Strategieentwicklung zur Integration ressourcenorientierter Abwasserbewirtschaftung durch mathematische Optimierung

Development of strategies for the realisation of resource orientated drainage and sanitation concepts in existing systems by mathematical optimisation

  • Die über mehr als 100 Jahre gewachsenen komplexen Strukturen der Wasserver- und Abwasserentsorgungssysteme müssen sich zunehmend neuen Herausforderungen stellen. Die Forderung nach einer Anpassung hin zu flexiblen und nachhaltigen Systemen bedingt einen hohen Neu- und Umbaubedarf im Bestand. Als Alternativen und Ergänzung bestehender Systeme werden neben einer naturnahen Regenwasserbewirtschaftung auch Neuartige Sanitärsysteme diskutiert. Eine Umstellung bestehender Systeme auf Siedlungsebene findet hierbei allerdings äußert selten statt. Hierfür ist die Erarbeitung von Umgestaltungsstrategien erforderlich, um finanzielle Mittel und ökologischen Nutzen zu optimieren. In dieser Arbeit wird ein multi-kriterielles lineares Optimierungsmodell genutzt, in dem Methoden der Projektplanungs- und Netzwerkflussprobleme verknüpft werden. Als wesentliche Nebenbedingung wird die Einhaltung der Funktionsfähigkeit der sich wandelnden Systeme und als Zielfunktionen werden ökonomische und ökologische Kosten eingeführt. Lösungen des formulierten mathematischen Problems sind Pareto-optimale funktionsfähige und zulässige Strategien der weitreichenden Integration einer ressourcenorientierten Abwasserbewirtschaftung. Als Ergebnis liegt ein Instrument vor, dass die Entscheidungsfindung zur Umgestaltung von bestehenden siedlungswasserwirtschaftlichen Infrastrukturen unterstützt und mögliche Kosten und Folgewirkungen zeitlich und räumlich differenziert aufzeigen kann. Das Optimierungsmodell wurde an zwei Untersuchungsgebieten angewandt und optimale Umgestaltungsstrategien zu unterschiedlichen nachhaltigen Zielzuständen analysiert sowie eine Sensitivitätsanalyse bezüglich wichtiger Optimierungsparameter durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die generelle Umsetzbarkeit einer weitreichenden Teilstromseparation gewährleistet ist, wenn neue Elemente zur Bewirtschaftung, Behandlung und Ableitung zeitlich optimiert integriert werden. Mögliche Umgestaltungen werden keine linearen Anpassungen an Zielwerte, Veränderungen von Umweltauswirkungen oder Kostenflüsse verursachen. Es ergeben sich vielmehr über den Umsetzungszeitraum veränderliche Verläufe, die je nach Zielgewichtung von ökonomischen und ökologischen Kosten große Wirkungen zu Beginn oder zum Ende der Betrachtungsdauer zeigen. Vor allem die Gewichtung der beiden Kosten und die Auswahl der zu minimierenden ökologischen Kriterien haben einen großen Einfluss auf die gefundenen Umgestaltungsstrategien. Die jeweiligen Empfehlungen zum Umgestaltungszeitraum, der Zielgewichtung und zur allgemeinen Vorgabe der Optimierungskriterien leiten sich vor allem aus der Veranlassung für eine Systemumgestaltung ab. Die für den spezifischen Anwendungsfall optimale Umgestaltungsstrategie kann sich nur durch Diskussion mit den Entscheidungsträgern vor Ort ergeben. Das Modell hat sich hierbei als sehr gut geeignetes Werkzeug zur Analyse der Systeme herausgestellt. Es konnte gezeigt werden, dass eine Erweiterung derzeitiger Bewertungsmethoden hin zu Methoden, die zeitlich und räumlich differenzierte Aussagen für den ökologischen und ökonomischen Zustand ermöglichen, erforderlich ist. Die alleinige Planung und Betrachtung des zukünftigen Systemzustandes ist nicht ausreichend zur Beurteilung der Wirkungen einer weitreichenden Implementierung ressourcenorientierter Abwasserbewirtschaftung.
  • Present complex and centralised structures for water supply and disposal are facing new challenges. The demand for adapting water infrastructure to flexible and sustainable systems will cause extensive construction efforts in existing systems. Alternatives and enhancement for conventional systems are sustainable urban drainage systems and ecological sanitation. For the transformation of a whole cities’ infrastructure the development of strategies is essential, as economic costs and ecological benefit should be optimised. Within this thesis, a multi-criteria linear optimisation model, in which project planning and network flow problems are linked, is used for this purpose. The fundamental constraint is to guarantee the functioning and feasibility of changing systems and the objective functions are economic and ecological costs. Solutions of the mathematical model are Pareto-optimal feasible strategies for extensive integration of resource orientated drainage and sanitation concepts. Hence, a tool for supporting decisions in transformation of existing urban water management systems is available, which identifies costs, consequences and impacts in temporal and spatial succession in a detailed way. The model was applied to two investigation areas and optimal strategies for the transformation of the existing systems to different future target states were analysed. A sensitivity analysis for main optimisation parameters was carried out. Results show, that general practicability of an extensive integration of sustainable sanitation techniques is given, if new elements for separation, treatment and drainage of waste water flows are integrated in an optimal way. The transformations will not cause linear adaptions to target values, changes in environmental impact or cost flows. In fact, changing trends will result during the transformation period, which show high effects at the beginning or end of the period of consideration subject to the weighting of objective functions. This weight as well as the choice of ecologic criteria has a high influence on optimal transformation strategies. Recommendations for the definition of optimisation criteria result from the respective objective of a system transformation. The discussion with local deciders will lead to the definite choice of an optimal strategy for application. It was demonstrated, that an extension of existing assessment methods in terms of a detailed temporal and spatial evaluation of the economic and ecologic situation is essential. The exclusive planning and consideration of the future state of systems is inadequate for assessment of effects of extensive implementation of resource orientated waste water management.
Metadaten
Author:Inka Kaufmann Alves
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-32373
Advisor:Theo G. Schmitt, Heidrun Steinmetz
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2012/08/13
Year of Publication:2012
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2012/07/03
Tag:Bewertung; Optimierung; Strategieentwicklung; Systemumstellung; ressourcenorientierte Abwasserbewirtschaftung
Number of page:340
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Bauingenieurwesen
DDC-Cassification:628 Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik

$Rev: 12793 $