4. Ontwerpneerslag

4. Ontwerpneerslag
4.1 Welke neerslag gebruiken ?
De neerslag in onze streken is zeer variabel, zowel in de tijd als in de ruimtelijke dimensie.
Om de representatieve variatie aan neerslaggebeurtenissen in de tijd te omvatten (voor het
rioleringsontwerp), dient men in ons klimaat minimaal een drietal decaden neerslag te
beschouwen. Bovendien zal bij een extrapolatie naar meer uitzonderlijke fenomenen een langere
reeks nodig zijn om de onzekerheden te beperken. Uit een vergelijking tussen de neerslag van
Ukkel over de periode 1967-1993 met deze over de periode 1898-1997 blijkt dat zelfs bij het
gebruik van de tijdreeks van 27 jaar er nog verschillen zijn met de 100-jarige reeks die het
ontwerp kunnen beïnvloeden [Vaes & Berlamont, 2000a,b].
De IDF-relaties (Intensiteit/Duur/Frequentie-relaties) die vanaf 1996 worden gebruikt [VMM,
1996a] werden opgesteld op basis van de 27-jarige neerslagreeks van Ukkel voor de periode
1967-1993 en met een tijdstap van 10 minuten [Vaes et al., 1996]. Onderzoek aan het KMI toont
aan dat er in Vlaanderen geen significante regionale verschillen zijn in extreme neerslag [Gellens,
2000; Delbeke, 2001], waardoor deze neerslagreeks van Ukkel en de hieruit voortkomende
IDF-relaties voor heel Vlaanderen bruikbaar zijn. De IDF-relaties, welke door Delbeke [2001]
werden opgesteld, zijn gebaseerd op jaarlijkse maxima, waarbij een andere definitie geldt voor
de terugkeerperiode en waarbij een beperktere hoeveelheid statistische informatie uit de tijdreeks
wordt gebruikt [Vaes et al, 1994a,b]. Hierdoor zijn deze IDF-relaties niet rechtstreeks bruikbaar
voor ontwerpdoeleinden, maar de resultaten van de onderlinge vergelijking zijn wel relevant.
Er kunnen wel significante verschillen zijn in bijvoorbeeld neerslagvolumes van zeer frequente
neerslaggebeurtenissen [Gellens, 2000]. Voor Vlaanderen zijn deze verschillen nog relatief
beperkt (bijvoorbeeld tussen de kust en het binnenland), maar in Wallonië zijn er grote
verschillen. De extreme neerslag die voor rioleringsberekeningen van toepassing is, wordt
hierdoor voor de Vlaamse situatie dus niet beïnvloed. De overstortvolumes en -duren zouden
hierdoor wel lichtjes kunnen worden beïnvloed, maar deze onzekerheid wordt enkel significant
bij een nauwkeurige lange termijn modellering. Uit de studie ‘Ruimtelijk neerslagmodel voor
Vlaanderen’ [Willems et al., 2002b] blijkt dat er toch aanwijzingen zijn dat er lokale
microklimaten zouden kunnen bestaan, maar met de beschikbare gegevens is dit tot nu toe nog
niet aangetoond kunnen worden. Dit verdient verdere aandacht.
In 1998 kwam de tijdreeks van neerslag opgemeten te Ukkel voor de periode 1898-1997 digitaal
ter beschikking [Demarée et al., 1998]. Een trendanalyse hierop uitgevoerd toont aan dat er geen
significante trend in neerslag is over de laatste 100 jaren [Vaes & Berlamont, 2000a,b, Vaes
et al., 2002e]. Wat betreft de korte hevige zomerbuien geeft de neerslagreeks van de laatste
100 jaren nog ietwat grotere extremen dan de 27-jarige reeks van Ukkel voor de periode
1967-1993, maar deze verschillen zijn statistisch niet significant. De voorspellingen met
betrekking tot de neerslag voor de komende eeuw die in Nederland werden gedaan op basis van
klimaatmodellen [KNMI, 1996, 1997] zijn zeer onzeker, wat ook de auteurs tot nuancering van
hun eigen resultaten brengt. Het is begrijpelijk dat men stelt dat de jaarneerslag zal toenemen
bij stijgende gemiddelde temperatuur, maar dat dit een evenredige invloed zou hebben op de
piekneerslag valt te betwijfelen. De mechanismen die de extreme zomeronweders doen ontstaan
zullen door de kleine globale opwarming nauwelijks worden beïnvloed. Uit het recentste
klimaatrapport blijken deze onzekerheden en nuanceringen nog meer [Tank et al., 2002].
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
181
Dit betekent dat de bovengenoemde neerslagreeks van Ukkel voor de periode van 1967 tot en met
1993 ook in de toekomst bruikbaar blijft voor heel Vlaanderen. Toch dient men zich bewust te
zijn van de resterende onzekerheid op de neerslaginvoer bij hydrologische berekeningen (zie ook
paragraaf 4.7).
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
182
4.2 IDF-relaties
Idealiter werkt men voor hydrologische berekeningen met continue lange termijnsimulaties,
maar dit is niet altijd rekentechnisch en economisch haalbaar. Daarom wordt de neerslaginvoer
voor hydrologische berekeningen vaak vereenvoudigd door ‘gemiddelde’ of representatieve
waarden te gebruiken die men bekomt via een statistische verwerking. Hierbij dient men erover
te waken dat deze statistische verwerking rekening houdt met het systeemgedrag van het
afwateringssysteem dat men beschouwt.
Om te bepalen welke neerslag moet worden gebruikt voor rioleringsberekeningen, volstaat het
niet om enkel de neerslag te analyseren. Ook het systeemgedrag van het afwateringssysteem
speelt een belangrijke rol. De belangrijkste parameter die dit systeemgedrag bepaalt, is de
concentratietijd. De concentratietijd is de tijd die de meest opwaarts gevallen neerslag nodig
heeft om naar het ontwerppunt te stromen (figuur 104) [Chow, 1964; Berlamont, 1997].
We krijgen dus een bijdrage in het ontwerppunt vanwege het gehele opwaarts toevoerend gebied
na een tijd gelijk aan de concentratietijd (als het gedurende deze tijd blijft regenen). Bij een
constante neerslag krijgen we dus een maximaal debiet in het ontwerppunt na een buiduur gelijk
aan de concentratietijd. Daarom noemt men dit de ‘kritieke buiduur’ (vaak ook ‘kritische
buiduur’ genoemd). Aangezien de concentratietijd voor elk punt in een afwateringssysteem
verschillend is (stijgend van opwaarts naar afwaarts), betekent dit ook dat de kritieke buiduur
voor elk ontwerppunt verschilt. In de ontwerpneerslag moet dus rekening gehouden worden met
alle buiduren tot de maximale concentratietijd die in het gehele afwateringssysteem voorkomt
en dit voor de gekozen ontwerpterugkeerperiode. Hiertoe moeten de tijdreeksen van
neerslaggegevens verwerkt worden tot Intensiteit/Duur/Frequentie-relaties (IDF-relaties),
welke het verband geven tussen de neerslagintensiteit, de duur waarover deze neerslag valt en
de frequentie (d.i. de inverse van de terugkeerperiode) waarmee de combinatie van deze twee
vorige parameters voorkomt.
Figuur 104 : Illustratie van de fysische betekenis van de concentratietijd Tc voor twee
verschillende ontwerppunten (!).
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
183
Bij het opstellen van IDF-relaties zal men eerst voor elke buiduur alle hoge neerslagintensiteiten
of -volumes uit een lange tijdreeks selecteren. De parameter buiduur slaat hierbij niet op de
totale duur van een bui, maar op de breedte van een tijdvenster dat over de tijdreeks heen beweegt
en waarbinnen men de neerslagvolumes sommeert (figuur 105). De overeenkomstige
neerslagintensiteit is dan dit neerslagvolume gedeeld door de breedte van het tijdvenster.
Men varieert dan de breedte van dit tijdvenster van de tijdstap tot de maximale beschouwde
buiduur. Dit komt overeen met het aggregeren van de tijdreeks over de beschouwde buiduur en
daarom gebruikt men beter het begrip ‘aggregatieniveau’ in plaats van ‘buiduur’. Omwille van
de gedistribueerde toevoer naar het rioolstelsel gebeurt in een rioolstelsel ook een dergelijke
aggregatie of uitmiddeling over de concentratietijd. De werkelijke variabiliteit binnen dit
tijdvenster is daardoor slechts van 2e orde belang. Het minimale aggregatieniveau dat kan
beschouwd worden, is gelijk aan de tijdstap waarmee de neerslaggegevens beschikbaar zijn.
De maximale beschouwde buiduur dient minimaal overeen te komen met de maximale
concentratietijd van het systeem dat men wenst te beschouwen.
neerslagintensiteit
buiduur
tijd
Figuur 105 : Illustratie van het bepalen van IDF-relaties uit een neerslagreeks.
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
184
Door de neerslagwaarden per aggregatieniveau te rangschikken van groot naar klein kan men de
relatie zoeken met de terugkeerperiode. De grootste waarde in een tijdreeks van 100 jaar heeft
een empirische terugkeerperiode van 100 jaar, de tweede hoogste waarde heeft een empirische
terugkeerperiode van 50 jaar, de derde van 33 jaar, de vierde van 25 jaar, enz... De werkelijke
terugkeerperiode zal hiervan verschillen omwille van de grote variabiliteit van de neerslag.
Omwille van de grote variabiliteit van de neerslag in de tijd (ook op grote tijdschaal, dit is van
jaar tot jaar), is dus een extreme waarden analyse nodig om de intensiteiten voor grote
terugkeerperioden nauwkeurig te kunnen bepalen. De lengte van de tijdreeks speelt hierbij een
belangrijke rol. Uit de analyse van de neerslaggegevens van Ukkel voor een periode van 27 jaren
(1967-1993) bleek dat een extreme waarden analyse nodig is vanaf een terugkeerperiode van
2 jaar [Vaes et al., 1994a,b]. Via een monotone rangschikkingsmethode kan dus slechts een
nauwkeurige uitspraak worden gedaan over de waarde bij een bepaalde terugkeerperiode voor
terugkeerperiodes kleiner dan ongeveer 1/20 van de totale lengte van de gebruikte tijdreeks.
Voor grotere terugkeerperiodes is een extreme waarden analyse nodig, waarbij niet zomaar een
aantal verdelingen worden uitgeprobeerd, maar waarbij men eerst de juiste verdeling zoekt.
Het is van groot belang dat het type extreme waarden distributie wordt bepaald op basis van een
analyse van het staartgedrag [Beirlant et al., 1996; Willems, 2000; Berlamont et al., 2000b].
Voor lineaire, unimodale systemen geldt dat de terugkeerperiode van het effect (debiet,
waterstand) dat veroorzaakt wordt door een bepaalde neerslag gelijk is aan de terugkeerperiode
van deze neerslag (Een lineair systeem betekent dat er een lineair verband is tussen het
uitstromingsdebiet en het geborgen volume in het systeem. Een unimodaal systeem betekent dat
één invoerpiek leidt tot één uitvoerpiek.). Voor rioleringssystemen is hieraan voldaan voor de
grote terugkeerperioden en beperkte ‘buiduren’ (d.w.z. beperkt t.o.v. de variabiliteit van de
neerslag in de tijd) waarvoor een ontwerp wordt gemaakt [Vaes, 1999]. Voor grote
terugkeerperioden zal de statische berging in het systeem immers gevuld zijn en treden de
overstorten in werking, waardoor het systeem zich vrij lineair gedraagt. Voor kleine ‘buiduren’
is er bovendien een beperkte invloed van de antecedent neerslag. Door dit (bij benadering)
lineair gedrag kan de statistische analyse worden uitgevoerd op voorhand op de neerslag en
daarna kunnen de bekomen IDF-relaties worden gebruikt om ontwerpneerslag te creëren voor
hydraulische berekeningen.
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
185
Voor de Vlaamse toepassingen werden op basis van de bovenstaande methodologie IDF-relaties
opgesteld in 1996 uitgaande van de neerslag te Ukkel voor de periode 1967-1993 met een tijdstap
van 10 minuten [Vaes et al., 1996]. Deze IDF-relaties werden opgenomen in de
rioleringsrichtlijnen van 1996 [VMM, 1996a]. Voor de neerslag van Ukkel werd onderstaande
exponentiële verdeling gevonden [Vaes et al., 1996] (figuur 106 en tabel 27) :
 i − i0 
n
T =
exp 

m
 β 
(36)
log β = log (842,4 ) − 1,30 log (∆t + 19,0 ) + 0,06 log2 (∆t + 19,0 )
log i0
= log (352,0 ) − 1,06 log (∆t + 8,8) + 0,08 log2 (∆t + 8,8)
Met : T = de terugkeerperiode [jaar]
i = de neerslagintensiteit [mm/h]
n = het aantal gebruikte jaren = 27 jaar
m = het aantal gebruikte waarden boven de drempel = 120
i0 = de drempelwaarde [mm/h]
$ = de gemiddelde intensiteit van de exponentiële extreme waarden verdeling
)t = de buiduur [min]
neerslagintensiteit (mm/h)
100
10
20 jaar
10 jaar
5 jaar
2 jaar
1
10
100
buiduur (minuten)
1000
Figuur 106 : IDF-relaties (Ukkel, 1967-1993) voor terugkeerperioden van 2, 5, 10 en 20 jaar.
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
186
Tabel 27 : IDF-relaties voor terugkeerperioden van 2 en 5 jaar en buiduren van 10 tot
180 minuten (Ukkel) [Vaes & Berlamont, 1996a; Vaes, 1999].
T = 2 jaar
T = 5 jaar
buiduur
[min]
mm/h
l/s/ha
mm/h
l/s/ha
10
52,4
146
65,4
182
20
37,2
103
46,5
129
30
29,0
80,6
36,3
101
40
23,9
66,4
29,8
82,8
50
20,4
56,6
25,4
70,4
60
17,8
49,4
22,1
61,4
70
15,8
43,9
19,6
54,5
80
14,3
39,6
17,7
49,1
90
13,0
36,2
16,1
44,7
100
12,0
33,3
14,8
41,0
110
11,1
30,9
13,7
38,0
120
10,4
28,8
12,7
35,4
130
9,72
27,0
11,9
33,1
140
9,17
25,5
11,2
31,2
150
8,67
24,1
10,6
29,5
160
8,24
22,9
10,1
27,9
170
7,85
21,8
9,57
26,6
180
7,50
20,8
9,13
25,4
Bij het opstellen van de IDF-relaties van 1996 werd de afbuiging naar lagere intensiteiten bij
kleine aggregatieniveaus mee ingewerkt in de vergelijkingen [Vaes et al., 1996]. Deze afbuiging
is hoofdzakelijk het gevolg van de klokvaste digitalisatie van de neerslaggegevens. Indien deze
neerslagreeks met een kleinere resolutie (d.i. tijdstap) gekend zou zijn, zouden de relaties meer
rechtlijnig verlopen in een dubbel logaritmisch diagram; dit noemt men de schaalbaarheid van
de neerslag [Willems, 2000]. Doordat deze afbuiging mee werd ingewerkt, worden de
piekintensiteiten bij kleine aggregatieniveaus onderschat. Voor stijgende aggregatieniveaus
verdwijnt dit effect; voor aggregatieniveaus vanaf 2 tot 3 keer de tijdstap is het effect van de
afbuiging nauwelijks nog te merken. Dit leidt tot een kortstondige onderschatting van
piekdebieten in opwaartse leidingen (d.w.z. bij concentratietijden in de buurt van de tijdstap).
De duur van de onderschatting kan nooit groter zijn dan 2 tot 3 keer de tijdstap van de neerslag.
Opwaartse leidingen zijn echter vaak overgedimensioneerd, omwille van het gebruik van een
minimale diameter, waardoor dit slechts zelden een (kortstondig) effect heeft.
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
187
Voor de neerslag van Ukkel werden ook afzonderlijke IDF-relaties opgesteld voor zomer en
winter [Vaes, 1999; Willems et al., 1999; Willems, 2000]. In eerste instantie werden globale
IDF-relaties opgesteld voor grotere aggregatieniveaus. Hierbij blijkt dat er sprake is van een
twee componenten exponentiële verdeling :
G( i ) = p G a ( i ) + (1 − p ) G b ( i )
(37)
Met :
G a ( i ) = 1 − exp ( −
i − i0
)
βa
(38)
G b ( i ) = 1 − exp ( −
i − i0
)
βb
(39)
Hierin zijn de parameters i0 (drempelwaarde), p (fractie), $a en $b (gemiddelden) gefit als een
functie van de buiduur )t voor aggregatieniveaus van 1 uur tot en met 15 dagen :
log β a = − 0,15 − 0,6 log ∆t
log β b = − 0,6 − 0,55 log ∆t
log i 0 = − 0,075 − 0,56 log ∆t
log p = − 11
, − 0,65 log ∆t
(40)
De parameters i0, $a en $b hebben als eenheden [mm/h] en de eenheid voor de buiduur is [dag].
Deze twee componenten verdeling is in tegenstelling met wat waargenomen werd voor de IDFrelaties voor kleine aggregatieniveaus, waar er een enkelvoudige exponentiële verdeling werd
gevonden. De ene component leidt tot gepiekte buien (Ga(i)), terwijl de tweede tot meer
afgevlakte buien (Gb(i)) leidt. Hierbij rijst het vermoeden dat deze twee componenten te maken
hebben met de verschillende aard van de neerslag in zomer (meer onweders) en winter (meer
regenzones).
In tweede instantie zijn de extremen dan opgedeeld in twee periodes : een zomerperiode van april
tot september en een winterperiode van oktober tot maart. Dan kan worden nagegaan in welke
mate deze zomerverdeling (G1(i)) en winterverdeling (G2(i)) functie zijn van de eerder gevonden
exponentiële verdelingen :
G1 ( i ) = p1 G a ( i ) + (1 − p1 ) G b ( i )
G 2 ( i ) = p 2 G a ( i ) + (1 − p 2 ) G b ( i )
(41)
Hieruit blijkt dat de verdeling voor de winterperiode (G2(i)) zeer goed overeen komt met de
tweede component (Gb(i)) van de globale verdeling (welke tot meer afgevlakte buien leidt).
Dit betekent dat p2 ongeveer gelijk is aan 0. De verdeling van de zomerperiode blijkt een
combinatie te blijven van de twee voornoemde componenten (Ga(i) en Gb(i)) van de globale
verdeling. De eerste component (Ga(i)) heeft een overheersende bijdrage voor kleine buiduren
en neemt in gewicht af voor stijgende buiduren. De neerslag tijdens de zomerperiode is dus een
combinatie van onweders (Ga(i)) en regenzones (Gb(i)), terwijl de neerslag tijdens de
winterperiode enkel het gevolg is van regenzones (Gb(i)).
De superpositie van de twee seizoensverdelingen (G1(i) en G2(i)) moet dezelfde terugkeerperiode
opleveren als de globale jaarverdeling G(i) :
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
188
T=
=
n
[
]
m p (1 − Ga (i )) + (1 − p) (1 − Gb (i ))
n
m1 (1 − G1 (i )) + m2 (1 − G2 (i ))
(42)
Indien we aannemen dat p2 = 0, vinden we dat :
(43)
Bovendien geldt :
m = m1 + m2
en dus :
m2 = m - m1
De terugkeerperiode Tz wordt dan voor de zomerbuien (in halve jaren) :
Tz =
n
m p (1 − G a ( i )) + ( m1 − m p ) (1 − G b ( i ))
(44)
En voor de winterbuien (in halve jaren) :
Tw =
n
( m − m1 ) (1 − G b ( i ))
(45)
Hierin zijn de parameters m en m1 functie van de buiduur (in dagen) via de drempelwaarde i0
(in mm/h) :
m=
m1 =
240 + 326 i 20 ,9
2,42 + i 20 ,9
(46)
154 + 271 i 20 , 03
3,4 + i 20 , 03
Een bijkomende verbetering van de inschatting van de extreme neerslag voor lange duren wordt
bekomen met de volgende aanpassing (p vervangen door p*) [Willems et al., 1999] :
 i−i 
G *a ( i ) = 1 − exp  − * 0 
 βa 
β*a = β a ρ + β b (1 − ρ)
(
)
(47)
ρ = 1 − exp − 40 ( p − 0,113)
*
(
p * = 3,46 − 3,35 exp − 0,011 ∆t − 0,84
)
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
189
Bovenstaande seizoensgebonden IDF-relaties zijn gebaseerd op een afzonderlijke beschrijving
van de extreme waarden statistiek voor korte convectieve zomeronweders en voor meer
langdurige buien van frontale oorsprong. Uit onderzoek van Willems [2000] blijkt dat enkel de
afzonderlijke types neerslag (frontale versus convectieve) schalingseigenschappen bezitten en
dat de kromming in de IDF-relaties volgens de samengestelde verdeling niet helemaal wordt
rechtgetrokken. Het gebruik van deze schalingseigenschappen leidt tot een meer fysisch
gebaseerde wetmatigheid achter de IDF-relaties en een betrouwbaardere extrapolatie van de IDFrelaties [Willems, 2000]. Het gebruik van afzonderlijke ontwerpneerslag voor zomer en winter
is zinvol bij systemen met sterk verschillende en significante initiële condities in de verschillende
seizoenen. De resultatenverwerking wordt hierbij wel complexer omwille van de samengestelde
statistiek. Voor het dimensioneren van rioleringen volstaan de globale IDF-relaties, tenzij de
randvoorwaarden sterk seizoensgebonden zijn (zie paragraaf 5.4.2). Het is immers zo dat voor
Vlaanderen voor de grote terugkeerperioden en korte ‘buiduren’ de globale IDF-relaties ongeveer
overeenkomen met de zomer-IDF-relaties.
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
190
4.3 Composietbuien
Een historische bui heeft geen eenduidige terugkeerperiode in functie van de concentratietijd
(een voorbeeld wordt gegeven in figuur 107 voor de bui met de grootste piekintensiteit gedurende
10 minuten uit de 100-jarige neerslagreeks van Ukkel).
1000
terugkeerperiode (jaar)
bui van 9 september 1909
100
10
1
0
60
120
180
240
300
360
concentratietijd (min)
Figuur 107 : Variatie van de terugkeerperiode met de concentratietijd voor de bui met de
meest extreme piekintensiteit gedurende 10 minuten uit de 100-jarige neerslagreeks van
Ukkel (1898-1997).
Uit de IDF-relaties kunnen echter wel synthetische buien of hyetogrammen worden afgeleid die
wel een eenduidige terugkeerperiode hebben in functie van de concentratietijd. Daartoe werden
voor rioleringsberekeningen in Vlaanderen op basis van de IDF-relaties ontwerpstormen
ontwikkeld [Vaes & Berlamont, 1995, 1996a; Vaes et al, 1996]. Deze buien werden zodanig
opgesteld dat slechts één bui nodig is voor een welbepaalde terugkeerperiode of frequentie en
zijn analoog aan de ‘Chicago-storm’ [Keifer & Chu, 1957]. Alle buiduren tussen 10 minuten en
de maximale buiduur zitten dus vervat in één enkele bui. Daarom worden deze buien
‘composietbuien’ genoemd. Deze buien kunnen worden bekomen door voor een bepaalde
terugkeerperiode de neerslagvolumes uit de IDF-relaties symmetrisch ten opzichte van het
centrum van de bui uit te zetten, beginnende bij de kleinste buiduur (10 minuten) (figuur 108).
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
191
Het verband tussen de neerslagintensiteit r van de composietbui in functie van de tijd t en de
intensiteit i uit de IDF-relatie in functie van de buiduur )t wordt (voor symmetrische buien)
gegeven door [Vaes & Berlamont, 1996a; Vaes et al., 1996] :
r
=
di
∆t
d ∆t
met

d log i 

+ i = i  1 +
d log ∆t 

t
=
(48)
∆t max ± ∆t
2
Figuur 108 : Schematische voorstelling van de constructie van een composietbui
[Vaes & Berlamont, 1996a; Vaes et al., 1996].
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
192
Het volume van de composietbui binnen het interval van de buiduur komt dus overeen met het
volume uit de IDF-relaties door de intensiteit uit de IDF-relatie te vermenigvuldigen met de duur.
Het grote voordeel van het gebruik van composietbuien voor hydrodynamische simulaties is dat
met één bui alle leidingen worden beoordeeld voor de betrokken terugkeerperiode, ongeacht de
concentratietijd. Dit geldt zolang de concentratietijd kleiner is dan de maximale duur van de bui.
In systemen met veel berging kan de voorafgaande vulling van het systeem een grote invloed
hebben op de simulatieresultaten. Daarom is er in deze buien gemiddelde antecedent en
posteriori neerslag ingebouwd voor buiduren tot a van de totale duur van de bui [Vaes &
Berlamont, 1996a; Vaes et al., 1996]. Bij een concentratietijd gelijk aan a van de totale duur
van de bui komt het middelste a overeen met de IDF-relaties en gaat er antecedent neerslag aan
vooraf gedurende een periode gelijk aan de concentratietijd (a van de totale duur van de bui),
zodat de (gemiddelde) initiële vulling van het riool wordt ingerekend. Ook volgt er een posteriori
neerslag gedurende een periode gelijk aan de concentratietijd (a van de totale duur van de bui)
om het volledige effect te kunnen waarnemen.
Bij het gebruik van composietbuien is er wel een potentieel gevaar dat men de relatie met de
concentratietijd en de ledigingstijd (bijvoorbeeld ten gevolge van een afwaartse randvoorwaarde
kan de ledigingstijd sterk stijgen) uit het oog verliest. Voor grote rioleringssystemen zijn de
Vlaamse composietbuien, welke in 1996 werden verspreid en welke afgekapt zijn bij een
maximale buiduur van 360 minuten, te kort. Een uitbreiding naar buiduren van één tot enkele
dagen is nodig voor grotere rioleringssystemen en bij randvoorwaarden met een langdurig effect.
De rekentijd is vandaag de dag hierbij geen beperkende factor meer. Daarom worden
composietbuien met een totale duur van 2 dagen aangeraden voor ontwerpberekeningen.
Met een eenvoudige test kan nagegaan worden of de antecedent condities volstaan : indien de
initiële neerslagintensiteit (tijdens eerste tijdstap van de composietbui) continu wordt opgelegd,
mag het systeem niet vollopen en moet een aanvaardbare evenwichtstoestand ontstaan.
Er werd een symmetrisch profiel aangenomen, omdat er geen significant verschil werd gevonden
tussen de antecedent en posteriori neerslag in de neerslagreeks van Ukkel [Vaes & Berlamont,
1996a; Vaes et al., 1996]. Indien men niet-symmetrische composietgebeurtenissen zou willen
opstellen, kan dat gebruik makend van dezelfde bovenstaande differentiaalvergelijking, maar met
een andere relatie tussen de tijd en de duur, namelijk :
t
=
α ∆t max − α ∆t
α ∆t max + (1 − α ) ∆t
als
als
t < α ∆t max
t > α ∆t max
(49)
De parameter " (0 < " < 1) is hierin de parameter die de scheefheid van de composietbui
weergeeft. Indien " gelijk is aan ½ bekomt men een symmetrische composietbui, voor " kleiner
dan ½ ligt de piek meer naar voor en bekomt men een sterker stijgende flank en een langzamer
dalende flank.
De resultaten bekomen met deze composietbuien zijn voldoende nauwkeurig voor
ontwerpberekeningen. Dit werd nagegaan door de resultaten van hydrodynamische simulaties
enerzijds met de composietbuien en anderzijds met de originele historische neerslagreeks van
27 jaren te vergelijken [Vaes et al., 1996; Vaes, 1999]. Dit komt doordat de niet-lineariteit bij
rioolsystemen bij grote terugkeerperioden vrij beperkt is (wanneer de overstorten in werking
treden, gedragen de meeste rioolsystemen zich min of meer lineair).
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
193
In figuur 109 wordt het centrale deel (360 minuten) getoond van de Vlaamse composietbui met
een terugkeerperiode van 2 jaar [Vaes & Berlamont, 1996a].
60
intensiteit (mm/h)
50
40
30
20
10
0
-3
-2
-1
0
1
2
3
tijd (uur)
Figuur 109 : Centrale deel van de Vlaamse composietbui met een terugkeerperiode
van 2 jaar [Vaes & Berlamont, 1996a].
Naast deze globale composietbuien werden nog aparte composietbuien opgesteld voor
Vlaanderen voor zomer en winter overeenkomstig de seizoensafhankelijke IDF-relaties (zie ook
paragraaf 4.2) [Vaes, 1999].
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
194
4.4 Ruimtelijke correctiefactoren
De ruimtelijke spreiding van de neerslag kan een belangrijke invloed hebben op de inschatting
van de piekdebieten in riolen. Aangezien men vertrekt van neerslaggegevens opgemeten in
één punt, zal afhankelijk van de grootte van het afwateringsgebied een onder- of overschatting
van de totale neerslagvolumes worden gemaakt. Enerzijds meet men zelden de piekneerslag
binnen een bui, waardoor voor kleine afwateringsgebiedjes eerder een onderschatting van de
neerslag wordt bekomen. Dit geldt dus voor kleine rioleringsgebieden en de opwaartse uiteinden
van een rioolstelsel. Anderzijds varieert de intensiteit van de neerslag binnen een bui en heeft een
bui beperkte afmetingen [Luyckx et al., 1998a], waardoor bij grotere afwateringsgebieden een
overschatting van het neerslagvolume wordt bekomen bij aanname van uniforme neerslag.
Daarom dient er een statistische correctie te worden toegepast op de neerslaginvoer bij
hydrologische berekeningen. Dit kan via ruimtelijke correctiefactoren. Dit is een statische
correctie die het totaal volume regenwater over een afstromingsgebied corrigeert. Dit type
statische correctie wordt al decennia lang toegepast (bijvoorbeeld [ASCE, 1969]). Nochtans zijn
de correctiecoëfficiënten vaak gebaseerd op zeer beperkte informatie over de ruimtelijke
verdeling van de neerslag. In Vlaanderen wordt de correctieformule van Frühling reeds bijna een
eeuw gebruikt [Mennes, 1910], terwijl dit gebaseerd is op de meting van neerslagintensiteiten op
slechts twee locaties en de niet-geverifieerde aanname van een exponentieel verloop tussen de
twee locaties. Luyckx et al. [1998a] vonden echter dat een Gaussiaans profiel beter past voor de
ruimtelijke variatie van de neerslagintensiteit binnen een bui. Dit verschil tussen een
exponentieel en Gaussiaans profiel heeft grote gevolgen in totale neerslagvolumes over het
afstromingsgebied [Vaes, 1999; Vaes et al., 2000a]. Dit toont aan dat er dringend nood is aan
een meer nauwkeurige inschatting van de ruimtelijke correctiecoëfficiënten. Het gebruik van de
formule van Frühling is dan ook af te raden, omdat dit tot een systematische onderschatting van
de neerslaginvoer leidt voor afwateringsgebieden tot een tiental kilometer diameter [Vaes, 1999].
Ten opzichte van de methode van Frühling is het dan nog beter om geen correctiecoëfficiënt te
gebruiken voor rioleringsberekeningen.
Bij rioleringsberekeningen worden ontwerpbuien gebruikt die opgesteld zijn op basis van een
lange historische tijdreeks van puntneerslag. Deze neerslag wordt uniform over het
afwateringsgebied van het rioolstelsel opgelegd. De ruimtelijke variabiliteit is echter ook op de
schaal van een rioolstelsel vrij groot, zodat de vraag kan gesteld worden of deze puntneerslag wel
representatief is. Ook bij de modelverificatie van rioleringen worden puntneerslagmetingen
gebruikt. De ruimtelijke extrapolatie is hier wel wat kleiner omdat, naarmate het
afwateringsgebied groter wordt, er meer pluviografen worden geïnstalleerd en men voor elk
subafwateringsgebied de neerslag van de dichtst bij gelegen pluviograaf zal gebruiken (dit is een
toepassing van de methode van Thiessen [1911]). Om de invloed van deze ruimtelijke variatie
van de neerslag te bestuderen, dienen we te beschikken over neerslaggegevens met een fijne tijden ruimteschaal. Dit is enkel mogelijk op basis van een ruimtelijke neerslaggenerator [Willems,
2000; Willems et al., 2002b]. Op basis van de gegenereerde neerslag met een fijne tijd- en
ruimteschaal werd nagegaan wat de invloed ervan is, zowel bij de modelverificatie als bij
ontwerpberekeningen [Willems et al., 2002b; Vaes et al., 2003].
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
195
4.4.1 Afwijkingen bij puntneerslagmetingen
Om na te gaan in hoeverre het neerslagvolume afwijkt, indien men puntneerslag uniform over
een gebied aanneemt ten opzichte van het werkelijke neerslagvolume, werden vele tijdreeksen
van ruimtelijk gedistribueerde buien gegenereerd. Door deze neerslag te integreren over
gebieden met verschillende grootte, wordt het werkelijke neerslagvolume bekomen. Dit kan dan
worden vergeleken met het product van de neerslagintensiteit in het centrale punt van het gebied
en de oppervlakte van het gebied. Op die manier bekomen we dus twee tijdreeksen van
neerslagvolumes. Hieruit kan men afleiden wat de kansverdeling is van het werkelijke
neerslagvolume voor een bepaald in een punt gemeten neerslagvolume. De gemiddelde
verhouding R van dit puntneerslagvolume over het ruimtelijke gemiddelde neerslagvolume blijkt
functie te zijn van de puntneerslagintensiteit, het aggregatieniveau en de gebiedsgrootte (R is dus
de gemiddelde ruimtelijke correctiecoëfficiënt). Ook de spreiding is functie van deze parameters.
In de figuren 110 tot en met 115 worden enkele voorlopige resultaten weergegeven voor
cirkelvormige gebieden met een centrale puntneerslagmeting. Op de y-as staat de verhouding
R uitgezet tussen het ruimtelijk geïntegreerd neerslagvolume ten opzichte van het uniform
veronderstelde neerslagvolume op basis van de puntneerslag in het centrum van het gebied.
Op de x-as staat de straal van het (cirkelvormige) afwateringsgebied weergegeven.
De verschillende series komen overeen met de variatie in functie van de gemiddelde
neerslagintensiteit over het aggregatieniveau (oftewel het neerslagvolume) geregistreerd in het
centrum van het afwateringsgebied. Aangezien er een grote variabiliteit is van de verhouding R
is het nodig om hiervoor een distributie te bepalen. Voor deze variabiliteit werd verondersteld
dat de verdeling van de verhouding R lognormaal is in functie van de neerslagintensiteit, wat
voor een eerste inschatting voldoende goede resultaten geeft. In de figuren 110, 112 en 114
worden de mediaanwaarden voor deze verhouding R uitgezet voor aggregatieniveaus van
respectievelijk 10, 60 en 360 minuten. In de figuren 111, 113 en 115 worden de overeenkomstige
90-percentiel bovengrenzen weergegeven. Het bestreken domein van het afwateringsgebied op
de x-as van deze figuren is vrij ruim; de meeste rioolstelsels strekken zich slechts uit over een
gebied met een diameter van enkele kilometers. Het bestreken domein van neerslagintensiteiten
komt vooral overeen met hogere frequenties, omdat tot op heden de analyse slechts is uitgevoerd
op een beperkte reeks van gegenereerde neerslagvelden.
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
196
ruimtelijk geintegreerde neerslagintensiteit / gemeten puntneerslagintensiteit
1.4
aggregatieniveau = 10 minuten
gemeten
intensiteit
(mm/h)
gemiddelde ruimtelijke coefficient
1.2
1
0.3
0.5
0.8
1.5
3
10
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
straal afwateringsgebied (km)
Figuur 110 : mediaan van de ruimtelijke correctiecoëfficiënt voor een aggregatieniveau van
10 minuten.
ruimtelijk geintegreerde neerslagintensiteit / gemeten puntneerslagintensiteit
3.5
90 % bovengrens ruimtelijke coefficient
aggregatieniveau = 10 minuten
gemeten
intensiteit
(mm/h)
3
2.5
0.3
0.5
0.8
1.5
3
10
2
1.5
1
0.5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
straal afwateringsgebied (km)
Figuur 111 : 90 % bovengrens van de ruimtelijke correctiecoëfficiënt voor een
aggregatieniveau van 10 minuten.
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
197
ruimtelijk geintegreerde neerslagintensiteit / gemeten puntneerslagintensiteit
1.4
aggregatieniveau = 60 minuten
gemeten
intensiteit
(mm/h)
gemiddelde ruimtelijke coefficient
1.2
1
0.2
0.3
0.4
0.6
0.8
1.5
3
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
straal afwateringsgebied (km)
Figuur 112 : mediaan van de ruimtelijke correctiecoëfficiënt voor een aggregatieniveau van
60 minuten.
ruimtelijk geintegreerde neerslagintensiteit / gemeten puntneerslagintensiteit
3
90 % bovengrens ruimtelijke coefficient
aggregatieniveau = 60 minuten
gemeten
intensiteit
(mm/h)
2.5
0.2
0.3
0.4
0.6
0.8
1.5
3
2
1.5
1
0.5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
straal afwateringsgebied (km)
Figuur 113 : 90 % bovengrens van de ruimtelijke correctiecoëfficiënt voor een
aggregatieniveau van 60 minuten.
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
198
ruimtelijk geintegreerde neerslagintensiteit / gemeten puntneerslagintensiteit
1.6
aggregatieniveau = 360 minuten
gemeten
intensiteit
(mm/h)
gemiddelde ruimtelijke coefficient
1.4
1.2
0.03
0.05
0.08
0.15
0.4
0.8
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
straal afwateringsgebied (km)
Figuur 114 : mediaan van de ruimtelijke correctiecoëfficiënt voor een aggregatieniveau van
360 minuten.
ruimtelijk geintegreerde neerslagintensiteit / gemeten puntneerslagintensiteit
4
90 % bovengrens ruimtelijke coefficient
aggregatieniveau = 360 minuten
gemeten
intensiteit
(mm/h)
3.5
3
0.03
0.05
0.08
0.15
0.4
0.8
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
straal afwateringsgebied (km)
Figuur 115 : 90 % bovengrens van de ruimtelijke correctiecoëfficiënt voor een
aggregatieniveau van 360 minuten.
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
199
We kunnen concluderen dat vooral bij kleine intensiteiten er een systematische onderschatting
van de neerslag gebeurt. Naarmate de opgemeten neerslagintensiteiten stijgen, is er eerder een
systematische overschatting. Voor tussenliggende intensiteiten bekomt men vaak dat er voor
kleine afwateringsgebiedjes een onderschatting is die daarna naar een overschatting overgaat bij
stijgende gebiedsgrootte. Toch geldt dit enkel voor gemiddelde waarden en is de spreiding zeer
groot. Bij groter wordende aggregatieniveaus worden de afwijkingen van de mediaanwaarden
wel wat kleiner (verhouding R dichter bij 1), maar de spreiding op de verdelingen van R blijft
nagenoeg even groot. De afwijkingen stijgen sterk met toenemende straal van het
afwateringsgebied waarvoor de puntneerslagmeting representatief wordt verondersteld. Dit leidt
tot de conclusie dat de tussenafstand tussen pluviometers voor de verificatie van
rioleringsmodellen beperkt dient te blijven tot ongeveer 2 à 3 km om betrouwbare resultaten te
bekomen. Deze conclusie komt overeen met eerdere vaststellingen [Berlamont et al., 2000a].
Met bovenstaande correctiefactoren zou men de bias kunnen elimineren uit neerslagmetingen,
maar de grote spreiding blijft wel voor grote onzekerheden zorgen. Er is echter nog een wat
grondigere analyse nodig om dit veralgemeend bruikbaar te maken, omdat de huidige resultaten
nog maar een eerste ruwe inschatting zijn. Bovendien is het in eerste instantie belangrijk om de
puntneerslagmeting zelf voldoende nauwkeurig uit te voeren (zie ook paragraaf 4.7).
Naast een verdere verfijning van de resultaten voor cirkelvormige gebieden met een centrische
locatie van de puntneerslagmeting, dient nog verder de invloed van de excentriciteit van de
locatie van de puntneerslagmeting te worden onderzocht (hiertoe werd een aanzet gegeven in
[Willems, 2000]), alsook de invloed van niet-cirkelvormige afwateringsgebieden.
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
200
4.4.2 Systematische statistische afwijking bij ontwerpberekeningen
Voor ontwerpberekeningen is het niet meer van belang wat de afwijking is op de individuele
puntneerslagmeting met betrekking tot de ruimtelijke spreiding, maar wel in welke mate de
extreme waarden verdelingen van de ruimtelijk geïntegreerde neerslag afwijken van deze van de
puntneerslagmetingen. Dit kan bekomen worden door zowel voor de puntneerslagmeting als
voor de ruimtelijk geïntegreerde neerslagvolumes de extreme waarden verdeling te bepalen en
de verhouding ervan als ruimtelijke correctiecoëfficiënt te hanteren. Voor een preliminaire studie
werden de twee sets van neerslagvolumes gewoon gerangschikt van groot naar klein en werden
de verhoudingen van de overeenkomstige rangnummers uitgezet tegenover de drie parameters :
neerslagvolume (of gemiddelde neerslagintensiteit), aggregatieniveau en straal van het
afwateringsgebied [Vaes et al. 2003]. Op deze manier werd reeds een ruw beeld bekomen van
de grootteorde van de afwijkingen die er zich bij een ontwerp kunnen voordoen. In de figuren
116 en 117 worden de gemiddelde statistische afwijkingen getoond voor aggregatieniveaus van
respectievelijk 10 minuten en 1 uur in functie van de straal van het afwateringsgebied en de
gemiddelde neerslagintensiteit over de aggregatieduur. Indien we deze resultaten vergelijken met
de resultaten uit de voorgaande grafieken uit paragraaf 4.4.1 valt op dat de tendensen hetzelfde
zijn, maar iets minder uitgesproken. De individuele verschillen worden dus door de statistische
analyse uitgevlakt.
Deze grafieken zijn niet rechtstreeks te hanteren bij ontwerpberekeningen, omdat er een
correlatie is tussen het aggregatieniveau en de straal van het afwaterend gebied.
Immers, elke ontwerplocatie komt overeen met een opwaarts subafwateringsgebied en met een
representatieve concentratietijd waarvoor de kritieke neerslag met eenzelfde aggregatieduur moet
worden genomen als deze concentratietijd.
Het inwerken van deze ruimtelijke
correctiecoëfficiënten in ontwerpneerslag kan dus enkel indien de correlatie tussen de grootte van
het afwateringsgebied en de concentratietijd kan worden gespecifieerd en geïmplementeerd.
Voor de kleine aggregatieniveaus zullen dus vooral de correctiecoëfficiënten bij kleine straal van
de afwateringsgebieden van belang zijn. Aangezien de correctiecoëfficiënten voor kleine
gebiedsafmetingen nagenoeg 1 zijn, zullen de piekintensiteiten van de composietbuien hierdoor
niet beïnvloed worden. Voor grotere duren zal de correlatie het grootst zijn met grote afmetingen
van afwateringsgebieden en kan er wel een significante invloed zijn van de
correctiecoëfficiënten. De volumes van de composietbuien met grote intensiteiten (en dus met
grote terugkeerperiode, namelijk deze voor ontwerpdoeleinden) zullen dan ook enigszins
verlaagd kunnen worden in functie van de ruimtelijke uitgestrektheid van het beschouwde
rioolstelsel. Voor tussenliggende waarden kan zowel een verhoging of verlaging van toepassing
zijn.
Net zoals onder paragraaf 4.4.1 dient er naast een verdere verfijning van de resultaten voor
cirkelvormige gebieden met een centrische locatie van de puntneerslagmeting, nog verder de
invloed van de excentriciteit van de locatie van de puntneerslagmeting te worden onderzocht,
alsook de invloed van niet-cirkelvormige afwateringsgebieden. Daarna dient de inwerking van
deze ruimtelijke correctiecoëfficiënten in een praktisch haalbare ontwerpmethode met
composietbuien te worden ingewerkt.
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
201
ruimtelijk geintegreerde neerslagintensiteit / gemeten puntneerslagintensiteit
1.6
gemeten
intensiteit
(mm/h)
gemiddelde ruimtelijke coefficient
1.4
1.2
0.2
0.3
0.5
0.8
1.5
3
10
1
0.8
0.6
0.4
0.2
aggregatieniveau = 10 minuten
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
straal afwateringsgebied (km)
Figuur 116 : Ruimtelijke correctiecoëfficiënten voor ontwerpdoeleinden voor een
aggregatieniveau van 10 minuten.
ruimtelijk geintegreerde neerslagintensiteit / gemeten puntneerslagintensiteit
1.6
gemeten
intensiteit
(mm/h)
gemiddelde ruimtelijke coefficient
1.4
1.2
0.2
0.3
0.4
0.6
0.8
1.5
3
1
0.8
0.6
0.4
0.2
aggregatieniveau = 60 minuten
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
straal afwateringsgebied (km)
Figuur 117 : Ruimtelijke correctiecoëfficiënten voor ontwerpdoeleinden voor een
aggregatieniveau van 60 minuten.
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
202
4.5 Invloed van het voortbewegen van buien over een rioolstelsel
Naast deze systematische afwijking van de geschatte neerslagvolumes wanneer
puntneerslagmetingen worden gebruikt, is er ook nog het dynamisch effect van buien die
bewegen over het afstromingsgebied. Deze beweging kan tot een verhoging of afvlakking van
de afvoergolf leiden. In het algemeen kan gesteld worden dat indien een bui beweegt over een
afstromingsgebied in de hoofdafstromingsrichting van het rioleringssysteem, er een cumulatie
van debieten en een verhoging van maximale piëzometrische hoogten ontstaat. Indien een bui
in de tegengestelde richting beweegt, zal de afvoergolf minder gepiekt zijn. Om dit effect na te
kunnen gaan werd er een procedure uitgewerkt om dit dynamisch effect te kunnen simuleren met
de huidige hydrodynamische simulatiesoftware op basis van ontwerpstormen die bewegen over
een rioleringsstelsel. Deze methodologie is gebaseerd op het ruimtelijke equivalent van de
composietbuien en de statistische kenmerken van de ruimtelijke variatie van de neerslag.
De karakteristieken van het dynamisch gedrag van buien werden afgeleid door Willems [2000,
2001] bij de kalibratie van een ruimtelijke neerslaggenerator. Deze kalibratie gebeurde aan de
hand van een dicht netwerk van pluviografen (Antwerpen) en werd geverifieerd aan een lange
termijn puntneerslagmeting (Ukkel). Hieruit blijkt de volgende kansverdeling G(2) voor de
bewegingsrichting 2 van een bui (figuur 118) :
 (θ − µ ) 2 
1

G(θ ) =
exp −
(50)
2 σ 2 
2π σ

0.007
kans
0.006
referentie (wijzerzin) :
0 graden = van West naar Oost
0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
360
345
330
315
300
285
270
255
240
225
210
195
180
165
150
135
120
90
105
75
60
45
30
15
0
0
hoek (graden)
Figuur 118 : Kansverdeling van de bewegingsrichting van buien [Willems, 2000].
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
203
Dit is een normaalverdeling waarbij het gemiddelde : gelijk is aan 22° en de standaardafwijking
F gelijk aan 68°, beiden weergegeven in graden. Een windrichting van 0° betekent een
bewegingsrichting van West naar Oost (de hoek 2 variërend in wijzerzin). De gemiddelde
bewegingsrichting van de neerslag is dus van West-Noord-West naar Oost-Zuid-Oost.
Deze normaalverdeling moet worden begrensd bij 22° - 180° = -158° en bij 22° + 180° = 202°.
Voor simulatiedoeleinden kan de kansverdeling worden ingedeeld in klassen, waarvoor enkele
voorbeelden worden getoond in tabel 28.
Tabel 28 : Geïntegreerde kansen voor de bewegingsrichting van buien
in het geval van 4 klassen.
klassen volgens de hoofdwindrichtingen
gemiddelde hoek
interval
bewegingsrichting
cumulatieve kans
0°
[-45°,45°]
van West naar Oost
0, 474
90°
[45°,135°]
van Noord naar Zuid
0,322
180°
[135°,225°]
van Oost naar West
0,051
270°
[225°,315°]
van Zuid naar Noord
0,153
klassen volgens de belangrijkste bewegingsrichting van de buien
gemiddelde hoek
interval
bewegingsrichting
cumulatieve kans
22°
[-23°,67°]
van West-Noord-West
naar Oost-Zuid-Oost
0,496
112°
[67°,157°]
van Noord-Noord-Oost
naar Zuid-Zuid-West
0,232
202°
[157°,247°]
van Oost-Zuid-Oost
naar West-Noord-West
0,040
292°
[247°,337°]
van Zuid-Zuid-West
naar Noord-Noord-Oost
0,232
Recent werd een verificatie van deze kansverdelingsfunctie voor de bewegingsrichting van de
buien uitgevoerd met de neerslaggegevens van een dicht pluviografennet in Tielt [Aquafin, 1998]
en op basis van radarbeelden [Willems et al., 2002b]. Uit deze verificatie blijkt een verschuiving
van de mediaan van West-Noord-West naar West-Zuid-West [Willems et al., 2002b]. Dit duidt
aan dat er ook op deze kansverdeling nog een onzekerheid aanwezig is en dat de verdeling
eventueel gecorreleerd kan zijn aan de locatie. Omwille van deze onzekerheid kan men
gemiddeld gezien werken met bewegingsrichtingen overeenkomstig de hoofdwindrichtingen met
gewichtsfactoren zoals weergegeven in tabel 29.
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
204
Tabel 29 : Gemiddelde gewichtsfactoren voor de bewegingsrichting van buien
in het geval van 4 klassen.
bewegingsrichting
gewichtsfactor wi
van West naar Oost
0,50
van Noord naar Zuid
0,23
van Oost naar West
0,04
van Zuid naar Noord
0,23
Uit [Willems, 2000] blijkt ook de volgende cumulatieve kansverdeling G(u) voor de
voortbewegingssnelheid u van de neerslag over een afstromingsgebied (figuur 119) :
   τ
u
G( u ) = 1 − exp  −   
(51)
  β 


Dit is een (super-exponentiële) Weibull verdeling met als parameters : $ = 0,7 km/min en
J = 2,36. De mediaan is dan 0,6 km/min of 10 m/s.
0.009
kans
0.008
0.007
0.006
0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
voortbewegingssnelheid (m/s)
Figuur 119 : Kansverdeling van de voortbewegingssnelheid van buien [Willems, 2000].
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
205
Met de hierboven beschreven dynamiek van de neerslag kan rekening worden gehouden, indien
simulaties kunnen worden uitgevoerd met ontwerpstormen die in verschillende richtingen over
een afstromingsgebied voortbewegen. De bewegende ontwerpstormen moeten zodanig zijn dat
in elk punt de neerslagtijdreeks overeenkomstig de uniforme ontwerpneerslag als invoer wordt
ingerekend. Dit betekent dat in elk punt de tijdsvariatie van de composietbui bij de gewenste
terugkeerperiode moet worden bekomen. Indien de bui in 1 welbepaalde richting over een
afstromingsgebied trekt, kan dit worden verwezenlijkt door een ruimtelijke bui te creëren, die in
de voortbewegingsrichting de variatie heeft van de originele composietbui en in de richting
loodrecht erop overal een identieke waarde geeft (figuur 120). Op deze manier bekomt men een
‘composietfront’ en komt in elk punt de neerslagtijdreeks overeen met de uniforme composietbui.
neerslagintensiteit
(mm/h)
bewegingsrichting
Figuur 120 : Visualisatie van een composietfront [Vaes et al., 2002a,b,j].
De grootste uitdaging bij de toepassing van de bewegende composietfronten is de correcte
statistische verwerking van de simulatieresultaten. Men kan niet eenvoudigweg per
terugkeerperiode een gemiddelde maken van de debieten uit de verschillende simulaties voor de
verschillende bewegingsrichtingen. Indien een reeks (n) simulatieresultaten met elk een zekere
kans (gewichtsfactor) bekomen is (1 resultaat per windrichting), kan de globale kans worden
berekend dat een bepaald debiet (of piëzometrische hoogte) zich voordoet. De globale
terugkeerperiode T van een debiet of waterhoogte in een bepaald punt kan berekend worden op
basis van de terugkeerperiodes Ti van elk van de (n) individuele simulaties bij hetzelfde debiet
of dezelfde waterhoogte (bij gelijke kans voor alle n simulaties) (i = 1 tot n) :
1
1 n 1
=
(52)
∑
T
n i =1 Ti
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
206
Indien men rekening houdt met verschillende gewichtsfactoren wi (verschillende kans voor
verschillende simulaties) wordt dit :
n w
n
1
= ∑ i
met
(53)
∑ wi = 1
T
i =1 Ti
i =1
De gewichtsfactor wi komt hierbij overeen met de geïntegreerde waarde, over het domein
waarvoor simulatie i representatief is, uit de kansverdelingen voor de richting en snelheid
(bijvoorbeeld tabel 29).
Dit betekent dat men niet enkel simulatieresultaten nodig heeft voor de verschillende
windrichtingen, maar ook voor een brede variatie aan terugkeerperioden om de bovenstaande
interpolatie mogelijk te maken. In figuur 121 wordt de betekenis van deze interpolatie
geïllustreerd (voor n = 2). Deze formules gaan ervan uit dat alle (n) beschouwde gevallen
onafhankelijk zijn, wat zo kan worden beschouwd voor de simulatieresultaten voor verschillende
buien met verschillende voortbewegingsrichtingen.
3
debiet Q (m /s)
30
scenario 1
25
scenario 2
20
Q
15
10
5
T1
0
0
5
10
15
20
T2
T
25
30
35
40
45
50
terugkeerperiode T (jaar)
Figuur 121 : Visualisatie van de berekening van de terugkeerperiode T voor het debiet
bij een combinatie van twee simulaties.
Om de bewegende composietfronten te kunnen simuleren, kunnen de tijdreeksen van de gewone
composietbuien gebruikt worden, maar met een tijdverschuiving afhankelijk van de locatie in het
rioolstelsel.
Hiertoe worden voor een brede variatie aan terugkeerperioden,
voortbewegingssnelheden en voortbewegingsrichtingen ruimtelijke composietfronten
gegenereerd en gesimuleerd. Voor de praktische uitwerking en toepassing wordt verwezen naar
[Vaes et al., 2002a,b,j].
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
207
Uit de vergelijking van de resultaten van de simulaties enerzijds met de uniforme originele
composietbui en anderzijds de combinatie van de bewegende composietfronten blijkt dat er een
significante invloed kan zijn op de hydraulische parameters [Vaes et al., 2002a,b,j]. Voor het
getest rioolstelsel zijn meer knopen en leidingen waarin de debieten en waterhoogten significant
toenemen dan deze waar ze afnemen (het valt te verwachten dat dit een algemene tendens is,
ook voor andere rioolstelsels, omdat een riool dat onder druk komt gevoeliger is voor variaties
in inloopdebiet). Verder blijken vooral voor reeds kritieke locaties de stijging van de
piëzometrische hoogte belangrijk, omdat deze locaties meestal vrij gevoelig zijn voor een
toename van het debiet. Bij grotere terugkeerperioden worden de verschillen in piëzometrische
hoogte in het algemeen groter, omdat meer leidingen onder druk komen en omdat leidingen die
onder druk stromen meer gevoelig zijn voor een toename in debiet.
De verschillen tussen de uniforme neerslag enerzijds en de bewegende neerslag anderzijds
kunnen zeer groot zijn voor individuele buien, zeker indien deze buien relatief traag over een
rioleringsgebied trekken in de hoofdafstromingsrichting. Voor de hele waaier aan buien die
kunnen voorkomen met verschillende voortbewegingsrichtingen en -snelheden, worden de
verschillen uitgevlakt. Toch blijft er een significante invloed van de hoofdafstromingsrichting
op de hydraulische parameters. Rioolstelsels met een hoofdafstromingsrichting in de buurt van
de overheersende windrichting bij regenweer zullen over het algemeen ondergedimensioneerd
zijn wanneer het dynamisch effect van de neerslag wordt verwaarloosd. Ook voor andere
rioolstelsels kan er voor heel wat leidingen een systematische afwijking zijn op de hydraulische
parameters bij het gebruik van uniforme neerslag.
Om te vermijden dat simulaties moeten worden uitgevoerd voor alle verschillende
voortbewegingssnelheden, kan gewerkt worden met een representatieve voortbewegingssnelheid
van 8 m/s [Vaes et al., 2002a,b,j]. Deze snelheid is lager dan de mediaan van 10 m/s, omdat trage
buien een belangrijker aandeel hebben in het globale resultaat dan snelle buien. Het verschil
tussen de representatieve voortbewegingssnelheid en de gemiddelde stroomsnelheid (grootteorde
van 1 m/s) in rioolstelsels is voldoende groot om de representativiteit van deze
voortbewegingssnelheid van 8 m/s te veralgemenen voor alle rioolstelsels in Vlaanderen.
Het simuleren van 4 buien (respectievelijk in de hoofdafstromingsrichting, tegengesteld aan de
hoofdafstromingsrichting en de twee richtingen loodrecht hierop) blijkt voldoende nauwkeurige
resultaten op te leveren om het effect van de bewegende neerslag te begroten [Vaes et al.,
2002a,b,j]. Deze inschatting vereist dus slechts 4 simulaties per terugkeerperiode.
Er kan dus worden besloten dat een scenario-analyse met betrekking tot de ruimtelijke dynamiek
van extreme buien vandaag de dag reeds haalbaar is door in vier verschillende richtingen met een
snelheid van 8 m/s de composietbuien over het rioolstelsel te laten voortbewegen. Een dergelijke
scenario-analyse wordt zeker aanbevolen voor rioleringen waarvan een hoofdafstromingsrichting
van West naar Oost is gericht.
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
208
4.6 Simulatie van tijdreeksen
4.6.1 Mogelijkheden
In heel wat landen worden geregeld tijdreeksen gebruikt voor het hydrodynamisch simuleren van
riolen. Een groot nadeel hierbij is de grotere rekentijd. Vandaar dat dit vooral wordt gebruikt
als extra en finale verificatie. Bij een goed gebruik levert het gebruik van tijdreeksen meestal
nauwkeurigere simulatieresultaten op. Toch zijn er heel wat valkuilen bij het gebruik van
tijdreeksen. Zeer belangrijk is dat men werkt met representatieve tijdreeksen. Er zijn drie
alternatieven in gebruik :
S
Ten eerste kan men een continue lange termijn reeks simuleren. Deze reeks moet voor ons
klimaat minimaal een lengte van een drietal decaden hebben om representatief te zijn.
Hoe langer de reeks is, hoe kleiner de kans wordt op een verkeerde extrapolatie van de
resultaten bij hoge terugkeerperioden. De hiervoor benodigde rekentijd is vandaag de dag
reeds haalbaar voor kleine rioolstelsels met niet te veel hydraulische structuren.
Wanneer het rioolstelsel veel hydraulische structuren bevat, kan de rekentijd sterk oplopen
[Vaes, 1999; Vaes & Berlamont, 1999b, 2000c].
S
Ten tweede kan men een selectie maken van de representatieve korte tijdreeksen uit de
lange termijn tijdreeks. Hierbij is het van groot belang dat de selectie gebeurt op basis van
de systeemeigenschappen van het rioleringssysteem dat men wenst te modelleren.
Dit heeft tot gevolg dat een eenduidige selectie van korte tijdreeksen die voor alle
rioolstelsels geldt, niet voor de hand ligt [Vaes, 1999]. Voor het ontwerp van riolen
waarvoor enkel de extreme buien van belang zijn, is een beperkte selectie nog enigszins
mogelijk, maar een uitgebreider toepassingsdomein zal zijn invloed hebben op de
uitgebreidheid van de selectie.
S
Ten derde wordt er in enkele landen in bepaalde gevallen gewerkt met een ‘representatief
jaar’ [FWR, 1998; Savart et al., 1996]. Hierbij wordt er echter zelden voldoende verklaard
waarvoor deze tijdreeks representatief is. Een simulatie met een dergelijke tijdreeks zonder
correlatie met extreme waarden extrapolaties is zinloos en zelfs indien er een dergelijk
verband gespecifieerd is, is de betrouwbaarheid van dergelijke simulaties vanuit statistisch
standpunt bekeken hoogst twijfelachtig. Dit laatste alternatief wordt dan ook sterk
afgeraden.
Een belangrijk probleem bij het gebruik van tijdreeksen voor rioleringsberekeningen is de
statistische verwerking van de resultaten achteraf. Hiertoe dient men een extreme waarden
analyse uit te voeren voor elke parameter en elke leiding of knoop in het rioolnetwerk waar men
in geïnteresseerd is. Het spreekt vanzelf dat dit zeer veel werk vraagt en zeer omzichtig dient te
gebeuren, zoals in paragraaf 4.2 reeds werd aangegeven. Het is zeker onvoldoende om enkel een
monotone rangschikkingsmethode te hanteren (zoals bijvoorbeeld in de Nederlandse ‘Leidraad
Riolering’ [Rioned, 1999]), tenzij voor terugkeerperioden kleiner dan 1/20 van de lengte van de
gebruikte tijdreeks. Daarom kunnen tijdreeksen enkel op een praktisch haalbare manier worden
gebruikt, indien men de simulatieresultaten slechts in een beperkt aantal punten wil verwerken
ter verificatie van een ander type ontwerpberekening of om de emissies ter hoogte van
bijvoorbeeld overstorten te begroten.
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
209
Een bijkomend probleem dat bij de verwerking van de simulatieresultaten ontstaat is dat er een
verkeerde extrapolatie kan ontstaan bij rioleringssystemen met een uitgesproken niet-lineair
gedrag. Indien dit het geval is, zullen de extreme punten in de extreme waarden grafieken
afbuigen [Willems, 2000]. Bij een beperkte hoeveelheid simulatieresultaten zal deze afbuiging
niet of onvoldoende kunnen worden ingeschat tijdens de extreme waarden analyse. Dit heeft tot
gevolg dat extreme waarden systematisch verkeerd zullen worden ingeschat. Het maken van de
extreme waarden analyse op de neerslaggegevens zelf, zoals bij de IDF-relaties voorkomt dit
probleem. Een voorbeeld hiervan is het optreden van een overstroming : hierbij verandert de
relatie tussen debiet en terugkeerperiode en tussen waterhoogte en terugkeerperiode (er zal een
knik in de relaties met de terugkeerperiode te zien zijn).
Dit leidt tot het besluit dat men bij het gebruik van tijdreekssimulaties zeer voorzichtig moet zijn
met de selectie en verwerking van de tijdreeksen en dat een statistische verwerking van de
neerslag voor de simulatie (via IDF-relaties en composietbuien) in het algemeen tot meer
nauwkeurige simulatieresultaten zal leiden voor ontwerpberekeningen van rioleringen.
4.6.2 Selectie van representatieve korte reeksen voor ontwerpberekeningen in Vlaanderen
Voor de Vlaamse situatie werd reeds de selectie van representatieve neerslagreeksen voor
ontwerpberekeningen onderzocht en uitgewerkt op basis van de neerslagreeks van Ukkel [Vaes
& Berlamont, 1999b]. In figuur 122 wordt een overzicht gegeven van de gebruikte
methodologie. De methodologie start met het kiezen van de maximale buiduur waarvoor de IDFrelaties zullen opgesteld worden. Voor alle buiduren tussen 10 minuten en de maximale buiduur
(met een stap van 10 minuten) worden dan de IDF-relaties afgeleid. De tweede parameter die
gekozen moet worden is de terugkeerperiode die als ondergrens dient voor de te selecteren
neerslagreeksen. Dit betekent dat alle neerslagreeksen geselecteerd zullen worden die een
neerslagintensiteit bevatten met een terugkeerperiode groter dan of gelijk aan de gekozen
terugkeerperiode (voor één of meerdere aggregatieniveaus kleiner dan de maximale buiduur).
Op basis van deze IDF-relaties worden dan de neerslagvolumes (voor elke buiduur afzonderlijk)
bepaald die overeenkomen met de gekozen terugkeerperiode. Dit gebeurt louter op basis van de
empirische IDF-relaties, dus zonder extreme waarden analyse. Dan worden alle stukjes uit de
historische neerslagreeks gehaald, waarvoor deze ondergrens voor het neerslagvolume wordt
overschreden. Dit gebeurt voor elke buiduur individueel. Bij elk geselecteerd stukje
neerslagreeks dienen ook de bijbehorende antecedent en posteriori neerslag te worden
geselecteerd. Tenslotte worden de overlappingen tussen de verschillende stukjes neerslagreeks
weggewerkt om tot een globale set van korte neerslagreeksen te komen voor de gekozen
terugkeerperiode en de gekozen maximale buiduur. De keuze van de parameters (maximale
buiduur, terugkeerperiode en antecedent periode) zijn van cruciaal belang om de nauwkeurigheid
van de selectie te garanderen.
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
210
historische neerslagreeks Ukkel
1967 - 1993, tijdstap = 10 minuten
keuze maximale buiduur
= bovengrens voor selectie
opstellen IDF-relaties
buiduren : 10 minuten tot maximale buiduur
keuze terugkeerperiode
= ondergrens voor selectie
bepalen grenswaarden voor neerslagvolumes
= ondergrens voor selectie per buiduur
selectie neerslagreeks met overschrijding grenswaarde
per buiduur
keuze antecedent periode
= bovengrens voor selectie
bepaling antecedent en posteriori condities
voor elke geselecteerde neerslagreeks
wegwerken van overlappingen tussen neerslagreeksen
en samenvoegen aangrenzende neerslagreeksen
wegschrijven van neerslagreeksen
1 file per reeks
Figuur 122 : Schematische voorstelling van de methodologie voor de selectie van
representatieve korte neerslagreeksen voor ontwerpberekeningen [Vaes & Berlamont,
1999b].
De keuze van de terugkeerperiode is in eerste instantie gebaseerd op de terugkeerperiode
waarvoor de ontwerpberekening moet gebeuren. Aangezien voor de terugkeerperiode een
ondergrens moet gespecifieerd worden, kunnen dan automatisch ook hogere terugkeerperioden
bestudeerd worden. Er zijn een aantal mogelijke oorzaken van onzekerheid op de
terugkeerperiode, namelijk : een eventuele onzekerheid op het selectie-instrument (zijn de
IDF-relaties representatief voor de beschouwde fenomenen ?), de variabiliteit van de extreme
neerslaggebeurtenissen en de interactie met de voorafgaande neerslag. Hiertoe is het nodig om
de ondergrens voor de terugkeerperiode ietwat lager te kiezen dan deze waarvoor men de
fenomenen wil bestuderen. De onzekerheid hangt samen met de vraag of hiermee ook werkelijk
die neerslagreeksen worden geselecteerd die tot de te bestuderen extreme gebeurtenissen leiden.
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
211
In principe dient bij ontwerpberekeningen de maximale buiduur gekozen te worden groter dan
of gelijk aan de maximale concentratietijd die zich in het rioolstelsel voordoet. Indien men een
veralgemeende set van korte tijdreeksen wenst te selecteren, moet een bovengrens voor de
maximale buiduur worden gekozen die algemeen toepasbaar is, omdat de maximale
concentratietijd verschilt van rioolstelsel tot rioolstelsel. Om rekening te houden met de
onzekerheden bij de bepaling van de kritieke IDF-relaties voor een rioleringssysteem, wordt de
maximale buiduur best iets groter gekozen dan de concentratietijd van het rioleringssysteem.
De antecedent condities zijn nodig om een goede inrekening te krijgen van de initiële vulling van
het systeem op het moment dat een kritieke bui zich voordoet. Hiertoe wordt voorafgaand aan
de geselecteerde neerslag een periode neerslag geselecteerd die ervoor moet zorgen dat het
uiteindelijke effect van de kritieke bui gesimuleerd met de historische neerslagreeks en met de
korte neerslagreeks hetzelfde is. Door de antecedent condities gelijk te nemen aan de maximale
leeglooptijd van het rioleringssysteem, bekomen we een goede initiële schatting voor deze
antecedent condities. De maximale antecedent periode wordt best iets groter gekozen dan de
maximale leeglooptijd van het rioleringssysteem, zodat er enige veiligheid wordt ingebouwd.
De posteriori condities kunnen gekozen worden in functie van de kritieke neerslagfenomenen.
Dit betekent dat het volstaat om de posteriori condities gelijk te kiezen aan de maximale
concentratietijd, zodat het volledige effect van een bui over een kritieke buiduur kan
waargenomen worden. Indien men echter het volledige effect van de buffering in het systeem
wil bestuderen, dient men toch de posteriori periode gelijk te nemen aan de leeglooptijd van het
rioleringssysteem.
In tabel 30 worden enkele voorbeelden getoond van mogelijke selectiecriteria en de invloed ervan
op de reductie van de neerslaginvoer. Hierbij moet wel opgemerkt worden dat de reductie van
de neerslaginvoer niet leidt tot een evenredige reductie van de rekentijd, omdat het aantal iteraties
bij hevige neerslag vaak veel groter is dan bij minder hevige neerslag of tijdens droog weer
periodes die niet worden weerhouden. Bovendien zal deze reductie van de rekentijd minder
uitgesproken zijn voor complexe rioolstelsels met veel hydraulische structuren (tabel 31)
[Vaes, 1999].
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
212
Tabel 30 : Enkele voorbeelden van mogelijke selectiecriteria voor sets van korte
representatieve neerslagreeksen en de invloed ervan op de reductie van de neerslaggegevens.
terugkeerperiode
(jaar)
maximale
buiduur
(uren)
antecedent
periode
(uren)
totale duur
korte reeksen
(dagen)
fractie van de
totale reeks
(%)
1
12
24
124
13
15
12
24
93
9
2
24
24
107
11
1
6
24
86
9
15
6
24
63
6
1
6
12
58
6
15
6
12
42
4
2
12
12
51
5
Tabel 31 : Rekentijd voor een set van geselecteerde korte neerslagreeksen met een totale duur
van 51 dagen voor drie verschilldende rioleringssystemen [Vaes, 1999].
rekentijd
per dag
neerslaginvoer
en per 1000
knopen
Type
rioolstelsel
aantal knopen
totale rekentijd
rekentijd
per dag
neerslaginvoer
complex,
verschillende
pompstations
476
6,8 uren
8,0 minuten
16,8 minuten
inclusief RWZI
(hydraulisch)
341
2,8 uren
3,3 minuten
9,7 minuten
eenvoudig,
1 pomp
57
18 minuten
0,36 minuten
6,3 minuten
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
213
4.7 Resterende onzekerheden
Ondanks de grote inspanningen die er reeds geleverd zijn op gebied van het karakteriseren van
de neerslag en het verwerken ervan voor rioleringsberekeningen, blijven er nog verschillende
bronnen van onzekerheden een belangrijke rol opeisen bij rioleringberekeningen. Uit het
onderzoek van Willems [2000] blijkt dat 30 tot 50 % van de totale onzekerheid op de
afvoervolumes te wijten is aan de neerslaginvoer. Voor piekdebieten kan dit nog hoger zijn.
Naast de onzekerheid op de tijdsvariatie die vooral te wijten is aan de beperkte beschikbaarheid
van neerslagmetingen (in termen van lengte van de tijdreeksen), zijn de belangrijkste bronnen
van onzekerheid in de neerslaginvoer de neerslagmeting en de ruimtelijke variatie van de
neerslag. In de paragrafen 4.4 en 4.5 werd reeds aangegeven hoe deze ruimtelijke variatie
gemiddeld gezien kan worden ingerekend. Toch blijft er ook dan nog een significante
onzekerheid over ten gevolge van de ruimtelijke variatie van de neerslag. De onzekerheden op
de neerslagmeting omvat twee aspecten. Enerzijds is er de systematische afwijking van
pluviografen en anderzijds zijn er de windeffecten. Onderzoek toont aan dat pluviografen
(zowel met kantelbakjes als met hevel) systematisch een onderschatting maken van de grote
neerslagintensiteiten [Vaes et al., 2000a; Luyckx & Berlamont, 2001, 2002]. Met enkele tests
kan deze afwijking worden begroot. Dit laat toe om de geregistreerde metingen te corrigeren
[Luyckx & Berlamont, 2001]. Vandaag de dag zijn echter noch de kalibratietests noch de
correcties van de metingen standaard praktijk, alhoewel deze systematische afwijkingen met een
beperkte inspanning sterk kunnen worden gereduceerd. De windeffecten zijn veel moeilijker te
begroten en in te rekenen. Braak [1945] schatte de invloed in op basis van metingen als 1 %
afwijking per m/s windsnelheid bij meting op 0,5 m boven het maaiveld. Hierbij is vooral de
positionering in de hoogte van belang. Metingen op maaiveldniveau leveren bijna geen
afwijkingen op ten gevolge van de wind. Daarom is het best om pluviografen in te graven (dit
wil zeggen ontvangoppervlak gelijk met het maaiveld). Indien dit niet kan en worden ze best op
maaiveldniveau geïnstalleerd. Een speciaal windscherm kan de afwijkingen verminderen
[Demarée, 1990]. De windsnelheid en de turbulentie rond een pluviometer wordt ook bepaald
door omgevingsfactoren zoals bomen en huizen in de buurt.
Deze opsomming is niet noodzakelijk volledig.
Het is een momentopname van
wetenschappelijke inschatting op het ogenblik van het opmaken van deze studie. Van alle
onzekerheden is de totale onwetendheid de belangrijkste : er zijn heel wat zaken waarvan we niet
weten dat we ze niet weten [Harremoës, 2003; Vaes, 2003].
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
214
4.8 Ontwerpneerslag in het buitenland
In Nederland worden ook synthetische ontwerpbuien gebruikt [Rioned, 1999]. Deze zijn op basis
van zeer rudimentaire principes opgesteld. Deze ontwerpbuien voldoen niet aan de IDF-relaties
van De Bilt [Vaes et al., 2002f,i], welke toch als representatieve locatie kan worden aanzien voor
de neerslag in heel Nederland. Voor kleine concentratietijden worden de terugkeerperioden
onderschat (intensiteiten overschat) en voor enigszins grotere concentratietijden worden de
terugkeerperioden overschat (intensiteiten onderschat). De IDF-relaties van De Bilt en Ukkel
verschillen niet significant van elkaar [Vaes et al., 2002f,i], wat bevestigt dat het neerslagklimaat
in Nederland en Vlaanderen gelijkaardig is.
Samen met de T.U.Delft werd door de K.U.Leuven voorgesteld om de huidige Nederlandse
ontwerpbuien te vervangen door composietbuien [Vaes et al., 2002f,i].
Daarnaast wordt er ook een reeksberekening voorzien in de Leidraad Riolering, vooral ter
berekening van de overstortemissies [Rioned, 1999]. De volledige reeks van 25 jaren van De Bilt
(1955-1979) kan als representatief worden aanzien, maar de kortere reeks van 10 jaren die vooral
wordt gebruikt, lijkt te kort om representatief te kunnen zijn. Bovendien wordt er in de Leidraad
Riolering enkel een monotone rangschikkingsmethode naar voor geschoven voor de interpretatie
van de simulatieresultaten [Rioned, 1999]. Dit geeft slechts betrouwbare resultaten voor
terugkeerperioden tot ongeveer 1/20 van de totale lengte van de neerslagreeks en is dus voor de
analyse van de extreme gebeurtenissen totaal onbetrouwbaar (zie ook paragraaf 4.2).
De aanpak op gebied van het gebruik van neerslaginvoer voor modelleringstoepassingen zoals
deze door het Laboratorium voor Hydraulica van de K.U.Leuven werd uitgewerkt in de voorbije
jaren is in hoofdzaak afgeleid van de aanpak in Denemarken [Harremoës et al., 1984; Arnell et
al., 1984; Mikkelsen et al., 1998; Arnbjerg-Nielsen et al., 2000]. Er wordt in Denemarken een
differentiatie gemaakt tussen het gebruik van enerzijds composietbuien (CDS = Composite
Design Storms) voor de meeste ontwerpberekeningen en anderzijds het gebruik van tijdreeksen
vooral voor impactberekeningen [Arnbjerg-Nielsen et al., 2000]. Daarnaast wordt er vooral
aandacht besteed aan de regionale verschillen in IDF-relaties [Madsen et al., 1997; ArnbjergNielsen et al., 2000] en in bijbehorende composietbuien.
In Groot-Brittannië worden veelal synthetische buien gebruikt [HRW, 1983; Rainey & Osborn,
1991a; WS, 1992b]. Omwille van de significante verschillen in neerslagklimaat bestaan er aparte
buien voor de verschillende streken in Groot-Brittannië. Deze buien zijn niet opgesteld op basis
van IDF-relaties en er is geen controle met IDF-relaties terug te vinden. Toch zitten er elementen
in de analysetechniek die zeer dicht aanleunen bij de IDF-relaties en ook de vorm van de buien
komt dicht in de buurt van de Vlaamse composietbuien. Deze buien werden standaard
meegeleverd bij de rioleringssoftware Spida [WS, 1992a] van waaruit ze ook in Vlaanderen
werden toegepast [Aquafin, 1992]. Dit leidde in de begin jaren ‘90 echter tot een onderschatting
van de neerslag in Vlaanderen omdat het neerslagklimaat van de uitgekozen Engelse zone
(Zuid-Oost Engeland) niet helemaal overeenkomt met dit in Vlaanderen [Vaes & Berlamont,
1993, 1998a, 1999a,e]. Ook de aanpassing van deze synthetische Engelse buien voor de Vlaamse
situatie [WS, 1994; Aquafin, 1994] aan de IDF-relaties van Demarée [1985] leidde niet tot veel
verbetering [Vaes & Berlamont, 1998a, 1999a,e].
Daarnaast wordt ook een representatieve tijdreeks van 1 jaar naar voor geschoven [FWR, 1998;
Rainey & Osborn, 1991b]. In paragraaf 4.6 werd de beperkte relevantie van een dergelijk
representatief jaar reeds besproken.
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
215
Ook in Frankrijk is er onderzoek gedaan naar een representatieve tijdreeks van 1 jaar, zoals al
in paragraaf 4.6 werd besproken [Savart et al., 1996]. Het is echter onduidelijk of dit ook in de
praktijk wordt gebruikt. In het softwarepakket Hydroworks (Wallingford Software,
Groot-Brittannië) zit er een Franse neerslaggenerator gebaseerd op het werk van Desbordes
[WS, 2001a]. De gegenereerde synthetische buien zijn gebaseerd op IDF-relaties. Er worden
echter geen composietgebeurtenissen gebruikt, maar aparte buien per buiduur met een
rechthoekig of dubbel driehoekig profiel [WS, 2001a]. Er wordt wel bij vermeld dat deze vorm
nooit is onderzocht en dus arbitrair is gekozen. De IDF-relaties zijn regionaal, waarbij Frankrijk
is opgedeeld in drie zones (Noord, West en Zuid-Oost). Het is niet bekend hoe algemeen dit type
ontwerpneerslag wordt gebruikt.
In de Verenigde Staten van Amerika (VSA) worden ook composietbuien gebruikt, gebaseerd op
IDF-relaties, maar wel met een zekere scheefheid [WS, 2001a]. De parameters van de IDFrelaties en de scheefheid worden gekalibreerd voor de regionale neerslag.
Uit deze analyse kan worden geconcludeerd dat, vele decennia na het introduceren van IDFrelaties en de daarop gebaseerde ontwerpbuien, deze aanpak nog steeds niet ingeburgerd is in
heel wat landen. Dit is hoofdzakelijk te wijten aan het gebrek aan rekenmiddelen ten tijde van
het ontwikkelen van deze theoretische achtergrond. Deze rekenmiddelen zijn er vandaag de dag
wel, maar de theoretische achtergrond is wat in de vergetelheid geraakt. De belangrijkste reden
dat hieraan weinig aandacht wordt besteed is dat in de wetenschappelijke omgeving men de
beperkingen van dergelijke ontwerpstormen beseft, namelijk dat deze enkel nauwkeurige
resultaten opleveren voor min of meer lineaire systemen [Niemczynovicz, 1984; Mikkelsen et
al., 1998]. Voor de toepassing in de dagelijkse praktijk levert het voor ontwerpdoeleinden van
rioleringen (vooral verharde oppervlakte) een voldoende nauwkeurige benadering
(zeker indachtig de overige bronnen van onzekerheden) [Vaes, 1999].
Het gemis aan standaardisatie in heel wat grotere landen is vooral te wijten aan verschillen in
neerslagklimaat binnen één land. Onder andere in Groot-Brittannië, Frankrijk, Denemarken en
de VSA heeft men dit opgelost door een aantal parameters van de ontwerpbuien regionaal te laten
variëren.
Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen
216

Download Report