Entwicklung eines integralen Modellansatzes zur immissionsorientierten Bewirtschaftung von Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer

Entwicklung eines integralen Modellansatzes zur immissionsorientierten Bewirtschaftung von Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer

Erbe, Volker

Kurzübersicht

Entwicklung eines integralen Modellansatzes zur immissionsorientierten Bewirtschaftung von Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer
ISBN: 978-3-937231-41-9
ISSN: 1862-1406
Veröffentlicht: 2004, 1. Auflage, Einband: Broschur, Abbildung und Tabellen: zahlr., Seiten 256, Format DIN A5, Gewicht 0.32 kg
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Entwicklung eines integralen Modellansatzes zur immissionsorientierten Bewirtschaftung von Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer

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Volker Erbe

Entwicklung eines integralen Modell­­ansatzes zur immissionsorientierten Bewirtschaftung von Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer

Band 13 der Schriftenreihe des Bauhaus-Instituts für zukunftsweisende Infrastruktursysteme (b.is) an der Bauhaus-Universität Weimar

252 Seiten. 2004. Preis: 26,30 €. ISBN 978-3-937231-41-9. RHOMBOS-VERLAG

Einleitung
Mit Hilfe eines integrierten Simulationsmodells wird dem für das Flussgebietsmanagement zuständigen Ingenieur ein Planungshilfsmittel an die Hand gegeben, das es ihm ermöglicht, Stoffeintragspfade aus den verschiedenen wasserwirtschaftlichen Systemen in das Gewässer zu erkennen und die Wechselwirkungen zwischen den Einzelsystemen zu analysieren. Es wird somit die Voraussetzung für eine ganzheitliche Optimierung des Gesamtsystems geschaffen.

Das Planungswerkzeug wird für das Gewässer Dhünn bei der Entwässerung der Gemeinde Odenthal angewendet.

Der in der Arbeit beschriebene Modellansatz eignet sich schwerpunktmäßig zur dynamischen Analyse von Einzelereignissen. Zu Beginn der Arbeit wird der Immissionsansatz im Gewässerschutz näher vorgestellt. Es werden die bisher entwickelten Ansätze für eine integrierte Simulation sowie die bestehenden Modellansätze für die einzelnen Teilsysteme beschrieben. Zentraler Punkt der Arbeit ist die Anleitung zur Auswahl von geeigneten Modellkomponenten, die sich an den Möglichkeiten der Systembewirtschaftung orientieren. Anhand der gewählten Modellkombination kann der Ingenieur diejenige Bewirtschaftungsstrategie für Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer ermitteln, welche die für den Gewässerschutz günstigste Lösung darstellt. Nach der Anwendung der Systematik werden dann die Anwendungsgrenzen und der Entwicklungsbedarf aufgezeigt.

Zusammenfassung
In der Siedlungswasserwirtschaft wurden in der Vergangenheit Maßnahmen an den Abwasserableitungs- und Behandlungssystemen emissionsorientiert und ohne Betrachtung der wechselseitigen Auswirkungen geplant. Neue Anforderungen, die z.B. in Europa durch die Wasserrahmenrichtlinie eingeführt wurden, fordern eine gewässerorientierte Planung von Maßnahmen zur Verbesserung der Gewässergüte. In dieser Arbeit wurde ein integriertes Simulationsmodell für Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer entwickelt, das eine immissionsorientierte Planung von Bewirtschaftungsmaßnahmen ermöglicht.
Die Stoffflussanalyse und das Verständnis der Ursache-Wirkung-Beziehungen der in der Siedlungsentwässerung ablaufenden Prozesse ist Voraussetzung für die Durchführung integrierter Planungsprozesse. In einem integrierten Simulationsmodell müssen die Prozesse abgebildet werden, die einen Einfluss auf die Gewässergüte haben. Zielgröße der Planungen soll der „gute Zustand“ im Gewässer sein. In der Planungspraxis müssen daher an das jeweilige Gewässer angepasste Leitwerte festgelegt werden. An Stelle eines fixen Leitwertes wird ein Ansatz vorgestellt, wie sich der Leitwert an die Häufigkeit und Dauer von Einleitungsereignissen anpassen lässt.
Die Erfordernis zur Entwicklung von Simulationsmodellen, die die Wechselwirkungen zwischen den Teilsystemen berücksichtigen, wurde bereits kurz nach Entwicklung des Activated Sludge Model No. 1 (ASM 1) vor etwa 15 Jahren erkannt. Nachfolgend wurden daraus verschiedenste Ansätze zur integrierten Simulation von Kanalnetz und Kläranlage entwickelt. Auch die Einbeziehung des Gewässers in die Modelle wurde umgesetzt. Der in dieser Arbeit entwickelte Modellansatz stellt eine Fortentwicklung der bisher existierenden Ansätze dar.
Das integrierte Modell zeichnet sich dadurch aus, dass in allen Teilsystemen Prozessmodelle verwendet werden, die den qualitativen und quantitativen Zustand des Systems dynamisch wiedergeben können. Es werden Modelle verwendet, die das gleiche Grundkonzept, angelehnt an das Activated Sludge Model, verfolgen. Somit ist die Kompatibilität an den Schnittstellen der Teilsysteme gegeben. Die verwendete Simulationsumgebung hat eine offene Oberfläche, die dem Anwender ein Anpassen der Modelle und der Systemstruktur an die gestellte Fragestellung erlaubt. Zudem ist eine parallele Simulation aller Teilprozesse möglich, wodurch die Wechselwirkungen zwischen den Teilsystemen bei der Simulation berücksichtigt werden können.
Die für die Abbildung der verschiedenen Teilprozesse verwendeten Modellansätze werden erläutert. Hierbei wird ein Schwerpunkt auf die Anpassbarkeit der Modelle an die verschiedenen Fragestellungen gelegt. Einen wesentlichen Bestandteil bildet dabei die Gewässergütesimulation, für die das erst kürzlich veröffentliche IWA River Water Quality Model (RWQM) verwendet wird.
Dieses Modell beinhaltet einen umfassenden Formel- und Parametersatz. Entsprechend der zu untersuchenden Fragestellung und der im Einzelfall festzulegenden Zielgrößen im Gewässer muss das komplexe Modell angepasst werden.
Das Erreichen eines „Guten Zustandes“ im Gewässer kann durch unterschiedlichste Maßnahmen im Einzugsgebiet, im Kanalnetz, in der Kläranlage und im Gewässer selber erreicht werden. Mögliche Maßnahmen werden beschrieben.
Besonders herausgestellt werden dabei solche Maßnahmen, die durch veränderte Betriebsweisen und ohne größeren Umbauten der bestehenden Systeme erreicht werden können. Hierbei spielt die Steuerung bzw. Regelung bestehender Systeme eine große Rolle. In Zeiten des Kostendruckes ist es Betreiberpflicht, vorhandene Systeme besser auszunutzen, bevor Geld für den Neubau von Behandlungsanlagen investiert wird. Eine interessante Option für die Zukunft wird sein, mit Hilfe von auf online-Messungen basierenden integrierten Vorhersagemodellen, Kläranlagen, Kanalnetze und den Gewässerabfluss zu steuern.
Die integrierte Modellierung unterstützt den Planer bei der Maßnahmewahl, indem durch eine Stoffflussanalyse im Ist-Zustand Belastungspfade und Gütedefizite ermittelt werden. Hieraus kann der Planer gezielt Maßnahmen zur Behebung der Defizite entwickeln. Das integrierte Modell unterstützt den Planer dann wiederum bei der Szenarienanalyse, in der die Auswirkung verschiedener Maßnahmen auf die Gewässergüte untersucht werden muss. Hierbei werden auch die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Maßnahmen berücksichtigt. Zur Abbildung der verschiedenen Maßnahmen ist eine Anpassung des integrierten Modells erforderlich. Die von der Maßnahme betroffenen Prozesse werden dargestellt und es wird erläutert, wie das Modell zur Analyse der Maßnahme aufgebaut werden muss.
Die Anwendung des integrierten Modells erfolgt am Beispiel des Gewässers Dhünn und dem Entwässerungssystem der Gemeinde Odenthal. Der Nebenfluß der Wupper wird als Lachslaichgewässer eingestuft. Es gelten daher besondere Anforderungen an den Gewässerschutz. Das integrierte Modell konnte an einzelnen Mischwasserereignissen kalibriert werden. Bei der Szenarienanalyse stellten sich die besonders strengen Leitwerte für die Dhünn als besondere Herausforderung dar. Bei den unterschiedlichen Bewirtschaftungsmaßnahmen zeigten sich die dynamische Talsperrensteuerung und die integrierte Steuerung von Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer als besonders effektiv. Anhand des Anwendungsfalls wurden Anwendungsgrenzen und Ansätze zur Weiterentwicklung der integrierten Simulation im Allgemeinen und des Simulationswerkzeugs im Speziellen diskutiert.
Die integrierte Modellierung von Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer ist bei der Planung und Bewertung von Maßnahmen zur Verbesserung der Gewässergüte im Vorteil gegenüber den bereits weit verbreiteten Einzelmodellen für die Teilsysteme.
Die Wechselwirkungen zwischen den Teilsystemen werden berücksichtigt. So kann vermieden werden, dass sich Maßnahmen, die Verbesserungen in einem Teilsystem bewirken, in anderen Teilsystemen negativ auf die Reinigungsleistung bzw. die Gewässerqualität auswirken. Die Aufstellung eines integrierten Modells erfordert die ganzheitliche Auseinandersetzung mit den Systemen der Siedlungswasserwirtschaft und dem Gewässer. Nur so können zukünftig Maßnahmen mit dem Ziel des „Guten Zustands“ im Gewässer abgestimmt geplant werden. Die integrierte Simulation ist der Ausdruck einer neuen Denkweise in der Siedlungswasserwirtschaft: Weg vom sektoralen und emissionsorientierten Denken hin zum systemübergreifenden  Stoffstrommanagement zur Verbesserung der Gewässergüte.

 

 

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung   1
2 Stoffflussanalyse und Immissionsprinzip  . 5
2.1  Systemanalyse   5
2.2  Imissionsprinzip 8
2.3  Immissionsorientierte Amplituden-Leitwert-Matrix   9
3 Bestehende Ansätze zur integrierten Simulation  13
3.1  Dynamische Kläranlagenmodelle für Mischwasserzulauf 15
3.2  Integrierte Modelle für Kanalnetz und Kläranlage .  15
3.3  Modelle für Gewässer 19
3.4  Integrierte Modelle für Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer  .  23
3.5  Bekannte Defizite der integrierten Simulation 32
4 Ausgewählte Simulationsmodelle zur integrierten Simulation 35
4.1  Programmplattform .  36
4.2  Simulation der Abflussbildung  38
4.3  Simulation des Abwassertransports  44
4.3.1  Hydraulik im Kanalnetz 45
4.3.2  Stofftransport und -umsatz im Kanalnetz 48
4.4  Simulation der Abwasserreinigung  57
4.5  Simulation der Gewässergüte 63
4.6  Modellverknüpfung und Schnittstellendefinition 72
5 Zielsetzung und Entwicklung eines Werkzeugs zur Maßnahmenplanung  79
5.1  Maßnahmen zur Begrenzung der Gewässerbelastung  .  80
5.1.1  Maßnahmen im Einzugsgebiet 81
5.1.2  Maßnahmen im Kanalnetz 83
5.1.3  Abflusssteuerung im Kanalnetz   84
5.1.4  Maßnahmen auf der Kläranlage  . 86
5.1.5  Maßnahmen im Gewässer  91
5.2  Bausteinwahl zur Maßnahmenplanung  .  93
Inhaltsverzeichnis
6 Anwendung des entwickelten Modellansatzes  101
6.1  Beschreibung Einzugsgebiet Odenthal  101
6.1.1  Niederschlag   102
6.1.2  Gewässer Dhünn  104
6.1.3  Einzugsgebiet Gemeinde Odenthal  106
6.1.4  Kanalnetz und Bauwerke . 109
6.1.5  Kläranlage  . 111
6.2  Defizitanalyse und Zieldefinition  115
6.3  Implementierung des Modellansatzes im Einzugsgebiet Odenthal . 120
6.3.1  Niederschlags-Abfluss-Modell  120
6.3.2  Kanalnetzmodell  124
6.3.3  Kläranlagenmodell . 136
6.3.4  Gewässergütemodell Dhünn   143
6.3.5  Modellintegration und Schnittstellen . 151
6.4  Belastungsanalyse und Maßnahmenvorschläge . 153
6.5  Szenarienanalysen zur Verbesserung der Güte der Dhünn  . 157
6.5.1  Variante A: Abkopplung versiegelter Flächen . 157
6.5.2  Variante B: Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Kläranlage 161
6.5.3  Variante C: Steuerung (RTC) von Kanalnetz und Kläranlage   166
6.5.4  Variante D: Dynamische Abflusssteuerung der Talsperre  172
6.6  Maßnahmenvorschläge für das Einzugsgebiet Odenthal/Dhünn   177
7 Bewertung des Modellansatzes und Ausblick  179
7.1  Datenverfügbarkeit und Kalibrierung  179
7.2  Entwicklungsstand von Prozessmodellen . 182
7.3  Schnittstellen der Teilsysteme  185
7.4  Unsicherheits- und Risikoanalyse   187
7.5  Anwendungsgrenzen und Möglichkeiten des verwendeten Modellwerkzeugs   188
7.6  Ausblick  192
8 Zusammenfassung  196
9 Literatur  201
Anhang  213

 

 

Abstract
Development of an integrated modelling concept for immission-based management of sewer system, wastewater treatment plant and river

Introduction
Today’s planning standards deal with the individual urban drainage components (sewer system, wastewater treatment plant and receiving water) separately, i.e. they are often designed and operated as single components. As opposed to this, an integral handling considers the drainage components jointly. This integrated approach is implicitly supported by the Water Framework Directive [EU 2000]. The goal set in the directive is to reach a good ecological status of all water bodies throughout the catchment, rather than prescribing certain design rules. Water protection policies conforming with the WFD aim at optimising river basin management with regard to ecological and economic criteria. This cannot be achieved with the management approach adopted to date, which is based on discharge standards for individual point sources not considering the impact from any other discharge point. Therefore, sustainable river basin management can only be established by adopting an integrated approach based on receiving water criteria. In order to put the integrated planning approach into practice, the engineer requires modelling tools for his work on the following essential steps of an integrated planning strategy:
• Analysis of polluting substance fluxes and their causes
• Selection of measures to reduce the system’s deficiencies
• Evaluation of the effects of the measures on river water quality

Over more than a decade, several integrated modelling approaches were developed and applied to different case studies. In the scientific world, the fundamental approaches of integrated modelling are well developed, nevertheless there still remain difficulties in integrated modelling [RAUCH ET AL. 2002]. In Germany the idea of immission-based integrated planning concepts is of increasing interest in science (e.g. SCHÜTZE ET AL. 2002A, ERBE ET AL. 2002, SEGGELKE, 2002) and practice [BWK, 2001]. An overview on integrated modelling studies can be found in ERBE ET AL. [2002] and in table 3-3. An extended model setup and its application to the Odenthal case study is presented in this PhD thesis. Guidelines are required that help engineers in practice to use models for planning of measures related to urban drainage components, in particular when this involves the application of integrated modelling concepts to case studies. Such guidelines will contribute to this scientific idea becoming an accepted planning instrument also in practical application.

 

Die Herausgeber:

Bauhaus-Universität Weimar
Professur für Abfallwirtschaft
Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Bidlingmaier (Lehrstuhlleiter)
Coudraystraße 7
99421 Weimar
http://www.uni-weimar.de/Bauing/abfallw/
Bauhaus-Universität Weimar
Professur Siedlungswasserwirtschaft
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Londong
Coudraystraße 7
99421 Weimar
http://www.uni-weimar.de/Bauing/siwawi/home/_home.htm

  

Erschienene Rezensionen

GWF - Wasser, Abwasser, W. Hegemann, 18.11.2004

Das vorliegende Buch ist eine Dissertation an der Bauhaus-Universität Weimar. Zunächst wird auf die Notwendigkeit von Immissionsbetrachtungen zur Beurteilung der Gewässerbelastungen im Gegensatz zur bisher üblichen Emissionsfestlegung hingewiesen. Hieraus entwickelt der Verfasser die Forderungen nach Modellen,  um die Immissionen und ihre Auswirkungen festlegen zu können. Vorhandene Modellansätze für Abwasserableitung und Kläranlagen, für Gewässer und schließlich integrierte Ansätze werden beschrieben und bewertet und daraus Defizite formuliert. Anschließend werden die vom Verfasser verwendeten Teilmodelle zur Simulation von Abflussbildung und Abflusstransport im Kanalnetz einschließlich des Stoffumsatzes beim Transport, die Simulation der Abwasserreinigung und der Gewässergüte sowie die Verknüpfung der Teilmodelle dargestellt. Dieser Modellansatz wird dann am Beispiel einer Gemeinde mit mehreren Ortsteilen erprobt (kalibriert), um die erforderlichen Maßnahmen im Einzugsgebiet, im Kanalnetz, auf der Kläranlage und im Gewässer aus einem Katalog auszuwählen, die einen großen Einfluss auf das Gesamtsystem haben und weiter berücksichtigt werden müssen. Dadurch kann der Rechenaufwand verringert werden. Als mögliche Maßnahmen und deren Einfluss werden die Abkopplung versiegelter Flächen, die Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Kläranlage, die Steuerung von Kanalnetz und Kläranlage und die dynamische Steuerung der im Oberlauf befindlichen Talsperre simuliert und daraus schließlich die sinnvollsten Maßnahmen vorschlagen.
Abgeschlossen wird die Arbeit mit einer Bewertung der Datenverfügbarkeit zur Modellkalibrierung, einer Unsicherheits- und Risikoanalyse sowie einer Beschreibung der Anwendungsgrenzen des verwendeten Modells. Mit dieser Entwicklung eines integrierten Modellansatzes ist die Möglichkeit eröffnet, gezielt die Maßnahmen einzusetzen, die den größten Erfolg in der Verbesserung der Gewässergüte bringen und den erforderlichen Kostenaufwand minimieren. Es ist zu wünschen, dass dieses Modell auch in anderen, insbesondere auch größeren Einzugsgebieten, eingesetzt wird.

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