Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Vorlesung Wasserwirtschaftliche Modellierung Vorlesung 2 Themen: Modellbildung Beispiele für wasserwirtschaftliche Modelle Niederschlag-Abfluss Modelle und Grundwassermodelle Lehrziele der Veranstaltung Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken erschaffen bewerten analysieren anwenden Sie wissen, welcher Modelltyp für welche Aufgabenstellung zum Einsatz gelangt. verstehen … und können die Unterschiede erklären. erinnern Sie kennen die verschiedenen wasserwirtschaftlichen Modelle … Modell als Abbild der realen Welt Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Reales System modelltechnische Abbildung Modellierung ? beobachteter Modellimplementierung Ausgang Kalibrierung & Modell-Optimierung Modellausgang Computersimulation Prozess der Modellbildung I Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Reale Welt Modellentwurf Modellentwicklung & Anwendung Validierung Prozess der Modellbildung II Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Datenerhebung Realsystem D Daten Problemdefinition Hypothesen Wissen Zielsetzung Annahme O Reale Welt K U Modellentwurf Validierung Entwicklung des konzeptuellen Modells M E Modellentwicklung & Modellentwurf Anwendung Validierung des konzeptuellen Modells N T Konzept. Modell A Validierung T Implementierung I Modell O Verifikation/Test N Simulation operationale Validierung Sim. Ergebnisse Ergebnisanalyse Zielaussage Probleme der Modellbildung Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken mangelnde bzw. eingeschränkte Verfügbarkeit belastbarer Daten (mit ausreichender räumlicher und zeitlicher Auflösung) hoher zeitlicher Aufwand für die Entwicklung und Validierung schwierige Abwägung zwischen hoher Modellgüte einerseits und räumlicher / zeitlicher Aggregation andererseits mangelnde Transparenz der Prozessabbildung Wasserwirtschaftliche Modelle 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 Niederschlag-Abfluss-Modelle Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken 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 Beispiel: NAXOS Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken 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 HEC-HMS Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken 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 • 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, Muskingumoder Muskingum-Cunge-Methode] Grundwassermodelle Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Grundwassermodelle simulieren in der Regel sowohl die Strömungs- als auch die Stofftransportprozesse im Untergrund (gesättigte Bodenzone) Mögliche Einsatzbereiche der Grundwassermodelle: www.lua.nrw.de • 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 Grundwassermodelle in der Braunkohleplanung I 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 Kompensationsmaßnahmen. 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 II Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Ziel der Modellierung ist es: • die Auswirkung der Sümpfungsmaßnahmen 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 Quelle: http://www.lua.nrw.de Talsperren Echtzeitbetrieb im Einzugsgebiet der Ruhr Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken CARO (Computer-Aided Reservoir Operation) 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).
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