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Modellierungsinstrumente

Die Modellierungsinstrumente spielen eine entscheidende Rolle bei der dynamischen und integralen Wasserbewirtschaftung. Sie ermöglichen es, Kenntnisse und Entscheidungsfindung konkret zu verbessern. Die Modellierungsinstrumente werden in der Schweiz und im restlichen Europa seit der Einführung der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) der Europäischen Union (EU) im Jahr 2000 kontinuierlich weiterentwickelt. Diese sieht eine Bewirtschaftung des Einzugsgebiets vor, die auf die ökologische Qualität der Flüsse ausgerichtet ist Schütze et al., 2004.

Insgesamt werden vier Modellkategorien unterschieden Bach et al., 2014:

  • Integriertes, komponentenbasiertes Modell (ICBM auf Englisch), das einer Analyse der Komponenten durch Teilsysteme entspricht (z. B. Modellierung mehrerer Verfahren in einer ARA);
  • Integriertes Modell für das Entwässerungssystem (IUDM auf Englisch), das sämtliche Teilsysteme des Entwässerungssystems umfasst (Netz, ARA und Gewässer);
  • Integriertes Modell für den Siedlungswasserkreislauf (IUWCM auf Englisch), das sowohl das Entwässerungssystem als auch das Trinkwasserversorgungssystem berücksichtigt;
  • Integriertes Modell für das Siedlungswassersystem (IUWSM auf Englisch), das eine Kombination der Infrastrukturen und Disziplinen des Siedlungswasserkreislaufs berücksichtigt.

Jede Kategorie eignet sich für die Ziele des Projekts und die Grenzen des untersuchten Systems. Je weiter die Grenzen gesteckt sind (globalere Betrachtung), desto komplexer, zeit- und berechnungsintensiver ist die Modellierung. Daher wird mit Berechnungsannahmen und Vereinfachungen gearbeitet. Im Rahmen des VSA sind insbesondere die auf das Entwässerungssystem ausgerichteten Modelle (vom Typ IUDM) von Interesse.

Nach und nach wurden verschiedene Ansätze zur Entwicklung integrierter Modelle konzipiert und entsprechende Leitfäden erstellt, um über Instrumente zur Kontrolle der Modellqualität und -gültigkeit zu verfügen. Dank der Erstellung des HSG Leitfadens konnten beispielsweise die im WRRL der EU entwickelten Ideen umgesetzt werden Muschalla et al., 2008. Er sieht eine klassische Vorgehensweise in sechs Schritten vor:

  1.  Das System wird analysiert und die Motivationen/Ziele klar präsentiert.
  2.  Die Prozesse und Kriterien (Variablen und Systemgrenzen) werden definiert.
  3.  Die Modellierungsansätze und die erforderlichen Daten zur Modellierung werden geprüft.
  4.  Die zur Verfügung stehenden Daten und Modelle werden hinsichtlich Stabilität und Qualität der Daten analysiert.
  5.  Das Modell wird kalibriert und validiert.
  6.  Die verschiedenen Szenarien werden simuliert und anhand der definierten Kriterien analysiert.

Es wurde ein „universeller“ Ansatz für die Entwicklung von auf das Entwässerungssystem ausgerichteter, integrierter Modelle vorgeschlagen (Bach et al., 2014). Die Erhebung (und Validierung) von Daten sowie die Analyse der Unsicherheiten spielen eine wichtige Rolle (siehe unten). Diese Punkte wurden ebenfalls bei einer äusserst umfangreichen Schweizer Studie Manny, 2017 über die Rückhaltebauwerke hervorgehoben. Vor der Auswahl und der Verwendung dieser Modelle sollte dieses Schema unbedingt beachtet werden!

Für den uns betreffenden Bereich bedeutet dies: Es wurden bzw. werden zahlreiche Software-Anwendungen für die integrierte und dynamische Modellierung des Entwässerungssystems entwickelt. Software wie ICS oder SYNOPSIS Schütze et al., 2002 waren ein Zugewinn für den Bereich und ermöglichten eine Erweiterung der Kenntnisse zu diesem Thema. Eine nicht erschöpfende Auflistung der üblicherweise verwendeten Software enthält unter anderem Infoworks ICM (Innovyze), WEST – MIKE (Gruppe DHI), SIMBA und SIMBA# (Institut Ifak), CITY DRAIN © (Hydro-IT GmbH), eWATER, RS URBAN etc. Die Auflistung der verfügbaren Software wird durch den VSA auf dieser Seite regelmässig aktualisiert.

Diese Software-Anwendungen haben sich bewährt, sind jedoch je nach Analysegrad des Systems (global oder detaillierter) unterschiedlich zu verwenden. Ihre Anwendung wurde an konkreten Beispielen getestet, die die Stärke und das Potenzial ihrer Verwendung belegen Achleitner et al., 2007, Meirlaen and Vanrolleghem 2000, DWA, 2018. In der Schweiz ist die Erfahrung zwar noch auf die Verwendung dieser Instrumente durch Ingenieurbüros beschränkt, die Beispiele zeigen jedoch einige Entwicklungen (Beispiel ERM). Die Software REBEKA, entwickelt im Rahmen des STORM-Verfahrens des VSA VSA, 2019, ermöglicht es, die Auswirkungen der Abwassereinleitungen in Gewässer abzuschätzen, und kann als integriertes Netz-Gewässer-Modell betrachtet werden. Die Komponente ARA fehlt jedoch in diesem Modell.