Kaiserslautern - Fachbereich ARUBI
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Inappropriate speed is the most common reason for road traffic accidents world wide. Thus, a necessity for speed management exists. The so-called SUNflower states Sweden, the United Kingdom and the Netherlands - each spending strong effort in traffic safety policies - have great success in reducing mean road speeds and speed variances through speed management. However, the effect is still insufficient for gaining real traffic safety. Thus, there is a discussion to make use of technical in-vehicle devices. One of these technologies called Intelligent Speed Adaptation (ISA) reduces vehicle speeds. This is done either by warning the driver that he is speeding, or activating the accelerator pedal with a counterforce, or reducing the gasoline supply to the motor. The three ways of reducing the speed are called version 1-3. The EC-project for research on speed adaptation policies on European roads (PROSPER) deals with strategic proposals for the implementation of the different ISA-versions. This thesis includes selected results of PROSPER. In this thesis two empiric surveys were done in order to give an overview about the basic conditions (e.g. social, economic, technical aspects) for an ISA implementation in Germany. On one hand, a stakeholder analysis and questionnaire using the Delphi-method has been accomplished in two rounds. On the other hand, a questionnaire with speed offenders has been accomplished, too, in two rounds. In addition, the author created an expert pool consisting of 23 experts representing the most important fields of science and practice in which ISA is involved. The author made phone or personal interviews with most of the experts. 12 experts also produced a detailed publication on their professional point of view towards ISA. The two surveys and the professional comments on ISA led to four possible implementation scenarios for ISA in Germany. However, due to a strong political opposition against ISA it is also thinkable that ISA is not implemented or the implementation process starts after 2015 (i.e. outside the aimed period of time). The scenarios are as follows: A) Implementation of version 1 by market forces with governmental subventions. B) Implementation of version 2 by market forces supported by traffic safety institutions and image-making processes. C) Implementation of a modified version 3 by law for speed offenders instead of cancellation of the driving licence. D) Implementation of various versions in Germany because of a broad implementation of ISA in the SUNflower states. X) Non-implementation of ISA leads to the necessity of alternative speed management measures. The author prefers scenario B because - ceteris paribus - it seems to be the most likely way to implement the technology. As soon as ISA reaches technical maturity, the implementation process has to be accomplished in three steps. 1) Marketing and image making 2) Margin introduction 3) Market penetration This implementation process for ISA by market forces could effect a percentage of at least 15% of all vehicles equipped with ISA before the year 2015.
In Deutschland und einigen anderen Ländern ist das Mischsystem weit verbreitet. Aus diversen Gründen (z.B. aus Kostenaspekten) ist es aber bei Regenwetter nicht immer möglich, den gesamten Mischwasserabfluss auch zur Kläranlage weiter zu leiten. Ein gewisser Anteil des Mischwasserabflusses muss daher entweder im Kanalnetz zwischengespeichert oder aber über Entlastungsbauwerke direkt in die Einleitgewässer abgeschlagen werden, woraus erhebliche Gewässerbelastungen resultieren können. Hinzu kommt, dass die Teilsysteme "Kanalnetz" und "Kläranlage" meist noch unabhängig voneinander betrieben werden, sodass es zu Entlastungsereignissen kommen kann, obwohl zur gleichen Zeit an anderer Stelle im Gesamtsystem noch freie Speicher- und/oder Behandlungskapazitäten zur Verfügung stehen. Deshalb gewinnen seit einigen Jahren sog. integrierte Ansätze an Bedeutung, die versuchen, Kanalnetz und Kläranlage mit Hilfe von MSR-Technik in Abhängigkeit der jeweils aktuellen Leistungsfähigkeit dieser Teilsysteme zu betreiben, um dadurch die Emissionen und ggf. die Kosten zu verringern. Man kann daher in der neueren Literatur zahlreiche Veröffentlichungen zu diesem Themenkomplex finden, die sich jedoch bisher praktisch nur mit Durchlaufkläranlagen beschäftigt haben. SBR-Kläranlagen wurden diesbezüglich bisher vernachlässigt, obwohl diese Technologie prinzipiell durch eine ganze Reihe von Vorteilen gekennzeichnet ist. Zahlreiche großtechnische SBR-Kläranlagen belegen zudem, dass sich dieses Verfahren auch sehr gut zur Mischwasserbehandlung eignet. Wegen dieser Randbedingungen erschien es sinnvoll, auch integrierte MSR-Strategien für SBR-Anlagen zu entwickeln. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher auf der 2000 in Betrieb genommenen SBR-Kläranlage Messel (5.500 EW) zahlreiche Untersuchungen durchgeführt, um den Nutzen und die Machbarkeit derartiger Konzepte zu untersuchen. Diese nach den üblichen Regelwerken für Nitrifikation, Denitrifikation, biologische Phosphorelimination und aerobe Schlammstabilisierung bemessene Kläranlage ist typisch für eine Reihe weiterer ähnlicher Anlagen. Um das Potenzial eines integrierten Ansatzes zu ermitteln, wurden detaillierte Kanalnetz- und Kläranlagenmodelle erstellt und kalibriert, mit denen zahlreiche Untersuchungen durchgeführt wurden. Ferner wurden die umfangreichen Betriebsdaten ausgewertet. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Anlage über beachtliche Reserven verfügt, die z.B. für Zwecke einer erhöhten Mischwasserbehandlung genutzt werden könnten. Mit Hilfe der Modelle und ergänzender großtechnischer Untersuchungen wurden anschließend verschiedene integrierte MSR-Strategien am Computer entwickelt und bezüglich ihres Nutzens bewertet. Die Ergebnisse der integrierten Simulation zeigen beispielsweise, dass es mit Hilfe dieser Strategien möglich erscheint, die Zuflussmenge zur Kläranlage um bis zu 50 % über den Planungswert zu erhöhen, ohne die strengen Überwachungswerte zu überschreiten. Die Ergebnisse zeigen weiterhin, dass es durch eine Erhöhung der Zuflussmenge möglich ist, die Gesamtemissionen aus Kanalnetz und Kläranlage - v.a. bezüglich CSB - und die Anzahl der Entlastungsereignisse deutlich zu verringern. Eine durchgeführte Kostenbetrachtung verdeutlicht, dass ein derartiger Ansatz - trotz der geringen Größe dieser Anlage - nicht nur ökologisch, sondern auch ökonomisch sinnvoll ist. Damit erscheint es wünschenswert, dass zukünftig auch die großtechnische Umsetzung integrierter Ansätze für SBR-Kläranlagen und Mischkanalisationen in Angriff genommen wird, um die bisher gewonnenen Erkenntnisse in der Praxis zu verifizieren.
Die Arbeit beschäftigt sich im wesentlichen mit den aktuell zur Verfügung stehenden Werkzeugen der Behandlung von Unsicherheiten in den Ergebnissen von Grundwassermodellen im Zusammenhang mit der Anwendung der Modelle bei der Planung von hydraulischen Sanierungen des Untergrundes. Untersucht wird die Eignung verschiedener Verfahren für eine praxisbezogene Anwendung. Als Ergebnis werden Empfehlungen zur Verwendung der Methoden in Abhängigkeit der hydrogeologischen Gegebenheiten und Hinweise zur Weiterentwicklung der Verfahren formuliert. Die Resultate von Grundwassermodellen werden zu Prognosezwecken in unterschiedlichen Zusammenhängen eingesetzt. Dazu gehören u.a. die Konzipierung von hydraulischen Sanierungsmaßnahmen. Für eine effiziente Ausführung einer Sanierung sollten Überdimensionierungen der notwendigen Einrichtungen (Brunnen, Pumpen, Aufbereitung) vermieden werden. Die hier untersuchten Methoden können dabei vorteilhaft eingesetzt werden, da sie es prinzipiell erlauben, die notwendigen Sicherheitszuschläge zu verringern und Erfolgswahrscheinlichkeiten für unterschiedliche Auslegungsvarianten anzugeben. Erfolgswahrscheinlichkeit bedeutet z.B. mit welcher Wahrscheinlichkeit ein einzuhaltender Grenzwert an einem bestimmten Punkt unterschritten wird. Die aktuell in der Praxis eingesetzten deterministischen Modelle können stattdessen nur einen Wert liefern, der eine nicht bekannte Eintretenswahrscheinlichkeit besitzt. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass Methoden der stochastischen Simulation, zusammen mit einer Grundwassermodellierung einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der oben dargestellten Situation leisten können. Hierzu wird das SUFIX-Verfahren eingesetzt, das es erlaubt neben den Verfahren der Geostatistik (z.B. stochastische Simulation) auch den Sachverstand des Hydrogeologen, der sich meist nicht in ’harten’ Zahlenwerten ausdrücken lässt, zwanglos zu integrieren. Beispiele hierfür sind Kenntnisse über großskalige Strukturen, wie Paläorinnen, die mit den Voraussetzungen für den Einsatz von stochastischen Simulationen nicht vereinbar sind Auch sind vorhandene Informationen, die mit einer relative hohen Unsicherheit behaftet sind (soft data) in diesem Konzept verwertbar. Die Eingangsdaten eines Grundwassermodells liegen i.d. Regel nur als sporadische Punktmessungen vor und müssen durch Interpolation oder stochastische Simulation generiert werden, um ein lückenloses Abbild des Untergrundes bzw. der Eigenschaften des Untergrundes zu erhalten. Liegt ein vollständiges interpoliertes Abbild (hydrogeologisches Modell) vor, muss wiederum eine Vereinfachung vorgenommen werden, da ein numerisches Modell nur punkt- bzw. flächengemittelte Eingabedaten verwenden kann. Der hierdurch bedingte Verlust an Information über die Variabilität der Modellparameter unterhalb der räumlichen Modelldiskretisierung wirkt sich vor allem bei der Stofftransportmodellierung aus, da hier die Ausbreitung entlang bevorzugter Fließwege eine entscheidende Rolle spielen kann. Eine zusätzliche Quelle der Unsicherheit entsteht dadurch, dass die Lage dieser Strukturen und ihr räumlicher Zusammenhang (Topologie) nicht hinreichend bekannt sind. Anhand zweier Fallbeispiele aus der praktischen Anwendung von numerischen Modellen wird nachgewiesen, dass sich das SUFIX-Verfahren generell als geeignet zur Quantifizierung von Prognoseunsicherheiten darstellt. Vorteile des Verfahrens sind die Kombinationsmöglichkeiten mit beliebigen Methoden zur Abbildung der Untergrundheterogenität. Es können z.B. stochastische Simulationen oder auch eine konstante manuelle Zonierung verwendet werden. Ein weiterer gewichtiger Vorteil ist der, dass die Berechnungsmethodik der Grundwasserströmung und des Stofftransportes keinen Einschränkungen, wie Linearisierung der Gleichungen u.ä. unterworfen ist. Ebenso sind beliebige Randbedingungen verwendbar, wobei auch der Typ der Bedingungen als unsicherer Parameter eingesetzt werden kann. Sollen die Parameter optimiert werden, ist in praktischen Anwendungsfällen die Kopplung von stochastischer Simulation und z.B. einem Bayes'schen Updating-Verfahren eine einfach zu implementierende Lösung. Hiermit ist dann auch die Kalibrierung beliebiger Randbedingungen möglich, die z.B. als Parameter mit einer nominalen Kodierung berücksichtigt werden können. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass das Verfahren zur Abbildung der Heterogenität dem Aquifer angepasst gewählt werden muss. Gauss-basierte Verfahren, wie Turning-Bands, sind demnach am ehesten für die Simulation von relativ homogenen Aquiferen geeignet, während bei sehr heterogenen Strukturen, d.h. großer Variabilität der Parameterwerte, am ehesten Indikator-basierte Verfahren in Frage kommen. Noch besser schneidet in diesem Fall die manuelle Zonierung ab, was vor allem damit zu erklären ist, dass bei sehr heterogenen Untergrundverhältnissen v.a. die Struktur mit eventuell nur deterministisch erfassbaren übergeordneten Elementen von ausschlaggebender Bedeutung ist. Als Simulationsverfahren mit dem größten Entwicklungspotential kann man generell diejenigen Verfahren ansehen, die auch nicht Gauss-verteilte Daten verwenden, wie z.B. die hier verwendeten Indikatorbasierten Verfahren. Als ebenfalls sehr gut geeignete Verfahren stellten sich Simulated Annealing in der Variante als Postprozessor zusammen mit einem frei definierbaren ’Trainingsbild’ dar. Die Untersuchungsergebnisse zeigten aber auch, dass neben der Wahl der geeigneten mathematischen Methoden eine weitere grundlegende Bedingung erfüllt sein muss, nämlich ein widerspruchsfreies und stimmiges, an den Einsatzzweck angepasstes konzeptionelles hydrogeologisches Modell. Zu dessen Konzeption muss der Anwender bzw. Modellierer über Kenntnisse der großräumigen Strukturen verfügen, die sich aus der Genese des Untergrundes ergeben und nur durch eine fachliche Interpretation erreichbar sind. Hierzu gehören Schichtungen, Paläorinnen, anisotrope Bodeneigenschaften durch Terrassierung, usw.. Die Einbeziehung dieser Expertenkenntnisse, sowie die Sicherstellung eines geeigneten hydrogeologischen Modells für die numerische Modellierung sind Themenbereiche, die im Zusammenhang mit einer Unsicherheitsanalyse noch erheblichen Forschungsbedarf aufweisen.
Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, das Aufkommen und die Verteilung von Stoffen im urbanen Wasserkreislauf, insbesondere in den Abwassersystemen in einer umfassenden Gesamtschau zu untersuchen und zu bewerten. Diese ganzheitliche Betrachtungsweise unterscheidet sich von den bisherigen Untersuchungen, die sich in der Regel auf einen Stoff oder auf einzelne Komponenten in diesem Kreislauf beziehen. Das untersuchte Stoffspektrum reicht von den herkömmlichen Abwasserparametern, wie dem Chemischen Sauerstoffbedarf (CSB), bis hin zu „neuen“, vorwiegend organischen Verbindungen, die in der EG-Wasserrahmenrichtlinie als prioritäre Stoffe bzw. prioritäre gefährliche Stoffe aufgelistet sind. Eine Sichtung der verfügbaren Daten zeigt, dass die Kenntnisse über das Aufkommen und die Wirkung dieser Stoffe sehr lückenhaft sind. Es ist deshalb erforderlich und für die siedlungswasserwirtschaftliche Praxis dringlich, sich mit der Problematik der organischen Schadstoffe zu befassen und die wichtigsten Stoffströme im Abwassersystem zu analysieren. In einem ersten Schritt wird das Gesamtsystem des urbanen Wasserkreislaufs mit seinen naturräumlichen (z.B. Grundwasser) und abwassertechnischen Elementen (z.B. Kanalisation und Kläranlage) dargestellt. Um einen ersten Überblick zu gewinnen und eine geeignete Grundlage für die weitere Vorgehensweise zu erhalten, wird zunächst ein breites Spektrum von Stoffen, aufgeteilt nach anorganischen und organischen Substanzen, beschrieben. Als wichtige Folgerung für künftige Erhebungen ist aus dieser pauschalen Betrachtung abzuleiten, die Datenbasis durch weitere Messungen zu verbessern und die Messprogramme besser aufeinander abzustimmen. Darauf aufbauend werden in einer zweiten Stufe ausgewählte Stoffe bzw. Stoffgruppen, die aufgrund ihres Aufkommens und ihrer potenziellen Auswirkungen auf Fließgewässer als relevant einzuordnen sind, sog. Leitparameter, detailliert behandelt. Als Basis für die Auswahl dieser Leitparameter dienen zunächst die rechtlichen Regelungen, vor allem die der EG-Wasserrahmenrichtlinie. Als weitere Kriterien werden die mögliche toxische Wirkung der Stoffe, das signifikante Aufkommen in den Abwassermatrices und die Verfügbarkeit von Daten herangezogen. Eine erste Gruppe der Leitparameter umfasst bisher schon häufig im Abwassersystem untersuchte Stoffe bzw. Stoffgruppen: Feststoffparameter, die Summenparameter CSB und BSB, die Nährstoffe Stickstoff und Phosphor sowie die Schwermetalle Kupfer, Blei, Cadmium und Zink. Als charakteristisches Unterscheidungskriterium wird die Herkunft der Stoffe definiert, die eindeutig die Belastung der verschiedenen Matrices des Abwassersystems bestimmt. Während sich die aus dem Schmutzwasser stammenden („schmutzwasserbürtigen“) Verbindungen (z.B. EDTA) überwiegend im Kläranlagenablauf finden, sind die von der Oberfläche stammenden („oberflächenbürtigen“) Verbindungen (z.B. PAK) vor allem in den niederschlagsbedingten Abflüssen zu erwarten. Um in Erfahrung zu bringen, welche Reduktionssmaßnahmen geeignet sind, werden Überlegungen zur Verteilung dieser Stoffe in den Abwasserentsorgungssystemen angestellt. Mit Hilfe des Instruments der Schmutzfrachtsimulation werden für 32 ausgewählte Stoffe bzw. Sowohl die Zusammenstellung der theoretischen Grundlagen als auch die Ergebnisse der Simulation, die im Anhangsband wiedergegeben sind, zeigen erhebliche Unterschiede im Verhalten der verschiedenen Stoffe im Abwasserentsorgungssystem. Für 19 ausgewählte Stoffe bzw. Stoffgruppen, die als relevant gelten müssen, wird eine abschließende Einordnung und Bewertung vorgenommen. Maßgebend für das Aufkommen und die Verteilung im Abwassersystem sind die Kenngrößen: „vorwiegende Herkunft“, „Anteil des partikulären Transports“ und „Rückhalt in der Kläranlage“. Für jede Stoffgruppe werden Empfehlungen zur Verminderung der Gewässerbelastung ausgesprochen. Ein wesentlicher Aspekt dabei ist, die Schadstoffpotenziale bereits an der Quelle zu verringern, gemäß der Forderung der EG-Wasserrahmenrichtlinie, Einleitungen, Emissionen und Verluste prioritärer gefährlicher Stoffe der EG-WRRL zu beenden oder schrittweise einzustellen. In einigen Szenarien konnte gezeigt werden, dass die wirkungsvollste Maßnahme zur Verminderung der Stoffeinträge in Gewässer die Erhöhung der Rückhalteleistung in der Kläranlage und der Regenentlastung ist, die mit bestimmten Techniken wie Membrananlagen, Aktivkohlefiltern und Bodenfiltern erreicht werden kann. Die Weiterentwicklung und der Einsatz moderner Technologien zur Abwasserreinigung und zur Regenwasserbehandlung bleiben damit wichtige Aufgaben für die Zukunft.
Mineralische Dichtungen werden in Kombination mit Kunststoffdichtungsbahnen als Deponieabdichtungen verwendet, um eine umweltverträgliche Ablagerung der Abfälle sicherzustellen. Diese Abdichtungsfunktion kann durch Austrocknung beeinträchtigt werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden Untersuchungen zur Entstehung von Austrocknungsrissen in mineralischen Deponiebasisabdichtungen durchgeführt. Diese Untersuchungen befassen sich einerseits mit dem Wassertransport in der mineralischen Dichtung und andererseits mit dem Zugverhalten des Bodens. Daraus wird ein Risskriterium entwickelt, das zusammen mit den Ergebnissen der numerischen Berechnungen für die Vorhersage der Rissentstehung infolge Austrocknung einer mineralischen Dichtung verwendet wird. Einer der ersten Untersuchungsschritte ist die experimentelle Ermittlung der pF-Kurve. Danach folgen experimentelle Untersuchungen zur Ermittlung der Transportkenngrößen. Der Einfluss einer Änderung der Porenzahl von \Delta e \approx 0.1, einer Temperatur von T=40°C sowie der Änderung des Einbauwassergehaltes auf die Transportkenngrößen wird untersucht. Für die experimentellen Untersuchungen zum Schrumpf- und Zugverhalten werden eigene, neu entwickelte Versuchsstände verwendet. In den Versuchen zum Schrumpfverhalten ergibt sich ein Zusammenhang zwischen den Schrumpfdehnungen der Bodenproben und deren Sättigungsgraden. In den Versuchen zum Zugverhalten werden die Zugeigenschaften des verwendeten bindigen Bodens untersucht. Einflussgrößen sind dabei der Wassergehalt, die Porenzahl, die Temperatur und der Spannungszustand. In den numerischen Berechnungen wird zuerst ein Versuch zur Ermittlung der ungesättigten Wasserleitfähigkeit simuliert. Die numerischen Ergebnisse werden mit den Versuchsergebnissen verglichen, um die Güte der verwendeten hydraulischen Beziehungen zu überprüfen. Danach wird beispielhaft eine numerische Berechnung für die Lösung eines Randwertproblems durchgeführt, in der die Rissentstehung infolge Verdunstung in einer mineralischen Dichtung vorausgesagt wird. Aus den berechneten Beispielen wird ersichtlich, dass die Voraussage der infolge Austrocknung entstehenden Risse numerisch möglich ist und die Risstiefen berechenbar sind.