A macro level optimization model for sustainable water management

Beschreibung

Zusammenfassung Die vorliegende englischsprachige Dissertation stellt die Software TIMO UWC („Tool for Integrated Management and Optimization of the Urban Water Cycle“) und deren An- wendungsfälle vor. TIMO UWC ist ein ganzheitliches Entscheidungsunterstützungstool für die Siedlungswasserwirtschaft, welches auf Makroebene die Wasserversorgung, Siedlungsentwässerung, Abwasserreinigung und unterschiedliche Methoden der Was- serwiederverwendung zusammen betrachtet. Basierend auf einem Modell des natürli- chen und städtischen Wasserkreislaufs wurde ein lineares Optimierungsproblem for- muliert, welches ein multikriterielles Netzflussproblem löst. Als Eingabeparameter wer- den die Siedlungsstruktur und Bevölkerungsdichte, die hydrologischen Bedingungen sowie alle wesentlichen Eigenschaften der siedlungswasserwirtschaftlichen Infrastruk- turen berücksichtigt. Entscheidungen werden bezüglich der Auswahl und Dimensionie- rung der Infrastrukturen sowie deren Betrieb im Jahresverlauf getroffen. Die Generie- rung der Lösungen erflogt unter Berücksichtigung der Bewertungskriterien Kosten, Emissionen, Platzbedarf und Evapotranspiration. Die Evepotranspiration dient als Hilfs- parameter zur Abschätzung der Hitzereduktion. Die Arbeit beschreibt das Optimie- rungsmodell mit allen Eingangsparametern, Bedingungen und Variablen sowie dem Pre-Processing und den Zielfunktionen. Die Eingabeparameter für die Infrastrukturen (z.B. Kosten, Platzbedarf, Wirkungsgrade) basieren auf Literaturrecherchen. Es wird ein Basisszenario festgelegt, auf dessen Grundlage die nachfolgenden Tests und Analysen durchgeführt werden. Ein Proof-of-Concept belegt anhand von Vergleichsrechnungen, dass die Optimierung korrekte Ergebnisse liefert. Nachfolgende Performance-Tests die- nen dazu, die Grenzen des Modells auszuloten. Dabei werden die Einflüsse der Sied- lungsstruktur, der hydrologischen Bedingungen und der Gewichtung der Bewertungs- kriterien analysiert. Anschließend werden anhand von drei fiktiven Einzugsgebieten (Dorf, Kleinstadt und Stadtzentrum) die Auswirkungen des Klimawandels auf die Opti- mierungslösungen untersucht. Die Entscheidung für oder gegen dezentrale Infrastruk- turen wird maßgeblich durch die Siedlungsstruktur bestimmt. Blau-grüne Infrastruktu- ren können die zentrale Entwässerung wirksam im Sinne der Klimaanpassung unter- stützen. Ein hoher Wasserbedarf, etwa durch landwirtschaftliche Bewässerung, kann die Speicherung und Wiederverwendung von Wasser erforderlich machen. In dicht be- siedelten urbanen Gebieten kann die Wiederverwendung von Abwasser oder Grauwas- ser eine sinnvolle Ergänzung zur konventionellen Wasserversorgung darstellen. Es kom- men Dual-Piping-Systeme zum Einsatz, bei denen Trinkwasser und Brauchwasser über getrennte Leitungsnetze verteilt werden. Bei begrenztem Raumangebot gewinnen de- zentrale Maßnahmen im privaten Bereich (z.B. Grauwasserrecycling, Dachbegrünung) zunehmend an Bedeutung. Mit TIMO UWC lassen sich schnell und zuverlässig ganzheit- liche Lösungen für ein nachhaltiges urbanes Wassermanagement entwickeln. Im ab- schließenden Teil der Arbeit werden die Grenzen der Software analysiert, Entwicklungs- potenziale aufgezeigt und weiterführende Forschungsfragen abgeleitet.

Autor*in

Timo Dilly

Themen in »A macro level optimization model for sustainable water management«

Urban Water Management Decision Support System Holistic Planning Macro Level Optimization Linear Programming Water Supply Urban Drainage Wastewater Treatment Water Reuse

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