Development of a hydraulic model and its application to a small urban stream

Abstract

Understanding flow in urban streams is important, for example to prevent damages caused by flooding or to be able to estimate pollution transport in a stream. In this thesis a one-dimensional hydraulic model was developed to simulate gradually varied subcritical steady or unsteady open channel flow in a small urban stream or a branched stream network. The model was implemented using Fortran 95 programming language and it was connected to PostgreSQL/PostGIS spatial database using a middleware program implemented in Perl. The database stores the input data and the simulation results of the model, whereas the middleware program enables the interaction between these components and provides a user interface for the system. It was observed that simulating flow in a small urban stream is challenging for many reasons. In small streams estimation of flow resistance is difficult, since the flow varies on a large scale and the variations are usually rapid, the methods commonly used to determine resistance are not suitable for small streams, and local energy losses have a significant impact. Lateral inflow to the stream might also be so significant that is should be taken account in modeling, but quantifying its amount is difficult. Furthermore, low flows are rather common in small streams from the computational point of view, and these may cause numerical difficulties in simulation. The developed model was applied to a small Ridalinpuro stream in Nummela, Southern Finland, to verify that it works. To confirm that the model works also in a branched channel network and in other situations it is intended to, more tests are needed with appropriate data. However, in its present state the model provides a tool that can be used to simulate flow in single reaches of open channel, and which can easily be modified and extended to suit further needs.

Veden liikkeiden ymmärtäminen kaupunkiuomissa on tärkeää esimerkiksi tulva-vahinkojen ehkäisemiseksi ja veden mukana kulkeutuvien saasteiden leviämisen arvioimiseksi. Tässä diplomityössä kehitettiin yksiulotteinen hydraulinen malli simuloimaan tasaisesti muuttuvaa stationaarista tai epästationaarista verkasvirtausta pienessä kaupunkiuomassa tai haarautuvassa uomaverkostossa. Malli toteutettiin Fortran 95-ohjelmointikielellä ja se yhdistettiin PostgreSQL/PostGIS-tietokantaan käyttäen Perl-kielellä ohjelmoitua väliohjelmistoa. Tietokantaa käytetään mallin tarvitsemien lähtötietojen ja simulointitulosten tallennuskohteena, kun taas väli-ohjelmiston tarkoituksena on yhdistää malli tietokantaan ja toimia käyttöliittymänä kehitetylle malli-tietokanta-systeemille. Pienten kaupunkiuomien virtausmallinnuksen havaittiin olevan hankalaa monista eri syistä johtuen. Ensinnäkin virtausvastusten arviointi on vaikeaa, sillä virtaaman muutokset ovat yleensä suuria ja nopeita, tavallisesti käytetyt virtausvastusten arviointimenetelmät eivät sovellu pieniin uomiin ja koska paikalliset energiahäviöt voivat olla suuria. Uomaan sivuilta tuleva vesimäärä saattaa myös olla niin suuri, että se tulisi ottaa huomioon mallinnuksessa, mutta sen arvioiminen on hankalaa. Lisäksi pienet virtaamat ovat laskennallisesta näkökulmasta yleisiä pienissä uomissa, ja nämä saattavat aiheuttaa numeerisia hankaluuksia mallinnuksessa. Kehitetyn mallin verifioimiseksi sitä käytettiin virtaaman mallintamiseen Nummelan Ridalinpurossa. Jotta voitaisiin varmistua, että malli toimii myös haarautuvassa uomaverkostossa ja muissa suunnitelluissa tilanteissa, lisää testejä tulisi suorittaa sopivaa dataa käyttäen. Nykyisellään malli tarjoaa työkalun, jota voidaan käyttää virtaaman mallintamiseen yksittäisessä avouomassa ja jota voidaan helposti muokata ja laajentaa vastaamaan tulevia tarpeita.