With increased computer performance and data-processing functionalities, there has been a tendency in the last few years to apply detailed hydrodynamic sewer modelling for long-term simulations, with long time series of rainfall. Although this is now fairly realistic for small networks, there is still a clear limit as to what can be done in the case of running bigger models for a long time, which need a lot more computational effort. Therefore, the idea has grown to investigate the possibilities of hybrid sewer modelling, a combination of conceptual and mechanistic modelling approaches to combine the advantages of both models, the speed of conceptual models and the accuracy of mechanistic models. Suggestions for hybrid model simplifications are presented in this paper within their application for two case studies.

In recent years considerable progress has been made in numerical weather prognosis. Special progress has been made in doing local forecasts up to five days of temperature, wind and atmospheric pressure and al so o f the weather det erminant flow s ystems. In contrast, the local prognosis of precipitation (liquid and ice phase) has not been improved. T his circumstance has lead to the DFG p rogram “Quantitative rainfall prognosis”. I t co vers broadly base d activities that ai m on the i mprovement o f t he knowledge on t he pr ocesses of r ainfall f ormation and t heir num erical pr ognosis. The main objective is to improve the routine prognosis of the German Weather Association (DWD). The program covers the modeling of microphysical processes as well as the description of essential meteorological conditions in different temporal and spatial scales. Especially, co nvective c loud sy stems that ar e often responsible for e xtreme r ainfall situations are studied. In a G ermany-wide monitoring campaign in the year 2007 comprehensive measurements are conducted. The gained information and data will be used to improve process description and to support model evaluation. The st udy at hand describes the anal ysis and pr ognosis of temporally (5 m in) and spatially (500 m) highly distributed rainfall data for the Berlin area. The data will be used in the frame of the EVA project of Kompetenzzentrum Wasser Berlin to analyse and evaluate the potential of online rainfall measurement and forecast to support the operation of wastewater pump stations.

Zielstellung des im Rahmen des EVA Projekts durchgeführten Arbeitspaketes 3 war die Entwicklung eines Optimierungsmodells des Berliner Abwassersystems, bestehend aus Kanalnetzen, Abwasserdruckleitungsnetz und Kläranlagen, sowie die Implementierung des Modells im algebraischen Modellierungssystem GAMS (General Algebraic Modeling System). Auf dieser Basis sollten mittels mathematischer Optimierung Strategien zur Steuerung der Abwasserströme innerhalb des Abwasserdruckleitungsnetzes während Niederschlags ermittelt werden mit dem Ziel, eine flexible, variable Beschickung der Kläranlagen zu ermöglichen. Stellgrößen für die Optimierung sind die Volumenströme oder Druckdifferenzen in den Pumpwerken und an den Schiebern im Abwasserdruckleitungsnetz. Dieser Abschlussbericht beschreibt detailliert die am Konrad-Zuse-Zentrum Berlin und am Institut für Angewandte Mathematik der Leibniz Universität Hannover durchgeführten Arbeiten. Er lässt sich gliedern in folgende Abschnitte: (i) Gesamtüberblick des Berliner Abwassersystems, Aufgabenstellung und Beschreibung der abwassertechnischen Anlagen, Daten für das Optimierungsmodell. (ii) Mathematische Modellierung des Gesamtsystems und der Komponenten, ggf. alternative Modellierungsmöglichkeiten, Beurteilung der Modelleigenschaften. (iii) Mathematische Ansätze und Lösungsmethoden mit Beurteilung ihrer Vorteile, Nachteile und Schwierigkeiten, Zusammenfassung. Während der Datenerhebung stellte sich heraus, dass das Abwassersystem hinsichtlich der Modellierung und Lösung in GAMS wesentlich komplexer ist, als es zunächst absehbar war. Dies betrifft insbesondere die Kanalnetze: hier verursachen Sonderbauwerke, wie Drosseln, Wehre und Heber zustandsabhängige Unstetigkeiten, die sich in GAMS nur mittels ganzzahliger Optimierungsvariablen adäquat modellieren lassen. Dadurch entsteht ein gemischt-ganzzahliges nichtlineares Optimierungsmodell (MINLP für engl. mixed-integer non-linear program) sehr hoher Dimension, das mathematisch wie rechentechnisch extrem schwierig zu lösen ist. So konnte bisher keine optimale Bewirtschaftungsstrategie ermittelt werden. Auch die Größe des Modells stellt eine Herausforderung dar: in der aktuellen Formulierung existieren in etwa 3 Millionen Optimierungsvariablen (davon gut 200.000 ganzzahlige) und etwa eine Million Beschränkungen (plus einfache Schranken). Somit ist das Modell etwa um einen Faktor hundert größer als bisher erfolgreich gelöste MINLPModelle. Es wurde versucht, das Abwassermodell mit dem MINLP-Löser Bonmin in Kombination mit dem NLP-Löser Ipopt in GAMS zu lösen (NLP für engl. non-linear program), erwartungsgemäß allerdings bisher erfolglos. Als Fazit bleibt festzuhalten, dass das im Rahmen dieser Studie erstellte Abwassermodell mit Standard-Optimierungstools derzeit nicht lösbar ist. Die angestrebten Untersuchungen erfordern zunächst weitere Forschungsarbeit, um das Modell einer numerischen Behandlung zugänglich zu machen. Außerdem wird eine weitergehende Vereinfachung der Beschreibung der Kanalnetzbausteine im Modell diskutiert.

In combined sewer systems domestic, trade and industrial waste water and in case of rainfall events significant volumes of storm water are collected and transported to wastewater treatment plants (wwtp). In the frame of this study a literature review on the impact of combined water inflow on wastewater treatment and the identification of critical system processes and parameters has been carried out. The objective of this work was to study the possibilities of an optimal charging of wwtps during rain and to analyse in how far those concepts could be transferred to Berlin plants. When the inflow of combined sewage to the wwtp increases, screening waste increases, too. However, this is no problem if the screening capacity is sufficient. In the primary settler the formation of primary sludge increases due to the higher inflow load. Concerning dissolved substances there can be an adverse effect when the highly concentrated content of the primary settler is pushed into the biological tanks. To ensure a reliable separation of the primary sludge a hydraulic residence time of 30 minutes is recommended. In literature, the processes of nitrification, biological P removal and the separation of the activated sludge in the final clarifier have been identified as being most critical during combined water inflow. Usually, effluent concentrations of the critical parameters increase only at the beginning of a rain event. Due to the dilution effect that typically can be observed after a maximum duration of 2 hours the concentrations then keep constant again. The process of biological P elimination can be supplemented by chemical P precipitation to avoid critical effluent concentrations during combined water inflow. In the aerated zone the oxygen content can be regulated to improve P incorporation. In the past, in Germany combined water inflow to the wwtp was limited to 2*Qwastewater+Qinfiltration (according to the standard ATV-A 131, 1991). However, the treatment capacity of wwtps that have been designed according to ATV-A 131 (1991) may exceed this value. According to the standard ATV-DVWK-A 198 an inflow of 3-6 times the average dry weather flow may be possible. In literature it can be found that factors of 3 to max. 4 have been realized successfully. Hence, in praxis the peak factor for combined water inflow is rather in the lower range given in ATV-DVWK-A 198. In Berlin the approach given in ATV-DVWK-A 198 will not be applicable. Since wastewater transport is realised via long pressure mains the dilution by stormwater reaches the wwtps only after 5-10 hours. In contrary to wwtps that are directly connected to a gravity sewer system, this Berlin situation leads to long-lasting disturbances of the processes in the activated sludge tanks and in the final clarifiers. However, it must be mentioned that only few information was available on the behavior of the Berlin wwtps during combined water inflow (mainly inflow data). At some wwtps (Stahnsdorf and Ruhleben) an adapted sporadic increase of the inflow rates during rain may be possible. The “bypass process” and an adapted oxygen regulation may be further interesting options for the management of combined water at the wwtp. However, the “bypassprocess” has not yet been tested in situations with long-lasting (5-10 hours) high load situations. The most important options for the reduction of combined water overflows in Berlin will still be the unsealing of currently impervious surfaces, the reconfiguration of the combined sewer system into a modified system (preventing stormwater to enter the combined sewer), the prevention of stormwater inflow into the sanitary sewers of the separate system and the construction and (real-time) control of storage capacities within the combined sewer system. In the future it would be desirable to charge the Berlin wwtps in accordance to their actual capacities based on measurement information. Thus, an optimisation between combined water treatment (reduction of combined water overflows) and the capacity and resilience of the plant could be realised. Therefore, a system for the assessment of the actual capacity of a wwtp (nitrification, final clarification) would be needed.

Ein wichtiges Teilgebiet der Siedlungswasserwirtschaft ist die Entwässerung urbaner Gebiete. Zum Ableiten von anfallendem häuslichen Abwasser wurden im Laufe der Jahrhunderte Kanalisationen entwickelt, die für bessere hygienische Verhältnisse in besiedelten Gebieten sorgen sollten. Dies waren zumeist offene Gerinne zwischen Fahrbahn und Bürgersteig, in denen sich das Brauch- und Regenwasser mit dem Unrat der Straße vermischte und in ein nahe gelegenes Gewässer eingeleitet wurde. Dies führte zu starken Verschmutzungen der Gewässer. Heutzutage werden Kanalisationen unterirdisch gebaut. Das Abwasser wird zur Reinigung einer Kläranlage zugeführt und von dort aus einem Oberflächengewässer zugeführt. Durch das Einleiten von Niederschlagswasser, den Einträgen aus der Industrie, den Einleitungen aus kommunalen Kläranlagen sowie Einleitungen aus diffusen Quellen wird das Gewässer sowohl hydraulisch als auch stofflich stark belastet. Herkömmliche Maßnahmen für den Rückhalt von Mischwasser sind der Bau von Speicherbecken. Da ein Neubau meist sehr kostenintensiv ist und viel Platz in Anspruch nimmt, der in Großstädten meist nicht zur Verfügung steht, kann die Bewirtschaftung von vorhandenem Kanalraum als eine Alternative angesehen werden. Durch den Bau von Regenrückhaltebecken und die Regenwasserbewirtschaftung ist ein Rückgang der Mischwassereinträge und dadurch eine Verringerung der Gewässerbelastung zu verzeichnen. Trotzdem ist der Verschmutzungsgrad der meisten Gewässer weiterhin bedenklich. Auf Grund der Tatsache, dass die Trink- und Abwasserentsorgung Berlins innerhalb der Stadtgrenzen betrieben wird, ist es wichtig, einen umfassenden Gewässerschutz zu betreiben. Mit der Einführung der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL, 2000) hat man sich auf europäischer Ebene darauf geeinigt, dass alle europäischen natürlichen Oberflächengewässer bis zum Jahr 2015 einen „guten ökologischen und guten chemischen Zustand“ erlangen sollen (Art. 4.2 WRRL). Ein Ansatz zur Umsetzung dieser Vorgaben ist die Reduzierung der Mischwasserüberläufe während Regen. Dies kann z.B. unter Zuhilfenahme einer Verbundsteuerung umgesetzt werden. Ziel dieser Diplomarbeit ist es, einen bewertenden Vergleich zwischen einer Verbundsteuerung und der momentanen Berliner Steuerungsstrategie (lokale Steuerung) an ausgesuchten Abwasserpumpwerken durchzuführen. Dabei soll festgestellt werden, ob und in wie weit, eine übergeordnete Verbundsteuerung zur Reduktion von Mischwasserüberläufen beitragen kann. Zu diesem Zweck sollen Simulationen durchgeführt werden. Dabei soll einerseits mittels Langzeitsimulationen das Potential einer Verbundsteuerung im Gegensatz zur derzeitigen Steuerung (Kap. 2.3.2) theoretisch bestimmt werden. Auf der anderen Seite werden auf der Basis gemessener Daten (Fördermengen und Wasserstände) Einzelsimulationen für ausgewählte Regenereignisse (Kap. 7.2) durchgeführt. Diese dienen der Überprüfung des eventuell theoretisch vorhandenen Steuerungspotentials.