Abgeschlossene Forschungsvorhaben

Nature-Oriented Flood Damage Prevention (nofdp)

Das nofdp-Projekt ist Teil des Interreg IIIB Programmes, einer Initiative der Europäischen Kommission zur Förderung der interregionalen Zusammenarbeit innerhalb Europas. Vorhaben ist die Entwicklung eines Leitfadens für einen ökologisch verträglichen Schutz vor Hochwasserschäden. Ein computergestütztes Informations- und Entscheidungsunterstützungssystem (engl. Information and Decision Support System, IDSS) soll Entscheidungsträgern und Wasserverbänden bei der Umsetzung dieses Ziels helfen. Die aktuelle Version des nofdp IDSS kann auf der Seite http://nofdpidss.sourceforge.net kostenfrei heruntergeladen werden. Vier Beispielprojekte gewährleisten den Bezug zur Praxis. Sie betreffen kleine bis mittelgroße Flüsse in den Niederlanden und in Deutschland.

Das Fachgebiet ihwb ist vom Hessischen Ministerium für Umwelt, ländlichen Raum und Verbraucherschutz mit der organisatorischen und wissenschaftlichen Koordination des Projektes beauftragt worden. Weitere Informationen zu dem nofdp-Projekt finden Sie auf den Projektseiten unter http://www.nofdp.net/ .

nofdp IDSS

Das nofdp IDSS ist eine Open Source Software zur interaktiven Entwicklung von Hochwasserschutzkonzepten unterstützt durch eine 1D, hydrodynamische Simulationssoftware. Des Weiteren beinhaltet es Module für raumplanerische und ökologische Analysen, zur multikriteriellen Evaluierung, zur Erstellung von Hochwasserrisikokarten, zur Ermittlung der Überflutungshäufigkeit und –dauer sowie zur Kommunikation.

Das Akronym IDSS steht für Information and Decision Support System. Der Haupteinsatzbereich liegt in der Vorplanung und Strategieentwicklung von Hochwasserschutzmaßnahmen und Konzepten. Diese Software wurde mit zehn Partnern im Rahmen des INTERREG III B Projektes nofdp und Ingenieurbüros aus Deutschland und den Niederlanden entwickelt.

Modifizierung des Leitfadens zum Erkennen kritischer Gewässerbelastungen durch Abwassereinleitungen – Entwicklung einer simulationsgestützten Analyse- und Planungsmethodik

Bei der Erteilung einer wasserrechtlichen Erlaubnis für die Einleitung von Abwasser in oberirdische Gewässer wird bei Kläranlagenabläufen die Konzentration der relevanten Schadparameter, bei Einleitungen aus den Mischwasser- und Regenwassernetzen die Entlastungsfrachten, -häufigkeiten sowie –dauern begrenzt. Weitergehende Anforderungen an die Qualität und Quantität des einzuleitenden Abwassers sind immer dann zu stellen, wenn dies aus Gründen des Gewässerschutzes erforderlich ist. Die vorliegenden örtlichen Gewässerverhältnisse müssen daher vor der Erteilung, Verlängerung oder Änderung einer wasserrechtlichen Einleitungserlaubnis überprüft und bewertet werden. Zu diesem Zweck hat das Land Hessen einen Leitfaden unter Berücksichtigung der Grundsätze der Europäische Wasserrahmenrichtlinie 2000/60/EG entwickelt.

Aufbauend auf den bisherigen Ansätzen des hessischen Leitfadens werden weitergehenden Überlegungen zur immissionsorientierten Nachweisführung angestellt und Vorschläge für einen im Vergleich zur bisherigen Vorgehensweise die örtlichen Gegebenheiten besser berücksichtigenden und die in den letzten 15 Jahren landesweit erhobenen Daten und Modelle besser einbeziehenden Nachweis erarbeitet.

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer simulationsgestützten Analyse- und Planungsmethodik zur immissionsorientierten Nachweisführung, die auf dem hessischen Schmutzfrachtmodell SMUSI 5.0, erweitert um Simulationsbausteine für Fließgewässer und natürliche Einzugsgebiete („erweitertes Schmutzfrachtmodell“), aufbaut. Der Einsatz des erweiterten Schmutzfrachtmodells ermöglicht durch die detaillierte Berücksichtigung der Abfluss- und Speicherprozesse der urbanen Systemkomponenten eine qualifiziertere Bestimmung der Gewässerbelastungen aus der Stadtentwässerung und ermöglicht eine vergleichende Maßnahmenplanung. Dabei wird kein wesentlicher zusätzlicher Datenerhebungsaufwand im Vergleich zum bisherigen vereinfachten Nachweis nach hessischem Leitfaden generiert.

Risikomanagement extremer Hochwasserereignisse (RIMAX)

Im Rahmen der BMBF-Fördermaßnahme RIMAX (Risikomanagement extremer Hochwasserereignisse) wird das Projekt „Erhöhung der Bauwerkssicherheit und Reduktion des Hochwasserrisikos im Unterlauf durch optimierte Speicher- und Poldersteuerung unter Berücksichtigung ökologischer Belange “ bearbeitet.

Derzeit werden neue Ansätze für eine intensivere Berücksichtigung ökologischer Aspekte bei der Entwicklung von Hochwasserschutzkonzepten diskutiert, deren Umsetzung mittelfristig auch im Einklang mit der europäischen Wasserrahmenrichtlinie zu erwarten ist. Dabei muss gleichzeitig sichergestellt werden, dass die Sicherheit der Stauanlagen durch die neuen Bewirtschaftungskonzepte zumindest nicht reduziert, besser noch verbessert wird wo dies entsprechend der technischen Regelwerke geboten ist.

In diesem Forschungsprojekt soll das Gerüst eines geeigneten Handwerkszeugs zur Analyse von Hochwasserschutzsystemen im Bereich der Mittelgebirge und angrenzender Übergangsstrecken entwickelt werden, die maßgeblich von Talsperren beeinflusst sind. Diese Methodik umfasst gekoppelte Monitoring- und Modellsysteme, mit denen dynamische Bewirtschaftungsstrategien entwickelt werden können, was letztlich zur Aufgabe der bisher meist getrennten Betrachtung von Bewirtschaftungsregeln und Echtzeitsteuerung führen kann.

Der Projektpartner TU Dresden behandelt die Problematik der Bewirtschaftung von Hochwasserschutzräumen im Unterlauf der Talsperren. Als Fallbeispiel für das Projekt dient das Talsperrensystem des Wasserverbands Eifel-Rur .

Diskret-kontinuierliche Optimierung komplexer dynamischer Wasserver- und -entsorgungssysteme (Odysseus)

Im Bereich der Wasserwirtschaft werden seit mehreren Jahrzehnten Simulations- und Optimierungsverfahren verwendet. Besonders die Entwicklung komplexer Modellsysteme und deren Verwendung zur Ableitung optimaler Entscheidungen erfolgt in einem rasanten Tempo. Nur in seltenen Fällen gibt es dabei eine Rückkopplung oder direkte Kooperation mit der angewandten Mathematik. Gleichzeitige Erkenntnisse und Entwicklungen in der Mathematik bleiben daher in der Regel unberücksichtigt. Es liegt auf der Hand, dass die fehlende Abstimmung und Integration mit einem reduzierten Erkenntnisfortschritt verbunden sein kann.

Allgemein hat sich nun gezeigt, dass die disziplinäre Behandlung realer Probleme kaum noch zu erheblichen Innovationen führt. Die Überschreitung disziplinärer Grenzen bietet dagegen noch unbekannten Spielraum für Synergie und Innovation.

Das Projekt „Diskret-kontinuierliche Optimierung komplexer dynamischer Wasserver- und -entsorgungssysteme“ ziehlt auf die Überwindung dieser fehlenden Abstimmung und Kooperation ab. Die einzelnen Teilprojekte werden in Kooperation mit Ver- und Entsorgungsunternehmen, Infrastrukturanbietern sowie Planungsbüros durchgeführt und haben daher einen engen Praxisbezug. Weitere Informationen zu dem Odysseus-Projekt finden Sie auf den Projektseiten unter http://www.odysseus.tu-darmstadt.de/.

Integrierte Steuerung von urbanen Entwässerungssystemen

Im Rahmen der Entwässerungsplanung werden immer häufiger Maßnahmen zur Abflusssteuerung als Alternative zu herkömmlichen Sanierungsverfahren (Bau von Mischwasserentlastungsanlagen, Aufweitung von Kanalquerschnitten) in Betracht bezogen. Begründet liegt dies in der Suche nach kostengünstigen Maßnahmen sowie in den Entwicklungen auf dem Gebiet der Computer- und der Messtechnik, die zum Einen zu einer Weiterentwicklung der erforderlichen Werkzeuge und zum Anderen zu einem besseren Verständnis der hydraulischen und stoffbezogenen Zusammenhänge und Wirkungsketten geführt hat.

Das vertiefte Verständnis der Zusammenhänge sowie die Grenzen, an die man mit den bislang angesetzten emissionsorientierten Maßnahmen hinsichtlich der Verbesserung des ökologischen Zustandes unserer Gewässer gestoßen ist, führte in der EU im letzten Jahrzehnt zu einem Umdenken auf legislativer Ebene. Im Jahr 2000 wurde die Wasserrahmenrichtlinie verabschiedet, die mittlerweile in nationales Recht umgesetzt wurde und zu einer konkreten Veränderung in der lokalen Gesetzgebung führte. In Hessen zum Beispiel ist für die Erlangung einer Einleitungsgenehmigung die Anwendung des „Leitfaden für das Erkennen ökologisch kritischer Gewässerbelastungen durch Abwassereinleitungen“ zwingend erforderlich. Konkret bedeutet dies, dass eine imissionsorientierte Bewertung von Planungsmaßnahmen durchgeführt werden muss.

Für eine imissionsorientierte Bewertung von Abflusssteuerungsmaßnahmen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Gewässergüte sind die entsprechenden Werkzeuge, ergo die entsprechende Simulationssoftware erforderlich. Das „integrierte Entwässerungssystem“ besteht hierbei aus den drei Komponenten Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer, d.h. der Abwasserableitung (Kanalnetz) und –reinigung (Kläranlage), deren Auswirkungen auf die Umwelt (Gewässer) evaluiert werden müssen. Im Rahmen der Dissertation werden verschiedene Aspekte in diesem Kontext untersucht. Im Folgenden sind einige Punkte zusammengestellt:

  • Anforderungen an die Simulationssoftware: Welche Detailliertheitsgrade sind bei der Abbildung der drei Komponenten des Entwässerungssystems erforderlich?
  • Neue Entwicklungen bei der Simulationssoftware: Können hydrodynamische Modelle für die prädikative, modellbasierte Steuerung sinnvoll eingesetzt werden?
  • Untersuchung verschiedener Optimierungsverfahren in Verbindung mit der modellbasierten, prädikativen Steuerung: Sind für die Steuerung globale, heuristischen Suchverfahren erforderlich oder können mit (vermutlich schnelleren) lokalen Optimierungsverfahren gleichwertige Ergebnisse erzielt werden. Besonders die Anwendung ableitungsbasierter Verfahren soll in diesem Zusammenhang untersucht werden. Sind hybride Verfahren sinnvoll einsetzbar?
  • Einsatz multikriterieller Optimierungsverfahren für die Echtzeitsteuerung: In wie fern können sie überhaupt im Rahmen der Abflusssteuerung eingesetzt werden?

Für die Untersuchungen werden verschiedene zur Verfügung stehende Simulationswerkzeuge eingesetzt. Ein wesentlicher Aspekt bei der Auswahl und Entwicklung ist hierbei die Verfügbarkeit und Anwendbarkeit der verwendeten Software.

EWASE (Early Warning Systems for Flash-Floods – Efficiency and Effectiveness)

EWASE ist in die ERA-NET-CRUE Initiative eingebettet, die von der Europäischen Kommission im Rahmen des sechsten Rahmenprogramms gefördert wird. Das EWASE Projekt hat die Bewertung der Effektivität und Effizienz von Frühwarnsystemen für Einzugsgebiete, die den Gefahren von Sturzfluten ausgesetzt sind, zum Ziel.

In einem interdisziplinären Ansatz werden aufbauend auf dem Konzept der Risikoanalyse, Strategien zur Vermeidung von Hochwasserschäden durch Frühwarnungen entwickelt. Die Wirksamkeit bestehender struktureller Hochwasserschutzmaßnahmen in den Einzugsgebieten Bèsos (Spanien) und Traisen (Österreich) wird analysisert und das Verbesserungspotential durch die Anwendung von Frühwarnsystemen erforscht. Weitere Informationen zu dem EWASE-Projekt finden Sie auf den Projektseiten unter http://www.ewase.net/ .

Schmutzfrachtsimulationsmodell SMUSI 5.0

Das Modell SMUSI dient zur Simulation von Schmutzfrachten in städtischen Entwässerungsnetzen. Es wird zur Bemessung von Anlagen für den Gewässerschutz für Mischwasserkanalisationsnetze eingesetzt. Mit dem Modell wird gegenüber den Aufsichtsbehörden nachgewiesen, dass Grenzwerte für den Schmutzfrachtaustrag nicht überschritten werden. Das Modell steht gegen eine Lizenzgebühr der Fachöffentlichkeit zur Verfügung.

Die Software läuft auf jedem normal ausgerüsteten PC. Sie ist insbesondere geeignet zum Einsatz in Ingenieurbüros, die mit der Planung von Stadtentwässerungsnetzen beauftragt sind.

Ab der Version 5.0 wird der Vertrieb von SMUSI durch das Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie übernommen. Der bisherige kostenfreie Support für SMUSI durch das IHWB wurde mit der Auslieferung von SMUSI 5.0 eingestellt. Auf Wunsch ist ein kostenpflichtiger Support durch das IHWB zu beziehen. Anfrage zum kostenpflichtigen Support können über das Sekretariat des IHWB gestellt werden.

Integrierte Modellierung von Abfluss und Stoffströmen für Einzugsgebiete mit komplexer Nutzung auf Immissonsbasis

Die Landnutzung in kleinen und mittleren Einzugsgebieten setzt sich häufig aus einer inhomogenen Mischung landwirtschaftlich genutzter Flächen, urbanisierter Gebiete und natürlicher Flächen zusammen. Aus allen drei Bereichen können Belastungen für ein Gewässer entstehen. Für die einzelnen Teilbereiche sind Simulationsmodelle akzeptierte Planungswerkzeuge.

Integrierte Modelle bilden in der Regel Kanalnetz und Kläranlage sehr detailliert ab, Abfluss aus oberhalb liegenden Gebieten und damit verbundene diffuse Stoffeinträge werden meist nicht modelliert. Darüber hinaus kann nur ein urbanes Gebiet betrachtet werden. Im Gegensatz dazu berücksichtigen Modelle für diffuse Stoffeinträge ie Belastungen aus Punktquellen meist nur aggregiert. Die Abschätzung der diffusen Einträge erfolgt überwiegend für längere Zeiträume mit Emissionsverfahren, so dass ein konkreter Bezug zu Gewässergütezielen, die auf Konzentrationsebene festgelegt werden, schwierig ist.

Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines integrierten Modellystems zur immissionsbasierten Betrachtung von Abfluss und Stoffströmen aus allen drei möglichen Bereichen: Mehrere urbane Gebieten und die diese umgebenden natürlichen und landwirtschaftlich genutzten Gebiete.

Pilotprojekt Modau – Bewirtschaftungsplan für ein kleines Einzugsgebiet gemäß EU-Wasserrahmenrichtlinie

In Hessen werden ab Mitte 2005 verschiedene Pilotprojekte durchgeführt. Zielsetzung ist die Vorbereitung auf die Aufstellung der Bewirtschaftungspläne durch Erprobung verschiedener Arbeitsschritte/ -felder. Dabei liegen in den einzelnen Pilotgebieten unterschiedliche Problembereiche vor.

Bis Ende 2006 soll beispielhaft für die Oberflächenwasserkörper des Einzugsgebiets der Modau sowie für zwei Grundwasserkörper im Einzugsgebiet der Modau ein Bewirtschaftungsplan und Maßnahmenprogramm erstellt werden. Bei der Erstellung von Bewirtschaftungsplänen und Maßnahmenprogrammen gemäß Anhang VI und VII EU-WRRL muss aufbauend auf den Ergebnissen der Bestandsaufnahme und des Monitoring vor allem festgestellt werden, inwieweit die Umweltziele gemäß WRRL bei den zu betrachtenden Wasserkörpern noch nicht erreicht werden. Maßgeblich ist hierbei in der Regel, ob eine Abweichung des Ist-Zustands vom guten Zustand des Gewässers vorliegt. Dann müssen aus dem Maßnahmenkatalog geeignete Maßnahmen zur Verbesserung des Gewässerzustands ausgewählt und in ihrer Wirkung analysiert werden. Durch vergleichende Bewertung mittels einer Kostenwirksamkeitsanalyse ein Maßnahmenpaket zusammengestellt werden, mit dem der gute Gewässerzustand am effizientesten zu erreichen ist. Die Öffentlichkeit und betroffene Organisationen sind hierbei angemessen zu beteiligen. Die Endberichte der einzelnen Pilotprojekte sind auf den Seiten des Hessischen Ministeriums für Umwelt, ländlichen Raum und Verbraucherschutz (HMULV ) veröffentlicht.

Adaptive Talsperrensteuerung unter veränderlichen Randbedingungen – das Fallbeispiel Asuanstaudamm

Während der Lebensdauer eines Staudammes ändern sich die Randbedingungen fortwährend. Hierzu zählen globale Veränderungen wie der Klimawandel und ökonomische Veränderungen und nationale, regionale oder lokale Änderungen. Nationale Änderungen werden häufig durch politische Entscheidungen beeinflusst, regionale Änderungen können Änderungen im Wasserverbrauch und dem zur Verfügung stehenden Niederschlag bestehen. Lokale Veränderungen stehen in direkter Verbindungen mit Änderungen an der Bauwerksstruktur. Ziel ist es, auf diese Veränderungen vorbereitet zu sein. Hierzu sind die Konsequenzen der Veränderungen in der Zukunft mittels Szenarien zu analysieren (Multiple Zukünfte).

Im Rahmen der Arbeit wird das Modell BlueM zur Analyse der veränderten Wasserverfügbarkeit und -bedarf sowie Änderungen der Bauwerksstrukur und der Betriebsregeln am Beispiel des Asuan-Staudamms untersucht.

WSM300 -Verbesserte Ansätze für Wasser- und Stoffstrommanagement in intensiv genutzten kleinen Einzugsgebieten auf der Grundlage von integrierten Nutzen- und Risikobewertunge

Im Rahmen des DBU-Forschungsvorhaben „Verbesserte Ansätze für Wasser- und Stoffstrommanagement in intensiv genutzten kleinen Einzugsgebieten auf der Grundlage von integrierten Nutzen- und Risikobewertungen (WSM 300) “ sollen eine Methodik und Systematik erarbeitet und in ein Werkzeug umgesetzt werden, mit deren Hilfe die Effektivität und Effizienz der integrierten wasserwirtschaftliche Planung und Entscheidungsfindung in kleinen Einzugsgebieten erhöht wird.

Das Fachgebiet ihwb ist mit der Fallstudie Modau an dem Forschungsvorhaben beteiligt.

Umsetzung der EU-Wasserrahmenrichtlinie: Wassergütemodellierung der Oberen Modau

Das Ziel der EU-Wasserrahmenrichtlinie ist der gute Zustand der Gewässer bis zum Jahre 2015. Nach Abschluß der Bestandsaufnahme befindet sich die Umsetzung in Deutschland derzeit in der Monitoringphase. Neben den hierfür notwendigen Untersuchungen können Simulationsmodelle zur Ergänzung der erhobenen Daten herangezogen werden.

Für das Fallbeispiel der Oberen Modau wird der Einsatz von Wassergütemodellen zur Erreichung der Ziele der EU-Wasserrahmenrichtlinie für die Obere Modau und das Hochwasserrückhaltebecken Ober-Ramstadt erprobt.

Ein Modellkonzept zur integrativen Betrachtung von Urban- und Ruralhydrologie auf Einzugsgebietsebene

Traditionell werden hydrologische Verhältnisse in urbanen und ländlichen Einzugsgebieten weitestgehend unabhängig voneinander analysiert, z.T. sogar von unterschiedlichen Fachdisziplinen. Die jüngsten Entwicklungen in der Wasserwirtschaft in Richtung einer integrierten Betrachtung der Abflussverhältnisse auf der Basis von Einzugsgebieten erfordert jedoch zunehmend die gemeinsame Analyse mit besonderer Betrachtung der Schnittstellen natürlicher und urbaner Einzugsgebiete. Dies wird auch in der langfristig wirksamen Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) gefordert.

Ziel der Arbeit ist es, eine Möglichkeit für die Integration eines urbanhydrologischen Modellsystems in ein rasterbasiertes, GIS-gestütztes, hydrologisches Simulationsmodell zu finden. Grundlegende Fragen betreffen hierbei insbesondere die bestmögliche modelltechnische Abbildung der urbanhydrologischen Flächen und die durch Siedlungen hervorgerufenen Veränderungen in den Gewässern im ländlichen Raum, sowie die Abbildung der Wechselwirkungen zwischen urbanem und ländlichem Raum.

Berücksichtigung von Unsicherheiten in der hydrologischen Modellierung

Computersimulationsmodelle werden in der wasserwirtschaftlichen Planung zunehmend zur Beantwortung vielfältiger Fragestellungen eingesetzt. Die Kenntnis der zugrunde liegenden Prozesse ist jedoch begrenzt, daher sind diese Modelle immer vereinfachte Abbildungen der realen Systeme. Aus diesem Grund sollten die Modellergebnisse als unsichere Schätzwerte aufgefasst werden. Dies sollte insbesondere bei Entscheidungen auf Grundlage von Modellergebnissen berücksichtigt werden.

Ziel der Arbeit ist es eine Methode zu erarbeiten, die es erlaubt, (1) die verschiedenen Unsicherheitsursachen zu quantifizieren und in der hydrologischen Modellierung zu berücksichtigen, (2) den Einfluss der Unsicherheitsursachen auf die Modellergebnisse sowohl getrennt als auch gemeinsam zu untersuchen, (3) umfassendere Informationen über die Unsicherheit in den Modellergebnissen abzuleiten, die eine wichtige Voraussetzung für eine (4) verbesserte Einschätzung von Risiken sind.

Weiterhin werden daraus genauere Kenntnisse über die Gültigkeit des Modells, Hinweise bezüglich Möglichkeiten zur Minderung der Modellunsicherheit, eine verbesserte Einschätzung der Zuverlässigkeit der Modellergebnisse und deren Glaubwürdigkeit erwartet.