Wasserwirtschaft

1D

Eindimensionale hydronumerische Modellierung der Oberflächenwasserströmung

Die eindimensionale (1D) Strömungsmodellierung von Oberflächengewässern basiert auf einer vereinfachten Berechnung der maßgeblichen Strömungsgleichungen durch eine Mittelung der Fließgeschwindigkeit über die Breite und die Tiefe des Fließquerschnittes. Die mittlere Fließgeschwindigkeit gilt dabei über den gesamten durchflossenen Querschnitt. Häufig wird dabei eine Unterteilung der Fließquerschnitte in Vorländer und Flussschlauch vorgenommen. Die Berechnung erfolgt in Profilen mit variablem Abstand, wobei die Lage der Profile immer senkrecht zur Strömungsrichtung sein sollte. Bereiche mit stehendem Wasser (Totwasserzonen) müssen bei der Aufstellung des Modells vom Bearbeiter definiert und bei der Simulation als nicht strömungsaktiv berücksichtigt werden.




Eindimensionale Modelle waren lange Zeit Stand der Technik, werden aber zunehmend von zweidimensionalen Strömungsmodellen abgelöst. Dennoch gibt es Aufgabenstellungen, in denen der Einsatz von eindimensionalen Strömungsmodellen sinnvoll ist. Dies ist z.B. bei Abflussereignissen in kompakten Flussgeometrien ohne weiträumige Ausuferungen der Fall.

Überflutungsgrenzen können durch die Verschneidung von Wasserständen in den Profilpunkten mit einem digitalen Geländemodell (DGM) bestimmt werden. Hier sind zweidimensionale Strömungsmodell eindimensionalen in der Genauigkeit und Aussagekraft der Ergebnisse weit überlegen. Bei Fragestellungen, die die großflächige Darstellung von Überflutungsgrenzen beinhalten, sollte zweidimensionalen Modellen gegenüber eindimensionalen Modellen der Vorzug gegeben werden.

Wir bieten eindimensionale Strömungsberechnungen derzeit mit dem Simulationsmodell HEC-RAS an. Andere eindimensionale Strömungsmodelle sind auf Wunsch ebenfalls möglich.

2D

Zweidimensionale hydronumerische Modellierung der Oberflächenwasserströmung

Die zweidimensionale (2D) Strömungsmodellierung von Oberflächengewässern basiert auf der Lösung der tiefengemittelten Navier-Stokes-Gleichungen. Diese Gleichungen lassen sich nicht direkt lösen, so dass hierfür komplexe numerische Lösungsverfahren angewandt werden müssen.


Grundlage der Berechnungen sind ein digitales Geländemodell, die Strömungswiderstände im Simulationsgebiet und die hydraulischen Randbedingungen an den Modellrändern in Form von Zuflüssen bzw. Wasserständen. Die Strömungsgleichungen werden für alle Knoten des zu Grunde liegenden Geländemodells gelöst, so dass die Strömungsvorgänge in ihrer flächenhaften Ausdehnung simuliert werden können. Im Gegensatz zur eindimensionalen Simulation entfällt die sehr subjektive Festlegung von Querprofilschnitten und Totwasserzonen. Da mittlerweile in vielen Gebieten digitale Geländemodelle in ausreichender Güte vorliegen, können zweidimensionale Modelle ohne großen Mehraufwand gegenüber den eindimensionalen Modellen eingesetzt werden.


Darüber hinaus liefert die zweidimensionale Strömungsmodellierung direkt Überflutungsflächen, Wassertiefen und Strömungsvektoren. Bei der eindimensionalen Simulation ist hierzu als weiterer Aufbereitungsschritt die Verschneidung der Simulationsergebnisse mit einem Geländemodell notwendig. Dieser Arbeitsschritt entfällt bei der zweidimensionalen Strömungsmodellierung.

Wir bieten zweidimensionale Strömungsberechnungen mit dem von uns entwickelten Modell MeadFlow (Leismann) und Hydro_AS-2D (Hydrotec, Aachen) an, für welche wir auch eigene Oberflächen entwickeln und betreiben (siehe Softwareentwicklung).



Grundwassermodellierung

Zwei- oder Dreidimensionale Modellierung der Grundwasserströmungen

Wir bieten Grundwassermodellierungen mit dem international renommierten Modell ModFlow und Moleflow (Leismann) an. ModFlow ist ein quasi dreidimensionales Modell und basiert auf der Methode der Finiten-Volumen. Moleflow ist ein zweidimensionales Modell auf Basis der Methode der Finiten-Volumen und berechnet die Grundwasserströmung horizontal eben oder im vertikalen Schnitt. Darüber hinaus besitzen wir Erfahrungen im Umgang mit dem dreidimensionalen auf der Methode der Finite-Elemente basierenden Grundwassermodell FEFLOW.




Wir haben Erfahrung in der Durchführung von gekoppelten Modellierungen von Grund- und Oberflächenwasserströmungen und der Entwicklung entsprechender Modellschnittstellen (unter anderem für das Grundwassermodell FEFLOW unter Verwendung des Interface Managers).



Gewässergütemodellierung

Gewässergütemodellierung mit dem ATV-Gewässergütemodell

Die Entwicklung, Bewertung und Durchführung von Maßnahmen zum Erreichen des allgemeinen guten ökologischen Zustandes unserer Gewässer ist Teil der Aufgaben, die sich uns durch die EU-Wasserrahmenrichtlinie stellen. Ein geeignetes Werkzeug zur Beurteilung des heutigen Zustandes und zur Entwicklung von Maßnahmen und deren Auswirkung auf die Wasserqualität der Fließgewässer ist die Gewässergütemodellierung.




Wir bieten Gewässergütemodellierung mit dem ATV-Gewässergütemodell an und haben Erfahrung mit der Nutzung des Modells in Verbindung mit Niederschlags-Abfluss-Modellen (zur Ermittlung des Wasserdargebots und difuser Stoffeinträgen) und Schmutzfrachtsimulationsmodellen (detailierte Ermittlung von Stoffeinträge aus dem Kanalnetz) zur Betrachtung der komplexen Wechselwirkungen in Einzugsgebieten.



N-A-Modellierung

Niederschlags-Abfluss-Modellierung

Die Niederschlags-Abfluss- bzw. Flussgebietsmodellierung dient unter anderem der Beurteilung und Bemessung von Hochwasserschutzmaßnahmen und Speicherbauwerken in einem Einzugsgebiet. Niederschlags-Abfluss-Modelle wandeln für zuvor festgelegte Einzugsgebiete Niederschläge in Abflüsse um. Sie berücksichtigen die wesentlichen Prozesse der Abflussbildung, wie z. B. die Versickerung und die Verdunstung, und simulieren den Wellenablauf im Gewässer. Damit lassen sich an vorher definierten Stellen im Gesamteinzugsgebiet Abflussganglinien für Hochwasserereignisse, bei Wasserbilanzmodellen aber auch für ganze Jahresreihen berechnen.


Flussgebietsmodelle können notwendige Eingangsgrößen für weitergehende Modelle liefern. Abflussscheitelwerte oder -ganglinien werden für ein- und zweidimensionale Oberflächenströmungsmodelle sowie die Wasserqualitätsmodellierung verwendet. Mit Hilfe von Wasserbilanzmodellen können Grundwasserneubildungsraten für die Grundwassermodellierung berechnet werden bzw. Zuflussganglinien aus Einzugsgebieten für die detailierte Speicherbewirtschaftungssimulation.

Wir haben Erfahrungen in der Anwendung der Modelle NASIM, TALSIM und FGM.



Speicherbewirtschaftung

detailierte Speicherbewirtschaftungssimulation

Auf Basis von Gecko GeodataCore wurde von uns ein modulares Speicherbewirtschaftungsmodell entwickelt. Es erlaubt auch komplexe Verbünde aus mehreren Speichern und ihre gegenseitige Interaktionen abzubilden. Hierzu steht eine regelbasierte Entnahmesteuerung, Lamellenpläne, verschiedene Entnahmeelemente und Komponenten für gesteuerte Abschläge, Abflussaufteilungen oder -zusammenführungen, Translationselemente, Transformationen etc. zur Verfügung.




Die einzelnen Elemente werden, je nach Aufbau des zu simulierende Speichers bzw. Speicherverbundsystems, in der GIS-Oberfläche zusammen gestellt und parametrisiert. Das Speicherbewirtschaftungsmodell wurde so umgesetzt, dass es sich mit anderen von Gecko GeodataCore unterstützen Modellen (Hydro_AS-2D, Delft-3D, Panta Rhei, SWAT, ...) koppeln lässt.