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Ganzheitliche integrierte Modellierung wasserwirtschaftlicher Systeme

Reußner, Frank :
Ganzheitliche integrierte Modellierung wasserwirtschaftlicher Systeme.
FG Ingenieurhydrologie und Wasserbewirtschaftung - TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Ganzheitliche integrierte Modellierung wasserwirtschaftlicher Systeme
Language: German
Abstract:

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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The requirements for assessment of water management systems have increased significantly in recent years. This results in the field of urban water systems in a expansion of the viewing frame. Therefore several urban areas are to be considered together with the receiving waters in both hydraulic and pollutant. We are facing the challenge of assessment of all anthropogenic impacts in receiving water bodies. This leads to an increasing complexity. To respond to this complexity, modelling is an adequate approach. Modelling is used for urban water systems for quite some time. Different model domains have been formed for each considered sectors of water management. There are, for example, the rainfall-runoff modelling, sewer modelling, water treatment plant modelling, river modelling and groundwater modelling. From other departments there are weather models, climate models, urban models, etc. Each of these model domains are used for specific questions from the fields of hydrology, hydro-mechanical, hydraulic and wastewater treatment technology. More detailed questions can only be answered thru the consideration of the interaction of the model domains. This work aims for the support of these integrated modelling. Therefore a holistic integrated model system was designed. "integrated model” stands for the coupling of different model domains and "holistic" stands for supporting the work processes of modelling and data integration. The objective of this holistic integrated model system is a system with generic model coupling and standardized data integration. To build a sustainable system, the existing standards OpenMI and netCDF have been combined. The holistic integrated model system was applied to two case studies.English
Uncontrolled Keywords: Integrierte Modellierung, OpenMI, netCDF, Sensor Observation Service, Datenintegration, Generic Engine Interface, Modellkopplung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Integrierte Modellierung, OpenMI, netCDF, Sensor Observation Service, Datenintegration, Generic Engine Interface, ModellkopplungGerman
Integrated Modelling, OpenMI, netCDF, Sensor Observation Service, Data Integration, Generic Engine Interface, Model CouplingEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 650 Management
Divisions: Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie > Institut Wasserbau und Wasserwirtschaft > FG Ingenieurhydrologie und Wasserbewirtschaftung
Date Deposited: 11 May 2011 10:46
Last Modified: 07 Dec 2012 12:00
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-25582
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Ostrowski, Prof. Dr.- M. W. and Hinkelmann, Prof. Dr.- Reinhard
Refereed: 15 March 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2558
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