Tento článek popisuje program vytvořený Agenturou pro ochranu životního prostředí Spojených států amerických (Agentura pro ochranu životního prostředí USA). Program SWMM (Storm Water Management Model) je dynamický, srážko odtokový simulační model používaný pro jednu událost nebo dlouhodobé simulace odtokového množství a kvality vod převážně z urbanizovaného území.

Petr Hluštík, Michal Úterský

Úvod

Program SWMM (Storm Water Managment Model) je program vyvinutý agenturou U.S. EPA (agentura pro ochranu životního prostředí Spojených států amerických). Program SWMM je používán po celém světě k plánování, analýzu a návrh týkající se dešťového odtoku, jednotné a sanitární kanalizace a dalších odvodňovacích systémů v městských oblastech. Jedná se o dynamický, srážko odtokový simulační model používaný pro jednu událost nebo dlouhodobé simulace odtokového množství a kvality vod převážně z urbanizovaného území.

Model sleduje kvantitu a kvalitu odtoku, průtok, hloubku a kvalitu vody vytvořenou v rámci každého subpovodí. Simulační doba v jednotlivých kanálech a potrubích se skládá z více časových kroků. Výsledky mohou být zobrazovány jako barevné mapy povodí, grafy a tabulky časových řad nebo statistické frekvenční analýzy. Odtokový proces je založen na subpovodích (subcathment), kde je realizována srážka a vzniká zde povrchový odtok a jeho znečištění. Dále je odtok veden do systému potrubí, kanálů, možné je i zařazení dešťových zdrží, přečerpávacích stanic, regulátorů čištění. SWMM sleduje množství a kvalitu odtoku v rámci každé oblasti. Dále sleduje průtok, hloubku, a kvalitu vody v jednotlivých úsecích potrubí a kanálů během simulace, složené z několika časových kroků.

Obr. 1 Pracovní prostředí programu SWMM

Program je volně stažitelný na webových stránkách agentury U.S. EPA: (http://www2.epa.gov/water-research/storm-water-management-model-swmm). Je naprogramován v jazyce C a pracuje jen na operačních systémech Windows (XP, Vista, 7, 8.1).

Požadované vstupy do programu SWMM

Výkresový podklad zájmového území není nutností, je však vhodný z důvodu ulehčení a urychlení práce v programu.

Jako podklad pro práci v programu SWMM slouží hydrotechnická situace provedená metodou ideálních střech v programu AutoCAD. Program SWMM je schopen přečíst pouze podklady v klasických obrázkových formátech (JPG, JPEG, BMP, atd.). Podložit pracovní plochu soubory PDF nebo DWG nelze. Velikost výkresového formátu není podstatná, měřítko může být libovolné. Jako podklad hydrotechnické situace do programu SWMM se nejlépe hodí uložit výkres do formátu BMP. Velikost formátu není podstatná. V programu se dá podklad libovolně přibližovat a oddalovat. Vhodná velikost vstupního podkladu může být i na formátu A1. Přípona obrázku BMP se osvědčila nejlépe z důvodu čitelnosti při práci v programu SWMM. Drobnou nevýhodou tohoto formátu obrázku je jeho velikost. Vstupní podklad o velikosti formátu A1 o rozlišení 300 DPI má velikost 200 MB.

Import dat do programu SWMM

Importování dat do programu SWMM může být primárně řešeno v podobě obrázku s příponou BMP, dále může být import dat proveden na základě zadávání souřadnic jednotlivých objektů (např. šachty, výusti, odlehčovací komory). Dešťová data mohou být zadána i formou textového souboru, který se musí zadat do: Rain Gage → File Name a poté vybereme cestu k textovému souboru, který obsahuje data pro potřebnou simulaci. Pokud nemáme k dispozici žádná data (souřadnice, mapový podklad v obrázkovém formátu), můžeme situaci zakreslovat přímo do programu SWMM, protože nezáleží na vizuální formě situace. Veškeré potřebné délky, plochy atd. se zadávají do tabulek příslušných objektů a úseků.

Export dat z programu SWMM

Exportování dat z programu SWMM může být řešeno dvěma možnostmi, nabízenými programem. Veškeré výstupy se řeší přes File → Export. První možností exportu je Map Export, kdy program nabízí tři typy přípon výstupu, přičemž nejvyužitelnější je formát přípony DXF, který se dá otevřít v programu AutoCAD. V programu AutoCAD se vykreslí jednotlivé šachty a úseky mezi šachtami. Získáme tedy kanalizační sít posuzovaného území. Další nejčastější forma výstupu je Status and Summary Report, kdy program výsledky celé simulace vygeneruje do textového souboru RPT, který se dá otevřít v poznámkovém bloku.

Naměřené hodnoty/vstupní údaje

Vytvářený projekt je souborem již předdefinovaných objektů, u kterých je nutné vyplnit odpovídající údaje. Množství a druh programem požadovaných vstupních údajů závisí na investorem požadovaných výstupech. Pokud se jedná pouze o posouzení kapacity stokové sítě, jsou nutné tyto podklady: geodetické zaměření stokové sítě (nezbytností jsou nadmořské výšky poklopů šachet a hloubky šachet) posuzované oblasti, hydrologické údaje oblasti (úhrn srážek) a hydraulické údaje stokové sítě (dimenze potrubí, materiál stokové soustavy, odhad drsnostního součinitele.

Jednotky vstupujících a vystupujících (vypočtených) veličin je možno zadávat v metrickém systému SI, nebo v US formátu.

Práce v programu SWMM

Prostředí pro práci v programu je přehledné a práce v něm není náročná. Vzhledem i funkcemi je prostředí podobné např. programu EPANET 2.0, proto by se zvládnutím programu, neměli mít problém projektanti, pracující v obdobných programech. Obrázek č. 1 ukazuje základní rysy pracovního prostoru.

Každý objekt je specifikován pomocí údajů, které se zadávají do tabulky příslušného objektu. Některé z údajů v tabulce musí být vyplněny a jsou nezbytné pro zahájení simulace. Ostatní údaje slouží pro zpřesnění výsledků simulace. Aby byly požadované hodnoty správně vyplněny, obsahuje tabulka objektu i poznámkové pole, ve kterém se zobrazuje nápověda, která uvádí požadovaný vstup příslušné kolonky a jednotky.

Déšť (Rain Gage)

Návrhový déšť pro danou lokalitu se určí pomocí klasických metod. V nejčastějším případě se jedná o syntetický Šifaldův déšť. Parametry blokového deště (intenzita, periodicita) je doporučeno přejímat z Truplových tabulek.

Vstupní parametry (znázorněny na Obr. 2):

  • formát deště (Rain format) možno zadávat jako intenzitu [l/s/ha], objem [mm],
  • časový interval (Time interval) [h:m],
  • zdroj dat (Data source) možno zadávat přímo v programu nebo připojit soubor,
  • časový průběh deště (Timeseries).

Program umožňuje vkládání dešťových dat ve formátech poskytovaných americkými meteorologickými institucemi (NWS, NCDC) a ve vlastních vytvořených textových souborech, které musí obsahovat po sobě jdoucí: ID stanice, rok, měsíc, den, hodiny, minuty, hodnoty srážek. Tím získáme reálný déšť.

Obr. 2 Vstupy pro simulaci deště

Nejsou zde obsaženy žádné databáze dešťů, ani předdefinovaná schémata. Je však možno ručně zadat časový průběh srážky s odpovídajícími intenzitami.

Oblast (Subcatchment)

Určuje plochu, z které bude simulován povrchový odtok. Zaústění odtoku se provádí do šachet. U každého povodí je nutno zadat hodnotu odtokového součinitele v %. Hodnota odtokového součinitele byla stanovena na základě vzorového jednotkového hektaru.

Vstupní parametry (znázorněny na Obr. 3):

  • déšť (Rain Gage),
  • zaústění (Outlet),
  • plocha (Area) [ha],
  • šířka (Width) [m],
  • nepropustnost (% Imperv): odtokový součinitel Ψ (pokud Ψ= 0,4 zadává se 40).

K vyplnění dalších údajům je zapotřebí důkladný průzkum terénu. Nejsou však nezbytně důležité pro předběžný výsledek simulace.

Obr. 3 Vstupy pro nastavení odtokových povodí

Uzel (Junction)

Uzly jsou v programu SWMM chápány jako šachty, k jejichž definování postačují geodetické údaje.

Vstupní parametry (znázorněny na Obr. 4):

  • nadmořská výška dna (Invert El.) [m n. m.],
  • hloubka šachty (Max. Depth) [m].

Obr. 4 Vstupy pro nastavení uzlů (šachet)

Potrubí (Conduit)

Jednotlivé šachty se jednoduše propojí potrubím. Z nabídky objektů vybereme Conduit a kliknutím na značku šachty zadáme začátek úseku, kliknutím na značku další šachty po proudu provedeme zaústění. K definování potrubních úseků jsou nutné hydrologické podklady sítě.

Vstupní parametry (znázorněny na Obr. 5):

  • počáteční a konečná šachta,
  • tvar potrubí (Shape),
  • dimenze (Max. Depth) [m],
  • délka úseku (Length)  [m],
  • drsnost (Roughness): nutnost zadat Manningův součinitel drsnosti n.

Při zadávání průřezu úseku můžeme čerpat v programu již předdefinované nabídky. Nachází se zde 6 otevřených (Rectangular, Trapezoidal, Triangular, Parabalic, Power, Irregular) a 17, běžně používaných uzavřených průřezů (Circular, Force Main, Filled Ciccular, Closed Rectangular, Horizontal Elliptical, Vertical Elliptical, Gothic, Catenary, Semi-Elliptical, Arch, Rectengular Triangular, Rectengular Round, Baskethandle, Semi-Circular, Custom, Moddified Baskethandle, Egg, Horseshoe). Pokud by se na síti nacházel průřez jiný, než je dán nabídkou programu, tak je možno si vytvořit průřez vlastní, a to zadáváním souřadnic X (výška), Y (šířka).

Obr. 5 Vstupy pro nastavení uzlů (šachet)

Dimenze (u kruhových), hloubka (u otevřených) profilů je zadávána v metrech a je bez omezení.

Mimo tyto základní parametry, nutné k provedení simulace, je možno zadávat i další, k upřesnění výsledků. Rozšíření zadávaných parametrů závisí na podkladech. Mezi tyto patří:

  • Inlet, Outlet offset: výška vtoku, výtoku nade dnem příslušné šachty,
  • počáteční průtok (Initialflow): např. splašky,
  • koef. místní ztráty (Energyloss): při vtoku, výtoku v potrubí,
  • únik vody netěsnostmi (Seepagelossrate),
  • zpětná klapka.

Výustní objekt (Outfall)

Je konečný uzel sítě určen předdefinovanými okrajovými podmínkami. Výustní objekt je brán jako koncový uzel celé sítě. Při simulaci je tento uzel otevřen průtoku ze stokové soustavy a nedochází tak k plnění potrubí, což by program hlásil jako chybu výpočtu. Výustní objekt se nejčastěji umisťuje jako poslední šachta před ČOV.

Vstupní parametry:

  • výška dna (Invert El.) [m n. m.],
  • typ (Type).

Dešťová zdrž (Storage)

Lze nadefinovat libovolné velikosti. Objemové vlastnosti můžeme určit funkcí anebo tabulkou (zátopová křivka), kdy každé výšce vody v nádrži určíme zatopenou plochu.

Vstupní parametry:

  • výška dna [m n. m.],
  • maximální hloubka [m],
  • výpar [mm/d],
  • průsak [mm/h].

Čerpadlo (Pump)

Zadává se jako úsek mezi uzly. Čerpadlo definujeme křivkou. Na výběr jsou 4 typy křivek (znázorněny na Obr. 6) jimž zadáme požadované parametry.

Vstupní parametry:

  • křivka,
  • zapínací/ vypínací hladina [m].

Popis křivek pro nastavení čerpadla:

  1. Off-line čerpadlo v mokré jímce, kde je průtok zvyšován postupně,
  2. In-line čerpadlo, průtok se zvyšuje postupně s výškou hladiny ve vstupním uzlu,
  3. In-line čerpadlo, průtok se mění stále na rozdílu výšek mezi vstupním a výstupním uzlem (odstředivé čerpadlo),
  4. In-line čerpadlo, průtok se mění neustále na výšce hladiny ve vstupní šachtě.

Obr. 6 Křivky pro možné nastavení čerpadla odpadní vody

Ostatní

Mezi ostatní objekty, které je možné při práci s programem použít patří jez (Weir) a rozdělovače průtoku (odlehčovací komora).

Simulace a výstupy z programu SWMM

Po zadání veškerých částí projektu můžeme přejít k simulaci. Simulován může být odtok odpadní vody a transport kvality vody.

Odtok odpadní vody

Program po provedení simulace dokáže znázornit průběh plnění a prázdnění ve vybraném profilu. Možností je i pozastavení probíhající simulace v určitém časovém kroku pro možné zhodnocení stavu v daném momentě (časovém kroku) – Obr. 7. Doporučujeme nastavit dobu trvání simulace minimálně 4 krát delší než je průběh samotného deště, protože program počítá i s dobou zdržení a pozdějšího odtoku dešťové vody z povodí. Program nabízí i tabulkovou formu výstupu, kdy jsou vyhodnoceny průtoky v l/s, čas, rychlost proudění, procentuální zaplnění potrubí z hlediska průtoku a výšky hladiny. Tento výstup umožňuje srovnání pouze maximálních hodnot ve výše uvedených parametrech.

Chování kvality vody

Program je schopen simulovat transport a eliminaci mikropolutantů ve stokové síti. Znečištění vstupující do stokové sítě je možno zadat v Pollutant Editor.

Výstupy z programu

Po proběhnutí simulace můžeme nahlédnout na výstupy. Výstupy mohou být v podobě textové (znázorněno na Obr. 7) nebo grafické v podobě podélného profilu anebo v závislosti průtoku na čase (znázorněno na Obr. 8). Simulaci výstupů lze provést mezi jednotlivými šachtami či vybranými úseky.

Obr. 7 Tabulka textových výstupů simulace

Závěr

Použitelnost programu SWMM je vhodná zejména pro malé obce s nepříliš rozvětvenou stokovou sítí. Při pracování s rozsáhlejšími stokovými soustavami může vzniknout nepřehlednost a samotná metoda výpočtu povrchového odtoku metodou ideálních střech není vhodná pro větší obce.

Výhody a nevýhody programu SWMM jsou shrnuty do následujících bodů:

Výhody programu SWMM:

  • Volně dostupný program
  • Intuitivní uživatelské prostředí
  • Stabilita programu
  • Variabilita vstupů a výstupů
  • Různé nástroje k usnadnění práce s programem

Nevýhody programu SWMM:

  • Nemožnost vložení podkladu ve formátů dwg
  • Nespolupracuje s GIS oproti konkurenčním programům
  • Nedokáže provést výpočet, pokud je sklon potrubí v protispádu
  • Absence tlačítka „zpět“

Obr. 8 Grafický výstup simulace v podobě průtoku potrubím v závislosti na čase

Použitá literatura

[1] ROSSMAN, Lewis. U.S. EPA. STORM WATER MANAGEMENT MODEL USER’S MANUAL. 2010.

[2] STARÝ, Miloš. Hydrologie. Brno: Vysoké učení technické, Fakulta stavební, 2005, 368 s. ISBN Hydrologie.

[3] HLAVÍNEK, Petr. Stokování a čištění odpadních vod. Vyd. 1. Brno: Akademické nakladatelství CERM, 2003, 253 s. ISBN 80-214-2535-0.

[4] TRUPL, Josef. Intensity krátkodobých dešťů v povodích Labe, Odry a Moravy. Praha, 1958, 76 p.

Poděkování

„Výzkumná zpráva byla vytvořena v rámci řešení projektu č. LO1408 "AdMaS UP - Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie" podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I".

Výzkumná zpráva vznikla při řešení aplikovaného výzkumu za spolupráce firmy AgPOL, s.r.o. a VUT v Brně, centra AdMaS.

Autoři

Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí, Žižkova 17, 602 00 Brno.

Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí, Žižkova 17, 602 00 Brno.

Recenze

Článek byl recenzován. Recenze jsou uloženy v redakci.

Bibliografická citace

HLUŠTÍK, P., ÚTERSKÝ, M. Zhodnocení uživatelského prostředí programu SWMM. Vodovod.info - vodárenský informační portál[online]. 6.9.2017, 09/2017, [cit. 2017-09-06]. Dostupný z WWW: http://vodovod.info. ISSN 1804-7157.

English Summary

This paper describes the program SWMM (Storm Water Management Model) developed U.S.EPA Agency (Agency for Environmental Protection of the United States). SWMM program is a dynamic rainfall-runoff simulation model that allows you to simulate rainfall-runoff processes from an urbanized area and is used around the world.