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Abteilung Siedlungswasserwirtschaft
Urban Water Infrastructure Model (UWIM)
Die ersten Kanalisationen wurden in der Schweiz vor ca. 150 Jahren gebaut, seit dem hat die Schwemmkanalisation einen einzigartigen Siegeszug in der Siedlungsentwässerung angetreten und besitzt eine unangefochtene Monopolstellung. Trotzdem wird die Nachhaltigkeit des heutigen Systems in der Fachwelt mehr und mehr diskutiert. Eine Vielzahl neuartiger Sanitärsysteme wird vorgeschlagen, welche die Nachteile des bestehenden Systems zu beheben versprechen.
Um verschiedene Alternativen miteinander vergleichen und beurteilen zu können, muss man ihre prinzipielle Charakteristik kennen. Die Kanalisation ist diesbezüglich überraschend schlecht charakterisiert. Es fehlen unter anderem generelle Kostenparameter, Leistungsfähigkeit und effektive Lebensdauer - alles Informationen, die für eine vergleichende Beurteilung nötig wären. Hinzukommt, dass es sehr schwierig ist, detaillierte Informationen über bestehende Kanalisationen zu erhalten. Aus diesem Grund wurde das Urban Water Infrastructure Model (UWIM) entwickelt. Es soll allgemeine Einflussfaktoren auf die Kanalisation und deren Wert beschreiben und quantifizieren können.
Ziel des Modells ist die Beantwortung von allgemeinen Fragen der Infrastrukturentwicklung, wie z.B. das Transition Management von traditionellen hin zu dezentralen Systemen
Urban Water Infrastructure Model (UWIM)
Das Urban Water Infrastructure Model (UWIM) ist ein konzeptionelles Modell, welches die Abwasserinfrastruktur in einem Siedlungsgebiet mittels generischen Eingangsparametern wie z.B. Grösse des Siedlungsgebiets, Anzahl Gebäude quantitativ beschreibt.
Es besteht aus zwei Hauptmodulen (1) dem Gebietsmodul (2) dem Kostenmodul. Im ersteren werden die Gesamtlänge und die Durchmesserverteilung des Kanalisationssystems anhand der Gebäudezahl und der abflusswirksamen Fläche des Gebiets berechnet.
Abbildung 1 verdeutlicht den prinzipiellen Aufbau des vereinfachten Siedlungsbietes, welcher Grundlage für die weiterführenden Berechnungen ist.
Die Berechnung der Durchmesserverteilung beruht auf einer Listenrechnung unter Verwendung des Manning-Strickler-Ansatzes. Die Modellvorhersagen wurden mit Kanalisationsdaten verschiedener Teileinzuggebiete verglichen. Die Daten stammen aus Kanalisationsdatenbanken unterschiedlicher Gemeinden und Städte der Schweiz. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung der Charakteristik der Gebiete mit den Ergebnissen des Modells.
In einem weiteren Schritt werden mit der Gesamtlänge und der Durchmesserverteilung unter Anwendung des Kosten-Moduls die Wiederbeschaffungswerte berechnet. Zusätzlich werden für die Berechnung die Tiefe der Kanalisation und die Komplexität des entsprechenden Bauvorhabens (Lage im Feld oder Lage unterhalb einer Strasse) berücksichtigt. Andere kostenrelevante Einflussfaktoren, wie z.B. Untergrundbeschaffenheit oder das Rohrleitungsmaterial, werden aus Gründen der Vereinfachung vernachlässigt.
Das UWIM bildet die Grundlage um verschiedene Einflussfaktoren auf die Kanalisation quantitativ zu beschreiben. Dadurch wurden die Voraussetzungen geschaffen, um zukünftig dynamische Prozesse in der Entwicklung von Kanalisationssystemen beschreiben zu können, z.B. das Wachstum der Kanalisation in Zusammenhang mit der Siedlungsentwicklung und der Zerfall der Kanalisation.
Software
Eine R-Implementation von UWIM findet sich hier
UWIM-Anwendungen und aktuelle Projekte
Economy of Scale
Zentrale Kanalisationssysteme sind heute Stand der Technik in der Siedlungswasserwirtschaft. In der Schweiz sind mehr als 96% der Bevölkerung an die zentrale Kanalisation angeschlossen. Aber was ist die optimale Grösse eines solchen Systems und ist grösser wirklich billiger? Mit Hilfe von UWIM wurde versucht diese Frage des „Economy of Scale“ für Mischwassersysteme zu beantworten.
Die Simulationsergebnisse zeigen, dass in der Schweiz eine „Economy of Scale“ für das Mischsystem existiert. Vor allem die beiden folgenden gegenläufigen Zusammenhänge konnten gezeigt werden:
- (1) steigende Wiederbeschaffungskosten je Meter Kanalisation bedingt durch steigenden mittleren Kanaldurchmesser für grössere Einzugsgebiete,
- (2) eine höher Einwohner- und Gebäudedichte in grossen Städten, die zu geringern einwohnerspezifischen Kosten führt.
Landschaftsmass
Bisher kann das UWIM nur Kanalisation eines zusammenhängenden Siedlungsgebietes beschreiben. In der Realität sind jedoch oft einzelne Siedlungsgebiete durch Verbindungskanalisationen miteinander verbunden und bilden das Einzugsgebiet einer Kläranlage. Es wird versucht, ein Landschaftsmass zu finden, welches die Zersiedelung und deren Einfluss auf die Kanalisation beschreibt.
Zerfallsmodell
Für ein dynamisches Modell der Kanalisation ist es zentral, das Alterungsverhalten von Kanalisationsleitungen zu kennen. Da in der Schweiz nur Daten über den heutigen Zustand vorliegen, ist es schwierig auf das Alterungsverhalten zu schliessen: Der heutige Zustand ist ein Resultat von Zerfallsprozessen, der Erweiterungen des Netzes und des Ersatzes alter Leitungen. Ziel ist ein Zerfallsmodell, das sich mit den bestehenden Daten kalibrieren lässt.
Dynamische Simulation der Gesamtkosten
Will man verschiedene Kanalisationssysteme oder Sanierungsstrategien miteinander vergleichen, müssen die Kosten dynamisch berechnet werden. Genaue Kenntnisse über die zu erwartende Lebensdauer spielen hierfür eine zentrale Rolle, um die Kapital- und Unterhaltskosten korrekt abzubilden.