Sateen riskiennusteen hyödyntäminen Viikinmäen jätevedenpuhdistamon tulovirtaaman ennustamisessa RAVAKE-hanke Mari 1
RAVAKE-hanke Hankeaika: 1.9.2009-31.12.2012 Tutkimuslaitokset: Ilmatieteen Laitos IL Helsingin yliopisto, fysiikan laitos Rahoitus: TEKES Vesiohjelma, DNA Oy, Vaisala Oyj, IL / Kaupalliset palvelut, Ramboll Finland Oy, Finanssialan keskusliitto, Porin kaupunki, Helsingin Vesi (nyt HSY), Tampereen Vesi, Suomen JVT- ja Kuivausliikkeiden Liitto ry Hankkeen päätoimenpiteet: Rakennetaan Internetpohjainen interaktiivinen sadehälytysjärjestelmä Asiakas määrittää sijainnin ja riskikynnyksensä 2
Ilmatieteen Laitoksen ja HSY:n osahanke Osahankkeen ideointi käynnistyi ohjausryhmätyön rinnalla syksyllä 2010 Osahanke käynnistettiin matalalla byrokratialla ja hanke eteni verrattain ketterästi Osahanke yhdistää RAVAKE:n sateen riskiennustejärjestelmän, Internet-pohjaisen interaktiivisen datasiirron, hydraulisen jätevesitunnelien virtaamamallin ja HSY:n prosessiohjausjärjestelmän (Metso DNA) 3
Työn toteuttaminen Työryhmä koostui IL ja HSY:n asiantuntijoista (Jarmo Koistinen, Harri Hohti, Miikka Jokelainen, Mari ja Tommi Fred) IL toteutti ennustemäärittelyn ja datan siirron vaatimat määrittelyt HSY toteutti ennustedatan vastaanoton järjestelyt, onlinedatan hyödyntämisen hydraulisen mallin syötteenä ja käyttöliittymän Metso DNA:n Hankkeessa sovelletaan olemassa olevaa HSY:n tulotunnelin hydraulista mallia 4
Case Viikinmäki jäteveden määrän vaihtelu Toiminta käynnistynyt 1994 Typenpoistotaso 90 %, fosforilla 95% Viikinmäen jätevedenpuhdistamon toiminta-alue: Helsinki, Vantaa (itä- ja keskiosa), Kerava, Tuusula, Järvenpää, Sipoo, Pornainen ja Mäntsälä (eteläosa) 800 000 asukasvastineluku Virtaama vaihtelee 190 000-800 000 m3/vrk, keskimääräinen virtaama 270 000 m3/vrk Voimakas virtaamien vaihtelu tekee biologisen puhdistusprosessin ohjauksen haastavaksi m³/d 800000 750000 700000 650000 600000 550000 500000 450000 400000 350000 300000 250000 200000 150000 100000 50000 VIIKINMÄEN VIRTAAMA 2011 Kokonaisvirtaama 0 0 1.1. 31.1. 2.3. 1.4. 1.5. 31.5. 30.6. 30.7. 29.8. 28.9. 28.10. 27.11. 27.12. Biologisesti käsitelty Ohitus esiselkeytyksen jälkeen Sademäärä mm/d 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 5
Sateen vaikutus jäteveden määrään Viikinmäessä Mekanismit: Sekaviemäröidyn alueen sadanta päätyy suoraan jätevesiverkostoon Jätevesiverkoston vuotovesi Suotautuminen putkistoon nopea valunta hidas valunta 6
Sade-ennusteen hyödyntäminen Viikinmäen tulotunnelin virtaaman määrittelyssä Aikaisemmin virtaaman ennustaminen manuaalista Eri sade-ennusteiden tarkkailua Excelissä pyöritetty malli Ei johdonmukaista riskiennustamista Virtaaman manuaalinen ennustaminen keskittyi ainoastaan erittäin poikkeaviin rankkasadetilanteisiin Ei varoitusmekanismia 7
Osahankkeen tavoitemäärittely 1. Sade-ennustedatan on siirryttävä automaattisesti HSY:n jalostettavaksi 2. Tavoitteena on 6 h / 48 h ennuste, projektin alussa käytössä 3 h ennusteen päivitystaso 3. Sateen todennäköisyysprofiiliksi määritettiin kolmen tunnin jaksolle 5 %, 50 % ja 90 % tietyille sadannan ennusteille (mm) 4. Ennustedatan päivitysväli 5 min 5. Maantieteellinen sadanta-alue määritetty Helsingin alueelle 1km*1km hilalla 6. Käyttöliittymä MetsoDNA ympäristöön Hälytysmekanismit operaattoreille 8
Tekninen toteutus syksy 2011 Weather radardata HSY Plant operator FMI: Rainfall nowcasting and risk calculations 3h Wastewater influent Storm water risk nowcasting Supply tunnelsystem Water level HSY Decision support centre Flow adjustment Pumping Risk warning HSY Viikinmäki WWTP Treatment capacity and process condition 9
Käyttöliittymän toteutus Tunnelin virtaamamalli toteutettu JAVA:lla Mallia ajetaan Metso CAN-prosesisasemalla Toteutettu ilmiasu Metson operointityöpöydälle Näkymänä sateen riskiennuste, toteutunut ja ennustettu virtaama, tunnelin tilavuus ja pintatiedot Tilannearviointia varten mahdollisuus määrittää läpivirtaaman kasvattamisen vaikutus tunnelin tilavuuden ja pintatiedon muutoksiin 10
Operointi Operaattorille voidaan ohjata hälytys virtaaman kasvusta sade-ennusteen riskitasojen ylityksien perusteella (nyt 3 h ennen sateen alkua) Operaattorin mahdollista ennakoida puhdistamon operointia Tunnelikapasiteetin maksimointi pumppaamalla tunnelit tyhjiksi Puhdistamon läpivirtauksen kasvattaminen ja maksimioperointitason määritys Biologisen puhdistusvaiheen ohitustarpeen arviointi ja ohituksen minimointi Haasteena Sateen riskiennusteen mieltäminen Ennusteen ja absoluuttisen totuuden välinen ero 11
Hankkeen jatkokehitystarpeet Sateen riskiennusteen edelleen kehittyminen (6 h / 120 h) / IL Mallin laajennus Keski-Uudenmaan vesiensuojelun kuntayhtymän tunneliosuudelle / HSY ja IL + KUVES Mallinnetun tulovirtaamaennusteen hyödyntäminen puhdistamon ja tunnelijärjestelmän perusoperoinnissa / HSY Mallin autokalibroinnin kehittäminen toteutuneen sadannan ja mitatun virtaaman perusteella / HSY ja IL 12
Tekninen toteutusvisio Weather radardata HSY Plant operator FMI: Rainfall nowcasting and risk calculations Wastewater influent Storm water risk nowcasting Supply tunnelsystem Water level HSY Decision support centre Flow adjustment Pumping Risk warning Treatment capacity and process condition HSY Viikinmäki WWTP 13
Mahdolliset muut sovelluskohteet vesihuollossa Jätevedenpumppaamoiden tulovirtaaman hallinta Edellyttää pumppaamoautomaation kehittämistä Voi mahdollistaa pumppaamoiden ennakoivan operoinnin etenkin jos pumppaamot varustetaan nykyistä suuremmalla tasausallaskapasiteetilla Voi pienentää pumppaamoiden ylivuotoja ympäristöön Jätevesi-/hulevesiverkoston virtaaman ja tulvimisriskin ennustaminen ja hälyttäminen Edellyttää dynaamista verkonmallinnusta vs. nykyinen staattinen mallien käyttö Edellyttää verkon käytönvalvontaa Voi mahdollistaa verkon tulvariskien todellisen ennustamisen Ei sisällä maanpintamallia Kuva: Emilia Mänttäri 14
Mahdolliset muut sovelluskohteet Kuva: Kari Syrjälä Maanpintamallien ja verkostomallien yhdistäminen ja dynaaminen mallinnus yhdessä rankkasaderiskiennusteen avulla Tulvavaroitus kiinteistölle (Smart Alarm projekti): Pelastuslaitokselle Vesilaitokselle Kiinteistölle 15
Kansainväliset hankkeet Vastaavantyyppistä kehitystyötä tehty Tanskassa ja Ruotsissa Kööpenhaminan alueella riskihälytystä käytetään ohjaamaan toiminta-alueelle sijoitettuja välialtaita Sovellus kattaa pääverkostoalueen Tanskan tapauksissa sateen riskiennustetta ei ole käytössä Kuvat: Dines Thornberg Yleisesti voidaan sanoa: Tarpeita kaikilla tulvaherkillä alueilla ja sekaviemäröidyn jätevesiverkostoalueen jätevedenpuhdistamoilla 16
Ympäristötekoja toimivan arjen puolesta Kiitos! Helsingin seudun ympäristöpalvelut