MODELLUNTERSTÜTZTE S R ...
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aqua urbanica trifft RegenwasserTage mit begleitender Fachausstellung 18.06. bis 19.06.2018, Landau i.d.Pfalz MODELLUNTERSTÜTZTE S TRATEGIEENTWICKLUNG BEI DER REGENWASSER‐ BEWIRTSCHAFTUNG MITTELS RASTERBASIERTEM SIMULATIONSWERKZEUG Maike Beier* 1 , Stephan Köster* 1 , Michael Pabst* 2 , Ehsan Rabiei* 2 , Karl‐Heinz Rosenwinkel* 1 , Sara De Toffol* 2 , Alexander Verworn* 2 , Franziska Verworn* 1 , Markus Wallner* 2 , Hannover (* 1 Institut für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der LUH, * 2 BPI HANNOVER ∙ VERWORN) BEARBEITUNGSABLAUF BZW .ANWENDUNG VERANLASSUNG UND PROJEKTIDEE SCHEMATISCHER ABLAUF Aktuell sehen sich viele Entwässerungsbetriebe der Aufgabe gegenüber, dass sie einerseits den Forderungen nach Einsparungen und Optimierungsmaßnahmen und gleichzeitig dem Ziel einer Verbesserung des Gewässerschutzes gerecht werden müssen. Die komplexe Verflechtung der Stadtentwässerung mit der vorhandenen städtischen Infrastruktur stellt hohe zusätzliche Anforderungen an die Planung und Abstimmung dar. Darüber hinaus erschweren die immer komplexer werdenden Fragestellungen und Aufgaben der Stadtentwässerungen (Wechselspiel der NW‐Einleitungen mit den Themenfeldern Hochwasser‐ und Überflutungsschutz) bei stetig ansteigenden rechtlichen Vorgaben und die teilweise fehlende Kenntnis der genauen Veränderungen (Klimaauswirkungen, demografischer Wandel) ein übergeordnetes und zielgerichtetes Entwässerungskonzept. Zur Entscheidungsunterstützung wird dabei immer stärker auf modellbasierte Werkzeuge zurückgegriffen, um dem Betreiber bei der Strategieentwicklung Kennzahlen und Daten zur vergleichenden Bewertung zur Verfügung zu stellen. Dabei steht die Modellbasierte Beantwortung folgender Fragen im Fokus: • Mit welcher Verfahrenslösung können die wasserwirtschaftlichen Ziele erreicht werden? • Mit welcher Verfahrenslösung ist „wo“ mit „welchen Belastungen“ zu rechnen? • Wo können welche Maßnahmen effizient und wirtschaftlich eingesetzt werden? • Welche Gesamt‐Kosten sind mit dem Konzept verbunden? Im BMBF‐Verbundprojekt „Raster4Rain“ (KMU‐innovativ) wird als betreiberunterstützende Softwarelösung ein Simulationswerkzeug entwickelt, dass ein bestehendes hydrodynamisches Schmutzfrachtmodell mit einem neuartigen rasterbasierten Flächenmodell koppelt. Das Simulationswerkzeug RASTER4RAIN ermöglicht durch den Ansatz einer rasterbasierten Datenablage‐ und Modellstruktur eine einfache und frei skalierbare Einbindung und Auswertung verschiedenster Daten und Simulationsergebnisse. BISHERIGE ERGEBNISSE BPI HANNOVER ∙ VERWORN Mengendamm 16D 30177 Hannover info@bpi‐hannover.de BPI HANNOVER ∙ VERWORN Mengendamm 16D 30177 Hannover info@bpi‐hannover.de Institut für Siedlungswasser- wirtschaft und Abfalltechnik 1. Als erster wesentlicher Bearbeitungspunkt erfolgt die Überführung sämtlicher vorhandener Daten und Informationen ins Rasterformat. Aus dem so generierten Daten‐ und Informations‐ pool werden alle Daten, die die Verschmutzung beeinflussen, so transformiert, dass für jede Zelle eine Verschmutzung berechnet bzw. zugeordnet werden kann. Hierzu wurden im Rahmen der wissenschaftlichen Methodik‐Entwicklung Transformationsfunktionen ausgewählt und auf ihre Anwendbarkeit hin überprüft. 2. Die belegten Rasterzellen werden anschließend je nach Anforderung zu Haltungsflächen oder Teilgebieten aggregiert und bilden neben den standardmäßig vorhandenen Flächen‐ und Niederschlagsdaten den Input für die Berechnungen im hydrodynamischen Schmutzfracht‐ modell. 3. Die Grundlage zur anschließenden Ermittlung von Handlungspotentialen bildet die Kombination aus Simulationsergebnissen der Schmutzfrachtberechnungen für den Istzustand, die Verschmutzung je Rasterzelle und weiterer Daten aus dem Daten‐ und Informationspool (z.B. Wasserhaushaltsdaten, Betriebsdaten etc.). So werden auch die Auswirkungen verschiedener Handlungsoptionen rasterbezogen ermittelt und im Flächenmodell dargestellt. 4. Nach Auswahl der weiter zu betrachtenden Maßnahmen, was auch unabhängig von einer vorherigen Ermittlung des Handlungspotentials möglich ist, erfolgt für die verschiedenen Konzepte jeweils ein weiterer Simulationslauf zur Berechnung der Wirkungen der eingesetzten Maßnahmen auf die Emission (wiederum mittels entsprechend hinterlegter maßnahmen‐ spezifischer Transformationsfunktionen) sowie 5. durch die zusätzliche Integration von ebenfalls maßnahmenspezifischen Betriebs‐ und Kosten‐ daten die Berechnung von ökonomischen, ökologischen und qualitativen Kennzahlen für verschiedene Maßnahmenszenarien. 6. Auf Basis der qualitativen Kennzahlen kann abschließend eine Bewertung erfolgen ‐ mit dem Potential einer aufbauenden modellbasierten Mehrzieloptimierung sowie der Berücksichtigung der Aussagesicherheit in Abhängigkeit der Datenqualität. Bild 1: Schematischer Aufbau bzw. grundlegende Arbeitsablauf des Simulationswerkzeuges Raster4Rain Institut für Siedlungswasserwirt‐ schaft und Abfalltechnik der LUH Welfengarten 1, 30167 Hannover [email protected]‐hannover.de Institut für Siedlungswasserwirt‐ schaft und Abfalltechnik der LUH Welfengarten 1, 30167 Hannover [email protected]‐hannover.de Bild 2: Schematische Darstellung der GIS‐Verschneidungen und Operationen zur Ermittlung der Gesamtverschmutzung im Rasterformat Praxispartner: KMU‐Innovativ Laufzeit: 05/2016 – 10/2018 Bild 3: Abfrage der Handlungsoptionen für die Haltungen oberhalb eines ausgewählten Schachtes Zwischenfazit • Zusammenführung verschiedener kommunaler Datenquellen zeitintensiv, aber notwendig • Rasterbasierter Ansatz bei Schmutzfrachtermittlung nicht zielführend • Umsetzung der Transformationsfunktionen zur Verschmutzungsermittlung und Ermittlung der Handlungspotentiale in Rasterbasierten Detailuntersuchung als Preprocessing‐Tool • Sehr anwendungsfreundliche Auswertung für beliebige Teilgebiete Für Berechnungen und visuelle Darstellungen bzw. Auswertungen: • Aggregieren der Rasterdaten in Vektordaten • Verschneidung mit Haltungsflächen • Auswertung mittels Haltung oberhalb • Verschmutzung • Handlungsoptionen • Aufwand, Kosten • Kennzahlen • …
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aqua urbanica trifft RegenwasserTagemit begleitender Fachausstellung
18.06. bis 19.06.2018, Landau i.d.Pfalz
MODELLUNTERSTÜTZTE STRATEGIEENTWICKLUNG BEI DER REGENWASSER‐BEWIRTSCHAFTUNG MITTELS RASTERBASIERTEM SIMULATIONSWERKZEUG
Maike Beier*1, Stephan Köster*1, Michael Pabst*2, Ehsan Rabiei*2, Karl‐Heinz Rosenwinkel*1, Sara De Toffol*2, Alexander Verworn*2, Franziska Verworn*1, Markus Wallner*2, Hannover
(*1 Institut für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der LUH, *2 BPI HANNOVER ∙ VERWORN)
BEARBEITUNGSABLAUF BZW. ANWENDUNGVERANLASSUNG UND PROJEKTIDEE
SCHEMATISCHER ABLAUF
Aktuell sehen sich viele Entwässerungsbetriebe der Aufgabe gegenüber, dass sie einerseits denForderungen nach Einsparungen und Optimierungsmaßnahmen und gleichzeitig dem Ziel einerVerbesserung des Gewässerschutzes gerecht werden müssen. Die komplexe Verflechtung derStadtentwässerung mit der vorhandenen städtischen Infrastruktur stellt hohe zusätzlicheAnforderungen an die Planung und Abstimmung dar.Darüber hinaus erschweren die immer komplexer werdenden Fragestellungen und Aufgaben derStadtentwässerungen (Wechselspiel der NW‐Einleitungen mit den Themenfeldern Hochwasser‐und Überflutungsschutz) bei stetig ansteigenden rechtlichen Vorgaben und die teilweise fehlendeKenntnis der genauen Veränderungen (Klimaauswirkungen, demografischer Wandel) einübergeordnetes und zielgerichtetes Entwässerungskonzept. Zur Entscheidungsunterstützung wirddabei immer stärker auf modellbasierte Werkzeuge zurückgegriffen, um dem Betreiber bei derStrategieentwicklung Kennzahlen und Daten zur vergleichenden Bewertung zur Verfügung zustellen. Dabei steht die Modellbasierte Beantwortung folgender Fragen im Fokus:
• Mit welcher Verfahrenslösung können die wasserwirtschaftlichen Ziele erreicht werden?• Mit welcher Verfahrenslösung ist „wo“ mit „welchen Belastungen“ zu rechnen? • Wo können welche Maßnahmen effizient und wirtschaftlich eingesetzt werden?• Welche Gesamt‐Kosten sind mit dem Konzept verbunden?
Im BMBF‐Verbundprojekt „Raster4Rain“ (KMU‐innovativ) wird als betreiberunterstützendeSoftwarelösung ein Simulationswerkzeug entwickelt, dass ein bestehendes hydrodynamischesSchmutzfrachtmodell mit einem neuartigen rasterbasierten Flächenmodell koppelt. DasSimulationswerkzeug RASTER4RAIN ermöglicht durch den Ansatz einer rasterbasierten Datenablage‐und Modellstruktur eine einfache und frei skalierbare Einbindung und Auswertungverschiedenster Daten und Simulationsergebnisse.
BISHERIGE ERGEBNISSE
BPI HANNOVER ∙ VERWORN
Mengendamm 16D
30177 Hannover
info@bpi‐hannover.de
BPI HANNOVER ∙ VERWORN
Mengendamm 16D
30177 Hannover
info@bpi‐hannover.de
Institut für Siedlungswasser-
wirtschaft und Abfalltechnik
1. Als erster wesentlicher Bearbeitungspunkt erfolgt die Überführung sämtlicher vorhandenerDaten und Informationen ins Rasterformat. Aus dem so generierten Daten‐ und Informations‐pool werden alle Daten, die die Verschmutzung beeinflussen, so transformiert, dass für jedeZelle eine Verschmutzung berechnet bzw. zugeordnet werden kann. Hierzu wurden im Rahmender wissenschaftlichen Methodik‐Entwicklung Transformationsfunktionen ausgewählt und aufihre Anwendbarkeit hin überprüft.
2. Die belegten Rasterzellen werden anschließend je nach Anforderung zu Haltungsflächen oderTeilgebieten aggregiert und bilden neben den standardmäßig vorhandenen Flächen‐ undNiederschlagsdaten den Input für die Berechnungen im hydrodynamischen Schmutzfracht‐modell.
3. Die Grundlage zur anschließenden Ermittlung von Handlungspotentialen bildet die Kombinationaus Simulationsergebnissen der Schmutzfrachtberechnungen für den Istzustand, dieVerschmutzung je Rasterzelle und weiterer Daten aus dem Daten‐ und Informationspool (z.B.Wasserhaushaltsdaten, Betriebsdaten etc.). So werden auch die Auswirkungen verschiedenerHandlungsoptionen rasterbezogen ermittelt und im Flächenmodell dargestellt.
4. Nach Auswahl der weiter zu betrachtenden Maßnahmen, was auch unabhängig von einervorherigen Ermittlung des Handlungspotentials möglich ist, erfolgt für die verschiedenenKonzepte jeweils ein weiterer Simulationslauf zur Berechnung der Wirkungen der eingesetztenMaßnahmen auf die Emission (wiederum mittels entsprechend hinterlegter maßnahmen‐spezifischer Transformationsfunktionen) sowie
5. durch die zusätzliche Integration von ebenfalls maßnahmenspezifischen Betriebs‐ und Kosten‐daten die Berechnung von ökonomischen, ökologischen und qualitativen Kennzahlen fürverschiedene Maßnahmenszenarien.
6. Auf Basis der qualitativen Kennzahlen kann abschließend eine Bewertung erfolgen ‐ mit demPotential einer aufbauenden modellbasierten Mehrzieloptimierung sowie der Berücksichtigungder Aussagesicherheit in Abhängigkeit der Datenqualität.
Bild 1: Schematischer Aufbau bzw. grundlegende Arbeitsablauf des Simulationswerkzeuges Raster4Rain
Institut für Siedlungswasserwirt‐schaft und Abfalltechnik der LUH
Welfengarten 1, 30167 Hannover
[email protected]‐hannover.de
Institut für Siedlungswasserwirt‐schaft und Abfalltechnik der LUH
Welfengarten 1, 30167 Hannover
[email protected]‐hannover.de
Bild 2: Schematische Darstellung der GIS‐Verschneidungen und Operationen zur Ermittlung der Gesamtverschmutzung im Rasterformat
Praxispartner:KMU‐Innovativ Laufzeit: 05/2016 – 10/2018
Bild 3: Abfrage der Handlungsoptionen für die Haltungen oberhalb eines ausgewählten Schachtes
Zwischenfazit• Zusammenführung verschiedener kommunaler Datenquellen zeitintensiv, aber notwendig• Rasterbasierter Ansatz bei Schmutzfrachtermittlung nicht zielführend• Umsetzung der Transformationsfunktionen zur Verschmutzungsermittlung und Ermittlung der
Handlungspotentiale in Rasterbasierten Detailuntersuchung als Preprocessing‐Tool• Sehr anwendungsfreundliche Auswertung für beliebige Teilgebiete
Für Berechnungen und visuelle Darstellungen bzw. Auswertungen:• Aggregieren der Rasterdaten in
Vektordaten• Verschneidung mit Haltungsflächen• Auswertung mittels Haltung
oberhalb• Verschmutzung• Handlungsoptionen• Aufwand, Kosten• Kennzahlen• …
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