Voorbeeld meetopzet kalibratie hydrodynamisch rioolmodel

In figuur A ziet u voor een meetlocatie het kalibratieresultaat van een rioolmodel waarmee waterstanden en debieten zijn berekend. Het rekenmodel gebruikt daarbij gemeten neerslag die heeft geleid tot de gemeten waterstanden in de praktijk. In het rekenmodel is het werkelijke rioolstelsel vereenvoudigd tot een rioolmodel. Figuur A Resterende verschillen tussen gemeten en gekalibreerde waterstanden meetlocatie (Bron: M. van Bijnen Advies) Vergroot afbeelding Voor een modelkalibratie optimaliseert u alleen modelparameters die gerelateerd zijn aan de gemodelleerde processen (bijvoorbeeld ruwheid en overlaatcoëfficiënt). Modelparameters die te maken hebben met de structuur en geometrie van het rioolsysteem blijven in het kalibratieproces buiten beschouwing. Deze hebben ‘vaste’ waarden tijdens het kalibreren. Bijvoorbeeld de grootte van de oppervlakken waar neerslag op valt en tot afstroming komt naar het rioolstelsel. Dit betekent dat u een modelkalibratie pas uitvoert nadat u het rioolmodel gevalideerd hebt. Bij het kalibreren neemt u wel de modelparameters mee die de hoeveelheid neerslag berekenen die vanaf een oppervlak het rioolstelsel instroomt, zoals berging en infiltratie. Om de uitkomsten van een kalibratieproces te kunnen beoordelen, moet u ook inzicht hebben in het uitgevoerde onderhoud aan en beheer van het rioolstelsel en de bijzondere installaties (bijvoorbeeld gemalen) tijdens de meetperiode. Waarom een rioolmodel kalibreren? Kalibreren kunt u gebruiken: als u twijfels hebt over de toepasbaarheid van standaardwaarden van modelparameters en/of de kwaliteit van de gebruikte dataset met gegevens van het rioolstelsel; als u behoefte hebt aan een gedetailleerde verklaring van een werkelijk opgetreden praktijksituatie (bijvoorbeeld bij grote investeringen die op modeluitkomsten gebaseerd zijn); om een strategie voor rioolinspectie en -reiniging op te stellen. Met modelkalibratie kunt u lokale veranderingen in het hydraulisch functioneren van een rioolsysteem aantonen1. Bijvoorbeeld de aanwezigheid van boomwortels, sedimentafzettingen of aangehechte afzettingen, zoals vet in riolen. Met deze kennis kunt u de rioolinspectie en -reiniging optimaliseren. Manieren om een rioolmodel te kalibreren Er zijn veel verschillende manieren om een model te kalibreren. De methoden variëren van ‘trial and error’ (het handmatig aanpassen van de waarden van modelparameters om zo berekende en gemeten waterstanden met elkaar overeen te laten komen) tot zeer geavanceerde wiskundige en deels geautomatiseerde methoden. Voor bruikbare, controleerbare en reproduceerbare resultaten kunt u uw rioolmodel het best volgens dit proces kalibreren. Wat hebt u voor modelkalibratie nodig? Rekenmodel en meetgegevens Om een rioolmodel te kalibreren, hebt u een rekenmodel en meetgegevens nodig. De meetgegevens moeten de informatie van de optredende processen beschrijven die van invloed zijn op de gekozen modelparameters in de kalibratie. De inrichting van het meetnet moet zijn afgestemd op de informatiebehoefte van het kalibratieproces. Als bijvoorbeeld een niveausensor niet diep genoeg in de put is geïnstalleerd, levert deze ook geen bruikbare informatie op voor het kalibratieproces wat betreft inloopparameters. Inzicht in hydraulisch functioneren rioolstelsel Naast een rekenmodel en meetgegevens hebt u inzicht nodig in het hydraulisch functioneren van het rioolstelsel. Dit betekent dat u minimaal neerslag in het gebied, waterstanden op meerdere locaties in het rioolstelsel en het debiet bij het gemaal moet meten (zie tabel A). De basis van de kalibratiemeetopzet is dan ook de globale meetopzet voor het functioneren van een eenvoudig rioolstelsel. Het verschil zit in het aantal meetlocaties. Voor kalibratie is het aantal meetlocaties afhankelijk van de hydraulische weerstand in het rioolstelsel. De hoofdafvoerroutes zijn belangrijk. Hoe groter het rioolstelsel, hoe meer deelstelsels er zijn. Dan hebt u meer meetlocaties nodig. Meetopzet voor modelkalibratie In tabel A ziet u een meetopzet voor kalibratie van een hydrodynamisch rioolmodel met bijbehorende nauwkeurigheden en frequenties. Tabel A Meetopzet kalibratie hydrodynamisch rioolmodel Meting Locatie Meetonzekerheid Frequentie Type Meetbereik Niveau Interne overstort +/- 10 mm 1/min Momentaan Van putbodem tot maaiveld   Stuwput +/- 10 mm 1/min Momentaan Van putbodem tot maaiveld   Externe overstort +/- 10 mm 1/min Momentaan Van putbodem tot maaiveld   Inspectieput +/- 10 mm 1/min Momentaan Van putbodem tot maaiveld Debiet Gemaal +/- 5% Full Scale 1/min Momentaan en cumulatief 0 - 110% van de maximale capaciteit Neerslag 1 per km2 0,1 mm/min, +/- 5% gemeten neerslag per 24 uur 1/min Cumulatief   Meetlocaties U breidt het basismeetnet uit door op meerdere locaties in het rioolstelsel waterstanden te meten. De neerslagbelasting op het rioolstelsel is een belangrijke factor bij de modelkalibratie. Deze belasting bepaalt voor een groot deel hoe het stelsel hydraulisch functioneert. De spreiding van neerslag in het gebied is daarom ook belangrijk. Gebruik minimaal één neerslagmeter per 1-2 km2. Met de huidige stand van de techniek zijn neerslagradardata nog niet geschikt voor gebruik bij modelkalibratie. U hebt minimaal elke vijf minuten betrouwbare neerslaginformatie nodig. Dit bereikt u door neerslag met lokale neerslagmeters te meten of met een combinatie van neerslagmeters en radar. Bij de keuze van (het aantal) meetlocaties kunt u gebruikmaken van: de uitkomsten van hydraulische berekeningen met rekenmodellen; praktijkervaringen met het functioneren van het rioolstelsel; praktische randvoorwaarden van het gebied en het rioolstelsel; een methode gebaseerd op het kwantificeren van de informatie-inhoud van alle mogelijke meetpunten2. Deze methode maakt de gevoeligheid van de te meten parameter voor het kalibratieproces inzichtelijk. Als resultaat hebt u een geoptimaliseerd meetnet om te gebruiken voor een modelkalibratie; de grafenmethode3. Deze methode bepaalt hoe belangrijk elke individuele rioolleiding is voor het hydraulisch functioneren van het stelsel als geheel. Meetlocaties kiest u gebaseerd op het hydraulisch functioneren van het rioolstelsel. Meetnauwkeurigheid De meetnauwkeurigheid verschilt per meetprincipe en type meetinstrument. Voor modelkalibratie gebruikt u de volgende nauwkeurigheid: neerslag meet u met een meetonzekerheid van 0,1 mm + 5%. De neerslagbelasting op een rioolstelsel is een belangrijke factor bij het kalibreren van een rioolmodel. Betrouwbare meetdata krijgt u alleen als de neerslagmeter goed is opgesteld; waterstanden meet u met een meetonzekerheid van +/- 10 mm. De locatie van de meetsensor in de put is belangrijk voor de betrouwbaarheid van de meetdata. Kies de beste locatie in een put voor optimale meetresultaten, installeer sensoren conform de installatie-eisen; debieten meet u met een meetonzekerheid van 5% (Full Scale). Debieten kunt u met verschillende meetprincipes en bijbehorende nauwkeurigheid meten. Let bij de keuze voor een debietmeter op de nauwkeurigheid. Meetbereik Bij modelkalibratie hebt u informatie nodig over het karakteristieke 'gedrag' (de dynamiek) van het rioolstelsel. Daarvoor meet u waterstanden variërend tussen de bodem van de put of binnen-onderkant-buis (bob) tot het maaiveld. Het meetbereik is dan van de bodem van de put tot maaiveld. U kiest een meetinstrument met dit meetbereik. Het meetbereik van debieten stemt u af op 110% de maximale pompcapaciteit (meten van debiet in een persleiding achter de pomp) of berekende debieten (meten van debieten in rioolleidingen of watergangen). Meetfrequentie De meetfrequentie is het tijdsinterval tussen twee opeenvolgende metingen. Bij het kalibreren gaat het om de variatie in waterstanden. Om de meetfrequentie te kunnen bepalen, moet u de tijdschalen kennen van optredende processen waarin u inzicht wilt krijgen. De meetfrequentie moet kleiner zijn dan de karakteristieke tijd van deze processen. De tijdschaal wordt tijdens neerslag ook sterk bepaald door het verloop van de neerslagintensiteit. Daarom gebruikt u de volgende meetfrequenties: neerslag cumulatief per minuut; waterstanden momentaan per minuut; debiet momentaan per minuut en cumulatief per minuut. Meetperiode Als u een rioolmodel kalibreert, moet u inzicht hebben in de dynamiek van de optredende waterstanden op de meetlocaties en de verschillende patronen van de neerslagbelasting. Voor de kalibratie gebruikt u afzonderlijke neerslaggebeurtenissen, u hebt minimaal vier neerslaggebeurtenissen nodig. Kalibreren om afwijkend systeemgedrag waar te nemen, betekent dat u gedurende een langere periode moet meten. Als u modelkalibratie toepast om uw strategie voor rioolreiniging- en inspectie te optimaliseren, dan bepaalt u de meetperiode zelf (in de praktijk gedurende meerdere jaren). 1 Van Bijnen, J.A.C. (2018). The impact of sewer condition on the performance of sewer systems. (Proefschrift) Technische Universiteit Delft, Delft. 2 Clemens, F.H.L.R. (2001). Hydrodynamic models in urban drainage application and calibration. (Proefschrift). Technische Universiteit Delft, Delft. 3 Meijer, D., Van Bijnen, M., Langeveld, J., Korving, H., Post, J., Clemens, F. (2018). Identifying Critical Elements in Sewer Networks Using Graph-Theory. Water, 10(2), 136, doi:10.3390/w10020136.