14.09.2015 Views

rapport

Beräkning av partikulär föroreningstransport från flödesdata on-line i ...

Beräkning av partikulär föroreningstransport från flödesdata on-line i ...

SHOW MORE
SHOW LESS

Create successful ePaper yourself

Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.

VA - Forsk <strong>rapport</strong> Nr 2006-14<br />

Beräkning av partikulär<br />

föroreningstransport från<br />

flödesdata on-line i<br />

avloppsledningar<br />

Gilbert Svensson<br />

Claes Hernebring<br />

VA-Forsk


VA-Forsk<br />

VA-Forsk är kommunernas eget FoU-program om kommunal VA-teknik. Programmet finansieras i sin<br />

helhet av kommunerna, vilket är unikt på så sätt att statliga medel tidigare alltid använts för denna typ<br />

av verksamhet. FoU-avgiften är för närvarande 1,05 kronor per kommuninnevånare och år. Avgiften är<br />

obligatorisk. Nästan alla kommuner är med i programmet, vilket innebär att budgeten årligen omfattar<br />

drygt åtta miljoner kronor.<br />

VA-Forsk initierades gemensamt av Svenska Kommunförbundet och Svenskt Vatten. Verksamheten<br />

påbörjades år 1990. Programmet lägger tonvikten på tillämpad forskning och utveckling inom det<br />

kommunala VA-området. Projekt bedrivs inom hela det VA-tekniska fältet under huvudrubrikerna:<br />

Dricksvatten<br />

Ledningsnät<br />

Avloppsvattenrening<br />

Ekonomi och organisation<br />

Utbildning och information<br />

VA-Forsk styrs av en kommitté, som utses av styrelsen för Svenskt Vatten AB. För närvarande har<br />

kommittén följande sammansättning:<br />

Anders Lago, ordförande<br />

Olof Bergstedt<br />

Roger Bergström<br />

Daniel Hellström<br />

Stefan Marklund<br />

Mikael Medelberg<br />

Anders Moritz<br />

Peter Stahre<br />

Jan Söderström<br />

Göran Tägtström<br />

Agneta Åkerberg<br />

Steinar Nybruket, adjungerad<br />

Thomas Hellström, sekreterare<br />

Södertälje<br />

Göteborgs VA-verk<br />

Svenskt Vatten AB<br />

Stockholm Vatten AB<br />

Luleå<br />

Roslagsvatten AB<br />

Linköping<br />

VA-verket Malmö<br />

Sv Kommunförbundet<br />

Borlänge<br />

Falkenberg<br />

NORVAR, Norge<br />

Svenskt Vatten AB<br />

Författarna är ensamma ansvariga för <strong>rapport</strong>ens innehåll, varför detta ej kan<br />

åberopas såsom representerande Svenskt Vattens ståndpunkt.<br />

VA-Forsk<br />

Svenskt Vatten AB<br />

Box 47607<br />

117 94 Stockholm<br />

Tfn 08-506 002 00<br />

Fax 08-506 002 10<br />

svensktvatten@svensktvatten.se<br />

www.svensktvatten.se


VA-Forsk Bibliografiska uppgifter för nr 2006-14<br />

Rapportens titel:<br />

Title of the report:<br />

Beräkning av partikulär föroreningstransport från flödesdata on-line i avloppsledningar<br />

Estimation of particulate concentrations from on-line measurements in sewers<br />

Rapportens beteckning<br />

Nr i VA-Forsk-serien: 2006-14<br />

Författare:<br />

Gilbert Svensson, Vatten Miljö Teknik, inst. för Samhällsbyggnadsteknik,<br />

Chalmers tekniska högskola; Claes Hernebring, DHI Water & Environment<br />

VA-Forsk-projektnr: 97-143<br />

Projektets namn:<br />

Projektets finansiering:<br />

Användning av information från flödesmätningar för on-line beräkning av<br />

partikulär föroreningstransport i avloppsledningar<br />

VA-Forsk, DHI Water & Environment<br />

Rapportens omfattning<br />

Sidantal: 33<br />

Format:<br />

A4<br />

Sökord:<br />

Keywords:<br />

Avlopp, flödesmätning, hastighetsmätning, partikelhaltsmätning, korrelation,<br />

doppler<br />

Waste water, flow measurements, velocity measurements, particle concentrations,<br />

correlation, doppler<br />

Sammandrag: Mätningar har utförts i Halmstad, Sundsvall och Borås under 1997 och 1998.<br />

Laboratorieundersökningarna utfördes i en befintlig anläggning vid Chalmers<br />

tekniska högskola. Metoden att använda energispektrumet som erhålls från<br />

hastighetsmätaren för att beräkna partikelhalten har inte entydigt visats vara<br />

framgångsrik.<br />

Abstract: The field observations were made in Halmstad, Sundsvall and Borås in 1997<br />

and 1998. The laboratory study was carried out at Chalmers University of<br />

Technology in a laboratory set-up. The method of using the energy spectra<br />

from the velocity measurement to estimate the particle concentration was<br />

not fully successful.<br />

Målgrupper:<br />

Omslagsbild:<br />

Rapporten beställs från:<br />

Instrumentutvecklare, kommuner, konsulter, forskare<br />

Mätningar i avloppsledning i Druveforsvägen, Borås. Foto Claes Hernebring<br />

Finns att hämta hem som pdf-fil från Svenskt Vattens hemsida<br />

www.svensktvatten.se<br />

Utgivningsår: 2006<br />

Utgivare:<br />

Svenskt Vatten AB<br />

© Svenskt Vatten AB<br />

Grafisk formgivning: Victoria Björk, Svenskt Vatten


Förord<br />

Denna <strong>rapport</strong> är resultatet av ett försök att utnyttja den information som samlas<br />

in vid flödesmätningar i avloppsnät till att även beskriva föroreningstransporten i<br />

avloppsledningen. Arbetet har utförts med standardutrustning för flödesmätning,<br />

en s.k. ADS-mätare som mäter både nivå och hastighet i ett tvärsnitt av ledningen.<br />

Fältmätningarna har utförts i kommuner som utfört flödesmätningar<br />

och som välvilligt ställt upp för att testa metoden tillsammans med DHI Water<br />

& Environment och CTH. DHI Danmark har bistått med kunskap om tolkning<br />

av mätsignaler, som finns beskrivet i Bilaga A.<br />

Göteborg 2006<br />

Gilbert Svensson och Claes Hernebring


Innehåll<br />

Förord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3<br />

Sammanfattning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7<br />

Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8<br />

1 Bakgrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9<br />

2 Metodik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9<br />

2.1 ADS-mätare – funktion, data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9<br />

2.2 Susphaltsmätare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12<br />

3 Observationer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12<br />

3.1 Halmstad/Q1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12<br />

3.2 Sundsvall/Maritim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14<br />

3.3 Borås/Druveforsvägen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14<br />

3.4 Laboratoriemätningar CTH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17<br />

4 Slutsatser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20<br />

Referenser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22<br />

Bilagor – dataanalys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23<br />

Bilaga A: Halmstad, Sundsvall – (DHI_DK-<strong>rapport</strong>) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23<br />

A.1 Aim of the study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23<br />

A.2 Existing knowledge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23<br />

A.3 Data basis for new analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23<br />

A.4 Artificial neural networking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24<br />

A.5 Genetic programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26<br />

A.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30<br />

A.7 Literature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31<br />

Bilaga B: Exempel på spektruminformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32


Sammanfattning<br />

Projektet handlar om att utnyttja information från flödesmätningar av annat slag<br />

än vad som är brukligt: hastighet, nivå och flöde. Föremålet för studien är avloppsvattnets<br />

innehåll av partikulära föroreningar och de slutsatser man kan dra<br />

om dessa utifrån de reflekterade energispektra som erhålls som en bieffekt vid<br />

flödesmätningen. Underlag för studien har hämtats dels från flödesmätare installerade<br />

i ledningsnät där kunskap om avloppsvattnets sammansättning uppnåtts<br />

genom samtidiga provtagningar, dels vid laboratorieförsök som utförts för att<br />

försöka dra generella slutsatser.<br />

Den använda typen av mätare, ADS, möjliggör insamling av data från det<br />

reflekterade energispektrumet som används för att bestämma vattnets hastighet.<br />

Det har vid jämförelse med analyserade prov framkommit att det finns en relation<br />

mellan vattnets innehåll av suspenderat material och egenskaper hos reflekterad<br />

energi.<br />

Mätningar har utförts i Halmstad, Sundsvall och Borås under 1997 och 1998.<br />

Laboratorieundersökningarna utfördes i en befintlig anläggning vid Chalmers<br />

tekniska högskola. Fältmätningarna har skett i stora avloppsledningar med en<br />

diameter på mer än 1 meter medan laboratoriestudien avsåg en ledning med diametern<br />

0,225 mm.<br />

Metoden att använda energispektrumet som erhålls från hastighetsmätaren för<br />

att beräkna partikelhalten har inte entydigt visats vara framgångsrik. Korrelationen<br />

mellan mätsignalen och partikelhalten har visat sig vara platsspecifik, troligen<br />

beroende på störningar från omgivningen. Genom en kalibrering för varje mätplats<br />

erhålls dock en acceptabel noggrannhet i bestämningen av partikelhalten.<br />

Med en portabel partikelhaltsmätare kopplad till flödesmätaren skulle den erforderliga<br />

kalibreringen kunna utföras i början av mätperioden och partikelhalten<br />

kunna bestämmas från det registrerade energispektrumet.


Summary<br />

This project has dealt with measurements of other signals than velocity, level and<br />

flow in connection with flow measurements in sewers. The object of this study is<br />

the particle content in waste water and the conclusions that may be drawn from<br />

the energy spectra that is a bi- product from the velocity measurements. The basis<br />

for the study is observations from sewers of velocities and particulate transport.<br />

A laboratory study was also conducted to generalize the findings.<br />

The used instrument was an ADS flow measurement device that made it possible<br />

to register not only the level and velocity signals but also the energy spectra. The<br />

energy spectra is used to derive the velocity and it has been shown in other studies<br />

that there is a clear correlation between the recorded energy and the particle<br />

concentration in the water.<br />

The field observations were made in Halmstad, Sundsvall and Borås in 1997 and<br />

1998. The laboratory study was carried out at Chalmers University of Technology<br />

in a laboratory set-up. The field observations were made in large diameter pipes,<br />

larger than 1.0 m diameter and the laboratory observations in a small pipe with<br />

the diameter 0.225 m.<br />

The method of using the energy spectra from the velocity measurement to estimate<br />

the particle concentration was not fully successful. The correlation between<br />

the registered signal and the particle concentration is site specific, probably due<br />

to disturbances from the surrounding walls. Through a calibration for each site,<br />

a good relationship between the registered energy spectra and the particle concentration<br />

is established. A portable turbidity sensor mounted at the flow measuring<br />

device could solve the calibration in the start of a measuring period and the particle<br />

concentration estimated from the registered energy spectra during the entire<br />

observation period.


1 Bakgrund<br />

Detta projekt handlar om att utnyttja information<br />

från flödesmätningar av annat slag än vad som är<br />

det vanliga: hastighet, nivå och flöde. Föremålet för<br />

studien är avloppsvattnets innehåll av partikulära<br />

föroreningar och de slutsatser man kan dra om dessa<br />

utifrån de reflekterade energispektra som erhålls som<br />

en bieffekt vid flödesmätningen. Underlag för studien<br />

har hämtats från flödesmätare installerade i ledningsnät<br />

där kunskap om avloppsvattnets sammansättning<br />

uppnåtts genom samtidiga provtagningar. Dessutom<br />

har laboratorieförsök gjorts för att försöka generalisera<br />

erfarenheterna från denna typ av mätningar.<br />

Inom det EU-stödda TVP-projektet insamlades<br />

bland annat information om föroreningstransport<br />

inom avloppssystemen, inverkan på behandlingsprocesser<br />

i avloppsverk och hur det samlade systemet<br />

skall drivas på ett effektivt sätt. Projektet pågick<br />

under treårsperioden 1997–2000. ”Spillinformation”<br />

insamlat under detta projekt redovisas i denna<br />

<strong>rapport</strong>.<br />

I TVP-projektet deltog Helsingborg, Halmstad<br />

och Sundsvall som pilottillämpningar. Inom projekten<br />

utfördes provtagningar för att klarlägga variationer<br />

i avloppsvattnens sammansättning såväl under<br />

torrväder som vid regnpåverkan. Resultat av provtagningarna<br />

och modelltillämpningar redovisas av<br />

Hernebring (2001a, 2001b). En viktig delaspekt i<br />

projektet var att minimera miljöpåverkan genom<br />

lämpliga kombinationer av reglering, utjämning, realtidskontroll<br />

och åtgärder mot bräddningar utan att<br />

därmed riskera behandlingsprocesser vid reningsverket.<br />

Provtagningsprogrammet och modelltillämpningarna<br />

inom TVP-projektet grundades på data från<br />

tillförlitliga flödesmätare, vilka utnyttjar hastighetsbestämning<br />

genom modern dopplerteknologi (Petroff<br />

1995). Totalt fanns inom TVP-projektet 15 flödesmätare<br />

installerade, med uppkopplingsmöjligheter<br />

mot telenätet, de flesta också anslutna till driftövervakningssystemet.<br />

Datainsamling i samband med<br />

flödesmätning har också fortsatt efter TVP-projektets<br />

avslutning. Data från ett provtagningstillfälle i Borås<br />

redovisas i <strong>rapport</strong>en.<br />

<br />

Från den installerade typen av mätare är det möjligt<br />

att insamla data från det reflekterade energispektrumet,<br />

och det har vid jämförelse med analyserade<br />

prov framkommit att det finns en relation t.ex.<br />

mellan vattnets innehåll av suspenderat material och<br />

egenskaper hos reflekterad energi. I fortsättningen<br />

av <strong>rapport</strong>en redovisas dessa observationer.<br />

Reflekterat energispektrum påverkas av en rad<br />

faktorer som t.ex.: partikelantal, partikelstorlek,<br />

reflektionsegenskaper, avstånd samt rumslig fördelning<br />

etc. En förhoppning vid initieringen av detta<br />

projekt var att det skulle vara möjligt att kompensera<br />

för dessa osäkerheter genom tillgången på kontinuerlig<br />

information tillsammans med tillfälliga provtagningar<br />

för att etablera ett samband, som åtminstone<br />

är specifikt för den aktuella installationen (”sitespecific”).<br />

Vidare fanns visionen om en möjlig framtida<br />

on-linetillämpning om en grov, kvalitativ ”vattenkvalitetssensor”.<br />

Den bärande tanken var att andra<br />

typer av sensorer för specifika komponenter aldrig<br />

kommer att placeras ut i en sådan omfattning som<br />

flödesmätare vid en flödesmätningskampanj eller vid<br />

on-lineövervakning med flödesmätare kopplade till<br />

driftövervakningssystemet. Flödesmätningspunkterna<br />

utgör därför potentiella källor till insamlig av<br />

tillskottinformation utöver flödet i sig.<br />

2 Metodik<br />

2.1 ADS-mätare – funktion, data<br />

Detta avsnitt bygger på informationsmaterial från<br />

ADS/Accusonic och beskriver mätprinciper för hastighetsmätningen,<br />

se Figur 2-1, nedan.<br />

Ljudvågor skapas när material vibrerar och överförs<br />

via ett medium som kan vara en gas, vätska eller<br />

gas. Ljudfrekvens mäts i Hz, som är antalet vågcykler<br />

per sekund. Med ultraljud menas ljudfrekvenser<br />

över människans hörbarhetströskel (20 000 Hz).<br />

Hastighetsgivaren både sänder ut och tar emot<br />

ultraljud. Piezoelektriska kristaller sänder ut ultraljud<br />

vid aktivering med elektricitet. Likaså produceras<br />

elektriska signaler när kristallen vibrerar (mottar ljud).


Figur 2-1. Principiell beskrivning av principen för hastighetsmätning<br />

i en avloppsledning.<br />

En kristall sänder ut ultraljud med en frekvens av<br />

250,98 kHz. Partiklar i flödet reflekterar ultraljudet,<br />

med förändrad frekvens om partikeln rör sig. En andra<br />

kristall utnyttjas för mottagning av reflekterad signal.<br />

Figur 2-2. Spektrumbild för mätsignalen från hastighetsmätaren.<br />

Förändringen av reflekterad frekvens beroende på<br />

partiklar i rörelse kallas, som bekant dopplereffekten.<br />

I vattenmassan finns i regel en stor mängd partiklar<br />

med möjligen något varierande hastighet och som<br />

samtidigt reflekterar ljudet. Detta resulterar i en fördelning<br />

av reflekterade frekvenser.<br />

Med hjälp av ett matematiskt verktyg (Fouriertransformation)<br />

separeras den inkomna signalen till<br />

olika frekvenser och deras respektive amplitud, se<br />

Figur 2-2. Som resultat erhålls ett spektrum som<br />

beskriver amplituden för resp. frekvens.<br />

Den mottagna signalen separeras till över 1000<br />

”frekvensfack” (bins). I Figur 2-3 visas spektrumet<br />

som en linje som utgör ett flytande medelvärde för<br />

alla facken. Maximal hastighet beräknas från den<br />

högsta frekvensen. Denna utgör sedan ett underlag<br />

för att bestämma (medel)hastigheten i vattenmassan.<br />

Vid varje mätning skannar sensorn 7 ggr. Dessa<br />

medelvärdesbildas, varefter hastigheten bestäms (en<br />

gång).<br />

Ett av två sätt att bestämma hastigheten är från<br />

maximal energi i spektrumet. Figur 2-4 visar tröskeln<br />

som skiljer signalen från brus och som beräknas<br />

utgående från aktuell sensitivitet. Sensitiviteten<br />

100 sätter tröskelenergin till 1 % av max-energin.<br />

Max-hastigheten detekteras där spektrumets energi<br />

passerar tröskeln.<br />

Figur 2-3. Medelvärdesbildning av spektrumbilden.<br />

Figur 2-4. Brusreducering av mätsignalen.<br />

10


Figur 2-5. Borttagning av bakgrundsbrus från mätsignalen.<br />

Vid maximalt tolerabel brusnivå satt till 0 mäter<br />

instrumentet elektroniskt brus vid hastigheter större<br />

än 6 m/s (utöver normala hastigheter), se Figur 2-5.<br />

Detta bakgrundsbrus avlägsnas från hela spektrumet.<br />

Bärvågen (”carrier”) är den utsända frekvensen.<br />

Den kan mottas av sensorkristallen dels kortslutet<br />

(”cross-talk”) genom hastighetsgivaren eller från<br />

stillastående ekon. Bärvågskompensationen tar därför<br />

bort frekvenser från spektrumen nära 0-hastighet<br />

(från –0,01 till 0,01 m/s) enligt Figur 2-6.<br />

”Maximal bärvågsundertryckning” hjälper instrumentet<br />

att detektera noll-hastighet vid bakgrundsbrus.<br />

Denna bestämmer den minsta energinivån som ska<br />

utgöra en giltig avläsning. Utan signifikant energi i<br />

spektrumet <strong>rapport</strong>eras hastigheten som noll enligt<br />

principen i Figur 2-7.<br />

Dopplermätningar kräver partiklar i det uppmätta<br />

flödet för att erhålla reflektion. Även i ett rent vatten<br />

finns i regel tillräckligt med partiklar för att mäta<br />

hastigheten med denna metod. Förhållandena skiljer<br />

sig dock t.ex. mellan natt och dag vilket påverkar<br />

signalstyrkan. ADS-mätarna kompenserar för detta<br />

vid varje mättillfälle. Mätsignalen förstärks för att<br />

kunna processas av mätinstrumentet, se Figur 2-8.<br />

Figur 2-6. Borttagning av frekvenser från spektrumen<br />

nära noll-hastighet.<br />

Figur 2-8. Förstärkning av mätsignalen innan den<br />

processas av mätinstrumentet.<br />

Vid processning av hastighetsdata förstärker alltså<br />

mätaren automatiskt signalen olika beroende på tidpunkt<br />

under dagen. Denna funktion är avsedd att öka<br />

noggrannheten i mätningen anpassat till varierande<br />

flödesförhållanden.<br />

Detaljerade data från ett uppmätt energispektrum<br />

visas som ett exempel i Bilaga B.<br />

Figur 2-7. Minimumenergi för att godkänna en avläsning.<br />

11


Figur 2-9. Susphaltsmätare TxPro –T med mätsond WP -302 från BTG Källe Inventing AB.<br />

2.2 Susphaltsmätare<br />

Flödet i de tre huvudgrenarna till avloppsverket mäts<br />

med ADS-flödesmätare i punkter benämnda ADS1,<br />

Susphaltsmätaren som använts för att observera susphalter<br />

i avloppsledningarna har beteckningen TxPro<br />

–T med mätsond WP -302 och levererades av BTG<br />

Källe Inventing AB. I Figur 2-9 visas mätvärdesgivaren<br />

med de två små fönstren på givarens gavel<br />

för sändning av ljus och för mottagning av reflekterat<br />

ljus.<br />

3 Observationer<br />

3.1 Halmstad/Q1<br />

Sedan 1996 finns flödesmätare installerade inom avloppssystemet<br />

i Halmstad, Figur 3-1. De utnyttjas<br />

sedan dess för styrning av tillrinningen till Västra<br />

Strandens reningsverk och samverkan mellan reningsverkets<br />

utjämningsmagasin och Vallgravsmagasinet<br />

på ledningsnätet.<br />

Figur 3-1. Flödesmätning i avloppssystemet i Halmstad<br />

– översikt.<br />

12


ADS2 respektive ADS5 (alternativt: Q1, Q2 resp.<br />

Q5). Flödet Q2 är ”opåverkat” tillflöde västerifrån.<br />

Flödet som mäts i punkten Q5 transporteras via<br />

pumpstationen P12 direkt in till verket. Flödespunkten<br />

Q1 är påverkad av regleringen av tömningsluckan<br />

från Vallgravsmagasinet. Regleringen ser bl.a.<br />

till att det totala tillflödet norrifrån (Q2+Q1) inte<br />

överstiger pumpkapaciteten i pumpstationen P2A<br />

(minus en ”säkerhetsmarginal”), via vilken dessa<br />

tillflöden gemensamt pumpas in till verket. Vidare<br />

påverkas tömningsflödet från Vallgravsmagasinet av<br />

fyllnadsgraden i detta magasin samt vid reningsverket.<br />

Resultat från provtagningar som utfördes<br />

vid Q1 under 1997 redovisas nedan. Ledningsdiametern<br />

vid mätpunkten är 1200 mm.<br />

Figur 3-2 visar samvariationen mellan registrerad<br />

spektrumenergi och analyserade susp-halter. Med<br />

undantag av någon enstaka punkt återspeglas dynamiken<br />

i susphalt av energikurvan. Dynamiken skapas<br />

dels av ett mindre regntillfälle och rörelser hos regleringsluckan<br />

från Vallgravsmagasinet (se flödeskurvan<br />

i Figur 3-4, nedan).<br />

Figur 3-2. Registrerad spektrumenergi (mV, 5-minutervärden) och analyserad susphalt , Q1 Halmstad den 28/6<br />

1997.<br />

Figur 3-3. Registrerad spektrumenergi (mV) och uppmätt hastighet (m/s) 5-minutervärden under provtagningstillfället<br />

vid Q1 Halmstad den 28/6 1997.<br />

13


I Figur 3-3 har registrerad energisignal sammanställts<br />

med uppmätt hastighet. Figuren visar att<br />

energiregistreringen tycks vara oberoende av vattenhastigheten.<br />

I Figur 3-4 ges en överblick av flödessituationen<br />

vid Q1 i samband med provtagningstillfället.<br />

prover. Av det totala antalet suspanalyser, ca 35 st,<br />

faller 4 utanför det variationsmönster som energikurvan<br />

ger.<br />

3.3 Borås/Druveforsvägen<br />

3.2 Sundsvall/Maritim<br />

Liknande mätningar och provtagningar som ovan<br />

redovisats från Halmstad utfördes också i Sundsvall.<br />

Här redovisas resultat, se Figur 3-5, från mätpunkten<br />

”Maritim” från 16–17/4 1997. I figuren finns förutom<br />

registrerad signalenergi resultat av susp-analyser uttagna<br />

med provtagare kompletterat med manuella<br />

I samband med ordinära flödesmätningar i Borås<br />

runt årsskiftet 1997/98 insamlades kompletterande<br />

data, dels i form av energispektra från ADS-mätaren<br />

dels genom installation av en kontinuerlig susp-haltsmätare<br />

vid mätpunkten. Vid detta tillfälle togs inga<br />

vattenprover för analys.<br />

Mätpunkten är belägen i avloppssystemet vid<br />

Druveforsvägen i Borås, se Figur 3-6 och Figur 3-7.<br />

Aktuell ledningsdiameter är 1400 mm. Flödesbelast-<br />

Figur 3-4. Flöden (timvärden) i flödesmätningspunkt Q1 i Halmstad 27/6–29/6 1997.<br />

Figur 3-5. Registrerad spektrumenergi (mV, 5-minutervärden) och analyserad susphalt , Maritim Sundsvall 16–17/4<br />

1997.<br />

14


Figur 3-6. Mätbrunn i Druveforsvägen i Borås.<br />

Figur 3-7. Mätinstallation vid Druveforsvägen i Borås. Endast ekolodet för nivåregistreringen är synligt.<br />

ningen uppströms mätpunkten har bedömts bestå av<br />

egentligt spillvatten på omkring 140 l/s. Tillskottsvattenmängden<br />

var under mätperioden i medeltal<br />

220 l/s och alltså totalt avloppsvattenflöde ca 360 l/s.<br />

15<br />

Från ADS-mätaren registrerades förutom nivå, hastighet<br />

även energiinformation med 5-min upplösning.<br />

Den kontinuerliga susp-mätaren var installerad på<br />

platsen ett antal veckor. Maximum-, medel och


minvärde för susp-signalen registrerades med 5-minintervall.<br />

I Figur 3-8 visas exempel på insamlade signaler<br />

från ADS-mätaren. Eftersom det inte utfördes någon<br />

provtagning för suspanalyser vid det aktuella mättillfället,<br />

skapades i stället en jämförelsestorhet ”relativ<br />

spillvattenkoncentration”. Metodiken beskrivs<br />

i Figur 3-9. Med kännedom om medelspillflödet togs<br />

ett variationsmönster fram från flödesdata som sedan<br />

drogs från de totala flödesvärdena. Hänsyn togs till<br />

helg- och förekommande klämdagar under perioden.<br />

Som resultat av analysen blev det totala flödet vid<br />

varje tidpunkt uppdelat i en spill- och en tillskottsvattenkomponent.<br />

Den relativa koncentrationen av<br />

Figur 3-8. Exempel på mätsignaler insamlade vid flödesmätning vid Druveforsvägen i Borås.<br />

Figur 3-9. Illustration av metodik att ta fram jämförelsestorheten ”relativ spillvattenkoncentration”.<br />

16


spillvatten kan sedan räknas ut. Om föroreningskoncentrationen<br />

i spillvattnet kan förutsättas konstant,<br />

blir denna storhet då ett mått på vilka koncentrationsvariationer<br />

i det samlade avloppsvattnet<br />

som kan förväntas, t.ex. av suspenderade ämnen.<br />

I Figur 3-10 och Figur 3-11 visas jämförelser<br />

mellan denna storhet och registrerade energisignaler<br />

från ADS-mätaren resp. susp-haltsmätaren. För<br />

susphaltsmätaren var det endast minimivärdet per<br />

5-minuters period som var stabilt, varför endast<br />

denna signal redovisas. Båda mätetalen visar sig vara<br />

relativt goda indikatorer på den relativa föroreningshalten.<br />

3.4 Laboratoriemätningar CTH<br />

En befintlig försöksuppställning i Vattenhallen på<br />

Chalmers (CTH) användes för att verifiera fältförsöken<br />

med ADS-mätaren och susphaltsmätaren, se<br />

Figur 3-12, nedan.<br />

Ledningsdiametern är 225 mm med en total ledningslängd<br />

av 25 m. Lutningen hölls under samtliga<br />

försök konstant (2 ‰). Flödet i ledningen upprätthölls<br />

genom rundpumpning. Tre olika flödesnivåer<br />

tillämpades: ca 5, 10 resp. 15 l/s. Vattenhastigheten<br />

(för ett bestämt flöde) kan, inom vissa gränser, varieras<br />

genom att ändra nivån hos ett överfall i utloppsändan.<br />

För varje flöde reglerades dämningen, om<br />

det var möjligt, till maximalt tre olika nivåer.<br />

Figur 3-10. Registrerad spektrumenergi (mV) i relation till relativ spillvattenkoncentration.<br />

Figur 3-11. Registrerad signal från susphalts-mätare (min-värde, 5-min, V) i relation till relativ spillvattenkoncentration.<br />

17


Figur 3-12. Försöksuppställning vid WET, CTH.<br />

Som modellsubstanser för partiklar i avloppsvatten<br />

användes dels mineralpartiklar (filler) dels en suspension<br />

av pappersfibrer. Den senare hade helt enkelt<br />

erhållits genom att fördela hushållspapper i vattenlösning<br />

med hjälp av en mixer. Fem olika suspkoncentrationer/partikeltyper<br />

utnyttjades enligt Tabell<br />

3-1. Partikelhalterna finns angivna som konventionellt<br />

analyserad susp-halt, grumlighet samt utslag på en<br />

kontinuerlig susp-mätare i volt (max= 5V). Slamvolymen,<br />

det vill säga avläsning efter 30 min sedimentering<br />

i en Imhoff-tratt, uppmättes bara för<br />

pappersfibersuspensionerna. I tabellen finns också<br />

angiven basnivån hos renvattnet före resp. partikeldosering.<br />

Anledningen till det relativt höga utgångsläget<br />

vid pappersfiberdoseringen, kan man misstänka<br />

beror på att en viss mängd av fillertillsatsen dagen<br />

före trots rengöring har funnits kvar i systemet.<br />

Två st. ADS-mätare användes vid försöken. Från<br />

resp. hastighetssensor insamlades minst fem energispektra<br />

per experiment.<br />

Syftet med försöksuppläggningen var alltså att<br />

fånga in inverkan av partikelhalt (huvudsyftet), men<br />

också av andra faktorer som flöde, vattenhastighet,<br />

partikeltyp och variabilitet mellan sensorer. Hur<br />

detta lyckades utvecklas kortfattat i fortsättningen<br />

av detta avsnitt och mer detaljerat i Bilaga A.<br />

Tre flöden, tre dämningsnivåer (hastigheter) samt<br />

fem olika vatten ger teoretiskt totalt 45 olika experiment/kombinationer.<br />

Endast 30 av dessa var praktiskt<br />

möjliga att utvärdera (restriktioner i kombinationen<br />

dämning/flöde) och av andra skäl begränsades slutligen<br />

antalet experiment till 29 st. Eftersom 5 st.<br />

energispektra insamlades per experiment ger detta<br />

totalt 85 (filler) + 60 (pappersfibrer) x 2 sensorer =<br />

290 spektra att hantera.<br />

Bland mängden data illustrerar Figur 3-13 några<br />

av svårigheterna i uttolkningen av aktuella resultat.<br />

Spektrum vid två olika susp-halter och vid tre olika<br />

flödeshastigheter har valts ut. Varje punkt är medianvärde<br />

för vardera 5 observationer (Observera dock<br />

att de båda susp-halterna är av olika ”typ”, den lägre<br />

– pappersfibrer, den högre – filler). Skillnaden i<br />

susp-halt ger ingen tydlig skillnad i respons, utom<br />

för det högsta flödet. Påverkan av hastigheten i sig<br />

är tydlig. Båda dessa fakta är dåliga nyheter för hela<br />

grundidén till ”mätmetoden”, dessutom stämmer inte<br />

denna iakttagelse med vad som tidigare observerats<br />

i fält. Frågan är då varför.<br />

En hypotes skulle kunna vara att lab-uppställningen<br />

har rördiametern 225 mm medan fältmätningarna<br />

gjorts på ledningar med diametrar >1.0 m.<br />

En annan hypotes skulle kunna vara felaktig<br />

hantering av data/inställning av dataregistreringen på<br />

Tabell 3-1. Karakterisering av de fem olika vatten/partikelblandningar som utnyttjats vid försöken.<br />

Partikeltyp<br />

Susphalt,<br />

mg SS/l<br />

Grumlighet,<br />

NTU<br />

Kont suspmätare,<br />

volt, ”medel”<br />

Slamvolym,<br />

ml/l<br />

Före fillertillsats – 19 0,045 –<br />

1.Filler_1 43 30 0,125 –<br />

2.Filler_2 77 38 0,195 –<br />

3.Filler_3 400 140 0,665 –<br />

Före fibertillsats 69 30 0,155 –<br />

4.Pappersfibrer_1 130 50 0,245 17<br />

5.Pappersfibrer_2 170 ca 70 0,355 33<br />

18


Figur 3-13. Exempel på sex olika energispektra erhållna vid två olika susphalter och tre vattenhastigheter. Varje<br />

punkt är median av vardera 5 observationer.<br />

grund av bristande information beträffande signalbehandlingen.<br />

En mera grov bearbetning av uppmätta data enligt<br />

nedan kan dock kanske återge hoppet för metoden.<br />

I Figur 3-14 finns samtliga uppmätt signalstyrkor<br />

plottade som funktion av aktuell susp-halt. Som synes<br />

är spridningen mellan enskilda spektra mycket stor.<br />

I Figur 3-15 har från dessa data medianvärdet för<br />

resp. givare och susphalt räknats ut. En välvillig<br />

tolkning av denna figur är att det då framträder en<br />

Figur 3-14. Signalstyrka för samtliga uppmätta energispektra som funktion av susp-halt. ”y” indikerar pappersfibrer,<br />

”x” filler. Spektra från resp givare: 1899 resp 1903.<br />

Figur 3-15. Medianvärden av signalstyrkan för resp. susp-halt och givare (5 spektra) som funktion av susp-halt.<br />

Mätningar som gett 0-hastighet är borttagna ur kalkylen.<br />

19


samvariation mellan signalstyrkan och susp-halten,<br />

för den ena givaren över hela susp-intervallet och för<br />

den andra upp till susp-halten ca 200 mg SS/l. Slutsatserna<br />

blir kvalitativt desamma om medianvärden<br />

för medelenergin plottas mot susp-halten, Figur 3-16.<br />

Trots dessa problem att gräva fram överskottsinformation<br />

från energispektra bör man notera att<br />

hastighetsgivarna fungerar klanderfritt, dvs. att<br />

bestämma hastigheten. I Figur 3-7 visas samtidig<br />

hastighetsregistrering hos de två hastighetsgivarna.<br />

Överensstämmelsen mellan givarna är som synes<br />

mycket god, med undantag för de få tillfällen då reflekterad<br />

energi inte tillåtit en hastighetsbestämning,<br />

vilket resulterat i en registrerad noll-hastighet.<br />

4 Slutsatser<br />

Utvärderingen av samtidig mätning av flöde med<br />

nivå-hastighetsgivare och susphaltsmätning har visat<br />

att det är möjligt att korrelera data från hastighetsgivaren<br />

med uppmätta susphalter. Det är emellertid<br />

inte möjligt att använda korrelationsdata från en plats<br />

för mätningar på en annan plats. Korrelationsdata<br />

måste alltså kalibreras för varje ny plats. Det finns<br />

alltså inget generellt samband mellan energispektrat<br />

från hastighetsgivaren och halten partiklar i vattnet.<br />

Genom att kalibrera metoden för varje plats erhålls<br />

en bra överensstämmelse mellan beräknad partikelhalt<br />

och uppmätt partikelhalt.<br />

Figur 3-16. Medianvärden av ”energi” för resp. susp-halt och givare (5 spektra) som funktion av susp-halt.<br />

Mätningar som gett 0-hastighet är borttagna ur kalkylen.<br />

Figur 3-17. Samtidig registrering av vattenhastighet hos de två hastighetsgivarna.<br />

20


Utifrån de resultat som presenterats i denna studie<br />

går det inte att bestämma inverkan på mätsignalen<br />

från reflektioner från rörväggarna eller andra störningar<br />

såsom elektroniskt brus.<br />

ADS flödesmätare måste i sitt nuvarande utförande<br />

modifieras för att kunna registrera det energispektra<br />

som använts i denna undersökning för<br />

korrelation med partikelhalten i vattnet.<br />

Det finns ett stort behov av on-line mätningar<br />

av partikelhalt i avloppsledningar som inte medför<br />

omfattande provtagning och analys. Den testade<br />

metoden visar på en bra applikation för samtidig<br />

mätning av flöde och partikelhalt, men med nackdelen<br />

att mätmetoden måste kalibreras för varje ny<br />

mätplats. En komplettering med en portabel susphaltsmätare<br />

för kalibreringsändamål skulle kunna<br />

göra metoden praktiskt användbar.<br />

21


Referenser<br />

Hernebring C., Andréasson M. & Ohlsson L. : ”Integrerad modellering i Halmstad<br />

– samverkan mellan ledningsnät och reningsverk”. Nordisk konferanse om EDB<br />

i VA-teknikken 21–23. november 2000 på Lillehammer<br />

Hernebring C.: ”Studier av samverkan mellan avloppsverk och ledningsnät.<br />

Erfarenheter från tre svenska tillämpningar. DEL 1 Bakgrund och uppbyggnad<br />

av delmodeller.” VATTEN 57,2, 2001, s 95–111.<br />

Hernebring C.: ”Studier av samverkan mellan avloppsverk och ledningsnät.<br />

Erfarenheter från tre svenska tillämpningar. DEL 2 Modelltillämpningar.”<br />

VATTEN 57,2, 2001, s 113–122.<br />

Hernebring C., Jönsson L.-E., Thorén U.-B., Møller A.: ”Dynamic online sewer<br />

modelling in Helsingborg”. Water Science & Technology Vol. 45 No 4–5 pp<br />

429–436, 2002.<br />

Kölling C. & Peroff A.M.: ”New finite Element Model Accurately Predicts<br />

Velocity Profiles”, WEFTEC’94. Proceedings. 1994, pp 327–338.<br />

Petroff A.M.: ”Digital Doppler velocity Technology Improves Performance and<br />

Accuracy of Sewer Flow Measurements”. WEF Conf Series. Automating to<br />

Improve Water Quality. Minneapolis, June 25–28, 1995. pp 3-27–3-37.<br />

22


Bilagor – dataanalys<br />

Bilaga A: Halmstad, Sundsvall<br />

– (DHI_DK-<strong>rapport</strong>)<br />

DHI-Project: 41006<br />

Authors: Flemming Schlütter, Lars Yde<br />

A.1 Aim of the study<br />

The scope of this study is to collect and present the<br />

current state of the art regarding the correlation<br />

between the energy from backscatter and the concentration<br />

of suspended solids in wastewater.<br />

Measuring the flow in sewer systems is often done<br />

by using ultrasonic flowmeters. A beam of ultrasound<br />

is projected into the flow and the returning<br />

backscatter signal is measured. Based on the phase<br />

shift and the Doppler principle the flow velocity of<br />

the water can be estimated. It is apparent that the<br />

intensity of the backscatter is dependent on the<br />

amount of particles suspended in the fluid.<br />

When it comes to measurements in sewers the<br />

situation is more complicated than under ideal conditions.<br />

E.g. you may have an amount of backscatter<br />

originating from the pipe walls. This investigation<br />

carries out analysis on existing data and compares<br />

with experiences from the marine environment. The<br />

question is how strong the correlation is and if the<br />

relation between concentration and backscatter is site<br />

specific or not.<br />

A.2 Existing knowledge<br />

The correlation between backscatter measurements<br />

(ADB) – acoustic Doppler current measurements and<br />

the concentration of suspended solids (SS) in water<br />

is well known. DHI Water & Environment have<br />

performed several investigations (Weirgang 1995;<br />

Valeur 1997) into the subject. These investigations<br />

have been carried out with data from the marine<br />

environment in connection with dredging projects.<br />

Other researchers have, likewise, presented studies<br />

within this research field, e.g. (White 1998; Holdaway<br />

et al. 1998).<br />

23<br />

The attempts to correlate ADB with SS have been<br />

done mainly by developing and applying theoretical<br />

expressions for estimating the concentration. These<br />

relations will not be rendered here but common for<br />

them is that they are directly dependent on the particle<br />

radius. This entails that estimates of the concentrations<br />

are most reliable if the suspended solids<br />

encompass particle sizes within at rather small size<br />

range.<br />

The general conclusion in the cited references is<br />

that it is possible to calibrate the mathematical<br />

models to sample values of SS, this excluding the<br />

reference of (Valeur 1997) which did not find a<br />

correlation.<br />

Two problems arise when carrying out the same<br />

analysis for sewer systems. The particle size range<br />

and type varies significantly and estimating the<br />

characteristics of these sediments with an acceptable<br />

precision is in reality unfeasible (Lucas-Aiguier et al.<br />

1998). It is thus necessary to exploit the possibilities<br />

to find relations excluding particle size information.<br />

A.3 Data basis for new analysis<br />

The original idea of this Research & development<br />

project was to carry out measurements and sampling<br />

before data analysis. The current size of the project<br />

obviously prohibits such measures. Fortunately, it has<br />

been possible to borrow data from DHI Sweden, who<br />

have carried out measurements in sewers at two<br />

locations (Halmstad and Sundsvall). Figure A-1 to<br />

A-2 (next page) shows comparisons between measured<br />

backscatter signal and concentration of suspended<br />

solids for Halmstad and Sundsvall respectively.<br />

As seen from the figures A-1 and A-2 the connection<br />

between ADB and SS is not necessarily very<br />

strong and data is furthermore associated with some<br />

outliers.<br />

The conclusion from the initial data analysis was<br />

that it is possible to calibrate the ADS flowmeter<br />

backscatter signal to SS samples but calibration factors<br />

are site specific.<br />

To see if it is possible to exploit the data in a more<br />

effective way the next sections (A.4 and A.5) show<br />

the result of applying black box techniques to the<br />

data. For that purpose two approaches has been<br />

taken, namely, artificial neural networking, and<br />

genetic programming.


Figure A-1. Comparison between ADB and SS for Halmstad. (From presentation of DHI Sweden).<br />

Figure A-2. Comparison between ADB and SS for Sundsvall. (From presentation of DHI Sweden).<br />

A.4 Artificial neural networking<br />

Applying a neural network for correlating different<br />

measured entities with SS is probably not a desirable<br />

solution. The problem is that it lies inherent in the<br />

technique that your network will be site specific, unless<br />

calibration is made with data from all catchments.<br />

Therefore the ANN has not been used intensively<br />

for this study.<br />

A plot of the interface for the neural network<br />

model is seen in Figure A-3. The implementation of<br />

the ANN have been implemented in earlier work<br />

24<br />

by (Schlütter 1999), but can just as well be used for<br />

the current task.<br />

The network applied in this case is a simple feed<br />

forward network. It consists of an input layer of neurones,<br />

two hidden layers of neurones and an output<br />

layer. As indata two measured signals are applied,<br />

velocity and the backscatter.<br />

In order to have a reasonable amount of data for<br />

calibration it was chosen to interpolate the signal for<br />

the concentration using a spline interpolation. This<br />

interpolation is seen in Figure A-4 and A-5.


Figure A-3. Interface for Neural network model.<br />

Figure A-4. Interpolation of data from Halmstad (X-axis: Time; Y-axis: Concentration).<br />

Figure A-5. Interpolation of data from Sundsvall (X-axis: Time; Y-axis: Concentration).<br />

25


If scatterplots is produced for the interpolated concentrations<br />

versus the backscatter signal, the result<br />

is seen in Figure A-6 and A-7.<br />

Using the ANN program all data have been used<br />

for calibration, thus the results mainly gives an indication<br />

of how well it is possible to establish a relation<br />

between input and output for future reference.<br />

As an example the ANN came up with the model<br />

shown in Figure A-8 for Halmstad.<br />

When analysing the data seen in Figure A-1 and<br />

A-2 there is a correlation coefficient between the<br />

backscatter signal and concentrations of R2 = 0.65<br />

for the Halmstad site, whereas the Sundsvall site<br />

does not reveal a significant correlation. The results<br />

of the neural network modelling yields correlation<br />

coefficients of 0.84 for Halmstad and 0.50 for<br />

Sundsvall, where it should be noted that now the<br />

velocity signal is included in the analysis.<br />

The conclusion from the neural network modelling<br />

must be that the data basis makes it possible to<br />

establish a relation between indata and measured concentrations.<br />

If e.g. the Halmstad network is applied<br />

on the Sundsvall indata, the results are unusable,<br />

indicating that the two measurement sites are very<br />

different from each other.<br />

A.5 Genetic programming<br />

As an alternative to the ANN genetic programming<br />

offers an opportunity to get mathematical relations<br />

as results. The software used is the GPkernel developed<br />

by V. Babovic and M. Keijzer. The software<br />

and a number of references can be found on the website:<br />

www.d2k.dk.<br />

The way the genetic programming (GP) is used<br />

in this case, the time data column is not included<br />

as indata. This means that even though the data is<br />

strongly autocorrelated the time will not be a part<br />

of the final expressions.<br />

The mathematical expressions are limited in size,<br />

so that huge equations are avoided. Contrary to the<br />

ANN calibration, where all data was used for calibration<br />

in the GP case only the first 75 % of the data<br />

is used for calibration the rest serving as validation<br />

data.<br />

Figure A-6. Direct linear correlation between backscatter signal and measured concentration for the Halmstad<br />

site.<br />

26


Figure A-7. Direct linear correlation between backscatter signal and measured concentration for the Sundsvall<br />

site where outliers are excluded.<br />

Figure A-8. ANN simulation of Halmstad data.<br />

27


As already determined the Halmstad data depicts a<br />

much better correlation between indata and measured<br />

concentrations respectless whether the outliers points<br />

at in figure 3.2 is included or not. This trend can be<br />

expected for the GP as well.<br />

For both sites ten experiments have been carried<br />

out and most of the found relations have been used<br />

for comparisons with measured data.<br />

The equations relating concentration (c) with<br />

average backscatter signal (avs), velocity (v), backscatter<br />

signal (s), and maximum backscatter signal<br />

(ms), determined by GPkernel for Halmstad is:<br />

f1)<br />

2<br />

c 0.39<br />

avs 4v<br />

f2) c 0. 1682 avs<br />

f3) c <br />

2<br />

avs / log( avs / v)<br />

f4)<br />

2<br />

c 0.4044 avs exp(exp( v ))<br />

f5)<br />

v<br />

c 2.473<br />

avs v<br />

f6) c 0.3679<br />

(<br />

avs avs)<br />

f7)<br />

2<br />

c 0.3877<br />

avs v<br />

f8) c 0. 3881<br />

avs<br />

20<br />

Equivalently the Sundsvall data forms basis for the<br />

following equations:<br />

f1) c s s /( avs 9.572)<br />

f2) c 2 s s / avs<br />

f3)<br />

f4)<br />

s <br />

c s / ( avs ) <br />

ms <br />

c (log(log(s)<br />

2 ) 4<br />

f5)<br />

s <br />

c log(exp( ) s)<br />

<br />

avs <br />

f6)<br />

2s<br />

2<br />

c log( s)<br />

avs<br />

f7) c log( s<br />

4 ) log( s<br />

v )<br />

Figure A-9 and A-10 show the equations listed above<br />

together with the measured signals.<br />

As seen on Figure A-9 and A-10 only modelling<br />

of the Halmstad data makes sense. Looking at the<br />

Halmstad results data it is clearly seen that the GP<br />

like the ANN is very data driven as the modelled<br />

signal resemples the inddata in a scaled version more<br />

than the actual target concentrations.<br />

If the equations found for Sundsvall is applied on<br />

the Halmstad data and vice versa the results can be<br />

seen in figure A-11 and A-12.<br />

4<br />

2<br />

Figure A-9. GP for Halmstad data.<br />

28


Figure A-10. GP for Sundsvall data.<br />

Figure A-11. GP applying Sundsvall results on Halmstad data.<br />

29


Figure A-12. GP applying Halmstad results on Sundsvall data.<br />

It is easily deduced from looking at Figure A-11 and<br />

A-12 that the estimated mathematical models are<br />

site specific.<br />

A.6 Conclusion<br />

The blackbox and greybox modelling of neural networks<br />

and genetic programming have shown that<br />

it is possible to correlate measured indata from the<br />

ADS flowmeter to samples of suspended solids.<br />

However, it is not directly possible to use model<br />

calibrated for e.g. Halmstad on the Sundsvall site.<br />

This means that given that the measured data are<br />

correlated an empirical model needs to be calibrated<br />

for each new measurement site. But, thus the facility<br />

of measuring the backscatter strength can help interpolating<br />

intelligently between measured data, which<br />

is beneficial as the number of water samples always<br />

will be limited. This conclusion is supported by<br />

similar findings in the literature.<br />

On the basis of the present data it is not possible<br />

to determine to how large a degree the measured<br />

backscatter signal is disturbed by sidewall reflections<br />

and noise from the outgoing carrier signal.<br />

The ADS flowmeters cannot without modifications<br />

log the signals used in this study, so the data are not<br />

available from every study performed with the ADS<br />

flowmeters. If sample concentrations are related<br />

purely to flow entities velocity and water level it is<br />

also possible to correlate the data with reasonable<br />

results. Seen in this light the results of correlating<br />

backscatter and concentrations are not stunningly<br />

good.<br />

A lot of other possibilities exist to estimate concentrations<br />

of suspended solids and these should<br />

be examined along with this study. The main problem<br />

with other techniques is that they often require<br />

handling of water sample or having a sensor protruding<br />

into the wastewater flow which is not a<br />

feasible idea in a combined sewer system.<br />

30


A.7 Literature<br />

Aguilera, D.R., (2000). Genetic programming with<br />

GPkernel. (www.d2k.dk). Manual for software<br />

developed by Babovic, V., Keijzer, M. (DHI).<br />

Deines, K.(1999). Backscatter Estimation Using<br />

Broadband Acoustic Doppler Current Profilers. RD<br />

Instruments.<br />

Holdaway, G.P., Thorne, P.D., Flatt, D., Jones, S.<br />

E., Prandle, D. (1999). Comparison between ADCP<br />

and transmissometer measurements of suspended<br />

sediment concentration. Continental Shelf Research,<br />

Elsvier 1999.<br />

Lucas-Auguier, E., Chebbo, C., Bertrand-Krajewski,<br />

J.-L., Gagné, B., Hedges, P. (1998), Analysis of<br />

methods for determining the settling characteristics<br />

of sewage and stormwater solids. Water Science and<br />

Technology, (37), 1.<br />

Schlütter, F., (1999). Numerical Modelling of Sediment<br />

Transport in Combined Sewer Systems. Ph.D.<br />

Dissertation, Department of Civil Engineering,<br />

Aalborg University, Denmark.<br />

Valeur, J.R., (1997). Determination of Suspended<br />

Concentration (mg/l), based on ADCP Backscatter<br />

Data (dB) and Turbidity Data (FTU). DHI – Internal<br />

report.<br />

Weiergang, J., (1995). Estimation of Suspended Sediment<br />

Concentrations Based in Single Frequency<br />

Acoustic Doppler Profiling. 14th World Dredging<br />

Congress, Amsterdam, Netherlands.<br />

White, T.E., (1998). Status of measurement techniques<br />

for coastal sediment transport. Coastal Engineering,<br />

(35), pp. 17–45, Elsvier.<br />

31


Bilaga B: Exempel på spektruminformation<br />

Ett antal rader utan information (med 0:or) är borttagna i spektrumdata. Innehållet i ”bin” (hastighets/<br />

frekvensfraktion) 0- 1019 anges hexadecimalt.<br />

Start and Get ONE Reading<br />

:PARAMETERS<br />

Used algorithm = 0<br />

Negative flow enable = 0<br />

Filter enable = 0<br />

Sensitivity = 10<br />

Floor = 0<br />

Suppression enable = 1 @ 400 max carrier limit<br />

D/A Gain = 0<br />

:END<br />

:STATISTICS RAW Engr. Units Quality Indicator<br />

Velocity = 1.720 f/s @ 100 % Quality<br />

Carrier = 65535, 4229 uVolt @ 3 Suppression<br />

Max = 40002, 2441 uVolt @ 0.860 f/s<br />

Signal = 40002, 2441 uVolt @ 0.860 f/s<br />

Threshold = 4000 , 772 uVolt @ 1.907 f/s<br />

Noise Level = 24 , 60 uVolt @ 712 uVolt margin<br />

Average Energy = 1551 , 481 uVolt<br />

Positive/Negative % = 100 / 0<br />

D/A Gain = 10 @ 26 Pops<br />

Pre / Post Gain = 1 / 13<br />

:END<br />

Give Spectrum<br />

:SPECTRUM<br />

Bin: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0<br />

Bin: 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0<br />

Bin: 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0<br />

.............<br />

Bin: 170 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0<br />

Bin: 180 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0<br />

Bin: 190 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0<br />

Bin: 200 0 0 1D 22 23 28 1F 33 36 25<br />

Bin: 210 83 5E 75 5F 93 D6 7B 13A FA 1D8<br />

Bin: 220 16A 265 1F0 790 7B8 705 8FE B33 8E5 7CB<br />

Bin: 230 8F5 87E B5D EEA 696 48F 577 9D3 2BC AB2<br />

Bin: 240 BAE 44D B6A 811 DD5 EEB A7E D60 5E5 94F<br />

Bin: 250 51D 9B7 659 CD0 5E5 3BA 0 0 0 366<br />

Bin: 260 1429 AE1 909 B44 EC1 229C 24D6 19AF 35CF 2A69<br />

Bin: 270 439F 4BC0 41C8 537A 697A 6DDB 68DF 954D AEF5 E61D<br />

Bin: 280 3D57 C389 8C41 8FC3 DB44 8F30 49A5 598D 9D9C 5EFB<br />

Bin: 290 54CA 2984 2A80 3966 2B1A 10C1 150E 1D4F 1AD9 B8B<br />

Bin: 300 1616 1607 111A 1FF1 E91 3A9 4DD 774 A4D 64A<br />

Bin: 310 57D 475 224 A8 33D 1B7 77 EF 4D 5B<br />

Bin: 320 40 27 27 29 21 0 0 1E 0 1D<br />

Bin: 330 28 0 0 0 0 0 0 0 0 0<br />

Bin: 340 1B 0 0 0 0 0 0 0 0 0<br />

Bin: 350 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0<br />

.............<br />

32


Bin: 800 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0<br />

Bin: 810 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0<br />

Bin: 820 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1A<br />

Bin: 830 0 1F 0 0 0 0 0 0 0 0<br />

Bin: 840 0 1B 0 0 0 0 0 0 0 0<br />

Bin: 850 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0<br />

Bin: 860 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0<br />

.............<br />

Bin: 1000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0<br />

Bin: 1010 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0<br />

:END<br />

33


Beräkning av partikulär föroreningstransport från flödesdata on-line i avloppsledningar<br />

Box 47607 117 94 Stockholm<br />

Tfn 08 506 002 00<br />

Fax 08 506 002 10<br />

E-post svensktvatten@svensktvatten.se<br />

www.svensktvatten.se

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!