Simulation, Bewertung Und Optimierung Von Betriebsregeln Fur Wasserwirtschaflliche Speichersysteme DISCLAIMER
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Institut fur Wasserbau und Wasserwirtschaft Technlsche Universltat Darmstadt MITTEILUNGEN HeM118 2001 Hubert Lohr Simulation, Bewertung und Optimierung von Betriebsregeln fur wasserwirtschaflliche Speichersysteme DISCLAIMER Portions of this document may be illegible in electronic image products. Images are produced from the best available original document. Institut fur Wasserbau und Wasserwirtschaft Technische Universitat Darmstadt MITTEILUNGEN Heft 118 2001 Hubert Lohr Simulation, Bewertung und Optimierung von Betriebsregeln fur wasserwirtschaftliche Speichersysteme Diese Mitteilungsreihe hat zwei Wurzeln: - die "Wasserbau-Mitteilungen" (41 Hefte), begrOndet 1966 von Prof. Dr.-lng. Friedrich Gassier, spater fortgefuhrt von Prof. Dr.-lng. Josef Mock, - die Technischen Berichte Ober Ingenieurhydrologie und Hydraulik" (54 Hefte), herausgegeben seit 1965 von Prof. Dr.-lng. Dr.-lng. E. h. Otto Kirschmer, spater fortgefOhrt von Prof. Dr.-lng. Ralph C. M. Schrtider und Prof. Dr.-lng. Manfred Ostrowski. Mit dem Dienstantritt von Prof. Dr.-lng. Ulrich Zanke als Nachfolger von Prof. Mock sind diese beiden Reihen zusammengefOhrt worden. Die drei Fachgebiete des Instituts fur Wasserbau und Wasserwirtschaft - Ingenieurhydrologie und Wasserbewirtschaftung - Wasserbau - Hydromechanik und Hydraulik dokumentieren damit auch nach auBen ihre ZusammengehOrigkeit. Die neue Numme- rierung ergibt sich aus der Summe der Hefte beider Vorgdngerreihen. Die "Mitteilungen des Instituts fur Wasserbau und Wasserwirtschaft der Technischen Universitat Darmstadt" erscheinen in unregelmaBiger Folge im Eigenverlag des Instituts fur Wasserbau und Wasserwirtschaft. Ein Nachdruck, auch auszugsweise, ist nur mit Genehmigung des GeschaftsfQhrenden Institutsdirektors gestattet. FG Ingenieurhydrologie u. Wasserbewirtschaftung FG Hydromechanik und Hydraulik FG Wasserbau PetersenstraBe 13 RundeturmstraBe 1 64287 Darmstadt 64283 Darmstadt Tel.: 0 61 51/16 21 43 u. 16 70 60 Tel.: 0 61 51/16 25 23 FAX: 0 61 51/16 32 43 u. 16 70 61 FAX: 0 61 51/16 32 23 e-mail: ostrowski @ ihwb.tu-darmstadt.de e-mail: zanke @ hrz1 .hrz.tu-darmstadt.de e-mail:[email protected] Aktuelle Informationen Ober das Institut und seine Lehrangebote finden Sie im World Wide Web unter: http://www.tu-darmstadt.de/fb/bi/wb/ ISSN-Nr.: 1430-3434 Herausgeben Prof. Dr.-lng. habil. U. Zanke (Wasserbau) Prof. Dr.-lng. M. Ostrowski (Ingenieurhydrologie und Wasserbewirtschaftung) Prof. Dr.-lng. habil. M. Oberiack (Hydromechanik und Hydraulik) Vorwort Talsperren warden und warden weiterhin gebaut, um den hydrologischen Kreislauf maBgeblich zu beeinflussen. Ziel ist es meist, Wasser in Zeiten hoher Zufliisse zu speichem, meist auch zum Zweck des Hochwasserschutzes, um es in Zeiten geringer Zufliisse fur veischiedene Zwecke abzugeben. Sie sind damit wesentliche Bausteine einer nachhaltigen Wasserwirtschaft. Gleichzeitig haben Talsperren nicht nur Vorteile. Zum einen stellen sie einen erheblichen Eingriff in die natiirliche aquatische Umwelt und in die Landschaft dar, zum anderen gehen insbesondere von groBen Talsperren gewisse Risiken aus, die in einer moglichen Fehlsteuemng Oder dem Versagen des Bauwerks beruhen. Diese Risiken sind in Mitteleuropa sehr gering, jedoch nicht vollkommen auszuschlieBen. Letztlich ist zu beachten, dass einzelne Talsperren haufig ein Element komplexer wasserwirtschaftlicher Systeme sind, in denen zB. andere Talsperren, Uberleitungen und Gmndwasserspeichem physikalisch and logisch miteinander verbunden sind. Im Laufe mehrerer Jahrzehnte haben sich die Anforderungen an viele Stauanlagen, insbesondere Talsperren verandert. Veranderungen im Bedarf an Brauch- und Trinkwasser, veranderte Energiemarkte, neue Anforderungen aus okologischer Sicht und letztlich zunehmender Bedarf der Bevolkerung an Naheiholungsangeboten sind wichtige Beispiele. Es ist daher uberlegenswert, die herkommlichen, oft fiber Jahrzehnte hin heuristisch optimierten Betriebsregeln der Talsperren(systeme) zu fiberdenken. Neben administrativen Hemmnissen ergeben sich veistandlicherweise auch Einwande, von Betriebsweisen abzuweichen, die sich oft fiber Jahrzehnte als zuverlassig und anwendbar erwiesen haben. Es liegt aufgrund der verbesserten Verffigbarkeit leistungsfahiger Rechner nahe, veranderte Betriebsregeln vor ihrem praktischen Ansatz auf ihre Funktion hin zu Oberprfifen und sie mdglichst vorab zu optimieren. Dazu bieten sich die Simulations- und Optimierungstechniken des Operations Research an. Deren Anwendung zu diesem Zweck ist auch nicht neu, sie werden bereits seit mehr als dreiflig Jahren erfolgreich eingesetzt. Dabei wurden fast ausschlieBlich mafigeschneiderte Simulationsmodelle eingesetzt. Es stellte sich die Frage, ob es nicht mdglich ist, alle Talsperrensysteme mil einem allgemeingfiltigen Modell abbilden zu konnen. Hubert Lohr hat sich die Beantwortung dieser Frage zur Aufgabe gestellt. Auf der Grundlage einer systematischen Analyse bekannter und vorstellbarer Systeme mil ihren Betriebsregeln hat er zunachst einen theoretischen allgemeingfiltigen Ansatz zur Simulation des Betriebs komplexer Speichersysteme entwickelt und diesen dann in einen Computercode umgesetzt. Testanwendungen auch auf sehr komplexe Systeme lassen erwarten, dass er der allgemeinen Anwendbarkeit sehr nahegekommen ist. Ob es sich wirklich um eine vollig allgemeinen Ansatz handelt, wird die Erfahrung mil weiteren Anwendungen zeigen. Auf der Grundlage des Simulationsmodells hat er in einem zweiten Teil bekannte Optimierungsverfahren der Evolutionsstrategie auf das Problem angewendet. Auch ffir diesen Teil konnte er nachweisen, dass der Ansatz ffir diese Aufgabe bestens geeignet ist und bei der Optimierung von Betriebsregeln maBgeblich unteisttttzen kann. Besonders erfreulich ist die Tatsache, dass die auBergewdhnliche Leistung in der Theorie durch die Umsetzung in ein funktionsfahiges Computeiprogramm erganzt wurde, das sich bereits in der Praxis bewahrt. Hierffir waren erhebliche Mittel notwendig, die zu einem groBen Teil das Landesumweltamt Nordrhein-Westfalen bereitgestellt hat. Daffir und auch ffir das Vertrauen in das Gelingen des Vorhabens bedanke ich mich herzlich bei alien Beteiligten, besonders natfirlich beim Autor dieses Heftes. Im April 2001 Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand wahrend meiner Tatigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut fur Wasserbau und Wasserwirtschaft, Fachgebiet Ingenieurhydrologie und Wasserbewirtschaftung der TU Darmstadt. Besonders bedanken mochte ich mich bei Herm Prof. Dr.-Ing. Ostrowski. Er hat mir die Arbeit an der Hochschule ermoglicht, mir groBes Vertrauen entgegengebracht und das Forschimgsprojekt intensiv und mit viel Einsatz begleitet. Herm Schelp vom Landesumweltamt Nordrhein-Westfalen gebiihrt ebenfalls besonderen Dank. Unermiidlich unterstiitzte er die Arbeit und schaffte die Voraussetzungen, daB eine Umsetzung der Forschungsarbeiten in das Softwareprogramm TALSIM moglich wurde. Ebenso mochte ich mich bei Herm Lange vom Wasserverband Eifel-Rur und bei Herm Wolfel vom Aggerverband bedanken. Sie gaben wertvolle Hinweise aus der Praxis und haben gemeinsam mit Herm Ostrowski und Herm Schelp wesentlich dazu beigetragen, daB die Arbeit in einer fur die Praxis verwertbaren Form miindete. Weiterhin mochte ich bei Herm Dr. Belke und Herm Dipl-Math. LeichtfuB fur die Ratschlage und die Durchsicht des Manuskriptes und bei alien Mitarbeitem des Fachgebietes fur Hire freundliche Unterstiitzung danken. Inhaltsveizeichnis Inhaltsverzeichnis 1 EINLEITUNG___________________________________________________ 1 1.1 Inhalt und Ziel der Arbeit .......................................................................................................1 12 Begriffsdefinitionen.............................................................................................................. 2 2 STAND DER TECHNIK VON SPEICHERBETRIEBSMODELLEN-------------- 7 3 BETRIEBSREGELN VON EINZELSPEICHERN UND SPEICHERSYSTEMEN-------- 13 3.1 Grandlegende Typen von Betriebsregeln.............................................................................. 15 32 Giundsatze zur Beschreibung von Betriebsregeln ................................................................. 41 33 Umsetzung der GesetzmaBigkeiten fur die Simulation ......................................................... .43 3.4 Anwendung an einem Beispiel .............................................................................................48 4 MODELLBESCHREIBUNG________________________________________________ 55 4.1 Modellierung wasserwirtschaftlicher Systeme......................................................................55 42 Programmstruktur und Datenhaltung .................................................................................... 57 43 Bildung der ZufluBbelastung ................................................................................................58 4.4 Berechnungsreihenfolge....................................................................................................... 60 4.4.1 Berechnungsreihenfolge uber den Ort...........................................................................................................60 4.42 Berechnungsreihenfolge fiber die Zeit............................................................................................................61 45 Beschreibung der Systemelemente...................................................................................... 62 45.1 Nalfirliche und urbane Einzugsgebiete ..........................................................................................................65