KUS - Tools zur Kalibrierung und Unsicherheitsanalyse integraler Simulationsmodelle

Veranlassung und Zielsetzung

Wasserwirtschaftliche Planungsaufgaben erfordern Simulationsmodelle zur Analyse derzeitiger Systemzustände und der Untersuchung und Bewertung von Planungsvarianten. Simulationsmodelle sind als Stand der Technik anzusehen. Der integrale Bewirtschaftungsansatz erfordert integrale Simulationsmodelle, die alle Kompartimente des Einzugsgebietes in vergleichbarer Differenzierung konsistent abbilden. Dazu werden Modelle der Stadthydrologie und der Gewässerhydrologie miteinander gekoppelt oder vereinigt.

Die Kalibrierung von Modellparametern anhand von Messdaten ist eine entscheidende Voraussetzung für realitätsnahe Simulation von Abflüssen und Stofffrachten in urbanen, ruralen oder natürlichen Einzugsgebieten. In der Praxis wird zumeist die sogenannte Expertenkalibrierung durch Sachbearbeiter durchgeführt, die je nach Talent und Zeitbudget zu individuellen Parameterwahlen führen. Mathematische Optimierungsverfahren können Kalibrierergebnisse deutlich verbessern und objektivieren sowie zu erheblichen Kosteneinsparungen bei der Bearbeitung beitragen.

Unsicherheiten in Simulationsmodellen, Systemdaten, Belastungsdaten und Messdaten zur Kalibrierung belegen auch die Berechnungsergebnisse mit Unsicherheiten. Ist der Unsicherheitsbereich von Berechnungsergebnissen bekannt oder zumindest einschätzbar, so erhöht sich der Realitätsbezug der Ergebnisse und eröffnet Abwägungspotenzial für die planerischen Entscheidungsprozesse. Die Unsicherheitsanalyse führt somit zu einer sicheren Entscheidungsfindung.

Planungsvarianten können mit Hilfe von Optimierungsalgorithmen sicherer und schneller entwickelt werden als durch das gängige trial-and-error-Verfahren. Durch die Unterstützung des Planers mittels automatisierter Verfahren können Planungen systematischer hinsichtlich infrastrukturellen, ökologischen und wirtschaftlichen Interessen analysiert und optimiert werden.

Durch die Kombination von Methoden zur Datenprüfung, automatischen Modellkalibrierung, Unsicherheitsanalyse und Variantenanalyse können unterschiedlichste Einflussfaktoren und Unsicherheiten des Planungsprozesses evaluiert und ihre Auswirkungen quantifiziert werden. Somit wird eine Entscheidungsfindung unter Einhaltung repräsentativer und objektiver Qualitätsstandards maßgeblich unterstützt.

Methoden und Ergebnisse

Das Projekt KUS verknüpft die folgenden Verfahren und Bausteine zu einem neuartigen Tool, welches in enger Beteiligung der Projektpartner praxistauglich weiterentwickelt und geprüft wird. Die wesentlichen Arbeitsschritte sind:

1.    Datenprüfung und -Aufbereitung für die Modellierung, Entwicklung neuer Verfahren zur Detektion von Niederschlag-Abfluss-Ereignissen für die Modellkalibrierung

2.    Einsatz von lokalen und globalen Optimierungsverfahren (single- und multikriteriell) sowohl für die Modellkalibrierung als auch für die Optimierung von Planungsobjekten

3.    Entwicklung einer Zielfunktionsmatrix für die beiden Optimierungsaufgaben (Bewertung der Abweichung zwischen gemessenen und berechneten Daten sowie Evaluierung von ökologischen, wirtschaftlichen und hydrologischen Aspekten)

4.    Entwicklung, Test und Weiterentwicklung von Verfahren zur Unsicherheitsanalyse von Modellrechnungen

5.    Entwicklung eines kombinierten Verfahrens zur Modellkalibrierung und Unsicherheitsanalyse

6.    Definition von Bewertungskriterien für die Modellierung und Modellkalibrierung zur Qualitätssicherung

 

 

Projektleitung


Prof. Dr.-Ing. Mathias Uhl

Fachbereich Bauingenieurwesen
Corrensstraße 25
48149 Münster
Tel: 0251 83-65201

uhlfh-muensterde

Mitarbeiter


  • M.Sc. Malte Henrichs
  • Dipl.-Ing. Dominik Leutnant

Projektzeitraum:


September 2010 - August 2013

Kooperationspartner


  • Lippeverband
  • Ruhrverband
  • Institut für technisch-wissenschaftliche Hydrologie GmbH (itwh)

Finanzierung


  • BMBF
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