Untersuchungen zum Potenzial der qualitätsbasierten Abflusssteuerung in der Mischkanalisation: Chancen und Herausforderungen von Online-Qualitätsmessungen - eine integrierte Betrachtung

Stipendiatin/Stipendiat: Dr.-Ing. Anna Bachmann-Machnik

Der flächendeckende Ausbau der Kläranlagen in Deutschland hat in den letzten Jahrzehnten zu einer deutlichen Verbesserung der Gewässerqualität geführt. Dennoch ist der ökologische Zustand vieler Gewässer immer noch unbefriedigend. Einen negativen Einfluss auf den Gewässerzustand haben Stoßbelastungen aus Mischwassereinleitungen, die empfindliche aquatische Ökosysteme aufgrund von hydraulischem Stress und stofflichen Belastungen nachhaltig schädigen können.

Diese Arbeit liefert einen Beitrag dazu, wie hoch aufgelöste Online-Messdaten zur Optimierung des Kanalnetzbetriebs genutzt werden können. Hierfür wurden zwei reale Regenüberlaufbecken (RÜB) im Mischsystem in Süddeutschland für zwei Jahre mit Online-Spektrometersonden zur Erfassung von Äquivalenzkonzentrationen von abfiltrierbaren Stoffen (AFS), chemischem Sauerstoffbedarf (CSB, gesamt und gelöst) und Nitrat ausgestattet. Zusätzlich wurden hydrometrische Messdaten an den RÜB vom Betreiber des Entwässerungssystems bereitgestellt.

Den ersten Teil der Arbeit bilden Fracht- und Volumenauswertungen der Einstauereignisse an den beiden RÜB. Die Untersuchungen sollen zum besseren Verständnis der stoffspezifischen und hydraulischen Vorgänge im Mischsystem beitragen. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Verbesserung des Kanalnetzbetriebes unter direkter Verwendung von Messdaten erprobt. Für diese messdatenbasierte Simulation werden gemessene Ganglinien von Abflussmenge und Feststoffkonzentration direkt als Systeminput eines Transportmodells verwendet. Anhand dieses Modells werden verschiedene Kanalnetzbewirtschaftungsstrategien untersucht. Die folgenden Erkenntnisse lassen sich anhand der durchgeführten Auswertungen ableiten:

Eine Vorhersage der Spülstoßintensitäten anhand der Charakteristiken der Trockenphasen vor den Ereignissen oder der Eigenschaften der Niederschlagsereignisse selbst ist im Untersuchungsgebiet nicht möglich. Eine konstante Akkumulation der Schmutzstoffe auf der Gebietsoberfläche, wie sie in gängigen Qualitätsmodellen angesetzt wird, ist in den Untersuchungsgebieten ebenso wenig vorhanden. Somit kann die Abflussqualität im Untersuchungsgebiet nicht zuverlässig simuliert werden. Betriebsentscheidungen, die auf Basis von Schmutzfrachtmodellen getroffen werden, sind demnach höchst unsicher.

Die in dieser Arbeit neu vorgestellte messdatenbasierte Simulation umgeht diese Unsicherheiten und ersetzt sie durch die Messunsicherheiten selbst. Sie kann die Effizienz verschiedener Bewirtschaftungsstrategien, wie die Verwendung statisch optimierter Drosselabflüsse oder die dynamische Echtzeit-Steuerung von Speicherräumen, zuverlässig bewerten. Eine Dauer der zugrunde liegenden Messdatenzeitreihe von etwa vier Monaten mit mittlerer Niederschlagscharakteristik und etwa 10 Niederschlagsereignissen ist im untersuchten fiktiven System ausreichend für verlässliche Ergebnisse der messdatenbasierten Simulation. In komplexeren Gebieten kann der Datenbedarf höher sein. Die Methodik liefert unter Berücksichtigung der üblichen Messunsicherheiten robuste Ergebnisse.

Förderzeitraum:
01.07.2016 - 30.06.2019

Institut:
Technische Universität Kaiserslautern
Siedlungswasserwirtschaft
Fachbereich Bauingenieurwesen

Betreuer:
Prof. Dr. Ulrich Dittmer

E-Mail: E-Mail schreiben

Publikationen:

  • Online-Qualitätsmessungen zur Abschätzung des Steuerungspotenzials im Mischsystem
    Bachmann-Machnik, A., Wetzel, J. and Dittmer, U. (2016): Online-Qualitätsmessungen zur Abschätzung des Steuerungspotenzials im Mischsystem. 6. Aqua Urbanica. Miss es oder vergiss es!, Rigi Kaltbad, 17–22, 26.-27.09.2016.
  • Evaluation of Combined Sewer System Operation Strategies Based on Highly Resolved Online Data
    Bachmann‐Machnik, A.; Brüning, Y.; Bakhshipour, A.E.; Krauss, M.; Dittmer, U. (2021): Evaluation of Combined Sewer System Operation Strategies Based on Highly Resolved Online Data. In: Water 2021, 13, 751. https://doi.org/10.3390/w13060751
  • Evaluation of Combined Sewer System Operation Strategies Based on Highly Resolved Online Data
    Bachmann‐Machnik, A.; Brüning, Y.; Bakhshipour, A.E.; Krauss, M.; Dittmer, U. Evaluation of Combined Sewer System Operation Strategies Based on Highly Resolved Online Data. Water 2021, 13, 751. https://doi.org/10.3390/w13060751
  • Einflüsse auf die Einstau- und Entlastungsaktivität von Regenüberlaufbecken
    Dittmer, U., Bachmann-Machnik, A., Lieb, W., Giebl, B., Weiß, G. and Wöhrle, C. (2018): Einflüsse auf die Einstau- und Entlastungsaktivität von Regenüberlaufbecken. Regenwasser in urbanen Räumen. Aqua Urbanica trifft RegenwasserTage, Landau in der Pfalz, Schriftenreihe wasser infrastruktur ressourcen der Universität Kaiserslautern, (1). ISNB: 978-3-95974-068-9, 203-214, 18.-19.06.2018.
  • Optimal operation of CSO tanks based on highly resolved online data
    Bachmann-Machnik, A.; Brüning, Y.; Bakshipour, A. E. and Dittmer, U.: Optimal operation of CSO tanks based on highly resolved online data. 10. Novatech. Lyon, France, 01.-05.07.2019
  • Untersuchungen zum Potenzial der qualitätsbasierten Abflusssteuerung in der Mischkanalisation
    Bachmann, A.; Dittmer, U. (2016): Untersuchungen zum Potenzial der qualitätsbasierten Abflusssteuerung in der Mischkanalisation. Posterpräsentation. 37. Assistententreffen der deutschsprachigen siedlungswasserwirtschaftlichen Institute, München, 07.-10.09.2016.
  • Optimal Operation of Combined Sewer Systems - An Evaluation of Static and Dynamic Strategies Based on Measured Data
    Bachmann-Machnik, A.; Dittmer, U. (2021): Optimal Operation of Combined Sewer Systems - An Evaluation of Static and Dynamic Strategies Based on Measured Data. In: IWA Digital World Water Congress, 24.05.-04.06.2021
  • Messdatenbasierte Optimierung von Drosselabflüssen im Mischsystem
    Bruening, Y.; Bachmann-Machnik, A.; Bakhshipour, A. E.; Dittmer, U. (2019): Messdatenbasierte Optimierung von Drosselabflüssen im Mischsystem In: Aqua Urbanica 2019: Regenwetter weiterdenken – Bemessen trifft Gestalten. Rigi Kaltbad, Schweiz, 08.-10.09.2019, S. 20-26
  • Evaluation of online quality data for assessment of pollution based real time control in a combined sewer system
    Bachmann-Machnik, A. and Dittmer, U. (2017): Evaluation of online quality data for assessment of pollution based real time control in a combined sewer system. 23rd European Junior Scientist Workshop. Monitoring urban drainage systems, Chichilianne, Frankreich, 15.-20.05.2017.
  • Evaluation of online quality data for assessment of pollution based real time control in a combined sewer system
    Bachmann-Machnik, A. and Dittmer, U. (2017): Evaluation of online quality data for assessment of pollution based real time control in a combined sewer system. 23rd European Junior Scientist Workshop. Monitoring urban drainage systems, Chichilianne, Frankreich, 15.-20.05.2017.
  • Data based optimization of CSO tank operation – A case study
    Bruening, Y.; Bachmann-Machnik, A.; Bakhshipour, A. E.; Dittmer, U. (2019): Data based optimization of CSO tank operation – A case study In: 9th International Conference on Sewer Processes and Networks (SPN9) Aalborg, Dänemark; 27.-30.08.2019
  • Erfassung der Dynamik des Stofftransports im Mischsystem mittels hoch aufgelöster online-Qualitätsmessungen
    Bachmann-Machnik, A.; Dittmer, U. (2017): Erfassung der Dynamik des Stofftransports im Mischsystem mittels hoch aufgelöster online-Qualitätsmessungen. Posterpräsentation. In: Abwasserkolloquium 2017. Spurenstoffe im Regen- und Mischwasserabfluss. Stuttgart, 26.10.2017.
  • Drosseloptimierung ohne hydrologische Simulation? - Möglichkeiten und Grenzen des messdatenbasierten Ansatzes
    Bachmann-Machnik, A. and Dittmer, U. (2019). Drosseloptimierung ohne hydrologische Simulation? - Möglichkeiten und Grenzen des messdatenbasierten Ansatzes. 4. Expertenforum Regenüberlaufbecken, 26.02.2019 in Stuttgart, 55–65.
  • Assessing the potential of pollution based RTC in a combined sewer system based on highly resolved online quality data
    Bachmann, A., Wetzel, J. and Dittmer, U. (2016): Assessing the potential of pollution based RTC in a combined sewer system based on highly resolved online quality data. In: SPN8. 8th International Conference on Sewer Processes and Networks, Rotterdam, the Netherlands, 286-290, 31.08.-02.09.2016.
  • Drosseloptimierung ohne hydrologische Simulation? - Möglichkeiten und Grenzen des messdatenbasierten Ansatzes
    Bachmann-Machnik, A. and Dittmer, U. (2019). Drosseloptimierung ohne hydrologische Simulation? - Möglichkeiten und Grenzen des messdatenbasierten Ansatzes. 4. Expertenforum Regenüberlaufbecken, 26.02.2019 in Stuttgart, 55–65.
  • Assessing the potential of pollution based RTC in a combined sewer system based on highly resolved online quality data
    Bachmann, A., Wetzel, J. and Dittmer, U. (2016): Assessing the potential of pollution based RTC in a combined sewer system based on highly resolved online quality data. In: SPN8. 8th International Conference on Sewer Processes and Networks, Rotterdam, the Netherlands, 286-290, 31.08.-02.09.2016.
  • Simplified estimation of groundwater-sewer interactions – Comparing GIS operations and modelling
    Bachmann, A., Getta, M., Reichel, F., Schlichtig, B. and Dittmer, U. (2015): Simplified estimation of groundwater-sewer interactions – Comparing GIS operations and modelling. 10th International Conference on Urban Drainage Modelling, Poster Presentation, Québec, Kanada, 197-201, 20.-23.09.2015.