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Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
Vorlesung Wasserwirtschaftliche Modellierung
Themen:
Vorlesung 2
Modellbildung Beispiele für wasserwirtschaftliche ModelleNiederschlag-Abfluss Modelle und Grundwassermodelle
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
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.
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
Reales System
Modellierung
Modell-implementierung
modelltechnische Abbildung
Modellausgang
beobachteter
Ausgang
Kalibrierung
&
Modell-Optimierung
Computersimulation
???
Modell als Abbild der realen Welt
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
Reale
Welt
Modellentwurf
Modellentwicklung
& Anwendung
Validierung
Prozess der Modellbildung I
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
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
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
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
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
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]
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
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
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
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
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
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