Användning av nederbördsprognoser har ett stort intresse för att implementera en realtidsstyrning för hela avloppssystemet vid regn. Genom en sådan styrning skulle avloppssystemet kunna utnyttjas mera optimalt och kommande investeringar i ledningssystem och avloppsreningsverk skulle kunna begränsas.
Av: Bengt Andersson
Extrema regnväder har under senare år förorsakat omfattande översvämningar på många håll och sådana regnväder har blivit mer frekventa även i Skandinavien. Förekomsten av intensiva regn spås även öka på grund av framtida klimatförändringar. Stora investeringar kommer att behövas under kommande år både genom förnyelse av befintliga ledningsnät och genom förstärkning med nya ledningar där det behövs.
Det finns ett stort intresse för metodik för att begränsa kommande investeringar. Ett sätt är att genom prognostisering av flödesökningar i kombinerade avloppssystem vid kraftiga regn och med hjälp av styrning i realtid kunna undvika överbelastning av avloppsreningsverk och bräddningar i avloppsledningsnätet. I många fall kan kapacitet finnas i avloppssystemets uppströmsdelar för att ta hand om ökade flöden vid intensiva regn och om denna kapacitet kan utnyttjas kan en del av störningarna säkerligen undvikas. En realtidsstyrning kan även initiera varningar om systemet är fullt utnyttjat eller optimering av pumpningen av avloppsvatten för att skapa ett bättre utnyttjande av reningsprocesserna vid avloppsreningsverket.
Intresset för att utveckla nederbördsbaserade prognoser av flöden finns främst hos forskare och meterologiska institut. Krüger Veolia Water och Aalborgs universitet har implementerat ett realtidssystem för prediktion av avloppsvattenflödet in till Lynettens avloppsreningsverk i Köpenhamn.
En prediktion av kommande flöden bygger på att man kan prognostisera kommande regnsituationer. I refererad artikel jämförs två olika typer av regnprognoser, en numerisk väderprognosmodell och en prognosmodell baserad på extrapolerade väderradarbilder. Båda prognoserna används som input till en linjär avrinningsmodell med magasin. För att jämföra de två prognosmetoderna jämfördes dels prognostiserat regn med uppmätta regnmängder vid olika nederbördsstationer dels prognostiserade flöden från flödesmodellen med uppmätta flöden vid dessa tillfällen.
Genomförande av undersökningen
Lynettens upptagningsområde täcker större delen av centrala Köpenhamn samt omgivande urbana områden. Det maximala avloppsflödet till Lynetten är 12 m3/s. Verket kan ta in upp till 4,7 m3/s utan åtgärder och vid högre flöden upp till 6,7 m3/s utnyttjas luftningsbassängerna för sedimentering för att begränsa halten av suspenderade ämnen i utgående avloppsvatten. Upptagningsområdet har 87 % kombinerat avloppssystem och 13 % separerat system. Det har en total yta av 77 ha med cirka 30 % hårdgjord yta. Det bor cirka 500 000 invånare inom upptagningsrådet.
Realtidssystemet används idag enbart för att prognostisera avloppsvattenflödet in till Lynetten och inga styrningsåtgärder vidtas. Den numeriska nederbördsprognosen har en ledtid på mellan 1 och 24 timmar medan radarprognoserna har en ledtid på upp till 3 timmar.
Den numeriska prognosmodellen är en hydrostatisk modell för korttidsprognoser som kallas HIRLAM (HIgh Resolution Limited Area Model) och som drivs av Danmarks Meterologiska Institut (DMI). Modellen körs var 6:e timme och den prognostiserar konvektiv och stratiform nederbörd samt snö med en tidsupplösning av 1 timma.
Utnyttjad väderradarstation är en 250 kW enkelpolariserande C-band Doppler radar belägen 50 km söder om Köpenhamn och med en räckvidd av 240 km och stationen drivs av DMI. Prognosalgoritmen har utvecklats vid Aalborgs Universitet, den saknar termer för tillväxt/avklingande av pixlar och den använder sig endast av en extrapolation av observerat rumsligt regnmönster.
Avrinningsmodellen är implementerad i WaterAspect, som är en allmänt tillgänglig modellverktygslåda. Eftersom upptagningsområdet består av två separata områden har två parallella modeller implementerats, som var och en består av flera ytor från vilka avrinningen sker utan fördröjning till tre identiska linjära reservoarer i serie. Ett spillvattenflöde adderas dessutom till avrinningen. Modellen autokalibreras mot observerade mätdata för att skapa bästa möjliga anpassning till uppmätt flöde innan prognostiseringen av flödet görs. Parametrarna kalibreras kontinuerligt med hjälp av en optimeringsmetod för att hitta mest sannolika värden på parametrarna baserat på data från föregående 48 timmar.
Resultat
Presenterade resultat täcker sex olika händelser under perioden 1 juli 2011 till 1 februari 2012 och tillfällena är valda för att illustrera både små och stora händelser, stratiform och konvektiv nederbörd och kort och lång varaktighet på regnen.
Först redovisas en jämförelse av prognostiserat och uppmätt regn. Det första tillfället var ett starkt konvektivt regn med en stor nederbördsmängd som lokalt översteg 100 mm. Radarprognoserna hade svårigheter att prediktera både volym och maximal intensitet eftersom konvektiva regn är svåra att prediktera genom observation av nederbördsmönster utan termer för tillväxt och avklingande. Den numeriska prognosmodellen överensstämde väl med uppmätta mängder för 2- och 6-timmars prognoser medan prognoser med längre ledtider kraftigt underskattade regnvolymerna. Under det första regnet uppstod rejäla översvämningar i Köpenhamn.
De fyra mellanregnen var en blandning av konvektiva och stratiforma regn och här visade radarprognoserna god överensstämmelse med uppmätta värden för alla ledtider. Den numeriska prognosmodellen kunde dock inte göra bra prognoser med kort ledtid.
Det sista regntillfället med låga regnintensiteter följt av små skurar kunde prognostiseras med god överensstämmelse både för radarprognoserna och för den numeriska prognosen för alla ledtider.
Generellt uppnåddes en god korrelation mellan uppmätt och prognostiserat flöde med undantag för den längsta ledtiden 24 timmar. Vid ett tillfälle erhölls en tidsfördröjning för de numeriska prognoserna och vid ett annat missade de numeriska prognoserna att prognostisera den näst största flödestoppen.
Sammantaget visade resultaten att flödesmodellen gav bäst resultat med radarprognoser som källa både vad gäller volym och flödestoppar, vilket troligen har med autokalibreringsproceduren att göra. Den numeriska prognosmodellen gav bra överensstämmelse för ledtider mellan 6 och 12 timmar och något sämre för kortare ledtider beroende på osäkerheten i de initiella förhållandena i modellen.
Slutsatser
Följande slutsatser kunde dras av undersökningen:
- Prognossystemet visade en stor potential både för prognoser för de närmaste timmarna som prognoser med ledtider upp till 24 timmar.
- Radarprognoserna fungerade bäst vid stratiforma regn och även om prognoserna underskattade konvektiva regn var överensstämmelserna för tidsförloppet acceptabelt.
- De numeriska prognoserna fungerade bäst vid ledtider mellan 6 och 12 timmar och sämre vid kortare ledtider.
- För bästa möjliga flödesprognoser var vare sig radar- eller numeriska prognoser tillräckliga utan metoderna borde kombineras.
- Trots spridda resultat av regnprognoserna utjämnade flödesmodellen variationerna så att tillförlitligheten vid realtidsstyrning blev acceptabel med fel mindre än +/- 10 %.
- Vid fem av regntillfällena skulle systemet ge en tillförlitlig prognos med tillräckligt lång ledtid för att förhållandena skulle kunna förbättras vid reningsverket.
- Det första regnet med mycket hög intensitet var för stort för att ett realtidssystem med flödesprognoser skulle kunna minska olägenheterna av översvämningar.
Källa: S. Thorndahl, T. Sanders Poulsen, T. Bövith, M. Borup, M. Ahm, J. Ellerbäck Nielsen, M. Grum, M.R. Rasmussen, R. Gill, P. Steen Mikkelsen. Comparison of short-term rainfall forecasts for model-based prediction in urban drainage systems. Water Science & Technology 68.2 (2013) pp 472 – 478.
Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.
