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Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Vorlesung Wasserwirtschaftliche Modellierung Themen: Vorlesung 2 Modellbildung Beispiele für wasserwirtschaftliche Modelle.

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1 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Vorlesung Wasserwirtschaftliche Modellierung Themen: Vorlesung 2 Modellbildung Beispiele für wasserwirtschaftliche Modelle Niederschlag-Abfluss Modelle und Grundwassermodelle

2 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.

3 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

4 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Reale Welt Modellentwurf Modellentwicklung & Anwendung Validierung Prozess der Modellbildung I

5 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 Realsystem Datenerhebung Daten Wissen Problemdefinition Zielsetzung Hypothesen Annahme Reale Welt Modellentwurf Modellentwicklung & Anwendung Validierung operationale Validierung DOKUMENTATIONDOKUMENTATION Prozess der Modellbildung II

6 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

7 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

8 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 Niederschlag-Abfluss-Modelle

9 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 Beispiel: NAXOS

10 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 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]

11 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: 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

12 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: Grundwassermodelle in der Braunkohleplanung I

13 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Quelle: 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

14 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken 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


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