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Optimierung der Steuerung von Hochwasserrückhaltebeckensystemen
(2006) Winkler, Nina Simone; Giesecke, Jürgen (Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h.)
Hochwasserrückhaltebecken (HRB) als Teile von HRB-Systemen werden derzeit üblicherweise eigenständig betrachtet und entsprechend gesteuert. Meist wird dabei mit einer festen Schieberstellung bzw. mit einer konstanten Regelabgabe gesteuert. Diese Steuerung führt bei extremen Hochwasserereignissen und Abflüssen aus Zwischeneinzugsgebieten nicht zur bestmöglichen Reduktion von Schäden. In der vorliegenden Forschungsarbeit wird ein Verfahren zur Optimierung der Steuerung von HRB-Systemen bei extremen Hochwasserereignissen und Abflüssen aus Zwischeneinzugsgebieten vorgestellt. Dabei wird die räumliche Verteilung der Schadensstellen und ihre Beeinflussung durch Teilsysteme berücksichtigt. Die Optimierung erfolgt simulationsgestützt durch ein N-A-Modell. Die Optimierung dient der Minimierung von Schäden durch Hochwasser im Einzugsgebiet. Die Schadenshöhe wird über die Abflüsse an potentiellen Schadensstellen parametrisiert. Das Optimierungsmodell liefert eine optimierte Steuerung für ein betrachtetes Hochwasserereignis. Dieses kann mehrgipflige Wellen umfassen und dauert bis zum vollständigen Abwirtschaften des HRB-Systems an. Es wird angenommen, dass bei einer länger dauernden geringen Überschreitung der Leistungsfähigkeit weniger Schäden entstehen als bei einer kurzen extremen Überschreitung. Bei der Optimierung werden folgende Informationen ausgewertet: (1) Der räumlich und zeitlich variable Systemzustand des Einzugsgebiets, (2) das Zusammenwirken der HRB im HRB-System und (3) die Niederschlags- bzw. Abflussvorhersage. Die beiden ersten Informationgruppen werden über ein Regelsystem erfasst. Die Regeln dieses Regelsystems dienen bei der Optimierung zur Auswertung der Niederschlagsvorhersage als Nebenbedingungen. Für die Entwicklung des Regelsystems wurden die HRB mittels dreier Kriterien klassifiziert: (1) Zugehörigkeit zu Teilsystemen, (2) Ebene der HRB innerhalb des HRB-Systems und (3) Konsequenzen des Anspringens der Hochwasserentlastungen der HRB. Diese drei Kriterien ermöglichen eine Dekomposition des HRB-Systems. Jedem HRB werden dabei Schadensstellen im Unterlauf zugeordnet, die von ihm unmittelbar und in relevantem Ausmaß beeinflusst werden. Die Niederschlagsvorhersage wird über eine iterative Anpassung der zeitlich variablen Beckenabgabe und eines maximalen Abflusses an den Schadensstellen berücksichtigt. Teilsysteme werden in der Optimierung des HRB-Systems zunächst aggregiert betrachtet. Das Optimierungsverfahren kann als heuristischer Dekompositions-Aggregationsansatz mit iterativer Teilsystemoptimierung klassifiziert werden. Durch sukzessives Verschieben des Optimierungshorizonts können bei einer Echtzeitberechnung jeweils aktuelle gemessene Systemzustände und aktualisierte Vorhersagen berücksichtigt werden. Ferner kann durch den gleitenden Optimierungshorizont frühzeitig auf Folgewellen mehrgipfliger Ereignisse reagiert werden. Das Optimierungsverfahren wurde am Beispiel des HRB-Systems des Wasserverbands Obere Jagst mit 15 HRB und einem Einzugsgebiet von ca. 400 km² entwickelt. Durch eine Trennung von Programmcode und Eingangsdaten kann es für jedes vergleichbare HRB-System angewandt werden. Systemänderungen können untersucht werden, ohne dass der Programmcode geändert werden muss. Es bestehen keine prinzipiellen Einschränkungen hinsichtlich der Anzahl der zu berücksichtigenden HRB. Das Optimierungsverfahren wurde am Beispiel eines extremen Hochwasserereignisses im untersuchten Einzugsgebiet entwickelt. Eine Validierung erfolgte anhand eines weiteren extremen Hochwasserereignisses. Das Optimierungsverfahren zeigte bei den beiden untersuchten Ereignissen gute und plausible Ergebnisse. Um die Sensitivität des Modells gegenüber verschiedenen Eingangsdaten und verschiedenen Nebenbedingungen der Optimierung festzustellen, wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Auf ihrer Basis wurden Vorschläge zur Generierung von Szenarien erarbeitet, die zur Berücksichtigung der Unsicherheit der Eingangsdaten berechnet werden sollen. Weiterhin wurden aufbauend auf Szenarienuntersuchungen Diagramme entwickelt, die im Hochwasserfall bei einem Ausfall der Datenübertragungssysteme und den damit verbundenen Einschränkungen von Echtzeitberechnungen eine verbesserte Steuerung im Vergleich zur Regelsteuerung ermöglichen sollen. Hierfür wurden 540 Szenarien mit synthetischen Eingangsdaten berechnet und ausgewertet. Dabei wurden die Anfangswasserstände des HRB-Systems, die Niederschlagsdauer, die Niederschlagshöhen, deren zeitliche Verteilung und die Vorbodenfeuchte variiert. Auf Basis der entwickelten Diagramme kann die Gefährdung von Schadensstellen und HRB eingeschätzt werden. Abschließend wurden die gewonnenen Erkenntnisse zur Steuerung von HRB-Systemen im Hinblick auf den Entwurf von HRB-Systemen ausgewertet. Es wurden Vorschläge zur Bemessung von HRB als Bestandteile verschiedener Teilsysteme erarbeitet. Diese können als Hilfsmittel bei dem Entwurf von HRB-Systemen dienen.