Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken

Vorlesung Wasserwirtschaftliche Modellierung

Themen:

Vorlesung 2

Modellbildung Beispiele für wasserwirtschaftliche ModelleNiederschlag-Abfluss Modelle und Grundwassermodelle

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analysieren

anwenden

verstehen

erinnern

Lehrziele der Veranstaltung

erschaffen

bewerten

… und können die Unterschiede erklären.

Sie kennen die verschiedenen wasserwirtschaftlichen Modelle …

Sie wissen, welcher Modelltyp für welche Aufgabenstellung zum Einsatz gelangt.

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Reales System

Modellierung

Modell-implementierung

modelltechnische Abbildung

Modellausgang

beobachteter

Ausgang

Kalibrierung

&

Modell-Optimierung

Computersimulation

???

Modell als Abbild der realen Welt

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Reale

Welt

Modellentwurf

Modellentwicklung

& Anwendung

Validierung

Prozess der Modellbildung I

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Modellentwurf

Validierung

Validierung des konzeptuellen Modells

Verifikation/Test

Entwicklung des konzeptuellen

Modells

Konzept. Modell

Implementierung

Modell

Simulation

Sim. Ergebnisse

Ergebnisanalyse Zielaussage

RealsystemDatenerhebung

Daten

Wissen

Problemdefinition

Zielsetzung

Hypothesen

Annahme

Reale

Welt

Modellentwurf

Modellentwicklung &

Anwendung

Validierung

operationale Validierung

D

O

K

U

M

E

N

T

A

T

I

O

N

Prozess der Modellbildung II

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schwierige Abwägung zwischen hoher Modellgüte einerseits und räumlicher / zeitlicher Aggregation andererseits

mangelnde Transparenz der Prozessabbildung

mangelnde bzw. eingeschränkte Verfügbarkeit belastbarer Daten (mit ausreichender räumlicher und zeitlicher Auflösung)

hoher zeitlicher Aufwand für die Entwicklung und Validierung

Probleme der Modellbildung

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Der Hauptanwendungsbereich der wasserwirtschaftlichen Modelle ist die Simulation von Prozessabläufen, bei denen Abflüsse, ihre Speicherung sowie der Austausch von Wassermengen in den einzelnen Kompartimenten des Wasserkreislaufs simuliert werden. (Maniak 2001):

Niederschlag-Abfluss-Modelle

Wasserbilanzmodelle

Grundwassermodelle

Bewirtschaftungsmodelle

Gewässergütemodelle

Wasserwirtschaftliche Modelle

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N-A Modelle dienen zur Simulation des Abflussregimes und beschreiben den Prozess der Abflussentstehung und Abflusskonzentration.

Dabei wird in der Regel im Modell eine Untergliederung in folgende Phasen vorgenommen:

… Abflussbildung

… Abflusskonzentration

… Speicherung

… Wellenablauf

Niederschlag-Abfluss-Modelle

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Mit dem deterministischen NA Modell NAXOS lassen sich beispielsweise folgende Aufgabestellungen bearbeiten:• Ermittlung von Bemessungshochwasser und

Nachweise für Rückhaltebecken

• Untersuchung hydrologischer Auswirkungen von Flächennutzungsänderungen und dezentralem Hochwasserschutz

• Simulation tidebeeinflusster Binnenwasserstände und –abflüsse unter Berücksichtigung künstlicher Entwässerung durch Siele und Schöpfwerke

• Ermittlung von Überflutungsschäden für Hochwasserszenarien anhand von Topographie und Schadensfunktionen

Beispiel: NAXOS

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HEC-HMS ist ein einfaches Modellierungswerkzeug zur Abbildung wasserwirtschaftlicher Systeme

Es steht als Open Source Programm zum freien Download im Internet zur Verfügung

Entwickler des Modellsystems ist das amerikanische Corps of Engineers

HEC-HMS

• Berechnung des einzugsgebietsbezogenen Abflusses als Reaktion auf Niederschlagsereignisse

• Berechnung der Abflussbildung auf der Grundlage verschiedener Ansätze [Green & Ampt, SCS Curve Number, gridded SCS Curve Number sowie der Initial/Constant-Methode]

• Implementierung der Einheitsganglinienmethoden (Clark, Snyder oder SCS) und der Kinematic Wave-Methoden

• Abflusskonzentration mit unterschiedlichen Berechnungsansätzen [Kinematic Wave-Methode, modifizierten Puls-Methode, Muskingum- oder Muskingum-Cunge-Methode]

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Grundwassermodelle simulieren in der Regel sowohl die Strömungs- als auch die Stofftransportprozesse im Untergrund (gesättigte Bodenzone)

www.lua.nrw.de

Mögliche Einsatzbereiche der Grundwassermodelle:

Grundwassermodelle

• Analyse und Prognose der Grundwasserverhältnisse bei veränderten Nutzungsbedingungen im Einzugsgebiet

• Bewertung der Auswirkungen von anthropogenen Eingriffen auf die Grundwasserbewirtschaftung

• Grundwasserüberwachung/-Schutz

• Fragen der Grundwassersanierung

• Grundwasserbewirtschaftung

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Diese Modelle des Landesamtes für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz NRW [LANUV] liefern entscheidende Aussagen über die Notwendigkeit und Wirksamkeit wasserwirtschaftlicher Kompensations-maßnahmen.

Ein mathematisch-numerisches Grundwassermodell bildet die Strömungsvorgänge der natürlichen geologischen Gegebenheiten anhand naturwissenschaftlich abgeleiteter Gesetzmäßigkeiten auf eine numerische Bearbeitungsebene ab.

Quelle: http://www.lua.nrw.de

Grundwassermodelle in der Braunkohleplanung I

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Quelle: http://www.lua.nrw.de

Ziel der Modellierung ist es:

Grundwassermodelle in der Braunkohleplanung II

• die Auswirkung der Sümpfungs-maßnahmen für die Tagebaue Garzweiler I und II zu quantifizieren

• notwendige Maßnahmen zum Schutz der Feuchtgebiete zu ermitteln (Infiltrationsbrunnen)

• eine Prognose der zukünftigen Grundwasserverhältnisse zu erstellen

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Das Talsperrensystem im Einzugsgebiet der Ruhr wird zentral von der Hauptverwaltung des Ruhrverbands in Essen gesteuert.

Dabei wird täglich über die Abgaben aus den einzelnen Sperren entschieden.

Hierzu werden z.B. Daten über Stauinhalte, Zuflüsse in und Abgaben aus den Talsperren, Niederschläge und Abflüsse an kritischen Abschnitten der Hauptabflüsse benötigt.

Um die Steuerung dieses komplexen Systems, das seit über 80 Jahren erfolgreich betrieben wird, immer wieder zu verbessern, wurden neben dem Einsatz verschiedener mathematischer Modelle im Laufe der Jahre ein umfangreiches Messnetz und moderne Kommunikationstechnik installiert (Ruhrverband, 2002).

CARO (Computer-Aided Reservoir Operation)

Talsperren Echtzeitbetrieb im Einzugsgebiet der Ruhr