Utnyttelse av heverteffekter i urbane avløpssystemer

Abstract

Dagens nyhetsbilde preges i stadig større grad av katastrofer som følge av klimaendringer. I Norge forventes hyppigere og mer intense regnhendelser i tiden fremover. Dette setter store krav til infrastrukturen for vann og avløp. Landets avløpsledninger krever vedlikehold og oppgradering for å ha god nok kapasitet til å takle økte vannmengder.

Dersom ledningsnettet ikke blir rustet for klimaendringene, står vi ovenfor bl.a. flomskader og kjelleroversømmelser. Disse utfordringene har fått Aiwell Water AS til å hente inspirasjon fra hevertbasert takdrenering. Firmaet vil undersøke hvor mye ekstra kapasitet et avløpsnett oppnår ved å fungere som et fullstrømsystem. Dette er i liten grad forsket på tidligere og danner grunnlaget for denne masteroppgaven. Oppgaven presenterer hvilken gevinst i vannføringskapasitet man kan oppnå ved å bruke hevertprinsippet.

For å undersøke de hydrauliske forholdene ble det tatt utgangspunkt i to nedskalerte rørmodeller i lab, samt programvare for simulering av strømnings- og trykkforhold. Rørmodellene bestod av én enkelt avløpsledning (del 1) og et nedskalert nettverk av rør og kummer (del 2). Ved hjelp av disse verktøyene, kunne man finne ut hva som skal til for å få økt kapasitet ved hevertstrømning. Dette omhandler hvilket helningsområde på røret som behøves for å få høyere kapasitet ved hevertstrømning, og hvordan simuleringsmodellen stemte med kumnettverket. Gjennom undersøkelsene kan man lettere vurdere potensialet for slike prinsipper i avløpssektoren.

På bakgrunn av teoretiske beregninger og arbeid i lab, ble det funnet at det kan være potensiale for en kapasitetsøkning i avløpsledningen for helninger over 4,8 % (nedre rørstrekk) og bestemte vannføringer. Økning i kapasitet avhenger i stor grad av spesifikke egenskaper i utstyrsoppsett. Gjennom forsøkene på kumnettverket ble det funnet at vannføringen øker ved høyere forskjell mellom øverste kum og utløpstanken. Simuleringsmodellen kunne predikere en gevinst ved fullstrøm på 47 % for en høydeforskjell i vannstand mellom inn- og utløp på 63 cm. De samlede resultatene gir en god pekepinn for økning i kapasitet for fullstrøm sammenlignet med selvfall, men de er spesifikke til modellene de ble utført på.

Today’s news picture is increasingly characterized by disasters resulting from climate changes. In Norway, more frequent and more intense rain events are expected in the future. This creates greater demands on the water and drainage infrastructure. The sewer system requires maintenance and upgrading in order to have sufficient capacity to cope with increased amounts of water.

If the sewer system is not able to handle the climate changes, we risk facing flood damages and basement flooding, among other things. These challenges led Aiwell Water AS to draw inspiration from siphonic roof drainage. The company want to investigate how much extra capacity drainpipes can achieve by acting as a full flow system. There is little research on this topic, which creates the basis for this master’s thesis. The thesis work presents what water flow capacity can be expected by using the siphon principle.

In order to investigate the hydraulic conditions, two scaled pipe models were used in laboratory testing, and a software was used for simulation of flow and pressure conditions. The pipe models consisted of a single sewer pipe (pt. 1) and a scaled down network of pipes and manholes (pt. 2). By these tools one could investigate what it takes to increase the capacity in pipes using siphon flow. This investigation includes looking at the slope area required to obtain higher siphon flow capacity in the pipes and matching up the simulation model with the laboratory results from the sewer network. Thru these studies one can easier assess the potential for using such principles in wastewater engineering.

Based on theoretical calculations and the work performed in the laboratory, a potential for capacity increase was found for sewer pipes with slopes greater than 4,8 % (bottom piping) and given water flows. The capacity increase was found to be dependent on specific features in the equipment layout. Through the sewer system experiments, it was found that the water flow increases with increasing height difference between upper manhole and outlet. Simulations predicted a capacity increase of 47 % for full flow systems with a height difference between upper manhole and outlet of 63 cm. The overall results provide a good indication of the increase in full flow capacity compared to self-sufficiency but are specific to the models in which they were performed.