Przegląd Modeli wody deszczowej

ABSTRACT STRESZCZENIE

This report is part of the CSIRO's Urban Water Project and it is intended to provide a review of the Niniejszy raport ma na celu zapewnienie przeglądumethods used by models for simulating storm water quantity and quality in an urban environment. metod wykorzystywanych przez modele do symulacji ilości i jakości wód deszczowych w środowisku miejskim. This To has been achieved by examining a number of storm water models in current use. zostało osiągnięte w chwili obecnej poprzez analizę wielu modeli kanalizacji deszczowej. These models represent Modele te stanowiąa wide range of capabilities and spatial and temporal resolution. szeroki wachlarz możliwości i rozdzielczości przestrzennej i czasowej. The important features of these models Ważne cechy tych modelihave been described in this report. zostały opisane w tym raporcie. Specific topics covered are: Identifying important urban water quality Szczególnie opisane tematy to: identyfikacja ważnych miejskich parametrów jakości wody,parameters. The classification of modelling approaches.klasyfikacja podejścia do modelowania, Modelling approaches used to estimate water modelowanie metod stosowanych do ocenyquantity and quality. ilości i jakości wody. These include statistical, empirical, hydraulic and hydrological models. Należą do nich statystyczne, empiryczne, hydrauliczne i hydrologiczne modele.Watez Zarządzanie zasobami wodnymiresources management and planning tools, that are included in some urban storm water models, such as i narzędzia planowania, które są zawarte w niektórych modelach miejskich, kanalizacji deszczowych, takich jakeconomic analysis, optimisation and risk analysis are also discussed. analizy ekonomicznej, optymalizacji i analizy ryzyka są też przedstawione. Features of twelve storm water models have been summarised. Funkcje dwunastu modeli zostały podsumowane. These models have been chosen becausModele te zostały wybrane bothey demonstrate how components that are important in managing urban storm water have been wykazują jak komponenty ważne w zarządzaniu miejskim wodami deszczowymi zostały incorporated in a modelling framework.wprowadzone do tych modeli. These models have been categorised in terms of theirModele te zostały podzielone pod względemfunctionality, accessibility, water quantity and quality components included in the model and their funkcjonalność, dostępność, ilość wody i jakości komponentów zawartych we wzorze i ich temporal and spatial scale. skali czasowej i przestrzennej. This report is useful to planners, managers and modellers. Raport ten jest przydatny dla projektantów, kierowników i modelarzy. It will provide planners and managers with an Zapewni ona planistą i menedżerąoverview of modelling approaches that have been used to simulate storm water quantity and quality. przegląd metod modelowania, które zostały wykorzystane do symulacji ilości i jakości wód deszczowych. In W particular, this review provides managers with an appreciation of the limitations and assumptions made in szczególności, przegląd daje menedżerom możliwość oszacowania ograniczeń i założeń przyjętych w various modelling approaches. różnych metodach modelowania. This review will also benefit modellers by providing a comprehensiveZ przeglądu tego skorzystają modelarze dzięki kompleksowemu summary of approaches and capabilities of a number of storm water models in current Podsumowaniprzeds przedstawieniu metod i możliwości wielu modeli kanalizacji deszczowej w chwili obecnej. This review Ta recenzjahas also been used to identify potential urban storm water research opportunities. jest również wykorzystywana do identyfikowania potencjalnych badań wody deszczowej.

Aarea obszar

BB width of the channelszerokość kanału

CC concentration of substance or runoff coefficientstężenie substancji lub współczynnik spływu

CC_BOD BODconcentration of biochemical oxygen demand stężenie biochemicznego zapotrzebowania na tlen

CCDO_DO­ concentration of dissolved oxygstężenie rozpuszczonego tlenu

cc Chezy coefficientwspółczynnik Chézy

DD diffusion coefficientwspółczynnik dyfuzji

F ( U )F(U) flux vectorwektor strumienia

gg acceleration due to gravityprzyspieszenie ziemskie

II rainfall intensity or inflowintensywności opadów deszczu lub napływu

ii rainfall intensityintensywności opadów deszczu

KK conveyance, Ktransportu, or storage or reaction coefficient lub współczynnik składowania reakcji

kk_BB współczynnik pollutant buildup coefficient nagromadzonych zanieczyszczeń

kk_ww pollutant removal coefficientwspółczynnik usuwania zanieczyszczeń

OO outflowodpływ

PP wetted perimeterobwód zwilżony

P tP_BB(t) ( ) mamass of pollutant buildsy nagromadzonych zanieczyszczeń

P tPw_w(t)( ) mass of pollutant washofmasy wymytych zanieczyszczenia

QQ flowprzepływu

qq lateral inflowboczny dopływu

RR hydraulic radiuspromień hydrauliczny

RR_imi,mii , return functifunkcja powrotu

rr runoff flow rateprzepływ odpływu

SS vector of source variableswektor zmiennych źródła

SS source or sink of contaminant or storageźródło lub utylizacja składowania substancji skażających

SS_ijij sensitivity coefficient, Swspółczynnik wrażliwości,

SS₀₀ bed slopenachylenie łóżko

SSf _f friction slopenachylenie tarcia

tt timeczas

UU vector of conservative variableswektor konserwatywnych zmiennych

uu velocityprędkość

VV Kleitz-Sneddon law, Vprawa lub objętość Kleitz -Sneddon,

or volumeX independent variable or explanatory variablzmienna niezależna lub zmienna objaśniająca

xx distanceodległość

YY dependent variable or model responsezmienna zależna lub model odpowiedzi

yy water depthgłębokość wody

ZZ objective functionfunkcje celu

,α K(I-X)+Δt/2

KIXΔxx computational distance stepobliczeniowych odległość kroku

'Δtt computational time stepobliczeniowych krok czasu

Kη the Manning resistance coefficientwspółczynnik oporu Manning’a

μμ meanoznacza

σσ standard deviationodchylenie standardowe

1. INTRODUCTION WPROWADZENIE

It is estimated that by the year 2000 half of the world's population will be living in urban areas.Szacuje się, że do roku 2000 połowa ludności świata będzie mieszkać w miastach. In many countries, the W wielu krajachland occupied by the urban population is often less than 5% of the total area. grunty zajęte przez mieszkańców miast stanowią często mniej niż 5% całkowitej powierzchni. This concentration of human activities Taka koncentracja działalności człowieka sprawia ze intensifies local competition for all types of resources, with water amongst the most vital. nasila się lokalna konkurencji dla wszystkich typów zasobów, z wodą wśród najważniejszych. Water is essential for human Woda jest niezbędna dla istnienia człowieka existence and human settlement and it is employed extensively in urban areas for the disposal of wastesi urbanizacji i jest szeroko stosowana w obszarach miejskich w zakresie usuwania odpadów. Water can also Woda może także have a negative impact on human activity. mieć negatywny wpływ na działalność człowieka. This includes flooding, drainage, erosion and sedimentation. Obejmuje powodzie, odwadnianie, erozję i sedymentację. These problems Problemy te are exacerbated in urban catchments by altering natural watercourses and increasing impervious areas. zaostrzają się w miejskich zlewniach poprzez zmianę naturalnych cieków wodnych oraz zwiększenie obszarów nieprzepuszczalnych. Urban run-offMim M Miejski spływ jesttypically highly polluted with pathogenic and organic substances that are a public health threat. zwykle bardzo zanieczyszczony włącznie z chorobotwórczych patogenami i substancji organicznych, które są zagrożenie dla zdrowia publicznego. The development of water resources requires the conception, planning, design, construction, and operation of facilities to

Rozwój zasobów wodnych wymaga koncepcji, planowania, projektowania, budowy i eksploatacji urządzeń do control and utilise water for a variety of purposes. kontrolowania i wykorzystania wody dla różnych celów. Flood mitigation is an example of the control of water so that it will not Łagodzenia skutków powodzi jest przykładem kontroli wody, tak że nie będzie cause excessive damage to property or loss of life and inconvenience to the public. powodować nadmiernych uszkodzeń mienia lub utratę życia i niedogodności dla społeczeństwa. Water supply is an example of the Zaopatrzenie w wodę jest przykładem utilisation of water for beneficial purposes. wykorzystywania wody do celów korzystnych. Pollution threatens the utility of water for municipal and irrigation uses and Zanieczyszczenie zagraża wykorzystaniu wody do celów komunalnych i nawadniania i seriously despoils the aesthetic value of natural watercourses. poważnie niszczy wartość estetyczną naturalnych cieków wodnych. Water resource managers are faced not only with the control and management of runoff quantity but with the Menedżerowie tej wody mają do czynienia nie tylko z kontrolowaniem i zarządzaniem spływami, ale z maintenance of water quality as well. utrzymanie jakości wody. This is complicated by the unequal distribution of water and its availability at any To jest komplikowane prze nierówny podziału wody i jej dostępność w dowolnym place varying with time. miejsce i zmiennym czasie. The interest in urban storm water quality has also increased with the introduction of legislation, Zainteresowanie jakością wód deszczowych wzrosło również z wprowadzeniem przepisu,which regulates storm water quality. , który reguluje jakość wody deszczowej. Computer models of urban storm water flow and quality have been extremely useful Modele komputerowe miejskich przepływów wody deszczowej i jakości były bardzo przydatne in establishing whether various management strategies produce water quality that conforms to the legislation. w ustaleniu, czy różne strategie zarządzania produkcją jakości wody, są zgodne z ustawodawstwem.

In this review, features of a number of well-known and not so well-known storm water models are summarised. W niniejszej pracy, cechy kilku dobrze znanych i nie tak dobrze znanych modeli wód opadowych zostały podsumowane. In addition, a number of watershed models capable of simulating urban storm water are also desPonadto, są również opisane modeli umożliwiające symulowanie miejskiej kanalizacji deszczowej . This is not a To nie jestcomprehensive list of urban storm water models in current use. pełna lista modeli miejskich kanalizacji deszczowych w chwili obecnej. There are literally hundreds of models that have been Istnieją setki modeli, które zostały developed by academic institutions, regulatory authorities, government departments and engineering consultants. opracowane przez instytucje naukowe, organy regulacyjne, urzędy i inżynierów. This Ten review illustrates the diversity of approaches and parameters that are considered in urban storm water models. przegląd pokazuje różnorodność koncepcji i parametrów, które są rozpatrywane w modelach miejskich. In other W innych reviews, the emphasis is on modelling quality. kładzie się nacisk na jakość modelowania. Due to the importance of flow as the dominant mechanism for transportingZe względu na znaczenie przepływu jako dominującego mechanizmu transportu pollutants, this review describes flow routing in more detail. zanieczyszczeń, przegląd ten opisuje przepływ trasy bardziej szczegółowo.

In the following chapter, storm water issues confronting urban catchments are described.W następnym rozdziale, są opisane kwestie wody burzowej konfrontujące miejskie zlewnie. Chapter 3 describes the Rozdział 3 opisujemodelling approaches that have been used to model both storm water quantity and quality in and urban environment. podejścia do modelowania, które zostały wykorzystane do modelowania zarówno ilość i jakość wód deszczowych i środowiska miejskiego.

Useful management tools that have been incorporated in storm water models are described in Chapter 4.Przydatne narzędzia, które zostały włączone w modelach burzowych są opisane w rozdziale 4. These include Należą do nich optimisation, uncertainty analysis and economic analysis. optymalizacji, analizy niepewności i analizy ekonomiczne. Twelve storm water models are described in this review. Dwanaście modeli wody jest opisane w tym przeglądzie. Theyrepresent a wide range of capabilities with spatial and temporal resolution. Reprezentują szeroki wachlarz możliwości z rozdzielczości przestrzennej i czasowej. These models have been chosen because they Modele te zostały wybrane dlatego, że demonstrate how various features described in the previous chapters have been incorporated in a model. pokazują, jak różne funkcje opisane w poprzednich rozdziałach zostały uwzględnione w modelu. Eight urban Osiem storm water models have been reviewed in Chapter 5. modele burzowe zostały zweryfikowane w rozdziale 5. These models have been categorised in terms of their functionality, Modele te zostały sklasyfikowane pod względem ich funkcjonalności, accessibility, water quality and quantity components included in the model and their temporal and spatial scale. dostępności, jakości wody i ilości składników zawartych we wzorze i ich skali przestrzennej i czasowej. A numberKilka of other available storm water models are listed in Chapter 6. innych dostępnych modeli burzowych jest opisanych w rozdziale 6. Four non-urban models, which are capable of simulating Cztery modele pozamiejskich, które są w stanie symulować

urban storm water quantity and quality, are described in Chapter 7. miejskich ilość wody deszczowej i jakości, są opisane w rozdziale 7. A number of conclusions resulting from this review of Niektóre wnioski wynikające z tego przegląduReview of Storm Water Models są wymienione w rozdziale 8. Potential urban storm water research opportunities have been identified and Potencjalne możliwości badań miejskich wody burzowej zostały zidentyfikowane i are described in Chapter 9. opisane są w rozdziale 9.

2. MIEJSKA HYDROLOGIA

Opady deszczy nad wododziałem będą padać Rain falling over a watershed will fall on either an impervious or a pervious arena obszar nieprzepuszczalnych lub przepuszczalny. On a pervious area, some rainfall may Na przepuszczalny obszar, niektóre mogą infiltrate the sub-surface and the remainder is surface runoff. przedostać się pod powierzchnią, a reszta spływa po powierzchni, Surface runoff and perhaps infiltration will eventually flow wody ze spływu powierzchniowego i infiltracji w końcu dostają się do into a watercourse or a receiving water body cieku wodnego lub odbiornika wodnego. This is not the case for an impervious area, where nearly all the rainfall Tak się nie dziej w przypadku nieprzepuszczalnego obszaru, w którym prawie cały opad staje sie becomes runoff.spływem powierzchniowym An urban area is by definition an area of concentrated human activity, which is characterised by Obszar miejski jest z definicji przestrzenią skoncentrowanej działalności człowieka, który charakteryzuje się extensive impervious areas and man made watercourses. rozległym obszarem nieprzepuszczalnym i stworzonymi przez człowieka ciekami wodnymi. The result is an increase in runoff volume and flow that can Efektem jest wzrost wielkości odpływu i przepływu, które powodująresult in flooding, watercourse and habitat destruction. powodzie, zniszczenie cieku wodnego i niszczenie siedlisk.

Pollutants are also transported through the urban watershed.Zanieczyszczenia są transportowane przez wododział. Rainfall precipitates atmospheric pollutants. Opady deszczu powodują opad osadów atmosferycznych. The impact orainfall will dislodge particles on the surface of the ground. Opady deszczu usuwają cząsteczki z powierzchni ziemi. Many pollutants adhere to these particles and are conveyed Wiele zanieczyszczeń przykleja się do tych cząstek i są przenoszonealong with soluble pollutants by the runoff. wraz z rozpuszczalnymi zanieczyszczeniami przez odpływ. The momentum associated with the runoff dislodges other contaminant-laden Pęd związanych z tury wypiera innych zanieczyszczeń ładunkiem particles. cząstek. These are transported to a watercourse by the flowing water and progress through the urban watershed. Są one transportowane do cieku wodnego przez płynącą wodę i postępów w miejskich zlewni.

Pollutants generated on and discharged from land surfaces as the result of the action of precipitation on and theZanieczyszczenia generowane i odprowadzane z powierzchni ziemi na skutek działania opadów atmosferycznych oraz subsequent movement of water over the land surface, are commonly referred to as non-point pollutants or dis ruch wody na powierzchni ziemi, są powszechnie określane jako niepunktowe zanieczyszczenia lub rozproszonepollutants. zanieczyszczenia. Pollutants resulting from the application of water to the land by human activity augment these pollutants. Zanieczyszczenia wynikających ze stosowania wody na ziemi przez działalność człowieka zwiększenia te zanieczyszczeń. Depending on the type of activity on the land, the volume of runoff and the amount and types of pollutants carried with it W zależności od rodzaju działalności na ziemi, wielkość spływu oraz ilość i rodzaje zanieczyszczeń w tym słpwie się różniawill vary.. The intensity and duration of precipitation and the time since the last precipitation event also affect the quantity Intensywności i czasu trwania opadów oraz czas od ostatniego przypadku opadów mają także wpływ na ilośćand transport of pollutants generated. i transportu zanieczyszczeń generowanych. Failures in the urban infrastructure (sewer infiltration, leachate from landfills, direct Niepowodzenia w infrastrukturze miejskiej (infiltracji ścieków, odcieków ze składowisk odpadów, bezpośrednio connection of sanitary sewers to storm water drains) represent another source of pollutant. podłączenia kanalizacji sanitarnej do wody deszczowej do kanalizacji) stanowią kolejne źródło zanieczyszczeń. The diversity in the source and Różnorodność w źródle i type of pollutants encountered on an urban catchment makes managing storm water very complicated. rodzaju zanieczyszczeń spotkanych na miejskich zlewniach sprawia, że zarządzanie wodami burzowymi jest bardzo skomplikowane.

When pollutants discharged into receiving water bodies exceed the assimilation capacity of these bodies, a myriad ofKiedy zanieczyszczenia odprowadzane do wód przyjmujących, przekraczają zdolność asymilacji tych jednostek, problems can result. może to spowodować problemy. Types of biological effects that these water quality problems may cause include; infection of Rodzaje efektów biologicznych, które problemy z jakością wód mogą spowodować , zapalenieorganisms by bacteria and viruses, death from chronic toxicity exposure and alteration to natural habitat cycles and organizmów przez bakterie i wirusy, śmierć z powodu nadmiaru toksyn i zmian naturalnych siedlisk i cyklibreeding. hodowlanych. Pollution and water quality degradation can also interfere with the range of legitimate water uses, as shown in Zanieczyszczenie i pogorszenia jakości wody mogą również wpływać na zakres zgodnego z prawem wykorzystywania wody, jak pokazano wTable 2.1. Tabeli 1. A similar table can be found in US Environmental Protection Agency (1979). Podobną tabelę można znaleźć w amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska (1979). Some types of water uses are Niektóre rodzaje zastosowań wody more adversely affected by water quality than others. bardziej wpływają na jakość wody niż inne. Many of these problems can be considered as natural phenomena, Wiele z tych problemów można uznać za zjawiska naturalnewhich have been exacerbated by man's activities. , które zostały zaostrzone przez działalność człowieka. The variety of pollutants that can be expected from various non-point Różnych zanieczyszczenia, których można oczekiwać od różnych niepunktowych sources in an urban environment are indicated in Table 2.2. źródeł w środowisku miejskim zawarte są w tabeli 2. Typical concentrations of some of these pollutants are given Typowe stężenia niektórych z tych zanieczyszczeń są podane in Table 2.3. w tabeli 3. Pollution from human activity produces waste water and storm water quality that can be detrimental to Zanieczyszczanie przez działalność człowieka wytwarza ścieków i jakości wody deszczowej, które mogą być szkodliwe dla human health and to aquatic organisms. zdrowia ludzi i organizmów wodnych. Therefore, urban storm water can cause both quality and quantity problems in Dlatego ścieki burzowe mogą powodować problemy zarówno jakość jak i ilość receiving waters. wód przyjmujących.

Tabela 1. Ograniczenia korzystania z wód powodu degradacji jakości wody

(adapted from Chapman 1992 and Dinius 1987) (Dostosowany od 1992 r. i Dinius Chapman 1987)

Tabela 2. Źródła pokoje pkt Urban Wyciek zanieczyszczeń

(adapted from Whipple et al . 1983) (Zaczerpnięte z Whipple et al. 1983)

Tabela 2.3 Typowe stężenia zanieczyszczeń (zaadaptowane z Train 1979, Moore i Ramamoorthy 1984 r., Ellis 1986, Tchobanoglous et al . 1986, Tchobanoglous et al. 1987, Chapman 1992, Huber 1992a, Sewards and Williams 1995, Duncan 1995) 1987, Chapman 1992, 1992a Huber, Sewards i Williams 1995 r., Duncan 1995)

3. 3.MODELLING APPROACHEMETODY MODELOWANIA

Computer models have been used to simulate the behaviour of aquatic systems since the mid 1960's (for example, the Modele komputerowe są wykorzystywane do symulacji zachowania systemów wodnych od połowy 1960 roku (na przykład Stanford Watershed Model , Crawford and Linsley 1966). Stanford Watershed Model, Crawford i Linsley 1966). Models capable of simulating storm water quality and quantity Modele zdolne do symulacji jakości i ilości wód deszczowych appeared in the earlier 1970' s and were developed primarily by US government agencies, such as the US Environment pojawił się we wczesnych latach 70 i zostały opracowane głównie przez agencje rządowe USA, takich jak amerykańska agencja Ochrony Środowiska Protection Agency.. Since then, a number of urban watershed models have been developed. Od tego czasu opracowana została liczba miejskich zlewni. These models include very To są modele bardzo proste i bardzo złożone.

In a computer model, mathematical relationships that represent the behaviour of a system are solved using a computer. W komputerowym modelu, zależności matematycznych, które reprezentują zachowanie systemu są rozwiązywane za pomocą komputera. If Jeśli any of the variables in the model are regarded as random variables having a probability distribution, then the model is a którakolwiek ze zmiennych w modelu jest traktowane jako zmienne losowe o rozkładzie prawdopodobieństwa, to model jest

stochastic model. modelu stochastycznego. Otherwise, the model is deterministic (Clark 1973). W przeciwnym razie model jest deterministyczny (Clark 1973). In a deterministic model, all the variables are W deterministycznym modelu, wszystkie zmienne są known with certainty, therefore the model will always produce identical results for the same input parameters. pewne, a więc model zawsze będzie produkować identyczne wyniki dla tych samych parametrów wejściowych. This may Tak może

not be the case for a stochastic model, where one or more variables are selected at random from a distribution. nie jest w przypadku modelu stochastycznego, w którym jedna lub więcej zmiennych jest wybierana losowo z dystrybucji. AW stochastic model therefore, will always produce a different model response. modelu stochastycznym dlatego zawsze będą różne odpowiedzi modelu. DA deterministic model could be considered aDeterministyczny model można uznać za a stochastic model with the random variables replaced by their mean values. model stochastyczny z zmiennych losowych otrzymuje ich średnią wartości. An advantage of a stochastic model is that Zaletą modelu stochastycznego jest to, że the uncertainty in a variable, defined by its distribution, is interwoven into the model. niepewność w zmiennej, zdefiniowana przez jego dystrybucję, jest wpleciona w modelu. Unfortunately, to solve the Niestety, rozwiązania stochastic equations the random variables are restricted to certain probability distributions and for large problems the stochastycznych równań zmiennych losowych są ograniczone do pewnych rozkładów prawdopodobieństwa i duże problemy solution of stochastic equations are not practical (Li and McLaughlin 1991). Reliability techniques (Thoft-Christensen roztworu stochastycznych równania nie są praktyczne (Li i McLaughlin 1991). Technik niezawodności (Thoft-Christensen and Baker 1982) are available for estimating the uncertainties in a deterministic model response due to random inputs. i Baker 1982) dostępne są do oszacowania niepewności w odpowiedzi deterministycznego modelu wynikająca z wejścia.

Both stochastic and deterministic models may be further classified into either; conceptual or empirical depending on Zarówno deterministyczne i stochastyczne modele te mogą być zaklasyfikowane do jednej, koncepcyjnej i empirycznej zależności w zależności od tegowhether the model is based on physical laws or not. czy model jest oparty na prawach fizyki, czy nie. The distinction is not entirely clear, as demonstrated by Clark (1973) To rozróżnienie nie jest do końca jasne, co zademonstrował Clark (1973) za pomocąusing Darcy's law and Newton's law of motion. prawa Darcy’ego i prawa o ruchu Newtona. Both are physical laws, therefore any model based on these laws should Obie są prawami fizyki, dlatego każdy model w oparciu o te przepisy prawa powinienbe considered as a conceptual model. być traktowany jako model koncepcyjny. However, these laws were established from observations and by definition are Jednak przepisy te zostały ustalone na podstawie obserwacji i są z definicjiempirical laws. Prawami empirycznymi. Should models based on these laws be considered as empirical? W przypadku modeli opartych na tych przepisach należy je uznać za empiryczne

Distributed and lumped models are also used to classify models. Rozproszone i skupione są również modele stosowane do klasyfikacji modeli. These describe how the model treats spatial variability.Opisuja, w jaki sposób model traktuje zmienności przestrzenne. A lumped model takes no account of the spatial distribution of the input, whereas distributed models include spatial Skupiony model nie uwzględnia rozmieszczenia przestrzennego wejścia, a rozprowadzane modele zawierają przestrzennevariability. zmienności. Most urban runoff models are deterministic-distributed models (Nix 1994). Większość modeli miejskich spływów są deterministycznie rozproszone (Nix 1994). Catchment models can be further classified as either event or continuous process driven.

Modele zlewni mogą być dalej klasyfikowane jako wydarzenie lub ciągły proces przebiegający. Event models are short-term Modele zdarzeń są krótkoterminowe models used for simulating a few or individual storm events.stosowane do symulacji kilku lub poszczególnych zdarzeń. Continuous models simulate of a catchment's overall water Ciągłe modele symulacji zlewni ogólnej balance over a long period of time, involving monthly or seasonal predictions, and form the basis of a planning model for równowagi wodnej w długim okresie czasu, z udziałem miesięcznych lub sezonowych prognoz, i stanowią podstawę modelu planowania water resources. zasobów wodnych. Planning models are usually used to estimate the costs associated with different infrastructure Modele planowania są zwykle używane do oszacowania kosztów związanych z różnymi infrastrukturami,configurations over the life of the infrastructure. konfiguracjami infrastruktury. Event driven models are suitable for the design of storm water Modele wydarzenia są odpowiednie do projektowania kanalizacji deszczowej infrastructure and as operational models. infrastruktury, jak modele operacyjne. Models that are required to control, operate or allocate water resources in real Modele, które są zobowiązane do kontroli, lub alokacji zasobów wody w czasie rzeczywistymtime are known as operational models. znane są jako modele operacyjne. Flood forecasting models, models used to control weirs and locks in an irrigation Modele prognostycznych powodzi, są używane do kontroli jazów i śluz w nawadnianiuchannel and models used to establish what level water is extracted from a reservoir to meet certain water quality kanałów i stosowanych do ustalenia, jaki poziom wody jest pobierany ze zbiornika aby spełniać pewne wymogi jakości wody .requirements are examples of operational models. Czego są przykładami modele operacyjne. Design models refer to models that can be used to model in detail theModele projektowe odnoszą się do modeli, które mogą być wykorzystane do szczegółowegoflow through the storm water infrastructure. przepływu przez infrastrukturę wody deszczowej.

There will be circumstances where a model can be used for planning, operations and design. Będą sytuacje, gdy model można wykorzystać do planowania operacji i projektowania. The essential difference in Zasadnicza różnica wthe modelling approaches is the amount of data required, the information that can be obtained from the model, the podejściu do modelowania, to ilość wymaganych danych, informacji, które mogą być uzyskane z modelu sophistication of the analysis performed and the simulation period. Złożonego z przeprowadzonej analizy i okresu symulacji. For example, a planning model may involve an Na przykład, modele planowania mogą obejmować optimisation component.optymalizację elementów. Due to the computational effort required in such a model, detailed hydraulic analysis of the Ze względu na nakład pracy obliczeniowej w takim modelu, ważne jest szczegółowe wykonanie analizy hydraulicznejinfrastructure is not generally performed. infrastruktury. In addition, if infrastructure life cycle costs are modelled, then the simulation Ponadto, jeśli koszty cyklu życia infrastruktury są wzorowane, a następnie symulacjeperiod is of the order of years. okresu rzędu lat. Hydraulic modelling at this scale is prohibitive. Modelowanie hydrauliczne w tej skali jest wygórowane. Urban storm water models have been Modele wody zastały zaadoptowane do użycia jakoadapted for use as operational tools. narzędzia operacyjne. However, they are more commonly used as either planning or design tools. Są one jednak bardziej powszechnie używany do planowania lub projektowania narzędzi.

The basic components of an urban storm water model are; ( i ) precipitation, ( ii ) rainfall-runoff modelling (generation of Podstawowe elementy modelu miejskiej kanalizacji deszczowej są: (i) modelowania opadów (generacji surface and sub-surface runoff from precipitation excess, the washoff and buildup of pollutants from impervious surfaces) powierzchni i powierzchni spływu od nadmiaru opadów, i gromadzeniu się zanieczyszczeń z powierzchni nieprzepuszczalnych)and ( iii ) transport modelling (routing of flows and pollutants through the storm water infrastructure, such as open oraz (ii) modelowanie transportu (szlak przepływów i zanieczyszczeń poprzez infrastrukturę kanalizacji deszczowej, takich jak otwarte channels, pipe networks and storages). kanałów, sieci rurociągów i magazynów). The links between these processes are illustrated in Figure 1. Powiązań między tymi procesami są na rysunku 1. In general, the spatial Ogólnie rzecz biorąc, przestrzennyand temporal distribution of precipitation is the only component that is supplied externally to a storm water model. i czasowy rozkład opadów jest jedynym komponentem, który jest dostarczany z zewnątrz do modelu wody deszczowej. It is Jest either recorded or generated and supplied as input data to the model. odnotowany lub wytworzony i dostarczony jako dane wejściowe do modelu.

The dependence of water quality on water quantity should be emphasised for at least two reasons. Zależności jakości wody na ilość wody, należy podkreślić, z co najmniej dwóch powodów. Firstly, in most water Po pierwsze, w większości quality models, pollutant concentrations and loads cannot be estimated without having estimated the flows.modeli jakości wody, stężenia zanieczyszczeń i obciążeń nie może być określona bez oszacowania przepływy. It is for thisreason that most water quality models include a hydrologic or hydraulic component. Dlatego, że większość modeli jakości wody obejmują hydrologiczne lub hydrauliczne części. The hydrologic or hydraulic Hydrologiczne lub hydrauliczne

components simulate the movement of water through the urban catchment to various degrees of complexity. elementy symulacji przepływu wody przez miejskie zlewnie w różnym stopniu złożoności. Secondly, Po drugie, procedures to mitigate quantity and quality are often complimentary. procedury ograniczające ilość i jakość są często bezpłatne. For example, a retarding basin operates to reduce Na przykład, opróżnienie basenu prowadzi do zmniejszenia flood peaks as well as serve as a sediment trap. szczytów powodzi, jak również służy jako osadnik. In a few urban storm water models, greater emphasis is placed on W kilku modeli wody miejskiej, większy nacisk kładzie się na modelling pollutants rather than accurately modelling storm water flows. modelowanie zanieczyszczeń, a nie dokładnie modelowanie przepływów wód burzowych. It is important to have a realistic hydraulic or Ważne jest, aby mieć realne hydrauliczne lub hydrologic models which have the appropriate spatial and temporal resolution required for the problem. hydrologiczne modele, które posiadają odpowiednie przestrzenne i czasowe rozwiązania niezbędne do rozwiązania tego problemu.

Rysunek 1. Overview of Processes Incorporated in a Storm Water Model Przegląd procesów Incorporated w modelu wody deszczowej

3.1 3.1. The Quantity of Storm WatIlość wody deszczowej

The hydrological cycle begins with precipitation. Cykl hydrologiczny rozpoczyna się od opadów. Precipitation in the form of rain falling on the land surface is subject to Opady w postaci padającego deszczu na powierzchnie ziemi są przedmiotemevaporation and initial loss due to interception by vegetation. parowania i początkowej straty z tytułu przejęcia przez rośliny. The excess rainfall is available for infiltration , overland Nadmiar opadów jest dostępny do infiltracji, drogą lądową, flow and depression storage . przepływu i magazynowania depresji. Depression storages are small pore and depressions on the land surface, which temporarily Magazynami depresyjnymi są małe pory i zagłębienia na powierzchni terenu, które czasowo store water. magazynują wodę. WInfiltrated water may flow through the upper layer of the soil which is generally the unsaturated zone of theWoda infiltracyjna może przepływać poprzez górną warstwę gleby, która jest ogólnie strefą aeracji soil, or flow deeper into the soil reaching the groundwater , or saturated zone . gleby, lub przepływać w głąb gleby osiągając poziom wód podziemnych, lub strefie saturacji. Water, which has infiltrated the soil and Woda, która przeniknęła do gleby i moves through the unsaturated zone and later becomes surface water, is known as interflow . przechodzi przez strefę nienasyconą, a później dostaje się wód powierzchniowych, jest znana jako przepływ. In some urban storm water W niektórych miejskich modele wody deszczowejmodels, sub-surface flows are not modelled., przepływy pod powierzchnią nie są wymodelowane. One reason why sub-surface hydrology is not included in some urban storm W niektórych modelach jednym z powodów podpowierzchniowej hydrologii nie jest, to że duża część miejskich zlewni jest nieprzepuszczalne, z małym lub żadnym przepływem pod powierzchnią. Unfortunately, accurate representation of the hydrological cycle is important for the accurate simulation of both runoff Niestety, dokładne odwzorowanie cykl hydrologiczny jest istotne dla dokładnych symulacji zarówno spływu and its quality. i jego jakości. The two most important problems associated with the quantity of water are; flooding and water supply .

Dwa najważniejsze problemów związanych z ilością wody, zalicza się powodzie i zabezpieczenia wody. These problems Problemy te are relevant in varying degrees to both urban and rural catchments. są istotne w różnym stopniu w obu zlewniach, miejskich i wiejskich. Alterations to the form of the landscape by human Zmiany w formie krajobrazu przez człowieka,Figure 1.activity results in increasing runoff volumes, reduced times for flows to reach their maximum and the increase in peak zwiększenie wielkości odpływu, skrócenie czasu przepływów do uzyskania maksymalnej i wzrost szczytu flow rates. przepływu. Consequently, urban areas are more susceptible to flooding affecting all land use activities. W związku z tym obszary miejskie są bardziej narażone na powodzie i dotyczą wszystkich działań użytkowania gruntów. Provision of storm Modelewater infrastructure, which may consist of a network of drainage pipes, channels and retarding basins is essential to infrastruktury wodnej, które mogą składać się z sieci rur odwadniających, kanałów i zbiorników niezbędne są doprotect both property and lives from flooding. ochrony własności i życia w wyniku powodzi. In many instances, the infrastructure is only designed for a particular W wielu przypadkach, infrastruktura jest przeznaczone wyłącznie dla określonego storm event, usually the 1 in 10 year storm event. przypadku burzy, zazwyczaj 1 na 10 lat. The concentration of human activity in a small area also creates problems for supplying water of suitable quality.

Koncentracja działalności człowieka w niewielkiej części także stwarza problemy dla dostarczania wody o odpowiedniej jakości. Water Problemy z dostawami wodysupply problems relate to the allocation of available water to satisfy various types of water uses, such as industrial, odnoszą się do alokacji dostępnej wody do zaspokojenia różnych typów użytkowników wody, takich jak obiekty przemysłowe,residential and agricultural. mieszkalne i rolne. This involves the design of a supply and treatment infrastructure such as reservoirs, pumps, Wiąże się to z projektem zaopatrzenia w energię, takie jak zbiorniki, pompy, pipes, reticulation systems and water treatment plants to meet the required demands. rury, siateczki systemów i stacji uzdatniania wody do spełnienia wymaganych potrzeb. Therefore, models developed to Dlatego modele opracowane do simulate storm water flows from urban areas differ from models developed to estimate flows in rural areas. symulacji przepływu wód deszczowych z obszarów miejskich różnią się od modeli opracowanych do oceny przepływów w obszarach wiejskich. Models of Modele urban areas are generally more complicated because they must include additional factors such as gutters, streets, sewers, obszarów miejskich, są zwykle bardziej skomplikowane, ponieważ muszą one zawierać dodatkowe czynniki, takie jak rynny, ulice, kanalizacje, overflows, surcharging, closed conduits under pressure, storm water drainage networks, culverts, open channels, roof top przepełnienia, marże, zamknięte przewody pod ciśnieniem, sieci kanalizacji burzowej, przepusty, kanały otwarte, dachystorage, open and natural watercourses and storages. Surcharges occur when a closed conduit, which would normally act składowania, otwarte i naturalne cieki wodne i składy. Marże mogą wystąpić, gdy zamknięty przewód, który normalnie działa as an open channel, becomes full and acts a conduit under pressure. jako otwarty kanał, staje się pełny i działa przewodu pod ciśnieniem. Under some circumstances, this is desirable because W niektórych okolicznościach jest to pożądane, ponieważ it has the potential to increase the capacity of the storm water drain. ma potencjał do zwiększenia zdolności burzowej. If there is sufficient pressure so that the water rises Jeżeli istnieją wystarczające ciśnienie, aby wody wzrastały above the ground level, then overflow occurs where the excess volume of flow becomes surface runoff. powyżej poziomu ziemi, a następnie przepełniały i nadmierną wielkością przepływu staje się spływ powierzchniowy. Urban catchments Zlewni miejskierespond considerably faster to rainfall than rural catchments. reagują znacznie szybciej na opady niż wiejskie zlewnie. Therefore, models developed for an urban catchment must Dlatego modele stworzone dla miejskich zlewni musząbe able to capture the rapid response of the catchment to storm events. być w stanie uchwycić szybką reakcję zlewni do zdarzeń burzy.Another main objective of the analysis of storm water flows is to determine inputs of pollutants to receiving waters.

Kolejnym głównym celem analizy przepływów wód burzowych jest określenie wprowadzanych zanieczyszczeń do wód przyjmujących. Flowing water is the main mechanism, along with the impact of rain for transporting pollutants in the urban catchment. Przepływającej wody są głównym mechanizmem, wraz z wpływem deszczu do transportu zanieczyszczeń w zlewni miejskich.

3.2.The Quality of Storm Water Jakość wody deszczowej

Pięć naturalnych procesów, które wpływają na ruch i przemiany zanieczyszczeń w zlewni miejskiej są;chemical , physicochemical , biological , ecological and physical . chemiczne, fizykochemiczne, biologiczne, ekologiczne i fizyczne. Chemical processes involve the reaction of two or more Procesy chemiczne obejmują reakcję dwóch lub więcej compounds with each other to form one or more different compounds. związków ze sobą w jedną lub więcej związków. An example of a chemical process in a natural Przykładem procesu chemicznego w naturalnym system is the transformation of SO systemie jest przekształcenie SO₂₂into SO w SO₃₃ and eventually H i ostatecznie H₂SO₄(sulfuric acid) in the atmosphere. (Kwas siarkowy) w atmosferze. Biochemical Biochemiczneprocesses are a result of chemical transformations taking place within a biological organism, such as bacterial procesy są rezultatem przemian chemicznych zachodzących w biologicznych organizmach, takich jak bakterie,decomposition of organic material and photosynthesis. rozkład materii organicznej i fotosyntezy. PPhysicochemical processes involve the chemistry and physics oPProcesy fizykochemiczne obejmują chemię i fizykęmolecules interacting with their surroundings. cząsteczek reagujących z otoczeniem. The most important physicochemical processes are; adsorption , desorption Jako najważniejsze procesy fizykochemiczne są;, desorpcja, adsorpcjaand absorption . i wchłanianie. Adsorpcja jest to przyczepność substancji do powierzchni ciała stałego lub cieczy. Adsorption is an important Adsorpcja jest ważnymprocess because many pollutants such as nitrogen, phosphorous, various pesticides and heavy metals attach themselves to procesem, ponieważ wiele zanieczyszczeń, takich jak azot, fosfor, pestycydy i metale ciężkie przyczepiają się do sediment particles and are in turn transported with the particles in flowing water. cząstki osadu i transportowane są z kolei z cząstkami w wodzie płynącej. The quantities of pollutants that become Ilości zanieczyszczeń, które stają sięattached to sediment particles are a function of the concentration of pollutants in the runoff and temperature. dołączone do cząstek osadów jest funkcją stężenia zanieczyszczeń w odpływie i temperaturze. WDesorption desorpcji is the release of pollutants from sediment particles. jest uwalniane zanieczyszczenie z cząstek osadu. Absorption is the penetration of a substance into or through another. Przenikanie substancji do lub za pośrednictwem innego Itusually takes place at the air-water interface where gases are absorbed into water. zwykle odbywa się w wodzie na granicy faz, gdzie gazy są absorbowane. This is the primary mechanism whereby Jest to podstawowy mechanizm, dzięki któremu receiving water bodies obtain oxygen.woda uzyska tlenu. Ecological processes involve interactions between different organisms in the food Procesy ekologiczne dotyczą współdziałania różnych organizmów w łańcuchu pokarmowym. OReview of Storm Water ModelschaiThis includes consumption, growth, mortality and respiration from orgo0bejmuje konsumpcję, wzrost śmiertelności i oddychanie z organizmów. Transport or physical processes Transport lub procesy fizyczne describe the movement of pollutants by fluid moopisują ruchu zanieczyszczeń przez ruch płynu. This is primarily by the action of advection , the fluid moving and Jest to przede wszystkim w wyniku działania adwekcji, płynnego ruchu i

diffusion , the motion of molecules and turbulent fluctuations in the fluid dispersing material. Dyfuzji, ruch cząsteczek i burzliwego wahania płynnego materiału rozpraszającego. The transport process acts Proces transportu działa independently of the transformations of nonconservative substances and is equally valid for both conservative and niezależnie od przemian transformacji substancji i jest jednakowo ważny dla obu konserwatywnych i nie konserwatywnych substancji. Materials that are not transformed chemically while being transported are termed Materiały, które nie zostały przetworzone chemicznie podczas transportu określane są, jako conservative substances , otherwise they are nonconservative substances . substancji konserwujące, w przeciwnym przypadku niekonserwujące substancje. For example, dissolved salts are conservative Na przykład, rozpuszczone sole są konserwatywnebecause, generally they do not interact with other substances., ponieważ na ogół nie są one w interakcje z innymi substancjami. Nitrogen, in its ionic state will undergo chemical, Azot, w stanie jonowe zostanie poddany chemicznym, physicochemical and biological transformation in a water body. fizykochemicznym i biologicznym przemianą w wodzie.Major water quality problems in urban storm water are produced by; salinity, temperature, sedimentation, dissolved

Problemy, z jakością wody w miastach są produkowane przez; zasolenia, temperaturę, sedymentacje, rozpuszczony oxygen, toxic substances and biological effects. tlen, substancje toksyczne i efekty biologiczne. Temperature has impacts on; physicochemical reactions, biochemical Temperatura ma wpływ na; reakcje fizykochemiczne, biochemicznereactions, biological processes and on the behavioural pattern of organisms., procesy biologiczne, Temperature can also result in synergistic Temperatura może również powodować synergistyczneeffects. efekty. For example, higher water temperatures exacerbate the adverse effects of low dissolved oxygen concentrations. Na przykład, wyższe temperatury wody pogłębiają negatywne skutki niskiego stężenia rozpuszczonego tlenu. Salinity problems are associated with high concentrations of total dissolved salts. Zasolenie stwarza problemy związane z wysokim stężeniem rozpuszczonych soli. Salinity affects aquatic organisms as Zasolenie wpływa na organizmy wodnewell as uses of water withdrawn from receiving water. oraz wykorzystanie wody. Sedimentation is a natural process, which has been accelerated in Sedymentacja jest to proces naturalny, który został przyspieszony w many areas by man's activities. wielu obszarach działalności człowieka. Suspended sediments in high concentrations diminish light penetration, thereby inhibiting Zawieszone osady w wysokich stężeniach zmniejszają penetrację światła, hamującphotosynthesis by aquatic organisms. fotosyntezy przez organizmy wodne. Sediments that are deposited can smother plants and organisms and destroy fish Osady, które są składowane mogą zdusić rośliny i organizmy i niszczą rybiespawning grounds. tarliska. Sediments entering receiving waters can also carry attached nutrients, pesticides and heavy metals. Osady wprowadzane do wód, mogą również stanowić źródło składników odżywczych, pestycydów i metali ciężkich. Sediments can also clog water treatment plant filters, block channels and pipes. Osady mogą również zablokować oczyszczające filtry do wody, kanałów i rur bloku. Dissolved oxygen is important as an Rozpuszczony tlen jest ważny, gdyż jestindicator of water quality. wskaźnikiem, jakości wody. Organisms in aquatic systems must have oxygen to survive. Organizmy w systemach wodnych potrzebują tlenu do przeżycia. The primary demand for oxygen in Podstawowe zapotrzebowanie na tlenreceiving waters is by decomposing organic material. wód, jest uzupełniane przez rozkład materii organicznej. Three indicators used in relation to oxygen demand are; Trzy wskaźniki stosowane w odniesieniu do zapotrzebowania tlenu;biochemical oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD) and total organic carbon (TOC). biochemiczne zapotrzebowanie tlenu (BZT), chemiczne zapotrzebowanie tlenu (COD) oraz całkowitego węgla organicznego (TOC). TOC and COD TOC i COD are an indicator of the total amount of organic material present. są wskaźnikiem całkowitej ilości obecnego materiału organicznego. BOD is a measure of the total amount of oxygen requirBOD jest miarą całkowitej ilości tlenu potrzebnegoto biochemically oxidise organic matter at a specific temperature and time. do biochemicznego utlenienia substancji organicznych w określonej temperaturze i czasie. It is generally considered a major indicator of Powszechnie uważa się go za główny wskaźnikthe health of a water body. zdrowia wód. Toxic substances include; herbicides, insecticides, pesticides, heavy metals, radioactive Toksyczne substancje zawierają, herbicydy, insektycydy, pestycydy, metale ciężkie, radioaktywnematerials, oils and reduced ions. materiały, oleje i zmniejszone jony. The sources, health and environmental consequences of a variety of pollutants that can Źródła i konsekwencje zdrowotne i środowiskowe, które mogą się pojawić w miejskich wodach deszczowych podane są w załącznik A.

The rates at which chemical, physicochemical and biochemical reactions occur are important in understanding ambient Stawki, w którym chemiczne, fizykochemiczne i biochemiczne reakcje są ważne dla zrozumienia otoczenia, jakości wody. However, due to the short response times in urban runoff, impacts of chemical and biochemical processes Jednak ze względu na krótkie czasy reakcji w miastach, wpływ procesów chemicznych i biochemicznych on urban runoff quality are usually negligible, tna, jakości odpływu jest zazwyczaj niewielka, jedynym wyjątkiem są magazyny, które są wykorzystywane jako tereny podmokłe. Hence, these Dlatego te processes are neglected in most urban runoff models. procesy są pomijane w większości modeli miejskich spływów.

Modifications which man has made to the land surface have exacerbated physicochemical and transport processes in Modyfikacje, które człowiek poczynił na powierzchni ziemi pogłębiły fizykochemiczne procesy i transport w many regions, thereby increasing the quantity of pollutants and altering both the types of pollutants and the time pattern wielu regionach, zwiększając tym samym ilość zanieczyszczeń i zmiany zarówno w odniesieniu do zanieczyszczeń i rozłożenia w czasie

of flows. Przepływów. Consequently, in order to estimate the quantity and quality of water from an urban area, these processes must be W konsekwencji, w celu oszacowania ilości i jakości wody z obszaru miejskiego, procesy te muszą być included in a storm water model. uwzględnione w modelu wody deszczowej.

3.3. Approaches to Storm Water Quantity Estimatio]Podejście do szacowania ilość wody deszczowej

Nix (1994) uses three categories ( i ) simple , ( ii ) simple routing and ( iii ) complex routing models to categorise models. Nix (1994) korzysta z trzech kategorii (i) proste, (ii) zwykłe trasy i (iii) złożony trasy modeli.Each category has different demands on data and computing resources and provides results at different time scales and Każda kategoria ma różne wymagania danych i zasobów obliczeniowych i podaje wyniki w różnych skalach czasu i spatial resolution. rozkładu przestrzennego.In simple models, no routing is performed, little data is required, calculations are not repetitive and a W prostych modeli, nie ma trasy, potrzeba niewiele danych , obliczenia nie są powtarzalne icomputer may not be required to perform the calculations. komputer nie może być zobowiązany do przeprowadzenia obliczeń. These models provide very little detail of the behaviour of the Modele te dostarczają bardzo mało szczegółów zachowaniaflow or pollutant. przepływu lub zanieczyszczeń. In general, these models are used to provide long-term averages or peak values. Ogólnie rzecz biorąc, modele te są używane do długoterminowej średniej lub wartości szczytowej. They are specific to a Są one specyficzne dlaparticular site and catchment behaviour. określonego miejsca i zachowania zlewni. Empirical models could be considered as simple models. Empiryczne modele można uznać za proste modele. Although some Chociaż niektórestatistical models are based on complicated techniques, they only reflect the current behaviour of a catchment at a modele statystyczne są oparte na skomplikowanych technik, tylko odzwierciedlają obecne zachowanie w zlewniparticular sit. Some empirical models involve very simple expressions that do not require the use of a computer. Niektóre modele empiryczne dotyczą bardzo prostych wyrażeń, które nie wymagają użycia komputera. Both Oba simple and complex routing models are based on physical laws describing the flow within the catchment. proste i złożone modele oparte są na prawa fizyki opisujące przepływ w obrębie zlewni. Although, they Mimo, że are deterministic models, they describe the behaviour of the catchment at different complexitiesmodele deterministyczne, opisują zachowania zlewni w różnych zawiłościach. The complexity of a Złożoność model has implications on the computational resources required, limitations of the model and the reliability of the results model ma wpływ na zasoby obliczeniowe wymagane, ograniczenia modelu i wiarygodność wyników produced by the model.produkowanych przez model.

The most sophisticated models are capable of producing the same information as simpler models at a price, however the Najbardziej zaawansowane modele są w stanie produkować te same informacje, co prostsze modele w cenie, jednak converse is not generally true. odwrotność nie jest ogólnie prawdziwa. Simple storm water models do not simulate some important processes. Proste modele nie symulują kilku ważnych procesów. For example, the Na przykład, commonly used storage routing technique is a lumped model. powszechnie stosowane techniki trasy przechowywania są skupione w model. Processes that are time dependent, such as the decay of Procesów, które są zależne od czasu, takie jak rozpad ze występowaniemsome pollutants cannot be modelled because processes are assumed to occur instantaneously. niektórych zanieczyszczeń nie można modelować , ponieważ zakłada się ze występują natychmiast. To overcome this problem, Aby rozwiązać ten problem, models incorporate time, such as a lag in the routing process. modele posiadają czas, taki jak opóźnienie w procesie trasach. This introduces another subjective parameter for the user to Wprowadza to kolejny subiektywny parametr dla użytkownika doestimate and this approach is independent of the behaviour of the process being modelled. oszacowania i takie podejście jest wzorowane niezależne od zachowania procesu. Lumped models are usually Modele Lumped’a są zwykleused in planning models where the time steps are much larger than the time scale of the transients that occur through the wykorzystane do planowania modeli, w których czas działania jest znacznie większe niż skala czasu przejściowe, który występuje wsystem. systemie. Therefore, they use average values for the various processes. Dlatego też używa średniej wartości dla różnych procesów. This ignores the temporal and spatial variability of Ten ignoruje czasowe i przestrzenne zmienności the system, which are required to test the integrity of the storm water system. systemu, które są wymagane do testowania integralności systemu kanalizacji deszczowej. The spatial and temporal variability must be Przestrzenne i czasowe zmienności muszą byćartificially introduced into the modelling process. sztucznie wprowadzone do procesów modelowania. For example, a planning model for allocating potable water may use an Na przykład, model planowania przydziału wody pitnej może korzystać zeaverage monthly demand to test a water allocation strategy. średnie miesięcznej zapotrzebowania na przydziału wody. However, peak demands are required to test the integrity of Wymaga jednak, sprawdzenia integralnościthe water supply infrastructure. infrastruktury wodociągowej. The assessment of the integrity of the infrastructure is integral to the success of the water Ocena integralności infrastruktury jest integralną częścią sukcesu wody.allocation strategy and cannot be performed independent of the water allocation analysis. Strategii podziału i nie można wykonać bez niezależnej analizy rozdziału wody. Therefore, an empirical Dlatego empirycznych wymaga relationship between peak and average demands must be established.powiązania między szczytem i średnią. This adds additional subjectivity and uncertainty in To powoduje dodatkowe podmiotowości i niepewności wthe modelling process. procesie modelowania. These problems could be overcome by using models that are more complicated, but at a cost. Te problemy można pokonać przy użyciu modeli, które są bardziej skomplikowane, ale to kosztuje.

The importance of selecting a quantity model with the appropriate temporal and spatial resolution is not emphasised in Ważność wyboru modelu ilość i rozkładu przestrzennego w czasie nie jest podkreślona w other reviews. innych opiniach. If flow is not modelled adequately, then water quality predictions will not reflect the true behaviour of the Jeżeli przepływ nie jest wzorowany odpowiednio, a następnie prognozy jakości wody nie odzwierciedlają prawdziwego zachowaniacatchment. zlewni.

3.3.1 Modele statystyczne i empiryczne

Statistical models that have been used for estimating storm water flows and water quality loads, are usually based on Modele statystyczne, które zostały wykorzystane do szacowania przepływów wód burzowych i jakości wody, zazwyczaj oparte są na regression models. modelu regresji. These relate measured quantities, such as water quantity with measurable physical parameters that are Dotyczą one wielkości mierzonych, takich jak ilość wody, wymierne parametry fizyczne, które są considered important in a particular process. uznane za istotne w danym procesie. Regression models are an example of a stochastic modelling approach. Modele regresji są przykładem podejścia stochastycznego modelowania.

These may include climatic characteristics, such as rainfall intensity and catchment parameters (impervious area, land-use Mogą one obejmować właściwości klimatyczne, takie jak intensywność opadów oraz parametry zlewni (nieprzepuszczalne obszary gruntówand catchment slope). zlewni i nachylenie). For example, the nonlinear regression model Na przykład model regresji nieliniowej

Y

in which Y is the dependent variable, X w którym Y jest zmienną zależną, X_ii are the explanatory or observer variables and są zmienne objaśniające lub obserwatora i ββ_ii are the unknown regressionto nieznane regresjicoefficients, is a common statistical model used for modelling both water quality and quantity. współczynniki, jest wspólnym modelu statystycznego wykorzystywane do modelowania zarówno jakości i ilości wody. Other regression models Inne modele regresjiinclude simple linear, multiple linear, semi-log transform and the log-log transform (see, for example Bidwell 1971, to prosty liniowy, mnogi liniowy, półlogarytmicznym transformacji oraz log-log transformacji (zob. np. Bidwell 1971 r.,Jewell and Adrian 1981). Jewell i Adrian 1981). Examples of statistical models used in urban watershed modelling can be found in Jewell and Przykłady modeli statystycznych stosowanych w miejskich zlewni modelowania można znaleźć u Jewell i Adrian (1981), Driver and Tasker (1988) and Yao and Terakaura (1999). Adrian (1981), Driver i Tasker (1988) i Yao i Terakaura (1999). It is recognised that linear regression is Uznaje się, że regresji liniowa jestinadequate in urban catchment modelling (Jewell and Adrian 1981). nieadekwatne do modelowania miejskich zlewni (Jewell i Adrian 1981). The most important limitation of statistical models is Najważniejszymi ograniczeniami modeli statystycznych jest to,that the statistical relationship developed from a given set of data reflects a particular spatial arrangement. że dane statystyczne stosunki rozwinęły się z danego zestawu danych odzwierciedlających szczególności układ przestrzennego. For any Dla każdegomarkedly different spatial patterns and processes, new data and a new statistical relationship must be developed. wyraźnie różne wzorce przestrzenne i procesy, nowe dane i nowe statystycznej zależności muszą zostać opracowane. Because Ponieważ of these limitations, the statistical approach has been primarily used only for crude analysis or in situations where tych ograniczeń, statystyczne podejście stosowane głównie tylko na ropę analizy lub w sytuacjach, gdy deterministic approaches cannot be used because of insufficient data or resources. deterministyczne metody nie mogą być stosowane ze względu na brak wystarczających danych lub zasobów. Driver and Tasker (1988) describe Driver i Tasker (1988) opisują regression models as sufficient for planning purposes only. modeli regresji za wystarczający jedynie do celów planowania.

An example of a regression method for analysing runoff is based on the antecedent precipitation index (API). Przykład metody analizy regresji dla spływu jest oparty na wskaźniku opadów poprzednich (API). It is the Jest to most frequently used and important explanatory variable in surface water runoff. najczęściej używana i ważna zmienna objaśniająca w odpływie wód powierzchniowych. The antecedent precipitation index is Wskaźnik opadów oparty jest na zasadzieessentially the summation of the precipitation amounts occurring prior to the storm, weighted according to the time sumowania ilości opadów występujących przed burzą, liczony zgodnie z czasem occurrence. wystąpienia. An example of a quantity antecedent regression model is (Betson et al . 1969) Przykładem poprzednik ilość modelu regresji (Betson et al. 1969)

in which Q is the surface runoff, C runoff coefficient, S a seasonal index parameter, A antecedent precipitation index, i

w którym Q oznacza odpływ powierzchniowy, C współczynnik odpływu, S sezonowy parametr index, p wskaźnik opadów poprzednik, i rainfall and a , b , c , d and n are model coefficients to be determined from the data using regression analysis. opad i a, b, c, d i n są modelami współczynników, które należy ustalić na podstawie danych za pomocą analizy regresji.

Empirical models involve a functional relationship between a dependent variable and variables that are considered Empiryczne modele obejmują związek funkcjonalny między zmienną zależną i zmiennymi, które są uważane za germane to the process. związane z tematem do procesu. These variables are chosen from knowledge of the physical processes involved and from Zmienne te są wybierane na podstawie wiedzy o procesów fizycznych i zempirical measurements. empirycznych pomiarów. An example of an empirical approach for estimating runoff is the rational formula Przykładem empiryczne podejście do oszacowania odpływu jest racjonalne wzorze

.

The rational method is the simplest approach to modelling peak runoff volumes, which are important for storm water Racjonalne, najprostsze metody podejścia do modelowania szczytu wielkości odpływu, które są ważne dla wody deszczowejinfrastructure design. infrastruktury projektu. The rational method is a simple relationship between flow Q , the catchment area A , the rainfall Racjonalną metodą jest zależności między przepływu Q, zlewnia, opadami deszczu intensity i , and a runoff coefficient C where 0 ≤ C ≤ 1. i intensywności, a współczynnikiem spływu C, gdzie 0 < C < 1.

3.3.2 Deterministic Models 3.3.2 Modele deterministyczne

Deterministic models are based on conservation laws, which govern the behaviour of a fluid. Deterministyczne modele oparte są na prawach zachowania, które regulują zachowanie się cieczy. These laws generally Przepisy te generalnie involve the conservation of flow , known as continuity , the conservation of momentum or the conservation of energy . dotyczą ochrony przepływu, znanego jako ciągłości, zachowania pędu i zachowania energii. Prawie we wszystkich przypadkach, jednowymiarowa analizy przepływu jest podjęta. Deterministic models used in storm water modelling can Deterministyczne modele stosowane w modelowaniu wody deszczowejbe classified as either hydrologic or hydraulic models. klasyfikuje się w modeli hydrologiczne lub hydraulicznych. Hydrologic models usually satisfy the continuity equation only.Modele hydrologiczne zwykle spełniają tylko równanie ciągłości. Hydraulic models solve the continuity equation as well as either the momentum or the energy equations as a coupled Modele hydrauliczne rozwiązują równanie ciągłości, jak również pędu lub równania energii w połączeniu wsystem of equations. układ równań. The major difference between these modelling approaches is that hydraulic models describe the Główną różnica pomiędzy nimi jest to, że metody modelowania hydraulicznego opisują zachowanie procesów przestrzennychspatial behaviour of a process.. It is the momentum equation that defines the speed at which a process can occur. Jest to równanie pędu, który określa szybkość, z jaką proces ten może wystąpić. Many engineers in Australia do not make this distinction.

Wielu inżynierów w Australii nie czyni takiego rozróżnienia. The distinction between hydrology and hydraulics is Rozróżnienie między hydrologią i hydraulikądetermined by the process that is being modelled. ustalono przez proces, który jest wzorowany. For example, rainfall-runoff process is considered as a hydrological Na przykład, spływ opadów jest uważana za hydrologicznyprocess and modelling flows through open channels is a hydraulic problem. proces modelowania a gdy przepływa przez otwarte kanały jest problemem hydrauliki. This distinction is due to the historical Ta różnica wynika z historycznych development of models used to simulate overland and open channel flows. rozwojów modeli do symulacji przepływów lądowych i otwartym kanałem. Traditionally, due to the complexity of Tradycyjnie, ze względu na złożonośćoverland flow, only the continuity equation was solved. przepływu drogą lądową, tylko równanie ciągłości zostało rozwiązane. The dynamic equations (momentum or energy) are considered of Dynamiczne równania (pędu i energii) uważane są za secondary importance. drugorzędne znaczenie. As techniques emerge for simulating overland flow by solving simultaneously the continuity and Jako technik pojawiły symulujące warunki przepływu drogą lądową, rozwiązując jednocześnie ciągłości i dynamic equations, this distinction is not clear. dynamiczne równania, to rozróżnienie nie jest jasne. Therefore in this report, the distinction between hydrologic and hydraulic Dlatego też w niniejszym raporcie, rozróżnienie między hydrologicznymi i hydraulicznymimodels is based on the equations that are used to describe a process and not the process that is being modelled. modelami w oparciu o równania, które są używane do opisania procesu, a nie proces, który jest wzorowany.

3.3.2.1 3.3.2.1. Hydraulic Models Modele hydrauliczne

For very simple problems, analytical solutions are available for the solution of the governing equations. W przypadku prostych problemów, rozwiązania analityczne są dostępne dla rozwiązania równań rządzących. Generally, Ogólnie rzecz biorąc, numerical schemes are used to solve these equations. numeryczne systemy te stosuje się do rozwiązania tych równań. Hydrological methods have a greater scope for solution using Metody hydrologiczne mają większe pole do roztworu za pomocą analytical methods. metod analitycznych. In complicated problems, numerical schemes such as finite differences , finite elements or the method W skomplikowanych problemach, liczba programów, takich jak różnic skończonych, elementów skończonych lub metodyof characteristics are used. właściwości są wykorzystywane. Finite differences are the most commonly used approach and these can be either implicit or Różnice skończone są to najczęściej stosowane podejścia, które mogą być programami ukrytymi lubexplicit schemes. wyraźnymi. In explicit schemes, a single unknown value can be written in terms of known values. W systemach wyraźnych, jedna nieznana wartość może być zapisana w postaci znanych wartości. This produces a W ten sposób powstaje large number of simple linear equations that can be solved directly for the unknown. wiele prostych równań liniowych, które można rozwiązać bezpośrednio z nieznanych. In implicit schemes, a number of W ukrytych programach, liczbaunknowns at a particular time are written in terms of the knowns, established previously as well as unknowns at the niewiadomych w danym momencie jest napisana pod względem wiadomych, ustalonych wcześniej, jak i niewiadomych wcurrent time. aktualnym czasie. This results in a system of coupled simultaneous equations that must be solved. Powoduje to układ połączonych równań, które muszą być rozwiązane. The major advantage with Główną zaletąimplicit schemes is that they are unconditionally stable. ukrytych programów jest to, że są bezwarunkowo stabilne. They are stable for any computational time step used in the Są one stabilne na każdym kroku obliczeń wykorzystywanych w czasie model. modelowania. Therefore, the additional computational effort required to solve a system of equations is compensated for by a W związku z tym dodatkowych obliczeń nakładu rozwiązać układ równań jest równoważony przez relaxation in the restriction in the time step that can be used in the simulation. relaks na ograniczeniu kroku czasowego które mogą być wykorzystane w symulacji. However, the adequate description of Jednak odpowiedni opis boundary conditions and truncation errors, due to the finite difference approximations, may preclude the use of very large warunków brzegowych i błędu obcięcia, ze względu na skończone przybliżenia różnica może uniemożliwić korzystanie z bardzo dużej ilościtime steps in an implicit finite difference scheme. kroków czasowych w sposób dorozumiany różnica systemu skończonego. This is in contrast to explicit schemes, where there is a severJest to w przeciwieństwie do wyraźnego systemy, w których istnieje poważnerestriction on the time step that may be employed. ograniczenie kroków, który może zostać zatrudniony. Although the time step restriction is directly proportional to the speed Mimo, że ograniczenie czasu kroków jest wprost proporcjonalna do prędkości

of the transients being modelled, this may not be a disadvantage in modelling rapidly varying transients. z nieustalonych jest wzorowany, nie może to być wadą w modelowaniu szybko nieustalonych różny. Here a small Oto krótkie time step is required to adequately capture the behaviour of the transienkroki czasu są potrzebne, aby odpowiednio uchwycić zachowanie przemijające. Rapidly varying transients are common in urban Szybko nieustalonych różne są powszechne w miejskich

watershed problems, such as overland flow and flash flooding. przełom problemów, takich jak przepływ lądową i powodzie .

3.3.2.1.1

3.3.2.1.1 3.3.2.2. Shallow Water Wave EquationRównania falowe wód deszczowych

The conservative form of the one-dimensional continuity and momentum equations can be written as Konserwatywną postaci jednowymiarowych ciągłości i równania pędu można zapisać jako

where U is a vector of conservative variables

gdzie U jest wektorem zmiennych konserwatywny

F is the flux vector

F jest wektorem strumienia

and S represents the source vector

i S reprezentuje wektor źródła

Review of Storm Water Models

in which A is the water depth, Q is the discharge, q is the lateral inflow, x is the distance, t is the time, g is the acceleration w którym A jest głębokością wody, Q jest absolutorium, q jest poprzeczną napływu x to odległość, t jest czasem, g jest przyspieszeniemdue to gravity, S ziemskim, S₀₀ is the bed slope, S to nachylenie łóżko, S_ff is the friction slope and I to nachylenie tarcia I₁ daje

gdzie B jest szerokością kanału, y jest głębokość wody.The effects of forces exerted by contraction or expansion of the channel walls on the flow is described by Wpływ sił wywieranych przez skurcz lub rozszerzenie ścian kanału przepływu jest opisany przez

gdzie

which is zero for a uniform channel, where, B is the width of the channel, y is the water depth and y

gdzie y0₀ is a constant water stała głębokości wody.depth.These equations are known as the shallow water wave equations or the St. Równania te znane są jako płytkie równania falowe wody lubVenant equations . równanie Saint Venanta.

Równania falowe The shallow water wave equations written in non-conservative form with the flow velocity u = Q/A and y as the płytkich wód napisane w formie nie konserwatywnej z prędkością przepływu u = U/A

dependent variables are; for the continuity equation Zmienne zależne są, dla równania ciągłości

and for the momentum equation

oraz równanie pędu

1

The friction slope S Nachylenie tarcia S_{f ,f}, is approximated using either the Manning or Chezy equations. jest w przybliżeniu przy użyciu równań Manning lub Chézy. The Manning equation is given by Równanie Manning daje

in which w którym ηis the Manning resistance coefficient and R is the hydraulic radius, defined by R = A / P with P the wetted jest współczynnik oporu Manning, a R jest promieniem hydraulicznym, określone przez R=A/P z P zwilżone perimeter and K is known as the conveyance .granice i K jest znana jako transportu. The Chezy equation is given by Równanie Chézy przedstawia

S

in which c is the Chezy resistance coefficient. w którym c jest współczynnikiem odporności Chézy. In both equations, the absolute sign for the velocity will ensure that the W obu równań, bezwzględny znak prędkość zapewni, żefriction always opposes the flow. tarciwe zawsze sprzeciwia się przepływoei.

The continuity equation, (2) is based on the law of conservation of mass in a fluid element. Równanie ciągłości, (2) opiera się na prawie zachowania masy w złożu element. It simply states that the rate ofPo prostu stwierdza, że stopa change in water depth with time in a fluid element is equal to the net inflow into the fluid element. zmiany głębokości wody z czasem wpływ elementu jest równy napływowi netto do elementu płynu. The momentum Równanie pędu equation, (3) is a mathematical expression for the conservation of momentum within a fluid element. (3) jest wyrażenie matematycznym dla zachowania pędu w elemencie płynu. It simply states that To po prostu, the rate of change in momentum of a fluid element is equal to the sum of forces acting on the element.tempo zmian pędu elementu płynu, które jest równe sumie sił działających na element. It is the Jest to momentum equation that determines the velocity or speed of the fluid element. równanie pędu, które decyduje o prędkości lub prędkości elementu płynu. The shallow water wave equations are hyperbolic and it is this feature that distinguishes them from other methods of Płytkie wody równania falowe hiperboliczne i to jest ta funkcja, która odróżnia je od innych metod routing, which are generally sub-sets of these equations. routingu, które jest ogólnie zestawieniem tych równań. The distinguishing feature of the shallow water wave equations Cechą wyróżniającą płytkiej wody równania falowegois that they have two characteristics. są dwie cechy. These characteristics represent the directions that information can travel. Te cechy stanowią możliwość przemieszczania się kierunków tych informacji. In the case W przypadku of the shallow water wave equations, depending on the flow conditions, information can propagate both upstream andpłytkiej wody, równania falowe, w zależności od warunków przepływu informacji może rozprzestrzeniać się w obu kierunkach downstream. w dół rzeki. This is important because downstream obstructions will influence the flow upstream of the obstruction. To ważne, ponieważ dalszych przeszkody będą miały wpływ na przepływ w górę rzeki od przeszkody. For W przypadku example, flow upstream of a weir will be influenced by the weir. przepływu powyżej jazu będzie miała wpływ na przelew. This influence can only be simulated if there is an Ten wpływy mogą być symulowane, jeśli istniejeinteraction of information travelling both upstream and downstream of the weir or obstruction to the flow. interakcji informacji o podróży, zarówno przed i za jazem lub utrudnienia przepływu. The shallow water wave equations can be used to simulate unsteady one-dimensional gradually and rapidly varying Płytkie wody równania falowego mogą być wykorzystane do symulacji nieustalonego jednowymiarowego stopniowo i szybko zmiennegoflows, if (1) is used (see, for example Zoppou and Roberts 1999) in open and natural channels and in pressurised closed przepływów, j (1) (patrz, na przykład Zoppou i Roberts 1999) i naturalne kanały otwarte i zamknięte pod ciśnieniem conduits using the Priessmann slot (Abbott 1979). przewodów za pomocą gniazda Priessmann (Abbott 1979). Two-dimensional overland flows can also be simulated using the Dwuwymiarowych przepływów lądowych mogą być symulowane przy użyciushallow water wave equations. płytkiego równania falowego wody.

Under steady flow conditions, the continuity equation is simply Q = q , and the momentum equation becomes Przy ustalonych warunkach przepływu, równania ciągłości jest po prosturównanie pędu i

staje się

which is used to calculate the water surface profile in an open channel upstream of an obstacle?

który nie może być używany do obliczenia profil powierzchni wody w otwartym kanale przeszkody. This type of analysis is Ten rodzaj analizy jestreferred to as backwater analysis and it involves the solution of (4) using an iterative scheme (see, for example dalej analizy zaścianka i obejmuje rozwiązania (4) za pomocą iteracyjnego programu (zob. np.Henderson 1966). Henderson 1966).

In (3) the local acceleration slope , 1/ g ∂ u / ∂ t is the same order of magnitude but opposite in sign to the convective W lokalne nachylenie przyspieszenie, jest tego samego rzędu wielkości,

ale ma przeciwny znak konwekcyjnegoacceleration slope, u / g ∂ u / ∂ x . nachylenia przyspieszenia

Both of these terms are generally an order of magnitude smaller than the pressure slope Oba te warunki są na ogół o rząędu wielkości mniejszej niż nachylenie ciśnienia, ∂ y / ∂ x .

This is demonstrated by routing the discharge hydrograph illustrated in Figure 2 through a rectangular channel and plotting the Dowodem tego jest poprowadzenie hydrogramu absolutorium ilustruje rys. 2 przez prostokątny kanał i kreśleniaindividual terms in the momentum equation. indywidualne warunki równania pędu. In this example, the channel has a length of 10 kms is 7 m wide, with a bed slope, W tym przykładzie, kanał o długości 10 km ma 7 m szerokości, o nachyleniu łóżka,S S₀₀= 0.005 and the Manning resistance coefficient equal to 0.015. = 0,005 i współczynniku odporność Manning równym 0,015. The downstream boundary condition is a uniform rating Dalszym warunkiem brzegowym jest jednolita ocena curve. krzywej. A model using a fully implicit finite difference approximation to (2) and (3), in which the computational time step, ∆ t = Model przy użyciu w pełni ukrytej skończonej zbliżonej różnicy (2) i (3), w których obliczeniowa krok czasu, Δ t =60 s and the computational distance step, ∆ x = 1000 m was used to rout the hydrograph. 60 s, a odległość obliczeniowej kroku Δx = 1000 m był używany do trasy hydrogramu. The individual terms in the momentum Indywidualne warunki w pędzieequation as a function of time at the location, x = 5000 m are shown in Figure 3. równania w funkcji czasu w miejscu, x = 5000 m są pokazane na rysunku 3. In this simple example, the local and W tym prostym przykładzie, lokalnego i

convective acceleration terms have opposite signs and are smaller than the pressure slope. konwekcyjnego względem przyspieszenia mają przeciwne znaki i są mniejsze niż nachylenie ciśnienia. The pressure slope plays an Nachylenie ciśnienia odgrywa important role in the friction slope. istotną rolę w spadku tarcia. Its influence depends on the bed slope and the shape of the inflow hydrograph. Jej wpływ zależy od nachylenia łóżka i kształtu hydrogramu . It should Należyonly be neglected for very steep bed slopes. tylko pamietac o bardzo stromych zboczach łóżku.

3.3.2.3. Orientacyjne modele

Because of the relative magnitude of these terms, some are neglected to produce approximations to the shallow water Ze względu na względną siłę tych terminów, niektóre są zaniedbane w produkcji przybliżeń płytkiej wody.wave equations.In addition, the relative computational effort required to solve the shallow water wave equations is Ponadto, w stosunku obliczeniowym wysiłek potrzebny do rozwiązywania równania fali płytkiej wody greater than its simplified counterparts. przewyższa uproszczone odpowiedniki. Two well known and extensively used, simplified versions of the shallow water

Rysunek 2. Discharge Hydrograph Used as the Upstream Boundary Condition Absolutorium hydrogramu używanego jako warunek brzegowy in the Hypothetical Example w hipotetycznym przykładzie

Rysunek 3. Magnitude of the Individual Terms in the Momentum Equation Wielkość poszczególnych pojęć w równanie pędu

Dwie znane i szeroko stosowane, uproszczone wersje równania falowego płytkiej wody wave equations are the kinematic and the diffusion wave equationsą kinematyczne i równania fali dyfuzji. The kinematic wave routing assumes that there are no Fali kinematycznej routingu zakłada, że nie ma backwater influences and that the local and convective acceleration and the pressure terms in (3) are small compared to the wpływy zaścianka i że lokalne i konwekcyjnego przyspieszenia i ciśnienia w zakresie (3) są małe w porównaniu do bed slope. łóżko stoku. The diffusion wave equations assume that the local and convective acceleration terms can be neglected in (3). Równania falowe dyfuzji zakładają, że warunki lokalne i konwekcyjnego przyspieszenie można pominąć w .

Review of Storm Water Models

Approximations to the shallow water wave equations only possess one set of characteristics, which always travelObjaśniObjaśneinia do równania falowego wody płytkiej posiadają tylko jeden zestaw cech, które zawsze podróżujądownstream. w dół rzeki. For example, the influence of a weir on the upstream water level and flow cannot be simulated by the Na przykład, wpływ przelewu na wyższego szczebla i przepływ wody nie może być symulowany przez kinematic or diffusion wave equations. kinematyczne lub rozpowszechnianie równania falowe. This may have serious implications in the design of storm water infrastructure. Może to mieć poważne konsekwencje w zakresie projektowania infrastruktury wody deszczowej.Transients can move rapidly through an urban catchment.

Nieustalone mogą poruszać się szybko przez miejskie zlewnie. To accurately capture these transients using the shallow water Aby dokładnie uchwycić te przejściowe za pomocą równania falowego płytkiej wody, wave equation, very small time steps may be required of the order of seconds, minutes or hoursbardzo małe kroki mogą być wymagane w czasie rzędu sekund, minut lub godzin. For larger time steps, W przypadku większych kroków czasowych, days, weeks or months, transients may have passed through the system. dni, tygodni lub miesięcy, może mieć przejściowe przejścia przez system. The computational effort required to solve the Obliczenia wymagają wysiłki, aby rozwiązać równania falowe shallow water wave equation for a complicated network of channels or pipes can be resource intensive. płytkie wody dla skomplikowanej sieci kanałów lub rur. Therefore, Dlatego też hydraulic models based on the solution of the shallow water wave equations are usually restricted to event based or modele hydrauliczne w oparciu o rozwiązania równania falowego płytkiej wody są zazwyczaj ograniczone do przypadku lub w oparciu operation modelling.operacje modelowania. Solving the shallow water wave equations provides detailed information on the behaviour of the Rozwiązanie równania falowe płytkiej wody dostarcza szczegółowych informacji o zachowaniuwatershed and produces a more accurate representation of the interaction of the flow and the water depth than other zwrotu i daje bardziej dokładne odwzorowanie interakcji przepływu i głębokości wody niż inneapproximate models. przybliżone modele. The water depth and flow are parameters that are important in the detailed design of storm water Głębokość wody i przepływy są parametrami, które są ważne w szczegółowych projektach kanalizacji deszczowejinfrastructure. infrastruktury. However, simplified and hydrological models only provide information about one of these variables, Jednakże, uproszczone modele hydrologiczne jedynie informują o jednej z tych zmiennych,which is usually flow. którą jest zwykle przepływ. To obtain the water depth from the flow, an empirical relationship between flow and water depth is Aby uzyskać głębokość wody ze strumienia, jestrequired. wymagany empiryczny związek pomiędzy przepływem, a głębokość wody. For gradually varying flows, this relationship is not unique and can represent a significant source of error (see, Dla stopniowo różnych przepływów, związek ten nie jest wyjątkowy i może stanowić poważne źródło błędu (zob.for example Henderson 1966). na przykład Henderson 1966). Therefore, models, which solve the shallow water wave equations, are generally used to Dlatego, modele, które rozwiązują równania falowe płytkiej wody, zazwyczaj używane są do design storm water infrastructure. projektowania infrastruktury wody deszczowej. Data required for the solution of the shallow water wave equations includes cross-sectional information, roughness

Dane niezbędne do rozwiązania równania falowego płytkiej wody obejmuje przekrój informacji, chropowatośćcoefficients, boundary conditions and any internal structures. współczynników, warunki brzegowe oraz wewnętrzną strukturę. For some catchments, this information may not be Dla niektórych zlewniach, informacja ta może nie być available. dostępne. Generally, approximations to the shallow water wave equations will require less demanding data requirements.Ogólnie rzecz biorąc, przybliżeń płytkich równań falowych wody będzie wymagało mniej wymagających danych.

3.3.2.1.2 3.3.2.4. Kinematyczny model przepływu

Kinematic Wave ModelThe kinematic wave model assumes that the local, convective and pressure slopes in the momentum equation can be Kinematyczny model zakłada, że fala lokalnych, konwekcji i ciśnienie na stokach równania pędu można neglected. zaniedbać. It assumes that the friction slope balances the bed slope only, so that S Zakłada się, że nachylenie stoku tarcia równoważy tylko łóżko, tak że S_ff = S=0S₀.. This assumption is generally valid To założenie generalnie zachowuje ważnośćfor overland flow only. przepływu tylko drogą lądową. With a monotonic relationship between flow and water depth the kinematic wave is based on the Z relacji między monotonicznością i głębokością przepływu, fala kinematycznej opiera się na

˜

i

które daje unikatową relacje pomiędzy Q i A.The continuity equation, (5) can be written as Równanie ciągłości, (5) można zapisać jako

˜

dajeRecalling thatdaj

then the kinematic wave equation is given by

to równanie fali kinematycznej jest opisane przez

in which the kinematic wave speed, V is given byw którym prędkość fali kinematycznej, V jest Vwhich is known as Kleitz-Sneddon law znana jako prawo Kleitz-Sneddon. The kinematic wave speed can be obtained by differentiating the functional form Prędkość fali kinematycznej można uzyskać poprzez różnicowanie funkcjonalnej formyof the monotonic relationship between Q and y, given by (6). z jednostajnymi relacjami między Q i Y, (6). The kinematic wave does not experience any attenuation, Kinematyczna fala nie występuje w osłabieniu,however, it does steepen with time. jednakże, nie stromo w czasie. In practical problems, this equation is solved numerically. W praktyce, równanie to jest rozwiązane numerycznie. The numerical scheme System numerycznyintroduces truncation errors due to the finite difference approximations. wprowadza błąd obcięcia ze względu na skończone przybliżenia różnicy. Dlatego nie należy mylić z zaokrągleniamierrors, which are associated with machine precision. błędów, które związane są z precyzją maszyny. The numerical scheme introduces numerical diffusion, which results System numerycznych wprowadza system dyfuzji numerycznej, co powoduje in attenuation of the simulated hydrograph. w tłumienie symulacji hydrogramu. This diffusion has no physical justification, it is dependent on the Ta dyfuzja nie ma fizycznego uzasadnienia, jest to zależne od computational time and distance steps used in the model. obliczenia czasu i odległości kroków zastosowanych w modelu.

A major advantage with this and other approximations to the shallow water wave equations is that detailed information on Główną zaletą tego i przybliżenia innych równania falowego do płytkiej wody jest to, że szczegółowe informacje na temat the catchment is not required. zlewni nie są wymagane. In this model, the kinematic wave speed is required, which can be calculated from channel W tym modelu, jest wymagana taka prędkość fali kinematycznej, którą można obliczyć z kanału properties or estimated from observed data. właściwości lub oszacować z obserwowanych danych. Since this approximation possesses one system of characteristics, then onlyTo zbliżenia posiada jeden system cech, to tylko one boundary condition is required for its solution. jeden granica warunku jaki jest wymagany do jego rozwiązania. This is considerably less information than is required for the shallow To znacznie mniej informacji niż jest to wymagane dla płytkichwater wave equations, which requires two boundary conditions. równań falowych wody, które wymagają dwóch warunków brzegowych.

3.3.2.1.3 3.3.2.5.Diffusion Wave Model Dyfuzyjny model przepływu

In the diffusion wave analogy, only the convective and local acceleration terms in the momentum equation are ignored. W analogii fali dyfuzji, tylko warunki lokalnych konwekcji i przyspieszenia równania pędu są ignorowane.Therefore, the diffusion wave is based on W związku z tym fala dyfuzji opiera się na

˜

i

in which the lateral inflow has been reintroduced into (7). w którym napływy boczne zostały ponownie włączona do (7). The diffusion wave equation is capable of simulating the Równanie falowe dyfuzji jest w stanie symulować attenuation in the flow because the pressure slope is included in the momentum equation. tłumienie przepływu, ponieważ równanie pędu jest w nachyleniu ciśnienia.

If the channel is rectangular, then A = By . Jeśli kanał jest prostokątny, a następnie A = By. Differentiating (7) with respect to x then Zróżnicowanie (7) w odniesieniu do x następnie

Differentiating (8) with respect to t then Zróżnicowanie (8) w odniesieniu do t następnie

Eliminating the second derivative of the flow depth between these equations yields Eliminowanie drugiej pochodnej głębokości przepływu pomiędzy tymi równaniami daje

Using the continuity equation then

Korzystanie z równania ciągłości następnie

˜