Stochastische Simulation und Extremstatistik auf Basis vereinfachter Modelle des integrierten Abwassersystems
Final Report Abstract
Das Projekt REDUSIM befasst sich mit der systematischen Vereinfachung von integrierten Modellen der Siedlungsentwässerung. Diese Modelle mit ihren Komponenten Einzugsgebiet, Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer gewannen in den letzten Jahren aufgrund der Anforderungen der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie sowie weiterer nationaler und regionaler Richtlinien zunehmend an Bedeutung für die Analyse und Optimierung von Sieldungsentwässerungssystemen. Aufgrund der Komplexität der Einzelmodelle ergaben sich dabei für das integrierte Gesamtmodell Probleme bei der Lösung von Optimierungsaufgaben, bei der Abschätzung von Unsicherheiten, die zahlreiche Simulationen erfordert, sowie bei der Durchführung von Langzeitsimulationen. Im Projekt REDUSIM wurden deshalb Methoden zur Reduzierung der komplexen Modelle sowie Verfahren zur verbesserten Lösung von Regelungsaufgaben, Unsicherheits- und Systemanalysen entwickelt und implementiert. Die Reduzierung des Systems erfolgte zum einen aus siedlungswassenwirtschaftlicher Perspektive anhand ingenieurtechnischer Kriterien und zum anderen mithilfe von Methoden der Systemanalyse, insbesondere der lokalen und regionalen Sensitivitätsanalyse zur Auswahl wesentlicher Modellparameter und deren Interaktionen und zur Erstellung regressionsbasierter Ersatzmodelle des ursprünglichen Simulationsmodells. Die Methoden wurden anhand einer halbvirtuellen Fallstudie entwickelt. Da das hydrodynamische Kanalnetzmodell Hauptursache der Zeitintensität der Simulationen ist, wurde ein Kanalnetzvereinfacher entwickelt, der das Aufstellen eines hydrologischen Modells auf Grundlage eines hydrodynamischen Kanalnetzmodells systematisch ermöglicht. Zudem wurde die Simulationszeit durch eine zeitdiskrete Implementierung von Kläranlagenmodellen wesentlich verbessert. Zusammen mit dem vereinfachten Gewässergütemodell wurde damit die integrierte Simulation für die Steuerungsoptimierung ermöglicht, für die zudem ein generalisiertes Verfahren für Kanalnetze entwickelt wurde. Ebenso konnten Modellunsicherheiten, die in bisherigen Studien vor allem für Teilmodelle untersucht wurden, für das integrierte Modell bestimmt werden. Dafür wurde ein Rahmen für die Unsicherheitsbetrachtung angelegt, mit dem es möglich ist, durch Monte-Carlo-Simulationen und Methoden der statistischen Versuchsplanung Ergebnisbandbreiten zu erzeugen und auszuwerten. Ergebnisbandbreiten wurden unter Berücksichtigung der Variabilität der Eingangsdaten erzeugt Ein weiterer Schwerpunkt des Projektes war die Bestimmung von Wiederkehrzeiten kritischer Stoffkonzentrationen im Gewässer mithilfe der vereinfachten Modelle sowie eine Verbesserung der dazu erforderlichen extremwertstatistischen Methode. Bisher wurden diese mithilfe empirischer Häufigkeiten bestimmt, obwohl dafür nur selten ausreichend lange Datenreihen vorliegen, oder eine vordefinierte statistische Verteilung ohne eine Methode zur Bestimmung der tatsächlichen Verteilung genutzt. Aus diesem Grund wurde eine auf den Simulationsdaten basierende extremwertstatistische Methode, die Peak-Over-Threshold- Methode (POT), vorgeschlagen und anhand der halbvirtuellen Fallstudie analysiert. Die mit POT ermittelten Wiederkehrzeiten kritischer Ereignisse wichen vor allem für Ereignisse mit hohen Wiederkehrperioden von den Ergebnissen bisheriger Methoden ab. Aus statistischer Sicht sind die Ergebnisse der Analyse mit der POT-Methode aufgrund der transparenten Ermittlung der statistischen Verteilung belastbarer als bisher angewandte Methoden. Mit den entwickelten Methoden zur Modellvereinfachung und Modellanalyse konnten wichtige Fortschritte auf dem Gebiet der immissionsorientierten integrierten Simulation geleistet werden. Die im Rahmen des Projektes REDUSIM durchgeführten Arbeiten ermöglichen weitere Untersuchungen und Anwendungen. Insbesondere seien hier die folgenden Aspekte genannt: • Ankopplung eines erweiterten Gewässermodells • Kopplung eines Niederschlag-Abfluss-Modells des natürlichen Einzugsgebietes • Kopplung eines Stoffeintragmodells aus dem natürlichen Flusseinzugsgebiet • Untersuchungen zur Bedeutung von Modellunsicherheit und Vanabilität der Prozesse • Analyse der Ereignisbedingungen, die zu hohen Ammoniakbelastungen bzw. zu ausgeprägten Sauerstoffdefiziten im Fließgewässer führen • Entwicklung einer Methode zur Maßnahmenentwicklung im Hinblick auf Immissionskriterien • Einbindung der komplexitätsreduzierten Modellansätze in praxisgerechte Bewertungsverfahren • Integration der Verfahren (z.B. Kanalnetzvereinfachung) in Simulationsumgebungen, um dadurch ihre Anwendung in der Praxis zu fördern • Modellgestütztes Flussgebietsmanagement auf Ebene der Wasserverbände.
Publications
- (2005). A general algorithm for the development of control algorithms for RTC of sewer systems. 10th International Conference on Urban Drainage (ICUD). Copenhagen. 21 - 26 August 2005
Schütze M, Alex J, Ogurek M.
- (2007). Vereinfachte integrierte Modelle der Abwasserentsorgung zur Analyse von Steuerungsstrategien. Korrespondenz Abwasser 54 (6), p. 577-583
Schindler N., Ogurek M., Schütze M., Krebs P.
- (2008) Assessment of river water quality criteria with integrated models and extreme value statistics. 11th International Conference on Urban Drainage (ICUD), Edinburgh, 31.08.-05.09.2008
Schindler N, Tränckner J, Krebs P
- (2008): Simulation als Basis für Entwicklung, Test und fehlerarme Inbetriebnahme von Automatisierungssystemen komplexer Prozesse. 10. Fachtagung Entwurf komplexer Automatisierungssysteme, Magdeburg, 15.04.- 17.04.2008
Ogurek M., Alex J., Schütze M.
