Simulation des Kanalnetzes mit SWMM
Zielsetzung:
Hydraulische Simulation des Kanalnetzes mit SWMM mit den verschiedenen Methoden. Vergleich der modellierter mit der beobachteten Ganglinien.
SWMM-Modell:
Ein hydraulisches Modell wurde, mit Hilfe der ERZ, aufgebaut, um den Einfluss der verschiedenen Niederschlagsmodelle (vgl. E. Niederschlag) und Verdunstungsmodelle (vgl. F. Modellierung Verluste) auf die Abflussganglinie zu bewerten.
- Software: EPA SWMM (Storm Water Management Model)
- Netzwerk: 4216 Teileinzugsgebiete, 9843 Knoten, 1118 Speicherbauwerke, 9266 Haltungen, 18 Pumpen, 123 Drosselorgane, 191 Wehre, 18 Auslässe
- 118 Steuerungsregeln, 4802 Zufluss-Ganglinien
- Simulierterte Zeit: 29 Tage, Laufzeit ca. 18 h, Kontinuitätsfehler < 1%
Die verschiedenen modellierten Abflüsse Qmod wurden dann mit den gemessenen Abflüsse Qgem verglichen.
Ergebnisse:
Die verschiedenen modellierten Abflüsse Qmod wurden dann mit den gemessenen Abflüsse Qgem quantitativ verglichen. Die folgenden Ganglinien und Zielfunktionen zeigen die Modellgüte für die vier ausgewählten Ereignisse.
Die Zielfunktionen sind in den folgenden Tabellen sind zweigeteilt: BIAS und PBIAS beschreiben die Zentralität des Fehlers während RMSE, COR und NSE die Streuung des Fehlers und die Modellanpassung quantifizieren.
Die Methode "Innovation" des Niederschlags liefert immer die beste Fehlerstreuung (d.h. kleinster RMSE, bester, linearer Zusammenhang COR und höchster NSE) bei allen vier Niederschlagsereignissen. Besonders ausgeprägt ist der Unterschied bei EV04 und EV08, wo der Niederschlag räumlich stark variiert. Der BIAS und PBIAS der Innovation schneidet teils schlechter ab als die "einfacheren" Methoden, obwohl Kreuzvalidierung des Niederschlags (siehe E. Niederschlag) gezeigt hat, dass die Methode "Innovation" nahezu bias-frei ist. Diese Verschiebung der Fehlerzentralität entsteht durch systematische Fehler bei der Abbildung und Modellierung des Kanalnetzes (Pumpregeln, Regulierunge, Rohrleitungen etc.). Der verbesserte Input deckt also Schwächen im hydraulischen Modell auf, die bei schlechterem Input durch andere Fehlerquelle, bzw. eine Kalibration, nicht aufgefallen wären.
Im nächsten Schritt wird der Einfluss der Verluste (vgl. F. Modellierung Verluste) auf die hydraulische Modellierung dargestellt:
Die Berücksichtigung der Verluste verbessert die Abbildung des Anstiegs der Abflussganglinie, auch wenn die simulierte Abflussspitze dadurch etwas tiefer ausfällt. Die Pfeile markieren weitere Stellen, an denen die Modellanpassung durch die Verlustmodellierung sichtbar verbessert wird. Die Zielfunktionen bestätigen, dass die Inklusion der Verluste in diesen Sub-Events zu einer besseren Modellanpassung führt. Das gilt allerdings nicht generalisierbar für alle Sub-Events. Der Effekt ist ereignis- und saisonabhängig.
Beim Sub-Event 1 von EV08 zeigt sich ein gegenteiliger Effekt. Die Verlustmodellierung verursacht eine zusätzliche zeitliche Verschiebung des Ganglinienbeginns. Statt die Anpassung zu verbessern, vergrössert sich die Verzögerung des Anstiegs. Das Innovationsmodell ohne Verluste liefert hier bessere Zielfunktionswerte als das Modell mit Verlusten. Eine ähnliche Beobachtung lässt sich bei Sub-Event 3 von EV02 machen
Zur Bewertung der Abflussspitzen wird der prozentuale Fehler zwischen simulierten und gemessenen Peakwerten über alle Events hinweg berechnet.
Das Modell "Innovation" des Niederschlages liefert die robusteste Performance mit der geringsten Standardabweichung und den wenigsten Ausreissern (diese entsprechen typischerweise nicht erkannten Abflussspitzen). Die Inklusion der Verluste führt zu einer Verschiebung der Fehler nach unten, d.h. die simulierten Spitzen fallen konsistent tiefer aus als die gemessenen. Analog wurde der prozentuale Fehler der Eintrittszeit der Abflussspitze über alle Events ausgewertet. Auch hier zeigt das Innovationsmodell die geringste Fehler.
Fazit: Die hydraulische Modellierung des Kananetzes zeigt die Fehlerfortpflanzung des Inputs mit den systematischen Fehlern des Kanalnetzes selber. Für eine verbesserte Abschätzung des Abflusses für Planung & Betrieb sind daher ein verbesserter Input (d.h. Niederschlag) und eine genaue Beschreibung des Systems (d.h. Kanalnetz) wichtige Vorrausetzungen.
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