| Page 1 Strona 1 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
By Christopher Zoppou W Zoppou Christopher
CSIRO LAND and WATER LAND CSIRO i WODA
CSIRO Land and Water, Canberra Land CSIRO i Gospodarki Wodnej, Canberra
Technical Report 52/99 December 1999 Raport Techniczny 52/99 grudnia 1999
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
by Christopher Zoppou przez Zoppou Christopher
ISBN 0 643 06075 8 ISBN 0 643 06075 8
Technical Report No 52/99 Sprawozdaniu technicznym nr 52/99
December 1999 Grudzień 1999
Integrated Water Management Group Woda Integrated Management Group
Christian Laboratory Christian Laboratorium
CSIRO Land and Water Land CSIRO i Gospodarki Wodnej
Canberra ACT Australia ACT Australia Canberra
| Page 3 Strona 3 |
|---|
i i
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 przeglądmethods 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. został osiągnięty poprzez analizę wielu modeli kanalizacji deszczowej w chwili obecnej. These models represent Modele te stanowią
a 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 oceny wody quantity and quality. ilości i jakości. These include statistical, empirical, hydraulic and hydrological models. Należą do nich statystycznych, empiryczne, hydraulicznych i hydrologicznych modeli.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 modeli miejskich, kanalizacji deszczowej, takich jakeconomic analysis, optimisation and risk analysis are also discussed. analizy ekonomicznej, optymalizacji i analizy ryzyka są też dyskutowane. 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 komponenty zawarte 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 planistów i menedżerów overview 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 przegląd tego skorzystają modelarze dzięki kompleksowemu summary of approaches and capabilities of a number of storm water models in current Podsumowaniu metod i możliwości wielu modeli kanalizacji deszczowej w chwili obecnej. This review Ta recenzja
has also been used to identify potential urban storm water research opportunities. jest również wykorzystywana do identyfikowania potencjalnych badań wody deszczowej.
LIST OF TABLES
iv
LIST OF SYMBOLS WYKAZ SYMBOLI
A
Aarea obszarze
B B
width of the channel szerokość kanału
C C
concentration of substance or runoff coefficient stężenie substancji lub współczynnik spływu
C C
BOD BZT
concentration of biochemical oxygen demand stężenia biochemicznego zapotrzebowania na tlen
C C
DO NIE
concentration of dissolved oxygen stężenie rozpuszczonego tlenu
c c
Chezy coefficient Chézy współczynnik
D D
diffusion coefficient współczynnik dyfuzji
F ( U ) F (U)
flux vector wektora strumienia
g g
acceleration due to gravity przyspieszenie ziemskie
I I
rainfall intensity or inflow intensywności opadów deszczu lub napływu
i i
rainfall intensity intensywności opadów deszczu
K K
conveyance, K transportu, K
AR AR
K K
/ ( / (
) )
2/3 2 / 3
or storage or reaction coefficient lub składowania współczynnik reakcji
k k
B B
pollutant buildup coefficient zanieczyszczeń nagromadzonych współczynnik
k k
w w
pollutant removal coefficient usuwania zanieczyszczeń współczynnik
O O
outflow odpływ
P P
wetted perimeter obwód zwilżony
P t t P
B B
( ) ()
mass of pollutant buildup masy zanieczyszczeń nagromadzonych
P t t P
w w
( ) ()
mass of pollutant washoff masy zanieczyszczenia washoff
Q Q
flow przepływu
q q
lateral inflow bocznego dopływu
R R
hydraulic radius promień hydrauliczny
R R
im im
i i
, ,
return function Funkcja powrotu
r r
runoff flow rate Przepływ odpływu
S S
vector of source variables wektor zmiennych źródła
S S
source or sink of contaminant or storage źródło lub tonąć lub składowania substancji skażających
S S
ij ij
sensitivity coefficient, S współczynnik wrażliwości, S
Y x Y x
Y x Y x
ij ij
jj jj
j j
j j
' "
' "
/( / (
) )
S S
0 0
bed slope nachylenie łóżko
S S
f f
friction slope nachylenie tarcia
t t
time czas
U U
vector of conservative variables wektor zmiennych konserwatywny
u u
velocity prędkość
V V
Kleitz-Sneddon law, V -Sneddon prawa Kleitz, V
dQ dA dQ dA
/ /
or volume lub objętość
X X
independent variable or explanatory variable zmiennej niezależnej lub zmiennych objaśniających
x x
distance odległość
Y Y
dependent variable or model response zmiennej zależnej lub model odpowiedzi
y y
water depth głębokość wody
Z Z
objective function funkcji celu
, ,
KIX ITM
t t
( (
) )
/ /
' "
2 2
' "
x x
computational distance step obliczeniowych odległość kroku
' "
t t
computational time step obliczeniowych krok czasu
K K
the Manning resistance coefficient współczynnik oporu Manning
P P
mean oznacza
8 8
standard deviation odchylenie standardowe
Operators Operatorzy
d (.) d (.)
ordinary derivative zwykłych pochodnych
3 3
(.) (.)
product of terms produkt pod względem
˜ ~
(.) (.)
partial derivative pochodną cząstkową
(.) (.)
I I
integration integracji
|.| |. |
absolute value wartości bezwzględnej
exp(.) exponentiation exp (). potęgowanie
(.) (.)
Ç Ç
summation podsumowanie
E[.] E [.]
expectation oczekiwanie
| Page 8 Strona 8 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
1 1
1. 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 krajach
land occupied by the urban population is often less than 5% of the total area. grunty zajęte przez mieszkańców miast stanowi 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 człowieka existence and human settlement and it is employed extensively in urban areas for the disposal of wastes. istnienia i urbanizacji i jest szeroko stosowane 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 powodzi, odwadnianie, erozji i sedymentacji. These problems Problemy te are exacerbated in urban catchments by altering natural watercourses and increasing impervious areas. zaostrzają się w miejskich zlewniach poprzez zmiane 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 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 spływów, 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 prodkcją 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 jest
comprehensive list of urban storm water models in current use. pełna lista modeli miejskich, kanalizacji deszczowej 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 transporting Ze względu na znaczenie przepływu dominującym mechanizmem 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 konfronttujące miejskich 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. podejściu 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 burzowe 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 są 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 ilośc składników zawarte 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 przeglądu
| Page 9 Strona 9 |
|---|
Review of Storm Water Models
są wymienione w rozdziale 8. Potential urban storm water research opportunities have been identified and Potencjalne możliwości badań miejskich wody burzy zostały zidentyfikowane i are described in Chapter 9. opisane są w rozdziale 9.
2. 2,
URBAN HYDROLOGY Miejska Hydrologia
Opady deszczy na wodoodział będą opasac Rain falling over a watershed will fall on either an impervious or a pervious arena nieprzepuszczalnych lub przepuszczalny obszar. 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 t spływa po powierzchni, Surface runoff and perhaps infiltration will eventually flow wpody ze Spływu powierzchniowego i infiltracji w końcu dostają się do into a watercourse or a receiving water body cieku wodnego lub odbiornika wodnegi. This is not the case for an impervious area, where nearly all the rainfall Tak się nie dziej w przypadku nieprzepuszczalnej obszar, w którym prawie cały opad sieje 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 usówa 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 rozpuszczalnych zanieczyszczeń 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 the Zanieczyszczenia 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 zanieczyszczeń lub rozproszone pollutants. zanieczyszczeń. Pollutants resulting from the application of water to the land by human activity augment these pollutants. Zanieczyszczeń 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 ilość
and transport of pollutants generated. i transportu zanieczyszczeń generowanych. Failures in the urban infrastructure (sewer infiltration, leachate from landfills, direct Niepowodzenia w infrastrukturę miejską (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. rodzaj zanieczyszczeń spotkane na miejskich zlewnach sprawia, że zarządzanie wodami burzowymi jest bardzo skomplikowane.
When pollutants discharged into receiving water bodies exceed the assimilation capacity of these bodies, a myriad of Kiedy zanieczyszczenia odprowadzane do wód przyjmujących, przekracza 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 , zapalenie
organisms 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 toksyni 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 na
Table 2.1. Tabela 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.
| Page 10 Strona 10 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
3 3
Table 2.1 Limits of Water Uses Due to Water Quality Degradation Tabela 2.1 Ograniczenia korzystania z wód powodu degradacji jakości wody
(adapted from Chapman 1992 and Dinius 1987) (Dostosowany od 1992 r. i Dinius Chapman 1987)
Use Użyj
Pollutant Zanieczyszczenie
Dr Dr
in w
k k
i i
ng Wat ng Wat
er er
A
q q
u u
a
t t
i i
c c
W W
i i
ld ld
li li
fe fe
, ,
Fi Fi
sh sh
e e
r r
i i
e e
s s
Rec Rec
r r
eat jeść
i i
on na
I I
r r
r r
i i
gat gat
ion jon
I I
ndus ndus
tr tr
ia ia
l l
U U
s s
e e
Po Po
w w
e e
r r
Ge Ge
ne ne
r r
a
tion CJA
T T
r r
ans ans
p p
o o
r r
t t
Pathogens Patogeny
xx xx
0 0
xx xx
x x
xx xx
1 1
Suspended Solids Zawiesiny
xx xx
xx xx
xx xx
x x
x x
x x
2 2
xx xx
3 3
Organic Matter Organic Matter
xx xx
x x
xx xx
+ +
xx xx
4 4
x x
5 5
Algae Glony
x x
5,6 5,6
x x
7 7
xx xx
+ +
xx xx
4 4
x x
5 5
x x
8 8
Nitrate Azotan
xx xx
x x
+ +
xx xx
1 1
Salts Sole
9 9
xx xx
xx xx
xx xx
xx xx
10 10
Trace Elements Pierwiastków śladowych
xx xx
xx xx
x x
x x
x x
Organic pollutants zanieczyszczeń organicznych
xx xx
xx xx
x x
x x
? ?
Temperature Temperatura
x x
xx xx
x x
x x
x x
Acidification Zakwaszenie
x x
xx xx
x x
? ?
x x
x x
xx Marked impairment causing major treatment or xx Oznaczono nerek powodując poważne traktowanie lub
excluding the desired use bez pożądanego zastosowania
x Minor impairment x nerek Minor
0 No impairment 0 Brak nerek
+ Degraded water quality may be beneficial for this + Degradacji jakości wody może być korzystne dla tego
specific use konkretnego zastosowania
? ? Effects not yet fully realised Efekty jeszcze nie w pełni zrealizowane
1 food industries 1 przemyśle spożywczym
2 abrasion 2 ścieranie
3 sediment settling in channels 3 osad zamieszkałych w kanałach
4 electronic industries 4 elektroniki
5 filter clogging 5 zatkanie
6 odour, taste 6 zapach, smak
7 in fish ponds higher algae biomass 7 w stawach rybnych biomasy glonów wyższych
can be accepted mogą zostać przyjęte
8 development of water Hyacinth 8 rozwoju hiacyntu wodnego
( Eichhomia crassipes ) (Crassipes Eichhomia)
9 also includes boron, fluoride etc. 9 również boru, fluoru itp.
10 Ca, Fe, Mn in textile industries etc. 10 Ca, Fe, Mn w przemyśle tekstylnym, itp.
Table 2.2 Sources of Non-point Urban Runoff Pollutants Tabela 2.2 Źródła pokoje pkt Urban Wyciek zanieczyszczeń
(adapted from Whipple et al . 1983) (Zaczerpnięte z Whipple et al. 1983)
Source Źródło
Vehicles Pojazdy
Pollutant Zanieczyszczenie
Soil Gleby
E E
r r
os os
ion jon
Wear Zużycie
E E
x x
haus haus
t t
I I
ndus ndus
tr tr
ia ia
l l
Was Czy
te te
s s
Fo W przypadku
ssi SSI
l l
Fu Fu
e e
l l
s s
L L
a
w w
n n
and Gar i Gar
d d
e e
n n
Ch Ch
em em
ica ica
l l
s s
Anim Anim
al al
Was Czy
t t
e e
s s
Suspended solids Zawiesina ciał stałych
M M
M M
M M
Organic material Materiał organiczny
M M
M M
m m
M M
Nutrients Odżywki
Nitrogen Azotu
m m
M M
m m
M M
M M
Phosphorus Fosfor
M M
m m
M M
M M
Petroleum Ropa naftowa
substances substancji
M M
M M
M M
Micro-organisms Mikroorganizmy
M M
Heavy Metals Metale ciężkie
Iron Iron
M M
Manganese Mangan
M M
Zinc Cynku
m m
M M
m m
M M
Lead Prowadzić
M M
M M
Copper Miedzi
M M
M M
Chromium Chrom
M M
M M
Nickel Niklu
m m
M M
Mercury Rtęci
M M
Cadmium Kadmu
m m
M M
Sulfur Siarki
m m
M M
M M
M M
Acids Kwasy
Nitric Azotowy
M M
M M
Sulfuric Siarkowy
M M
M M
Pesticides Pestycydy
M M
M major source M główne źródło
m minor source m pomniejszych
| Page 11 Strona 11 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
4 4
Table 2.3 Typical concentrations of pollutants (adapted from Train 1979, Moore and Ramamoorthy 1984, Ellis 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)
Pollutant Zanieczyszczenie
Waste Water Type Rodzaj ścieków
BO BO
D D
mg mg
/ /
l l
SS mg SS mg
/ /
l l
To Aby
t t
a
l l
P P
mg mg
/ /
l l
To Aby
t t
a
l l
N N
mg mg
/ /
l l
Lea Polanka
d d
mg mg
/ /
l l
Me Me
r r
c c
u u
r r
y y
mg mg
/ /
l l
Ir Ir
o o
n n
m/ m /
l l
Zi Zi
n n
c c
mg mg
/ /
l l
C C
o o
ppe ppe
r r
mg mg
/ /
l l
Ch Ch
r r
o o
m m
i i
u u
m m
mg mg
/ /
l l
Cad CAD
m m
iu jm
m m
mg mg
/ /
l l
T T
o o
t t
a
l C l C
o o
li li
fo dla
r r
m m
s s
M M
P P
N/100m N/100m
l l
Urban Storm Water Urban wody burzowej
10 – 250 10 - 250
3 – 11,000 3 - 11.000
0.2 – 1.7 0,2 - 1,7
3-10 3-10
0.3 – 3.1 0,3 - 3,1
? ?
? ?
0.5 0.5
0.1 0.1
0.02 0.02
0.003 0.003
10 10
3 3
– 10 - 10
8 8
Untreated Sewage Nieoczyszczonych ścieków
100-500 100-500
100-500 100-500
5-15 5-15
20-85 20-85
0.05 0.05
0.002 0.002
4.8 4.8
0.46 0.46
0.3 0.3
0.34 0.34
0.016 0.016
10 10
7 7
- 10 - 10
9 9
Drinking Water Restauracje wody
* *
? ?
? ?
5 5
10 10
0.015 0.015
0.001 0.001
0.3 0.3
5 5
1.3 1.3
0.05 0.05
0.005 0.005
<1 <1
Fisheries and Aquatic Life Rybołówstwa i życie w środowisku wodnym
* *
3-6 3-6
25 25
? ?
0.01 0.01
? ?
0.00005 0.00005
1.0 1.0
? ?
0.03 0.03
0.1 0.1
0.05 0.05
? ?
*upper limit on water quality * Górna granica na jakość wody
? ? unknown nieznany
3. 3.
MODELLING APPROACHES METODY 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 liczba miejskich zlewni została opracowana. These models include very To są modele bardzo proste i bardzo zlożone.
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 To 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 jedną lub więcej zmiennych jest wybierane losowo z dystrybucji. A
W stochastic model therefore, will always produce a different model response. modelu stochastycznego dlatego zawsze będą różne odpowiedzi modelu. A deterministic model could be considered as Deterministyczny 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, zdefiniowany przez jego dystrybucji, jest wplecione w modelu. Unfortunately, to solve the Niestety, do 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 równań nie są praktyczne (Li i McLaughlin 1991). technik Niezawodność (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 empirycznych zależności od tego
whether the model is based on physical laws or not. czy model jest oparty na prawa 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 i prawa o ruchu Newtona. Both are physical laws, therefore any model based on these laws should Obie są prawmia fizyki, dlatego każdy model w oparciu o te przepisy prawa powinny
be considered as a conceptual model. być traktowane 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 definicji
empirical laws. prawa empiryczne. Should models based on these laws be considered as empirical? W przypadku modeli opartych na tych przepisów należy uznać za empiryczną
Distributed and lumped models are also used to classify models. Rozproszone i skupione są również modele stosowany do klasyfikacji modeli. These describe how the model treats spatial variability.Opisuja, w jaki sposób model traktuje zmienności przestrzennej.
A lumped model takes no account of the spatial distribution of the input, whereas distributed models include spatial Skupiony model nie uwzględnia rozmieszczenie przestrzennego wejście, a rozprowadzane modele zawierają przestrzennevariability. zmienności. Most urban runoff models are deterministic-distributed models (Nix 1994). Większość modeli miejskich spływu są deterministyczne rozproszone modele (Nix 1994).
Catchment models can be further classified as either event or continuous process driven. modele Zlewnia 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. modeli stosowanych do symulacji kilku lub poszczególnych zdarzeń burzy. 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 eodnej 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 modeli planowania są zwykle używane do oszacowania kosztów związanych z różnymi infrastruktury
configurations over the life of the infrastructure. konfiguracji 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 i 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 rzeczywistym
time 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 modeli 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 theModelu projektowe odnoszą się do modeli, które mogą być wykorzystane do modelu szczegółowo flow 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. złożoności analizy przeprowadzonej i okresu symulacji. For example, a planning model may involve an Na przykład, model planowania mogą obejmować optimisation component. optymalizacji 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, jest szczegółowe wykonana analizy hydrauliczneinfrastructure 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 symulacjperiod is of the order of years. okres rzędu lat. Hydraulic modelling at this scale is prohibitive. Modelowanie hydrauliczne w tej skali są wygórowane. Urban storm water models have been BModele wody zaostąły zaadoptowane do użycia jakoadapted for use as operational tools. narzędzi operacyjnych. 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 miejskiego kanalizacji deszczowej są: (i) opadów atmosferycznych, (ii)-tury modelowania opadów (generacji
surface and sub-surface runoff from precipitation excess, the washoff and buildup of pollutants from impervious surfaces) powierzchni i powierzchni spływu sub 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 (iii) 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, przestrzennych
and 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 wytworzone i dostarczone jako dane wejściowe do modelu.
The dependence of water quality on water quantity should be emphasised for at least two reasons. Zależność 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 miejskich zlewni 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, opóźnienie basenu prowadzi do zmniejszenia
flood peaks as well as serve as a sediment trap. szczytów powodzi, jak również służyć jako osadnika. In a few urban storm water models, greater emphasis is placed on W kilku modeli burza wody miejskiej, większy nacisk kładzie się na
modelling pollutants rather than accurately modelling storm water flows. Modelowanie zanieczyszczeń, a nie dokładnie modelowania 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. modele hydrologiczne, które posiadają odpowiednie przestrzennych i czasowych rozwiązań niezbędnych do tego problemu.
| Page 13 Strona 13 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
6 6
3.1 3.1
The Quantity of Storm Water Ilość wody deszczowej
The hydrological cycle begins with precipitation. Cykl hydrologiczny rozpoczyna się opadów. Precipitation in the form of rain falling on the land surface is subject to Opady w postaci padającego deszczu na powierzchni ziemi jest przedmiotem
evaporation and initial loss due to interception by vegetation. parowanie i początkowe 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 magazyny Depresja są małe porów i zagłębień na powierzchni terenu, które czasowo
store water. magazynowania wody. Infiltrated water may flow through the upper layer of the soil which is generally the unsaturated zone of the woda infiltracyjna może przepływać poprzez górnia warstwę gleby, która jest ogólnie strefie aeracji
soil, or flow deeper into the soil reaching the groundwater , or saturated zone . gleby, lub przepływu w głąb gleby osiągnięcia 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 staje się wód powierzchniowych, jest znany jako przepływ. In some urban storm water W niektórych modele miastach wody deszczowej
models, sub-surface flows are not modelled., przepływów pod powierzchnią nie są wymodelowane. One reason why sub-surface hydrology is not included in some urban storm Jednym z powodów podpowierzchniowej hydrologii nie jest w niektórych modelach
, 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 problemy związane z ilością wody, to powodzie i zabezpieczenie wody. These problems Problemy te
are relevant in varying degrees to both urban and rural catchments. są istotne w różnym stopniu do obu zlewniach miejskich i wiejskich. Alterations to the form of the landscape by human Zmiany w formie krajobrazu przez człowieka
Figure 1. Rysunek 1. Overview of Processes Incorporated in a Storm Water Model Przegląd procesów Incorporated w modelu Storm Water
Rainfall Opady deszczu
hyetograph hyetograph
I I
t t
Overland Flow Overland Flow
Routing Routing
System System
Through Drainage Przez meliorację
Flow Routing Routing Flow
Receiving Waters Wód,
Quality of Jakość
Overland Flow Overland Flow
Through Drainage Przez meliorację
Quality Routing Jakość Routing
Rainfall-Runoff Module Opady deszczu-Wyciek Module
Transport Module Transport Module
Q Q
t t
Q Q
t t
C C
t t
C C
t t
System System
| Page 14 Strona 14 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
7 7
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. przepływie. Consequently, urban areas are more susceptible to flooding affecting all land use activities. W związku z tym na obszarach miejskich są bardziej narażone na powodzie dotyczą wszystkich działań użytkowania gruntów. Provision of storm Świadczenie burza
water 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 opóźnienie jest niezbędna do
protect 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 burza zdarzenia.
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 Woda
supply problems relate to the allocation of available water to satisfy various types of water uses, such as industrial, problemy z dostawami odnoszą się do alokacji dostępnej wody do zaspokojenia różnych typów użytkowników wody, takich jak obiekty przemysłowe,
residential and agricultural. mieszkalnych i rolnych. This involves the design of a supply and treatment infrastructure such as reservoirs, pumps, Wiąże się to z projektu zaopatrzenia w energię i leczenia, 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 modeli opracowanych 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, obszarach miejskich, są zwykle bardziej skomplikowane, ponieważ muszą one zawierać dodatkowych czynników, takich jak rynny, ulic, kanalizacji,
overflows, surcharging, closed conduits under pressure, storm water drainage networks, culverts, open channels, roof top przepełnienia, marży, zamkniętych przewodach pod ciśnieniem, sieci kanalizacji burzowej, przepustów, kanałów otwartych, dach
storage, open and natural watercourses and storages. Surcharges occur when a closed conduit, which would normally act składowania, otwarte i naturalnych cieków wodnych i składów. Marżemogą wystąpic 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 burzową. If there is sufficient pressure so that the water rises Jeżeli istnieją wystarczające ciśnienie, aby wody wzrasta
above the ground level, then overflow occurs where the excess volume of flow becomes surface runoff. powyżej poziomu ziemi, a następnie przepełnienia i nadmierna wielkość przepływu staje się spływ powierzchniowy. Urban catchments zlewni miejskie respond considerably faster to rainfall than rural catchments. reagować znacznie szybciej na opady niż wiejskich zlewni. Therefore, models developed for an urban catchment must Dlatego modele stworzone dla miejskich zlewni musi
be 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 wprowadzaniu 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 jest głównym mechanizmem, wraz z wpływem deszczu do transportu zanieczyszczeń w zlewni miejskich.
3.2 3.2
The Quality of Storm Water Jakość wody deszczowej
The five natural processes, which affect the movement and transformation of pollutants in an urban catchment are; Pięć naturalnych procesów, które wpływają na ruch i przemiany zanieczyszczeń w zlewni miejskiej są;
chemical , physicochemical , biological , ecological and physical . chemicznych, fizykochemicznych, biologicznych, ekologicznych i fizycznych. Chemical processes involve the reaction of two or more Procesy chemiczne obejmują reakcję z dwóch lub więcej
compounds with each other to form one or more different compounds. związki ze sobą w jedną lub więcej różnych związków. An example of a chemical process in a natural Przykład procesu chemicznego w naturalny
system is the transformation of SO system jest przekształcenie SO
2 2
into SO w SO
3 3
and eventually H i ostatecznie H
2 2
SO SO
4 4
(sulfuric acid) in the atmosphere. (Kwas siarkowy) w atmosferze. Biochemical Biochemiczne
processes are a result of chemical transformations taking place within a biological organism, such as bacterial procesów są rezultatem przemian chemicznych zachodzących w biologicznych organizmu, takich jak bakterie
decomposition of organic material and photosynthesis. rozkład materii organicznej i fotosyntezy. Physicochemical processes involve the chemistry and physics of procesy fizykochemiczne obejmują chemię i fizykę
molecules interacting with their surroundings. cząsteczki reagujących z otoczeniem. The most important physicochemical processes are; adsorption , desorption Jako najważniejsze procesy fizykochemiczne są;, desorpcji adsorpcji
and absorption . i wchłaniania. Adsorption is the adhesion of a substance to the surface of a solid or liquid. Adsorpcja jest przyczepność substancji na powierzchni ciała stałego lub cieczy. Adsorption is an important Adsorpcja jest ważnym
process because many pollutants such as nitrogen, phosphorous, various pesticides and heavy metals attach themselves to procesu, ponieważ wiele zanieczyszczeń, takich jak azot, fosfor, pestycydów i metali ciężkich 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 się
attached 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 odpływu i temperatury. Desorption Desorpcji
is the release of pollutants from sediment particles. jest uwalnianie zanieczyszczeń z cząstek osadu. Absorption is the penetration of a substance into or through another. Wchłanianie to przenikanie substancji do lub za pośrednictwem innego. It
usually 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 w wodzie. This is the primary mechanism whereby Jest to podstawowy mechanizm, dzięki któremu
receiving water bodies obtain oxygen. wód uzyskania tlenu. Ecological processes involve interactions between different organisms in the food procesy ekologiczne dotyczą współdziałania różnych organizmów w łańcuchu pokarmowym
| Page 15 Strona 15 |
|---|
Review of Storm Water Models
chain. This includes consumption, growth, mortality and respiration from organisms. Obejmuje konsumpcji, wzrost śmiertelności i oddychanie z organizmów. Transport or physical processes Transport lub procesy fizycznych
describe the movement of pollutants by fluid motion. opisuja 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, płynnrgo ruchu i
diffusion , the motion of molecules and turbulent fluctuations in the fluid dispersing material. dyfuzji, ruch cząsteczek i burzliwej wahania płynny materiał rozpraszający. 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 transwormacji substancji i jest jednakowo ważny dla obu konserwatywne i nonconservative substances. nonconservative 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 konserwujących, w przeciwnym przypadku nonconservative substancji. For example, dissolved salts are conservative Na przykład, rozpuszczone sole są konserwatywne
because, 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 zostaną poddane chemicznej,
physicochemical and biological transformation in a water body. fizykochemicznych i biologicznych przemian w wody.
Major water quality problems in urban storm water are produced by; salinity, temperature, sedimentation, dissolved problemy z jakością wody w miejskich Major burzowe są produkowane przez; zasolenia, temperatury, sedymentacja, rozpuszcza
oxygen, toxic substances and biological effects. tlenu, substancji toksycznych i efekty biologiczne. Temperature has impacts on; physicochemical reactions, biochemical Temperatura ma wpływ na; reakcji fizykochemicznych, biochemicznych
reactions, biological processes and on the behavioural pattern of organisms. reakcji, procesów biologicznych, a na wzór zachowania organizmów. Temperature can also result in synergistic Temperatura może również powodować synergistyczne
effects. efekty. For example, higher water temperatures exacerbate the adverse effects of low dissolved oxygen concentrations. Na przykład, wyższe temperatury wody do pogłębienia negatywnych skutków niskiego stężenia rozpuszczonego tlenu.
Salinity problems are associated with high concentrations of total dissolved salts. Zasolenie problemy związane z wysokim stężeniu rozpuszczone sole. Salinity affects aquatic organisms as Zasolenie wpływa na organizmy wodne
well as uses of water withdrawn from receiving water. oraz wykorzystania wody wycofane z otrzymywania 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 osadów w wysokich stężeniach zmniejsza penetrację światła, hamując
photosynthesis by aquatic organisms. fotosyntezy przez organizmy wodne. Sediments that are deposited can smother plants and organisms and destroy fish Osady, które są składowane może zdusić roślin i organizmów i niszczenia ryb
spawning grounds. tarlisk. Sediments entering receiving waters can also carry attached nutrients, pesticides and heavy metals. Osady wprowadzania wód, mogą również stanowić załączony składników odżywczych, pestycydów i metali ciężkich.
Sediments can also clog water treatment plant filters, block channels and pipes. Osady moga również zablokować oczyszczalni filtry do wody, kanałów i rur bloku. Dissolved oxygen is important as an Rozpuszczony tlen jest ważny, gdyż jest
indicator of water quality. wskaźnik jakości wody. Organisms in aquatic systems must have oxygen to survive. Organizmy w systemach wodnych muszą tlenu do przeżycia. The primary demand for oxygen in Podstawowe zapotrzebowanie na tlen w
receiving waters is by decomposing organic material. wód, jest 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 required BOD jest miarą całkowitej ilości tlenu potrzebnego
to 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 za główny wskaźnik
the health of a water body. zdrowia wód. Toxic substances include; herbicides, insecticides, pesticides, heavy metals, radioactive Toksyczne substancjeto zawierają, herbicydy, insektycydy, pestycydy, metale ciężkie, radioaktywnych
materials, oils and reduced ions. materiałów, oleje i zmniejszone jonów. The sources, health and environmental consequences of a variety of pollutants that can Źródeła i konsekwencje zdrowotne i środowiskowe które mogą siepojawic w miejsko wodach burzoecyoccur in urban storm water are given in Table 3.1. podane są w tabeli 3.1.
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
water quality. 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 odpływ, wpływ procesów chemicznych i biochemicznych
on urban runoff quality are usually negligible, the only exception being storages that are used as wetlands. na miejskich jakości odpływu są zazwyczaj niewielkie, 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 spływu.
Modifications which man has made to the land surface have exacerbated physicochemical and transport processes in Modyfikacje, które człowiek poczynił na powierzchni ziemi pogłębiły fizykochemicznych i transportu procesów 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 3.3
Approaches to Storm Water Quantity Estimation Podejście do szacowania ilość wody Storm
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 na kategorie 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. rozkład przestrzenny. 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 i
computer 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 w zachowanie
flow 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 szczytowe. They are specific to a Są one specyficzne dla
particular site and catchment behaviour. określonym miejscu i zachowania zlewni. Empirical models could be considered as simple models. Empiryczne modele można uznać za proste modele. Although some Chociaż niektóre
statistical 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 zlewni
particular site. danej miejscu. 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 complexities. są deterministyczne modele, opisują zachowania zlewni w różnych zawiłości. 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. produkowane 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, prostsze modele w cenie, jednak
converse is not generally true. odwrotność nie jest ogólnie prawdziwe. Simple storm water models do not simulate some important processes. Proste modele nie symulować kilka ważnych procesów. For example, the Na przykład,
commonly used storage routing technique is a lumped model. powszechnie stosowane techniki trasy przechowywania są skupione model. Processes that are time dependent, such as the decay of Procesy, które są zależne od czasu, takich jak rozpad ze wyst
some pollutants cannot be modelled because processes are assumed to occur instantaneously. niektórych zanieczyszczeń nie można modelować , ponieważ zakłada się ze występują natychmiesr natychmiast. To overcome this problem, Aby rozwiązać ten problem,
models incorporate time, such as a lag in the routing process. modele posiadają czasie, takich jak opóźnienie w procesie trasach. This introduces another subjective parameter for the user to Wprowadza to kolejny subiektywny parametr dla użytkownika
estimate and this approach is independent of the behaviour of the process being modelled. oszacowania i takie podejście jest niezależne od zachowania proces wzorowany jest. Lumped models are usually Lumped modele są zwykle
used 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 są znacznie większe niż skala czasu przejściowe, które występują przez
system. systemu. 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 czasowej i przestrzennej 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 Przestrzennej i czasowej zmienności muszą być
artificially introduced into the modelling process. sztucznie wprowadzone do modelowania procesów. For example, a planning model for allocating potable water may use an Na przykład, model planowania przydziału wody pitnej może korzystać
average monthly demand to test a water allocation strategy. średnie miesięczne zapotrzebowanie na test strategii przydziału wody. However, peak demands are required to test the integrity of Wymaga jednak, szczyt jest sprawdzenie integralności
the 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. Strategia podziału i nie można wykonać niezależne analizy rozdziału wody. Therefore, an empirical Dlatego empirycznych
relationship between peak and average demands must be established. Powiązania między szczytem i wymaga średniej musi być ustalona. This adds additional subjectivity and uncertainty in To powoduje dodatkowe podmiotowości i niepewności
the 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 wazność wyboru modelu ilość i rozkład przestrzenny czasie nie jest podkreślone w
other reviews. innych opinii. 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 prognoz jakości wody nie odzwierciedlają prawdziwego zachowania
catchment. zlewni.
Table 3.1 Sources, Health and Environmental Consequences of various Contaminants Tabela 3.1 Źródła, Zdrowie i środowiskowych konsekwencji różnych zanieczyszczeń
Contaminant Szkodliwe substancje
Sources, Health and Environmental Consequences Źródła, zdrowie i środowisko naturalne
Nitrogen Azotu
Amongst the major point sources of nitrogen in water bodies are; municipal and industrial waste water and septic tanks. Wśród głównych źródeł azotu w części wód, komunalnych i przemysłowych ścieków i szamb. Diffuse sources of nitrogen include fertilisers, animal źródeł rozproszonych, azotu obejmują nawozy, zwierząt
wastes, leachate from landfill and atmospheric fall out. odpadów, odcieków ze składowiska i atmosferycznych opadów. Nitrates become toxic only under conditions in which they are reduced to nitrites. Azotany stają się toksyczne tylko w warunkach, w których są one zredukowane do azotynów. In high concentrations nitrate is known W dużej zawartości azotanów jest znany
to cause methemoglobinemia in bottle fed infants. spowodować methemoglobinemia w niemowlęta karmione butelką.
Phosphorous Fosfor
In the elemental form, phosphorous is highly toxic. W wolnym, fosfor jest silnie toksyczny. Phosphorous as phosphate is one of the major nutrients required by plants. Fosforu w postaci fosforanu jest jednym z głównych składników odżywczych przez rośliny. Phosphorous is not the sole cause of Fosforu z nie jedyną przyczyną
eutrophication, but it is a limiting factor for aquatic plants. eutrofizacja, ale jest to czynnik ograniczający dla roślin wodnych. Phosphates enter waterways from several different sources. Fosforany wchodzi dróg wodnych, z kilku różnych źródeł. These include human and animal excreta, surface runoff Należą do nich ludzi i zwierząt, odchodów, spływ powierzchniowy
and atmospheric fallout. i radioaktywnych w atmosferze. High concentrations of total phosphate may interfere in water treatment plants. Wysokie stężenia fosforanów mogą zakłócać w oczyszczalniach ścieków. Algal growth imparts undesirable tastes and odours to water, interferes wzrost glonów nadaje niepożądanych smaków i zapachów do wody, przeszkadza
with water treatment and becomes aesthetically unpleasant. z uzdatniania wody i staje się estetycznie nieprzyjemne.
Copper Miedzi
Prolonged excessive quantities of copper may result in liver and kidney damage. Długotrwałe nadmiernych ilości miedzi mogą prowadzić do uszkodzenia wątroby i nerek. Copper may impart some taste to water. Miedź może nadać pewien smak wody. The toxicity of copper to aquatic life is dependent on Toksyczność miedzi dla życia wodnego zależy od
alkalinity. zasadowości. The lower the alkalinity, the more toxic copper is to aquatic life. Im niższa zasadowość, bardziej toksyczne miedzi na organizmy wodne. It is rapidly adsorbed to sediments. Jest szybko, przyłączoną do osady. It is highly toxic to most aquatic plants as well as most freshwater Jest bardzo toksyczny dla większości roślin wodnych, jak również większości słodkowodnych
and marine invertebrates. i bezkręgowców morskich. It is considered more toxic to freshwater fish than any other heavy metal except mercury. Uważa się, bardziej toksyczny dla ryb słodkowodnych niż w jakimkolwiek innym heavy metalu, z wyjątkiem rtęci. Major sources of copper occur in; steel production, sewage Główne źródła miedzi występują w, produkcja stali, ścieków
treatment plant wastes, corrosion of brass and copper pipes. odpadów oczyszczalni, korozję mosiądzu i miedzi rur. It is used in electrical wiring, plumbing and the automobile industry. Jest on stosowany w instalacji elektrycznej, wodno-kanalizacyjnych i przemysłu motoryzacyjnego. Copper sulfate has been widely used in the Siarczan miedzi jest powszechnie stosowany w
control of algae in water supplies. kontroli glonów w dostawach wody.
Coliforms Bakterie z grupy coli
Coliforms are an indicator organism for faecal coliforms, steptococcal and other pathogenic bacteria. Bakterie z grupy coli są wskaźnikiem organizmu bakterie grupy coli, steptococcal i innych bakterii chorobotwórczych. Sewage and animal wastes are the major sources of coliform bacteria. Ścieki i odpady zwierzęce są głównym źródłem bakterii z grupy coli.
Possible chronic health effects of coliform bacteria include; gartroenteritis, salmonella infection, dysentery, typhoid fever and cholera. Możliwe przewlekłych skutków bakterii z grupy coli należą: gartroenteritis, zakażenia salmonellą, czerwonkę, dur brzuszny i cholera.
Chromium Chrom
Chromium was used in making paint pigment, textile colouring and tanning. Chrom był używany do produkcji pigmentów farb, barwienia wyrobów włókienniczych i opalania. More recently, it is used in the production of stainless steel, photoelectric cells and ceramic glazes. W ostatnim czasie, jest ona wykorzystywana do produkcji stali nierdzewnej, komórek fotoelektrycznych i szkliwa ceramiczne.
The principal emissions of chromium into surface waters are from electroplating, waste incineration, contaminated laundry detergent and bleaches and septic systems. Głównym emisji chromu wód powierzchniowych z galwanizacji, spalarnie odpadów, skażonych proszków do prania i wybielaczy i systemów septycznych. Toxicity Toksyczności
of chromium to humans and aquatic organisms is generally low. chromu u ludzi i organizmów wodnych jest ogólnie niska. Under most conditions, mercury, cadmium and copper are more toxic than chromium. W większości warunków, rtęci, kadmu i miedzi są bardziej toksyczne niż chrom. Soluble compounds can związki rozpuszczalne mogą
cause liver, kidney and lung damage. , Powodować uszkodzenia wątroby i nerek, uszkodzenia płuc.
Cadmium Kadmu
Cadmium is toxic to man, causing chronic kidney and liver disease. Kadm jest toksyczny dla człowieka, powodując przewlekłe choroby wątroby i nerek. It is deposited and accumulates in various human bodytissues. Jest to złożony i gromadzi się w różnych ludzkich bodytissues. Its major source is industrial production such Jego głównym źródłem jest takich produkcji przemysłowej
as; electroplating, pigments, plastic stabilisers, discarded batteries, paints, corrosion of galvanised pipes, fertilisers and sewage sludge. jak: galwanizacja, pigmenty, stabilizatory tworzyw sztucznych, zużyte baterie, farby, korozji rur ocynkowanych, nawozów i osadów ściekowych. In aquatic systems, it is adsorbed to W systemach wodnych, jest adsorbowane
sediment particles. cząstki osadu. Certain invertebrates and fish are very sensitive to cadmium. Niektóre bezkręgowce i ryby są bardzo wrażliwe na kadm. Increased hardness and alkalinity decreases the toxicity of cadmium for aquatic organisms. Zwiększona twardość i zasadowość zmniejsza toksyczność kadmu dla organizmów wodnych.
Iron Iron
Pollution sources of iron are industrial wastes, iron-bearing groundwater and leaching from cast iron pipes in water reticulation systems. Źródła zanieczyszczeń żelaza są odpady przemysłowe, żelazo wód podziemnych i wymywanie z rur żeliwnych w systemach siateczki wody. In the presence of dissolved oxygen, W obecności tlenu rozpuszczonego,
iron will precipitate as a hydroxide, forming gels or flocs. żelazo osad jak wodorotlenek, tworząc żele lub kłaczków. These may be detrimental to fish and other aquatic life as they settle over stream beds smothering invertebrates, plants Mogą one być szkodliwe dla ryb i innych wodnych, jak rozstrzygać na łóżkach strumień podduszanie bezkręgowców, roślin
and spawning grounds. oraz tarliska. In water supplies, it affects taste and stains clothes and plumbing fixtures. W dostawy wody, wpływa na smak i plamy ubrania i wyposażenie hydrauliczne. For some industries, low concentrations of iron are required. Dla niektórych sektorów, niskie stężenie żelaza są wymagane. These include Należą do nich
paper manufacturing and flood processing. produkcji papieru i przetwórstwa powodzi.
Lead Prowadzić
Lead is used in storage batteries, pipes, paint, petrol additive, solder and fusible alloys. Ołów jest używany do składowania baterii, rur, farby, benzyna dodatku, lutowania i stopy topliwy. Combustion of oil and petrol is the major source of lead absorbed by humans. Spalanie oleju i benzyny jest głównym źródłem ołowiu wchłaniane przez ludzi. Lead enters Ołów wchodzi
the aquatic environment through precipitation, leaching of soil, street and municipal runoff, corrosion of lead pipes, discarded storage batteries, lead-soldered pipe joints and środowiska wodnego za pomocą opadów, ługowanie gleby, ulic i odpływ komunalnych, korozji rur ołowianych, odrzucona baterii akumulatorów ołowiowo-lutowanych rur i
industrial waste discharges. zrzutów przemysłowych odpadów. It is a toxic metal that accumulates in the tissue of organisms by ingestion or inhalation of dust or fumes. To jest toksyczny metal, który gromadzi się w tkankach organizmów przez połknięcie lub wdychanie pyłu lub oparów. It results in irreversible nerve and brain Powoduje to nieodwracalne nerwowych i mózgowych
damage in infants. uszkodzenia u niemowląt. Kidney damage, blood disorders and hypertension are symptoms of health problems associated with lead. uszkodzenie nerek, zaburzenia krwi i nadciśnienie są objawy problemów zdrowotnych związanych z ołowiu. The major toxic effects of lead include anaemia, Głównym toksyczne działanie ołowiu obejmowały: niedokrwistość,
neurological dysfunction and renal impairment. zaburzenia neurologiczne i zaburzenia czynności nerek. Lead is less toxic to invertebrates than copper, cadmium, zinc and mercury. Ołów jest mniej toksyczny dla bezkręgowców niż miedź, kadm, cynk i rtęć.
Mercury Rtęci
Mercury is highly toxic to aquatic plants, organisms and humans. Rtęć jest bardzo toksyczna dla roślin wodnych, organizmów i ludzi. It can accumulate by; ingestion, skin adsorption and inhalation of vapour. To może gromadzić się przez, połykanie, adsorpcja skórą i wdychania oparów. Long-term exposure can produce Długotrwałe narażenie może powodować
brain, nerve and kidney damage. mózgu, uszkodzenia nerwów i nerek. Birth defects and skin rash have also been attributable to exposure to mercury. wady wrodzone i wysypka również przypisać ekspozycji na rtęć. Sources of mercury include; amalgams, electrical equipment, Źródła zawierają rtęć, amalgamaty, sprzęt elektryczny,
fungicides, mirror coatings and sewage. fungicydów, lakierów lustro i ścieków. In the aquatic environment, mercury associates strongly with suspended solids. W środowisku wodnym, rtęci silnie kojarzy się z zawiesin.
Suspended solids Zawiesina ciał stałych
For aquatic life, suspended solids can reduce light penetration, which will adversely affect photosynthetic activity. Dla organizmów wodnych, zawiesin może ograniczyć penetrację światła, co niekorzystnie wpłynie fotosyntezy. Suspended sediments provide areas where microorganisms do osadów podwieszane zapewnić obszary, w których drobnoustroje nie
not come in contact with chlorine disinfectant. nie wchodzą w kontakt z dezynfekującego chloru. Therefore, it can influence the efficiency of water treatment processes such as coagulation, sedimentation, filtration and W związku z tym może wpływać na efektywność procesów uzdatniania wody, takich jak koagulacja, sedymentacja, filtracja i
chlorination. chlorowania.
Zinc Cynku
Zinc is used in brass, galvanising, die-casting and leaching of galvanised pipes and fittings. Cynk stosowany jest z mosiądzu, cynkowanie, odlewanie i wymywania z ocynkowanej rury i kształtki. It is an essential element in human metabolism. Jest to podstawowy element ludzkiego metabolizmu. It has however, a bitter or astringent Należy jednak, gorzki lub ściągające
taste. smak. Toxic concentrations of zinc compounds cause adverse changes in the morphology and physiology of fish. stężenia toksycznych związków cynku powoduje niekorzystne zmiany w morfologii i fizjologii ryb. The toxicity of zinc is dependent on pH and water hardness. Toksyczność cynku jest uzależniona od twardości wody i pH.
Under most circumstances, mercury and copper are more toxic to aquatic plants and invertebrates than zinc, whereas chromium, cadmium, nickel and lead may be more or less W większości przypadków, rtęci i miedzi są toksyczne dla roślin i bezkręgowców niż cynku, mając na uwadze, chromu, kadmu, niklu i ołowiu, może być bardziej lub mniej
toxic, depending on conditions (Moore and Ramamoorthy 1984). toksyczne, w zależności od warunków (Moore i Ramamoorthy 1984). Mercury and copper are more toxic to fish than zinc. Rtęć i miedzi są toksyczne dla ryb niż cynk. The rare toxicity of zinc arises from its synergistic Rzadko toksyczności cynku wynika z jej synergiczne
interaction with other heavy metals. interakcji z innymi metali ciężkich.
3.3.1 Statistical and Empirical Models 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 ładuje jakości wody, zazwyczaj oparte są na
regression models. modele 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 parametrów zlewni (nieprzepuszczalne obszarze gruntów
and catchment slope). zlewni i nachylenie). For example, the nonlinear regression model Na przykład model regresji nieliniowej
Y Y
X X
i i
i i
n n
· ·
E E
E E
0 0
1 1
i i
in which Y is the dependent variable, X w którym Y jest zmienną zależną, X
i i
are the explanatory or observer variables and są zmienne objaśniające lub obserwatora i
β β
i i
are the unknown regression są nieznane regresji
coefficients, 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 regresji
include simple linear, multiple linear, semi-log transform and the log-log transform (see, for example Bidwell 1971, to prosty liniowy, wiele 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 w Jewell i
Adrian (1981), Driver and Tasker (1988) and Yao and Terakaura (1999). Adrian (1981), sterowników i Tasker (1988) i Yao i Terakaura (1999). It is recognised that linear regression is Uznaje się, że regresji liniowej
inadequate 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 Najważniejsze ograniczenia modeli statystycznych jest
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 odzwierciedla szczególności układ przestrzenny. For any Dla każdego
markedly 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 Kierowca i Tasker (1988) opisują
regression models as sufficient for planning purposes only. modeli regresji za wystarczające 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 poprzednik (API). It is the Jest to
most frequently used and important explanatory variable in surface water runoff. najczęściej używanych i ważnych zmiennych objaśniających w odpływie wód powierzchniowych. The antecedent precipitation index is Wskaźnik opadów poprzednik jest
essentially the summation of the precipitation amounts occurring prior to the storm, weighted according to the time of zasadzie 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)
C c C c
a dS dS
bA bA
( (
) exp( ) Exp (
), ),
Q Q
i i
C C
C C
n n
n n
n n
( (
) )
/1 / 1
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, odpływ współczynnik C, S sezonowy parametr index, wskaźnik opadów poprzednik, i
rainfall and a , b , c , d and n are model coefficients to be determined from the data using regression analysis. opadów i a, b, c, d i n są model współczynników, 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 zmiennych, które są uważane za
germane to the process. związany 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 fizycznych i procesów z
empirical 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
Q CiA Q CiA
. .
The rational method is the simplest approach to modelling peak runoff volumes, which are important for storm water Racjonalne metody najprostsze podejście do modelowania szczyt wielkości odpływu, które są ważne dla wody deszczowej
infrastructure design. infrastruktury projektu. The rational method is a simple relationship between flow Q , the catchment area A , the rainfall Racjonalną metodą jest prostej zależności między przepływu Q, zlewnia, opady deszczu
intensity i , and a runoff coefficient C where 0 ≤ C ≤ 1. i intensywności, a współczynnik spływu C, gdzie 0 ≤ C ≤ 1.
3.3.2 Deterministic Models 3.3.2 modeli deterministycznych
Deterministic models are based on conservation laws, which govern the behaviour of a fluid. Deterministyczne modele oparte są na prawa 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, znany jako ciągłości, zachowania pędu i zachowania energii. In W
almost all cases, one-dimensional flow analysis is undertaken. Prawie we wszystkich przypadkach, jednowymiarowy analizy przepływu jest podjęta. Deterministic models used in storm water modelling can Deterministyczne modele stosowane w modelowaniu burzowe mogą
be classified as either hydrologic or hydraulic models. klasyfikuje się w hydrologiczne lub modeli hydraulicznych. Hydrologic models usually satisfy the continuity equation only. modele hydrologiczna zwykle spełniają równanie ciągłości tylko.
Hydraulic models solve the continuity equation as well as either the momentum or the energy equations as a coupled Modele hydrauliczne rozwiązać równanie ciągłości, jak również ani pędu lub równania energii w połączeniu
system of equations. układ równań. The major difference between these modelling approaches is that hydraulic models describe the Główna różnica pomiędzy nimi jest to, że metody modelowania hydraulicznego modele opisują
spatial behaviour of a process. przestrzennych zachowanie procesu. 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 czynią takiego rozróżnienia. The distinction between hydrology and hydraulics is Rozróżnienie między hydrologii i hydrauliki
determined by the process that is being modelled. ustalona przez proces, który jest wzorowany. For example, rainfall-runoff process is considered as a hydrological Na przykład,-spływ proces opadów jest uważana za hydrologicznych
process and modelling flows through open channels is a hydraulic problem. proces modelowania i przepływa przez otwarte kanały jest problem z hydrauliką. This distinction is due to the historical Ta różnica wynika z historycznych
development of models used to simulate overland and open channel flows. rozwój modeli do symulacji przepływów lądową i otwarty kanał. Traditionally, due to the complexity of Tradycyjnie, ze względu na złożoność
| Page 19 Strona 19 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
12 12
overland flow, only the continuity equation was solved. przepływu lądową, tylko równanie ciągłości został rozwiązany. 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 pojawić symulujące warunki przepływu lądową, rozwiązując jednocześnie ciągłości i
dynamic equations, this distinction is not clear. dynamicznych równań, to rozróżnienie nie jest jasne. Therefore in this report, the distinction between hydrologic and hydraulic Dlatego też w niniejszym raporcie, rozróżnienie między hydrologiczne i hydrauliczne
models is based on the equations that are used to describe a process and not the process that is being modelled. modeli 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 bardzo, 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 problemów, liczba programów, takich jak różnic skończonych, elementów skończonych lub metody
of characteristics are used. właściwości są wykorzystywane. Finite differences are the most commonly used approach and these can be either implicit or różnic skończonych są najczęściej stosowane podejścia, które mogą być ukryte lub
explicit schemes. wyraźnych programów. In explicit schemes, a single unknown value can be written in terms of known values. W wyraźnej systemów, 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 w nieznane. In implicit schemes, a number of W ukrytych programów, liczba
unknowns at a particular time are written in terms of the knowns, established previously as well as unknowns at the niewiadomych w danym momencie są napisane pod względem wiadome, ustalone wcześniej, jak i niewiadomych w
current time. aktualny czas. 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 zaletą z
implicit 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 wykorzystywane w czasie
model. model. 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 warunki brzegowe i błędy obcięcia, ze względu na skończone przybliżenia różnica może uniemożliwić korzystanie z bardzo dużej
time steps in an implicit finite difference scheme. kroków czasowych w sposób dorozumiany różnica systemu skończone. This is in contrast to explicit schemes, where there is a severe Jest to w przeciwieństwie do wyraźnego systemy, w których istnieje poważne
restriction on the time step that may be employed. ograniczenie krok, który może zostać zatrudniony. Although the time step restriction is directly proportional to the speed Mimo, że ograniczenie czasu krok 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 krótka
time step is required to adequately capture the behaviour of the transient. krok czasu jest 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 flash.
3.3.2.1.1 3.3.2.1.1
Shallow Water Wave Equations Shallow Water równania falowe
The conservative form of the one-dimensional continuity and momentum equations can be written as Konserwatywny postaci jednowymiarowych ciągłości i równania pędu można zapisać jako
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
U U
F F
S S
t t
x x
(1) (1)
where U is a vector of conservative variables gdzie U jest wektorem zmiennych konserwatywny
U U
! !
" "
$ $
# #
A
Q Q
F is the flux vector F jest wektorem strumienia
FU FU
( ) ()
! !
" "
$ $
# #
# #
Q Q
Q Q
A
gI gl
2 2
1 1
and S represents the source vector i S reprezentuje wektor źródła
| Page 20 Strona 20 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
13 13
S S
! !
" "
$ $
# #
qA QA
gA S gA S
S S
gI gl
f f
( (
) )
0 0
2 2
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 jest głębokość wody, Q jest absolutorium, q jest poprzeczną napływu x to odległość, t jest czasem, g jest przyspieszeniem
due to gravity, S ziemskie, S
0 0
is the bed slope, S to nachylenie łóżko, S
f f
is the friction slope and I to nachylenie tarcia i
2 2
is given by jest przez
I I
yx yx
B B
d d
yx yx
1 1
0 0
= =
− -
I I
( ( ) (()
) ( ) . ) ().
( ) ()
ξ ξ
ξ ξ ξ ξ
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
I I
yx yx
B B
x x
yxy YXY
d d
yx yx
2 2
0 0
0 0
˜ ~
˜ ~
I I
! !
" "
$ $
# #
( ( ) (()
) )
( ) ()
( ) ()
( ) ()
[ [
[ [
[ [
which is zero for a uniform channel, where, B is the width of the channel, y is the water depth and y który jest zero jednolity kanał, gdzie B jest szerokością kanału, y jest głębokość wody i y
0 0
is a constant water wody jest stała
depth. głębokości. These equations are known as the shallow water wave equations or the St. Równania te znane są jako płytkie równania falowe wody lub St Venant equations . równań Venanta.
The shallow water wave equations written in non-conservative form with the flow velocity u = Q/A and y as the Płytkie wody równania falowe napisana w formie non-konserwatywna z prędkości przepływu u = Q / A i r
dependent variables are; for the continuity equation Zmienne zależne są, dla równania ciągłości
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
y y
t t
uy uy
x x
q q
( ) ()
(2) (2)
and for the momentum equation oraz równanie pędu
1 1
0 0
g g
u u
t t
u u
g g
u u
x x
y y
x x
S S
S S
q q
g g
u u
y y
f f
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
. .
(3) (3)
The friction slope S Nachylenie tarcia S
f , f,
is approximated using either the Manning or Chezy equations. jest w przybliżeniu przy użyciu Manning lub Chézy równań. The Manning equation is given by Równanie Manning jest przez
S S
KQ KQ
uu uu
R R
f f
2 2 2 2
2 2
4 3 4 3
| | | |
/ /
K K
in which , w którym
K K
is the Manning resistance coefficient and R is the hydraulic radius, defined by R = A / P with P the wetted Manning jest współczynnik oporu a R jest promieniem hydrauliczne, 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 jest przez
S S
uu uu
cR cR
f f
| | | |
in which c is the Chezy resistance coefficient. w którym c jest odporność Chézy współczynnik. In both equations, the absolute sign for the velocity will ensure that the W obu równań, bezwzględna znak prędkość zapewni, że
friction always opposes the flow. tarcia zawsze sprzeciwia się przepływu.
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 of To po 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 w płynie element jest równy napływ netto do elementu płynu. The momentum Pęd
equation, (3) is a mathematical expression for the conservation of momentum within a fluid element. równanie (3) jest wyrażenie matematyczne dla zachowania pędu w element płynu. It simply states that To po prostu, że
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 jest równa sumie sił działających na element. It is the Jest to
momentum equation that determines the velocity or speed of the fluid element. równanie pędu, który 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 to funkcja, która odróżnia je od innych metod
routing, which are generally sub-sets of these equations. routingu, które są ogólnie sub-zestawy tych równań. The distinguishing feature of the shallow water wave equations Cechą wyróżniającą płytkiej wody równania falowe
is that they have two characteristics. jest to, że dwie cechy. These characteristics represent the directions that information can travel. Te cechy stanowią kierunki tych informacji może się przemieszczać. In the case W przypadku
of the shallow water wave equations, depending on the flow conditions, information can propagate both upstream and z płytkiej wody, równania falowe, w zależności od warunków przepływu informacji może rozprzestrzeniać obu kierunkach
| Page 21 Strona 21 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
14 14
downstream. w dół rzeki. This is important because downstream obstructions will influence the flow upstream of the obstruction. To ważne, ponieważ dalszych przeszkód 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. przykład, przepływ powyżej jazu będzie miała wpływ na przelew. This influence can only be simulated if there is an Ten wpływ może być symulowane, jeśli istnieje
interaction 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 falowe mogą być wykorzystane do symulacji nieustalonego jednowymiarowe stopniowo i szybko zmiennych
flows, if (1) is used (see, for example Zoppou and Roberts 1999) in open and natural channels and in pressurised closed przepływów, jeśli (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 lądową mogą być symulowane przy użyciu
shallow water wave equations. płytkie równania falowe wody.
Under steady flow conditions, the continuity equation is simply Q = q , and the momentum equation becomes Przy ustalonych warunków przepływu, równania ciągłości jest po prostu Q = q, równanie pędu i staje się
S S
S S
dyu DYU
g g
dx dx
f f
0 0
2 2
2 2
/ /
2 2
7 7
(4) (4)
which is used to calculate the water surface profile in an open channel upstream of an obstacle? który jest używany do obliczenia profil powierzchni wody w otwartym kanale upstream przeszkody? This type of analysis is Ten rodzaj analizy jest
referred 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 (3) lokalne nachylenie przyspieszenie, 1 / g ∂ u / ∂ t jest tego samego rzędu wielkości, ale ma przeciwny znak konwekcyjnego
acceleration slope, u / g ∂ u / ∂ x . nachylenie przyspieszenie, u / g ∂ u / ∂ x. Both of these terms are generally an order of magnitude smaller than the pressure slope , Oba te warunki są na ogół o rząd wielkości mniejsze niż nachylenie ciśnienia,
∂ y / ∂ x . 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 kreślenia
individual 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 znajduje się 7 m szerokości, o nachyleniu łóżko,
S S
0 0
= 0.005 and the Manning resistance coefficient equal to 0.015. = 0,005 i odporność Manning współczynnik równy 0,015. The downstream boundary condition is a uniform rating Dalszy warunek brzegowy jest jednolity 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 ukryte skończonych zbliżenia różnicy (2) i (3), w których obliczeniowa krok czasu, ⊗ t =
60 s and the computational distance step, ∆ x = 1000 m was used to rout the hydrograph. 60 s, a odległość obliczeniowej kroku ⊗ x = 1000 m był używany do trasy hydrogramu. The individual terms in the momentum Indywidualne warunki w pędzie
equation 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, lokalnych 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 łóżko i kształt hydrogramu wpływu. It should Należy
only be neglected for very steep bed slopes. tylko zaniedbane bardzo stromych zboczach łóżku.
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 do produkcji przybliżeń płytkiej wodzie
wave equations. równania falowe. In addition, the relative computational effort required to solve the shallow water wave equations is Ponadto, w stosunku obliczeniowych wysiłek potrzebne do rozwiązywania równań fali płytkiej wody
greater than its simplified counterparts. przewyższają uproszczone odpowiedniki. Two well known and extensively used, simplified versions of the shallow water Dwie znane i szeroko stosowane, uproszczone wersje płytkiej wodzie
wave equations are the kinematic and the diffusion wave equations. równania falowe są 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 zakładać, że warunki lokalne i konwekcyjnego przyspieszenie można pominąć w (3).
| Page 22 Strona 22 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
15 15
Figure 3. Rysunek 3. Magnitude of the Individual Terms in the Momentum Equation Wielkość poszczególnych pojęć w równanie pędu
0 0
2000 4000 6000 8000 10000 2000 4000 6000 8000 10000
.000250 .000250
.000125 .000125
.000000 .000000
-.000125 -. 000125
-.000250 -. 000250
-.000075 -. 000075
0 0
2000 4000 6000 8000 10000 2000 4000 6000 8000 10000
0 0
2000 4000 6000 8000 10000 2000 4000 6000 8000 10000
0 0
2000 4000 6000 8000 10000 2000 4000 6000 8000 10000
seconds sekund
.001000 .001000
.000750 .000750
.000500 .000500
.000250 .000250
.000000 .000000
.000500 .000500
.000250 .000250
.000000 .000000
-.000250 -. 000250
-.000500 -. 000500
.000150 .000150
.000075 .000075
.000000 .000000
-.000150 -. 000150
1 ∂ V 1 ∂ V
g ∂ t g ∂ t
∂ y ∂ y
∂ x ∂ x
V ∂ y V ∂ y
g ∂ x g ∂ x
S S
f f
100 100
75 75
50 50
25 25
0 0
0 0
2500 5000 7500 10000 2500 5000 7500 1000 0
discharge absolutorium
(cumecs) (Cumecs)
seconds sekund
Figure 2. Rysunek 2. Discharge Hydrograph Used as the Upstream Boundary Condition Absolutorium hydrogramu Używane jako warunek brzegowy Upstream
in the Hypothetical Example W hipotetycznym przykładzie
| Page 23 Strona 23 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
16 16
Approximations to the shallow water wave equations only possess one set of characteristics, which always travel Approximations do wody płytkiej równania falowe posiadają tylko jeden zestaw cech, które zawsze podróży
downstream. 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. kinematycznej 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 miejskich zlewni. To accurately capture these transients using the shallow water Aby dokładnie uchwycić te przejściowe za pomocą płytkiej wodzie
wave equation, very small time steps may be required of the order of seconds, minutes or hours. równanie falowe, bardzo małe kroki mogą być wymagane 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 przeszedł przez system. The computational effort required to solve the Obliczenia wymagane wysiłki, aby rozwiązać
shallow water wave equation for a complicated network of channels or pipes can be resource intensive. płytkie wody równania falowego dla skomplikowanej sieci kanałów lub rur można zasobów. Therefore, Dlatego też
hydraulic models based on the solution of the shallow water wave equations are usually restricted to event based or modeli hydraulicznych w oparciu o rozwiązania równania falowe płytkie wody są zazwyczaj ograniczone do przypadku lub w oparciu
operation modelling. operacji modelowania. Solving the shallow water wave equations provides detailed information on the behaviour of the Rozwiązanie równania falowe płytkiej wody dostarcza szczegółowych informacji o zachowaniu
watershed and produces a more accurate representation of the interaction of the flow and the water depth than other zwrotny i daje bardziej dokładne odwzorowanie interakcji przepływu i głębokości wody niż inne
approximate models. przybliżony modeli. The water depth and flow are parameters that are important in the detailed design of storm water Głębokość wody i przepływy są parametry, które są ważne w szczegółowy projekt kanalizacji deszczowej
infrastructure. infrastruktury. However, simplified and hydrological models only provide information about one of these variables, Jednakże, uproszczone i modele hydrologiczne jedynie informacje o jednym z tych zmiennych,
which is usually flow. która jest zwykle przepływu. To obtain the water depth from the flow, an empirical relationship between flow and water depth is Aby uzyskać głębokość wody ze strumienia, empiryczny związek pomiędzy przepływem, a głębokość wody jest
required. wymagane. 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 płytkie 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 falowe płytkiej wody obejmuje przekrój informacji, chropowatość
coefficients, boundary conditions and any internal structures. współczynników, warunki brzegowe oraz wewnętrznej struktury. 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 równania falowe wody będzie wymagało mniej wymagających wymogi dotyczące danych.
3.3.2.1.2 3.3.2.1.2
Kinematic Wave Model Model Wave kinematyczna
The 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 stokach równanie pędu można
neglected. zaniedbane. 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
f f
= S = S
0 0
. . This assumption is generally valid To założenie jest generalnie zachowują ważność
for 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 monotoniczna i głębokości przepływu fali kinematycznej opiera się na
solution of roztworu
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
A
t t
Q Q
x x
0 0
(5) (5)
and i
Q Q
fy ( ). fy ().
The continuity equation, (5) can be written as Równanie ciągłości, (5) można zapisać jako
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
Q Q
t t
dQ dQ
dA dA
Q Q
x x
0 0
. .
Recalling that Przypominając, że
∂ ∂
∂ ∂
+ +
∂ ∂
∂ ∂
= =
Q Q
t t
dx dx
dt dt
Q Q
x x
dQ dQ
dt dt
then the kinematic wave equation is given by to równanie fali kinematycznej jest przez
| Page 24 Strona 24 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
17 17
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
Q Q
t t
V V
Q Q
x x
0 0
in which the kinematic wave speed, V is given by , w którym prędkość fali kinematycznej, V jest przez
V V
dQ dQ
dA dA
(6) (6)
which is known as Kleitz-Sneddon law . który jest znany jako-Sneddon prawa Kleitz. The kinematic wave speed can be obtained by differentiating the functional form Prędkość fali kinematycznej można uzyskać poprzez różnicowanie funkcjonalnej formie
of the monotonic relationship between Q and y, given by (6). z jednostajnym relacji między Q i Y, podane przez (6). The kinematic wave does not experience any attenuation, Kinematycznej fala nie wystąpi osłabienie,
however, it does steepen with time. Jednakże, nie stromo w czasie. In practical problems, this equation is solved numerically. W praktyce problemy, równanie to jest rozwiązane numerycznie. The numerical scheme System numeryczny
introduces truncation errors due to the finite difference approximations. wprowadza błąd obcięcia ze względu na skończone przybliżenia różnicy. These are not to be confused with roundoff Są to nie należy mylić z zaokrąglenia
errors, which are associated with machine precision. błędów, które związane są z precyzją maszyny. The numerical scheme introduces numerical diffusion, which results 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. obliczeniowe 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 do płytkiej wody równania falowe jest to, że szczegółowe informacje na temat
the catchment is not required. zlewni nie jest wymagane. In this model, the kinematic wave speed is required, which can be calculated from channel W tym modelu, prędkość fali kinematycznej jest wymagane, którą można obliczyć z kanału
properties or estimated from observed data. właściwości lub oszacowane z obserwowanych danych. Since this approximation possesses one system of characteristics, then only Od tego zbliżenia posiada jeden system cech, to tylko
one boundary condition is required for its solution. jeden granicy warunku jest wymagane do jego rozwiązania. This is considerably less information than is required for the shallow To znacznie mniej informacji niż jest to wymagane dla płytkich
water wave equations, which requires two boundary conditions. równania falowe wody, które wymaga dwóch warunki brzegowe.
3.3.2.1.3 3.3.2.1.3
Diffusion Wave Model Model Wave Diffusion
In the diffusion wave analogy, only the convective and local acceleration terms in the momentum equation are ignored. W analogii fali dyfuzji, tylko lokalnych warunków konwekcyjnego i przyspieszenia równania pędu są ignorowane.
Therefore, the diffusion wave is based on W związku z tym fala dyfuzji opiera się na
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
A
t t
Q Q
x x
q q
(7) (7)
and i
S S
S S
y y
x x
f f
˜ ~
˜ ~
0 0
(8) (8)
in which the lateral inflow has been reintroduced into (7). , w którym napływ bocznej została 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 nachylenie ciśnienie jest w równania pędu.
If the channel is rectangular, then A = By . Jeśli kanał jest prostokątne, a następnie A = By. Differentiating (7) with respect to x then Zróżnicowanie (7) w odniesieniu do x następnie
B B
y y
xt xt
Q Q
x x
˜ ~
˜ ˜ ~ ~
˜ ~
˜ ~
2 2
2 2
2 2
0. 0.
Differentiating (8) with respect to t then Zróżnicowanie (8) w odniesieniu do t następnie
˜ ~
˜ ˜ ~ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
2 2
2 2
2 2
3 3
2 2
2 2
y y
xt xt
Q Q
K K
Q Q
t t
Q Q
K K
K K
t t
. .
| Page 25 Strona 25 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
18 18
Eliminating the second derivative of the flow depth between these equations yields Eliminowanie drugiej pochodnej głębokości przepływu pomiędzy tych równań daje
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
2 2
2 2
2 2
2 2
3 3
2 2
2 2
Q Q
x x
QB QB
K K
Q Q
t t
QB QB
K K
K K
t t
. .
(9) (9)
Using the continuity equation then Korzystanie z równania ciągłości następnie
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
K K
t t
dK dK
dy dy
y y
t t
dK dK
dy dy
q q
B B
B B
Q Q
x x
1 1
and substituting into (9) results in an equation in terms of Q as i podstawiając do (9) wyniki w równaniu w postaci Q
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
Q Q
t t
V V
Q Q
x x
D D
Q Q
x x
S S
2 2
2 2
in which V is the wave speed and D is a diffusion coefficient, has the form of an advective-diffusion model. , w której V jest prędkością fali, a D jest współczynnikiem dyfuzji, ma postać model dyfuzji adwekcyjnego. The
coefficients are given by podane są współczynniki
and i
V V
Q Q
KB KB
dK dK
dy dy
D D
K K
QB QB
S S
q q
KB KB
dK dK
dy dy
, ,
. .
2 2
2 2
For nearly prismatic channels, with the assumption that the pressure slope is small, then V is given by the Kleitz-Sneddon Dla kanałów pryzmatycznych prawie, przy założeniu, że nachylenie ciśnienie jest małe, to V jest przez Kleitz-Sneddon
law and the diffusion equation is simply given by (6). prawa i równania dyfuzji jest po prostu podane przez (6).
Price (1973) provides values for these coefficients for an irregular channel, which are functions of the channel properties. Cena (1973) zawiera wartości tych współczynników dla nielegalnych kanałów, które są funkcjami właściwości kanału.
The diffusion wave equation is capable of approximating the physical attenuation experienced by the flow because the Równanie falowe dyfuzji jest w stanie zbliżenia fizycznego osłabienia doświadczył przepływu, ponieważ
pressure slope is included in the momentum equation. nachylenie ciśnienie jest w równania pędu.
Cunge (1969) showed that an implicit finite difference approximation of the kinematic wave equation is a second-order Cunge (1969) wykazało, że domniemany skończonych zbliżenia różnica kinematycznego równania falowego jest drugiego rzędu
approximation of the diffusion equation. zbliżenia równania dyfuzji. He equated the numerical diffusion and wave speed in the kinematic wave On zrównał numerycznej dyfuzji i prędkości fali w fali kinematycznej
approximation with the corresponding coefficients in the diffusion equation using a Taylor series expansion of the finite zbliżanie odpowiednich współczynników równania dyfuzji przy użyciu rozszerzeń szereg Taylora, co skończone
difference equations. równań różnicowych. This provides expressions for the computational distance step and a finite difference weighting Zapewnia wyrażeń obliczeniowych krok odległość i różnica wagi skończonej
coefficient in terms of channel parameters and the computational time step used in the model. współczynnik w zakresie parametrów kanału i taktu obliczeniowych stosowanych w modelu. This produced the well- Spowodowało to dobrze
known Muskingum-Cunge method. znany Muskingum-Cunge metody.
3.3.2.2 3.3.2.2
Hydrological Models Modele hydrologiczne
Hydrological methods ignore the spatial variability in the problem. metody hydrologiczne ignorować zmienności przestrzennej w problem. They are generally based on the conservation of mass Na ogół są one w oparciu o zachowania masy
only. tylko. The unit hydrograph, lumped continuity or storage models, the Muskingum method and nonlinear storage are , Jednostki hydrogramu lumped ciągłości lub przechowywania modeli, metodę Muskingum i nieliniowych przechowywania
considered here to be hydrological methods. rozważane jest hydrologicznych metod. Some hydrological models can be interpreted as hydraulic models. Niektóre modele hydrologiczne mogą być interpretowane jako modeli hydraulicznych. The
Muskingum method is one approach that can be described as an approximation to the shallow water wave equations or in Metoda Muskingum jest podejście, które można określić jako zbliżenie się do płytkiej wody lub równania falowe w
terms of the conservation of mass. pod względem zachowania masy.
| Page 26 Strona 26 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
19 19
3.3.2.2.1 3.3.2.2.1
Unit Hydrograph Jednostka hydrogramu
For a storm of given duration, the unit hydrograph is defined as the hydrograph resulting from direct runoff produced by a Na burzę dany czas, hydrogramu jednostki określa się jako hydrogramu wynikające z odpływu wytwarzanego przez
unit of rainfall excess over a catchment. jednostki nadmiar opadów w ciągu zlewni. Hydrographs for storms of the same duration but different intensity can be Hydrographs burz tej samej długości, ale może być różne natężenie
obtained from the unit hydrograph by assuming a linear relationship between the hydrographs. uzyskane z hydrogramu jednostki, zakładając liniową zależność pomiędzy hydrogramów. The ordinates of the unit Rzędnych jednostki
hydrograph are multiplied by the actual excess runoff depth for the storm. hydrogramu mnoży się przez rzeczywisty odpływ głębokość nadmiar burzy. These unit hydrographs can be measured from Te hydrogramów urządzenie może być zmierzony z
individual catchments. poszczególnych zlewni. More commonly, the unit hydrograph is obtained using analytical techniques. Częściej jest tak, hydrogramu jednostki uzyskuje się przy użyciu technik analitycznych. For example, the Na przykład,
linear instantaneous unit hydrograph assumes that the catchment acts as a reservoir and the outflow is a linear function of chwilowego hydrogramu jednostki liniowej zakłada, że działa jako zlewni zbiornika i odpływu jest funkcja liniowa
storage, so that magazynowania, tak aby
S S
KO KO
in which S is the storage, O is the outflow and K > 1 is a constant storage coefficient. w którym S jest przechowywanie, O jest odpływ i K> 1 jest stałym współczynnikiem magazynowania. Combined with the continuity W połączeniu z ciągłości
equation for the reservoir równanie na zbiornik
dS dS
dt dt
IO IO
where I is the inflow, the exponential form of the instantaneous unit hydrograph for a single linear storage is (Chow gdzie jest napływ, wykładniczej postaci chwilowego hydrogramu urządzenia do przechowywania jednego jest liniowy (Chow
1964) 1964)
O t t O
K K
t K t K
( ) ()
exp( exp (
/ ). /).
1 1
A large catchment can be subdivided into equal sub-catchments with each sub-catchment considered as a separate linear Dużych zlewni mogą być podzielone na równe zlewniach z sub-sub-każdy zlewni traktowany jako oddzielny liniowy
storage. przechowywania. The instantaneous unit hydrograph for a cascade of n linear reservoirs is given by (Nash 1957) Chwilowa hydrogramu urządzenia do kaskady zbiorników liniowych n jest podane przez (Nash 1957)
O t t O
K n n K
t t
K K
t K t K
n n
( ) ()
( (
)! !)
exp( exp (
/ ) /)
1 1
1 1
1 1
which resembles a Gamma function. który jest podobny do funkcji Gamma. This model is linear because K is constant and does not consider translation of the Ten model jest liniowy, ponieważ K jest stała, a nie jako tłumaczenie
flow. przepływu. Nonlinear models (Kulandaiswamy 1964) and models which include translation, (Dooge 1959) have been modele nieliniowe (Kulandaiswamy 1964) i modele, które obejmują tłumaczenie pisemne, (Dooge 1959) zostały
developed. rozwiniętych.
3.3.2.2.2 3.3.2.2.2
Lumped Continuity or Storage Models Ciągłość Lumped lub bagażu Modele
Lumped continuity or storage models simply satisfy the conservation of mass. ciągłość Lumped lub modele pamięci po prostu spełniają zachowania masy. The catchment response is instantaneous Odpowiedź jest natychmiastowa zlewni
because the momentum equation is completely ignored. ponieważ równanie pędu jest całkowicie ignorowana. Replacing the spatial derivatives in (5) with finite differences so Wymiana przestrzennego w instrumenty pochodne (5) z różnic skończonych tak
that że
˜ ~
˜ ~
Q x Q x
IO IO
x x
/ /
/ /
1 6 1 6
' "
then następnie
dS dS
dt dt
IO IO
in which the storage S , w którym magazynowanie S
A x X
' "
. . This equation is known as the storage equation which is used in simple routing methods. Równanie to jest znane jako równanie przechowywania, które jest używane w proste metody routingu.
If the flow is assumed to be steady, then dS/dt = 0 and the flow model is simply a mass balance ( I = O ). Jeśli przepływ zakłada się stały, a następnie dS / dt = 0, a model przepływu jest po prostu bilansu masy (I = O).
The Modified Puls method solves the storage equation, which is expressed over a finite time interval, ∆ t as Zmodyfikowana metoda Puls rozwiązuje równanie przechowywania, który wyrażony jest przez skończony przedział czasu, ⊗ t jako
' "
' "
' "
t I t I
I I
S S
S S
tO tO
( (
) )
/ 2 / 2
1 1
2 2
1 1
1 1
2 2
2 2
. .
tO / 2 do / 2
(10) (10)
| Page 27 Strona 27 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
20 20
All the unknowns are on the right hand side of the equation. Wszystkie niewiadome są na prawej stronie równania. This method only requires the construction of two curves, S Ta metoda wymaga jedynie budowę dwóch krzywych, S
and S + ∆ tO /2 as a function of O . i S + ⊗ do / 2 w funkcji wyjść. For an initial outflow O W początkowym odpływ O
1 1
, the storage S , Przechowywanie S
1 1
is obtained from the S – O curve and the otrzymuje się z S - O krzywej oraz
quantity S ilość S
1 1
– ∆ tO - ⊗ tO
1 1
/2 can be computed. / 2 można obliczyć. The average inflow plus the quantity S Średni napływ plus ilość S
1 1
+ ∆ tO + ⊗ tO
1 1
/2 gives the quantity S / 2 daje ilość S
2 2
+ ∆ tO + ⊗ tO
2 2
/2. / 2.
Thus the outflow O W ten sposób odpływ O
2 2
corresponding to S odpowiadających S
2 2
– ∆ tO - ⊗ tO
2 2
/2 can be determined from the S + ∆ tO /2 – O curve. / 2 można wyznaczyć z S + ⊗ do / 2 - O krzywej. Colon and McMahon Colon i McMahon
(1987) found that this routing method produced significant errors in the simulated reservoir water depth, the discharge (1987) stwierdził, że ta metoda routingu przyniosły znaczące błędy w symulacji głębokość zbiornika wodnego, zrzut
from the reservoir and in the duration of a flood. ze zbiornika i czasu trwania powodzi. This was most pronounced under severe flood or reservoir release and Było to najbardziej widoczne w trudnych powodzi lub uwolnienia zbiornika i
during non-uniform spatial and temporal precipitation distributions. w niejednorodnym przestrzennych i czasowych rozkładów opadów. Under these conditions, the solution of the shallow W tych warunkach, rozwiązanie płytkich
water wave equations would be more appropriate. równania falowe wody byłby bardziej odpowiedni.
3.3.2.2.3 3.3.2.2.3
Muskingum Method Metoda Muskingum
In the Muskingum method, it is recognised that the storage in a river or reservoir depends on the inflow as well as the W metodzie Muskingum, uznaje się, że przechowywanie w rzece lub zbiornika zależy od napływu, jak również
outflow. odpływu. It is assumed that the storage is a linear function of inflow and outflow, such that Zakłada się, że przechowywanie jest funkcją liniową napływu i odpływu, na przykład, że
SK XI SK XI
1 XO 1 XO
( (
( (
) ) ))
in which K and X are empirical constants to be determined by trial and error. w którym K i X są stałe empiryczne się metodą prób i błędów. Substituting into (9) and after simplifying Podstawiając w (9), a po uproszczeniu
O O
CI CI
CI CI
CO CO
2 2
1 2 1 2
2 1 2 1
3 1 3 1
in which , w którym
C C
KX - t / 2 KX - t / 2
, C , C
KX KX
t / t /
, C , C
KX - t / KX - t /
K(1 X) K (1 X)
t / t /
. .
1 1
2 2
3 3
' "
' "
' "
' "
D D
D D
D D
D D
2 2
2 2
and i
2 2
3.3.2.2.4 3.3.2.2.4
Nonlinear Storage Nieliniowa bagażu
In the nonlinear storage methods, the storage is expressed as a nonlinear function of outflow so that W nieliniowych metod składowania, składowanie jest wyrażona w nieliniowej funkcji odpływu tak, aby
S S
KO KO
w w
m m
where gdzie
O O
XI XI
XO XO
w w
( (
) )
1 1
and m is some power. i m jest pewną siłę. Substituting into the discretised storage equation (9), then Podstawiając do równania discretised przechowywania (9), a następnie
O t t O
KO KO
IIO IIo
t t
KO KO
w w
m m
w w
m m
2 2
2 2
1 1
1 1
2 2
2 2
2 2
1 1
' "
' "
( (
) )
. .
All the terms on the right hand side are known. Wszystkie warunki, na prawej stronie są znane. Since this equation is nonlinear, an iterative scheme is required for its Od tego równania jest nieliniowa, powtarzający się schemat jest niezbędne do jego
solution. rozwiązania. If m = 1 then the model is identical to the linear Muskingum method. Jeśli m = 1, to model jest identyczny z metody liniowej Muskingum.
3.4 3.4
Approaches to Storm Water Quality Modelling Podejścia do modelowania jakości wody Storm
Water quality modelling approaches are very similar to those used to model water quantity. Modelowanie jakości wody podejścia są bardzo podobne do tych używanych do modelowania ilości wody. Statistical and empirical Statystyczne i empiryczne
models are also relevant for the modelling of pollutants. modele są również istotne dla modelowania zanieczyszczeń. In deterministic models however, the transport of pollutants is W modeli deterministycznych jednak transportu zanieczyszczeń jest
modelled using a single equation, the conservation of mass, which includes the two fundamental transport processes, modelowane za pomocą jednego równania zachowania masy, która obejmuje dwa podstawowe procesy transportu,
advection and diffusion . adwekcji i dyfuzji. Advection describes the process by which pollutants are conveyed by moving water. Adwekcja opisuje proces, w którym zanieczyszczeń są przekazywane przez płynącą wodę. Diffusion is Dyfuzja
| Page 28 Strona 28 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
21 21
the transportation of pollutants in the direction of decreasing gradient by molecular processes or turbulent fluctuations in transportu zanieczyszczeń w kierunku zmniejszenia gradientu procesów molekularnych czy zakłócenia wahań
the water. wody. This process can occur in quiescent fluid. Proces ten może występować w spoczynku płynu. In general, turbulent diffusion is much larger than molecular Ogólnie rzecz biorąc, dyfuzja turbulentna jest znacznie większa niż molekularnej
diffusion. dyfuzji. The transport of pollutants is dominated by the advection by flowing water. Transportu zanieczyszczeń jest zdominowany przez adwekcji przez płynącą wodę. Diffusion is a secondary process. Dyfuzja jest procesem wtórnym. A
one-dimensional analysis of the transport of pollutants is usually undertaken in urban catchments where the jednowymiarową analizę transportu zanieczyszczeń jest zazwyczaj podejmowane w zlewni miejskich, gdzie
concentrations represent cross-sectional averages (Fisher et al . 1979). stężenia stanowią przekrój średnie (Fisher i in. 1979).
In storm water modelling, pollutants are treated as neutrally buoyant material, which are transported by fluid motion. W modelowaniu wody deszczowej, zanieczyszczeń traktowane są jako kamizelki materiały, które są transportowane przez ruch płynu. The
behaviour of the fluid is assumed to be unaffected by the pollutant and can therefore be calculated independently of the zachowanie się płynu przyjmuje się odporne na zanieczyszczenia i dlatego może być obliczany niezależnie od
pollutant transformations. zanieczyszczeń transformacji. This is not the case for example, with a thermal power station discharging highly saline water Ta woda nie jest tak na przykład, o mocy cieplnej stacji rozładowania wysoko soli
into a freshwater body. do zbiorników słodkowodnych. The difference in density between the two bodies of water may induce density currents in the Różnica w gęstości pomiędzy tymi dwoma organami wody może powodować prądy gęstość
flow. przepływu. In this case, the flow and pollutant models are coupled and must be solved simultaneously. W tym przypadku, przepływ i zanieczyszczeń modele są połączone i muszą zostać rozwiązane jednocześnie. Sediment transport is transport osadów
another example where the flow and sediment transport should be modelled as a coupled system. kolejny przykład, gdzie i osadów transportu przepływu powinny być modelowane jako połączeniu systemu. However, this is seldom Jest to jednak rzadko
done. zrobić.
3.4.1 Statistical and Empirical Approaches 3.4.1 statystyczne i empiryczne podejścia
Statistical models for estimating storm water quality are also based on regression analysis between water quality and Modele statystyczne do oceny jakości wody deszczowej są również oparte na analizie regresji pomiędzy jakością wody i
relevant explanatory variables (see, for example Driscoll et al . 1979 and Driver and Tasker 1990, Driver and Troutman istotnych zmiennych objaśniających (zob. np. et al Driscoll. 1979 i sterownik i Tasker 1990, sterowników i Troutman
1989). 1989). Regression models have been widely used to describe event mean concentrations (EMC) and total storm event modele regresji są powszechnie stosowane do opisu przypadku średnie stężenia (EMC) i całkowitej razie burzy
load (Huber 1992a). obciążenia (Huber 1992a).
An important phenomenon relating to solids accumulation and to pollutant generation and discharge from impervious Ważnym zjawiskiem w odniesieniu do gromadzenia stałych i zanieczyszczeń generacji, a absolutorium z nieprzepuszczalnych
surfaces is the first flush . powierzchni to pierwszy kolor. The first flush relates to the high concentrations of pollutants, especially solids, which often Pierwszy kolor dotyczy wysokie stężenia zanieczyszczeń, zwłaszcza stałych, które często
occur in the early portion of a runoff event. wystąpić na początku część imprezy tury. Material that has accumulated on a surface during dry weather and material Materiał, który zebrał się na powierzchni w czasie suchej pogody i materiałów
that has previously been deposited in channels and pipes and is scoured by the flow are primary sources of pollutants in , który został wcześniej złożony w kanałów, rur i prane przez przepływ to główne źródła zanieczyszczeń w
the first flush. pierwszy montaż. The impact of higher rainfall intensities at the beginning of a storm dislodges particles and as the storm Wpływ na wyższą intensywność opadów na początku burzy wypiera cząsteczki i jak burza
continues, less pollutant is available to be conveyed by the runoff. nadal, mniej zanieczyszczeń jest dostępna ma być przekazana przez odpływ. This also contributes to the first-flush effect. Przyczynia się to także efekt pierwszy montaż. The
wash-off of pollutants is therefore greater near the beginning of a storm. wymywanie zanieczyszczeń jest zatem większa w pobliżu początku burzy. Between storm events, pollutants accumulate on Od wydarzeń burzy, zanieczyszczenia gromadzą się na
impervious surfaces. nieprzepuszczalnej powierzchni. This is known as the buildup process. Jest to znane jako proces elektrostatycznym. Urban runoff quality models attempt to incorporate the build modele Urban jakości odpływu próbę włączenia do budowy
up and wash-off process using an empirical exponential washoff and the buildup functions . i wymywanie procesu za pomocą empirycznych wykładniczy washoff i funkcji elektrostatycznym. In the washoff model, the rate W modelu washoff, stopa
at which a pollutant is washed off the surface is assumed to be proportional to the availability of the pollutant on that , w którym zanieczyszczenia zmyć powierzchnię przyjmuje się proporcjonalnie do dostępności zanieczyszczeń w tym
surface. powierzchni. A typical washoff function is Typowa funkcja washoff jest
dP dP
dt dt
k rP rP k
w w
w w
w w
= − = -
in which P w którym P
w w
( t ) is the mass of pollutant at time t , k (T) oznacza masę zanieczyszczeń w czasie t, k
w w
is an empirical pollutant removal coefficient and r is the runoff flow empiryczny współczynnik usuwania zanieczyszczeń i r jest przepływ odpływu
rate. stawki. It has the following solution Posiada następujące rozwiązanie
P t t P
P P
k rt rt k
w w
w w
w w
( ) ()
( )exp( () Exp (
) )
= =
− -
0 0
where P gdzie P
W W
( 0 ) is the initial pollutant concentration. (0) jest początkowym stężeniu zanieczyszczeń. The buildup function suggested by Novotny (1995) is Funkcja gromadzeniu sugeruje Novotny (1995)
dP dP
dt dt
I k P I P k
B B
BB BB
= − = -
| Page 29 Strona 29 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
22 22
which has the following analytical solution która ma następujące rozwiązanie analityczne
P t t P
I I
kt kt
k k
P P
kt kt
B B
B B
B B
B B
B B
( ) ()
( (
exp( exp (
)) / )) /
( )exp( () Exp (
) )
= =
− -
− -
+ +
− -
1 1
0 0
in which P w którym P
B B
( t ) is the buildup of pollutant load at time t , I is the accumulation of pollutant between storms and k (T) jest gromadzeniu się ładunku zanieczyszczeń w czasie t, to jest gromadzenie się zanieczyszczeń między burze i k
B B
is the jest
coefficient of pollutant buildup. współczynnik zanieczyszczenia materiałem. The coefficients for both functions are determined from measured concentrations. Współczynniki dla obu funkcji są ustalane od stężenia zmierzonego.
3.4.2 Mass Transport Equation 3.4.2 Równanie transportu masy
The basic equations that incorporates the advection and diffusion processes and is used to describe the behaviour of a Podstawowe równania, które zawiera adwekcji i dyfuzji procesów i jest używany do opisu zachowania
pollutant in a stream, is the one-dimensional conservative advective-diffusion equation zanieczyszczeń w strumieniu, jest jednowymiarowe równanie dyfuzji konserwatywno-adwekcyjnego
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
¹ ¹
“ "
(AC) (AC)
t t
x x
AD AD
C C
x x
x x
uA C uA C
S(C,x,t) S (C, x, t)
x x
x x
x x
x x
1 6 1 6
in which, C is the thermal energy or constituent concentration, t the time, x is distance, u is the advection velocity, A w którym C jest energii cieplnej lub stężenia składnika, t czas, x jest odległość, u jest prędkością adwekcji,
x x
the
cross-sectional area, D przekrój, D
x x
the diffusion coefficient and S ( C,x,t ) are all sources and sinks. współczynnik dyfuzji i S (C, x, t) są źródła i odpływy. This equation includes the Równanie to zawiera
advection of pollutant by the flowing water, diffusion of pollutant in the stream, constituent reactions, interactions and adwekcji zanieczyszczeń przez wody płynącej, dyfuzja zanieczyszczeń w strumieniu, reakcje składowe, interakcji i
sources and sinks. źródła emisji i pochłaniania. Assuming that A Zakładając, że
x x
and D i D
x x
are constant and using the flow continuity equation są stałe i za pomocą równania ciągłości przepływu
∂ ∂
∂ ∂
+ +
∂ ∂
∂ ∂
= =
(AC) (AC)
t t
x x
uA uA
x x
x x
1 6 1 6
0 0
then następnie
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
“ "
C C
t t
D D
C C
z z
u u
C C
z z
S S
x x
2 2
2 2
which is the form of the advective-diffusion equation used in models like HEC – 5Q and WQRRS which are included in który jest postaci równania dyfuzji adwekcyjnego wykorzystywaną w modelach takich jak HEC - 5Q i WQRRS które są zawarte w
this review. tego przeglądu. The source term includes sinks and sources for conservative pollutants. Termin źródłowy obejmuje umywalki i źródeł zanieczyszczeń konserwatywnych. For non-conservative pollutants, it Na non-konserwatywnym zanieczyszczeń, to
can also include a production or loss of a pollutant, with or without interaction with another pollutant. może również zawierać produkcji lub utraty zanieczyszczenia, z lub bez interakcji z innym zanieczyszczeń. This is known as a Jest to znane jako
kinetic process . kinetyczny procesu. These include the chemical and physicochemical processes. Są to procesy chemiczne i fizykochemiczne. The general form of such terms is Ogólna postać takich warunków jest
dC dC
dt dt
CT CT
j j
j j
i i
i i
f C f C
( , (,
, ) ,)
in which the rate of change in pollutant C , w którym dynamika zanieczyszczeń C
i i
is dependent on C zależy od C
i i
and other pollutants C i innych zanieczyszczeń C
j j
and temperature T . i temperatury T. Generally kinetic Ogólnie kinetycznej
processes are adequately described by first-order relationships of the form procesy są odpowiednio opisane przez pierwszego rzędu relacje postaci
dC dC
dt dt
KC KC
in which K is the first-order rate coefficient and the negative sign indicates decay or loss. w której K jest rzędu stopy pierwszy współczynnik a minus oznacza rozpad i strat. Zero-order processes are Zero-order procesów
described by expressions of the form, dC / dt = - K . opisanych przez wyrażenia postaci, DC / dt = - K. Second-order processes involve dC / dt ∝ C Second-order sposoby obejmują dC / dt 〈 C
2 2
. . Higher-order or more Wyższego rzędu lub więcej
complicated expressions could also be used. skomplikowanych wyrażeń może być także użyta. Chemical reactions can be described by zero-order, first-order, second-order Reakcje chemiczne mogą być opisane przez zerowego rzędu, pierwszego rzędu, drugiego rzędu
or third-order processes. lub trzeciego rzędu procesów. Generally, first-order processes are used. Ogólnie rzecz biorąc, pierwszego rzędu procesy są stosowane. Due to the complex interactions in ecological Ze względu na interakcje w ekologiczne
processes, (see for example Jogenson 1982,1988) second and third-order kinetics is used to describe them. procesów, (patrz na przykład Jogenson 1982,1988) drugiego i trzeciego rzędu kinetyki jest używany do opisywania ich.
Some pollutants are usually coupled, that is when one pollutant decays another may be formed or degrade. Niektóre zanieczyszczenia są zwykle w połączeniu, wtedy jednego z zanieczyszczeń rozpada innym mogą być tworzone lub degradacji. This will lead Doprowadzi to
to a set of simultaneous equations. z zestawem równań. The advantage of first-order processes, which are coupled, is that the overall first- Zaletą pierwszego rzędu procesów, które są połączone, jest to, że ogólny pierwszego
order rate coefficient is the sum of the first-order rates for the individual pollutants. wskaźnik celu współczynnika jest sumą pierwszego rzędu stawek za poszczególne zanieczyszczenia. The dissolved oxygen sag is a good Tlenu rozpuszczonego sag jest dobry
| Page 30 Strona 30 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
23 23
example. przykład. Receiving water experiences a depletion of dissolved oxygen due to the inflow of organic material. wody przyjmującej doświadczenia wyczerpywanie tlenu rozpuszczonego ze względu na napływ surowców organicznych. The sag Sag
curve is due to two competing processes. krzywa jest wynikiem dwóch procesów konkurencyjnych. BOD causes the level of dissolved oxygen to drop and re-aeration replaces BOD powoduje, że poziom tlenu rozpuszczonego spadać i ponownie napowietrzania zastępuje
dissolved oxygen from the atmosphere. rozpuszczonego tlenu z atmosfery. Therefore, two interacting relationships are required to model the sag curve. Dlatego dwie interakcji relacje są zobowiązane do modelu krzywej ugięcia. The
advective diffusion equation is written for each pollutant. adwekcyjnego równanie dyfuzji jest przeznaczony dla każdego z zanieczyszczeń. These are Są to
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
“ "
C C
t t
D D
C C
z z
u u
C C
z z
S S
BOD BZT
x x
BOD BZT
BOD BZT
BOD BZT
2 2
2 2
dC dC
dt dt
BOD BZT
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
“ "
C C
t t
D D
C C
z z
-u -U
C C
z z
S S
DO NIE
x x
DO NIE
DO NIE
DO NIE
2 2
2 2
dC dC
dt dt
DO NIE
in which C w którym C
BOD BZT
is the concentration of BOD, C jest stężenie BOD, C
DO NIE
is the concentration of DO and S represents sources or sinks. jest stężeniem DO i S reprezentuje źródeł lub umywalki. The term Określenie
dC / dt represents kinetic processes. dC / dt reprezentuje kinetyczna procesów. Generally, these are described by first-order kinetic relationships. Ogólnie rzecz biorąc, są opisane przez pierwszego rzędu kinetycznej relacji. The time rate of Wskaźnik czasu
change in BOD is assumed to be governed by zmiany w BOD zakłada podlegać
dC dC
K K
BOD BZT
dt dt
KC KC
BOD BZT
= − = -
+ +
( (
1 1
3 3
) )
in which K w którym K
1 1
is the first-order BOD reaction coefficient and K BOD jest kolejność pierwszej reakcji i współczynnik K
3 3
is the first-order decay coefficient for the removal of BOD jest rzędu rozkładu pierwszy współczynnik do usuwania BZT
by sedimentation and adsorption. przez sedymentacji i adsorpcji. The term - K Termin - K
1 1
C C
BOD BZT
governs the rate of removal of BOD which is exactly equal to the rate reguluje tempo usuwania BZT która jest dokładnie równa stawce
of removal of dissolved oxygen. usuwania rozpuszczonego tlenu. In addition, there is a saturation threshold for dissolved oxygen. Ponadto, istnieje próg nasycenia tlenu rozpuszczonego. Therefore, a suitable W związku z tym odpowiednie
first-order reaction for DO is Reakcji pierwszego rzędu jest na NIE
dC dC
K Cs K Cs
K K
DO NIE
DO NIE
dt dt
C C
C C
DO NIE
DO NIE
2 2
1 1
( (
) )
in which K w którym K
2 2
is the first-order re-aeration coefficient and Cs is the saturated dissolved oxygen concentration. jest pierwszym celem ponownego współczynnik napowietrzania i Cs jest nasycony stężenia rozpuszczonego tlenu. The equation Równanie
for BOD concentration can be solved independently of the DO equation. na stężenie BOD można rozwiązać samodzielnie równania DO. However, the DO equation cannot be solved Jednak równanie nie może być rozwiązany
until C do C
BOD BZT
is known. jest znana. Therefore, the equations can be solved either simultaneously, using an implicit finite difference Dlatego, równania można rozwiązać albo jednocześnie, przy użyciu ukrytych różnic skończonych
scheme or in a two step process using an explicit finite difference scheme, solving for BOD then for DO. programu lub w dwóch krokach za pomocą wyraźnych schematy różnic skończonych, rozwiązywanie BOD następnie do DO.
This simple example illustrates a way in which chemical and the transport process are combined. Ten prosty przykład pokazuje, w jaki sposób chemiczny i proces transportu są połączone. This is a common Jest to wspólne
approach adopted in many water quality models. Podejście przyjęte w wielu modelach jakości wody.
The above transformations are not restricted to the advective-diffusion equation. Powyższe przekształcenia nie są ograniczone do równania dyfuzji adwekcyjnego. They can be used with any transport Mogą być używane z każdym transportu
equations. równań. As with the hydraulic analysis, many water quality models use simplifications to the advective diffusion Podobnie jak w przypadku analizy hydrauliczne, wiele modeli jakości wody korzystanie z uproszczeń do dyfuzji adwekcyjnego
equation. równania. These include completely mixed reactor and plug flow . Są to całkowicie mieszane reaktora i przepływem tłokowym.
3.4.3 Completely Mixed Flow 3.4.3 Całkowicie diagonalne
A completely mixed reactor flow is based on the continuity equation only. Całkowicie diagonalne reaktora opiera się na równanie ciągłości tylko. This simplification is analogous to the storage Uproszczenie to jest analogiczne do przechowywania
equation in the hydraulic analysis. równanie w hydraulicznym analizy. Complete mixing occurs instantaneously. Pełne mieszanie występuje natychmiastowo. The rate of change in mass of a pollutant is Tempo zmian w masę zanieczyszczeń jest
given by wydane przez
V V
C C
t t
QC QC
x x
KCV S KCV S
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
“ "
( (
) )
in which V is the volume of the conduit and the equation contains a first-order decay and source term. , w której V jest objętością przewodu i równania zawiera rozpadu pierwszego rzędu i terminu źródłowego.
| Page 31 Strona 31 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
24 24
3.4.4 Plug Flow 3.4.4 Plug Flow
Plug flow satisfies the continuity equation and includes travel time in the transport process. przepływu Plug spełnia równanie ciągłości i obejmuje czas podróży w procesie transportu. This is achieved by assuming Jest to możliwe przy założeniu,
that the input of flow over any time step behaves as a plug of fluid with homogenous quality travelling through a storage że wkład przepływu w dowolnym etapie czas zachowuje się jak plug płynu o jednorodnej jakości podróży poprzez składowanie
or along a channel. lub wzdłuż kanału. The storage consists of a series of these plugs and their retention time in the storage is determined by Składowania składa się z serii tych wtyczek i czasu ich przechowywania w magazynie jest określana przez
the amount of outflow from the storage. wysokość odpływu z pamięci. Changes in concentration between the plugs can occur during the retention time. Zmiany w stężeniu od wtyczki mogą wystąpić w okresie przechowywania.
The rate of change with time of a pollutant in plug flow is given by (Tchobanoglous and Schroeder 1987) Tempo zmian w czasie zanieczyszczenia w przepływu tłokowego jest przez (Tchobanoglous i Schroeder 1987)
∂ ∂
∂ ∂
= − = -
∂ ∂
∂ ∂
− -
± ±
C C
t t
Q Q
A
C C
x x
KC S KC S
4. 4.
OTHER ASPECTS OF URBAN STORM WATER MODELLING INNE ASPEKTY ścieków STORM MODELOWANIE
Water resources management planning involves the identification and evaluation of various management alternatives that Gospodarki wodnej planowania zasobów polega na identyfikacji i oceny różnych wariantów zarządzania
satisfy certain objectives. spełniają określone cele. These objectives might involve ( i ) economic factors, often expressed in terms of costs and ( ii ) Cele te mogą obejmować (i) czynniki ekonomiczne, często wyrażane w kategoriach kosztów i (ii)
water quality goals, which are often water quality standards imposed by regulatory authorities. celów jakości wody, które często są normy jakości wody nałożonych przez organy regulacyjne. Water resources Zasoby wodne
management models usually include a water quality and quantity modelling component. modeli zarządzania składają się zwykle z jakości i ilości wody modelowania części. In addition to describing the Oprócz opisu
behaviour of the flow and water quality in a catchment, they may also include cost functions for alternative management zachowanie przepływu i jakości wody w zlewni, mogą one także obejmować funkcje zarządzania kosztów alternatywnych
strategies. strategii. Given the large number of alternative management strategies and constraints that must be satisfied, some Względu na dużą liczbę alternatywnych strategii zarządzania i ograniczenia, które muszą być spełnione pewne
models include an optimisation technique. modele zawierają techniki optymalizacji. Optimisation is used to determine optimum values for a given set of decision Optymalizacja jest używany do określenia optymalnych wartości dla danego zbioru decyzji
variables that will maximise or minimise an objective function, usually cost. zmienne, które będą zmaksymalizować lub zminimalizować funkcję celu, zazwyczaj kosztują.
Planning decisions are greatly enhanced if confidence limits, which reflects the uncertainty in the decision making decyzje planistyczne są znacznie większe, gdyby granice ufności, co odzwierciedla niepewność w podejmowaniu decyzji
process can be placed on the results of a model. procesu mogą być wprowadzane na podstawie wyników modelu. This uncertainty may arise from; ( i ) natural or inherent uncertainty Niepewność ta może wynikać z: (i) osoby fizyczne lub niepewność nieodłącznie
(random variability in the hydrological processes or in costs), ( ii ) model uncertainty (from the use of a simplified model (Random zmienności procesów hydrologicznych i kosztów), (ii) niepewności modelu (z korzystania z uproszczonego modelu
to describe a complex physical process) and ( iii ) parameter uncertainty (model parameters are not known with certainty). do opisu złożonych procesów fizycznych) oraz (iii) niepewności parametrów (parametry modelu są znane z pewnością).
Uncertainty analysis is a technique that can be used to quantify uncertainty in the modelling results. Analiza niepewności jest techniką, która może być użyty do oszacowania niepewności w modelowaniu wyników. Uncertainty analysis Analiza niepewności
can be used to identify the dominant sources of uncertainty affecting the reliability of the results from a model. może być używany do identyfikacji głównych źródeł niepewności dotyczących wiarygodności wyników z modelu. This will Będzie to
focus both data gathering and research activities in an attempt to reduce the uncertainty in these parameters and in the koncentrować się zarówno gromadzenia danych i badań naukowych w celu zredukowania niepewności tych parametrów oraz w
modelled results. wzorowany wyników.
4.1 4.1
Optimisation Optymalizacja
Optimisation provides a mechanism to automate a systematic series of executions of a model in search of an optimum Optymalizacja zapewnia mechanizm automatycznego systematyczne serie egzekucji model w poszukiwaniu optymalnych
solution from a range of possible outcomes. rozwiązania z zakresu możliwych wyników. The best solution may be a minimum in the least cost sense or the largest Najlepszym rozwiązaniem może być co najmniej w sensie kosztów lub przynajmniej największych
improvement for a given investment. poprawy dla danej inwestycji. This is defined mathematically by the objective function . Jest to określone matematycznie przy funkcji celu. The coupling of a storm Sprzęgło się burzy
water model with an optimisation technique represents an important and powerful tool for the management of urban model wody z techniki optymalizacji stanowi ważne i potężne narzędzie do zarządzania miejskiego
storm water. burza wody. Optimisation techniques available include; ( i ) linear programming, ( ii ) nonlinear programming, ( iii ) dynamic Dostępne są również techniki optymalizacji (i) programowania liniowego, (ii) programowania nieliniowego, (iii) dynamiczny
programming and ( iv ) simulated annealing. programowania oraz (iv) symulowanego wyżarzania. Simulated annealing (Kirkpatrick et al . 1983) is not commonly employed in Symulowane wyżarzanie (Kirkpatrick et al. 1983) nie jest powszechnie stosowana w
| Page 32 Strona 32 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
25 25
water resources problems, with other approaches being more common. problemów zasobów wodnych, z innych metod jest bardziej powszechne. Examples in water resources projects where Przykłady projektów, w których zasoby wodne
optimisation techniques have been reported are; Allen and Bridgeman (1986), Behera et al . technik optymalizacji były zgłaszane są, Allen i Bridgeman (1986), Behera et al. (1999), Brendecke et al . (1999), Brendecke et al.
(1989), Carriaga and Mays (1995), Chu and Yeh (1978), Chung et al . (1989), Carriaga i Mays (1995), Yeh Chu (1978), Chung et al. (1989), Diaz and Fontane (1989), Ford et al . (1989), Diaz i Fontane (1989), Ford i in.
(1981), Labadie et al . (1981), Labadie et al. (1980), Lansey and Basnet (1991), Lindell et al . (1980), Lansey i Basnet (1991), Lindell et al. (1987), Martin (1983, 1987), Nitivattananon et al . (1987), Martin (1983, 1987), Nitivattananon et al.
(1996) and Ostfeld and Shamir (1996). (1996) i Ostfeld i Shamir (1996).
Optimisation is also used in some models to calibrate model parameters. Optymalizacja jest także stosowany w niektórych modelach do kalibracji parametrów modelu. This is a process whereby the model response is Jest to proces, w którym jest model odpowiedzi
fitted to an observed catchment response by adjusting a number of model parameters. zamocowany do obserwowanych reakcji zlewni poprzez dostosowanie liczby parametrów modelu. This is done in an automatic and Odbywa się to automatycznie i
systematic way using an optimisation procedure. systematyczny sposób za pomocą procedury optymalizacji.
4.1.1 Linear Programming 4.1.1 programowania liniowego
The general form of the linear programming problem is as follows Ogólna postać zadania programowania liniowego jest następująca
minimize (or maximize) zminimalizować (lub zwiększyć)
subject to z zastrzeżeniem
for dla
and i
for dla
Z Z
cx cx
ax topór
b b
i 1,2,...,m i 1,2 ,..., m
x x
0 0
j 1,2,...,n j 1,2 ,..., n
jj jj
j 1 j 1
n n
ij j ij j
i i
j 1 j 1
n n
j j
Ç Ç
… ...
Ç Ç
• •
in which Z is the objective function, x w którym Z jest funkcją celu, x
j j
are the decision variables, c są zmienne decyzyjne, c
j j
, a ,
ij ij
and b oraz b
i i
are constants, n is the number of decision są stałe, n to liczba decyzji
variables and m is the number of constraints. zmiennych i m jest liczbą ograniczeń. The problem consists of minimising a linear objective function subject to a Problem polega na minimalizacji funkcji liniowej cel temat do
set of linear constraints. zestaw liniowe. Their advantage is that simple and efficient solution algorithms exist, such as the simplex Ich zaletą jest to, że proste i skuteczne rozwiązanie istniejących algorytmów, takich jak simplex
algorithm (Press et al . 1992). algorytm (Press et al. 1992). It is relatively simple to include the nonegativity constraint. Jest to stosunkowo proste to ograniczenie nonegativity. This is important when dealing Jest to istotne, gdy ma do czynienia
with physical quantities, for example, the number of pipes must have a positive value. z wielkości fizycznych, na przykład, liczba przewodów, musi mieć wartość dodatnią. The linearity restriction of linear Ograniczenie liniowość liniowy
programming restricts its applicability. programowania ogranicza jej stosowanie. Nevertheless, many water resources problems can be described realistically by Niemniej jednak wiele problemów zasobów wodnych można określić realistycznie przez
linear objective functions and constraints. liniowej funkcji celu i ograniczeń.
4.1.2 Dynamic Programming 4.1.2 Programowanie dynamiczne
The dynamic programming approach involves decomposing a complex problem into a series of simpler sub-problems, Dynamiczne podejście do programowania wymaga dekompozycji złożonego problemu na szereg prostszych sub-problemy,
which are solved sequentially by transferring information from one level to the next level of the computations. które są rozwiązywane po kolei poprzez przekazywanie informacji z jednego poziomu na następny poziom obliczeń. These Te
stages can represent different points in space or time or activities with a decision required at each stage. etapach może reprezentować różne punkty w przestrzeni, czasu lub działań z decyzji wymaganych na każdym etapie. For an N -stage Na scenie-N
problem, the order of the forward computation is problem, kolejność obliczeń jest do przodu
fx fx
fx fx
f f
x x
fx fx
f f
x x
i i
i i
i i
i i
N N
N N
1 1
1 1
2 2
2 2
1 1
1 1
( ) ()
( ) ()
( (
) )
( ) ()
( (
) )
¹¹ ¹ ¹ ¹ ¹
¹¹ ¹ ¹ ¹ ¹
in which f w którym f
i i
( x (X
i i
) is the cumulative optimum return for stages 1,2,…, and i given the state of the system is x ) Jest optymalny łączny zamian za etapów 1,2, ..., a ja ze względu na stan systemu jest x
i i
. . This pattern can Ten wzór można
be written as a recursive equation relating the states f być zapisana jako równanie rekurencyjne dotyczące państw f
i i
( x (X
i i
) to f ) Do f
i-1 i-1
( x (X
i-1 i-1
) as ), Jak
fx fx
R R
m m
c c
x x
m m
m m
1 1
1 1
1 1
1 1
1 1 1 1
1 1
1 1
( ) ()
max { max {
} }
, ,
, ,
U U
and i
| Page 33 Strona 33 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
26 26
fx fx
R R
f f
x x
c c
i i
N N
i i
i i
m m
c c
x x
im im
i i
i i
im im
i i
i mi i mi
i i
i i
i i
( ) ()
max { max {
( (
)}, )},
,2,..., , 2 ,...,
, ,
, ,
, ,
U U
1 1
1 1
in which c w którym c
im im
i i
, ,
is the penalty for alternative m jest kara za alternatywne m
i i
for state i and R i dla państwa i R
im im
i i
, ,
is the return function of a decision. jest funkcją powrotu decyzji. The conversion from Konwersji
x x
i-1 i-1
to x do x
i i
is usually referred to as state transformation . jest zwykle określane jako transformacja państwa. Each stage must have a number of other states associated with it. Każdy etap musi mieć szereg innych państw z nią związanych.
The states describe the possible conditions in which the system might be at that stage of the computations. Państw opisują możliwe warunki, w których system może być na tym etapie obliczeń. The effect of a Wpływ
decision at each stage of the problem is to transform the current state of the system into a state associated with the next decyzji na każdym etapie tego problemu jest przekształcenie obecnego stanu systemu w stan powiązane z kolejnym
stage. etapie. The connection between various states is defined by a decision. Połączenie pomiędzy różnymi stanami jest zdefiniowany przez decyzję. The state of the system represents the link between Stan systemu reprezentuje związek między
successful stages so that when each stage is optimised separately, the resulting decision is automatically feasible for the sukces etapach, tak aby po każdym etapie jest zoptymalizowany oddzielnie, w wyniku decyzji jest automatycznie wykonalne dla
entire problem. cały problem. It also allows for the optimum decision to be made for the remaining stages without checking the effect Pozwala też na optymalne podejmowaniu decyzji na pozostałych etapach bez sprawdzenia wpływu
future decisions have on decisions made previously. przyszłe decyzje w sprawie decyzji podejmowanych wcześniej. A return function is the utility or cost of each potential state Funkcja powrotu jest narzędzie lub koszt każdego potencjalnego państwa
transformation. transformacji. The optimality of the decision required at the current stage is judged in terms of its impact on the return Optymalności decyzji wymaganych na obecnym etapie jest oceniany pod względem jego wpływu na zwrot
function for the current stage and all subsequent stages. funkcji dla aktualnego etapu i wszystkich kolejnych etapów.
The recursive equations are the only unifying theory for dynamic programming, it does not provide details on how the Rekurencyjne równania są tylko ujednolicenie teorii programowania dynamicznego, nie zawiera informacji na temat sposobu, w jaki
optimisation for each sub-problem is solved. optymalizacja dla każdego pod-problem jest rozwiązany. In addition, there is no guarantee that each sub-problem can be solved. Ponadto nie ma gwarancji, że każdy sub-problem może być rozwiązany.
Dynamic programming, although considered as a powerful technique, is generally more difficult to learn and understand Programowanie dynamiczne, choć traktowane jako potężna technika, jest na ogół trudne do opanowania i zrozumienia
than linear programming. niż programowania liniowego.
4.1.3 Nonlinear Programming 4.1.3 programowania nieliniowego
Many problems in water resources are nonlinear. Wiele problemów w zasoby wodne są nieliniowe. In some instances, the problem may be linearised and linear W niektórych przypadkach problem może być linearyzowany i liniowe
programming is employed in an iterative scheme where the solution is refined with each iteration. programowania jest zatrudniony w iteracyjnej, w ramach których rozwiązanie jest oczyszczany z każdej iteracji. Robust methods are Solidna są metody
available for optimising nonlinear functions. dostępne dla optymalizacji nieliniowej funkcji. Nonlinear optimisation algorithms can be classified broadly as search Nieliniowe algorytmy optymalizacji można podzielić zasadniczo jako wyszukiwania
methods. metod. The algorithm systematically and automatically searches through all feasible solutions and finds a solution, Algorytm systematycznie i automatycznie przeszukuje wszystkie możliwe rozwiązania i znajdzie rozwiązanie,
which satisfies the objective function. spełnia funkcji celu. Search techniques such as conjugate gradient and pattern search methods, are Szukaj takich technik, jak i metody gradientu sprzężonego wyszukiwania wzór, są
simple to implement with complex models. proste do wykonania złożonych modeli. In many nonlinear programming techniques, the search direction is governed W wielu nieliniowych technik programowania, kierunek wyszukiwania podlega
by the local slope of the function being optimised. przez lokalne nachylenie funkcji jest optymalizowana. Successful moves are generally in a downhill direction. Udane ruchy są na ogół w dół kierunku. Unfortunately, Niestety,
this strategy may only locate a local and not the global minimum and the iterative nature of the approach means that Strategia ta może znaleźć lokalny i nie minimum globalnego i wielokrotny charakter podejście oznacza, że
nonlinear programming can be computationally expensive. programowania nieliniowego mogą być kosztowne obliczeniowo.
4.2 4.2
Uncertainty Analysis Analiza niepewności
Uncertainty analysis can be performed analytically or numerically. Analiza niepewności można wykonać analitycznie lub numerycznie. For complex problems, numerical techniques are Złożonych problemów, technik numerycznych
exclusively used. wykorzystywane wyłącznie. Numerical reliability techniques include, in order of accuracy; ( i ) sensitivity analysis , ( ii ) mean value Technik numerycznych niezawodność to, aby dokładności (i) analiza wrażliwości, (ii) średnia wartość
first-order second moment analysis ( iii ) point estimate method , ( vi ) Monte Carlo simulation and ( v ) Mellin transform . pierwszego rzędu drugiej analizy moment (iii) metody oszacowania pkt, (vi) Monte Carlo oraz (v) Mellin transformacji.
There are very few applications of the point estimate and Mellin transform to water resources problems. Istnieje bardzo niewiele wniosków o oszacowanie punktowe i Mellin przekształcenia problemów zasobów wodnych. The point Pkt
estimate is a relatively new technique and the Mellin transform is restricted to certain functional relationships not oszacowanie jest stosunkowo nową techniką i Mellin transformacji jest ograniczony niektórych funkcjonalne związki nie
generally satisfied in complicated models. ogólnie zadowoleni w skomplikowanych modeli. Examples of the application of uncertainty analysis to water resources Przykłady zastosowania analizy niepewności do zasobów wodnych
problems can be found in Burges and Lettenmaier (1975), Chatterton et al . problemów można znaleźć w Burges i Lettenmaier (1975), Chatterton et al. (1982), Jaffe and Parker (1984), Melching and (1982), Jaffe i Parker (1984), Melching i
| Page 34 Strona 34 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
27 27
Yoon (1996), Melching et al . Yoon (1996), Melching et al. (1991), Scavia et al . (1991), Scavia et al. (1981), Reddy et al . (1981), Reddy et al. (1996), Tung (1987, 1989,1990), Warwick and (1996), Tung (1987, 1989,1990), Warwick i
Wilson (1990), Willey (1986), Xu and Goulter (1998), Yeh and Tung (1993) and Zoppou and Li (1992, 1993). Wilson (1990), Willey (1986), Xu i Goulter (1998), Yeh i Tung (1993) i Zoppou i Li (1992, 1993).
4.2.1 Sensitivity Analysis 4.2.1 Analiza wrażliwości na
Sensitivity analysis is simply establishing the change in model response, Y due to a small perturbation in each k Analiza wrażliwości jest po prostu ustanawiającego zmiany modelu odpowiedzi, Y ze względu na małe zakłócenia w każdym k
independent model variables x = ( x zmiennych niezależnych model x = (x
1 1
,…, x , ..., X
k k
). ). The model is considered most sensitive to the parameters that produce the Model jest za najbardziej wrażliwe na parametry, które produkują
greatest model response. największy model odpowiedzi. This is equivalent to estimating the derivative Jest to równoważne szacowania pochodnych
∂ ∂
∂ ∂
∀ ∀
Y Y
x x
i. i.
j j
i i
Greater resources should be allocated to those parameters that produce the greatest model response. Większe środki powinny być przydzielane do tych parametrów, które wywołują największy model odpowiedzi. To effectively Aby skutecznie
compare the sensitivity of a model to various parameters the derivative must be normalised. porównanie wrażliwości modelu na różnych parametrów instrumentu pochodnego musi być znormalizowane. Therefore, the normal Dlatego normalny
sensitivity coefficient S S Współczynnik czułości
ij ij
for output Y dla wyjścia Y
j j
to input x do wejścia x
i i
is given by jest przez
S S
Y / Y Y / Y
x / x x / x
ij ij
j j
j j
j j
j j
' "
' "
in which ∆ x and ∆ y are the magnitudes of the perturbations and x w którym ⊗ X i ⊗ y są wielkościami z perturbacjami i x
j j
and Y i Y
i i
are the reference values for the output and input są wartości odniesienia dla wyjścia i wejścia
variables respectively. zmiennych odpowiednio. Sensitivity analysis does not consider the variability in a parameter. Analiza wrażliwości nie uwzględnia zmienności parametrów. A highly sensitive parameter Bardzo czułym parametrem
that is relatively well defined may have less influence on the reliability of the results from a model than a much less że jest stosunkowo dobrze zdefiniowane mogą mieć mniejszy wpływ na wiarygodność wyników z modelu znacznie mniej niż
sensitive parameter that has large uncertainties. czułym parametrem, który ma dużą niepewnością. In this case, parameter uncertainty must be considered. W tym przypadku niepewności parametrów muszą być uwzględnione.
4.2.2 Mean Value First-order Second Moment Analysis 4.2.2 Wartość średnia w pierwszej kolejności drugi moment Analiza
Consider a model response that is a function of a single variable, x so that Y = f ( x ). Rozważmy model odpowiedzi, że jest funkcją jednej zmiennej, x tak, że Y = f (x). The function can be expanded as a Funkcja ta może być rozszerzona w
Taylor series around x = szereg Taylora wokół x =
µ μ
x x
, where , Gdzie
µ μ
x x
is the mean value of x to give jest wartością średnią x dać
Y Y
f f
df df
dx dx
x x
df df
dx dx
x x
x x
x x
x x
¹ ¹ ¹ ¹ ¹ ¹
( (
) )
( (
) )
( (
) )
P P
P P
P P
1 1
2 2
2 2
2 2
where the derivatives df / dx , d gdzie pochodne df / dx, d
2 2
f / dx f / dx
2 2
,… are evaluated at x = ... Są oceniane w punkcie x =
µ μ
x x
. . If second and higher-order terms are neglected, the Jeśli drugi i wyższego rzędu są zaniedbane,
resulting first-order expression for Y is w wyniku pierwszej kolejności wypowiedzi dla Y
Y Y
f f
df df
dx dx
x x
x x
x x
( (
) )
( (
). ).
P P
P P
Taking the expectation of both sides, then Biorąc oczekiwania obu stron, a następnie
P P
P P
Y Y
x x
EY EY
f f
[ ] []
( (
) )
That is the expected value of E [ Y ] is the mean value of Y and is obtained by evaluating f ( x ) using the mean value of x = Jest to wartość oczekiwana E [Y] jest średnia wartość Y, metodą oceny f (x), stosując średnie wartości x =
µ μ
x x
. . Combining the above results, the variance of Y defined by Łącząc powyższe wyniki, wariancja Y określone przez
V V
P P
Y Y
x x
EY EY
2 2
2 2
[( [(
) ] )]
can be approximated by może być przybliżona przez
V V
P P
V V
Y Y
x x
x x
E E
df df
dx dx
x x
df df
dx dx
2 2
2 2
2 2
2 2
! !
" "
$ $
# #
# #
( (
) )
| Page 35 Strona 35 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
28 28
in which , w którym
σ σ
x x
2 2
is the variance of x . jest wariancją x. If Y is dependent on k mutually independent variables x = ( x Jeśli Y jest zależne od k wzajemnie niezależnych zmiennych x = (x
1 1
,…, x , ..., X
k k
) it can be shown that ) Można wykazać, że
P P
P P
P P
V V
V V
Y Y
x x
x x
Y Y
i i
i i
k k
x x
f f
df df
dx dx
k k
i i
Ç Ç
( (
,..., ,...,
) )
1 1
2 2
2 2
1 1
2 2
and i
The components of the output variance represent weights of the input variances multiplied by the square of the sensitivity Komponenty wariancji wyjścia stanowią wagi wariancji wejście pomnożonej przez kwadrat wrażliwości
of the model output to the input. modelu wyjścia do wejścia. Therefore, it is relatively simple to extend sensitivity analysis to perform mean value Dlatego jest stosunkowo prosta do rozszerzenia analizy wrażliwości do wykonywania średniej wartości
first-order second moment analysis. pierwszego rzędu drugiej analizy chwili. The only additional information that is required is the standard deviation of the input Jedynie takich dodatkowych informacji, które są wymagane jest odchylenie standardowe wejście
variables, which is a measure of what is not known about the variable. zmiennych, która jest miarą tego, co nie wiadomo o zmiennej. Correlated random variables can be considered in Skorelowanych zmiennych losowych mogą być uznane w
first-order second moment analysis. pierwszego rzędu drugiej analizy chwili. Implicit in mean value first-order second moment analysis is that the model response W podtekście oznacza wartość pierwszego rzędu moment analizy drugie, model odpowiedzi
is linear or approximately linear near the perturbed values. jest liniowy lub w przybliżeniu liniowe w pobliżu zaburzonych wartości. Since only the mean and variance of the model response is Ponieważ tylko średnia i wariancja odpowiedzi modelu
provided in mean value first-order second moment analysis, only a two parameter distribution can be fitted to the model przewidzianych w średniej wartości pierwszego rzędu moment analizy sekund, zaledwie dwie dystrybucji Parametr ten może być wyposażony jest model
response so that confidence limits can be inferred from the fitted distribution. odpowiedzi, aby granice ufności można wywnioskować z dopasowanego dystrybucji.
4.2.3 Monte Carlo Simulation 4.2.3 Monte Carlo
In Monte Carlo simulation, variables are sampled at random from pre-defined probability distributions, with or without W Monte Carlo, zmienne są losowo próbki z góry określone rozkłady prawdopodobieństwa, z lub bez
correlation and the distribution of the model response is obtained from repeated simulations. korelacji i rozkład odpowiedzi uzyskanych z modelu powtórzyć symulacje. The validity of this model is Ważność tego modelu jest
not affected by non-linearities in the water quality model. nie ma wpływu nieliniowości w modelu jakości wody. Comparing the standard deviation estimates from Monte Carlo Porównując normy szacunkowe odchylenie od Monte Carlo
simulations with those from first-order second moment analysis, provides an indication of the model non-linearity. symulacje z tymi z pierwszego rzędu drugiej analizy moment, stanowi wskazanie model nieliniowość. The
major drawback with Monte Carlo simulation is that the probability distribution of the uncertain parameters must be Główną wadą z symulacji Monte Carlo jest to, że rozkład prawdopodobieństwa niepewnych parametrów musi być
known or assumed. znane lub przypuszcza. This may not be possible if there is insufficient data to establish these distributions. Może to nie być możliwe, jeśli nie ma wystarczających danych do ustalenia tych dystrybucji. The other major Do innych głównych
problem with Monte Carlo simulation is that it can be computationally expensive. problem z symulacji Monte Carlo jest to, że może to być kosztowne obliczeniowo. In some problems 1000's of repeated W niektórych problemów 1000 na powtarzające się
simulations of the model are required. symulacji modelu są wymagane.
Monte Carlo simulation has the advantage of estimating model frequency distributions, but it is computationally Monte Carlo ma tę zaletę, szacowania modelu dystrybucji częstotliwości, ale nie jest obliczeniowo
expensive if a large number of random variables are involved in the problem. kosztowne w przypadku dużej liczby zmiennych losowych są zaangażowane w problem. The cumulative frequency distribution of Skumulowany rozkład częstości
the model response is useful in evaluating overall dispersion in the model predictions and in assessing the likelihood of odpowiedź model jest przydatna w ocenie ogólnej dyspersji w modelowych prognoz, w ocenie prawdopodobieństwa
violating a water quality standard. naruszających normy jakości wody.
The US Environmental Protection Agency (Salhotra et al . 1988) has developed a generic Monte Carlo module for use Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (Salhotra et al. 1988) opracował ogólny Monte Carlo moduł do użytku
with any transport model. z każdym modelem transportu. The generator can sample from, Normal, log Normal, uniform, exponential, empirical, Generator może przykładowe, normalny, logarytmiczno-normalny, umundurowanie, wykładniczy, empirycznych,
triangular and Johnson SB and SU distributions. trójkątne i Johnson SB i SU dystrybucji. Correlated random variables can also be generated. Skorelowanych zmiennych losowych mogą być również generowane.
4.3 4.3
Economic Analysis Analiza ekonomiczna
Water resources managers must be able to identify the best management strategy from a number of alternative scenarios. Zasoby wodne menedżerowie muszą być w stanie określić najlepszą strategię zarządzania z wielu alternatywnych scenariuszy.
The best management strategy could be chosen from those alternatives that do not compromise the storm water Najlepszą strategią zarządzania mogą być wybrane spośród alternatyw, które nie zagrażają wody deszczowej
infrastructure using hydraulic analysis. infrastruktury przy użyciu hydraulicznych analizy. Water quality objectives could be used to select the best management strategy. wskaźników jakości wody może być stosowana w celu wyboru najlepszej strategii zarządzania.
Economic analysis provides another method for assessing alternative storm water management options. Analiza ekonomiczna zawiera inną metodę oceny alternatywnej gospodarki wodnej opcji burzy. Traditionally, Tradycyjnie,
| Page 36 Strona 36 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
29 29
economic analysis generally involved a cost-benefit analysis. analizy ekonomiczne zazwyczaj zaangażowane i korzyści, analizę kosztów. The use of cost-benefit criteria as a decision-making tool is Stosowanie kryteria kosztów i korzyści jako narzędzie podejmowania decyzji
a matter of expediency, since they primarily deal with tangible and quantifiable factors and hence they can be analysed względów praktycznych, ponieważ zajmują się przede wszystkim czynniki materialne i wymierne, a zatem mogą być one analizowane,
objectively. obiektywnie. These tangible factors are commonly referred to as life-cycle costs and include such things as: maintenance, Te konkretne czynniki są powszechnie określane jako koszty cyklu życia i obejmują takie elementy jak: utrzymanie,
capital, operating, replacement, disposal and land acquisition costs. kapitału, pracy, wymiana, usuwania i koszty nabycia gruntów.
Economists often lump criteria that are difficult to assign a monetary value as externalities . Ekonomiści często ryczałtu kryteria, które trudno przypisać wartość pieniężną zewnętrzne. Externalities might include Zewnętrzne mogą obejmować
social well being, national security, regional growth and stability, preservation of natural areas and risk management dobrobytu społecznego, bezpieczeństwa narodowego, rozwoju regionalnego i stabilności, ochrony obszarów naturalnych i zarządzania ryzykiem
costs. kosztów. It is clear that society also has constraints it wants to impose on projects that do not necessarily have a monetary Oczywiste jest, że społeczeństwo ma również ograniczeń chce nałożyć na projekty, które niekoniecznie muszą pieniężnej
value. wartość. Traditional cost-benefit analysis does not consider these factors. Tradycyjne analizy kosztów i korzyści nie uwzględnia tych czynników. The problem is that externalities are intangible Problem polega na tym, że zewnętrzne są wartości niematerialne i prawne
and non-quantifiable, hence would be treated rather subjectively. i niewymiernych, a więc byłaby traktowana raczej subiektywnie. The real question is not whether externalities should be Prawdziwe pytanie brzmi, czy zewnętrzne nie powinny być
considered as a planning objective, but rather how they should be considered objectively within the planning framework. traktowane jako cel planowania, ale raczej jak powinny być one uznane za obiektywnie w ramach planowania.
These objectives are not mutually exclusive, in fact they are often conflicting. Cele te nie wykluczają się wzajemnie, w rzeczywistości są one często sprzeczne. Contributions to one may only be made at Składki na jeden może być dokonywane tylko na
the expense of the other. kosztem innych. For example, the cost of increasing the capacity of a waste water infrastructure to eliminate Na przykład, koszt zwiększenia zdolności infrastruktury ścieków w celu wyeliminowania
overflows may be significantly greater than the cost associated with the overflow. przepełnienia może być znacznie wyższa niż koszty związane z przelewem. Using cost-benefit analysis to eliminate Korzystanie z analizy kosztów i korzyści w celu wyeliminowania
overflows in a design may not be economically feasible. przepełnienia w projekcie nie może być ekonomicznie wykonalne. However, social acceptance of overflows may reverse the Jednak akceptacja społeczna przepełnienia może odwrócić
decision based on a cost-benefit analysis alone. decyzji na podstawie analizy kosztów i korzyści w spokoju. The problem is how a trade-off should occur. Problemem jest kompromis powinien wystąpić. Does an intangible social Czy wartości społeczne
dis-benefit, in terms of environmental degradation for example, provide sufficient justification for rejecting a project, dis-korzyść w odniesieniu do degradacji środowiska, na przykład, zapewnić wystarczającego uzasadnienia dla odrzucenia projektu
irrespective of the cost-benefit objective? bez względu na cel kosztów i korzyści?
Fortunately, planners do not make the final decision, nor do they pass legislation that may influence planning decisions. Na szczęście, projektanci nie podjęcia ostatecznej decyzji, ani nie przechodzą one przepisy, które mogą mieć wpływ na decyzje planistyczne.
The real decision-making lies with politicians. Prawdziwym podejmowania decyzji spoczywa na polityków. Planners do however, demonstrate the cost-effectiveness, the social, Projektowanie to jednak wykazać opłacalność, społecznych,
environmental and technical feasibility of a project. ochrony środowiska i wykonalności technicznej projektu. Therefore, the impacts of life-cycle costs and externalities should be W związku z tym wpływ kosztów cyklu życia i zewnętrzne powinno być
considered in project design and ranking. uważa się w projektowaniu i ranking. An economic analysis of various management strategies can be misleading if Analizy ekonomicznej różnych strategii zarządzania mogą być mylące, jeżeli
the infrastructure modelling is inadequate. modelowania infrastruktury są niewystarczające.
5. 5.
URBAN STORM WATER MODELS STORM MODELS WODY URBAN
There are literally hundreds of models developed by academic institutions, regulatory authorities, government Istnieją setki modeli stworzonych przez instytucje akademickie, organy regulacyjne, rząd
departments and engineering consultants that are capable of simulating water quality and quantity in an urban catchment. departamentów i inżynieria, które są w stanie symulować jakości i ilości wody w miejskich zlewni.
The twelve models chosen represent a wide range of capabilities, spatial and temporal resolutions. Dwanaście wybranych modeli reprezentuje szeroki zakres możliwości, przestrzenne i czasowe uchwał. In addition, they have Ponadto, mają
been chosen to demonstrate how the features described in the previous sections, have been incorporated into stormwater zostały wybrane, aby pokazać, jak z funkcji opisanych w poprzednich częściach, zostały włączone do deszczowej
models. modeli. Eight models were specifically designed to simulate urban storm water quantity and quality. Osiem modeli zostały zaprojektowane specjalnie do symulacji miejskiej ilość wody deszczowej i jakości. DR DR
3 3
M – QUAL M - QUAL
(Alley and Smith 1982a, 1982b), HSPF (Bicknell et al . 1993, Johanson et al . 1980, Johanson et al . 1984), MIKE – (Alley i Smith 1982a, 1982b), HSPF (et al. Bicknell 1993, Johanson i in.. 1980 r., Johanson et al 1984), MIKE -
SWMM, QQS (Geiger and Dorsch 1980), STORM (Hydrologic Engineering Center 1977), SWMM (Huber and SWMM, QQS (Geiger i Dorsch 1980), Storm (Centrum Inżynierii hydrologiczna 1977), SWMM (Huber i
Dickinson 1988, Huber et al . Dickinson 1988, Huber i in. 1984, Roesner et al . 1984, Roesner et al. 1988), SWMM Level 1 (Heaney et al . 1976) and the Wallingford 1988), SWMM Level 1 (Heaneya i in. 1976) oraz Wallingford
Model (Bettess et al . 1978, Price 1978, Price and Kidd 1978). The remaining four models are capable of being adapted
for use in urban storm water problems, and are; BRASS (Colon and McMahon 1987, McMahon et al . 1984), HEC – 5Q
(Hydrologic Engineering Center 1986), QUAL2E – UNCAS (Brown and Barnwell 1987) and WQRRS (Hydrologic
Engineering Center 1978).
| Page 37 Strona 37 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
30 30
These models have been classified according to (a) the type of modelling that the model can perform, (b) how the water
quality and quantity components are simulated in the model, (c) the water quality constituents that are modelled, (d)
additional features that a model may posses and (e) the accessibility of the model.
(a) (A)
Modelling Scale
Table 5.1 indicates which models can be used as planning, operational and design models. Models which are
capable of simulating single or continuous events are shown in Table 5.3.
(b) (B)
Water Quantity and Quality Components
The models that are capable of simulating flows in common infrastructure components, such as pipes, open
channel, retarding basins and natural channels are given in Table 5.2. Other infrastructure components that can
be simulated by these models are also given in Table 5.2. Most of the models simulate the rainfall runoff
process, see Table 5.2. The type of routing that is employed in a model; simple storage, hydrologic and hydraulic
routing is given in Table 5.3. The transport processes that are used by each model to rout pollutants are shown in
Table 5.3. Tabela 5.3. These include the use of the advective diffusion equations, plug flow or assuming that complete
mixing has occurred. The method used in the model for transforming pollutants include; empirical, using a
buildup and washoff processes or modelling the adsorption and desorption with sediment (soil loss).
(c) (C)
Water Quality Constituents
The types of pollutants that are modelled are shown in Table 5.4. Although not explicitly included in this table,
heavy metals are generally modelled as conservative pollutants adsorbing to suspended and settleable solids.
(d) (D)
Other Model Characteristics
Several models also have the capability of undertaking uncertainty analysis, optimisation and costs. Of the Z
models reviewed, those capable of performing these functions are shown in Table 5.3. None of the models
considered includes all these capabilities. None of the urban storm water models includes uncertainty analysis
and only two consider cost as an important component in urban storm water management. Two models include
parameter optimisation.
(e) (E)
Accessibility Dostępność
Most of the models have been developed by United States government funded agencies. These models are made
available at a nominal cost with very little support. However, some of these models have gained wide acceptance
with user groups formed to overcome the poor documentation and support. These groups are a valuable source
of information experience on the use of these models. In contrast, commercially available models are supported
| Page 38 Strona 38 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
31 31
by their developers, but they are expensive. In general, source code for public domain software is available.
Commercial software is distributed as executable files. This makes it very difficult to modify, enhance and
develop interfaces with commercial software.
A more detailed description of the capabilities of these models is provided below.
DR DR
3 3
M - QUAL (Alley and Smith 1982a, 1982b)
In US Geological Survey's Distributed Routing Rainfall-Runoff model (DR
3 3
M) an urban drainage basin is represented by
an overland flow element, a channel element, pipe elements and reservoirs. Soil moisture conditions between storms are
considered in the rainfall runoff modelling. Interflow and base flows are not simulated. Rainfall excess is calculated using
soil moisture, evaporation, pervious and impervious areas, length and slope of the subcatchment and parameter
optimisation. Kinematic wave, which is used to route overland and channel segments is solved using either,
characteristics, implicit or explicit finite difference schemes with time steps as small as a minute. Two soil types can be
defined, each with up to six soil moisture and infiltration parameters. Reservoir storage is simulated using linear storage
or the modified Puls method. Up to 99 flow planes, 3 rainfall gauges and up to 60 storms, spanning up to 20 years can be
accommodated by the model. Channels, pipes, reservoirs and junctions may be used to define the catchment. Surcharges Opłaty
in pipe networks are also handled. Quality is simulated for arbitrary parameters using exponential build-up and wash-off
functions. funkcji. Removal of accumulated surface pollutants can occur in dry weather by street cleaning. Erosion is simulated
using empirical equations relating sediment yield to peak runoff and its volume. Up to four pollutants can be simulated,
however interactions between pollutants are not permitted. Concentrations of other pollutants are assumed proportional to
the sediment concentration. Plug flow with no decay is used to rout pollutants through the drainage network and storage
basins. The model can be executed using any time step over any time.
HSPF (Bicknell et al . 1993, Johanson et al . 1980, Johanson et al . 1984)
The US Environmental Protection Agency, Hydrological Simulation Program – Fortran (HSPF) was developed in the mid
1970's to model a broad range of hydrologic and water quality processes in agricultural and rural watersheds. Urban Miejskich
watersheds can also be simulated. It is considered the most comprehensive and flexible model of watershed hydrology
and water quality available. It is a continuous watershed hydrology and water quality simulation package using hourly
time steps. Land and soil contaminant runoff processes and in-stream hydraulic and sediment-chemical interactions are
simulated. pozorowana.
For overland flow temperature, DO, CO
2 2
, (at saturation levels) coliform, nitrogen, phosphorus, pesticides and arbitrary
conservative pollutants are modelled using empirical relationships between pollutant and water as well as sediment yield.
Rainfall-runoff modelling includes snowmelt, water balance in the upper and lower soil storage and groundwater storage
for both pervious and impervious surfaces. Interception, evaporation and evapotranspiration are included in the water
balance along with displacement of soil by rainfall. Deep groundwater storage can become base flow to a stream. Total Razem
stream flow is a combination of overland and base flow. Washoff quality is estimated using linear buildup with washoff
| Page 39 Strona 39 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
32 32
Table 5.1 Functionality and Accessibility of Representative Models
Functionality Funkcjonalność
Accessibility Dostępność
Program Name Nazwa programu
Planning Planowanie
Operational Operacyjnych
Design Design
Public Domain Public Domain
Commercial Komercyjne
Urban Models
DR DR
3 3
M – QUAL
HSPF
MIKE – SWMM
QQS
? ?
STORM STORM
SWMM
SWWM Level 1
Wallingford Model
Non-Urban Models
BRASS
? ?
HEC – 5Q
QUAL2E – UNCAS
WQRRS
Table 5.2 Components in the Quantity Analysis in Representative Models
Model Quantity Component
Program Name Nazwa programu
P P
i i
p p
e e
s s
O O
p p
e e
n n
C C
h h
a
n n
n n
e e
l l
R R
e e
ta ta
r r
d d
i i
n n
g g
Ba Ba
s s
i i
n n
s s
O O
t t
h h
e e
r r
s s
N N
a
t t
u u
ra ra
l l
S S
t t
re re
a
m m
s s
R R
a
i i
n n
fa fa
ll R
u u
n n
o o
f f
f f
Urban Models
DR DR
3 3
M – QUAL
HSPF
1 1
MIKE – SWMM
2-7 2-7
QQS
3 3
2 2
STORM STORM
SWMM
4 4
SWMM Level 1
Wallingford Model
4 4
2-5 2-5
Non Urban Models
BRASS
1 1
7 7
HEC – 5Q
1 1
QUAL2E – UNCAS
WQRRS
1 1
1 reservoir module
2 weirs and pumps
3 pressurised pipes
4 gutter and pumps
5 surcharges
6 bridges
7 overland flow
| Page 40 Strona 40 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
33 33
Table 5.3 Characteristics of Representative Models (adapted from Nix 1991)
Model Characteristics
Routing Level
Time Czas
Modelling Modelowanie
Scale Skali
Pollutant Predictive
Method Metoda
Pollution Transport
Optimisation
Uncertainty Niepewność
Analysis Analiza
Costs Koszty
Model Model
Sim Sim
p p
l l
e e
St St
or lub
age wieku
Hydr Hydr
ol ol
ogic
Hydr Hydr
aul
i i
c c
C C
o o
nt nt
inuous
E E
v v
e e
n n
t t
E E
m m
p p
i i
r r
i i
c c
a
l l
B B
u u
il il
dup and
Was Czy
hof
f f
S S
o o
i i
l l
L L
o o
s s
s s
Ad Reklam
vect
i i
v v
e Di
f f
f f
u u
si si
on na
Eq Eq
u u
a
t t
i i
on na
C C
o o
mp mp
le le
t t
e e
ly ly
M M
i i
xe xe
d d
R R
e e
a
c c
t t
o o
r r
Pl Pl
u u
g g
Fl Fl
o o
w w
Anal Analny
yt yt
ical iCal
L L
i i
near w pobliżu
P P
r r
og og
r r
a
m m
m m
i i
ng ng
Non- Non-
L L
i i
near w pobliżu
P P
r r
og og
r r
a
m m
m m
ing ING
D D
y y
n n
a
mi mi
c c
Pr Pr
o o
g g
r r
a
mmi mmi
n n
g g
Sens Sens
it to
ivi ivi
t t
y Anal
ys ys
is jest
F F
i i
r r
s s
t-Or
d d
e e
r r
Se Se
c c
o o
nd M
o o
m m
e e
nt nt
Mo Mo
n n
t t
e e
C C
a
r r
l l
o o
L L
i i
f f
e e
C C
y y
c c
l l
e e
E E
x x
te te
r r
n n
a
l l
itie
s s
Urban Models
DR DR
3 3
M – QUAL
HSPF
MIKE – SWMM
QSS QSS
STORM STORM
SWMM Level 1
SWMM
2 2
3 3
Wallingford Model
4 4
5 5
Non-Urban Models
BRASS
HEC – 5Q
1 1
QUAL2E – UNCAS
WQRRS
1 flood damages
2 flow balance only
3 with EXTRAN module
4. 4. advection only
5 labour, material and plant costs
rates directly proportional to runoff. Separate washoff functions are used for each pollutant. Pollutants that can be
simulated with the runoff include; temperature, pesticides, sediments, nitrogen, phosphorous, ammonia and conservative
pollutants. zanieczyszczeń. Absorption and desorption of pollutants between bed sediments and water is allowed. Settling and re-
suspension of sand, clay and silt sediments are possible. Re-suspension and settling of silts and clays are based on bed
shear stress. Absorption and desorption of many of these pollutants is optional via first-order kinetics. For impervious
surfaces, empirical relationships are used for the washoff, which is a function of runoff and street cleaning. The advection
of pollutant is estimated using plug flows and complete mixing in storages. Overland flow, open and closed channel flow
and sewer routing is with the modified kinematic wave equation incorporating the Manning equation. It flags surcharges
in the sewer system and reservoir routing can be included. Total dissolved solids, chlorides, pesticides, temperature,
| Page 41 Strona 41 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
34 34
sediment scour and deposition, pH, CO
2 2
, algae, nitrate, nitrite, orthophosphorous, total inorganic carbon, DO, BOD,
ammonia, photoplankton, zooplankton and attached algae can be modelled in streams and in storages.
Table 5.4 Water Quality Parameters Modelled
Water Quality Parameter
Model Model
T T
e e
m m
p p
er er
at w
u u
r r
e e
I I
n n
or lub
ganic
Sus
pe pe
nde nde
d Sol
i i
ds ds
Or Lub
ganic
Se Se
dim ciemny
e e
nt nt
I I
n n
or lub
ganic
Se Se
dim ciemny
e e
nt nt
BO BO
D D
T T
o o
t t
a
l C l C
o o
li li
fo dla
r r
m m
T T
o o
t t
a
l l
I I
n n
or lub
ganic Ca
r r
b b
on na
A
mmo
n n
i i
a
T T
o o
ta ta
l l
N N
T T
o o
ta ta
l l
P P
Dis Dis
s s
o o
l l
v v
ed Ox
ygen
A
l l
k k
a
l l
i i
n n
i i
ty ty
p p
H H
Sus
pe pe
nde nde
d d
Sol Sol
i i
ds ds
Soil Gleby
E E
r r
os os
ion jon
T T
o o
t t
a
l D
i i
s s
s s
o o
lv lv
e e
d d
S S
o o
li li
d d
s s
O O
t t
h h
e e
r r
s s
Urban Models
DR DR
3 3
M – QUAL
7,9 7,9
HSPF
1,2,7,9,10
MIKE - SWMM
10 10
QQS
7 7
9 9
STORM STORM
6 6
7 7
SWMM
3,7,8
SWMM Level 1
5 5
Wallingford Model
3 3
7 7
9 9
Non Urban Models
BRASS
11 11
HEC – 5Q
3 3
1 1
2 2
9,10 9,10
QUAL2E – UNCAS
4 4
1 1
2 2
9,10 9,10
WQRRS
1 1
2 2
9,10 9,10
1 nitrates and nitrites
2 phosphorous
3 CBOD
4 ammonia as N
5 suspended and volatile solids
6 orthophosphates
7 suspended and settleable solids
8 oil/grease
9 arbitrary pollutants
10 aquatic organisms
11 no water quality modelled
MIKE - SWMM
This package combines MIKE 11 (Havno et al . 1995) and the well known SWMM (Huber et al . 1984, Huber and
Dickinson 1988, Roesner et al . 1988) models. The merger is intended to use the strengths of MIKE 11 in one-dimensional
unsteady flow modelling, which solves the shallow water wave equations using an implicit finite difference scheme,
replacing the temperamental EXTRAN module in SWMM. The combined model can perform hydrologic, hydraulic and
water quality analysis of storm water and waste water drainage systems, including sewage treatment plants and water
| Page 42 Strona 42 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
35 35
quality control devices. Pipes, pumps, culverts, retarding, detention ponds, pressurised flow in looped connections and
overflows from sewers can be modelled.
Mass balance is used for runoff computations, which include surface detention, lower soil storage and upper and lower
groundwater storage. Runoff consists of overland and base flow. Two-dimensional overland flooding can also be
simulated using the shallow water wave equation. A sediment budget accounts for erosion and deposition. The advective
diffusion equation is used to simulate the transport of pollutants, which are subject to first-order kinetics. It is also solved
using an implicit finite difference scheme. Dissolved and suspended sediments, BOD, DO, nutrients, macrophytes and
plankton can be simulated.
MIKE – SWMM can interface with the full suite of Danish Hydraulic Institute models. They have been linked with
STORMPAC, a rainfall generation program, the urban sewer network model, MOUSE (Lindberg et al . 1989), MIKE 21
(Dudley et al . 1994) for modelling of estuaries, lagoons and coastal areas, including water quality and STOAT to assess
treatment plant performance. Water quality parameters include; total coliform, total P, total N, DO, temperature,
ammonia, nitrate, heavy metals using kinetic descriptions of absorption/desorption to particles, suspended sediments and
bed sediments and BOD as both dissolved and attached to suspended sediments. Sediments are defined as either cohesive
or non-cohesive according to their size and behaviour. The dynamics of primary production by photoplankton and the
grazing by zooplankton are described. Primary production by benthic vegetation can also be modelled. MOUSE can
perform real-time control simulations and sediment transport in pipe networks. All these models are capable of simulating
water quality and quantity at any temporal and spatial scale. They can be used in design, management and operation of a
diverse range of water resource problems.
QQS (Geiger and Dorsch 1980)
The Quality-Quantity Simulator (QQS) can perform continuous or single event simulation using five-minute time
intervals. odstępach czasu. It can simulate flows in pipes and channels using an implicit finite difference approximation of the kinematic
wave equations, storage routing, backwater analysis and pipes under pressure. Looped networks, weirs and pumps can be
simulated. pozorowana. Dry weather flow and quality based on empirical relationships, have a diurnal and population dependency.
Washoff function is dependent on the accumulation of dust and the time interval between storms and street sweeping.
Quality routing through channels and pipes, storage units and receiving water is performed using plug flow. Up to four Do czterech
arbitrary conservative pollutants can be routed. Empirical washoff functions are available for BOD, COD, suspended
solids, settleable solids, total nitrogen, total P and faecal coliform.
STORM: (Hydrologic Engineering Center 1977)
The US Corps of Engineers, Storage, Treatment, Overflow, Runoff Model is capable of simulating runoff and pollutant
loads from urban and rural watersheds in response to precipitation. It is a continuous model using hourly time steps and it
can be used for single events. Using hourly precipitation, runoff from a catchment is simply the accumulation of runoff
from upstream sub-catchment. There is no attempt to rout the runoff through the catchment. Three methods are available
for calculating the hourly runoff; coefficient method, soil-complex-cover method and the unit hydrograph method. The
| Page 43 Strona 43 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
36 36
runoff coefficient method is identical to that used in SWMM Level 1. Runoff is a linear relationship between runoff and
the precipitation minus rainfall interception. However, here the impervious and pervious runoff coefficients and the
fraction of impervious area are variable and not fixed. Erosion is estimated using an empirical relationship. Two methods Dwie metody
are available to simulate pollutant accumulation. The pollutant accumulation is proportional to the dust and dirt
accumulated or a simpler linear function of time. Washoff is proportional to the amount of pollutant remaining. Pollutants Zanieczyszczeń
that are treated as conservative include; suspended and settleable solids, BOD, total nitrogen and orthophosphates.
Coliforms are also modelled. No treatment is assumed to occur in a storage.
SWMM (Huber et al . 1984, Huber and Dickinson 1988, Roesner et al . 1988)
SWMM simulates both water quality and quantity of urban storm water runoff and combined sewer overflow. This is To jest
both a continuous and single event models. Surface runoff is based on rainfall intensities and antecedent moisture
conditions, land use and topography. A simple nonlinear reservoir storage is used to simulate the rainfall-runoff process,
which includes infiltration depression storage, evaporation and surface runoff. Infiltration is routed through upper and
lower subzones and may return as runoff. Surface pollutant allows both linear and nonlinear accumulation with time.
Washoff is simulated as a simple function of runoff or as a first-order decay relationship. Sewer flows are generated using
land use, population density and other factors. Infiltration into the sewer system is dependent on the sewer condition and
groundwater levels. Flows and pollutants are routed through the sewer system using a modified kinematic wave
approximation and assuming complete mixing. Hydrographs along the sewer system are modified to represent storage
and treatment effects. This includes retention time, treatment efficiency as well as estimating costs. Surcharging is not
included. wliczony w cenę. Pollutants in storage systems can be modelled as either complete mixing or plug flow. The stand-alone module
EXTRAN permits SWMM to rout inflow hydrographs through open channel and a closed conduit system using an
explicit numerical solution of the shallow water wave equations. Unfortunately, routing of pollutant loads, sewer
infiltration and dry-weather flows are not currently modelled. Eight conservative pollutants are; suspended solids,
settleable solids, BOD, COD, total nitrogen, total P, oil/grease, total coliforms as well as an arbitrary pollutant and
erosion simulated in surface runoff.
SWMM Level 1: (Heaney et al . 1976)
SWMM Level 1 estimates average annual runoff from a watershed with the minimum of input data. The average annual
runoff is a simple linear function of the average annual precipitation. Losses from rainfall interception are considered.
The runoff coefficient is a function of pervious and impervious areas, with the latter a function of population. Simple Proste
relationships are used to estimate the annual load of pollutant. The pollutants are treated as independent and they are
directly proportional to the average annual precipitation, population density, the effectiveness of street sweeping and the
catchment area. obszarze zlewiska. Land uses considered are residential, commercial, industrial and other developed areas. Pollutants Zanieczyszczeń
considered are; BOD, suspended solids, volatile solids, total P and total N. Preliminary estimates for costs of storing and
treating storm water pollutants have been included in SWMM Level 1. This is a simple linear function with constant
costs for treatment and storage. The simple cost function is solved analytically to provide a function representing the least
| Page 44 Strona 44 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
37 37
cost combination of storage and treatment required satisfying a certain level of pollutant removal. SWMM Level 1 is not
implemented on a computer, it is applied with tables and nomographs. It is part of the EPA's SWMM package.
Wallingford Model (Price 1978, Price and Kidd 1978, Bettess et al . 1978)
The Wallingford model is a suite of models developed at the Hydraulics Research Institute, Wallingford, United
Kingdom. Brytania. It includes a rainfall-runoff model (WASSP), a simple (WALLRUS) and full dynamic pipe routing model
(SPIDA) and a water quality module (MOSQITO). The model can be applied to storm water or sewer systems or to the
combined system using 15 minute time steps. It has been used for real time operational, design and planning simulations.
Hyetographs can be defined as input if required. Alternatively, synthetic rain storms can be generated using a variety of
techniques including; depth-duration-frequency relationships and the modified Chicago method. An empirical Empirycznych
relationship is used to determine the average spatial rainfall over a catchment using rainfall intensity and a spatial
smoothing factor. The rainfall-runoff model employs a modified rational method, which is essentially the same as the
rational method with the inclusion of a routing coefficient. The routing coefficient incorporates the proportion of
impervious area, soil type, evapotranspiration and antecedent conditions. Five antecedent moisture models are provided.
The runoff is estimated by distributing rainfall between impervious, roofs and pervious areas. The amount of runoff from
these areas is based on area type, catchment slope, initial loss to depression storage and continuing loss by infiltration.
The attenuation caused by surface storage is simulated by a non-linear reservoir storage model. Two empirical runoff
routing models available. One is for catchments up to 1ha and up to 100ha. The latter relationship is nonlinear
relationship and uses area, slope and length of the catchment. Due to the size of a large catchment, the runoff is also
lagged. The time delay is also a nonlinear empirical relationship based on area, bed slope and length of the catchment.
For small catchments, overland flow is routed using two equal linear reservoirs in series with routing coefficients
dependent on rainfall intensity, contributing area and surface slope. The use of SWMM's runoff model is optional. Four Cztery
other runoff modelling approaches are available which utilise simple storages. A time delay is also introduced so that the
peak runoff lags the peak rainfall.
The Muskingum-Cunge method and the solution of the full shallow water wave equations are options for routing flows
through the storm water network. Both defined and user-specified pipes and channels are options. Pressurised pipes are
modelled with either the St. Venant equations using a Preissmann slot or the St. Venant equations with the local
acceleration term neglected. An implicit finite difference scheme is used to solve the equations. The advection equation is
used in the pollution transport process, while diffusion is ignored. Erosion and deposition processes are modelled,
including sedimentation in pipes. Manholes, overflows, tanks, pump wells or storages can be modelled in the pipe
network. sieci. Suspended sediments in tanks are assumed to be well mixed with a layer of cleaner water available at the top of
the tank for overflow. Water quality pollutants that can be modelled are BOD, COD, ammonia, kjeldahl nitrogen, total P
and four arbitrary conservative pollutants that may be attached to sediments or in solution.
Buildup of pollutants on impervious surfaces is an empirical relationship, which is based on time. Washoff is also a first-
order decay model that is a function of rainfall intensity. Pollutants that are available to be washed off impervious
| Page 45 Strona 45 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
38 38
surfaces are BOD, COD, total N, ammonia, total P and four arbitrary pollutants. Washoff pollutants can be transported by
absorption to sediments or in solution.
A dynamic programming technique is used to determine the minimum construction costs of a storm water network using
pipe diameter, trench depth and gradient as the optimised variables. Both existing and proposed designs can be simulated
by taking into account; storm water overflows, on-line and off-line detention storages and pumping stations. The
Wallingford model includes a module for calculating life cycle costs. The cost modelling includes, labour, plant and
materials costs. A number of construction costs such as; excavations, pavement destruction, bedding, backfill etc. are
included in the labour costs.
6. 6.
OTHER URBAN STORM WATER QUANTITY AND QUALITY MODELS
A number of publications have compared and summarised the capability of a number of urban storm water models. These Te
include (Brandstetter 1976, Chu and Bowers 1977, Dendrou 1982, DeVries and Hromadka 1992, Hall 1984, Huber 1986,
1992b, Huber and Heaney 1982, Reckhow et al . 1985, Whipple et al . 1983 and Wurbs 1994). A useful bibliography on
urban storm water modelling can be found in Duncan (1995).
This review is by no means a comprehensive list of urban storm water models. It is meant to provide a brief summary of
the capability and approaches adopted to simulate storm water quantity and quality by a few well, and not so well known
models. modeli.
Other urban storm water models include;
(a) (A)
Simple models
Regional Hydrologic Regression and Network Analysis Using Generalised Least Squares (GLSNET) (Tasker and
Stedinger 1989)
(b) (B)
Continuous models
• •
Precipitation-Runoff Modelling Systems (PRMS) (Leavesley et al . 1983)
• •
The Hydrologic Modeling System (HEC-HMS) (Charley et al . 1995)
(c) (C)
Single event models
• •
US Geological Survey Rainfall Runoff Model for Peak Flow Synthesis (Dawdy et al. 1972, Dawdy and O'Donnell
1965) 1965)
• •
Kinematic Wave Generation Model (Woolhiser 1977, Rovey and Woolhiser 1977)
• •
Battelle Urban Wastewater Management Model (Brandstetter et al . 1973, Brandstetter 1976)
| Page 46 Strona 46 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
39 39
• •
Computer Augmented Treatment and Disposal System (Leiser 1974)
• •
Distributed Routing Rainfall-Runoff Model: Version II (Alley and Smith 1982a)
• •
Illinois Storm Sewer System Simulation Model (Sevuk et al . 1973)
• •
Illinois Urban Drainage Area Simulator (ILLDAS) (Terstriep and Stall 1974)
• •
SOGREAH (SOGREAH 1977)
• •
Sacramento Catchment Model (Peck 1976)
• •
TOMCAT (Brown, 1986)
• •
KINEROS – A Kinematic Runoff and Erosion Model (Woolhiser et al . 1990)
• •
MIKE – SHE (Danish Hydraulics Institute 1990)
7. 7. OTHER MODELS CAPABLE OF SIMULATING URBAN STORM WATER QUANTITY Inne modele umożliwiające symulowanie URBAN ilości wody STORM
AND QUALITY
The models described above have been developed specifically for the modelling of water quality and quantity in an urban
environment. środowiska. There are other water quality and quantity models of watersheds that are capable of modelling various
components of the urban water problem. Some of these models are described as follows.
BRASS (McMahon et al . 1984, Colon and McMahon 1987)
The Basin Runoff and Streamflow Simulation (BRASS) was developed by the US Army Corps of Engineers to provide
flood management decision support for the operation of a reservoir system in both real-time and as a design model.
Continuous and event based simulations can be performed. It is an interactive hydrologic/hydraulic simulation model,
which includes rainfall-runoff modelling, storage routing through regulated reservoirs and dynamic streamflow routing
capabilities. możliwości. BRASS incorporates the National Weather Service Operational Dynamic Wave Model (DWOPER) (Fread
1978) which computes unsteady flows in open channels and due to dam failures. It can be used as a continuous or event
based model for design and real time simulations. The model can handle 15 rivers or tributaries, 90 sub-areas and it can
provide hourly runoff and routing for up to 30 days. In continuous simulation, 100 days of rainfall records from a total of
20 rainfall gauges can be simulated. The rainfall-runoff modelling incorporates; evaporation, infiltration, baseflow,
spatial and temporal rainfall distribution. It requires user specified unit hydrographs and infiltration losses to determine
runoff hydrographs from sub-catchments. Infiltration is a function of rainfall, evaporation and soil moisture. Baseflow is
a simple exponential recession, which is a function of time. Storage routing is used to rout sub-area outflows and shallow
water wave equations are used to rout these flows through river channels. The full dynamic analysis includes; bridges,
embankments overtopping and flows through control structures and through a dentric system. The shallow water wave
equations are solved using the stable implicit finite difference scheme. Missing rainfall data is accommodated in BRASS
by interpolation from neighbouring rainfall gauges. No water quality modelling is performed by BRASS.
| Page 47 Strona 47 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
40 40
HEC – 5Q (Hydrologic Engineering Center 1986)
The Simulation of Flood Control and Conservation Systems (Including Water Quality Analysis) model, HEC – 5Q, has
the ability to decide how to regulate a complex network of reservoirs. The model will define the optimum system
operation for water quality and quantity. The decision criteria consider flood control, hydropower, instream flow
(municipal, industrial, irrigation, water supply, fish habitat) and water quality requirements. The model uses linear
programming to evaluate the optimum reservoir operating rules. Up to ten reservoirs and up to thirty control points can be
considered. rozpatrywane. Temperature and up to three conservative and three non conservative water quality constituents can be
modelled using
V V
C C
t t
xQ
C C
x x
xA D
C C
x x
QC QC
QC VS.
x x
x x
c c
ii ii
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
“ "
2 2
2 2
' "
' "
0 0
A phytoplankton option requires eight constituents; temperature, total dissolved solids, nitrate nitrogen, phosphate
phosphorous, CBOD, ammonia nitrogen and dissolved oxygen. Non-conservative constituents are replaced by first-order
kinetic decay formulations. The model simulates either daily or monthly data. Therefore, its use is restricted to large
catchments. Hydrological streamflow routing methods such as modified Puls and Muskingum are used in HEC – 5Q.
This model also includes the capability to modify the flows to improve water quality at control points using linear
programming. programowania. HEC – 5Q provide economic evaluation capabilities for computing average flood damage.
QUAL2E - UNCAS (Brown and Barnwell 1987)
This is a US Environmental Protection Agency model for simulating stream water quality. It was intended for use as a
planning tool and can simulate steady and unsteady transport of pollutants. However, it assumes steady flow. It can To może
simulate the interaction of up to 15 water quality constituents. These include; dissolved oxygen, BOD, temperature, algae
as chlorophyll a, organic nitrogen as N, ammonia as N, nitrite as N, nitrate as N, organic phosphorous as P, dissolved
phosphorous as P, coliforms, arbitrary non-conservative constituent and three conservative constituents. All parameters
can be simulated as either steady state or dynamic conditions. Diurnal variations in meteorological data on water quality
only can be studied. Other dynamic forcing functions such as flow variations cannot be modelled. Uncertainty analysis
can be performed. może być wykonana. This includes sensitivity analysis, first-order and Monte Carlo analysis. This is only applied to the
steady state simulations. A maximum of 25 river reaches containing no more than 20 computational elements per reach
are permitted. Only six river junctions and seven headwater elements and up to 25 input and withdrawal nodes are
allowed. dozwolone. Flow balance is the only routing that is performed by this model. Storage within an element is ignored and flow
is considered as steady. The water depth is estimated by solving the Manning equation.
The basic equation that is used to describe the behaviour of a pollutant in a stream is the one-dimensional conservative
advective-diffusion equation
A
C C
t t
x x
AD AD
C C
x x
x x
uA C
dC dC
dt dt
SC,x,t
x x
x x
c c
x x
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
“ "
1 6 1 6
( (
) )
in which, C is the thermal energy or constituent concentration, t the time, x is distance, u is the advection velocity, A
x x
the
cross-sectional area, D
x x
the diffusion coefficient, S ( C,x,t ) are all sources and sinks and the term dC/dt defines the first-
order kinetics for non-conservative constituents. Coliforms are modelled as non-conservative constituents. These and Te i
| Page 48 Strona 48 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
41 41
arbitrary non-conservative constituents are modelled as first-order decaying constituents dependent on temperature and do
not interact with other constituents. Sensitivity analysis of model to individual parameters can be performed using the
UNCAS extension to QUAL2E. In first-order analysis and Monte Carlo simulations, the variables are assumed to be
independent. niezależne.
WQRRS (Hydrologic Engineering Center 1978)
The US Army Corps of Engineers, Water Quality for River-Reservoir Systems (WQRRS) was designed to model water
quality and quantity within an entire catchment. It consists of three independent modules; a reservoir module
(WQRRSR), a stream hydraulic module (SHP) (Hydrologic Engineering Center 1988) and the stream quality module
(WQRRSQ), that can be coupled if necessary. The model is capable of simulating 18 different physical, chemical and
biological water quality parameters in a river or reservoir or a river-reservoir system. It has the capability to rout flows on
open channels using the shallow water wave equations, kinematic wave equations, Muskingum method or using the
modified Puls method. Steady flows using either stage-flow relationships or backwater analysis can also be performed.
Conservative water quality parameters are modelled using the advective diffusion equation
V V
C C
t t
xQ
C C
z z
xA D
c c
C C
x x
QC QC
QC VS
x x
x x
ii ii
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
˜ ~
“ "
' "
' "
2 2
0 0
2 2
in which, C is the thermal energy or constituent concentration, V is the volume, t is the time, x is the space coordinate
(vertical for the reservoir and horizontal for the stream), Q
x x
is the advective flow, A
x x
is the surface area, D
c c
is the effective
diffusion coefficient, Q
i i
is the lateral inflow, C
i i
is the inflow thermal or concentration, Q
0 0
is the lateral outflow and S are
all the sources and sinks. It is interesting to note that this equation is not conservative unless the advection is assumed to
be constant. The source and sink term is limited to external heat fluxes for temperature. It includes settling, first-order
decay, reaeration, chemical transformation, biological uptake and release, growth, respiration and mortality including
predation. drapieżników. For constituents that affix to the bottom or are mobile, their transformation is governed by
V V
C C
t t
VS VS
˜ ~
˜ ~
“ "
The biological and chemical constituents considered are; fish, aquatic insects, benthic animals, zooplankton,
phytoplankton, benthic algae, detritus, organic sediments, inorganic suspended solids, inorganic sediments, dissolved
phosphate, total inorganic carbon, dissolved ammonia, dissolved nitrates, dissolved nitrates, BOD, coliform bacteria, total
alkalinity, total dissolved solids, pH and unit alkalinity. All chemical and biological rate processes occur in an aerobic
environment. środowiska. In addition to the transport processes, advection and dispersion, other processes included in WQRRS are
shown in Table 7.1. The interdependence of constituents as represented in WQRRS are given in Table 7.2.
| Page 49 Strona 49 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
42 42
Table 7.1 Basic Processes Influencing Constituents
Process Procesu
Constituent Składnik
Con Con
s s
e e
r r
vat VAT
ive Con
s s
t t
i i
t t
u u
en pl
t t
M M
a
ss In
cr cr
ea ea
sed sed
b b
y y
B B
y y
- -
Pr Pr
oduc oduc
ts ts
w w
i i
th Ot
he on
r r
C C
o o
ns ns
titue
n n
ts ts
E E
x x
change t
h h
r r
o o
ugh Air
- -
Wat
er er
I I
n n
t t
e e
rf rf
ace as
Rat Szczur
e e
s s
ar ar
e T
e e
m m
p p
e e
r r
at w
u u
r r
e e
D D
e e
pe pe
nde nde
nt nt
M M
a
ss Decrease
sb sb
y y
Decay Rozkład
Temperature Temperatura
BOD BZT
Phosphorous Fosfor
Ammonia Amoniak
Nitrate Azotan
Nitrite Azotyn
Total Carbon
Organic Sediments
Alkalinity Zasadowość
TDS
Oxygen Tlenu
Suspended Solids Zawiesiny
Inorganic Sediments
Coliforms Bakterie z grupy coli
8. 8.
SUMMARY Streszczenie
Urban storm water models should be capable of simulating flows and the transport of pollutants over impervious and
pervious areas, through channel and pipe networks and through storages. They should be able to produce results
summarising the behaviour of the catchment response as a function of time and at several locations throughout the
catchment. zlewni. Due to the amount of data required and the complexity of some of these models, the simulation requires the
use of a computer. Very few serious models of urban storm water rely on statistical techniques, such as regression
analysis. analizy. Generally, they are based on deterministic modelling approach.
There are numerous models capable of simulating urban water quantity and quality employing diverse approaches to
handling the problem. However, there seems to be a number of deficiencies that are common to most of these models.
The following is a summary of the conclusions from the review of eight models that are specifically designed to model
urban storm water and four models capable of modelling urban storm water .
• •
Due to the complexity of the urban flow and water quality processes, many urban watershed models have evolved
over several years or decades.
• •
Many of the models described in this review can be used to model either storm water, waste water or water supply
infrastructure. infrastruktury. However, none consider integrated storm water, water supply and waste water infrastructure. Many Wiele
| Page 50 Strona 50 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
43 43
simply consider only one component, although in the United States, storm water and waste water can share the same
infrastructure and are modelled as a combined system.
Table 7.2. Tabela 7.2. Interdependence of Constituents (WQRRS)
Constituent Składnik
Constituent Składnik
T T
e e
m m
p p
e e
r r
at w
u u
r r
e e
Fi Fi
sh sh
B B
e e
nthic
A
n n
im im
al al
s s
Z Z
oop
l l
a
n n
k k
t t
o o
n n
Aq
u u
a
t t
i i
c In c W
sect sekta
s* s *
P P
h h
yt yt
opl
a
nk nk
t t
o o
n n
B B
e e
nthic
A
l l
gae
* *
Det Det
r r
it to
u u
s s
To Aby
x x
i i
ci ci
t t
y y
* *
I I
n n
or lub
ganic
Sus
pe pe
nde nde
d d
Sol Sol
i i
ds ds
Or Lub
ganic
Se Se
dim ciemny
e e
nt nt
I I
n n
or lub
ganic
Se Se
dim ciemny
e e
nt nt
BO BO
D D
Col Col
i i
f f
o o
r r
m m
B B
a
ct ct
er er
i i
a
T T
o o
t t
a
l l
I I
n n
o o
r r
ganic Ca
r r
b b
on na
A
mmo
n n
i i
a
Nit Gnida
r r
at w
e e
Nit Gnida
r r
it to
e e
P P
h h
os os
phate zowy
Ox Wół
ygen
Alk Alk
a
l l
i i
nit gnida
y y
and i
Car Samochodów
b b
on Diox
ide
pH pH
Temperature Temperatura
K K
K K
K K
K K
G G
Fish Ryb
D D
D D
D D
D D
I I
D D
G G
Benthic Animals
L L
I I
D D
G G
Zooplankton
L L
D D
I I
G G
Aquatic Insects*
L L
D D
D D
I I
D D
D D
D D
D D
D D
Phytoplankton Fitoplankton
L L
I I
D D
D D
D D
D D
Benthic Algae*
L L
L L
I I
Detritus
E E
E,L
E E
J J
J J
Inorganic Suspended Solids
J J
Organic Sediments
A
E E
J J
Inorganic Sediments
J J
J J
BOD BZT
A
G G
Coliform Bacteria
A
Total Inorganic Carbon
B B
B B
B B
B B
B B
B B
B B
B B
G G
M M
Ammonia Amoniak
A
B B
B B
B B
B B
B B
B B
B B
Nitrate Azotan
A
B B
G G
Nitrite Azotyn
A
B B
G G
Phosphate Fosforan
B B
B B
B B
B B
B B
B B
B B
Oxygen Tlenu
F F
C C
C C
C C
C C
C C
C C
C C
C C
C C
C C
Alkalinity and TDS
Carbon Dioxide Dwutlenek węgla
F,H
M M
H H
M M
pH pH
H H
H H
H H
H H
A affects rate of decay, respiration, growth or mortality
B by-Product of decay or respiration
C consumed by decay and respiration
D prey or nutrients required for growth
E by-product of growth
F affects reaeration rates and saturation
G limits growth or decay if out of acceptable range
H affects chemical Equilibrium
I affects mortality
J source through sedimentation or scour
K limits energy input by affecting light
penetration penetracja
L consumed by growth of other constituents
M at chemical equilibrium with other
constituents
* stream module only
• •
All the urban storm water models can be used as planning models with some as design tools and very few as
operational tools, see Table 5.1. A reason why few urban storm water models are designed as operational models is
that in an urban environment, the transients are very rapid, making it difficult to implement complicated models and
collect data in real-time. Most of the models are capable of simulating single events, see Table 5.3. Those that are
capable of simulating continuous and single events are also used to design urban storm water infrastructure.
• •
Planning models are continuous models that use simple hydrological approaches to simulate the behaviour of flows
in an urban catchment.
| Page 51 Strona 51 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
44 44
• •
All urban storm water models incorporate a rainfall runoff model.
• •
Spatial distribution of rainfall is not considered in many of these models. Rainfall is assumed to be uniformly
distributed in a subcatchment. The development of a model to interpolate, both spatially and temporally, rainfall data
collected at rainfall gauges, which are sparsely distributed within a catchment, would be a huge advancement in
rainfall runoff modelling.
• •
For overland flow, the linear storage method is the most popular approach. The shallow water wave equations or
their approximations are seldom employed, although their popularity is increasing.
• •
Washoff and buildup of pollutants on impervious areas is described by empirical relationship based on first-order
kinetic type relationships.
• •
Buildup and washoff of pollutants is not very well understood. The simple exponential relationship that is generally
used is not reliable and there are very few data sets available to verify or establish new empirical relationships. More Więcej
studies, such as those undertaken by Mackay (1999) are required to establish new or verify these relationships.
• •
In general, water quality modelling involves first-order kinetics, with adsorption to sediments being a major
component. składnika. Very few models have a sediment transport model. This is a conservation of sediment equations which is
solved simultaneously with the shallow water wave equations.
• •
Simple storage is the most common approach to routing flows. There is a trend towards the use of hydraulic analysis
of storm water infrastructure, with many of the more recently developed models including a number of hydraulic
routing techniques as options.
• •
The most common water quality parameters that are modelled in urban water storm water models are: BOD, total
coliforms, total P and N and both suspended and bed sediment transport. The non-urban models include arbitrary
conservative pollutants and the modelling of aquatic organisms. Because the effect of pollutants on organisms is
important, temperature, DO and ammonia are also included in non-urban models.
• •
Design models employ hydraulic modelling for runoff simulation and model the behaviour of storm water flows.
More recently, the St. Venant equations have been solved. This is not due to new techniques being developed to
solve these equations but to the availability of cheaper and more powerful computers making the solution of large
systems of equations more tractable.
• •
Very few of the models examined have the capability of modelling flash flooding in urban areas. Only MIKE –
SWMM seem to be capable of modelling two-dimensional overland flow.
• •
Very few model reviews mention the implications of using approximations to the shallow water wave equations. The
shallow water wave equations are capable of simulating the effect of obstacles to the flow, loops in the network and
| Page 52 Strona 52 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
45 45
pressurised pipe flows. The diffusion wave and kinematic wave equations possess one set of characteristics which
travel downstream. Therefore, these models are not capable of simulating backwater effects from channel and pipe
junctions and obstacles to the flow. In addition, the kinematic wave is not capable of simulating the attenuation in the
flow. przepływu. The diffusion wave equation approximates the physical attenuation of the flow. This may be a serious
limitation if these models are being used to design storm water infrastructure. Lumped models, which include many
hydrological models, ignore the spatial variability of the problem. This approach assumes that the behaviour of the
catchment is instantaneous. This has serious implications in water quality modelling and other processes that are time
dependent. zależne.
• •
Only one of the urban storm water models solves the advective diffusion equation for the transport of pollutants in
pipes, channels or storages. All the others use simpler techniques, such as plug flow or assuming simply that the
pollutant is completely mixed. This is in contrast to the non-urban models which all use the advective diffusion
equation for the transport of contaminants. Two reasons why the advective-diffusion equation is not solved for urban
problems are: Due to the rapid response of an urban catchment, the transport of contaminants by diffusion is
considered to be insignificant compared to the influence of advection in the transport of these contaminants. Urban Miejskich
storm water infrastructure networks are generally more complicated than river networks. The numerical solution of
the advective-diffusion equation for complicated networks may be computationally expensive.
• •
Reliability is another aspect of modelling that is very seldom found in watershed modelling. In view of the
uncertainties in estimating empirical coefficients and the assumed water quality transformation, placing confidence
limits on the model outputs due to these uncertainties should be important and should be an integral part of the
decision making process. proces podejmowania decyzji. Beven (1989) suggests that reliability estimation is a requirement for watershed models.
Risk analysis is a relatively new development in water resources models. The most popular approach is sensitivity
analysis followed by first-order analysis and Monte Carlo simulation.
• •
Very few storm water models include an economic analysis of alternative storm water strategies. Those that do
include an economic analysis are based only on life cycle costs, externalities are ignored.
• •
A number of models incorporate an optimisation technique. These are generally used for parameter estimation.
Nonlinear and dynamic programming are almost exclusively used in water resources problems. Only one model
examined uses optimisation to design storm water infrastructure.
• •
Orlob (1982) commented, that in the late 1970s the technology of modelling, at least that of water quality, reached a
point where advancement seems to depend more on the availability of reliable data from the field than on the
ingenuity of the modeller or on the computer. It seems that this situation has not improved.
| Page 53 Strona 53 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
46 46
9. 9.
OPPORTUNITIES IN STORM WATER MODELLING
This review has highlighted potential research opportunities in storm water modelling , process understanding and data
management . zarządzania. The implementation of many of these research opportunities in a modelling framework is currently
achievable.
(a) (A)
Modelling Modelowanie
• •
Rapidly Varying Flows and Flows over a Dry Bed
One-dimensional unsteady flow models have matured and there have been very few innovative advancements in these
models over the past few years. They are robust, efficient and suitable for simulating gradually varied flows in well
defined channels or conduits. This is not the case for rapidly varying flows and unsteady flows over a dry bed. One and
two-dimensional algorithms for handling these type of flows are emerging. The simulation of flash flooding and storm
water infrastructure failure, which are increasing problems in urban areas, can be modelled with such algorithms.
Accurate modelling of two-dimensional unsteady flows over steep slopes and dry beds is an emerging area of research.
These models will also gain prominence in modelling two-dimensional overland flow.
• •
Sediment Transport
Adsorption to sediments is a major component in the transport of pollutants. Some models use algorithms that are
abstract. Whilst these may be intuitive, they are often difficult to relate to physical measurements. Sediment transport transport osadów
models should be more physically based. Sediment transport and flow are co-dependent, therefore the sediment and flow
equations should be solved simultaneously. Very few models solve these equations simultaneously.
• •
Rainfall Interpolation
Failures in storm water infrastructure are generally associated with high intensity rainfall. The spatial and temporal
variability in rainfall is not adequately considered in rainfall-runoff models. Tools that can accurately interpolate both
spatial and temporal variability in rainfall would provide more reliable estimates of point rainfall and consequently
runoff. opadowych.
• •
Integrated Water System
Storm water is only one component of the urban water system. Very few models integrate water resources systems. They Oni
do not include storm water, waste water and potable water systems. Therefore, it is not possible to consider water reuse in
options or the impact of one system on another.
• •
Economic Analysis
The few storm water models that include economic analysis are based only on life cycle costs. Externalities are ignored.
The occurrence of rare events that result in the failure of urban infrastructure is another emerging aspect of urban storm
water management. Assessing the costs associated with infrastructure failure is seldom included in an economic analysis
of urban systems. For example, flash flooding is disruptive, destructive and places life and property at risk. Recent events
in major city centres in Australia have demonstrated the huge costs associated with the inadequacy of urban infrastructure
| Page 54 Strona 54 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
47 47
to convey storm water. The costs associated with infrastructure failure are seldom included in the cost of storm water
infrastructure. infrastruktury.
• •
Risk analysis
Uncertainty analysis is not adequately addressed in modelling. Placing confidence limits on the model results, which
reflect the uncertainties in a model, is extremely important. With the model uncertainties quantified, its results can be
viewed in perspective.
• •
Optimisation
Optimisation has been used in urban storm water models for a number of years. However, they are generally used for
model parameter estimation. There are opportunities for the use of optimisation for the selection of storm water
infrastructure. infrastruktury. An obvious example is the use of simulated annealing to size storm water infrastructure.
(b) (B)
Process Understanding
• •
Head Losses in Manholes
Manholes and drop structures in a storm water network can have a significant impact on the behaviour of flow through
these systems. Hydraulic models generally treat these structures as internal boundary conditions. However, their Jednak ich
behaviour under varying flow is not well understood. Laboratory experiments are required to establish the empirical
relationships that accurately reflect the impact of these structures on the flow.
• •
Buildup and Washoff Function
Most model development activity has been devoted to porting models to personal computers, improving the numerical
procedures or improving their “user friendliness”. This diverts effort from enhancing our understanding of urban runoff
and of better ways to model it. This is particularly true for the accumulation and subsequent transport of pollutants by
runoff. opadowych. There is a limited knowledge of buildup and washoff of pollutants and methods for simulating the accumulation
and washoff of surface pollutants have not been verified (Nix 1994). The simple exponential relationship that is generally
used is not reliable and there are very few data sets available to verify or establish new empirical relationships. More Więcej
studies, such as those undertaken by Mackay (1999), are required to establish new or verify existing relationships.
• •
Water Quality Interactions
There are numerous algorithms to handle various facets of water quality modelling. Few, if any, are capable of studying a
particular facet with scientific rigour. The interaction of various water quality parameters may have a more significant
influence on an aquatic system that the individual parameters in isolation. Most water quality models ignore or restrict the
interaction of water quality parameters. A greater understanding of the significance of the interaction between water
quality parameters is necessary before reliable algorithms can be developed to describe these interactions.
| Page 55 Strona 55 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
48 48
(b) (B)
Data Management Data Management
• •
Expert System for Model Selection
There are numerous urban storm water models. The level of apparent detail in a model may lead some user to believe that
the results are equally impressive. This is simply not the case. What is required is an expert system that can be used to
assist the user in selecting a model that will balance the modelling effort with the needs of the study.
• •
Data Archives
Models move ahead of the database available to support them (Nix 1994). Large runoff models require large amounts of
expensive data. What is lacking is an intelligent system that streamlines the management of data. The provision of
interfaces with popular data base management software and spreadsheets will increase the utility of existing models and
data. danych.
10. 10.
REFERENCES REFERENCJE
Abbott, MB, (1979) A Modelling System for the Design and Operation of Storm-Sewer Networks, Computational
Hydraulics , Ed. MB Abbott, Pitman, Chapter 2, 1, 11-39.
Allen, RB and Bridgeman, SG, (1986) Dynamic Programming in Hydropower Scheduling, Journal of Water Resources
Planning and Management, American Society of Civil Engineers , 112(3), 339-353.
Alley, WM and Smith, PE, (1982a) Distributed Routing Rainfall-Runoff Model: Version II, US Geological Survey ,
Geological Survey Open File Report 82-344.
Alley, WM and Smith, PE, (1982b) Multi-Event Urban Runoff Quality Model, US Geological Survey , Open File
Report 82-764, Reston , Virginia.
Behera, PK, Papa, F. and Adams, BJ, (1999) Optimisation of Regional Storm-Water Management Systems, Journal of
Water Resources Planning and Management, American Society of Civil Engineers , 125(2), 107-114.
Betson, RP, Tucker, RL and Haller, FM, (1969) Using Analytical Methods to Develop a Surface-Runoff Model,
Water Resources Research , 5(1), 103-111.
Bettess, R., Pitfield, RA and Price, RK, (1978) A Surcharging Model for Storm Sewer Systems, Urban Storm
Drainage , Ed. PR Halliwell, Pentech Press, London, 306-316.
Beven, KJ, (1989) Changing Ideas in Hydrology: The Case of Physically Based Models, Journal of Hydrology , 105,
157-172.
| Page 56 Strona 56 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
49 49
Bicknell, BR, Imhoff, JC, Kittle, JL, Donigan, AS and Johanson, RC, (1993) Hydrologic Simulation Program:
Fortran User's Manual for Release 10, US Environmental Protection Agency , Athens, Georgia, Report EPA/600/R-
93/174.
Bidwell, VJ, (1971) Regression Analysis of Nonlinear Catchment Systems, Water Resources Research , 7(5), 1118-
1126. 1126.
Brandstetter, AB, (1976) Assessment of Mathematical Models for Storm and Combined Sewer Management , US
Environmental Protection Agency , Cincinnati, Ohio, Report EPA/600/2-76-175a.
Brandstetter, AB, Engel, RL and Cearlock, DB, (1973) A Mathematical Model for Optimum Design and Control of
Metropolitan Wastewater Management Systems, Water Resources Bulletin , 9(6), 1188-1200.
Brendecke, CM, DeOreo, WB, Payton, EA and Rozaklis, LT, (1989) Network Modes of Water Rights and System
Operations, Journal of Water Resources Planning and Management, American Society of Civil Engineers , 115(5), 684-
696. 696.
Brown, LC and Barnwell, TO, (1987) The Enhanced Stream Water Quality Models QUAL2E and QUAL2e-UNCAS:
Documentation and Users Manual, US Environmental Protection Agency , Athens, Georgia, Report EPA/600/3-87/007.
Brown, SR, (1986) TOMCAT: A Computer Model Designed Specifically for Catchment Quality Planning Within the
Water Industry, International Conference on Water Quality Modelling in the Inland Natural Environment , British
Hydraulic Research Association, Cranfield, England, 37-49.
Burges, SJ and Lettenmaier, DP, (1975) Probabilistic Methods in Stream Quality Management , Water Resources
Bulletin , 11(1), 242-247.
Carriaga, CC and Mays, LW, (1995) Optimisation Modeling for Sedimentation in Alluvial Rivers, Journal of Water
Resources Planning and Management, American Society of Civil Engineers , 121(3), 251-259.
Chapman, D., (1992 ) Water Quality Assessments: A Guide to the Use of Biota, Sediments and Water in Environmental
Monitoring , Chapman Hall, London.
Charley, W., Pabst, A. and Peters, J., (1995) The Hydrologic Modeling System (HEC-HMS): Design and Development
Issues, Hydrological Engineering Center, US Army Corps of Engineers , Technical Paper No. 149.
Chatterton, RA, Miller, AC and McDonnell, AJ, (1982) Uncertainty Analysis of Dissolved Oxygen Model, Journal of
the Environmental Engineering Division, American Society of Civil Engineers , 108(EE5), 1003-1013.
| Page 57 Strona 57 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
50 50
Chow, VT, (1964) Handbook of Applied Hydrology , McGraw-Hill Cook Co., New York.
Chu, CS and Bowers, CE, (1977) Computer Programs in Water Resources , Water Resources Research Center,
University of Minnesota , WRRC Bulletin 97.
Chu, WS and Yeh, WWG, (1978) A Nonlinear Programming Algorithm for Real Time Hourly Reservoir Operations,
Water Resources Bulletin , 14(5), 1048-1063.
Chung, FI, Archer, MC and DeVries, JJ, (1989) Network Flow Algorithm Applied to California Aqueduct
Simulation , Journal of Water Resources Planning and Management, American Society of Civil Engineers , 115(2), 131-
147. 147.
Clark, RT, (1973) Mathematical Models in Hydrology, Irrigation and Drainage Paper, Food and Agriculture
Organization of the United Nations , Rome.
Colon, R. and McMahon, GF, (1987) BRASS Model: Application to Savannah River System Reservoirs, Journal of
Water Resources Planning and Management, American Society of Civil Engineers , 113(2), 177-190.
Crawford, NH and Linsley, RK, (1966) Digital Simulation in Hydrology, Stanford Watershed Model, Department of
Civil Engineers, Stanford University , Technical Report No. 39.
Cunge, JA, (1969) On the Subject of a Flood Propagation Method, Journal of Hydraulic Research , 7(2), 205-230.
Danish Hydraulic Institute (1990) MIKE 11 – A Microcomputer Based Modelling System for Rivers and Channels, Users
Manual, Danish Hydraulic Institute , Horsholm, Denmark.
Dawdy, DR and O'Donnell, T., (1965) Mathematical Models of Catchment Behaviour , Journal of the Hydraulics
Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers , 91(HY4), 123-137.
Dawdy, DR, Lichty, RW and Bergman, JM, (1972) A Rainfall-Runoff Simulation Model for Estimation of Flood
Peaks for Small Drainage Basins, US Geological Survey , Professional Paper 506-B.
Dendrou, SA, (1982) Overview of Urban Stormwater Models, Urban Stormwater Hydrology, Ed., DF Kibler,
American Geophysical Union , Washington, DC, 219-247.
DeVries, JJ and Hromadka. TV, (1992) Computer Models for Surface Water, Handbook of Hydrology , Ed. DR DR
Maidment, Chapter 12.
Diaz, GE and Fontane, DG, (1989) Hydropower Optimisation via Sequential Quadratic Programming , Journal of
Water Resources Planning and Management, American Society of Civil Engineers , 115(6), 715-734.
| Page 58 Strona 58 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
51 51
Dinius, SH, (1987) Design of an Index of Water Quality, Water Resources Bulletin , 23(5), 833-843.
Dooge, JCI, (1959) A General Theory of the Unit Hydrograph, Journal of Geophysical Research , 64(1), 241-256.
Driscoll, D., Toro, DMD and Thomann, RV, (1979) A Statistical Method for Assessment of Urban Runoff, US
Environmental Protection Agency , Washington, DC, Report EPA/440/3-79-023.
Driver, NE and Tasker, GD, (1988) Techniques for Estimation of Storm-Runoff Loads, Volumes, and Selected
Constituent Concentrations in Urban Watersheds in the United States, US Geological Survey , Open File Report 88-191.
Driver, NE and Tasker, GD, (1990) Techniques for Estimation of Storm-Runoff Loads, Volumes, and Selected
Constituent Concentrations in Urban Watersheds in the United States, US Geological Survey , Water Supply Paper 2363.
Driver, NE and Troutman, BM, (1989) Regression Models for Estimating Urban Storm-Runoff Quality and Quantity in
the United States, Journal of Hydrology , 109, 221-236.
Dudley, J., Bryan, D. and Chambers, B., (1994) STOAT – Development and Application of a Fully Dynamic Sewage
Treatment Works Model, International User Group Meeting: Computer Aided Analysis and Operation in Sewage
Transport and Treatment Technology , Goteborg, Sweden.
Duncan, HP, (1995) A Bibliography of Urban Stormwater Quality, Cooperative Research Centre for Catchment
Hydrology, Report 95/8.
Ellis, JB, (1986) Pollutional Aspects of Urban Runoff, Urban Runoff Pollution , Eds. HJ Marsalek and M. Desbordes,
NATA ASI Series, Series G: Ecological Sciences, Vol. 10, Springer-Verlag, Berlin.
Fisher, HB, List, EJ, Koh, RCY, Imberger, J. and Brooks, NH, (1979) Mixing in Inland and Coastal Waters ,
Academic Press, Boston.
Ford, DT, Garland, R. and Sullivan, C., (1981) Operation Policy Analysis: Sam Rayburn Reservoir , Journal of Water
Resources Planning and Management, American Society of Civil Engineers , 107(WR2), 339-350.
Fread, DL, (1978) NWS Operational Dynamic Wave Model, Proceedings of the Specialty Conference on Verification of
Mathematical and Physical Models in Hydraulic Engineering, American Society of Civil Engineers , College Park,
Maryland, 455-464.
Geiger, WP and Dorsch, HR, (1980) Quantity-Quality Simulation (QQS): A Detailed Continuous Planning Model for
Urban Runoff Control, Volume 1, Model Description, Testing and Applications, US Environmental Protection Agency ,
Cincinnati, Ohio, Report EPA/600/2-80-011.
| Page 59 Strona 59 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
52 52
Hall, MJ, (1984) Urban Hydrology , Elsevier Applied-Science, New York.
Havno, K., Madsen, MN and Dorge, J., (1995) MIKE 11 – A Generalised River Modelling Package , Computer Models
of Watershed Hydrology , Ed. VP Singh, Water Resources Publications, Colorado, 733-782.
Heaney, JP, Huber, WC and Nix, SJ, (1976) Storm Water Management Model: Level 1 – Preliminary Screening
Procedures, US Environmental Protection Agency , Cincinnati, Ohio, Report EPA/600/2-77-083.
Henderson, FM, (1966) Open Channel Flow , MacMillan and Co., New York.
Huber, WC, (1986) Deterministic Modeling of Urban Runoff Quality, Urban Runoff Pollution , Eds., H. Torno, J.
Marsalek and M. Desbordes, NAT0 ASI Series, Series G: Ecological Sciences, 10, Springer-Verlag, Berlin, 166-242.
Huber, WC, (1992a) Contaminant Transport in Surface Water, Handbook of Hydrology , Ed. DR Maidment, Chapter
14, McGraw-Hill, New York.
Huber, WC, (1992b) Prediction of Urban Nonpoint Source Water Quality Methods and Models , International
Symposium on Urban Stormwater Management , Sydney, The Institution of Engineers, Australia, 1-17.
Huber, WC and Dickinson, RE, (1988) Storm Water Management Model, Version 4, User's Manual, US
Environmental Protection Agency , Athens, Georgia, Report EPA/600/3-88-001a.
Huber, WC and Heaney, JP, (1982) Analyzing Residuals Discharge and Generation from Urban and Non-Urban
Surfaces, US Environmental Protection Agency , Athens, Georgia, Report EPA/600/3-83-046.
Huber, WC, Heaney, JP, Nix, SJ, Dickinson, RE and Polmann, DJ, (1984) Storm Water Management Model, User’s
Manual, Version III, US Environmental Protection Agency , Athens, Georgia, Report EPA/600/2-84-109a.
Hydrologic Engineering Center, (1977 ) Storage, Treatment, Overflow, Runoff Model, STORM, Generalised Computer
Program 723-58-L7520, Hydrologic Engineering Center, US Corps of Engineers , Davis, California.
Hydrologic Engineering Center, (1978) WQRRS Water Quality for River-Reservoir Systems: User's Manual, Hydrologic
Engineering Center, US Army Corps of Engineers , Report CPD-8.
Hydrologic Engineering Center, (1986) HEC – 5Q Simulation of Flood Control and Conservation Systems: Appendix on
Water Quality Analysis, Hydrologic Engineering Center, US Army Corps of Engineers , Report CPD-5Q.
Hydrologic Engineering Center, (1988) SHP Stream Hydraulics Package, Hydrologic Engineering Center, US Army
Corps of Engineers , Report CPD-54.
| Page 60 Strona 60 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
53 53
Jaffe, PR and Parker, FL, (1984) Uncertainty Analysis of First Order Decay Model, Journal of Environmental
Engineering, American Society of Civil Engineers , 110(1), 131-140.
Jewell, TK and Adrian, DD, (1981) Development of Improved Stormwater Quality Models , Journal of the
Environmental Engineering Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers , 107(EE5), 957-974.
Johanson, RC, Imhoff, JC and Dana, H., (1980) Users Manual for Hydrological Simulation Program – Fortran (HSPF),
US Environmental Protection Agency , Report EPA/9-80-015, Athens Georgia.
Johanson, RC, Imhoff, JC and Davis, HH, (1984) User's Manual for Hydrological Simulation Program: Fortran.
HSPF: User's Manual Release 8.0, US Environmental Protection Agency , Athens, Georgia , Report EPA/600/3-84-066.
Jorgensen, SE, (1982) Modeling the Ecological Processes, Mathematical Modeling of Water Quality: Streams, Lakes,
and Reservoirs , Ed. GT Orlob, John Wiley and Sons, Chichester, 116-149.
Jorgensen, SE, (1988) Fundamentals of Ecological Modelling , Developments in Environmental Modelling 9, Elsevier,
Amsterdam. Amsterdam.
Kirkpatrick, S., Gelatt, CD and Vecchi, MP, (1983) Optimisation by Simulated Annealing, Science , 220(4598), 671-
680. 680.
Kulandaiswamy, VC, (1964) A Basic Study of the Rainfall Excess-Surface Runoff Relationship in a Basin System, Ph.D
thesis, University of Illinois , Urbana, Illinois.
Labadie, JW, Morrow, DM and Chen, YH, (1980) Optimal Control of Unsteady Combined Sewer Flow, Journal of
the Water Resources Planning and Management Division, American Society of Civil Engineers , 106(WR1), 205-223.
Lansey, KE and Basnet, C., (1991) Parameter Estimation for Water Distribution Networks , Journal of Water Resources
Planning and Management, American Society of Civil Engineers , 117(1), 126-144.
Leavesley, GH, Lichty, RW, Troutman, BM and Saindon, LG, (1983) Precipitation-Runoff Modeling System:
User's Manual, US Geological Survey , Water Resources Investigations Report 83-4238.
Leiser, CP, (1974) Computer Management of a Combined Sewer System, US Environmental Protection Agency ,
Cincinnati, Ohio, Report EPA/670/2-74-022.
Li, SG and McLaughlin, D., (1991) A Nonstationary Spectral Method for Solving Stochastic Groundwater Problems:
Unconditional Analysis, Water Resources Research , 27(7), 1589-1605.
| Page 61 Strona 61 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
54 54
Lindberg, S., Nielson, JB and Carr, R., (1989) An Integrated PC-Modelling System for Hydraulic Analysis of Drainage
Systems, The First Australian Conference on Technical Computing in the Water Industry , WATERCOMP '89, The
Institution of Engineers, Australia, Melbourne, 127-130.
Lindell, EO, Houck, MH and Delleur, JW, (1987) Design of Dual-Purpose Systems Using Dynamic Programming ,
Journal of Water Resources Planning and Management, American Society of Civil Engineers , 113(4), 471-484.
Mackay, S., (1999) Sediment, Nutrient and Heavy Metal Characteristics of Urban Stormwater Runoff , Urban Water
Research Association of Australia , Research Report No 139.
Martin, QW, (1983) Optimal Operation of Multiple Reservoir Systems , Journal of Water Resources Planning and
Management, American Society of Civil Engineers , 109(1), 58-74.
Martin, QW, (1987) Optimal Daily Operation of Surface-Water Systems , Journal of Water Resources Planning and
Management, American Society of Civil Engineers , 113(4), 453-470.
McMahon, GF and Fitzgerald, R. and McCarthy, B., (1984) BRASS Model: Practical Aspects , Journal of Water
Resources Planning and Management, American Society of Civil Engineers , 110(1), 75-89.
Melching, CS, Yen, BC and Wenzel, HG, (1991) Output Reliability as a Guide for Selection of Rainfall-Runoff
Models, Journal of Water Resources Planning and Management, American Society of Civil Engineers , 117(3), 383-398.
Melching, CS and Yoon, CG, (1996) Key Sources of Uncertainty in QUAL2E Model of Passaic River, Journal of
Water Resources Planning and Management, American Society of Civil Engineers , 122(2), 105-113.
Moore, JW and Ramamoorthy, S., (1984) Heavy Metals in Natural Waters: Applied Monitoring and Impact Assessment ,
Springer-Verlag, New York.
Nash, JE, (1957) The Form of the Instantaneous Unit Hydrograph, International Association of Scientific Hydrology ,
Publication 45(3), 114-121.
Nitivattananon, V., Sadowski, EC and Quimpo, RG, (1996) Optimisation of Water Supply System Operation, Journal
of Water Resources Planning and Management, American Society of Civil Engineers , 122(5), 374-384.
Nix, SJ, (1991) Applying Runoff Models, Water Environmental Technology , 3(6), 47-49.
Nix, SJ, (1994) Urban Stormwater Modelling and Simulation , Lewis Publishers, Boca Raton.
Novotny, V., (1995) Non-Point Pollution and Urban Stormwater Management , Water Quality Management Library, 9,
Technomic Publishing Co.
| Page 62 Strona 62 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
55 55
Orlob, GT, (1982) Introduction, Mathematical Modeling of Water Quality: Streams, Lakes, and Reservoirs , Ed. GT GT
Orlob, John Wiley and Sons, Chichester, 1-10.
Ostfeld, A. and Shamir, U., (1996) Design of Optimal Reliable Multiquality Water-Supply Systems , Journal of Water
Resources Planning and Management, American Society of Civil Engineers , 122(5), 322-333.
Peck, EL, (1976) Catchment Modeling and Initial Parameter Estimation for the National Weather Service River
Forecasting System, US National Weather Service , NOAA Technical Memorandum NWS Hydro-31.
Press, WH, Teukolsky, SA, Vetterling, WT and Flannery, BP, (1992 ) Numerical Recipes in Fortran: The Art of
Scientific Computing , Cambridge University Press.
Price, RK, (1973) Flood Routing Methods in British Rivers, Hydraulic Research Station, Wallingford , Report No. INT
111. 111.
Price, RK, (1978) Design of Storm Sewers for Minimum Construction Costs, International Conference on Urban Storm
Drainage , Ed. PR Halliwell, Pentech Press, London, 636-647.
Price, RK and Kidd, CHR, (1978) A Design and Simulation Method for Storm Sewers, International Conference on
Urban Storm Drainage , Ed. PR Halliwell, Pentech Press, London, 327-337.
Reckhow, KH, Butcher, JB and Marin, CM, (1985) Pollutant Runoff Models: Selection and Use in Decision Making,
Water Resources Bulletin , 21(2), 185-195.
Reddy, PVN, Sridharan, K. and Rao, PV, (1996) WLS Method for Parameter Estimation in Water Distribution
Networks, Journal of Water Resources Planning and Management, American Society of Civil Engineers , 122(3), 157-
164. 164.
Roesner, LA, Aldrich, JA and Dickinson, RE, (1988) Storm Water Management Model, User's Manual, Version 4:
Addendum I, EXTRAN, US Environmental Protection Agency , , Athens, Georgia, Report EPA/600/3-88-001b.
Rovey, EW and Woolhiser, DA, (1977) Urban Storm Runoff Model , Journal of the Hydraulics Division, American
Society of Civil Engineers , 103(HY11), 1339-1351.
Salhotra, AM, Schanz, R., and Mineart, P., (1988) A Generic Monte Carlo Simulation Shell for Uncertainty Analysis of
Contaminant Transport Models, Environmental Research Laboratory, Office of Research and Development , US
Environmental Protection Agency , Athens, Georgia, Report 8720123-AB.
| Page 63 Strona 63 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
56 56
Sevuk, AS, Yen, BC and Peterson, GE, (1973) Illinois Storm Sewer System Simulation Model: User's Manual, Water
Resources Center, University of Illinios , Research Report No. 73.
Sewards, GJ and Williams, GCH, (1995) Intermittently Decanted Extended Aeration Process , Modern Techniques in
Water and Wastewater Treatment , Eds. LO Kolarik and AJ Priestley, CSIRO Publishing, Melbourne, 107-113.
Scavia, D., Powers, WF, Canale, RP and Moody, JL, (1981) Comparison of First-Order Error Analysis and Monte
Carlo Simulation in Time-Dependent Lake Eutrophication Models, Water Resources Research , 17(4), 1051-1059.
SOGREAH, (1977) Mathematical Model of Flow in an Urban Drainage Programme, SOGREAH , Greoble France,
SOGREAH Brochure 06-77-33-05-A.
Tasker, GD and Stedinger, JR, (1989) An Operational GLS Model for Hydrologic Regression, Journal of Hydrology ,
111, 361-375.
Tchobanoglous, G. and Schroeder, ED, (1987) Water Quality: Characteristics Modeling Modification , Addison Wesley,
Reading, Massachusetts.
Terstriep, ML and Stall, JB, (1974) The Illinois Urban Drainage Simulator ILLDAS, Illinios State Water Survey ,
Urban Illinios, Bulletin 58.
Thoft-Christensen, P. and Baker, MJ, (1982) Structural Reliability Theory and Its Applications , Springer-Verlag, Berlin.
Train, RE, (1979) Quality Criteria for Water , Castle House Publications, Great Britain.
Tung, YK, (1987) Uncertainty Analysis of National Weather Service Rainfall Frequency Atlas , Journal of the
Hydraulics Division, American Society of Civil Engineers , 113(2), 893-913.
Tung, YK, (1989) Uncertainty on Travel Time in Kinematic Wave Channel Routing , Proceedings of the International
Conference on Channel Flow and Catchment Runoff: Centennial of Manning's formula an Kuichling's Rational
Formula, American Society of Civil Engineers , Ed. BC Yen, 767-781.
Tung, YK, (1990) Mellin Transform Applied to Uncertainty Analysis in Hydrology/Hydraulics , Journal of Hydraulic
Engineering, American Society of Civil Engineers , 116(5), 659-674.
US Environmental Protection Agency, (1979) Benefit Analysis for Combined Sewer Overflow Control , US
Environmental Protection Agency , Environment Research Information Center, Cincinnati, Ohio, Report EPA/625/4-79-
013. 013.
| Page 64 Strona 64 |
|---|
Review of Storm Water Models Przegląd Modelarski wody deszczowej
CSIRO Land and Water Technical Report No. 52/99, December 1999 Land CSIRO i Gospodarki Wodnej techniczne Raport nr 52/99, grudzień 1999
57 57
Warwick, JJ and Wilson, JS, (1990) Estimating Uncertainty of Stormwater Runoff Computations, Journal of Water
Resources Planning and Management, American Society of Civil Engineers , 116(2), 187-203.
Whipple, W., Grigg, S., Gizzard, T., Randall, CW, Shubinski, RP and Tucker, LS, (1983) Stormwater Management in
Urbanizing Areas , Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey.
Willey, RG, (1986) Kanawha River Basin Water Quality Modeling, Hydrologic Engineering Center, US Army Corps of
Engineers, Special Projects Report No. 86-5.
Woolhiser, DA, (1977) Numerical Simulation of Direct Surface Runoff from a Small Watershed Using Program
KINGEN, Mathematical Models for Surface Water Hydrology , Eds. TA Ciriani, U. Maione and JR Wallis, Wiley, New
York. York.
Woolhiser, DA, Smith, RE and Goodrich, DC, (1990) KINEROS, A Kinematic Runoff and Erosion Model:
Documentation and User Manual, US Department of Agriculture, Agricultural Research Service, Report ARS-77 .
Wurbs, RA, (1994) Computer Models for Water Resources Planning and Management , Institute for Water Resources,
US Army Corps of Engineers , Alexandria, Virginia, Report 94-NDS-7.
Xu, C. and Goulter, IC, (1998) Probabilistic Model for Water Distribution Reliability, Journal of Water Resources
Planning and Management, American Society of Civil Engineers , 124(4), 218-228.
Yao, H. and Terakaura, A., (1999) Distributed Hydrological Model for Fuji River basin, Journal of Hydrologic
Engineering, American Society of Civil Engineers , 4(2), 108-116.
Yeh, KC and Tung, YK, (1993) Uncertainty and Sensitivity Analysis of Pit-Migration Model , Journal of Hydraulic
Engineering, American Society of Civil Engineers , 119(2), 262-283.
Zoppou, C. and Li, KS, (1992) Estimation of Uncertainty in Hydrology Using Reliability Theory, Department of Civil
and Maritime Engineering, University College, University of New South Wales, Canberra , Australia, Research Report
R127.
Zoppou, C. and Li, KS, (1993) New Point Estimate Method for Water Resources Modeling , Journal of Hydraulic
Engineering, American Society of Civil Engineers , 119(11), 1300-1307.
Zoppou, C. and Roberts, S., (1999) Catastrophic Collapse of Water Supply Reservoirs in Urban Areas, Journal of
Hydraulic Engineering, American Society of Civil Engineers , 125(7), 686-695.
Oryginalny tekst w języku: angielski
time step is required to adequately capture the behaviour of the transient.
Zaproponuj lepsze tłumaczenie
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Praca dyplomowa Strona tytułowa etc
III rok harmonogram strona wydział lekarski 2013 2014 II i III Kopia
Ekonomia zerówka strona 12
PJM Poziom A2 Strona 90
druga strona
PJM Poziom A2 Strona 99
Ekonomia zerówka rozdział 8 strona 171
PJM Poziom A2 Strona 52
PJM Poziom A2 Strona 84
Ekonomia zerówka strona 26
6082 PB 7C PERONY strona tytułowa UM
pierwsza strona sprawozdania, fff, dużo
IzoLinioweLABORKA-StronaTytulowa, Laborki
Pierwsza strona, PKM projekty, PROJEKTY - Oceloot, Projekt IV prasa, projekt 1
strona tytułowa, Fizyka, Laboratoria
Strona tytułowa, Studia, OSN, Zagórski
Strona tytułowa - Word 2003, Prywatne, Studia
Strona 3, Podstawy Statystyki i Przedsiębiorczości
więcej podobnych podstron