Wassermengenbewirtschaftung im Einzugsgebiet der Ruhr: Simulation und Echtzeitbetrieb [online]
Creators: name: Brudy-Zippelius, Thomas
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2003

description: Ein Schwerpunkt der gegenwärtigen, wasserwirtschaftlichen
Forschung liegt in der Schaffung interdisziplinärer Werkzeuge
und Methoden zur integrativen Bewirtschaftung von
Flusseinzugsgebieten. Die vorliegende Arbeit beschreibt die
Konzeption, Entwicklung und Anwendung des Modellsystems BEWASYS
zur Wassermengenbewirtschaftung komplexer Flusseinzugsgebiete,
das als Entscheidungshilfe für Bewirtschaftungspläne, wie
sie beispielsweise in der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie
gefordert werden, eingesetzt werden kann.
Die Aufgaben und die Ziele der Wassermengenbewirtschaftung
werden exemplarisch anhand einer kurzen Beschreibung des
Projekts, aus dem die Entwicklung des Modellsystems hervorgeht,
dargelegt. In einer detaillierten Analyse werden die
Anforderungen, die an ein Modellsystem zur
Wassermengenbewirtschaftung gestellt werden, abgeleitet. Von
zentraler Bedeutung ist hierbei die Übertragbarkeit des Modells,
so dass unterschiedlich strukturierte, wasserwirtschaftliche
Systeme abgebildet werden können. Verschiedene
Einsatzmöglichkeiten werden vorgesehen, um die Flexibilität des
Modells zu erweitern: Für den Zweck der Planung bzw. der
Prognose kann das Modellsystem als Simulationswerkzeug
eingesetzt werden; für den operativen Betrieb des Modells wird
die Möglichkeit zur Echtzeitvorhersage vorgesehen.
Die Wahl des Diskretisierungszeitschritts von einem Tag
erfordert die Implementierung eines Verfahrens zur Berechnung
der Wellenverformung in Fließgewässern. Da der Einsatz eines
Bewirtschaftungsmodells über alle Abflusssituationen zwischen
Hoch- und Niedrigwasser erfolgt, muss das Verfahren variable
Fließgeschwindigkeiten, die eine nichtlineare Funktion des
Durchflusses darstellen, abbilden.
Eine flexible und modulare Modellkonzeption wird erstellt, um
die Vielzahl der wasserwirtschaftlichen Systemelemente in
Fließgewässer- und Kanalsystemen berücksichtigen zu können. Um
ein reales, wasserwirtschaftliches System in einem
Netzwerkmodell abzubilden, wird eine Abstraktion der
wasserwirtschaftlichen Systemelemente zu Knoten und
Transportelementen durchgeführt. Diese Elemente, die in
einer Art Baukastensystem vorliegen, müssen frei kombinierbar
sein, um unterschiedliche Strukturen darzustellen.
Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt in der Umsetzung
des Modellbausteins "Fließgewässer". Im Rahmen der
Modellentwicklung wird eine Modifikation des Verfahrens der
Doppelspeicherkaskade erarbeitet, um die nichtlineare
Abhängigkeit zwischen Durchfluss und Fließgeschwindigkeit zu
repräsentieren. Die mathematische Formulierung des Verfahrens im
"Zustandsraum" ermöglicht die Anbindung des erprobten
Kalman-Filter-Verfahrens zur Modellnachführung im
Echtzeitbetrieb, das zu einer entscheidenden Verbesserung der
Abbildungsgüte führt.
Neben der Beschreibung der Modellentwicklung wird die
Überprüfung des Modellsystems am Beispiel der
Echtzeitbewirtschaftung der Talsperren im Einzugsgebiet der Ruhr
aufgezeigt. Die Analyse der Modellergebnisse verdeutlicht, dass
ein plausibles Modell zur Wassermengenbewirtschaftung geschaffen
wurde, das die zuvor gestellten Anforderungen erfüllt.
Das Einzugsgebiet der Ruhr ist mit einer Fläche von 4485 km² und
einem Gesamtstauvolumen der vom Ruhrverband betriebenen
Talsperren von 464,1 Mio. m³ das größte, zentral bewirtschaftete
Talsperrensystem Deutschlands. Die Talsperren wurden im Laufe
des letzten Jahrhunderts errichtet, um dem wachsenden Bedarf der
Bevölkerung und der Industrie an Trink- und Brauchwasser gerecht
zu werden. Ungefähr 50 % der Entnahmen aus der Ruhr werden dem
Einzugsgebiet entzogen, d.h. in benachbarte Einzugsgebiete
exportiert und nicht mehr zurückgeleitet. Die Beanspruchung des
Gewässers ist dadurch so groß, dass für dieses die Gefahr
besteht, ohne ausreichende Bereitstellung von Zuschusswasser aus
den Talsperren in niederschlagsarmen Zeiten trocken zu fallen.
Durch geeignete Modellkopplung wird ein einzugsgebietsbezogenes
Bewirtschaftungskonzept erstellt, das weitere Teilaspekte der
Wassermengenwirtschaft im Einzugsgebiet der Ruhr berücksichtigt.
Den zentralen Baustein bildet das vorgestellte
Bewirtschaftungsmodell BEWASYS, mit dem kontinuierlich über
einen Zeitraum von mehreren Tagen Vorhersagen für die
Systemzustände des Gesamtgebiets erstellt werden.
Die Kalibrierung und die Validierung des Modells im
Simulationsbetrieb erfolgt auf einer umfangreichen, historischen
Datengrundlage und liefert eine gute Modellanpassung.
Seit Juli 2002 wird das Modellsystem BEWASYS zur
Echtzeitbewirtschaftung des Talsperrenverbundes der Ruhr
verwendet. Auf der Grundlage von meteorologischen
Vorhersagen des Deutschen Wetterdienstes werden die
Systemzustände des gesamten Einzugsgebiets der Ruhr über mehrere
Tage vorausgesagt, um sowohl eine entscheidende Verbesserung als
auch eine Objektivierung des täglichen Talsperrenbetriebs zu
ermöglichen.

Abstract

Today, the development of interdisciplinary tools and methods
for an integrated river basin management has high priority in
water resources research. The present thesis describes the
design, development and application of the hydrological model
system BEWASYS applicable for water quantity management of
complex river basins. The model may serve as decision support
system for river basin management plans that are mandatory
according to the EU Water Framework Directive.
The objectives of water quantity management are exemplified by a
brief characterization of the River Ruhr project, serving as a
base for the development of the model system. The requirements
for the hydrological model system are derived through a detailed
analysis of water quantity management. Because river basins are
characterized by individual structures, the transferability of
the model system is of prime importance. Various application
modes are offered to render the model flexible: the model may be
used as short-term forecast model for real-time operation and as
long-term simulation tool for planning and prognosis.
To include the crucial processes, a time increment of one day is
chosen; this necessitates a flood routing calculation to
consider wave propagation in river channels. Generally,
hydrological models for water quantity management are designed
for low and medium discharge conditions but not for flood
situations. Therefore, a flood routing calculation is
postulated that simulates variable flow velocities, which are
represented as a non-linear function of the discharge.
To consider the variation of system elements in a river basin
and canal systems, the model conception is flexible and modular.
For the visualisation of real water systems, the abstraction of
the system elements into nodes and transport elements is
represented in a network model. The user may combine any set of
individual elements, available in a construction kit, to
represent different structures of river basins.
A major objective of the thesis is the implementation of the
river module. Within the scope of model development, the double
cascade model is altered to accomplish the interrelation between
discharge and flow velocity. The mathematical formulation of the
procedure in the "state space" facilitates the implementation of
the sophisticated Kalman filter for model adaption in real-time
operation. This filter is able to enhance the model performance
significantly.
Apart from the model development, the model system is validated
at the example of realtime operation of the reservoirs in the
River Ruhr catchment. The analysis of the model results showed
that a plausible model for water quantity management has been
developed that meets the previously derived requirements.
The River Ruhr catchment, covering 4485 km², forms the largest
reservoir system in Germany (total storage capacity of 464,1
million m³). This reservoir system is centrally managed by the
Ruhr River Association (Ruhrverband), whose major tasks are to
provide drinking water and to supply local industry with process
water within one of the most densely populated and
industrialised areas in Europe. About 50 % of the withdrawals
are exported to neighbouring catchments. The reservoir system,
constructed during the last century, enable the Ruhr River
Association to maintain fixed minimum runoffs by replenishing
the exported water.
A management concept is provided by suitable model coupling,
which considers additional specific aspects of the water
quantity management in the Ruhr river catchment. The presented
management model BEWASYS forms the central component. This model
allows to continuously forecast system states of the entire
River Ruhr catchment over a period of several days. Using a
comprehensive pool of historical data, the calibration and
validation of the model in the simulation mode resulted in a
good model adjustment.
Since July 2002 the Ruhr River Association uses the model system
BEWASYS for real time management. On the basis of meteorological
forecasts of the German weather service the system states of the
entire Ruhr River catchment are forecasted over several days, in
order to make both a crucial improvement and an objectification
of the daily reservoir operation possible.