Optimale Rohrnetzmodellierung basierend auf stochastischen Datenergänzungen und „Network Structure Uncertainties“ - ORONET

Geldgeber: Forschungförderungsgesellschaft (FFG)

Projektpartner: Innsbrucker Kommunalbetriebe AG
Bearbeiter: Robert Sitzenfrei, Jonatan Zischg, Markus Sitzmann, Michael Mair
Projektdauer: 02/2017 – 07/2019

 

Projektziele:

Die mathematische Beschreibung von Wasserversorgungsnetzen und deren hydraulische Modellierung ist Stand der Wissenschaft und findet auch vermehrt Zuspruch in der Praxisanwendung. Dennoch ist der Weg von den Grundlagendaten zum hydraulischen Modell oftmals schwierig. Gründe dafür sind unzureichende Datenqualität, falsche oder überholte Informationen oder das Nichtvorhandensein von Daten. Unzureichende Budgets für die Modellerstellung führen dann zu Rohrnetzmodellen, welche nur schlecht die Realität abbilden können. Ebenso wird durch unzureichend erstellte hydraulische Modelle, das Vertrauen in die Prognosefähigkeit solcher Werkzeuge gemindert und die Anwendungsmöglichkeiten und das ökonomische Potential daher bei weitem nicht ausgenutzt.

Die klassische Praxisanwendung eines hydraulischen Rohrnetzmodells stellt den Nachweis verschiedener Lastfälle (z.B. im Behördenverfahren) dar. Jedoch eignet sich ein entsprechend erstelltes und kalibriertes Modell für zahlreiche weitere Anwendungsbereiche mit einem entsprechenden ökonomischen Potential. Es ist dabei zu beachten, dass unterschiedliche Anwendungsbereiche auch unterschiedliche Modellierungsziele darstellen und somit auch ein anderes Ausmaß von Daten und Messergebnissen erfordern. Modellierungsziele können unter anderem sein:

• Übergeordnete hydraulische Analysen (Pumpenergie, Wasserbilanz, Notverbünde, etc.)
• Hydraulische Nachweise für bestimmte Lastfälle (z.B. im Behördenverfahren)
• Baustellenplanung und -management
• Rohrbrucherkennung und -management sowie Ortung von Leckagen
• Störfallmanagement, Sicherheitsanalysen und proaktive Notfallsplanung
• Untersuchung von Netzzusammenschlüssen, Netzerweiterung und Adaptierungen
• Unterstützung der Rehabilitierungsplanung
• Optimierung von Steuerungen (z.B Ventilsteuerungen), Druckmanagement
• Wasserqualitätsanalysen, Herkunft und Mischung verschiedener Wässer

All diese unterschiedlichen Modellierungsziele bedürfen unterschiedlicher Grundlagendaten wie beispielsweise Netzstruktur, Verbrauchsdaten, Druck- und Durchflussmessungen, Wasserqualitätsmessungen, Steuerungsdaten etc. Bei Bedarfsträger sind oftmals bereits grundlegende Daten zur Netzstruktur nur unvollständig vorhanden (wo liegt eine Leitung und mit welchem Durchmesser?). Im bereits erfolgreich abgeschlossenen, grundlagenorientierten FWF Projekt „DynaVIBe“ wurde eine Methodik zur stochastischen Ergänzung von Netzstrukturen und anderer Grundlagendaten entwickelt, welche nun auf ihre Praxistauglichkeit sowie auf die Anwendung von verschiedenen Modellierungszielen getestet werden soll. Beispielsweise soll damit das Ausmaß von nötigen Leitungsnetz- und Verbrauchsdaten für verschiedene Modellierungsziele bestimmt werden und geprüft werden inwieweit diese stochastisch ergänzt werden können. Ebenso soll auf die verschiedenen Modellierungsziele abgestimmt, die Art und der Umfang von Messdaten (Druck, Durchfluss, Wasserqualität, Armaturen etc.) systematisch ermittelt werden, sowie ein Ansatz zur optimalen Auswahl von Messstellen für unterschiedliche Modellierungsziele und Datenergänzungen entwickelt werden.

Abb: Adpatiert nach Mair et. al, (2017) (license: CC BY 4.0) (access: http://www.mdpi.com/2073-4441/9/2/146) 

Dadurch soll der Aufwand zur Datenermittlung, dem Aufwand zur modelltechnischen Bestimmung und die Auswirkungen auf die Modellergebnisse (Unsicherheiten) gegenübergestellt und verglichen werden. Dadurch kann als Dienstleistung eine optimierte und kosteneffiziente Herangehensweise für die jeweiligen gewünschten Modellierungsziele und Ergebnisse gefunden werden. Somit kann der Aufwand für die Modellerstellung für mittlere Gemeinden von Monaten drastisch auf wenige Wochen bzw. Tage verringert werden. Als Hebelwirkung kann dann bei erfolgreicher Entwicklung und Validierung der vorgeschlagenen Vorgehensweise der ökonomische und ökologische Nutzen der hydraulischen Modellierung sowie die Optimierung von Netz und Betrieb bei den Bedarfsträgern voll ausgeschöpft werden und die kommunale Daseinsversorgung effizienter und kostengünstiger gestaltet werden.

Artikel in Journals und Konferenzen:

• Sitzenfrei, Robert; Zischg, Jonatan; Sitzmann, Markus; Rathnayaka, S.; Kodikara, J.; Bach, Peter M. (2017): Effects of Implementing Decentralized Water Supply Systems in Existing Centralized Systems. In: World Environmental and Water Resources Congress 2017: Hydraulics and Waterways and Water Distribution Systems Analysis. Reston: American Society of Civil Engineering (ASCE), S. 692 - 702.
• Sitzenfrei, Robert; Zischg, Jonatan; Sitzmann, Markus; Bach, P.M. (2017): Impact of Hybrid Water Supply on the Centralised Water System. In: Water 9/11, No. 855. IF: 1.83
• Zischg, J.; Mair, M.; Rauch, W.; Sitzenfrei, R. (2017): Enabling Efficient and Sustainable Transitions of Water Distribution Systems under Network Structure Uncertainty. In: Water 9/9, No. 715. IF:1.83
• Zischg, Jonatan; Klinkhamer, C.; Zhan, X.; Ukkusuri, S.; Rao, P.S.C.; Rauch, Wolfgang; Sitzenfrei, Robert (2017): Evolution of Complex Network Topologies in Urban Water Infrastructure. In: World Environmental and Water Resources Congress 2017: Hydraulics and Waterways and Water Distribution Systems Analysis. Reston: American Society of Civil Engineering (ASCE), S. 648 - 659.
• Zischg, J.; Rauch, W.; Sitzenfrei, R.; (2018): Morphogenesis of Urban Water Distribution Networks: A Spatiotemporal Planning Approach for Cost-Efficient and Reliable Supply. In: Entropy Vol. 20(9), p. 1 - 21 doi: 10.3390/e20090708 (peer reviewed) Impact factor 2.419 (2017)

• Zischg, J; Klinkhamer, C.; Zhan, X.; Rao, P.S.C.; Sitzenfrei, R.; (2019): A Century of Topological Co-Evolution of Complex Infrastructure Networks in an Alpine City. In: Complexity (peer reviewed) Impact factor 2.591 (2016)
• Zischg, J; Reyes-Silva, J.D.; Klinkhamer, C.; Krueger, E.; Krebs, P.; Rao, P. S. C. and Sitzenfrei, R.: (2019): Complex network analysis of water distribution systems in their dual representation using isolation valve information. In Proceedings of the World Environmental and Water Resources Congress 2019; Pittsburgh, Pennsylvania, United States, May 19-23, 2019
• Sitzenfrei, R.: Oberascher, M.; Zischg, J.: (2019): Identification of network patterns in optimal water distribution systems based on complex network analysis. In Proceedings of the World Environmental and Water Resources Congress 2019; Pittsburgh, Pennsylvania, United States, May 19-23, 2019.