (36) - koncentráciu charakteristického znečistenia c v recipiente (mg.l -1 ) počas priemerného odľahčovania: c = (ΣQ od.c k + Q 270. c R ) (Q ΣQ od ) -1 (37) 17

22 ,kde c R je koncentrácia charakteristického znečistenia v recipiente (mg.l -1 ) nad OK, Q charakteristrický prietok v recipiente (m 3.s -1 ), ΣQ od - sumárny odľahčovaný prietok z OK (m 3.s -1 ) - zaťaženie recipientu L o znečisťujúcimi látkami v priebehu priemerného odľahčovania (kg) -1 podľa vzťahu: L o = L t. m t (38) - hmotnostný prietok znečisťujúcich látok Q ol (kg. s -1 ) privádzaný do recipientu v priebehu priemerného odľahčovania: Q ol = L o. T -1 o (39) Významnou posudzovacou veličinou je zaťaženie recipientu znečisťujúcimi látkami. Podľa priebehu krivky prekročenia špecifických objemov v t odľahčovaných vôd vypočítanej pomocou rov. (30) pre zadané hodnoty dotokového času t s a odtokového súčiniteľa ψ povodia konkrétnej odľahčovacej komory pre zvolené hodnoty výdatnosti medzného dažďa v rozsahu q m < 5; 50 l.s -1.ha -1 > sa môže stanoviť návrhová hodnota výdatnosti medzného dažďa q m ktorá má zodpovedať bodu maximálneho zakrivenia krivky prekročenia veličiny v t. Túto hodnotu môžeme porovnať s návrhovými hodnotami q m vypočítanými podľa iných autorov a podľa STN Návrhovú hodnotu výdatnosti medzného dažďa q m potom upresníme podľa miestných požiadaviek na ochranu recipientu a vypočítame pre stanovenú hodnotu q m zodpovedajúce posudzovacie hodnoty bilančných veličín T t, m t, v t, V t a L t. Pre stanovenú návrhovú hodnotu v t vypočítame pomocou rov.(29) podiel dažďových vôd PDČ privádzaný do ČOV počas priemerného teplého polroka. Pre malé povodia OK s dotokovým časom t s 15 min. vypočítaná hodnota PDČ by mala byť väčšia ako 75 %, pre väčšie povodia s dotokovým časom t s >15 min. hodnota PDČ by mala byť väčšia ako %. Pri zachovaní uvedených požiadaviek by sa malo odvádzať do ČOV počas dažďových prietokov viac ako 85 % znečisťujúcich látok podľa CHSK a viac ako 90 % podľa BSK 5. 18

23 3. Hydroinformatika a jej použitie pri posudzovaní odľahčovacích komôr 3.1 Hydroinformatika Presný popis prírodného prostredia, sa v poslednej dobe dostává čoraz viac do popredia záujmu odborníkov. Dôležitou skutočnosťou, ktorú si je potrebné uvedomiť je fakt, že parametre prostredia sú neustále časovo premenné. Hydroinformatika je novovznikajúci vedný odbor, spájajúci niekoľko existujúcich vedných oborov. Ich nové prepojenie a modernú aplikáciu si vyžiadala predovšetkým zhoršujúca sa ekologická situácia. Prispel k tomu aj vnímavejší postoj verejnosti k problémom životného prostredia. Hydroinformatiku ako nový technologický obor definoval ako prvý Abbott [20] v roku Niekoľko príkladov z možných definícií: Nová informačná technológia plne integrovaná s elementmi vodného hospodárstva a životného prostredia. [21] Technologický obor integrujúci Výpočtovú hydrauliku, Hydrológiu, Hydrauliku, Informatiku a Informačné technológie do nového rámca, ktorý ovplyvňuje evolučný vývoj v spoločnosti. Informačná technológia pre riadenie vodného hospodárstva, ktorá predstavuje najmä antropogénne aktivity v oblasti (možného) riadenia vodného hospodárstva. [22] Hydroinformatika predstavuje systém prepojených nástrojov informačných technológií (IT) a všeobecných znalostí v digitálnej forme z nasledujúcich odborov [20]: hydraulika, hydrológia, výpočtová hydraulika informačné databázy oblasť práva a legislatívy, ochrana životného prostredia, meranie a monitoring, moderné informačné technológie, Základnou podmienkou úspešného rozvoja Hydroinformatiky je existencia všetkých dát a informácií v digitálnej podobe. Tieto informácie (dátové súbory) sú ľahko spracovateľné, triediteľné a predstavujú základný vstup pre simulačné prostriedky. Digitálne dáta ako také sú založené hlavne na binárnom kóde, teda presne definujú stav systému (0/1, áno/nie, zapnuté/vypnuté). Hydroinformatika je odbor zaoberajúci sa informáciami získanými vedeckými metódami. Tieto informácie majú vzťah k hydrosfére a v užšom zmysle k 19

24 vodnému hospodárstvu a ochrane životného prostredia. Zavedené informačné systémy v rámci Hydroinfomatiky sú tak usporiadané a navzájom prepojené, že je možné všetky druhy informácií triediť, vyhľadávať a prezentovať najčastejšie v grafickej podobe s vysokou mierou efektívnosti [22]. Hydroinformatika spôsobí v blízkej budúcnosti ďaleko hlbšie a podstatnejšie zmeny vo vedných odboroch vodného hospodárstva a životného prostredia, ako by sa dnes dalo predpokladať. Najmä sa jedná o prehlbovanie vzájomných väzieb samostatných a nezávislých odborov. Úloha digitálneho spracovania a vyhodnocovania informácií a ich spojenie s výpočtovou technikou, respektíve simulačnými prostriedkami, predstavuje základné rysy novo vznikajúceho odboru. Zo simulačných metód sú najzaujímavejšie tie, ktoré nám umožňujú popisovať procesy s nestacionárnym chovaním, ktorých analytické riešenie nie je väčšinou dosiahnuteľné. Nové princípy hydroinformatiky ovplyvňujú kvalitu nových projektov v urbanizovaných oblastiach. Použitím nových metód je možné navrhovať prípadné konštrukčné, funkčné, ale i prevádzkové zmeny (manipulačný - prevádzkový poriadok). Všetky uvedené príklady majú spoločného menovateľa. Za súčasného stavu a podmienok ich nie je možné všetky realizovať, pretože zatiaľ chýbajú komplexné informačné technológie a hlavne overené dáta vo forme databáz a údaje z meraní a monitoringu. V súčasnej dobe stále chýbajú stavové dáta popisujúce napr., jednotlivé prvky odvodnenia vo väčších mestách ( platí to predovšetkým o Slovenskej republike, ale i ďalších štátoch strednej a východnej Európy). Jedným zo základných prvkov hydroinformatiky sú simulačné prostriedky pre popis procesov (väčšinou neustálených) základného hydrologického cyklu v prírode. Základným cieľom hydroinformatiky je kombinácia a integrácia základných vedeckotechnických informácií, právnických noriem, zvyklostí, objektívnych požiadaviek spoločnosti z oboru vodného hospodárstva a ochrany životného prostredia do objektívnej a reprezentatívnej formy, zrozumiteľnej aj pre širokú verejnosť. Vlastná všeobecná podoba programových prostriedkov a nástrojov musí akceptovať neustálenosť javov v prírode, avšak môže nadobúdať rôzne podoby. Pre lepší vysvetlenie obsahu hydroinformatiky je vhodné uviesť základné väzby a súvislosti: medzinárodné, štátne, národné, ale aj miestne právne normy, ktoré musia byť rešpektované pri akejkoľvek činnosti inžiniera - vodohospodára (napr. maximálna koncentrácia znečistenia v riečnej sieti, v hraničných tokoch), dohody, obmedzenia a právne úpravy miestneho charakteru, základné fyzikálne, chemické, biologické a materiálové, 20

25 meteorologické, hydrologické a hydrodynamické parametre (zrážkové dáta, klimatické dáta, tvary hydrogramov zaťažovacích stavov kanalizačnej siete, hydrogramy povodňových vĺn, parametre emisných a imisných limitov atď.), monitorovacia a meracia sieť, kvalitatívne a kvantitatívne požiadavky užívateľov vodných zdrojov, vrátane odhadu perspektívneho rozvoja potrieb a odhadu ich možného znečistenia, resp. návrhu ochrany (pásmo hygienickej ochrany), umiestnenie, kvantitatívne a kvalitatívne popisy súčasných i potenciálnych znečisťovateľov, technický popis regulačných prvkov (objektov) vrátane ich umiestnenia, okrajové a počiatočné podmienky pre zvolenú oblasť záujmu a určené časové obdobie, pre ktoré sa má sledovať chovanie systému, formulácia cieľov a požiadaviek na chovanie sa systému, Medzi základné aplikácie hydroinformatického systému patrí použitie štandardných nástrojov softvérových prostriedkov (simulačné nástroje alebo databázy) k overovaniu dôsledkov inžinierskej činnosti na existujúce urbanizované prvky. Overovanie vplyvu stavieb sa uskutočňuje v dvoch krokoch: Prvým je kalibrácia nástroja vo forme porovnania výsledkov testov - chovanie overovaného systému vo virtuálnej realite napr. na modeli - a v skutočnosti s využitím nameraných údajov. Druhým je aplikácia nástroja vo forme simulácií pre vybrané zaťažovacie stavy. Základné komponenty hydroinformatiky sa dajú vymenovať iba rámcovo, pretože s ďalším rozvojom IT sa rozširuje oblasť, kde sa aktívne objavujú jednotlivé komponenty hydroinfomatiky. Uvedený je základný prehľad jednotlivých komponentov - aktivít hydroinformatiky [22] : získavanie informácie- zameranie, monitoring, vyhľadávanie informácie v texte, získavanie informácie z popisu udalosti skúsenosti technikov, prevádzkovateľov, archivácia založenie databázy, systém archivácie dokumentov a máp, úprava informácií analýza preverenie dát, verifikácia údajov, kompletácia a doplnenie chýbajúcich dát, vizualizácia dát, analýzy priestorových a časových zmien dát, dátové konverzie 21

26 modelovanie aplikácia stochastických modelov, aplikácia deterministických modelov, aplikácia KBS (knowledge based systems systémy založené na umelej inteligencii) komunikácia všeobecná komunikácia v rámci HW vybavenia, komunikácia HWčlovek, komunikácia HW- HW v prenose dát, človek človek, komunikačné siete podpora rozhodovaciemu procesu aplikácia expertného systému, aplikácia DSS (systém podpory rozhodovacieho procesu), analýza rizík Z uvedeného zoznamu prvkov je zrejmé, že nie sú závislé na akvatických systémoch. Naopak všeobecne definovaný systém z uvedených prvkov zameraných na jednotlivé prvky hydrologického cyklu vytvára hydroinfomatický systém, ktorý je možné použiť pre optimálne využitie systému. Pre potreby posudzovania vplyvu odľahčovacích komôr sa z uvedených prvkov samozrejme nebudú používať všetky. Najdôležitejšími bodmi budú samozrejme okrem získavania a verifikácie dát samotné modelovacie procesy. Pod pojmom model všeobecne chápeme "predlohu", "napodobeninu", resp. kópiu predmetu, objektu alebo systému v skutočnej alebo upravenej veľkosti. V odbore prírodných vied a techniky slúžia modely k vyjadreniu dôležitých a podstatných vlastností "predlohy" a k zanedbaniu nepodstatných aspektov. Týmto zjednodušením je možné dosiahnuť matematicky formulovateľný a riešiteľný popis študovanej. Je zrejmé, že v minulosti slúžili technikom najmä fyzikálne modely, dnes sa používajú prevažne matematické modely. Dynamickým spojitým hladkým systémom nazývame množinu bodov vzájomne prepojených objektov rôznej fyzikálnej podstaty, ktorých stav podlieha časovým zmenám. Pre popis takéhoto systému používame bilanciu energie, hmoty alebo hybnosti. Bilancie vodohospodárskych systémov je možné vyjadriť systémom nelineárnych diferenciálnych rovníc. Z toho môžeme vyvodiť všeobecnú zásadu, že dynamiku každého systému môžeme popísať matematickým modelom. Mnohonásobné použitie matematického modelu za rôznych okrajových podmienok nazývame simuláciou. Nebudeme sa zaoberať systémami, pre ktoré nie sme schopný definovať matematický model bilanciami a systémom doplnkových vzorcov. Matematický model v tomto pojatí vyjadruje vzťah medzi tromi množinami veličín: vstupnými; stavovými; výstupnými. Modelovanie je experimentálny informační proces, pri ktorom sa skúmanému systému jednoznačne priradzuje podľa určitých kritérií iný systém fyzický alebo abstraktní nazývaný 22

27 model [21]. Tvorba matematického modelu pozostáva vo vypracovaní matematických formúl (= rovníc), ktoré popisujú súvislosti medzi vstupnými veličinami a aktuálnym stavom systému, prípadne aj výstupnými veličinami. Vytvorený model je následne použitý k popisu priebehu jednotlivých procesov (napr. na základe analýzy a interpretácie dát z meraní) a tiež k prognózam o chovaní sa systému. Matematickým popisom procesu je tak vytvorený nástroj, ktorý umožňuje znalosti a skúsenosti zovšeobecňovať a prenášať z jedného systému na systém iný. V odbore mestského odvodnenia je väčšina modelov vytváraná na základe princípu indukcie - od špeciálneho poznatku k všeobecnému. Meranie potrebných znakov a veličín je v tomto prípade východiskovou činnosťou pre modelovanie. Empiricky zistiteľné a systematicky usporiadané výsledky vedú k formulácii nadradeného všeobecného - princípu. Opačným spôsobom je deduktívni prístup, pri ktorom sú prognózy vykonávané na základe všeobecne platných a známych zákonitostí (skôr vytvorených a dnes už osvedčených modelov). Tento spôsob sa v odbore mestského odvodnenia vzťahuje spravidla na určité časti nových modelov, ktoré sa všeobecne platných zákonitostí dotýkajú (napr. použitím Reynoldsovho čísla pre určenie režimu prúdenia), alebo v prípadoch, v ktorých priame meranie a pozorovanie nebolo možné a alebo nebolo uskutočniteľné. Pri tvorbe modelu je dôležité, aby táto činnosť bola vykonávaná systematicky a aby pri odvodzovaní matematických formulácii neboli používajú údaje, ktoré sa vzťahujú k špecifickým podmienkam správania sa systému. Základnou vlastnosťou dynamického systému je, že jeho správanie nezávisí len na hodnotách vstupných veličín, ale aj na istom pôsobení týchto veličín v minulosti. Systém má teda istú pamäť, v ktorej je historický vývoj veličín pevne fixovaný. Stav systému, vyjadrený ako množina časových funkcií alebo množina časových postupností hodnôt, predstavuje okamžitý stav pamäťových miest vnútornej pamäti systému. Stav systému na začiatku simulácie, t.j. v čase t = 0 je nazývaný počiatočnými podmienkami. Znalosť počiatočných a okrajových podmienok umožňuje určiť výstupné veličiny a stav systému v každom čase t > 0. V nasledujúcom texte sú zhrnuté základné zásady postupu pri stavbe modelu, ktoré by si mal každý, kto model navrhuje, starostlivo rozvážiť. Ciele modelu - projektu - musia byť jasne a presne definované. Čím je model všeobecnejší, tým je finančne náročnejší a v neposlednom rade komplikovanejší. Veľmi nákladné sú realizácie zmien v priebehu prác na modeli. Matematický model by sa nemal nikdy navrhovať ako uzavretý systém z pohľadu SW. Autor návrhu simulačného modelu musí vyhodnotiť "cieľového užívateľa" modelu. 23

28 Základné riadiace rovnice - väčšinou bilančného typu (rovnica kontinuity, bilancia hybnosti, zákon o zachovaní energie, prípadne ďalšie) sú doplnené empirickými vzorcami. Závisle premenné funkcie (napr.: Q [prietok], u, v, w [zložky vektora rýchlosti], d [hĺbka], C [rýchlostný súčiniteľ] a i.) a nezávisle premenné (pre trojrozmernú schematizáciu tri súradnice priestoru x, y, z a pre nestacionárne problémy súradnicu času t) určujú základné stavové charakteristiky systému. Množstvo nezávisle premenných podmieňuje počet riadiacich rovníc a tým aj uskutočniteľnosť úlohy. Schematizácia - miera zjednodušenia úlohy sa premietne do počtu závisle premenných funkcií a tým väčšinou aj do ceny konštruovaného simulačného modelu. Schematizácia má významný vplyv na množstvo a spôsob spracovania a ukladania dát. Časová nezávislosť správania systému vedie k výraznému zjednodušeniu navrhovaného modelu (pre porovnanie ustáleného a neustáleného prúdenia jednorozmerného charakteru v otvorených korytách). Predpoklad konštantných hodnôt vybraných funkčných hodnôt alebo parametrov, aj keď platný len v obmedzenom intervale, môže viesť k výraznému zjednodušeniu riadiacich rovníc (príkladom môže byť konštantná hustota kvapaliny ρ, ktorej zmena sa vo väčšina hydrodynamických modelov zanedbáva). Tieto zjednodušenia sa premietajú aj do algoritmizácie úlohy a tým do modelu. Proces schematizácie je konfliktnou inžinierskou úlohou. Na jednej strane zvýšenou mierou schematizácie zjednodušujeme simulačný model a tým znižujeme jeho ekonomickú náročnosť pri jeho stavbe, ale na druhej strane nižší stupeň všeobecnosti väčšinou znižuje dosiahnuteľnú presnosť aproximácie a tým aj vypovedaciu schopnosť modelu. Metódy riešenia riadiacich rovníc - musí autor modelu zvoliť s použitím všetkých dostupných informácií o vhodnosti metódy riešenia pre vybranú sústavu riadiacich rovníc. Má k dispozícii: - priame riešenie - presné analytické priamou integráciou alebo úpravou - numerické riešenie - MKD, MKV, metóda charakteristík Algoritmizácia úlohy - predstavuje radu numerických postupov, ktoré vyhovujú zvolenej metóde aproximácie a zodpovedajú vytýčeným cieľom projektu v plnom rozsahu. Algoritmus úlohy je závislý na hardvérovom usporiadaní predpokladaných počítačov (veľkosť operačnej pamäte, typ operačného systému, veľkosť pevného disku, typ grafickej karty a veľkosť jej pamäte a pod.). Numerické algoritmy musia byť dostatočne robustné, musia byť testované za všetkých podmienok, ku ktorým by mohlo dôjsť počas aplikácie modelu. Predovšetkým musí byť jasné maximálne počty iteračných slučiek a zaistené chybové rutiny, ktoré nedovolia zrútenie systému ani za extrémnych podmienok. 24

29 Zdrojový program - napísaný v programovacom jazyku (Fortran, Pascal, Basic, C atď), ktorý je realizovaný v súlade s konečnou algoritmizáciou úlohy. Spôsob spracovania programov v zdrojovej forme bol fundamentálne ovplyvnený novým trendom objektového programovania. Program v strojovom kóde - vznikne preložením (kompiláciou) všetkých zdrojových programov a ich následným spojením do formy spustiteľnej pod operačným systémom, čo však platí pre štandardný spôsob programovania. Numerické testy a experimenty overia správnosť navrhnutého algoritmu, odhalia chyby v zdrojovom programe a poskytnú základné predstavu o presnosti metódy. Kalibrácia simulačného modelu - slúži na zistenie správných hodnôt koeficientov, parametrov riadiacich rovníc alebo empirických vzorcov simulačného modelu. Pre kalibráciu modelu je potrebné získať sériu paralelných vstupných a výstupných veličín pre známe počiatočné podmienky systému. Za najvýhodnejšie výstupné veličiny sú považované merané dáta z terénu. Cieľom kalibračnej úlohy je maximálna možná zhoda hodnôt výstupných veličín numerickej simulácie s nameranými hodnotami. Úspešnou kalibráciou sa súčasne podáva dôkaz o simulačných spôsobilostiach modelu a často možno usudzovať aj na všeobecnú chybu modelu. Každý model je nutné preveriť niekoľkými kalibráciami, predtým ako je aplikovaný v praxi. Verifikácia simulačného modelu - je po obsahovej stránke porovnateľná úloha s kalibráciou. V rámci verifikácie modelu sa však overuje platnosť zistených parametrov pre nezávislú sériu meraných hodnôt vstupných veličín a počiatočných podmienok. Séria hodnôt pre verifikáciu by mala zodpovedať inému stavu systému ako u úlohy kalibrácie (pri hydrodynamickej simulácii prúdenia vody v kanalizačnej sieti uskutočíme kalibráciu simulačného modelu na jednu meranú udalosť a verifikáciu na udalosť rôzneho charakteru, prípadne rôzneho plnenia potrubia a charakteru dynamiky odtoku). Simulácia navrhnutým modelom - vlastné numerické experimenty, ktoré umožnia hľadať optimálny variant zadanej úlohy. Je potrebné zdôrazniť, že v rámci simulácie už nemožno meniť parametre simulačného modelu, ktoré boli získané kalibráciou a overené verifikáciou. Je samozrejme možné parametre meniť, ale iba v odôvodnených prípadoch. Takým príkladom je napríklad posúdenie vplyvu rekonštrukcie kanalizačného zberača, a pod. Je zrejmé, že môže dôjsť k zmene priemeru potrubia, ale aj k výraznej zmene odporových charakteristík. Užívateľ však nemôže dôsledky svojich zámeroch porovnávať s nameranými veličinami, pretože ide o jeho predstavu riešenia. 25

30 Pre stavbu simulačných modelov pre popis nestacionárnych javov vo vodnom hospodárstve sa používajú väčšinou rovnice bilančného typu (rovnica kontinuity, bilancia hybnosti, zákon o zachovaní energie), ktoré sú vhodne doplnené empirickými vzorcami a ďalšími doplnkovými vzťahmi. Počet rovníc je podmienený počtom závisle premenných funkcií, ktoré chceme aproximovať. Okrajové podmienky dopĺňajú základné rovnice a umožňuje riešiť sústavu rovníc ako reakciu simulovaného systému na vonkajšie podnety. Závislou premennou, medzi ktoré väčšinou patrí: Q [prietok] U, V, W [časové stredné zložky vektora rýchlosti], h [hladina vody], Yd [hĺbka], Co [hmotnostná koncentrácia] a ďalšie. Závisle premenné, ktoré predstavujú pre trojrozmernú schematizáciu tri súradnice priestoru x, y, z a pre nestacionárne úlohy súradnicu času t. Závislé a nezávislé premenné určujú základné stavové charakteristiky systému. Množstvo nezávisle prememnných podmieňuje počet riadiacich rovníc a tým aj uskutočniteľnosť úlohy. Z uvedeného textu je zrejmá závislosť medzi mierou univerzálnosti a komplexnosti systému riadiacich rovníc a zložitosťou algoritmu. Doplnkové rovnice, dopĺňajú základnú sústavu rovníc v počte, ktorý je potrebný na riešenie všetkých závisle premenných. Príkladom doplnkovej rovnice je napr. vzťah medzi hĺbkou Yd, vodným stavom h a výškovou súradnicou dna z je daný Yd = h-z. 3.2 Schematizácia - miera zjednodušenia simulačnej úlohy Schematizácia predstavuje mieru zjednodušenia reálneho stavu popisovaného systému, ktorého vlastnosti, resp. správanie, sa pokúšame opísať formou sledovaných závisle premenných funkcií. Proces schematizácie je typicky konfliktnou inžinierskou úlohou. Na jednej strane zvýšenou mierou schematizácia zjednodušuje simulačný model a tým znižujeme ekonomickú náročnosť jeho vývoja, ale na druhej strane menšia dokonalosť výsledného popisu znižuje vypovedaciu schopnosť modelu - presnosti aproximácie, a tým vlastne znižujeme vypovedaciu schopnosť modelu. Z uvedených úvah je zrejmé, že tvorca modelu musí jednotlivé schematizačné zásahy optimalizovať. Miera schematizácie sa výrazné premietne predovšetkým do počtu závisle premenných funkcií, a tým aj do počtu riadiacich rovníc. Je samozrejmé, že časová nezávislosť správania systému vedie k výraznému zjednodušeniu navrhovaného modelu (porovnaj: ustálené a neustálené prúdenie jednorozmerného charakteru v otvorených korytách alebo netlakové prúdenie v potrubí). Predpoklad konštantnej hustoty kvapaliny ρ je príkladom významného zjednodušenia riadiacich rovníc, ale aj vlastnej algoritmizácie úlohy. Ak však staviteľ simulačného prostriedku bude uvažovať o simulácii prenikania chemickej látky z ústia rieky do 26

31 kanalizačného potrubia, je model s konštantnou hustotou ρ nepoužiteľný. 3.3 Metódy riešenia riadiacich rovníc Zvolené metódy riešenia riadiacich rovníc sú prevažne závislé na miere schematizácie. Pre známu sústavu riadiacich rovníc a presne sformulovaný okrajový problém je možné hľadať riešenie dvoma cestami: priamym riešením - presné analytické riešenie priamou integráciou alebo úpravou, prípadne metódou charakteristík, táto metóda je vhodná predovšetkým pre jednoduchšie simulačné modely, pre nestacionárne prúdenie kvapalín možno odporučiť len metódu charakteristík. numerickým riešením - metódou konečných prvkov (MKP), metódou konečných diferencií (MKD) alebo modifikovanou metódou charakteristík (MCH) Metoda konečných prvkov Základný princíp metódy spočíva vo vyjadrení hľadanej funkcie vo forme vzájomne prepojených väzieb, ktoré vedú k riešeniu matíc. V každom bode definovanej siete rôzneho tvaru sú definované hodnoty hľadanej funkcie (napr. h). Koeficienty, na základe ktorých sa vypočítavajú hodnoty funkcie a ktoré sú vyjadrené v každom bode, sú optimalizované. Výpočtová sieť môže byť volená bez významnejších obmedzení. Pre eliptické a parabolické problémy predstavuje MKP vhodnú metódu riešenia. Pre časovo závislé javy (hyperbolické rovnice) nebýva aplikácia metódy najjednoduchšia [22] Metoda konečných diferencií MKD - Základný princíp metódy spočíva v náhrade kontinuálneho opisu správania systému (väčšinou formou parciálnych diferenciálnych rovníc) opisom nespojitým. Pravidlá pre diferenčný prevod sú stanovené numerickými operátormi. Ich návrh ovplyvňuje kvalitu aproximácie procesu a v neposlednom rade celkovú chybu metódy. V rámci metódy sa aproximujú hodnoty hľadanej funkcie len v predom určených bodoch - uzloch. Iné hodnoty sa interpolujú buď lineárne alebo zložitejšími nelineárnymi metódami. Viac o MKD je uvedené v [22]. MKD je v súčasnosti najviac používanou metódou pre aproximáciu hyperbolických, ale často aj parabolických rovníc, čo sa odráža v numerických "motoroch" jednotlivých simulačných modelov. 27

32 3.4 Kalibrácia a verifikácia modelu Počas stavby simulačných prostriedkov je potrebné kontrolovať správanie jednotlivých elementov budúceho programu. U väčších projektov je to jediná cesta, ktorá umožňuje autorom prácu úspešne dokončiť. Až po dôkladnom overení vlastností všetkých programových elementov sa prikročí k previazaniu jednotlivých častí. Táto priebežná kontrola sa vykonáva numerickými testami a pokusmi, keď sa porovnáva známy priebeh funkcie alebo výsledné správanie elementu s analyticky získanými alebo nameranými hodnotami. Po úspešnom ukončení všetkých naplánovaných testov (ide o statické a dynamické skúšky), ktoré odhalia prípadné chyby v algoritme alebo pri tvorbe zdrojového programu a poskytnú základnú predstavu o dosiahnuteľnej presnosti metódy, je simulačný prostriedok pripravený na praktické použitie. Ďalšou činnosťou tvorcu programovacieho prostriedku je kalibrácia simulačného modelu. Tá slúži na zistenie osvedčených hodnôt koeficientov a pomocných parametrov riadiacich rovníc alebo empirických vzorcov. Pre kalibráciu modelu je potrebné získať nezávislú sériu vstupných a výstupných veličín pre známe počiatočné podmienky systému. Za vhodné výstupné veličiny sú považované merané dáta z poľných meraní (napr. rýchlostné pole, intenzita zrážok, hladiny alebo prietoky v potrubí) alebo výsledné hodnoty z fyzikálneho modelu. Cieľom kalibračnej úlohy je maximálna možná zhoda hodnôt výstupných veličín numerickej simulácie s nameranými hodnotami. V rámci kalibrácie sa väčšinou vykonáva štúdia citlivosti modelu, ktorá dáva možnosť užívateľom získať prehľad o celkovej chybe metódy a jej ovplyvnenie. Koncový používateľ dostane určité poznatky o výsledku kalibrácie v manuáli. Typickým odporúčaním môže byť napr. optimálna veľkosť časového kroku vo väzbe na hustotu výpočtovej siete a ďalšie parametre u nestacionárnych modelov. Po úspešnom ukončení kalibrácie nasleduje verifikácia simulačného modelu. To je po obsahovej stránke porovnateľná úloha s kalibráciou. V rámci verifikácie modelu sa však overuje platnosť kalibrovaných parametrov pre ďalšiu nezávislú sériu nameraných hodnôt vstupných veličín a počiatočných podmienok. Séria hodnôt pre verifikáciu by mala zodpovedať inému stavu systému, ako pri kalibrácii. Komerčne šírené produkty sú väčšinou veľmi dôkladne verifikované. 3.5 Simulácia navrhnutým prostriedkom Po úspešnom ukončení všetkých činností, ktoré boli veľmi zjednodušenej opísané v tejto časti, je simulačný model pripravený na použitie. V praxi sa často stáva, že komerčne šírený simulačný prostriedok je postupne doplňovaný a aktualizovaný tak, ako to požadujú 28

33 súčasní aj budúci užívatelia. V rámci aktualizácie sa odstraňujú drobné a nepodstatné chyby, ktoré sa behom užívania vyskytli. Z týchto dôvodov sa prostriedky rovnakého mena odlišujú číslami verzií. O úspešnom použitie simulačného prostriedku rozhoduje: cena produktu podpora, manuály, príklady k použitiu, výukové programy, ktoré zaisťuje tvorca produktu zrozumiteľný a priateľský návrh GUI (graphical user interface), náväznosť produktu na štandardné nástroje (databázové formáty, komunikácia s MsOffice, konzistencia s vývojovými trendmi operačných systémov konzistencia vyvíjaného prostriedku s vývojom HW aj.) Jedna z úspešných komerčných vetiev SW produktov aplikovaných v praxi predovšetkým výskumnými inštitúciami a ústavmi sú všeobecné solvery - riešitele. Predchodcom takýchto riešiacich softvérov bol systém EUREKA, ktorý bol značne obľúbený medzi odborníkmi. Tento "Riešiteľ" umožnil užívateľovi definovať ľubovoľné riadiace rovnice doplnené o systém nerovníc a ďalších obmedzení a hľadať optimálne riešenia. Novší MATLAB predstavuje solver, ktorý môže byť odbornými špičkami uprednostnený, ale všeobecného použitia medzi širokou verejnosťou praxe sa nemôže dočkať, pretože by musela byť splnená základná podmienka maximálnej úrovne vzdelanosti v odbornej praxi. Znamenalo by to vedeckú a odbornú úroveň u konzultantov a odborníkov v projekčných ústavoch porovnateľnú so špičkami vo výskumných ústavoch, čo je v súčasnosti aj najbližšej budúcnosti zrejme nedosiahnuteľné. Univerzitný softvér je vítaným doplnkom komerčných prostriedkov. Jeho základnou prednosťou je jeho nízka cena (resp. licencie za registračný poplatok) a okamžitá disponibilita. Jeho nevýhodou je väčšinou chýbajúca dokumentácia, nízky stupeň konzistencie a takmer nezaručená vývojová rada. S odchodom tvorcov na iné pracovisko už nebýva softvérový produkt ďalej podporovaný. Univerzitný softvér sa dá prirovnať k predajniam rýchleho občerstvenia (Take away). Platíte menej alebo nič, získate väčšinou aj zdrojový kód, ale to je väčšinou všetko, nie je zabezpečená kontinuita. Z pohľadu užívateľa, ktorý musí najväčšiu investíciu zamerať na tréning expertov a ich schopnosť s prostriedkami pracovať, je práve tu veľký otáznik v aplikácii SW, ktorý nemá predpoklad kontinuity. 29

34 3.5.1 Úloha posúdenia odľahčovacích komôr Odľahčovacie komory na stokovej sieti predstavujú pomerne zložitý hydraulický objekt. Režim prúdenia v komore je značne ovplyvnený ako samotným typom prepadu, tak aj ostatnými rozmermi komory a potrubí, ktoré slúžia na prúdenie odpadovej vody. Možnosť spätného zavzdutia hladiny vody v prepade pri nedostatočnej kapacite odľahčovacej trate, alebo tlakový režim prúdenia v prívodnej stoke predstavujú výrazné znáročnenie výpočtových rovníc a algoritmov. Možnosť výpočtu nestacionárneho prúdenia a možné spätné vzdutie (záporný prietok podľa smeru) budú dve základné požiadavky na výpočtový aparát vhodného prostriedku. Za týmto účelom bude nevyhnutné nájsť vhodný matematický model medzi štandardnými produktmi na trhu. Katedra ZI má k dispozícií software MOUSE od Dánskeho Hydraulického Inštitútu, a preto voľba padla na uvedený simulačný software. Formou modelov totiž budú získané dáta potrebné pre porovnanie výsledkov výpočtových metód pre bilančné veličiny s reálnymi dátami. Nakoľko pozorovania, resp. monitoring na odľahčovacích komorách nie je k dispozícií v žiadnej z prevádzkových spoločností je možné chovanie sa systému z dlhodobého hľadiska posúdiť iba formou modelu. 30

35 4. Postup riešenia Pre hodnotenie účinkov odľahčovaných odpadových vôd na recipient treba poznať transportované znečistenie privádzané odľahčovanými zmiešanými vodami, charakterizované kvantitatívnymi a kvalitatívnymi ukazovateľmi znečistenia. Stanovenie bilančných veličín pomocou publikovaných rovníc na výpočet počtu prípadov odľahčovania, trvania odľahčovania, objemu odľahčovaných vôd a transportovaného znečistenia podľa CHSK, BSK 5, TOC, NL, N a P umožňuje komplexnejšie posúdiť konkrétne podmienky nepriaznivého vplyvu odľahčovaných odpadových vôd na recipient v jednotlivých lokalitách a povodiach odľahčovacích objektov a navrhovať riešenia vo forme adekvátnych ochranných opatrení v povodiach odľahčovacích objektov na zníženie nepriaznivého účinku a samozrejme riešenia vo forme spresnenia návrhových postupov pre samotné objekty. Vzhľadom na širokú škálu možností výpočtu bilančných veličín pomocou vzťahov navrhnutých rôznymi autormi je cieľom práce verifikovať a z komplexnej stránky analyzovať problematiky vplyvu odľahčovaných vôd na vodné toky. Zámerom je formulovanie matematických analytických závislostí metódou viacnásobnej regresie na stanovenie bilančných posudzovacích veličín: - počtu odľahčovaní počas priemerného teplého polroka, resp. priemerného roka, - trvania odľahčovania v hod počas priemerného teplého polroka, resp. priemerného roka, - objemu odľahčovaných vôd, - zaťaženia znečisťujúcimi látkami transportovanými odľahčovanými odpadovými vodami do recipientu. Formulované závislosti umožnia stanoviť bilančné veličiny v ľubovoľnej lokalite na Slovensku pre mestské povodie konkrétneho odľahčovacieho objektu na kanalizačnej stokovej sieti jednotnej sústavy. Pri tvorbe regresných závislostí bude potrebné porovnať jestvujúce metódy z hľadiska rozdielov vo výsledkoch a vplyvových faktorov na tieto rozdiely. Ich analýza bude následne smerodatná pre ich možné využitie ako parametra vstupujúceho do regresného modelu. Táto úloha vyžaduje v prvom rade detailné porovnanie výsledkov získaných pomocou publikovaných metód. Porovnanie a polemiky o vhodnosti konkrétnej výpočtovej metódy bilančných veličín boli v odbornej literatúre publikované niekoľko krát [11],[18], avšak bez uzavretia tohto problému. Využitím metód štatistickej analýzy na súbore ročných zrážkových úhrnov poskytnutých na riešenie tejto úlohy od SHMÚ je možné kvantifikovať štatistické 31

36 opodstatnenie zavedenia parametra zemepisná dĺžka do výpočtovej metódy. Rovnako je možné použiť tento spôsob na identifikáciu ostatných štatisticky významných parametrov, ktoré bude potrebné zahrnúť do uvažovaných regresných metód. Zo štatistických metód bude nevyhnutné posúdiť možnosť využitia zhlukovej analýzy. Použitie tejto metódy umožní na základe dostupných súborov dažďových dát identifikovať a prípadne vytvoriť plošne rozložené súbory sídiel s rovnakými alebo podobnými parametrami. Miera podobnosti bude predmetom samotného vyhodnotenia, nakoľko dopredu nie je možné v uvedenej oblasti prejudikovať predpokladané výsledky. V prípade úspešného výsledku sa uvedeným spôsobom zabezpečí redukcia celkového počtu lokalít. Výhodou bude možnosť sústredenia sa na konkrétne a hlavne z hľadiska dostupnosti údajov priaznivé alternatívy v každej identifikovanej oblasti s približne rovnakými vlastnosťami. Po identifikácii predpokladaných skupín lokalít bude pre jednotlivé prvky potrebné vykonať samotnú analýzu a výpočet bilančných veličín na základe reálnych dažďových radov s dostatočnou dĺžkou pozorovania. Pre tento účel bude nevyhnutné použiť, pre už vyššie spomínané problémy s možnosťou priamych meraní, simuláciu v zrážkoodtokovom modeli. Katedra ZI má k dispozícií software MOUSE od Dánskeho Hydraulického Inštitútu, a preto voľba padla na uvedený simulačný software. Pre možnosť použitia zrážkoodtokového modelu je potrebné zabezpečiť v danej lokalite minimálne tieto údaje [4]: - zrážkomerné údaje súhrnné historické rady dažďov kontinuálne dažďové záznamy - hydropedologické parametre (výpar, infiltrácia) - geografické údaje o povodí najlepšie digitálna mapa terénu plochy priepustné a nepriepustné - údaje o stokovej sieti (pasport stokovej siete) bodové prvky šachty transportné prvky úseky špeciálne objekty čerpacie stanice, odľahčovacie komory, dažďové nádrže, zhýbky,... Tieto údaje je možné získať buď z literatúry, predošlých výpočtov alebo najčastejšie priamymi terénnymi meraniami. Z hľadiska časovej a ekonomickej náročnosti bude potrebné sústrediť sa na lokality, kde už boli podobné výpočty uskutočnené. Zo skúseností je možné konštatovať, že najvážnejším problémom je získavanie dažďomerných údajov, pretože nie 32

37 všade sú k dispozícii dlhodobé dažďomerné údaje. Tieto sú vôbec jedným z najdôležitejších údajov pri modelovaní, pretože od nich závisí presnosť simulovaných hladín a prietokov v stokovej sieti. Nepresné údaje následne vedú k nepresným výsledkom, preto je potrebné rozobrať problematiku daždových údajov podrobnejšie. Nové problémy v stokovaní, a sem môžeme zaradiť aj posudzovanie vplyvu odľahčovacích komôr na recipient, si žiadajú presnejšie zrážkové údaje, najlepšie dlhodobé merania aspoň 20 ročné s minútovým záznamom a priestorovou rezolúciou 1 km 2 [1]. Dažde pre mestskú hydrológiu predstavujú najdôležitejší vstupný parameter, naproti hydrológii prírodných povodí, kde porast, vietor a sneh majú aspoň taký význam ako samotný dážď. Plochy, ktoré predstavujú cieľ nášho záujmu sú oveľa menšie ako plochy v hydrológii prírodných povodí, čo len podčiarkuje skutočnosť potreby veľmi presných zrážkových údajov. Jedným z najdôležitejších poznatkov pri problematike skúmania bilančných veličín a ich porovnávania s výsledkami simulácie zrážkoodtokovým modelom je skutočnosť, že periodicita dažďa sa nerovná periodicite vyvolaných javov, alebo všeobecnejšie: štatistika dažďa sa nerovná štatistike efektov [17]. Ako už bolo uvedené, klasická koncepcia mestského odvodnenia poznala doteraz len jeden typ úlohy a tým bolo čo najrýchlejšie odvedenie dažďového odtoku z povodia. Preto bolo potrebné dimenzovanie rúr len na maximálny očakávaný odtok, čomu bola aj podriadená koncepcia blokového alebo návrhového dažďa. V súčasnosti sa rieši aj iný typ úloh, a sem samozrejme musíme zaradiť aj bilančné posudzovanie odľahčovacích komôr, alebo všeobecnejšie skúmanie správania sa stokového systému a objektov na ňom v prípade zaťaženia zrážkovou udalosťou. Základný rozdiel medzi klasickým a moderným poňatím mestského odvodnenia ukazuje nasledujúci obrázok. Staršia filozofia Moderná filozofia Štatistické spracovanie dažďových údajov Historický rad dažďov Výpočet Simulácia pomocou matematických modelov Výsledok Štatistické spracovanie výsledkov Obr. 1. koncepcie mestského odvodnenia 33

38 V klasickej koncepcii štatistickým spôsobom spracujeme dažde a určíme jeden návrhový dážď, pre ktorý vykonáme výpočet, z ktoré výstup je jeden výsledok ako napríklad návrhový prietok. Pre analyzovanie bilančných veličín je ale potrebné použiť modernú koncepciu. V tej zaťažíme povodie radom historických dažďov a výsledkom bude ucelený rad efektov, ktoré budú následne spracované štatisticky. Problematickým zostáva vystihnutie efektu časovej a plošnej nerovnomernosti zrážok. Táto vyvoláva viaceré otázky v radoch odbornej verejnosti najmä v súvislosti s nepresnosťami návrhu a posúdenia kanalizačných sietí u urbanizovaných sídel s jednou, prípadne žiadnou zrážkomernou stanicou. Na vystihnutie plošnej nerovnomernosti je doporučované [23] osadenie zrážkomerov podľa pravidla 1-1, teda na 1 km 2 1 zrážkomer, čo je v praxi nesplniteľná požiadavka. Na tento jav naväzuje aj konštatovanie, že použitím iba jedného dažďomera spôsobíme objemovú chybu pri výpočte prietokov väčšiu ako 20% [23]. Treba ale poznamenať, že pre uskutočnené simulácie na povodí o ploche 34 km 2 s použitím 85 historických zrážkových udalostí zaznamenaných jedným zrážkomerom, bolo zistené, že pre 40 udalostí bola objemová chyba medzi veľkosťou simulovanej a reálnej veličiny viac ako 20% [23]. Podobná simulácia uskutočnená tými istými autormi sa robila aj na povodí s plochou 0,5 km 2 a výsledok bol prekvapujúco podobný, keď veľká časť simulovaných zrážkových epizód vykázala objemovú chybu 20% a viac. Ďalšie simulácie ukázali, že pre dostatočnú zhodu simulovaných a meraných údajov by potrebovali aspoň 10 zrážkomerov osadených rovnomerne na povodí, a pritom sa ukázalo, že nezáleží na skutočnej veľkosti povodia. To teda znamená, že prosté zvyšovanie počtu zrážkomerov nevedie zákonite k presnejším výsledkom. Praktická ukážka vplyvu použitých dažďomerných údajov na kulminačný prietok v stokovej sieti je na nasledujúcom obrázku. 34

39 i (mm/min) M povodie 20 km čas (min) simulovaný prietok podľa dažďomera č.5 Q (m /s) simulovaný prietok podľa dažďomera č.8 simulovaný prietok podľa dažďomera č.3 simulovaný prietok s postupným použitím dažďomerných údajov z najbližšej zrážkomernej stanice nameraný prietok v kontrolnom profile M simulovaný prietok s použitím spriemerovaných dažďomerných údajov simulovaný prietok podľa dažďomera č čas (min) Obr. 2. vplyv plošného rozdelenia dažďa na výsledky simulácie Jedná sa o mesto Lund vo Švédsku. Veľkkosť povodia je 20km 2 a počet zrážkomerov bol 12. Ako vidieť, výpočty ukázali diametrálne rozdiely v prietokoch. Kalibrácia simulačného modelu v takomto prípade je náročná a vcelku relevantne spochybniteľná. Pre splnenie kalibrácie takejto úlohy by bolo potrebné použiť niekoľko rozdielnych záznamov zo zrážkomerných staníc, alebo niekoľko staníc s jedným záznamom. Otázka, aký počet staníc a koľko záznamov, zatiaľ nemá jednoznačnú odpoveď. Množstvo autorov [23] ale poukazuje na skutočnosť, že pre väčšinu úloh plošná sieť dažďomerov nie je potrebná. Tento zdanlivý rozpor je potrebné dokumentovať na nasledujúcom obrázku, kde sú výsledky modelovania odtoku v meste Hannover. Pre 24 dažďov boli vypočítané maximálne prietoky a odtečené objemy. Na vodorovnej osi sú vynesené výsledky pri použití zrážkových údajov z radarového merania s rozlíšením 300x300 m a na zvislej osi pri použití jedného meracieho 35

40 bodu pre záznam zrážkovej udalosti. Ako je zrejmé, väčšina bodov leží v blízkosti osi, čo potvrdzuje tvrdenie o nedôležitosti plošného rozdelenia zrážky pre tento typ úlohy. V (1000 m ) Q (m /s) 3 homogénny dážď Q Q Q Q Q Q Q Q Q V V V Q V V V Q QQQ Q V Q Q Q V Q V V V V V Q Q V V V Q V V V Q 0.1 QVV QV Q V V V (1000 m 3 ) nehomogénny dážď 3 Q (m /s) Obr. 3. vplyv plošného rozdelenia dažďa na prietok a pretečený objem Môžeme teda vyvodiť záver, že pre typy úloh, kde hľadáme maximálne návrhové hodnoty pre jednotlivé efekty na stokovej sieti so štatistickým spracovaním výsledkov nemá vplyv plošnej nerovnomernosti dažďa podstatný význam. Pre úlohy, kde ale pracujeme s jednotlivými dažďovými udalosťami, ako je napríklad posúdenie časti siete na preťaženie počas extrémneho dažďa zohráva plošná nerovnomernosť kľúčovú úlohu. Problematiku bilančných veličín je v takomto ponímaní obtiažne zaradiť, ale pre priemerný a ročný charakter týchto veličín je vhodnejšia alternatíva prvý prípad [23]. Pre úlohu akou je verifikácia priemerných ročných hodnôt sa limitujúcim faktorom pri modelovaní odtoku stáva dĺžka dažďomerných údajov. Ak si uvedomíme, že v priemere prší iba 5% z roka a potrebujeme poznať chovanie sa systému za extrémnych zrážkových udalostí, je nevyhnutné disponovať dostatočne dlhou zrážkovou radou. Všeobecne možno konštatovať, že zrážkové rady s dĺžkou najmenej 10 rokov sú pre tento typ úlohy postačujúce. Otázna zostáva voľba konkrétnej zrážkomernej stanice z pohľadu dĺžky záznamu a vzdialenosti od konkrétneho povodia, t.j. či je vhodné použiť údaje zo zrážkomernej stanice vzdialenej aj niekoľko desiatok kilometrov, ale s dlhým obdobím pozorovania, alebo použiť najbližšiu 36

41 stanicu s kratším záznamom. Túto úlohu bude potrebné riešiť pre každú modelovanú lokalitu individuálne. Z hľadiska časového kroku záznamu, je tento výrazným a významne vplývajúcim faktorom na presnosť výsledkov, čo názorne dokumentujú nasledujúce obrázky. časový krok 1 minúta časový krok 1 minúta i (mm/h) čas (min) prietok (m3/s) čas (min) časový krok 5 minút časový krok 5 minút i (mm/h) čas (min) prietok (m3/s) čas (min) časový krok 10 minút časový krok 10 minút i (mm/h) čas (min) prietok (m3/s) čas (min) časový krok 20 minút časový krok 20 minút i (mm/h) čas (min) prietok (m3/s) čas (min) Obr. 4. hyetogramy a hydrogramy jednej zrážky s rôznym časovým krokom záznamu, resp. výpočtu 37

42 čas (min) odtok intenzita dažďa záznam dažďa s 5 minútovým časovým krokom záznam dažďa s 10 minútovým časovým krokom simulovaný odtok z OK s 5 min. krokom dažďa simulovaný odtok z OK s 10 min. krokom dažďa q krit čas (min) Obr. 5. simulovaný odtok z OK s použitím dažďov s krokom 5 a 10 minút Časový krok záznamov je závislý hlavne na technických možnostiach dažďomerov, ďalej na metóde digitalizácie a type riešenej úlohy. Nakoľko nebudeme mať možnosť priamo ovplyvniť uvedený faktor, je potrebné túto skutočnosť zohľadňovať pri výbere zrážkových údajov pre konkrétnu lokalitu v zmysle hore uvedeného. Ďalším nemenej dôležitým faktorom je intenzita dažďa. Intenzita ovplyvňuje viacero vstupných údajov, napr.: - pre intenzívne lejaky môžeme predpokladať, že prietok v sieti bude proporcionálny intenzite dažďa (racionálna metóda) - je menej pravdepodobné, že aj objem odtoku bude proporcionálny intenzite, pretože závisí aj od trvania dažďa - odľahčovaný objem z objektov tiež nebude proporcionálny intenzite, pretože okrem iného závisí aj na dĺžke bezdažďového obdobia - znečistenia odľahčených vôd okrem dažďa je ovplyvnené aj sedimentami v sieti - ekologický efekt dažďa je veľmi obtiažne definovať. Záver z toho je už uvedený fakt, že periodicita dažďa sa nerovná periodicite výsledného efektu. Teda pre mnohé problémy, kde je to možné sa majú používať historické dažde s dlhými radmi pozorovaní. Pre týchto bilančných úlohách sa neanalyzujú príčiny t.j. dažde, ale ich odozvy v sieti efekty v podobe konkrétnych veličín popisujúcich chovanie konkrétneho objektu na stokovej sieti. 38

43 Pre riešenie problematiky bilančných veličín na odľahčovacích objektoch bude potrebné postupovať nasledujúcim spôsobom: - identifikovať konkrétnu lokalitu pre aplikáciu zrážkoodtokového modelu - získať potrebné podklady o samotnej stokovej sieti v lokalite a najmä vybrať vhodnú zrážkomernú stanicu pre vstupné dažďové údaje do modelu - modelovať danú zrážkovú radu údajov Pod pojmom modelovanie je potrebné zahrnúť širší okruh samostatných prác. Pred samotným modelovaním je potrebné vytvoriť digitálny sieť povodia skladajúcu sa zo všetkých prvkov stokovej siete: uzlov a úsekov, pričom uzly sa v používanom zrážkoodtokovom modeli chápu ako šachty a príslušné objekty (t.j. s reálnymi vlastnosťami, ktoré tieto objekty majú) a úseky sú chápané ako príslušné potrubia spájajúce jednotlivé uzly. Takto sa de facto vytvorí digitálna mapa kanalizácie a k nej je následne priradená digitálna mapa povodia, ktorá určuje subpovodia jednotlivých častí systému a priraďuje jednotlivým prvkom aj kvalitatívne vlastnosti povodia, akými je napríklad množstvo spevnených plôch, sklon terénu a pod. K týmto prácam je účelné použiť informačný a databázový systém, ktorý je schopný doplniť chýbajúce údaje na základe metódy analógie, resp. výpočtovo (plochy povodí,...). takto vytvorené údaje sa po kontrole konvertujú ako podklad pre zrážkoodtokový model MOUSE. Po vytvorení samotného modelu je potrebné tento skalibrovať a verifikovať. Kalibrácia modelu slúži na zistenie správnych hodnôt koeficientov a parametrov vstupných údajov. Základnou podmienkou kalibrácie zrážkoodtokového procesu je mať k dispozícii terénne merania zrážok a samozrejme príslušného odtoku v stokovej sieti, pomocou ktorých sa model kalibruje a následne aj verifikuje. Hlavný dôraz treba klásť na správne určenie odtokových koeficient a správny tvar odtokových hydrogramov. Pri prvom sa porovnáva objem modelovanej a nameranej odtokovej vlny (tzn. Objem odtoku, na ktorý má rozhodujúci vplyv odtokový súčiniteľ), a pri druhom sa porovnáva tvar modelovanej a nameranej odtokovej vlny ( tu je rozhodujúcim faktorom niekoľko rôznych súčiniteľov používaných pri výpočte povrchového odtoku z jednotlivých subpovodí, ako je doba koncentrácie, tvar elementárnych povodí, atď...). Pri kalibrácii je možné porovnávať nie prietoky, ale priebeh výšky hladiny [23]. Táto metóda je niekedy aj presnejšia, nakoľko nie je potrebná merná krivka prietokov pre merný profil, ktorú je pre konkrétny úsek stokovej siete obtiažne stanoviť. Výsledkom kalibrácie je simulovaný priebeh hladín (alebo hydrogramu odtoku) čo najviac podobný nameranému priebehu hladín (resp. hydrogramu), čo do tvaru ako aj objemu odtoku. Po kalibrácii modelu je možné pristúpiť k samotnému modelovaniu dažďového odtoku. Rozsah modelovania je značne závislý na dostupných dažďových údajoch. Pre riešenú 39

44 problematiku je ideálne modelovanie tzv. kontinuálnou simuláciou. Táto je doporučovaná pre bilančné vyjadrenie vplyvu odľahčovaných vôd na recipient, nakoľko sa simuluje celý dostupný zrážkový rad (aj niekoľko desiatok rokov). Samotné modelovanie odľahčovacej komory v simulačnom modeli MOUSE je podmienené voľbou užívateľa softwaru. Ponúka sa možnosť zadania veľkosti prietoku v škrtiacej trati (dosahovaná napríklad regulátorom odtoku a pod.), alebo je možné zadať priamo Q-H krivku pre daný typ prepadu. Nakoľko väčšina našich stokových systémov je vybavená škrtiacou traťou za odľahčovacou komorou [23], ale bez akejkoľvek možnosti regulácie je vhodné použiť Q-H krivku prepadu. To ale znamená, že pre každú odľahčovaciu komoru s danými parametrami sa ručne musí dopočítavať táto krivka. Takto bude možné získať dostatočne presný súbor výsledkových dát aj na relatívne malom počte simulovaných lokalít a tieto následne štatisticky vyhodnotiť. Nevýhodou je, že pri menšom počte lokalít je vierohodnosť štatistických procesov veľmi malá a výsledky budú iba orientačné. 40

45 5. Model Malacky 5.1 Charakteristika záujmového územia a rozsahu zberačov Mesto Malacky sa nachádza v juho-západnej časti Slovenska. Rovinatú Záhorskú nížinu, ktorá sa skláňa pozdĺž rieky Morava, ukončuje na východe výbežok Malých Karpát. Malacky ako okresné mesto sú prirodzeným geografickým centrom regiónu. Z hľadiska administratívneho členenia Slovenskej republiky je správne začlenené do Bratislavského kraja, ktorý tvoria okrem Bratislavy ešte okresy Pezinok, Senec a Malacky. Obr.6 Záujmové územie 41

46 Model kanalizačnej siete rieši odkanalizovanie v rozsahu celého povodia a v zmysle členenia podľa katastrálnych územia zasahuje prakticky celú oblasť Malaciek. Kanalizácia je v samotnej lokalite vybudovaná v celom rozsahu, okrajové časti boli dopojené v nedávnej minulosti. Kanalizácia je vybudovaná ako jednotná sústava stôk, ktorá je odvádzaná kanalizačným zberačom na čistiareň odpadových vôd. Kanalizácia bola budovaná postupne ako kanalizácia gravitačná a jednotná, s odľahčovacími komorami a odľahčením do recipientov. 5.2 Popis hydrologického modelu Hydrologický simulačný model Hydrologický simulačný model vychádzal z hydrotechnickej situácie, kde sú definované jednotlivé povodia, ich veľkosť, koeficient odtoku (reprezentovaný efektívnou nepriepustnou plochou) a prípadne ďalšie hydrologické parametre ako je napríklad doba koncentrácie alebo dĺžka a sklon povodia, ktorá bola spracovaná na katedre zdravotného inžinierstva ako jedna z úloh ešte v dávnej minulosti. Jednotlivé povodia sú zaústené do uzlových bodov kanalizačnej siete tak, ako bolo vyznačené v hydrotechnickej situácii. Súčasťou hydrologického modelu je aj definícia rady parametrov, ktorými sa stanoví počiatočná strata, retencia a retardácia povodia. Je možné voliť z niekoľkých rôznych spôsobov výpočtu odtoku z povodí. Pre účely práce bol zvolený model Mouse - Level A, ktorý vychádza z princípu časopriestorovej krivky. Tento spôsob výpočtu sa obvykle volí v prípade, pokiaľ nie je výpočet zameraný na simuláciu balastných vôd v stokovej sieti. Hydrologický model nezahrňuje simuláciu nehydrologických vôd, ako sú splaškové a priemyslové odpadové vody. Hydrologický model nerieši hydraulické chovanie sa siete, ako sú napr. oddeľovače v povodí. To je predmetom naväzujúceho hydrodynamického modelu stokovej siete. V rámci definície povodia rozlišujeme nasledujúce plochy : Celková plocha povodia jednotnej kanalizácie je definovaná hranicou urbanizovaného povodia jednotnej kanalizácie. 42

47 Efektívna nepriepustná plocha povodia tzv. fast runoff component (FRC) sú spevnené plochy povodí, z ktorých odteká zrážková voda priamo do kanalizácie. Zisťuje sa na základe analýzy merania zrážok a príslušnej dozvy prietoku v kanalizácii. Efektívna nepriepustná plocha je spravidla menšia než spevnená plocha povodí Zaťažovací stav - dažďová rada Minimálne zaťažovacie stavy nie sú z hľadiska dimenzovania stokovej siete zaujímavé a ochrana stokovej siete na maximálne extrémne zaťaženie (z dlhodobého hľadiska) je neefektívna vzhľadom k vyvolaným investíciám. Je teda treba nájsť určitý kompromis, ktorý je vždy predovšetkým politickým rozhodnutím, aj keď samozrejme technicky podloženým. Riešenie problematiky odľahčovacích komôr vyžaduje simuláciu dostatočne dlhým zrážkovým radom. Stanovenie extrémov v tomto prípade nevypovedá o posudzovaných veličinách, ktorými sú bilančné hodnoty. Pre ich stanovenie je potrebné spracovať priemer za niekoľko rokov, ktorí bude mať dostatočnú výpovednú hodnotu. Ako zrážkový rad bol zvolený desaťročný zrážkový rad, ktorí bol k dispozícií pre lokalitu Malacky Tvorba modelu Hydrologický model, ktorý simuloval zrážko-odtokový proces z povodí, bol vytvorený pomocou modulu MOUSE level A. Bol zavedený predpoklad, že v splaškovom prietoku je 25% balastných vôd. Pre stanovenie splaškového prietoku bola uvažovaná spotreba vody podľa meraní. Balastné vody boli zahrnuté do výpočtu zvýšenou hodnotou spotreby vody, teda 160 l/obyv/deň vrátane balastných vôd. 5.3 Popis hydrodynamického modelu K vytvoreniu hydrodynamického modelu bol použitý simulačný prostriedok MOUSE, slúžiaca k výpočtom pomaly sa meniaceho neustáleného prúenia v stokových sieťach a odvodňovacích kanáloch. Základné dáta pre tvorbu modelu stokovej siete, tj. topologické dáta šachiet, geometrické dáta objektov a potrubí, informácie o ich napojení atď., boli do modelu MOUSE prevedené ešte počas riešenia jednej z výskumných úloh a pre potreby dizertačnej práce bol k dispozícií už kompletný model. 43

48 [m] Standard Obr.7 Model kanalizačnej siete [m] Kalibrácia hydrodynamického modelu Na základe využívania už jestvujúceho modelu a neexistencie dát z meraní, nebolo možné uskutočniť kalibráciu. Jediným preverovaním, ktoré sa uskutočnilo, bolo preverenie odtokových parametrov povodia z ortofotomáp, ktoré boli k dispozícií z verejných zdrojov na internete. Model teda funguje na báze citlivostnej analýzy a pre účely posúdenia činnosti odľahčovacích komôr je vhodným nástrojov. 5.4 Vyhodnotenie súčasného stavu odľahčovacích komôr Vyhodnotenie stokovej siete bolo uskutočnené tak, aby bolo možné zhodnotiť chovanie sa odvodňovacieho systému počas dlhodobého zrážkového radu konkrétne desaťročný kontinuálny rad s časovým krokom jednej minúty. Z hľadiska kanalizačnej siete je hodnotené predovšetkým preťažovanie kanalizácie počas extrémnej udalosti a potenciálne príčiny vzniku škôd z dôvodu nedostatočnej kapacity. Z hľadiska bežného prevádzkového stavu (teda dlhodobého chovania) je hodnotený vplyv kanalizačnej siete na recipient ako za bezdažďového obdobia tak aj počas zrážkových udalostí. Ako definícia odľahčenia bol 44

49 zvolený prietok v odľahčovacej trati kontinuálne po dobu minimálne 10 minút, pričom medzi jednotlivými odľahčeniami je časový rozdiel minimálne jednej hodiny. Táto definícia vychádza z metodiky používanej pre hodnotenie odľahčovacích komôr v ČR na matematických modeloch. Problémom môže byť hodnotenie počas dlhšej časovej udalosti napríklad ak zrážka trvá niekoľko desiatok hodín a má niekoľko špičiek z hľadiska intenzity dažďa môže byť vyhodnotených aj niekoľko odľahčení počas jeden zrážky. 5.5 Bilančné hodnoty činnosti odľahčovacích komôr Dlhodobou simuláciou desaťročného zrážkového radu bol modelom vygenerovaný súbor obsahujúci informácie o prietokoch a hladinách v jeho jednotlivých prvkoch. Tieto údaje boli pre odľahčovacie komory podrobené štatistickému spracovaniu tak, aby bolo možné pre jednotlivé roky spočítať ako počet prepadov, tak aj dobu, počas ktorej boli odľahčovacie komory v činnosti a aj objem vody, ktorá sa dostala cez odľahčovacie trate do recipientu. Podrobné výsledky sú predmetom tabuľkovej prílohy. 45

50 6. Model Bratislavy zberač E 6.1 Charakteristika záujmového územia a rozsahu zberačov Mesto Bratislava sa nachádza v juho-západnej časti Slovenska. Rovinnú Podunajskú nížinu, ktorá sa skláňa pozdĺž rieky Dunaj, predeľuje v strede medzi Záhorskou kotlinou výbežok Malých Karpát. Bratislava je prirodzeným geografickým centrom regiónu. Z hľadiska administratívneho členenia Slovenskej republiky je správnym centrom Bratislavského kraja, ktorý tvoria okrem Bratislavy ešte okresy Pezinok, Senec a Malacky. Hlavným tokom v meste je rieka Dunaj, ktorá tvorí os aglomerácie v smere západvýchod. Územie mesta riešené v modeli, t.j. povodie zberača E má plochu skoro 900 ha a počet ekvivalentných obyvateľov približne Do záujmového územia spadajú nielen mestké časti (Rača, Vajnory, Nové Mesto, Ružinov a Vrakuňa), ale aj mesto Svätý Jur. Riešená lokalita leží v nie príliš strmých svahoch Malých Karpát a prechádza do roviny smerom k Malému Dunaju. V okolí je terénna konfigurácia trochu zložitá, nadmorské výšky sa pohybujú v rozmedzí m n.m. v centrálnej časti územia, po viac ako 275 m n.m. (úbočia Malých Karpát). Úbočia spadajú terasovitými svahmi priamo do mesta najmä v západnej časti územia a spôsobujú problémy z hľadiska odvádzania extravilánových vôd. Na tieto je v Mestskej časti Rača vybudovaná sieť zatrubnených vodných tokov, ktoré sú v správe SVP, š.p. Tu je potrebné povedať, že nový územný rozvoj zasahuje do oblastí, ktoré tvoria povodia týchto vodných tokov (Račiansky, Stupavský, Banský, Pieskový a Na Pántoch) a výrazne mení ich odtokové pomery a čiastočne ich transponuje do kanalizačnej siete (Žulový potok občasný tok zaústený do zberača F). Kapacita týchto vodných tokov je prakticky minimálna a preto je ich využívanie ako recipient pre dažďové vody neprijateľné. 46

51 Obr.8 Záujmové územie Model kanalizačného zberača E rieši odkanalizovanie v rozsahu celého povodia a v zmysle členenia podľa katastrálnych území zasahuje časti: Rača, Vajnory, Nové Mesto, Ružinov a Vrakuňa spolu s mestom Svätý Jur, ktoré má byť pripojené do kanalizačnej siete zberača E. 47

52 Kanalizácia je v samotnej lokalite vybudovaná v celom rozsahu, okrajové časti ako Tuhovské a Mokráň Záhoň boli dopojené v nedávnej minulosti. Kanalizácia je vybudovaná ako jednotná sústava stôk (v nových oblastiach ako splašková kanalizácia), ktorá je odvádzaná kanalizačným zberačom na čistiareň odpadových vôd vo Vrakuni. Kanalizácia bola budovaná postupne ako kanalizácia gravitačná a jednotná, s odľahčovacími komorami a odľahčením do recipientov. Súčasné odvádzanie odpadových vôd je gravitačné hlavnými kmeňovými stokami E, D a F a rozsiahlou uličnou sieťou kanalizačných stôk, ktoré zabezpečujú odkanalizovanie príslušnej časti mesta. Kanalizácia odvádza splaškové vody od obyvateľstva, dažďové vody a odpadové vody z priemyslových závodov. Pre oddelenie dažďových vôd sú na stokách osadené celkom 2 odľahčovacie komory a jedna dažďová nádrž. Tieto objekty sú súčasťou výpočtového modelu kanalizačnej siete. Kmeňová stoka E odvádza odpadové vody z mestských častí Rača, Vajnory, Nové Mesto, Ružinov a Vrakuňa. Prechádza stredom územia až po kmeňový zberač A, takže tvorí celkovú kostru tejto časti kanalizačnej siete. Postupne sa do nej napojujú hlavné stoky D, a F. Stoka končí v odľahčovacej komore pred zaústením do hlavného zberača A. Materiál potrubí je hrubý železobetón. Stoka D odvádza odpadové vody z lokality Krasňany. Zaústená je do stoky F pred dažďovou nádržou. Materiál potrubí je predovšetkým hrubý železobetón. Stoka F odvádza odpadové vody predovšetkým z mestskej časti Rača. Zaústená je do stoky E. Materiál potrubí je predovšetkým hrubý betón. Na stoke F je vybudovaná dažďová nádrž. 6.2 Popis hydrologického modelu Hydrologický simulačný model Hydrologický simulačný model vychádza z hydrotechnickej situácie, kde sú definované jednotlivé povodia, ich veľkosť, koeficient odtoku (reprezentovaný efektívnou nepriepustnou plochou) a prípadne ďalšie hydrologické parametre ako je napríklad doba koncentrácie alebo dĺžka a sklon povodia. Jednotlivé povodia sú zaústené do uzlových bodov kanalizačnej siete tak, ako je vyznačené v hydrotechnickej situácii. 48

53 Súčasťou hydrologického modelu je aj definícia rady parametrov, ktorými sa stanoví počiatočná strata, retencia a retardácia povodia. Je možné voliť z niekoľkých rôznych spôsobov výpočtu odtoku z povodí. Pre účely generelu bol zvolený model Mouse - Level A, ktorý vychádza z princípu časopriestorovej krivky. Tento spôsob výpočtu sa obvykle volí v prípade, pokiaľ nie je výpočet zameraný na simuláciu balastných vôd v stokovej sieti. Hydrologický model nezahrňuje simuláciu nehydrologických vôd, ako sú splaškové a priemyslové odpadové vody. Hydrologický model nerieši hydraulické chovanie sa siete, ako sú napr. oddeľovače v povodí. To je predmetom naväzujúceho hydrodynamického modelu stokové siete. V rámci definície povodia rozlišujeme nasledujúce plochy : Celková plocha povodia jednotnej kanalizácie je definovaná hranicou urbanizovaného povodia jednotnej kanalizácie. Efektívna nepriepustná plocha povodia tzv. fast runoff component (FRC) sú spevnené plochy povodí, z ktorých odteká zrážková voda priamo do kanalizácie. Zisťuje sa na základe analýzy merania zrážok a príslušnej dozvy prietoku v kanalizácii. Efektívna nepriepustná plocha je spravidla menšia než spevnená plocha povodí Zaťažovací stav - dažďová rada Minimálne zaťažovacie stavy nie sú z hľadiska dimenzovania stokovej siete zaujímavé a ochrana stokovej siete na maximálne extrémne zaťaženie (z dlhodobého hľadiska) je neefektívna vzhľadom k vyvolaným investíciám. Je teda treba nájsť určitý kompromis, ktorý je vždy predovšetkým politickým rozhodnutím, aj keď samozrejme technicky podloženým. Riešenie problematiky odľahčovacích komôr vyžaduje simuláciu dostatočne dlhým zrážkovým radom. Stanovenie extrémov v tomto prípade nevypovedá o posudzovaných veličinách, ktorými sú bilančné hodnoty. Pre ich stanovenie je potrebné spracovať priemer za niekoľko rokov, ktorí bude mať dostatočnú výpovednú hodnotu. Ako zrážkový rad bol zvolený desaťročný zrážkový rad, ktorí bol k dispozícií pre lokalitu Malacky a tento bol transponovaný tak, aby priemerný ročný zrážkový úhrn zodpovedal Bratislave t.j. 662 mm. 49

54 6.2.2 Tvorba modelu Hydrologický model, ktorý simuloval zrážko-odtokový proces z povodí, bol vytvorený pomocou modulu MOUSE level A. Bol zavedený predpoklad, že v splaškovom prietoku je 25% balastných vôd. Pre stanovenie splaškového prietoku bola uvažovaná spotreba vody podľa meraní. Balastné vody boli zahrnuté do výpočtu zvýšenou hodnotou spotreby vody, teda 250 l/obyv/deň vrátane balastných vôd. 6.3 Popis hydrodynamického modelu K vytvoreniu hydrodynamického modelu bol použitý simulačný prostriedok MOUSE, slúžiaca k výpočtom pomaly sa meniaceho neustáleného prúdenia v stokových sieťach a odvodňovacích kanáloch. Základné dáta pre tvorbu modelu stokovej siete, tj. topologické dáta šácht, geometrické dáta objektov a potrubí, informácie o ich napojení atď., boli do modelu MOUSE prevedené z programu VaKBase, ktorý slúžil ako prevodná a informačná báza. Dáta boli v programe VakBase umiestnené počas prác na projekte štúdia hydrotechnické posúdenie kanalizačného zberača E. Pri príprave modelu bola uskutočnená čiastočná vnútorná schematizácia. Tzn. že model kostry stokovej siete obsahuje všetky šachty, objekty a stokové úseky, ktoré sa na ňom nachádzajú, avšak na stokách menšieho rádu nie sú do výpočtu zahrnuté všetky šachty. 50

55 [m] Standard [m] Obr.9 Model kanalizačnej siete Kalibrácia hydrodynamického modelu Zostavovanie a následná kalibrácia simulačných modelov sú vysoko odborné činností, ktorých cieľom je pripraviť simulačný prostriedok pre následné práce na koncepcii. Väčšina výpočtových pomôcok pre riešenie problematiky povrchového odtoku je založená na viac či menej presnom popisu fyzikálne-chemicko-biologických procesov pri zrážkoodtokovom deji. Tento popis je mimo iného určovaný nastavením začiatočných a okrajových podmienok simulácie, teda nastavením parametrov, popisujúcich stav systému (popis povodí, percento zastúpenia nepriepustných plôch, infiltračná kapacita priepustných plôch, apod.). Niektoré z týchto parametrov sú veľmi obtiažne zistiteľné meraniami. K zisteniu správnych hodnôt koeficientov a parametrov riadiacich rovníc alebo i empirických vzorcov slúži práve kalibrácia modelu. Pre kalibráciu modelu je nevyhnutné zaobstarať sériu vstupných a výstupných veličín pre známe začiatočné podmienky (napr. nameraný dážď a jemu zodpovedajúci prietok v stokovom systéme). Táto úloha teda predpokladá, okrem detailnej znalosti matematického modelu a jeho riadiacich rovníc, i voľbu takej monitorovacie stratégie, ktorá umožní získanie dostatočných informácií o funkcii celého systému pri rôznych zaťažovacích stavoch. Práve na základe meraných reálnych vstupných veličín (príčin) pri niekoľkých zaťažovacích stavoch, 51

56 ktoré slúžia ako vstupy matematického modelu a na základe porovnaní meraných reálnych výstupných veličín (dôsledkov) s výsledkami matematické simulácie overujeme platnosť a zhodu skutočných a modelových okrajových a začiatočných podmienok a koeficientov riadiacich rovníc. Verifikácia simulačného modelu je po obsahovej stránke porovnateľná úloha s kalibráciou. V rámci verifikácie modelu je však treba overiť platnosť parametrov zistených kalibráciou na nezávislej sérii vstupných a výstupných veličín (napr. pre iný dážď, pre inú skupinu dát - pretečený objem apod.). Proces kalibrácie a verifikácie simulačného modelu je schematicky naznačený na nasledujúcom obr. Definice problému Definice systému Model - výběr, stavba, schematizace Definice kriterií přijatelnosti kalibrace Serie dat "A" Kalibrování parametrů Je odchylka naměřených a vypočtených hodnot přijatelná? NE ANO Serie dat "B" Verifikace modelu Je odchylka naměřených a vypočtených hodnot přijatelná? NE ANO Aplikace modelu Obr. 10 Kalibrácia a verifikácia simulačných modelov 52

57 Je zrejmé že proces kalibrácie, mimo už zmienených predpokladov vyžaduje taktiež nemalé časové a ekonomické nároky na užívateľa. Optimálna voľba meraných veličín tak, aby tieto poskytovali dostatok podkladov pre následnú kalibráciu a zároveň bolo ich zistenie časovo a ekonomicky možné najmenej náročné je teda jedným z veľmi podstatných krokov pri riešení problematiky mestského odvodnenia s využitím moderných simulačných prostriedkov. Aj napriek tomu, že kalibrácia a verifikácia modelu vyžaduje viac vynaložených prostriedkov a predlžuje spracovávanie úlohy, je nevyhnutnou súčasťou aplikácie simulačných modelov. Za účelom zjednodušenia kalibrácie a následnej verifikácie matematického modelu je nezanedbateľnou výhodou existencia citlivostnej analýzy simulačného modelu. Citlivostná analýza vstupných parametrov (vplyv percenta nepriepustných plôch na maximálny prietok, vplyv infiltračnej kapacity na celkový odtečený objem apod.) môže užívateľovi podstatne zjednodušiť a zrýchliť proces kalibrácie a verifikácie modelu, bez ohľadu na možnosť jednoduchšieho rozhodovania o monitorovacej stratégii práve pre účely kalibrácie a verifikácie modelu. Schematizácia modelu je v procese prác na modeli kanalizácie na začiatku, v podstate definuje zjednodušenie celého systému tak, aby nebol vynechaný žiadny významný prvok systému a aby mohli byť riešené ciele projektu. Po definícii schematizácie vlastného modelu sa realizujú v podstate v súbehu dve základné činnosti, jednak merania v povodí a jednak zostavenie a kalibrácia potrebných simulačných prostriedkov na základe zvolenej technológie. Pre schematizáciu modelu je potrebné zdôrazniť, že niektoré povodia podľa hydrotechnickej situácie majú parametre upravené z dôvodu, že sa v nich napríklad nachádza zaústenie priemyselnej kanalizácie, ktorá nie je zahrnutá priamo v modeli, ale uvažuje sa s ňou ako s bodovým prítokom, prípadne sa uvažuje s väčším odtokovým koeficientom, aký prináleží danému povodiu. Zostavovanie a následná kalibrácia simulačných modelov sú vysoko odbornou činnosťou, ktorých cieľom je pripraviť simulačné prostriedky pre následné práce na koncepcii. Jedná sa o dlhodobé práce. Táto kapitola popisuje základné činnosti vykonané v rámci zostavovania modelov, podstatné okrajové podmienky kalibrácií a výsledné grafy kalibrácií v kalibrovaných profiloch. 53

58 Základným vstupom pre hydrodynamický model boli zaťažovacie hydrogramy povrchového odtoku. Kalibračné práce spočívali v nastavení celého systému na priebehy prietokov nameraných v rámci monitorovacej kampane. V priebehu kalibračných prac je nevyhnutné najmä: a) Zachovať objemové bilancie - Táto požiadavka znamená správne nastavenie systému z hľadiska porovnania objemu odtoku dažďových a splaškových vôd z modelu so skutočnosťou (=dáta z monitorovacej kampane). Tento nárok tiež súvisí s určením výskytu balastných vôd a úpravou spotreby obyvateľstva. b) Zachovať maximá - Znamená nastavenie modelu z hľadiska správneho zachytenia priebehu maximálnych prietokov v jednotlivých vlnách hydrogramu prietoku. c) Zachovať tvar - Tento bod znamená nastavenie simulačného modelu tak, aby rešpektoval tvar vzostupnej a zostupnej vetvy hydrogramu prietoku. Proces kalibrácie a verifikácie hydrodynamického modelu bol zlúčený do jedného kroku tým, že bolo simulované celé kalibračné obdobie. Splaškové vody Prietok splaškových vôd bol odvodený z jestvujúcich meraní na stokovej sieti. Kolísanie bezdažďového prietoku bolo použité na stanovenie rozdelenia produkcie splaškových vôd počas dňa. Relatívna variácia splaškového prietoku je uvedená na obrázku dole. 54

59 Obr. 13 Parametre denného kolísania prietoku Výsledky kalibrácie Na prehľadnej situácii sú vyznačené jednotlivé profily merania zrážok (profily S ), jednotlivé profily merania hladín (profily H ) a jednotlivé profily merania prietokov (profily Q ). Na nasledujúcich obrázkoch sú ukázané príklady výsledkov kalibrácie modelu. 55

60 : : : :48 Obr.14. Výsledky kalibrácie pre bod H : : : : :48 O : : :48 Obr.15. Výsledky kalibrácie pre bod H : :24 19: :00 4:48 O 56

61 : : :48 7:12 9:36 12:00 14:24 Obr. 16. Výsledky kalibrácie pre bod H :48 19:12 21:36 0:00 O : : : :48 Obr. 17. Výsledky kalibrácie pre bod H : : : : :48 Na základe kalibrácie je možné konštatovať, že hydrodynamický model vykazuje dostatočnú presnosť pre hodnotenie súčasného stavu a pre vyhodnotenie dlhodobej štatistiky odľahčovacích komôr. Pri podrobnej analýze skalibrovaného modelu môžeme identifikovať časové úseky, pre ktoré je v niektorých kalibračných bodoch nižšia zhoda simulovaných a meraných prietokových kriviek. Táto skutočnosť je spôsobená náhodnými okolnosťami, ktoré nie je možné bez ich detailnej znalosti modelom postihnúť. Jedná sa napríklad o lokálne zrážky so špecifickým priestorovým rozložením. Ďalej sa jedná o závady merania spôsobené pohybom sedimentov a 57

62 veľkých predmetov v kanalizácii, prevádzkové manipulácie a prevádzkové opatrenia, náhodné vypustenie veľkého množstva odpadových vôd vyplývajúce z technológie výroby priemyslových podnikov apod. Niektoré profily merania prietokov nie sú ideálne z hľadiska lokálnych hydraulických podmienok (napr. extrémne malé alebo extrémne veľké rýchlosti). Z objektívnych dôvodov však nebolo možné nájsť profily hydraulicky vhodnejšie. Hore uvedené skutočnosti nie sú v rámci hydrologických modelov podstatné z hľadiska kalibrácie modelu a z hľadiska jeho ďalšej aplikácie. 6.4 Vyhodnotenie súčasného stavu odľahčovacích komôr Vyhodnotenie stokovej siete bolo uskutočnené tak, aby bolo možné zhodnotiť chovanie sa odvodňovacieho systému počas dlhodobého zrážkového radu konkrétne desaťročný kontinuálny rad s časovým krokom jednej minúty. Z hľadiska kanalizačnej siete je hodnotené predovšetkým preťažovanie kanalizácie počas extrémnej udalosti a potenciálne príčiny vzniku škôd z dôvodu nedostatočnej kapacity. Z hľadiska bežného prevádzkového stavu (teda dlhodobého chovania) je hodnotený vplyv kanalizačnej siete na recipient ako za bezdažďového obdobia tak aj počas zrážkových udalostí. Ako definícia odľahčenia bol zvolený prietok v odľahčovacej trati kontinuálne po dobu minimálne 10 minút, pričom medzi jednotlivými odľahčeniami je časový rozdiel minimálne jednej hodiny. Táto definícia vychádza z metodiky používanej pre hodnotenie odľahčovacích komôr v ČR na matematických modeloch. Problémom môže byť hodnotenie počas dlhšej časovej udalosti napríklad ak zrážka trvá niekoľko desiatok hodín a má niekoľko špičiek z hľadiska intenzity dažďa môže byť vyhodnotených aj niekoľko odľahčení počas jeden zrážky. 6.5 Bilančné hodnoty činnosti odľahčovacích komôr Dlhodobou simuláciou desaťročného zrážkového radu bol modelom vygenerovaný súbor obsahujúci informácie o prietokoch a hladinách v jeho jednotlivých prvkoch. Tieto údaje boli pre odľahčovacie komory podrobené štatistickému spracovaniu tak, aby bolo možné pre jednotlivé roky spočítať ako počet prepadov, tak aj dobu, počas ktorej boli odľahčovacie komory v činnosti a aj objem vody, ktorá sa dostala cez odľahčovacie trate do recipientu. Podrobné výsledky sú predmetom tabuľkovej prílohy. Je potrebné ale konštatovať, že OK 1D je v činnosti prakticky každý deň (aj za bezdažďových stavov) a preto ju nebude možné 58

63 zaradiť do štatistického hodnotenia. Podobne aj OK 1E má problém v nedostatočnej odľahčovacej trati táto je ešte limitovaná aj zvýšenou hodnotou vody v recipiente Malom Dunaji a aj problémom so škrtiacou traťou zapadnutým uzáverom. Preto neboli jej výsledkové hodnoty použité do štatistického hodnotenia. Obr. 18. zapadnutý uzáver na odtokovej trati z OK1E 59

64 7. Model Trenčína 7.1 Charakteristika záujmového územia a rozsahu zberačov Mesto Trenčín sa nachádza v západnej časti Slovenska. Rovinnú Trenčiansku kotlinu, ktorá sa skláňa pozdĺž rieky Váh, uzatvárajú na východe masívy pohorí Považského Inovca a Strážovských vrchov, na západe výbežky Bielych Karpát. Trenčín je prirodzeným geografickým centrom stredného Považia. Z hľadiska administratívneho členenia Slovenskej republiky je správnym centrom Trenčianskeho kraja, ktorý tvorí 9 okresov: Bánovce nad Bebravou, Ilava, Myjava, Nové Mesto nad Váhom, Partizánske, Považská Bystrica, Prievidza, Púchov a Trenčín. Hlavným tokom v meste je rieka Váh, ktorá tvorí os aglomerácie v smere sever juh. Správne územie mesta má plochu 8 199,7 ha a počet obyvateľov k obyvateľov. Do záujmového územia Trenčína spadajú nielen satelitné mestké časti (Opatová, Zamarovce, Kubrá a Kubrica, Záblatie, Istebník a Nozdrkovce), ale aj obec Soblahov. Mesto samo leží v nie príliš širokom údolí Váhu v podhorí Považského Inovca. Údolím Váhu prechádza pri Trenčíne diaľnica D1 v smere Bratislava Žilina a priamo Trenčínom prechádza železničná trať v rovnakom smerovom koridore európskeho významu. V okolí mesta je terénna konfigurácia značne zložitá, nadmorské výšky sa pohybujú v rozmedzí m n.m.v centrálnej a pravobrežnej časti mesta, po viac ako 350 m n.m. (masív Breziny). Úbočia spadajú príkrymi svahmi priamo do mesta najmä v západnej a severnej časti masívu Breziny, južná časť klesá s pozvoľnejšou svažitosťou. 60

65 Obr.19. Záujmové územie Kanalizácia je v samotnom Trenčíne vybudovaná v celom rozsahu, okrajové časti ako Dobrá boli dopojené v nedávnej minulosti. Kanalizácia je vybudovaná ako jednotná sústava stôk (v nových oblastiach ako splašková delená kanalizácia), ktorá je odvádzaná kanalizačným zberačom a na pravobrežnej časti privádzačom (výtlačným potrubím) na čistiareň odpadových vôd v Biskupiciach, resp. pravobrežnú ČOV. Kanalizácia bola budovaná postupne ako kanalizácia gravitačná a jednotná, s odľahčovacími komorami a odľahčením do recipientov. Hlavným kanalizačným zberačom celého kanalizačného systému je zberač A na ľavej strane, ním sa začala výstavba kanalizačnej siete, a na pravej strane zberač H, ktorý bol pred spustením pravobrežnej ČOV zaústený priamo do Zlatoveckého potoka. Na tieto zberače boli postupne pripojené hlavné zberače z jednotlivých mestských častí a pripájaných obcí tak ako bola kanalizácia rozširovaná. V budovaní a rozširovaní kanalizácie v Trenčíne bola situácia podobná ako v okolitých mestách. Kanalizačný systém v Trenčíne je s ohľadom na dobu realizácie, hlavne z rúr betónových, kameninových, iba najnovšie úseky sú z PVC. Kanalizácia v Opatovej a v Záblatí je najnovšou kanalizáciou a je riešená ako splašková kanalizácia, kombinovaná s výtlakmi a je z PVC. 61

66 Súčasné odvádzanie odpadových vôd je gravitačné hlavnými kmeňovými stokami A a H (ľavo- a pravo-brežná časť mesta) a ďalej hlavnými stokami B, C, D, E, F, G,H, I, J, L a rozsiahlou uličnou sieťou kanalizačných stôk, ktoré zabezpečujú odkanalizovanie mesta. Kanalizácia odvádza splaškové vody od obyvateľstva, dažďové vody a odpadové vody z priemyslových závodov. Pre oddelenie dažďových vôd je na stokách osadených celkom 8 odľahčovacích komôr. Šesť odľahčovacích komôr je súčasťou výpočtového modelu kanalizačnej siete. Kmeňová stoka A odvádza odpadové vody z mestskej časti Biskupice, prechádza stredom mesta až po mestskú časť Kubrá, takže tvorí celkovú kostru ľavobrežnej časti kanalizačnej siete. Postupne sa do nej napojujú hlavné stoky B, C, D, E, F a G. Stoka končí v odľahčovacej komore pred ľavobrežnou ČOV. Materiál potrubí je zväčša hrubý betón. Jednotná kanalizácia je vybudovaná z betónových rúr DN Zberače a stoky vytvárajú pomerne zložitú kanalizačnú sieť budovanú v prirodzenom sklone územia. Najnovšia kanalizácia bola budovaná pre časť Opatová, ktorá bola odovzdaná koncom roka 2006 Je z materiálu PVC DN 300. Hlavný zberač A je vedený viac-menej z mestskej časti Kubrá kde by sa výhľadovo mala napojiť časť Kubrica svojou splaškovou kanalizáciou. V týchto miestach je zberač A vedený v zástavbe rodinných domov. Od križovania s ulicou Pred Poľom sa jedná o panelákovú zástavbu ktorá plynulo prechádza do priemyselnej zóny mesta a kde sú a boli do zberača A zaústené viaceré priemyselné podniky. Po odľahčení zberača A v odľahčovacej komore OK3 A sa doň pripája zhybkou prakticky celá časť mesta zvaná Sihoť so zberačmi D a E. Potom následne zberač prechádza stredom mesta ktorý tvorí zástavba mestských 3-4 poschodových domov a obchodov.v týchto častiach sa jedná o najstaršiu časť kanalizácie tvorenej vajcovými a tlamovými betónovými stokami. Po zaústení zberača G do zberača A prechádza tento popri zástavbe rodinných domov a prakticky sú doň zaústené všetky bočné hlavné zberače z mesta. V súvise s napojením stoky C je umiestnená na zberači A odľahčovacia komora OK 2A kde malo byť realizované prečerpávanie povodňových vôd pri vysokých stavoch a návalových dažďoch ešte pred prečerpávaním na ČOV ľavý breh. Povodňová prečerpávacia stanica nikdy nefungovala. Následne je do zberača A zaústená štvrť bytových a rodinných domov Noviny. Taktiež významnou stokou zaústenou do zberača A je A-1 ktorá odvádza vody zo sídliska na uliciach Inovecká a 28. Októbra. Jedná sa o zástavbu 4-5 poschodových obytných domov. Tesne pred odľahčovacou komorou pred ČOV ľavý breh je do zberača A zaústený zberač B ktorý 62

67 odvádza vody zo sídliska Juh a plánovane má byť rozšírený na odvádzanie vôd z lokality Belá. Na stoke A sa nachádzajú významné odľahčovacie komory a to : OK-1 na zberači A tesne pred ČOV, jednostranný bočný prepad, odľahčovacia stoka A01 DN 2200 do Váhu. OK-2 na zberači A oproti prečerpávacej povodňovej stanici Kapustnica, jednostranný bočný prepad, odľahčenie je vyústené kamenno betónovým žľabom do Váhu OK-3 na zberači A na začiatku ul. gen. Štefánika pri mestskej fontáne, jednostranný bočný prepad,pravostranný, odľahčovacia stoka AO3 rozmerov DN 2000/1700, DN 1700,DN 2000/1800, DN 2200, dĺžky m, vyústená do Váhu. Veľkosť komory je 13 x 5,6 m. Stoka B odvádza odpadové vody z lokality Biskupice, Juh a Zlaté namestie pričom je plánované rozšírenie tejto stoky na odvádzanie vôd z lokality Belá, ktorá sa začne stavať do roku Zaústená je do kmeňovej stoky A pred odľahčovacou komorou na ľavobrežnej ČOV. Materiál potrubí je predovšetkým hrubý betón. Stoka B začína na sídlisku Juh, kde toto sídlisko je rozdelené na dve časti na Juh 1 a 2. Tak isto je rozdelená jestvujúca stoková sieť ktorá odvádza splaškové a dažďové vody na dve časti, ktoré sa spájajú do jednej stoky pred odľahčovacou komorou OK 5. Sídlisko pozostáva z 90 % panelákovej zástavby 11 a 9 poschodových domov. Zhruba 10 % tvoria domy rodinného typu. Za odľahčovacou komorou je na stoku napojený prívod odpadných vôd z obce Soblahov, následne pokračuje stoka B cez zástavbu rodinného typu až do lokality Biskupice. Po trase sa vyskytuje križovanie trate Železníc Slovenskej republiky na ulici Električnej. Do stoky B je taktiež zaústená časť mesta cez ktorú pôvodne prechádzala stoka B pred vybudovaním zrýchlenia odvádzania vôd zvaného Rýchlik.(stoka zvaná Rýchlik bola budovaná kvoli totálnemu zaneseniu pôvodného kanalizačného systému počas budovania sídliska Juh). Táto štvrť sa nazýva Zlaté naméstie a prevláda tu zástavba rodiných domov. Na stoke B. Sa nachádza stavidlový uzáver ktorým je regulované rozdelenie jednotných vôd do dvoch smerov a to smer toku stoky B nazývanej rýchlik a pôvodného,prakticky zaneseného kanalizačného zberača vedúceho cez zástavbu rodinných domov, ktorým boli pôvodne odvádzané vody zo sidliska Juh. Stavidlový uzáver sa nachádza prakticky na päte kopca na ktorom je postavené sídlisko Juh pri kruhovom objazde. 63

68 Stoka C odvádza odpadové vody z ulíc Soblahovská, Jesenského a Legionárska kt. tvorí súbor výškových panelových domov a kancelárske budovy. Prechádza popri časti Dlhé Hony, pričom časť uličných stôk je zaústená do tejto stoky. Väčšiu časť zástavby Dlhých Honov je tvorená rodinnými domami. Stoka C odvádza taktiež vody z miestnej nemocnice a z obchodno-kancelárskej oblasti mesta Trenčín. Stoka C je v blízkosti nemocnice vedená skrz Električnú ulicu. Zaústená je do hlavnej stoky A v blízkosti odľahčovacej komory OK 2A. Materiál potrubí je predovšetkým hrubý betón. Stoka D odvádza odpadové z vrchnej mestskej časti Sihoť a končí na ulici Žilinská. Túto časť Sihote tvorí zástavba 4 poschodových bytových domov z 80 % a 20 % zástavby sú rodinné domy. V tejto lokalite sa taktiež nachádza zimný štadión. Materiál potrubí je predovšetkým hrubý betón. Stoka E odvádza odpadové vody z lokality dolná Sihoť. Zaústená je po sútoku so stokou D a prechode cez OK 1F a kanalizačnou zhýbkou, popod železnicu do kmeňovej stoky A. Stoka E odvádza vody prakticky od konca mesta na tejto strane Trenčína. Na ulici Armádna je prečerpávacia stanica splaškových vôd kt. však ešte počas spracovávania generelu nebola vo vlastníctve mesta a tým aj v správe prevádzkovateľa. Momentálne prečerpáva jednotné vody pre jestvujúcu zástavbu Sihote V avšak do budúcna by mala kapacitne pokrývať aj ďalšiu plánovanú výstavbu na Sihoti V ale pre ďalšiu výstavbu výhľadovo len ako splašková kanalizácia. Zástavba v týchto častiach je sídliskového typu ale zahŕňa aj časť výstavby rodinných domov. Panelová výstavba však prevláda. Materiál potrubí je predovšetkým hrubý betón. Na stoke E sa nachádzajú významné odľahčovacie komory a to : OK-1E na zberači E pred podjazdom pod železnicou na začiatku mestskej časti Sihoť, jednostranný bočný odtok, pravostranný, odľahčovacia stoka AO4 rozmeru DN 1500, dĺžky m vyústená do Váhu. Stoka F odvádza odpadové vody z lokalít Pod Brezinou, Partizánska a K dolnej Stanici. Lokalitu Pod Brezinou tvorí rozsiahla zástavba rodinných víl nachádzajúcich sa na strmom kopci. Vzhľadom k tejto situácii bola pod touto lokalitou umiestnená dažďová nádrž k zabráneniu zanášania stôk sedimentami tvorenými počas výstavby a aj následne potom. Dažďová nádrž je momentálne nefunkčná a bola nahradená iným riešením a to zväčšením stoky na ulici Olbrachtova. Lokality K dolnej stanici je vedená v minimálnych sklonoch a je na viacerých miestach zanesená. Na hlavný zberač A sa napája pred prekrižovaní zberača 64

69 A cez Električnú ulicu. Väčšina tejto časti tvorí zástavba rodinných domov a občianskej vybavenosti. Materiál potrubí je predovšetkým hrubý betón. Stoka G odvádza odpadové vody z lokality Dolné Mesto a z lokalít Dolný Šianec a výstavby na svahoch kopca Brezina. Viac-menej sa jedná o odvádzanie vôd z rodinnej zástavby a zopár panelových domov. V minulosti dochádzalo k zanášaniu dolných častí tejto stoky vzhľadom na umiestnenie mäsokombinátu v tejto oblasti. Zaústená je do kmeňovej stoky A. Materiál potrubí je predovšetkým hrubý betón. Spodná časť stoky bola rekonštruovaná a nahradená novým plastovým potrubím. Na stoke G sa nenachádzajú žiadne objekty. Medzi najskôr budované časti kanalizácie pravej strany mesta Trenčín patria zberače H,I,J, do ktorých sa napája sieť menších stok. Zberač H je najvýznamnejším zberačom,lebo do neho sú postupne pozaúsťované stoky zberajúce vody z jednotlivých mestských častí, nachádzajúcich sa na pravej strane. V minulosti bol zberač H vyústený priamo do Zlatoveckého potoka bez čistenia na ČOV. Všetky tieto vedľajšie zberače križujú železničnú trať Bratislava Trenčín. Kmeňová stoka H odvádza odpadové vody z pravobrežnej časti mesta Trenčín tak, že tvorí celkovú nosnú kostru tejto časti kanalizačnej siete. Postupne sa do nej napájajú hlavné stoky I, J, L a M. Stoka H začína v mestských častiach Istebník a Orechové ktoré boli v priebehu storočia pričlenené k mestu Trenčín. V oboch častiach boli koncové zaústenia riešené pomocou osadenia čerpacích staníc na kanalizáciu. Celková zástavba v týchto častiach mesta je charakteru rodinných domov. Zberač H po prekrižovaní železnice odvádza vody z blízkeho liehovarenského podniku Old Herold na ktorého výrobné kapacity bola dimenzovaná aj novopostavená pravobrežná ČOV. Následne sa v týchto častiach zaúsťujú do kanalizácie menšie uličné stoky vačšinou privádzajúce odpadné vody z rodinnej zástavby. Postupne sú do zberača zaúsťované stoky I a J ktoré sú viac-menejstoky odvádzajúce odpadné vody podľa korýt bývalých potokov jestvujúcich na tomto území pred existovaním kanalizácie. Tesne pred prečerpávacou stanicou je zaústená do zberača stoka L ktorá odvádza vody z územia časti Záblatie a vody sú do tejto stoky prečerpávané. V týchto častiach kanalizačný zberač H odvádza vody z priemyselných častí ľavej strany mesta. Zberač H končí na pravobrežnej čerpacej stanici s odľahčením, kde sú odpadové vody čerpané na pravobrežnú ČOV čerpacou stanicou dvoma potrubiami DN 300 a DN 150. Materiál potrubí je hrubý betón. 65

70 Stoka I odvádza odpadové vody z lokality Zlatovce. Prakticky sa dá povedať že je do nej zaústený bývalý Zlatovecký potok ktorý pôvodne pretekal týmto územím. A tým je aj spôsobená veľká infiltrácia balastných vôd.zberač poberá vody vo vrchnej časti z bývalej priemyselnej zástavby. Po prekrižovaní železničného telesa zas prevláda rodinná a občianska vybavenosť.+ Zaústená je do kmeňovej stoky H. Prechádza popod železnicu, kde dochádza k nárastu balastných vôd. Materiál potrubí je predovšetkým hrubý betón. Stoka J odvádza odpadové vody z lokality Zlatovce. Stoka I začína odvádzaním odpadných vôd z priľahlého diaľničného zariadenia ktoré slúži správe ciest. Potom pokračuje zástavbou rodinných domov a spája sa so stokou ktorá odvádza znečistené vody z AOZ. Následne križuje železničnú trať. Pokračuje cez bývalú priemyselnú oblasť a atletický štadión. Prechádza popod železnicu a následne v areáli športového ihriska a je zaústená do kmeňovej stoky H. Materiál potrubí je predovšetkým hrubý betón. Niektoré, prevažne okrajové oblasti mesta majú vybudovanú iba splaškovú stokovou sieť (často riešenú pomocou čerpacích staníc). Dažďové vody v týchto lokalitách sú odvádzané prirodzenými spôsobmi a často za väčších zrážkových udalostí spôsobujú lokálne povrchové zaplavovanie územia. Prevádzkovateľom stokovej siete a oboch ČOV je spoločnosť TVS, a.s. 7.2 Popis hydrologického modelu Hydrologický simulačný model Hydrologický simulačný model vychádza z hydrotechnickej situácie, kde sú definované jednotlivé povodia, ich veľkosť, koeficient odtoku (reprezentovaný efektívnou nepriepustnou plochou) a prípadne ďalšie hydrologické parametre ako je napríklad doba koncentrácie alebo dĺžka a sklon povodia. Jednotlivé povodia sú zaústené do uzlových bodov kanalizačnej siete tak, ako je vyznačené v hydrotechnickej situácii. Súčasťou hydrologického modelu je aj definícia rady parametrov, ktorými sa stanoví počiatočná strata, retencia a retardácia povodia. Je možné voliť z niekoľkých rôznych spôsobov výpočtu odtoku z povodí. Pre účely generelu bol zvolený model Mouse - Level A, ktorý vychádza z princípu časopriestorovej krivky. Tento spôsob výpočtu sa obvykle volí v prípade, pokiaľ nie je výpočet zameraný na simuláciu balastných vôd v stokovej sieti. Hydrologický model nezahrňuje simuláciu nehydrologických vôd, ako sú splaškové a priemyslové odpadové vody. Hydrologický model nerieši hydraulické chovanie sa siete, ako 66

71 sú napr. oddeľovače v povodí. To je predmetom naväzujúceho hydrodynamického modelu stokové siete. V rámci definície povodia rozlišujeme nasledujúce plochy : Celková plocha povodia jednotnej kanalizácie je definovaná hranicou urbanizovaného povodia jednotnej kanalizácie. Efektívna nepriepustná plocha povodia tzv. fast runoff component (FRC) sú spevnené plochy povodí, z ktorých odteká zrážková voda priamo do kanalizácie. Zisťuje sa na základe analýzy merania zrážok a príslušnej dozvy prietoku v kanalizácii. Efektívna nepriepustná plocha je spravidla menšia než spevnená plocha povodí Zaťažovací stav - dažďová rada Minimálne zaťažovacie stavy nie sú z hľadiska dimenzovania stokovej siete zaujímavé a ochrana stokovej siete na maximálne extrémne zaťaženie (z dlhodobého hľadiska) je neefektívna vzhľadom k vyvolaným investíciám. Je teda treba nájsť určitý kompromis, ktorý je vždy predovšetkým politickým rozhodnutím, aj keď samozrejme technicky podloženým. Riešenie problematiky odľahčovacích komôr vyžaduje simuláciu dostatočne dlhým zrážkovým radom. Stanovenie extrémov v tomto prípade nevypovedá o posudzovaných veličinách, ktorými sú bilančné hodnoty. Pre ich stanovenie je potrebné spracovať priemer za niekoľko rokov, ktorí bude mať dostatočnú výpovednú hodnotu. Ako zrážkový rad bol zvolený desaťročný zrážkový rad, ktorí bol k dispozícií pre lokalitu Malacky a tento bol transponovaný tak, aby priemerný ročný zrážkový úhrn zodpovedal Trenčínu t.j. 641 mm. Následne sa vykonala aj transpozícia na zrážkový rad denných úhrnov pre zrážkomernú stanicu Trenčín-Biskupice. Ukážka z tejto transpozície je na nasledovných obrázkoch. 67

72 Obr.20. pôvodná zrážka zo dňa Obr.21. zrážka zo dňa upravená na veľkosť denného zrážkového úhrnu v stanici Trenčín Biskupice Takýmto spôsobom sa transponoval celý desaťročný zrážkový rad a použil sa pre výpočet bilančných hodnôt pre jednotlivé odľahčovacie komory. Je treba poznamenať, že transpozícia v prípade, že v danej lokalite bol denný úhrn vo výške 0 mm (nepršalo) a zrážková rada obsahovala dáta o zrážke, tak po transpozícií bol v novej zrážkovej rade zachovaný denný úhrn z lokality, t.j. 0 mm a zrážka z pôvodnej rady vypadla. Naopak, ak zrážková rada neobsahovala údaje o zrážke a v lokalite v daný deň pršalo, tak sa zrážka vytvorila umelo. 68

73 7.2.2 Tvorba modelu Hydrologický model, ktorý simuloval zrážko-odtokový proces z povodí, bol vytvorený pomocou modulu MOUSE level A. Bol zavedený predpoklad, že v splaškovom prietoku je 25% balastných vôd. Pre stanovenie splaškového prietoku bola uvažovaná spotreba vody podľa meraní. Balastné vody boli zahrnuté do výpočtu zvýšenou hodnotou spotreby vody, teda 150 l/obyv/deň vrátane balastných vôd. 7.3 Popis hydrodynamického modelu K vytvoreniu hydrodynamického modelu bol použitý simulačný prostriedok MOUSE, slúžiaca k výpočtom pomaly sa meniaceho neustáleného prúenia v stokových sieťach a odvodňovacích kanáloch. Základné dáta pre tvorbu modelu stokovej siete, tj. topologické dáta šachiet, geometrické dáta objektov a potrubí, informácie o ich napojení atď., boli do modelu MOUSE prevedené z programu VaKBase, ktorý slúžil ako prevodná a informačná báza. Dáta boli v programe VakBAse umiestnené počas prácach na projekte štúdia ľavá strana Váhu riešenie vodohospodárskych pomerov, ktoré sa realizovali pod patronátom Mesta Trenčín a pre potreby práce boli poskytnuté bezplatne. Pri príprave modelu bola uskutočnená čiastočná vnútorná schematizácia. Tzn. že model kostry stokovej siete obsahuje všetky šachty, objekty a stokové úseky, ktoré sa na ňom nachádzajú, avšak na stokách menšieho rádu nie sú do výpočtu zahrnuté všetky šachty. 69

74 [m] Standard Obr.22. Model kanalizačnej siete ľavobrežná časť [m] Standard [m] Obr.23. Model kanalizačnej siete pravobrežná časť [m] Kalibrácia hydrodynamického modelu Zostavovanie a následná kalibrácia simulačného modelu prebehla identicky ako pre model Bratislavy. Základným vstupom pre hydrodynamický model boli zaťažovacie hydrogramy povrchového odtoku. Kalibračné práce spočívali v nastavení celého systému na 70

75 priebehy prietokov nameraných v rámci monitorovacej kampane. Proces kalibrácie a verifikácie hydrodynamického modelu bol zlúčený do jedného kroku tým, že bolo simulované celé kalibračné obdobie. Splaškové vody Prietok splaškových vôd bol odvodený z jestvujúcich meraní na stokovej sieti. Kolísanie bezdažďového prietoku bolo použité na stanovenie rozdelenia produkcie splaškových vôd počas dňa. Relatívna variácia splaškového prietoku je uvedená na obrázku dole. Obr. 24. Graf denného kolísania prietoku Výsledky kalibrácie Na prehľadnej situácii sú vyznačené jednotlivé profily merania zrážok (profily S ), jednotlivé profily merania hladín (profily H ) a jednotlivé profily merania prietokov (profily Q ). Na nasledujúcich obrázkoch sú ukázané príklady výsledkov kalibrácie modelu. Na prehľadnej situácii sú vyznačené jednotlivé profily merania zrážok (profily S ), jednotlivé profily merania hladín (profily H ) a jednotlivé profily merania prietokov (profily Q ). Na nasledujúcich obrázkoch sú ukázané príklady výsledkov kalibrácie modelu. 71

76 Merané Vypočítané : : : : : : : : :36 0br. 25. Výsledky kalibrácie pre bod Q1 O 0.4 hladina (m) Merané Vypočítané Obr.26. Výsledky kalibrácie pre bod H1 O hladina (m) Merané Vypočítané Obr.27. Výsledky kalibrácie pre bod H2 72

77 hladina (m) Merané Vypočítané Obr.28. Výsledky kalibrácie pre bod H hladina (m) Merané Vypočítané Obr.29. Výsledky kalibrácie pre bod H4 hladina (m) Merané Vypočítané Obr.30. Výsledky kalibrácie pre bod H5 73

78 hladina (m) Merané Vypočítané Obr.31. Výsledky kalibrácie pre bod H6 Na základe kalibrácie je možné konštatovať, že hydrodynamický model vykazuje dostatočnú presnosť pre hodnotenie súčasného stavu a pre vyhodnotenie dlhodobej štatistiky odľahčovacích komôr. Pri podrobnej analýze skalibrovaného modelu môžeme identifikovať časové úseky, pre ktoré je v niektorých kalibračných bodoch nižšia zhoda simulovaných a meraných prietokových kriviek. Táto skutočnosť je spôsobená náhodnými okolnosťami, ktoré nie je možné bez ich detailnej znalosti modelom postihnúť. Jedná sa napríklad o lokálne zrážky so špecifickým priestorovým rozložením. Ďalej sa jedná o závady merania spôsobené pohybom sedimentov a veľkých predmetov v kanalizácii, prevádzkové manipulácie a prevádzkové opatrenia, náhodné vypustenie veľkého množstva odpadových vôd vyplývajúce z technológie výroby priemyslových podnikov apod. Niektoré profily merania prietokov nie sú ideálne z hľadiska lokálnych hydraulických podmienok (napr. extrémne malé alebo extrémne veľké rýchlosti). Z objektívnych dôvodov však nebolo možné nájsť profily hydraulicky vhodnejšie. Hore uvedené skutočnosti nie sú v rámci hydrologických modelov podstatné z hľadiska kalibrácie modelu a z hľadiska jeho ďalšej aplikácie. 7.4 Vyhodnotenie súčasného stavu odľahčovacích komôr Vyhodnotenie stokovej siete bolo uskutočnené tak, aby bolo možné zhodnotiť chovanie sa odvodňovacieho systému počas dlhodobého zrážkového radu konkrétne desaťročný kontinuálny rad s časovým krokom jednej minúty. Z hľadiska kanalizačnej siete je hodnotené 74

79 predovšetkým preťažovanie kanalizácie počas extrémnej udalosti a potenciálne príčiny vzniku škôd z dôvodu nedostatočnej kapacity. Z hľadiska bežného prevádzkového stavu (teda dlhodobého chovania) je hodnotený vplyv kanalizačnej siete na recipient ako za bezdažďového obdobia tak aj počas zrážkových udalostí. Ako definícia odľahčenia bol zvolený prietok v odľahčovacej trati kontinuálne po dobu minimálne 10 minút, pričom medzi jednotlivými odľahčeniami je časový rozdiel minimálne jednej hodiny. Táto definícia vychádza z metodiky používanej pre hodnotenie odľahčovacích komôr v ČR na matematických modeloch. Problémom môže byť hodnotenie počas dlhšej časovej udalosti napríklad ak zrážka trvá niekoľko desiatok hodín a má niekoľko špičiek z hľadiska intenzity dažďa môže byť vyhodnotených aj niekoľko odľahčení počas jeden zrážky. 7.5 Bilančné hodnoty činnosti odľahčovacích komôr Dlhodobou simuláciou desaťročného zrážkového radu bol modelom vygenerovaný súbor obsahujúci informácie o prietokoch a hladinách v jeho jednotlivých prvkoch. Tieto údaje boli pre odľahčovacie komory podrobené štatistickému spracovaniu tak, aby bolo možné pre jednotlivé roky spočítať ako počet prepadov, tak aj dobu, počas ktorej boli odľahčovacie komory v činnosti a aj objem vody, ktorá sa dostala cez odľahčovacie trate do recipientu. Podrobné výsledky sú predmetom tabuľkovej prílohy. Pre úplnosť treba poznamenať, že simulovali sa dva zrážkové rady jeden transponovaný podľa priemerného ročného úhrnu a druhý transponovaný podľa denných zrážkový úhrnov. Porovnanie oboch výsledkov je veľmi prekvapujúce, nakoľko pri použití oboch radov sa v desaťročnom priemere nevyskytli výrazné odchýlky. Tieto údaje sú predmetom tabuľkovej prílohy. 75

80 8. Model Banská Bystrica 8.1 Charakteristika záujmového územia a rozsahu zberačov Mesto Banská Bystrica sa nachádza v centrálnej časti Slovenska - leží vo Zvolenskej kotline, v údolí rieky Hron medzi Kremnickými a Starohorskými vrchmi a Poľanou. Banská Bystrica ako okresné a krajské mesto je prirodzeným geografickým centrom regiónu. Z hľadiska administratívneho členenia Slovenskej republiky je správne začlenené do Banskobystrického kraja. Obr.32. Záujmové územie Model kanalizačnej siete rieši odkanalizovanie v rozsahu celého povodia a priľahlých mestských častí. Kanalizácia je v samotnej lokalite vybudovaná v celom rozsahu, okrajové časti boli dopojené v nedávnej minulosti. Kanalizácia je vybudovaná ako jednotná sústava stôk, ktorá je odvádzaná kanalizačným zberačom na čistiareň odpadových vôd. Kanalizácia bola budovaná postupne ako kanalizácia gravitačná a jednotná, s odľahčovacími komorami a odľahčením do recipientov. 76

81 8.2 Popis hydrologického modelu Hydrologický simulačný model Hydrologický simulačný model vychádzal z hydrotechnickej situácie, kde sú definované jednotlivé povodia, ich veľkosť, koeficient odtoku (reprezentovaný efektívnou nepriepustnou plochou) a prípadne ďalšie hydrologické parametre ako je napríklad doba koncentrácie alebo dĺžka a sklon povodia, ktorá bola spracovaná na katedre zdravotného inžinierstva ako jedna z úloh ešte v dávnej minulosti. Jednotlivé povodia sú zaústené do uzlových bodov kanalizačnej siete tak, ako bolo vyznačené v hydrotechnickej situácii. Súčasťou hydrologického modelu je aj definícia rady parametrov, ktorými sa stanoví počiatočná strata, retencia a retardácia povodia. Je možné voliť z niekoľkých rôznych spôsobov výpočtu odtoku z povodí. Pre účely generelu bol zvolený model Mouse - Level A, ktorý vychádza z princípu časopriestorovej krivky. Tento spôsob výpočtu sa obvykle volí v prípade, pokiaľ nie je výpočet zameraný na simuláciu balastných vôd v stokovej sieti. Hydrologický model nezahrňuje simuláciu nehydrologických vôd, ako sú splaškové a priemyslové odpadové vody. Hydrologický model nerieši hydraulické chovanie sa siete, ako sú napr. oddeľovače v povodí. To je predmetom nadväzujúceho hydrodynamického modelu stokové siete. V rámci definície povodia rozlišujeme nasledujúce plochy : Celková plocha povodia jednotnej kanalizácie je definovaná hranicou urbanizovaného povodia jednotnej kanalizácie. Efektívna nepriepustná plocha povodia tzv. fast runoff component (FRC) sú spevnené plochy povodí, z ktorých odteká zrážková voda priamo do kanalizácie. Zisťuje sa na základe analýzy merania zrážok a príslušnej odozvy prietoku v kanalizácii. Efektívna nepriepustná plocha je spravidla menšia než spevnená plocha povodí. 77

82 8.2.1 Zaťažovací stav - dažďová rada Minimálne zaťažovacie stavy nie sú z hľadiska dimenzovania stokovej siete zaujímavé a ochrana stokovej siete na maximálne extrémne zaťaženie (z dlhodobého hľadiska) je neefektívna vzhľadom k vyvolaným investíciám. Je teda treba nájsť určitý kompromis, ktorý je vždy predovšetkým politickým rozhodnutím, aj keď samozrejme technicky podloženým. Riešenie problematiky odľahčovacích komôr vyžaduje simuláciu dostatočne dlhým zrážkovým radom. Stanovenie extrémov v tomto prípade nevypovedá o posudzovaných veličinách, ktorými sú bilančné hodnoty. Pre ich stanovenie je potrebné spracovať priemer za niekoľko rokov, ktorí bude mať dostatočnú výpovednú hodnotu. Ako zrážkový rad bol zvolený desaťročný zrážkový rad, ktorí bol k dispozícií pre lokalitu Malacky. Tento bol transponovaný podľa priemerného ročného zrážkového úhrnu Banskej Bystrice Tvorba modelu Hydrologický model, ktorý simuloval zrážko-odtokový proces z povodí, bol vytvorený pomocou modulu MOUSE level A. Bol zavedený predpoklad, že v splaškovom prietoku je 25% balastných vôd. Pre stanovenie splaškového prietoku bola uvažovaná spotreba vody podľa meraní. Balastné vody boli zahrnuté do výpočtu zvýšenou hodnotou spotreby vody, teda 160 l/obyv/deň vrátane balastných vôd. 8.3 Popis hydrodynamického modelu K vytvoreniu hydrodynamického modelu bol použitý simulačný prostriedok MOUSE, slúžiaca k výpočtom pomaly sa meniaceho neustáleného prúdenia v stokových sieťach a odvodňovacích kanáloch. Základné dáta pre tvorbu modelu stokovej siete, tj. topologické dáta šachiet, geometrické dáta objektov a potrubí, informácie o ich napojení atď., boli do modelu MOUSE prevedené ešte počas riešenia jednej z výskumných úloh a pre potreby dizertačnej práce bol k dispozícií už kompletný model. 78

83 [m] Standard [m] Obr.33. Model kanalizačnej siete Kalibrácia hydrodynamického modelu Na základe využívania už jestvujúceho modelu a neexistencie dát z meraní, nebolo možné uskutočniť kalibráciu. Jediným preverovaním, ktoré sa uskutočnilo, bolo preverenie odtokových parametrov povodia z ortofotomáp, ktoré boli k dispozícií z verejných zdrojov na internete. Model teda funguje na báze citlivostnej analýzy a pre účely posúdenia činnosti odľahčovacích komôr je vhodným nástrojov. 8.4 Vyhodnotenie súčasného stavu odľahčovacích komôr Vyhodnotenie stokovej siete bolo uskutočnené tak, aby bolo možné zhodnotiť chovanie sa odvodňovacieho systému počas dlhodobého zrážkového radu konkrétne desaťročný kontinuálny rad s časovým krokom jednej minúty. Z hľadiska kanalizačnej siete je hodnotené predovšetkým preťažovanie kanalizácie počas extrémnej udalosti a potenciálne príčiny vzniku škôd z dôvodu nedostatočnej kapacity. Z hľadiska bežného prevádzkového stavu (teda dlhodobého chovania) je hodnotený vplyv kanalizačnej siete na recipient ako za bezdažďového obdobia tak aj počas zrážkových udalostí. Ako definícia odľahčenia bol zvolený prietok v odľahčovacej trati kontinuálne po dobu minimálne 10 minút, pričom medzi 79

84 jednotlivými odľahčeniami je časový rozdiel minimálne jednej hodiny. Táto definícia vychádza z metodiky používanej pre hodnotenie odľahčovacích komôr v ČR na matematických modeloch. Problémom môže byť hodnotenie počas dlhšej časovej udalosti napríklad ak zrážka trvá niekoľko desiatok hodín a má niekoľko špičiek z hľadiska intenzity dažďa môže byť vyhodnotených aj niekoľko odľahčení počas jeden zrážky. Je potrebné konštatovať, že simulácia sa robila ako v minútovom časovom kroku, tak aj v päťminútovom časovom kroku, pričom rozdiely hodnôt sú až extrémne veľké. Toto je dané pravdepodobne neskalibrovaním modelu a teda jeho značnou citlivosťou na vonkajšie parametre a na druhej strane to dokumentuje potrebu čo najväčšej presnosti z hľadiska vzťahu vstupné výstupné parametre. 8.5 Bilančné hodnoty činnosti odľahčovacích komôr Dlhodobou simuláciou desaťročného zrážkového radu bol modelom vygenerovaný súbor obsahujúci informácie o prietokoch a hladinách v jeho jednotlivých prvkoch. Tieto údaje boli pre odľahčovacie komory podrobené štatistickému spracovaniu tak, aby bolo možné pre jednotlivé roky spočítať ako počet prepadov, tak aj dobu, počas ktorej boli odľahčovacie komory v činnosti a aj objem vody, ktorá sa dostala cez odľahčovacie trate do recipientu. Podrobné výsledky sú predmetom tabuľkovej prílohy. Je potrebné konštatovať, že mnohé z dvadsiatich siedmych odľahčovacích komôr nevyhovujú z hľadiska návrhových parametrov technickým požiadavkám podľa príslušných noriem. Značná časť odľahčovacích komôr je ovplyvnené spätným vzdutím a aj nevhodnou hydraulickou funkciou škrtiacich tratí. Pre túto skutočnosť boli z ďalšieho štatistického vyhodnotenia vylúčené tieto odľahčovacie komory: OK3A, OK1AA, OK1AC, OK1AG, OK1AH, OK1AH-4, OK1AJ-1, OK1AJ, OK1AL, OK3AM, OK1AM-3, OK1AN 80

85 9. Model Liptovský Mikuláš 9.1 Charakteristika záujmového územia a rozsahu zberačov Mesto Liptovský Mikuláš sa nachádza v severnej časti Slovenska - leží v Liptovskej kotline, v údolí rieky Váh medzi Pohoriami Tatier (Vysoké, Západné a Nízke). Liptovský Mikuláš ako okresné je prirodzeným geografickým centrom regiónu. Z hľadiska administratívneho členenia Slovenskej republiky je správne začlenené do Žilinského kraja a predstavuje centrum regiónu Liptov. Obr.34. Záujmové územie Model kanalizačnej siet rieši odkanalizovanie v rozsahu celého povodia. Kanalizácia je v samotnej lokalite vybudovaná v celom rozsahu, okrajové časti boli dopojené v nedávnej minulosti. Kanalizácia je vybudovaná ako jednotná sústava stôk, ktorá je odvádzaná kanalizačným zberačom na čistiareň odpadových vôd. Kanalizácia bola budovaná postupne ako kanalizácia gravitačná a jednotná, s odľahčovacími komorami a odľahčením do recipientov. 81