Entwurfsoptimierung städtischer Abwasserentsorgungsnetze [online]

Kurzfassung

Die Neuplanung und Sanierung von Entwässerungssystemen stellt
eine komplexe Aufgabe dar, die weiterhin mittels vereinfachter
Berechnungsmethoden und Iterationsverfahren mit Hilfe von
Simulationsmodellen gelöst wird. Daher kann damit
Kosteneffizienz nicht erreicht werden. Das entwickelte Modell
vollzieht den Entwurf von Abwasserentsorgungsnetzen mit Hilfe
von Verfahren aus der Systemanalyse: Evolutionsstrategien und
Dynamische Programmierung, die das Potenzial haben, die Aufgabe
für den Einsatz in der Praxis zu lösen. Im Vergleich zu
Simulationsmodellen zum Nachweis hydraulischer
Leistungsfähigkeit von neugeplanten oder bestehenden
Kanalnetzen, die die Trassenführung, Profilform,
Profilabmessungen, Verlegungstiefen einschließlich Sohlengefälle
der Kanäle als Eingabedaten für die hydrodynamische
Abflußsimulation benötigen, ermittelt das vorliegende Modell
diese Netzdaten und zwar kostenminimal.
Die Zielfunktion stellt die Kosten des Ableitungssystems in
Abhängigkeit von der Netztopologie, Sohlentiefen der Schächte,
Profile und Einbautiefen der Kanäle dar. Im Fall, daß Pumpwerke
und Regenbecken an vorgegebenen Standorten im Kanalnetz
... mehreinzubinden sind, werden die Förderhöhe, der Förderstrom und das
Pumpensumpfvolumen sowie das Regenbeckenvolumen in die
Zielfunktion einbezogen. Die Nebenbedingungen stellen die
einzuhaltenden ingenieur-technischen Randbedingungen, wie minimal
und maximal zulässige Fließgeschwindigkeit und Sohlentiefe,
minimal zulässige Überdeckung für geschlossene Profile,
Freispiegelabfluß etc dar.
Das Entwurfsverfahren wird in die Design- und Layoutoptimierung
unterteilt. Zur Designoptimierung wird das Kanalsystem als eine
Sequenz von Stufen modelliert, so daß die Dynamische
Programmierung zur Anwendung kommt. Der
haltungsbezogene Entscheidungsprozeß der Dimensionierung für vorgegebene
Belastungsabflüsse und eine haltungsbezogene hydrodynamische
Abflußberechnung auf der Grundlage des Saint-Venant
Differentialgleichungssystems werden damit gleichzeitig möglich.
Das Lösungsverfahren gestattet, als bereits vorhanden
einzugebende Haltungen im Netz im Optimierungsprozeß
mitzuberücksichtigen, so daß es auch zur Sanierung von
Kanalnetzen eingesetzt werden kann. Die Layoutoptimierung
verwendet Evolutionsstrategien mit
Mutations-Schrittweiten-Regelung. Die Netztopologie wird durch
Zufallsmechanismen als Verästelungsnetz aus dem in der Regel
zugrundegelegten vermaschten Straßenraster gebildet. Jede
resultierende Netztopologie wird mit Hilfe der Designoptimierung
bewertet. Im gesamten Prozeß führt dann die Layoutwahl
einschließlich Designoptimierung zur Layoutoptimierung.
Damit beinhaltet die Entwurfsoptimierung sowohl Auslegung als
auch Bemessung der Kanäle und ermöglicht gleichzeitig die
Auswirkung veränderter Entwurfskriterien auf das Ergebnis zu
ermitteln, so daß Parametersensitivitäten untersucht werden können.
Die Modellentwicklung schließt eine Schnittstelle zum
Simulationsmodell SWMM (Storm Water Management Model), das das
hydraulische Verhalten des resultierenden Entwässerungsnetzes
bestätigt, ein. Das entwickelte Optimierungsmodell wird anhand
eines Planungsbeispiels verifiziert.