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