Ganzheitliche integrierte Modellierung wasserwirtschaftlicher Systeme

• Main Author: Reußner, Frank
• Format: Others
• Language: German; de
• Published: 2011
• Online Access: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/2558/4/Reussner_2011_ganzheitliche_Integrierte_Modellierung_wasserwirtschaftlicher_Systeme.pdf; Reußner, Frank <http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/view/person/Reu=DFner=3AFrank=3A=3A.html> (2011): Ganzheitliche integrierte Modellierung wasserwirtschaftlicher Systeme.Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

Die Anforderungen an die Analyse und Bewertung wasserwirtschaftlicher Systeme sind in den letzten Jahren deutlich gestiegen. Dies führt im Bereich der Urbanhydrologie zu einer wesentlichen Erweiterung des Betrachtungsrahmens. Mehrere urbane Gebiete sind zukünftig zusammen mit dem empfangenden Gewässer sowohl in hydraulischer als auch in stofflicher Hinsicht integriert zu betrachten. Damit stehen wir heute vor den Herausforderungen, das Zusammenwirken aller auf das Gewässer wirkenden, anthropogenen Einflüsse zu beurteilen und den Zustand gegebenenfalls durch Maßnahmen zu verbessern. Dies führt dazu, dass die Komplexität der betrachteten wasserwirtschaftlichen Systeme zugenommen hat. Um auf diese Komplexität reagieren zu können, stellt das Werkzeug der Modellierung einen geeigneten, wenn nicht unverzichtbaren Ansatz dar. Die Modellierung wird in der Wasserwirtschaft schon seit geraumer Zeit eingesetzt. Für die einzelnen Sektoren der Wasserwirtschaft haben sich unterschiedliche Modelldomänen ausgebildet. So gibt es z. B. die Niederschlags-Abfluss-Modellierung, die Kanalnetzmodellierung, die Kläranlagenmodellierung, die Gewässermodellierung und die Grundwassermodellierung. Aus weiteren Fachbereichen kommen Wettermodelle, Klimamodelle, Stadtentwicklungsmodelle etc. hinzu. Jede dieser Modelldomänen wird für die Beantwortung spezieller Fragestellungen genutzt, die aus den Disziplinen Hydrologie, Hydromechanik, Wasserbau oder Kläranlagentechnik heraus gestellt werden. Bei übergreifenden Fragestellungen müssen die Modelldomänen bezüglich ihres Zusammenwirkens betrachtet werden. Nähert man sich der Thematik aus dem Blickwinkel der Fachdisziplinen, so ist zu beobachten, dass mit solchen Fragestellungen ehemals getrennte Disziplinen gemeinsam betrachtet werden müssen. Als Schlagwort dafür hat sich die integrierte Modellierung etabliert. Eine Herausforderung der integrierten Modellierung ist die Kopplung der Modelldomänen, da die Schnittstellen zwischen den Modellen nicht nur den Datenaustausch ermöglichen, sondern auch die Skalenproblematiken und Rückkopplungen lösen müssen. Eine weitere Herausforderung der integrierten Modellierung ist, dass die integrierte Betrachtung einen erhöhten Aufwand der Datenerfassung beinhaltet. Eine dritte wesentliche Herausforderung der integrierten Modellierung liegt in der Handhabbarkeit der integrierten Modellierung und ihrer benötigten Daten. Je mehr Modelldomänen gemeinsam betrachtet werden, desto mehr Fachkompetenz muss in die Modellierung eingebracht werden. Das führt zu der Frage, inwieweit ein System der integrierten Modellierung auf die Interdisziplinarität Rücksicht nehmen muss. Ein Blick in die Vergangenheit der Modellentwicklung zeigt, dass eine Erweiterung des Betrachtungsrahmens in der Regel eine Erweiterung einer bestehenden Simulationssoftware darstellte. Aus diesem Grund ist für die Handhabung der erweiterten Simulationssoftware auch die Fachkompetenz im gesamten Betrachtungsrahmen erforderlich. Inwieweit dies bei der integrierten Modellierung noch möglich ist bzw. ob gekoppelte, fachspezifische Simulationssoftware nicht zielführender ist, muss und wird in dieser Arbeit geklärt werden. Mit dieser Arbeit wird ein weiter Bogen gespannt, der von der Bedeutung der integrierten Modellierung über die Möglichkeiten der IT-Technologien bis hin zu einem ganzheitlichen integrierten Modellsystem anhand von Fallbeispielen geschlagen wurde. Das Ziel der Arbeit besteht darin, die aktuelle integrierte Modellierung bezüglich ihrer Werkzeuge und ihrer Arbeitsschritte zu analysieren. Die Ergebnisse dieser Analyse fließen ein in einen Entwurf und die Entwicklung eines integrierten Modellsystems, welches ganzheitlich die Modellierung unterstützt. Dabei sucht diese Arbeit nicht eine Lösung der generellen Problematik der integrierten Modellierung, sondern einen Weg, eine deutliche Verbesserung der integrierten Modellierung zu erreichen. Diese Verbesserung ist durch die Zusammenführung von ingenieurwissenschaftlichen Verfahren und informationstechnologischen Werkzeugen zu erreichen. Es wird analysiert, welche Verfahren zur Modellierung integrierter Systeme angewendet werden können. Dabei werden zwei Ansätze zur Modellkopplung beurteilt. Das Supermodel als vereintes Modell, welches neue Modelldomänen direkt in ein Modellsystem einfügt, und der Interfaced Model Ansatz, welcher einen verteilten Ansatz der Modellsysteme vorsieht. Die Modelle werden beim Interfaced Model Ansatz über Schnittstellen miteinander gekoppelt. Für das ganzheitliche integrierte Modellsystem wird der Interfaced Model Ansatz gewählt, da er die größte Flexibilität und Erweiterbarkeit aufweist. Außerdem wird die Bedeutung der Datenintegration an die Modellsysteme hervorgehoben und untersucht, welche Datenkategorien existieren und wie diese an Modelle gekoppelt werden können. Der Kern dieser Arbeit ist der Entwurf eines ganzheitlichen integrierten Modellsystems. Dabei steht „integriert“ für die Modellkopplung verschiedener Modelldomänen und „ganzheitlich“ für die Unterstützung der Arbeitsprozesse der Modellierung und der Datenintegration. Die Zielsetzung des ganzheitlichen integrierten Modellsystems ist ein System, das die Modellkopplung generisch abbilden kann und die Datenintegration vereinfacht. Um ein nachhaltiges System aufzubauen, sind dabei bestehende Standards kombiniert worden. Entwickelt wurde ein ganzheitliches integriertes Modellsystem, das zwei Teil-Modellsysteme beinhaltet. Als Kanalnetzmodell ist das Schmutzfrachtmodell SMUSI verwendet worden. Um das Gewässer abzubilden, wurde das hydrologische Gewässermodell mit Gewässergütemodellierung BlueM.Sim genutzt. Beide Modelle wurden um eine Georeferenzierung erweitert und besitzen nun Schnittstellen zur externen Eingabe von Niederschlagsdaten und Ausgabe von georeferenzierten Abflusswerten. Für die Kopplung von Niederschlagsdaten an die Modellsysteme ist die Komponente Generic Engine Interface (GEI) der Bundesanstalt für Wasserbau verwendet worden, die dergestalt erweitert wurde, dass sie netCDF-Dateien mit Niederschlagsintensitäten einlesen und diese über OpenMI an die Modellsysteme zu jedem simulierten Zeitschritt übergeben kann. Für die Datenauswertung wurde das Auswertungswerkzeug BlueM.Analyser so erweitert, dass eine Ausgabe von Ganglinien in netCDF-Format mit Angabe der räumlichen Informationen möglich ist. Das aufgebaute ganzheitliche integrierte Modellsystem wurde auf zwei Fallbeispiele angewendet.