Doctoral Thesis
Refine
Document Type
- Doctoral Thesis (3) (remove)
Language
- German (3)
Has Fulltext
- yes (3)
Keywords
- Sensitivitätsanalyse (3) (remove)
Faculty / Organisational entity
Gängige Füllstandmesssysteme für mobile Schüttgutsilos werden i. d. R. invasiv an der Innenseite des Behälters angebracht. Hierdurch sind die Sensoren abrasiven Mechanismen und einem entsprechend hohen Verschleiß ausgesetzt. Dies führt zu einer geringen Wirtschaftlichkeit der bisherigen Füllstandüber-wachung von mobilen Schüttgutsilos. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Umsetzbarkeit eines alternativen, nichtinvasiven Sensorkonzeptes untersucht, welches auf der Auswertung der füllstandabhängigen Impulsantwort des Silos basiert.
Hierzu werden anhand einer analytischen Modellierung des Messsystems die potentiellen Einflussgrößen des Sensorkonzeptes identifiziert. Anschließend werden die potentiellen Einflussgrößen im Rahmen numerischer Untersuchungen (FEM/DEM) näher analysiert und bewertet. Die ermittelten, scheinbar kritischen Einflussgrößen werden weiterhin experimentell untersucht. Es werden zwölf Füllstandkennwerte definiert, anhand derer eine Support Vector Machine trainiert und anschließend zur robusten Ermittlung des Füllstandes verwendet wird.
In vielen Ländern werden derzeit Simulationsmodelle miteinander gekoppelt, die zum einen Prozesse auf der Oberfläche und im Entwässerungssystem und zum anderen Prozesse in der Kläranlage nachbilden. Den Anlass hierfür stellte die Erkenntnis dar, dass eine getrennte Betrachtung und Optimierung der beiden Teile eines Abwassersystems nicht zwangsläufig zu aus Gewässersicht besten Lösungen führt. Da die Zusammenhänge sehr komplex sind, können Auswirkungen von Systemveränderungen, seien sie baulicher oder verfahrenstechnischer Art, nur mit Modellen im Vorfeld eingeschätzt werden. Die gemeinsame Simulation von Entwässerungssystem und Kläranlage wird mit dem Begriff "integrierte Modellierung" beschrieben. Da der Einsatz der integrierten Modellierung in den Anfängen steckt, gibt es eine Vielzahl an offenen Fragen und Defiziten. Stichworte sind hier insbesondere die erforderliche Detailliertheit der Modellansätze sowie die zu betrachtenden Stoffparameter und die damit einhergehenden Unsicherheiten bei den Simulationsergebnissen. Diese unbefriedigende Situation gab Anlass zu einer Zusammenstellung und Bewertung der Unsicherheiten, die bei der integrierten Modellierung bestehen. Im Vordergrund stand die Beurteilung unterschiedlicher Modellansätze und -parameter. Die Unsicherheiten wurden zunächst hinsichtlich der maßgebenden Größen Entlastungsverhalten und Kläranlagenablauf getrennt bewertet. Es zeigte sich, dass große Defizite hinsichtlich der Beurteilung der Auswirkungen von Modellansätzen und -parametern über die "Systemgrenze" hinweg bestehen. Unter System wird hier einerseits das Entwässerungssystem und andererseits die Kläranlage verstanden. Ausgewählte Unsicherheiten, wie z.B. die Auswirkungen unterschiedlicher Modellansätze und -parameter zur Simulation der stofflichen Prozesse auf der Oberfläche und im Kanal, wurden detailliert untersucht und beschrieben, was zu einem besseren Prozessverständnis beiträgt. Es wurde grundsätzlich nachgewiesen, dass eine Kopplung der verwendeten Modellansätze aus den Bereichen Entwässerungssystem und Kläranlage weitgehend zu nachvollziehbaren Ganglinien an allen maßgebenden Stellen im Abwassersystem führt. Es zeigten sich jedoch auch Schwächen bei der derzeitig häufig gewählten Vorgehensweise. Die Simulation des chemischen Sauerstoffbedarfs als ein Parameter im Entwässerungssystem und die konstante Fraktionierung an der Übergabestelle zum Kläranlagenmodell, welches verschiedene CSB-Fraktionen als Eingangsgrößen benötigt, führte zu teilweise unplausiblen Ganglinien im Kläranlagenablauf. Es wurden zwei Lösungsansätze untersucht und festgestellt, dass die getrennte Simulation von partikulärem und gelöstem CSB entscheidende Vorteile insbesondere bei stark ablagerungsbehafteten Kanalnetzen aufweist. Die Arbeit verdeutlicht, welche Modellansätze und -parameter gewässerökologisch relevante Emissionen und die Kläranlagenablaufkonzentrationen maßgebend beeinflussen. In Abhängigkeit von der Zielsetzung müssen bei zukünftigen Simulationsstudien bisher häufig vereinfacht modellierte Prozesse, wie z.B. die Verdrängung gelöster Stoffe im Entwässerungssystem, detaillierter nachgebildet werden. Verschiedene Modellansätze auf der Oberfläche (2-Komponenten-Methode/ Akkumulation-Abtrag) sowie verschiedene Modellparameter bei der Anwendung der Akkumulations-/Abtragsmethode führten zu extrem unterschiedlichen Ergebnissen bezüglich der stündlichen CSB-Entlastungswerte. Andere Prozesse dagegen können in bestimmten Anwendungsfällen vernachlässigt werden. So ist die detaillierte Nachbildung des Absetzverhaltens in den Regenbecken lediglich bei der Beurteilung langfristiger Wirkungen von Relevanz. Bezogen auf die maximalen CSB-Konzentrationen im Kläranlagenablauf erwiesen sich verschiedene Modellansätze im Entwässerungssystem und unterschiedliche Fraktionierungsansätze an der Schnittstelle als wenig sensitiv. Als wichtigste Einflussgröße stellte sich das Nachklärbeckenmodell heraus. Mit der Anwendung des Modells in einem kleinen Einzugsgebiet wurden die Probleme in einem konkreten Anwendungsfall deutlich. Eine Nachbildung der Zu- und Ablaufganglinien der Kläranlage war während Trockenwetterphasen möglich. Die Schwankungen der Stickstoffkonzentrationen im Ablauf der Belebung und im Ablauf der Nachklärung, die sich aufgrund der Betriebsweise der intermittierenden Belüftung ergeben, konnten zufrieden-stellend modelliert werden. Während Regenwetterphasen traten dagegen diverse Abweichungen der Simulations- gegenüber den Messergebnissen auf. Eine aufwändigere Beprobung während Regenwetter ist erforderlich. Die exemplarische Anwendung des Modells wie auch die Erkenntnisse aus den Sensitivitätsanalysen zeigten, dass die integrierte Modellierung von Entwässerungssystem und Kläranlage bei diversen Aufgabenstellungen ein sinnvolles Werkzeug ist. Vor dessen Einsatz sollten jedoch die jeweils maßgebenden Gewässerbelastungen identifiziert werden.
Vor dem Hintergrund einer Häufung schadensträchtiger Ereignisse in den letzten Jahren und einer zukünftig möglichen Zunahme extremer Niederschläge infolge des Klimawandels sind mittlerweile methodische Ansätze des Risikomanagements im Rahmen einer kommunalen Überflutungsvorsorge etabliert. Zu der dafür erforderlichen
ortsbezogenen Analyse konkreter Überflutungsgefährdungen existieren
aktuell verschiedene methodische Ansätze unterschiedlicher Komplexität und Aussagekraft. Bestehende Anwendungsempfehlungen und vergleichende Untersuchungen stellen die integrale Berechnung des oberirdischen und unterirdischen Abflusses mithilfe bi-direktional gekoppelter 1D/2D-Abflussmodelle als den methodisch
umfassendsten und aussagekräftigsten Ansatz zur Durchführung entsprechender Analysen dar. Die hohe Komplexität dieser Modelle schlägt sich in einer Vielzahl an Einflussgrößen nieder, welche sich auf die Berechnungsergebnisse auswirken können. Zusätzlich ist die Kalibrierung von Modellen zur Überflutungssimulation aufgrund der oftmals fehlenden „Messdaten“ zum realen Überflutungsgeschehen stark begrenzt. Aufgrund fehlender konkreter Vorgaben und
Empfehlungen zur Anwendung der Methode bzw. zur Modellkonfiguration ist die Vergleichbarkeit von Analyseergebnissen und Gefährdungsaussagen derzeit nicht gegeben.
Die Ziele der vorliegenden Arbeit sind die Identifizierung und Quantifizierung von Einflussgrößen und die Erarbeitung entsprechender Anwendungsempfehlungen zur Erhöhung der Vergleichbarkeit beim Einsatz bi-direktional gekoppelter 1D/2DAbflussmodelle zur überflutungsbezogenen Gefährdungsanalyse.
Für zwei Modellgebiete, die sich hinsichtlich relevanter Gebietseigenschaften stark unterscheiden, wurden bi-direktional gekoppelte 1D/2D-Abflussmodelle mit einer Referenzkonfiguration erstellt und mithilfe von Daten zu historischen Überflutungsereignissen bestmöglich plausibilisiert. Im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse an den beiden Referenzmodellen wurde eine große Zahl an Zusammenhängen und Auswirkungen durch Auslenkung relevanter Einflussgrößen identifiziert und quantifiziert. Um eine anwendungsbezogene Einschätzung zu gewährleisten wurden
Vergleichsindikatoren entwickelt, die nicht nur die Berücksichtigung berechneter Wasserstände und Fließgeschwindigkeiten, sondern auch eine Bewertung der Einflussgrößen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Gefährdungsaussage ermöglichen.
Anhand der Ergebnisse wurden gebietsspezifische Anwendungsempfehlungen für den Einsatz bi-direktional gekoppelter 1D/2D-Abflussberechnungen zur Gefährdungsanalyse abgeleitet. Die erarbeiteten Anwendungsempfehlungen tragen zu einer Erhöhung der Vergleichbarkeit künftiger Analysen der ortsbezogenen Überflutungsgefährdung bei. Die entwickelte Untersuchungsmethodik kann bei künftigen Ergänzungen oder Konkretisierungen der Anwendungsempfehlungen, z.B. anhand der Untersuchung weiterer Modellgebiete oder neuer Einflussgrößen, eingesetzt werden.