Abflusssteuerung des Dresdner Mischwassernetzes

Lageplan und Bauwerke

Steuerbauwerk Schaufußstraße:

Regelschieber und Absenkschütz mit automatischer Siebrechenanlage

Kanalnetz und Steuerungsbauwerke der Landeshauptstadt Dresden

Kanalnetzeinzugsgebiet

direkt beeinflusste Stauraumbereiche (56.000 m3)

2 Regenüberlaufbecken (36.000 m3)

Steuerungszentrale mit Steuerungsrechner auf der Kläranlage

Steuerungsbauwerke zur Aktivierung von Kanalstauraumvolumen

Abfangkanäle, Gebietshauptkanäle und Hauptkanäle

Nebenkanäle

Datenfluss

1 SteuerbauwerkAm Zwingerteich

2 SteuerbauwerkBallhaus Watzke

11 RegenüberlaufbeckenJohannstadt

13 Steuerbauwerk Schaufußstraße

14 Steuerbauwerk Uniklinik

12 RegenüberlaufbeckenKaditz

10 SteuerbauwerkRathenauplatz (in Planung)

9 SteuerbauwerkNeustädter Abfangkanal

8 Steuerbauwerk Krenkelstraße

7 SteuerbauwerkHerbststraße

5 Steuerbauwerk DrehbogenLeuben

6 SteuerbauwerkErfurter Straße

3 SteuerbauwerkBundschuhstraße

4 Steuerbauwerk Albertplatz (in Planung)

stellt neben dem Ausbau der Kläranlage Dresden-Kaditz eines der wichtigsten Projekte zur Gewäs-serreinhaltung der Stadtentwässerung DresdenGmbH dar. Gegenüber einer konventionellenLösung wurden dabei erhebliche Kosten einge-spart. Zudem er folgte für alle realisierten Maß-nahmen eine Verrechnung mit der Abwasser-abgabe. Dadurch konnte die finanzielle Belastungder Dresdner Bürger in doppelter Hinsicht mini-miert werden.

Die vorliegende Broschüre dokumentiert dieEntwicklung der Dresdner Abflusssteuerung vonden Voruntersuchungen seit dem Jahr 1995 biszum heutigen Realisierungsstand und ist vorrangigan interessierte Fachleute gerichtet.

Die Elbe war in der Vergangenheit hohen Belastun-gen durch Schadstoffeinträge ausgesetzt. Verur-sacht wurden diese durch das Einleiten von Ab-wasser aus Kläranlagen, Kanalnetzen und Indus-triebetrieben. Mitverantwortlich für die schlechteGewässerqualität waren die Einleitungen ungerei-nigten Abwassers aus dem Dresdner Mischwas-sernetz, die bereits bei Regenereignissen mitgeringer Intensität auftraten.

Die gesellschaftlichen Veränderungen in denneuen Bundesländern und die damit verbundenenumweltpolitischen Zielsetzungen haben seit den90er Jahren zu einer kontinuierlichen Verbesse-rung der Umwelt- und Lebensqualität geführt. DieLandeshauptstadt Dresden hat einen wesentli-chen Beitrag dazu mit dem Programm zur Reduzie-rung der Mischerwasserentlastungen geleistet.Dieses umfasst die Neuerrichtung von Misch-wasserbehandlungsanlagen und die Realisierungeiner Abflusssteuerung im Verbundbetrieb.

Mit der gewählten technischen Lösung zurMischwasserbehandlung hat die Stadtentwäs-serung Dresden GmbH innovative Ideen zumGewässerschutz aufgegriffen, gemeinsam mitden beteiligten Projektpartnern weiterentwickeltund konsequent in die Praxis umgesetzt. Dieswurde mit der Verleihung des „Goldenen Kanal-deckels“, dem Innovationspreis des Instituts fürunterirdische Infrastruktur Gelsenkirchen, anHerrn Dipl.-Ing. Thomas Wür fel auch in der Fachwelt honorier t. Die technischen Lösungenstoßen auch außerhalb der Dresdner Stadt-grenzen auf großes Interesse und kommen dortbereits im Rahmen eines Technologietransferszur Anwendung.

Der Aufbau und Betrieb der Verbundsteuerung

Vorwort

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Johannes PohlTechnischer Geschäftsführer

Gunda RöstelKaufmännische Geschäftsführerin

Schmutzstoffe. Die stofflichen Belastungen ausdem Mischsystem sollen demnach die einesTrennsystems nicht überschreiten.

Die Verschmutzung des Mischwassers resul-tiert nicht allein aus der Tatsache, dass sich häus-liches, gewerbliches und industrielles Schmutz-wasser und Regenwasser vermischen, sondernauch aus einer oft sehr hohen Belastung desRegenabflusses selbst.

Die Minimierung der Entlastungen aus demKanalnetz erfolgt im Wesentlichen durch die mög-lichst optimale Nutzung sämtlicher Speicherräumeim Kanalnetz. Dieses wird durch eine Steuerungder verschiedenen Anlagen unter Berücksichtigungsystemweiter Messdaten erreicht. Zusätzlicherfolgt eine Kontrolle der Inhaltsstoffe der gewerbli-chen und industriellen Abwassereinleitungen, sowieder Anschluss von befestigten Flächen an dezentra-le oder zentrale Versickerungseinrichtungen.

Das Dresdner Stadtgebiet wird zu 75 % im Misch-system entwässert. Das Entwässerungsgebietumfasst knapp 10.000 ha Gesamtfläche, wovonca. 1/3 versiegelt ist. Die Gesamtlänge desDresdner Kanalnetzes beträgt etwa 1.700 km.

Bei Regen kann über 118 Entlastungsbau-werke im Mischsystem (Auslässe DN 300 bis DN 3.000/2.320) Abwasser in die Gewässer,hauptsächlich die Elbe, gelangen. Je nach Größedes angeschlossenen Einzugsgebietes und Kon-struktion des Überlaufes wurden bis zu 40 Ent-lastungsereignisse pro Jahr bilanziert. Die mittlereEmissionsfracht aus dem Kanalnetz lag bei 507 kg CSB/ha befestigter Fläche. Als Mindest-forderung soll zukünftig die Unterschreitung desGrenzwertes von 250 kg CSB/ha befestigterFläche für jeden Regenüberlauf erreicht werden.Dieser Wert ist ein Äquivalent für die über Regen-kanalsysteme des Trennsystems eingeleiteten

Einleitung

Abbildung 1: Entwässerungssystem der Stadt Dresden

2

Kläranlage Dresden-Kaditz

Entwässerung im Mischsystem

Entwässerung im Trennsystem

HauptkanäleStadtgrenzeElbe

Begriffserläuterungen: Emission Als „Emission“ wird das Einleiten von Stoffen in ein Oberflächengewässer bezeichnet. Die „Emissionsquelle“ ist indiesem Zusammenhang das Mischwassernetz, bei welchem Abschläge ungereinigten Mischwassers (Entlastungen) austechnischen und wirtschaftlichen Gründen systembedingt, d. h. unumgänglich sind. Die Gewässerbelastung wird durch dieeingetragenen Schmutz- und Schadstoffe, deren Art, Menge und Konzentration sowie die Dauer und Häufigkeit der Einlei-tung bestimmt.CSB Die Regel der Technik ist es, als allgemeinen Indikator für die Verschmutzung den „chemischen Sauerstoffbedarf(CSB)“ heranzuziehen. Das Nachweiskriterium ist die durch rechnerische Ermittlung bilanzierte CSB Entlastungsfracht, die imlangjährigen Mittel in das Gewässer gelangt.

Mit dem Begriff „Abflusssteuerung“ werden lautdem Entwurf des DWA M-180 (Handlungsrahmen zurPlanung von Abflusssteuerung in Kanalnetzen) plan-mäßige Eingriffe in die Abfluss-, Speicherungs- undEntlastungsvorgänge innerhalb eines Kanalisations-systems bezeichnet. Synonym hierfür können auchdie Begriffe „Kanalnetzsteuerung“, „Kanalnetzbe-wirtschaftung“ oder „Speicherraumbewirtschaftung“verwendet werden. Unter Verbundsteuerung verstehtman den aktiven Eingriff in das Abflussgeschehendes Kanalnetzes durch Steuerung unter Berücksich-tigung des Betriebszustands im gesamten Entwässe-rungssystem. Dabei werden von einem Zentralrech-ner aus die Sollwerte für die lokalen Stellgliederermittelt und dorthin übertragen. Diese Bewirtschaf-tung hat zum Ziel, vorhandenen Speicherraum inner-halb des Systems durch gezielte Steuerung optimalauszunutzen und somit den Bau zusätzlicher Spei-cher zu reduzieren oder zu vermeiden.

Die konventionelle, in den letzten Jahrzehntensehr häufig angewendete Methode zur Reduzie-rung von Emissionen aus dem Kanalnetz insGewässer, ist der Bau von Regenüberlaufbeckenoder Stauraumkanälen sowie die Erhöhung derKläranlagenreinigungskapazität unter Vergröße-rung der Abflusskapazitäten im Kanalnetz.

In Dresden wurde ein neuer, innovativer Wegbeschritten, der in der letzten Zeit weltweit immermehr an Bedeutung gewinnt – die Abflusssteue-rung im Verbundbetrieb. Dabei werden 2 neuerrichtete Regenüberlaufbecken und vorhandene,bei schwachen und mittleren Regenintensitätennur teilweise genutzte Kanalvolumina zur Rückhal-tung von Mischwasser genutzt. Insgesamt werdendabei 91.200 m3 Speichervolumen bewirtschaf-tet. Die nachfolgende Grafik zeigt die prozentualenAnteile der Elemente der Dresdner Abflusssteue-rung am Gesamtspeichervolumen.

Abflusssteuerung im Verbundbetrieb

Abbildung 3:prozentuale Anteile der Elemente der DresdnerAbflusssteuerung amGesamtspeichervolumenvon 91.200 m3

Abbildung 2: Auswertung des Regel-verhaltens der Steuerarma-turen durch Ingenieure der StadtentwässerungDresden GmbH

3

4

Steuerung Nord – Phase IZiel: Entwicklung eines detaillierten Steuerungs-

konzeptes Dresden-NordInhalt: ● Detaillierte Überprüfung der steuerungsrelevanten

Randbedingungen ● Modelltechnischer Nachweis der Steuerungsregeln

Fertigstellung: 2002

Abbildung 4:Abfolge der Steuerungs-untersuchungen

Aufbau und Strategie der Verbundsteuerung

Die Planungsabfolge bis zur Inbetriebnahme nachRealisierung der Baumaßnahmen er folgte in denBearbeitungsschritten:

● Voruntersuchungen● Entwicklung detaillierter Steuerungskonzepte● Praktische Umsetzung der Abflusssteuerung

Aufgrund der Größe und Struktur des Einzugs-gebiets wurde es in die UntersuchungsbereicheDresden Ost, Dresden Nord und Dresden Westunterteilt. Für diese wurden die Steuerungsstrate-gien und die Umsetzung separat vorgenommen,

wobei die jeweiligen Untersuchungen für DresdenWest die Zusammenführung der Einzelkonzeptebeinhaltet.

Anhand der Systemskizze in Abbildung 5 wirddie Struktur des Dresdner Steuerungssystems ver-deutlicht. In die parallel zur Elbe verlaufendenAbfangkanäle, die sich vor der Kläranlage vereini-gen, binden die senkrecht dazu verlaufenden, undzu bewirtschaftenden Hauptkanäle der Teilentwäs-serungsgebiete ein. Zur Aktivierung der Kanalstau-raumvolumina sind in den Gebietshauptkanälenvor der Einmündung in die Abfangsammler Regel-organe installiert (dreieckige Symbole).

Steuerung Ost – Phase IZiel: Entwicklung eines detaillierten Steuerungs-

konzeptes Dresden-OstInhalt: ● Detaillierte Überprüfung der steuerungsrelevanten

Randbedingungen● Modelltechnischer Nachweis der Steuerungsregeln

Fertigstellung: 1998

Voruntersuchungen NetzbewirtschaftungZiel: Überprüfung der Sinnfälligkeit einer KanalnetzbewirtschaftungInhalt: ● Modellerstellung und Analyse des bisherigen Betriebsverhaltens

● Lokalisierung potentiell aktivierbarer Stauraumvolumina● Überprüfung der Möglichkeiten lokaler Steuerungsmaßnahmen● Ermittlung des Steuerungspotentials durch Aufstellung einer vereinfachten

Verbundsteuerungsstrategie Fertigstellung: 1996

Steuerung West – Phase IZiel: Entwicklung eines detaillierten Steuerungskonzeptes Dresden-West und

Zusammenführung der SteuerungskonzepteInhalt: ● Detaillierte Überprüfung der steuerungsrelevanten Randbedingungen

● Gesamtstrategische Überarbeitung und Abstimmung der Gesamtregelbasis● Modelltechnischer Nachweis der Steuerungsregeln

Fertigstellung: 2004

Steuerung Ost – Phase IIZiel: Praktische Einführung der Netzsteuerung

Dresden-OstInhalt: ● Anpassung der modelltechnisch nachgewiesenen

Regelbasis an die realen Gegebenheiten● Einrichtung der Verbundsteuerung und Betreuung

der Testphase● Ersteinweisung und Schulung der Mitarbeiter

Fertigstellung: 2002

Steuerung Nord – Phase IIZiel: Praktische Einführung der Netzsteuerung Dresden-

Nord unter Berücksichtigung des Steuerungs-bereichs Dresden-Ost

Inhalt: ● Anpassung der modelltechnisch nachgewiesenen Regelbasis an die realen Gegebenheiten

● Einrichtung der Verbundsteuerung und Betreuung der Testphase

Fertigstellung: 2005

Steuerung West – Phase IIZiel: Praktische Einführung der Netzsteuerung Dresden-West unter Berücksichti-

gung der sonstigen SteuerungsbereicheInhalt: ● Anpassung der modelltechnisch nachgewiesenen Regelbasis an die realen

Gegebenheiten● Inbetriebnahme der Gesamtverbundsteuerung und Betreuung der Testphase

Fertigstellung: voraussichtlich 2006

Entwicklung detaillierter Steuerungskonzepte

Praktische Umsetzung der Abflusssteuerung

tungen an den Zentralen Leitrechner auf der Klär-anlage angebunden. Mit diesem gekoppelt ist derSteuerungsrechner, auf dem unter Verwendungeiner Regelbasis die systemweiten Messwerte zuSteuerungsentscheidungen für die Regeleinrich-tungen verarbeitet werden.

Das Prinzip der Bewirtschaftung von Kanälenbasiert auf einem Einstau von Mischwasser durch Abflussdrosselung mittels Regelorganen.

Oberhalb der Regelorgane sind in den Stau-raumkanälen und darüber hinaus an kritischen Ge-ländetiefpunkten sowie Entlastungsanlagen Was-serstandsmessstellen (Kreise) angeordnet. Be-standteil des Steuerungssystems sind des Weiterenzwei zentrale Regenüberlaufbecken (Quadrate).

Sämtliche Mess- und Steuerstellen sind zur Über-mittlung von Mess- und Sollwerten über Datenlei-

Abbildung 5:Systemskizze des gesteuer-ten Entwässerungssystems

Abbildung 6:Schematische Darstellungder Komponenten undDatenübertragungswegeder Abflusssteuerung

5

WehrMessstelleSteuerstelle

Kläranlage

BeckenAbfangkanalFließrichtung

ZieleDie wesentlichen Ziele, die durch die Abfluss-steuerung ver folgt werden sollen, sind in derAbbildung 10 dargestellt. Verschiedene Anforde-rungen konkurrieren dabei. Die Aufrechterhaltungbzw. Verbesserung des Entwässerungskomfortsist allen qualitativen und wirtschaftlichen Zielenübergeordnet. Die Regelbasis wurde danach nachqualitativen, betrieblichen und wirtschaftlichenAspekten optimiert.

Als Regelorgane kommen hauptsächlich Platten-schieber und verfahrbare Wehrschwellen zum Ein-satz. Der Längsschnitt (oben links) zeigt ver-einfacht die auf diese Weise gegenüber einemungedrosselten Abfluss (grün) erzeugte zusätzlicheStaulamelle (orange). Der Lageplan (oben rechts)zeigt das Ausmaß der Rückstauwirkung (orange)im Kanalnetz des Teileinzugsgebietes (grün).

Bei der Größe des Dresdner Kanalnetzes mitbewirtschafteten Kanalbereichen sind komplexeFließprozesse und die langen Entleerungszeitenzu beachten. Eine optimale Nutzung der zur Verfü-gung stehenden Speicherräume ist damit nurdurch die Auswertung aller systemweit erhobenenInformationen möglich. Insbesondere bei einerungleichmäßigen Niederschlagsverteilung imStadtgebiet ist eine optimale Ausnutzung der zurVer fügung stehenden Speicherräume nur durcheine Verbundsteuerung zu erreichen.

Zur Verwirklichung einer Verbundsteuerung mitden vorgesehenen Regelorganen des DresdnerKanalnetzes war es notwendig, die aus Überlegun-gen und Betriebserfahrungen gewonnenen Ergeb-nisse in situationsgerechte Steuerungsentschei-dungen für die Regelorgane umzusetzen.

Abbildungen 7/8: Längsschnitt durch einen bewirtschafteten Kanal und von der Abflusssteuerung beeinflusster Stadtbereich am Beispiel des Teilentwässerungsgebietes VII – Regelorgan Schaufußstraße (13)

Abbildung 9: Regelorgan Schaufuß-straße – Absenktechnik mit Siebrechenanlage

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Abbildung 10: Wertung wirtschaftlicherund qualitativer Ziele einerBewirtschaftungsstrategie

Elbe

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Vom Modell in die betriebliche Praxis

len an den Steuerungsrechner übertragen. Dortwerden diese Größen vom Regelinterpreter zuSollwerten für die Regelelemente des realenSystems verarbeitet und zum Leitrechner über-tragen.

Nach einer Inbetriebnahme sämtlicher Steu-erstellen wird der Betrieb der Verbundsteuerungvollautomatisch er folgen. Dies ist für Teilberei-che bereits jetzt der Fall. Das System arbeitetweitestgehend selbstständig. Die getroffenenSteuerungsentscheidungen werden regelmäßigkontrollier t und analysier t. Bei sich änderndenRandbedingungen ist eine Anpassung der Regel-basis jederzeit möglich.

Modelltechnische UntersuchungenGrundlage für die Verbundsteuerung ist dieSteuerungsstrategie in Form von Steuerungsre-geln. Diese Steuerungsregeln beschreiben dieAbhängigkeiten zwischen Systemzuständen, d. h.Wasserstände, Durchflüsse, etc. und Steue-rungseingriffen, d. h. Schieberstellungen, Pum-penleistungen, etc. Die Regelbasis umfasst ca.800 verbal formulier te Einzelregeln. Die Aufstel-lung und fortlaufende Verbesserung der Regelba-sis mit Hilfe eines hydrodynamischen Schmutz-frachtmodells (HYSTEM-EXTRAN-GÜTE) er folgt inVerbindung mit dem Steuerungsmodell ITWH-CONTROL (Abbildung 11).

Die modelltechnischen Untersuchungen zurAufstellung der Regelbasis wurden mit dem Zielder Nachweisführung, einer störungsfreien Über-tragung in die Betriebspraxis und zur Betrachtungvon Sonderfällen vorgenommen.

In der Abbildung 12 sind anhand der Regen-spendenlinie sowie der Ganglinien der Wasser-stände (blau) Wasserstände und Durchflüsse im Stauraumkanal Bundschuhstraße die Auswir-kungen einer Verbundsteuerung exemplarisch dar-gestellt. Die rote Kurve repräsentiert das Reten-tionsverhalten ohne, die grüne Kurve mit Verbund-steuerung.

Durch Steuerungsbefehle wird die Drossel-menge (grüne Linie) im Vergleich zur konstantenAbflussdrosselung (rot) variier t. Dies führt zueiner Anhebung des Wasserspiegels im Hauptka-nal über einen deutlich längeren Zeitraum undsomit zu einer stärkeren Rückhaltung von Misch-wasser im Kanal. Dies führt zur Reduzierung vonMischwasserentlastungen in unterhalb gelege-nen Bereichen des Kanalnetzes. Am Ende desRegenereignisses wird das Wasser der Klär-anlage zugeleitet.

Umsetzung in die betriebliche PraxisNach intensiver modelltechnischer Entwicklungerfolgte die Umsetzung der theoretisch entwickel-ten Verbundsteuerungskonzeption in die Betrieb-spraxis. Dazu war eine Feinabstimmung der Regel-basis an die Gegebenheiten „vor Ort“ erforderlich.Die Umsetzung begann zunächst an einzelnenSteuerstellen unter kontinuierlicher Beobachtungdurch Analyse der getroffenen Steuerungsent-scheidungen. Nach erfolgreicher Testphase, gege-benenfalls mit einer Anpassung der Regelbasis,wurden Schritt für Schritt weitere Regeleinrichtun-gen in die Verbundsteuerung integriert.

Beim Einsatz unter realen Bedingungen wer-den die Steuerungsentscheidungen im Steue-rungsprogramm ITWH-CONTROL aufgrund tat-sächlicher Messwerte getroffen. Dazu werdendie realen Messwerte in vordefinier ten Interval-

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Abbildung 11: Einbindung des Regel-interpreters

Abbildung 12: Auswirkungen der Steue-rungseingriffe auf den Was-serstand im Hauptkanal(Beispiel Bundschuh-straße)

Begriffserläuterungen: Regelinterpreter Der auf der Theorie der FUZZY-LOGIK (engl.: fuzzy = unscharf) aufgebaute Regelinterpreter verarbeitetInformationen über die Systemzustände auf der Grundlage der Regelbasis. Als Ergebnis der Verarbeitung liefert der Regelin-terpreter neue Sollwerte für definierte Regelorgane.Fuzzy-Logik Fuzzy-Logik eignet sich hervorragend dazu, verbal formuliertes Wissen und Zusammenhänge auf einem Digital-rechner nachzubilden und für das Ziehen von Schlussfolgerungen oder die Analyse und Steuerung komplexer Vorgänge her-anzuziehen. Ein großer Vorteil der Fuzzy-Logik ist, dass die verwendeten Regeln so aufgebaut werden können, wie sieumgangssprachlich formuliert werden.

glieder, sowie die Störweiterleitung. Die Vorga-ben des Steuerrechners werden darüber hinausüber das Kanalnetzleitsystem an die einzelnenSteuerungen übertragen. Ausgewählte Steuer-befehle, wie z. B. der Start der Entleerung derRückhaltebecken werden erst nach manuellerBestätigungen übertragen.

Die Abbildungen 13 und 14 zeigen beispielhaftdie Prozessvisualisierung im Leitsystem.

Alle wichtigen anfallenden Daten werden imLeitsystem archiviert, auf Plausibilität geprüft undzur weiteren Nutzung für die Betriebsdatenauswer-tung bereitgestellt. Damit ist eine lückenloseDokumentation aller Bewirtschaftungsereignisseund Einstauvorgänge jedes Bewirtschaftungsberei-ches möglich. Die Berichterstattung gegenüberder Wasserbehörde er folgt im Rahmen des jährli-chen Eigenkontrollberichts.

Das zentrale Leitsystem für die Verbundsteuerungdes Mischwassernetzes befindet sich auf der Klär-anlage Dresden-Kaditz. Es basiert auf dem 1995begonnenen, zusätzlich zur Leittechnik der Klär-anlage Kaditz installierten, separaten Kanalnetz-leit- und Sonderbauwerküberwachungssystem unddient der Überwachung, Steuerung und Bewirt-schaftung aller im Kanalnetz vorhandenen Son-derbauwerke wie Pumpwerke, Rückhaltebecken,Schieberbauwerke, Regenmesser, etc. Das Systembesteht im Wesentlichen aus folgenden Kompo-nenten:

● auf Windows NT 4.0 basierendem Leitrechnermit der Leitsystemsoftware Monitor Pro derFirma Schneider Electric

● einem Fernwirkkopf , bestehend aus 11 draht-gebundenen Fernwirklinien und 80 Untersta-tionen, der über ARCNET an den Leitrechner gekoppelt ist

● DMS-Knoten (Digitales Multiplex System), überModnet-1F-Protokoll seriell mit dem Fernwirk-kopf gekoppelt

● dem Steuerungsrechner mit der Steuerungssoft-ware ITWH-CONTROL

Der Datenaustausch zwischen Steuerungsrech-ner und Kanalnetzleitsystem über zwei Textdateien(Messwerte, Sollwerte) erfolgt im 5-Minuten-Takt.

In jedem Bauwerk der Kanalnetzsteuerung isteine SPS installier t, welche die Steuerung vorOrt übernimmt, um auch im Falle einer Störungder Übertragung eine ordnungsgemäße Funktionzu gewährleisten. Vom Kanalnetzleitsystem er-folgt die Überwachung der Messstellen und Stell-

Leitsystem

Abbildung 14: Leitsystemschaltbild fürRÜB Johannstadt und dasSteuerbauwerk „Uniklinik“

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Abbildung 13: Leitsystemschaltbild fürden Drehbogen Leuben

Die Bauwerke vom Typ B besitzen gegenüberTyp A die Möglichkeit einer Entlastung in den Vor-fluter bei Überschreitung der max. Stauhöhe. DieÜberwachung der Einhaltung der Stauhöhe erfolgtüber eine lokale SPS -Steuerung und beweglicheWehrschwellen. In den Bauwerken Schaufuß-straße, Ballhaus Watzke und Bundschuhstraßebefinden sich auf diesen beweglichen Wehrschwel-len zusätzlich automatische Siebrechenanlagenzur Grobreinigung des Mischwassers.

Die Wasserstandsmessungen in den Bauwer-ken der Abflusssteuerung er folgen mittels Ultra-schallmessgeräten und redundanter Druckmess-sonden. Durch die redundante Ausführung derMessstellen wird eine Vergrößerung des Messbe-reiches und damit eine höhere Sicherheit beihohen Einstauwasserständen erzielt. Bei Errei-chen eines Wasserstandes, der 90 % des Mess-bereiches der Ultraschallmessgeräte entspricht,wird nur noch die Drucksonde als alleiniger Mess-wertgeber verwendet.

Die Bauwerke zur Abflusssteuerung bestehengrundsätzlich aus folgenden Komponenten:● Drosselorgan zur Einstellung vorgegebener

Abflussmengen● Überlaufeinrichtung zur Einhaltung des vorgege-

benen Wasserstands● Messeinrichtung zur Er fassung des aktuellen

WasserstandsDie Bauwerksgestaltung wurde nach hydrauli-

schen, bautechnischen und wirtschaftlichen Ge-sichtspunkten vorgenommen. Für das DresdnerSteuerungssystem finden vorwiegend zwei Bau-werksgrundtypen Verwendung: siehe Abbildungen15/16 und 17/18.

Bei allen Bauwerken mit Ausnahme des Dreh-bogens werden für die Abflussregelungen gehäu-selose Plattenschieber mit E-Antrieben, metalli-scher Dichtung und einstellbarer Stufenrollen-keilung verwendet. Speziell für die Bauwerke vomTyp A wurde in der Stadtentwässerung DresdenGmbH ein Doppelschieber entwickelt, welcher auf-grund seiner Konstruktion ein gutes Regelverhal-ten während der Abflusssteuerung von großprofili-gen Kanälen gewährleistet.

Die Besonderheit dieser Konstruktion bestehtin dem kleinen Regelschieber, welcher an dereigentlichen Absperrplatte angeflanscht ist undaufgrund seiner bedeutend kleineren Öffnungs-fläche gute Durchflussregeleigenschaften besitzt.Diese Doppelschieber wurden so konstruiert undgefertigt, dass im Versagensfall (Schieber lässtsich auf Grund Stromausfalls o. ä. nicht automa-tisch öffnen) ein Überströmen er folgen kann.Dadurch konnte auch teilweise auf den Baukostenintensiver Überlaufbauwerke oder Bypass-leitungen verzichtet und vorhandene Schachtbau-werke genutzt werden.

Abbildung 15/16:Grundtypen der Bauwerkeder Abflusssteuerung Links:Typ ASteuerbauwerk mit integriertem Überlauf ohneEntlastungsmöglichkeit ineinen Vorfluter Rechts:Typ BSteuerbauwerk mit Entlastungsmöglichkeit in einen Vorfluter (Absenkschütze)

Abbildungen 17/18:

Links:Beispiel für Bauwerkstyp A:Doppelschieber im Neustädter Abfangkanal,2900 x 2000, mit ange-flanschten RegelschieberDN 1200, Vorderseite/Rückseite

Rechts:Beispiel für Bauwerkstyp B:Regelschieber Bundschuh-straße und Absenkschützmit automatischer Sieb-rechenanlage, Entlastungin die Elbe

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Konstruktive Grundsätze der Bauwerke

A B

KA KA

der Kanalnetzbetriebsabteilung. Kaskadenartigwerden der Altstädter und Neustädter Abfangkanalin Fließrichtung so gespült, dass die letzte Kas-kade in der Zeit der geringsten Zuflüsse dieKläranlage Dresden- Kaditz erreicht.

Messungen haben ergeben, dass in einemHaubenprofil 2.400/2.300 über eine Strecke von2 km mittlere Fließgeschwindigkeiten um 1,9 m/sdurch die Schwallspülungen entstehen. Vorteilebzw. Effekte der Schwallspülungen sind derhydraulische Transport von Ablagerungen hin zugut zugänglichen Entnahmestellen und die Ände-rung der Konsistenz vorhandener Ablagerungendurch bevorzugte Abtragung leichter, organischerSedimente. Damit verbunden sind eine geringereBildung von biogener Schwefelsäure, verringerteBetonkorrosion und letztendlich längere Lebens-dauer der Kanäle. Die bei Regenereignissen auf-tretenden Schmutzfrachten im KA-Zulauf und anden Regenüberläufen werden reduziert.

Ablauf der RegelsteuerungIm Trockenwetterbetrieb sind die Drosseleinrich-tungen vollständig geöffnet und die Überlaufein-richtung auf Höhe des maximalen Stauziels ein-gestellt. Bei Regen wird die Verbundsteuerungaktiviert und die Drosseleinrichtung auf den durchdie Steuerungseinrichtung vorgegebenen Wert ein-gestellt. Die Übernahme der Sollwertvorgabenerfolgt alle 5 Minuten. Die Einhaltung des Stau-ziels erfolgt in Abhängigkeit vom Bauwerkstyp.

Bei den Bauwerken vom Typ A ist keine Entla-stung in ein Gewässer vorhanden, die Einstellungdes Stauziels er folgt damit über die Vorgabe derDrosseleinstellung bzw. über den integriertenÜberlauf (Überströmen der Drosseleinrichtung).

Bei den Bauwerken vom Typ B erfolgt die Ein-haltung des Stauziels in der Regel durch die lo-kale Steuerung der Überlaufeinrichtung. Bei Über-schreitung des Stauziels wird der Absenkschützproportional zur Überschreitung ver fahren. Unter-schreitet der Wasserstand über einen vorgegebe-nen Zeitraum das Stauziel, wird der Absenkschützwieder in die Ausgangsposition gefahren.

Für die Bauwerke sind in der Regelbasisumfangreiche Ausfallregelungen implementiert.Diese berücksichtigen den Ausfall von einzelnenMesseinrichtungen. Bei einer Störung der Kommu-nikation zwischen Leitrechner und lokaler SPSwird ein lokaler Steuerungsbetrieb aktiviert. Gene-rell gilt, dass im Falle eines Defektes des Stel-lungsgebers des Drosselorgans die Eindrosselungsofort beendet wird.

Automatische SchwallspülungZusätzlich zur Bewirtschaftung der Mischwasser-abflüsse werden acht Schieber für die Erzeugungvon Schwallspülungen eingesetzt. Diese Schieberschließen nach einem festgelegten Regime auto-matisch und öffnen bei Erreichen der vorgegebe-nen Einstauhöhe. Dies er folgt in den Nachtstun-den außerhalb der Regelarbeitszeit der Mitarbeiter

Betrieb der Bauwerke

Abbildungen 19:SchwallspülungRegelschieber Schloßplatz

Abbildung 20:Steuerbauwerk Drehbogen Leuben

Abbildung 21:Steuerbauwerk Ballhaus Watzke – Schaltschrank

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raturen. Diese Kosten liegen unter den Unterhal-tungskosten für ein alternativ erforderliches RÜB.

Folgekosten der Abflusssteuerung, wie die er-höhte Notwendigkeit zur Beseitigung von Ablage-rungen in den eingestauten Sammlerabschnittenkönnen bisher nicht quantifiziert werden. Feststeht aber bereits nach den Erfahrungen derersten Betriebsjahre, dass keine erheblichen,negativen Einflüsse auf das Ablagerungsverhaltender Kanäle bestehen.

Kostengünstige Alternative zum NeubauDie Aktivierung vorhandenen Stauraumes ist einekostengünstige Alternative zum Neubau von Stau-volumen. Die spezifischen Kosten für die beidenRegenüberlaufbecken Kaditz und Johannstadtbetragen 700 EUR/m3 bzw. 1.400 EUR/m3. DieUnterschiede resultieren v. a. aus den unter-schiedlichen Gründungstiefen. Die spezifischenKosten der Steuerbauwerke liegen mit Ausnahmedes Pilot- und Forschungsprojekts „Drehbogen“zwischen 13 und 352 EUR/m3 (siehe auch Tabelleganz am Schluss) und damit nur bei einem Bruch-teil der Neubaukosten.

Die Gesamtbaukosten (incl. Kosten für dieObjektplanung nach HOAI) betrugen bisher ca. 40 Mio. EUR und wurden überwiegend mit der Ab-wasserabgabenverrechnung verrechnet. Der alter-native Bau von mehreren RÜB mit einem Gesamt-volumen von weiteren 56.000 m3 hätte Kostenvon ca. 60 Mio. EUR verursacht. Die Gesamtbau-kosten wären in diesem Fall auf insgesamt etwa100 Mio. EUR, also das Zweieinhalbfache der tat-sächlichen Summe, angestiegen.

Die Kosten für die konzeptionellen Voruntersu-chungen und die Aufstellung der Steuerungssoft-ware incl. Regelbasis betrugen etwa 3,5 % derSumme der Bau- und Ausrüstungsleistungen. DieBetriebskosten der Steuerbauwerke werden durchviertel- bis halbjährliche Wartungen bestimmt.Dabei er folgen jeweils Bauwerks- und Ausrü-stungsreinigung, Funktionsproben und ggf. Repa-

Wirtschaftlichkeit

Abbildung 23:Spezifische Kosten für die Herstellung von Stauräumen

Abbildung 24:RegenüberlaufbeckenKaditz – Klärüberlauf

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Darüber hinaus ist geplant, das System dem mes-stechnischen Fortschritt anzupassen und inAbstimmung mit der zuständigen Wasserbehördevon einer emissions- und mengenorientierten aufeine immissions- und gütebezogene Betriebsweiseüberzugehen. Das setzt insbesondere stabile undrobuste Online-Güte-Messgeräte voraus, die der-zeit noch nicht am Markt verfügbar sind. Des Wei-teren erscheint es sinnvoll, die entsprechendegesetzliche Grundlage vorausgesetzt, die Kläranla-gen Dresden-Kaditz in eine immissionsorientierteVerbundsteuerung einzubeziehen.

Ein weiterer qualitativer Sprung wird mit derEinführung von prognosebasierten Steuerszena-rien erfolgen. Insbesondere wird auch die Möglich-keit des Einsatzes von Daten aus Regenradarmes-sungen erwogen.

Die Fertigstellung des kompletten Verbundsteue-rungssystems er folgt mit Ausnahme von zweiSteuerbauwerken, bei denen besonders kompli-zierte bautechnische Randbedingungen vorliegen,im Jahre 2005. Ab 2001 wurden die einzelnenBauwerke zunächst lokal automatisiert in Betriebgenommen und danach in 3 Teilbereichen in dasSystem der Verbundsteuerung integriert. Damitsind die Ziele bzw. behördlichen Vorgaben für dieReduzierung der CSB-Emissionen formal erfüllt.

Die jetzt folgende Betriebsphase wird von kleineren Optimierungsaufgaben geprägt sein, diesich aus der Auswertung des Betriebsgeschehensaber auch aus veränderten Randbedingungen, wiedem Anschluss weiterer Entwässerungsgebieteergeben können.

Ausblick

Projektpartner

Abbildung 24:Neue biologische Reini-gungsstufe der KläranlageKaditz

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Zeunerstraße 3801069 Dresden Telefon +49 (0) 3 51 / 46 40 - 801Fax +49 (0) 3 51 / 46 40 - 803E-Mail info@ivi.fraunhofer.deInternet http://www.ivi.fhg.de

Impressum:Herausgeber: Stadtentwässerung Dresden GmbHScharfenberger Straße 152 ● 01139 Dresden ● www.stadtentwaesserung-dresden.deTelefon 0351 822-0 ● Telefax 0351 822-1927 ● E-Mail: pr-arbeit@se-dresden.de● Redaktion: Dipl.- Ing. Frank Männig, Stadtentwässerung Dresden, Leiter der Abt. Kanalnetzbetrieb

Dipl.- Ing. Thomas Würfel, Stadtentwässerung Dresden, Abt. KanalnetzbetriebDipl.- Ing. Martin Lindenberg, itwh GmbH Hannover, Leiter der Niederlassung DresdenDipl.- Ing. Helge Günther, itwh GmbH Hannover, Niederlassung DresdenDipl.- Ing. Andreas Jacobs, Fraunhofer Institut Verkehrs- und Infrastruktursysteme Dresden

● Fotos: Archiv SE DD, Uwe Zimmer ● Gestaltung: Holger Friebel ● Satz und Reprografie: www.waf-multimedia.de ● Druck: Lößnitz-Druck GmbH Radebeul ● Redaktionsschluss: 8. Februar 2005

Übersicht über die Bauwerke zur Stauraumbewirtschaftung

Steuerbauwerk Bauwerks- Bauwerk Ausrüstung Inbetrieb- Stauvolumen max. Profilgröße Investkosten spez. Kosten typ nahme [m3] Stauhöhe [TEUR] EUR/m3 Stauvolumen

1 Am Zwingerteich A neu errichtetes Schieberbauwerk mit quer Plattenschieber und verfahrbare Wehre (Köster) 2004 4.000 3,20 m 2.540/2.040 1.300 325verlaufendem Notüberlauf

2 Ballhaus Watzke B umgebautes Auslassbauwerk Plattenschieber (Passavant), automatischer 2004 5.000 2,67 m 2.340/2.240 250 50sowie separater Schieberschacht (Altbestand) Rechen (Edelstahl- und Metallbau Freital) und

Tauchwände

3 Bundschuhstraße B neu errichtetes, komplexes Bauwerk mit Plattenschieber und verfahrbare Wehre 2004 6.300 3,16 m 2.800/2.680 800 127Entlastung zur Elbe (Passavant) mit verfahrbarem Rechen (HST)

4 Albertplatz A in Planung in Planung 2006 1.000 1,64 m 1.600/1.600

5 Drehbogen B neu errichtetes Bauwerk mit Sonderkostruktion „Drehbogen“ 1994 1.300 1,93 m DN 1.200 2.200 1.692vorgeschaltetem Regenüberlauf (verstellbarer Rohrbogen)(Altbestand)

6 Erfurter Straße A neu errichtetes Schieberbauwerk mit quer Doppelplattenschieber (Passavant) 2002 3.000 2,07 m 2.600/2.540 204 68verlaufendem Notüberlauf

7 Herbststraße A neu errichtetes Schieberbauwerk mit quer Doppelplattenschieber (Passavant) 2003 4.500 2,58 m 2.200/2.100 250 56verlaufendem Notüberlauf

8 Krenkelstraße A Altbestand (Regulierschieberbauwerke) 2 Doppelplattenschieber (Köster) 1996 4.900 2,76 m 2.400/2.250 110 22

9 Neustädter AK A Altbestand (Zulaufschieber Kläranlage Kaditz) Doppelplattenschieber (Passavant) 2000 8.000 2,00 m 2.800/2.680 102 13(Zulauf KA)

10 Rathenauplatz B in Planung in Planung 2006 4.500 2,77 m 2.800/2.660

11 RÜB Johannstadt RÜB Neubau, Beschickung im freien Gefälle, Pumpen (KSB), Spülkippen (HST), 2001 12.000 -- -- 16.777 1.3982 Zulaufkanäle, Entleerung mit PW in Gewichtsstauklappe (HST), Absperrschieber Altstädter AK (max. 0,9 m3/s) (Köster)

12 RÜB Kaditz RÜB Neubau, Beschickung mit PW, 9 m3/s Pumpen (KSB), Spülkippen (HST) 2004 24.000 -- -- 16.800 700

13 Schaufußstraße B neu errichtetes Schieberbauwerk mit quer Plattenschieber (Passavant) und verfahrbare 1999 6.000 1,95 m 2.900/2.780 485 81und längs verlaufendem Notüberlauf Wehre mit automatischem Rechen (Edelstahl-

und Metallbau Freital)

14 Uniklinik B neu errichtetes Schieberbauwerk mit längs Plattenschieber und verfahrbare Wehre 2001 6.700 2,32 m 2.540/2.600 769 115verlaufendem Notüberlauf (Passavant)

Summe 91.200 40.047

Technische Daten der Bauwerke

Detail des Drehbogens in Dresden-Leuben

Stadtentwässerung Dresden GmbHPartner für Industrie und Kommunen● Betrieb und Instandhaltung von Wasser- und Abwasseranlagen● Planung und Bau von Wasser- und Abwasseranlagen● Technische und kaufmännische Dienstleistungen● Umweltanalytik

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