Kontinuierliche Anpassung von Wasserstand-Durchfluss-Beziehungen

Kann eine Wasserstand-Durchfluss-Beziehung mit Hilfe einer intelligenten Nachführung und einem hydraulischen Modell automatisiert erlernt werden? Das hier entwickelte Verfahren kombiniert die Informationen aus einem hydraulischen Modell mit denen der beobachteten Wasserstände einer Pegelstation und führt auf dieser Grundlage die Beziehung nach. Ein Test der Technologie an der Emscher zeigte, dass eine vollständige Abflusstafel innerhalb von neun Monaten nachgeführt werden kann.

1 Einleitung

Wasserstand-Durchfluss-Beziehungen (W-Q-Beziehungen) unterliegen, wie die Gewässerquerschnitte, die sie beschreiben, einem Wandel. Natürliche Prozesse, wie Erosion oder Pflanzenwachstum, sorgen dafür, dass sich ein einmal festgelegter funktionaler Zusammenhang zwischen Wasserstand und Durchfluss schleichend verändert. Durch Kontrollmessungen wird dieser Veränderung Rechnung getragen, dennoch sind zwei Mittelwasser-, eine Niedrigwasser- und eine Hochwassermessung pro Jahr nicht immer ausreichend, um den vielfältigen Veränderungen am Standort gerecht zu werden. Ein deutlich größerer Umfang an Durchflussmessungen muss an neu eingerichteten Pegelstandorten durchgeführt werden, um die dort gültige W-Q Beziehung erstmalig zu bestimmen. Daher ist an neu errichteten Pegelstandorten meist erst nach drei Jahren eine gesicherteW-Q-Beziehung verfügbar.

Um diesen Messaufwand gezielter zu steuern und um gleichzeitigeine kontinuierliche Überwachung von W-Q-Beziehungenzu ermöglichen, wurde ein Verfahren zur automatischen Nachführungentwickelt. Allgemein formuliert wird dabei die Wasserstandzeitreiheeines Pegels an einem Gewässerquerschnitt im Kontext des Durchflussgeschehens des gesamten Gewässerabschnittesbewertet, wobei der gesamte Gewässerabschnittzusätzlich mit Hilfe eines hydraulischen Modells beschriebenwird. Durch die modellbasierte Beschreibung des Durchflussgeschehenskann für den betrachteten Pegelquerschnitt eine initiale Schätzung des Durchflusses generiert werden. Diese Schätzungist zwar nach wie vor mit Unsicherheiten behaftet, bietet aber dennoch eine fundierte Grundlage für die Nachführung derW-Q-Beziehung am betrachteten Pegelquerschnitt. Um die verschiedenen Quellen von Unsicherheit entsprechend zu berücksichtigen,wird sowohl für das hydraulische Modell als auch fürdie sukzessiv nachgeführte W-Q-Beziehung eine Ensemble-Strategieangewandt. Die Ergebnisse beider Ensembles werdenin festen zeitlichen Intervallen mit Hilfe eines Ensemble-Kalman-Filters (EKF) kombiniert, um die Informationen beider Datenquellen, die Wasserstandzeitreihe des Pegels und das hydraulische Modell, unter Berücksichtigung der Unsicherheiten zu verbinden. Die eigentliche Nachführung der W-Q-Beziehung erfolgt anschließend auf Basis dieser kombinierten Durchflussschätzung.

Das entwickelte Verfahren wurde am Pegel Dorstfeld amOberlauf der Emscher getestet, um hier eine als unbekannt angenommene
W-Q-Beziehung automatisiert nachzuführen.



Copyright: © Springer Vieweg | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
Quelle: Wasserwirtschaft - Heft 07/08 (August 2021)
Seiten: 4
Preis inkl. MwSt.: € 10,90
Autor: Dr. Henning Oppel
Dr. Alexander Hartung
Dr. Benjamin Mewes

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