Aktualisierung und Erweiterung des Optimierungsmodells für die operationelle Bewirtschaftung der Eder- und Diemeltalsperre

Die Eder- und Diemeltalsperre sind die beiden einzigen Talsperren im Eigentum des Bundes und werden von der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) bewirtschaftet. Beide Talsperren dienen der Niedrigwasseraufhöhung der Oberweser, dem Hochwasserschutz und der Energiegewinnung. Hinzukommen weitere Nutzungsarten wie die Berufs- und Sportfischerei, der Wassersport, die Fahrgastschifffahrt und weitere mit dem Tourismus und der Freizeitgestaltung in Verbindung stehende Aktivitäten. Somit stehen sich eine Vielzahl von teilweise konkurrierenden Nutzerinteressen gegenüber, die bei der Bewirtschaftung der Talsperre Berücksichtigung finden müssen (Oppermann and Richter 2004).

Vor diesem Hintergrund betreibt das für die Bewirtschaftung von Eder- und Diemeltalsperre zuständige Wasserstraßen- und Schifffahrtsamt (WSA) Weser am Standort Hann. Münden seit 2012 zur Unterstützung seiner Arbeiten ein operationelles Vorhersagesystem mit eingebettetem Betriebsmodell, das von der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) erstellt wurde (Hohenrainer et al. 2012). Die BfG unterstützt und begleitet darüber hinaus fachlich die Arbeiten des WSA. Um die Vielzahl der für die Talsperrenbewirtschaftung zu berücksichtigen Rahmenbedingungen, die sich dynamisch verändern, abzubilden und daraus die für die jeweiligen Folgetage unter verschiedenen Gesichtspunkten bestmögliche Talsperrenabgabe zu ermitteln, wurde 2016 zusätzlich ein Optimierungsmodell entwickelt und in Betrieb genommen (Universität Kassel 2016a, Universität Kassel 2016b; Rötz et al. 2016). Ausgehend von diesem Optimierungsmodell für die Bewirtschaftung der Edertalsperre soll in fachlicher wie technischer Hinsicht eine Aktualisierung und Weiterentwicklung des Modell- / Vorhersagesystems erfolgen. Dabei liegt der Fokus auf dem Baustein der modellgestützten Optimierung inkl. des erforderlichen Fließgewässermodells sowie der Einbindung in das bestehende Delft-FEWS Vorhersagesystem (Werner et al, 2013). Die weiteren Modellkomponenten des Vorhersagesystems (z. B. Wasserhaushaltsmodell) sind nicht Gegenstand der im Weiteren beschriebenen Leistungen.

Der Hauptaspekt besteht in einer Verbesserung und Erweiterung der fachlichen Einsatzmöglichkeiten des bestehenden Werkzeugs zur Unterstützung der Talsperrenbewirtschaftung durch u. a. Erweiterung des Fließgewässer- und Optimierungsmodells auf die gesamte Oberweser, Einbeziehung der Diemeltalsperre, Optimierung auf mehrere Pegel etc. für den Praxisbetrieb. Dabei gilt es neben deterministischen auch Ensemble basierte Abflussvorhersagen nutzbar zu machen, um die inhärente Vorhersageunsicherheit in der modellbasierten Entscheidungsunterstützung auf verschiedenen Zeitskalen berücksichtigen zu können. Bis dato liegt der berücksichtigte Vorhersagezeitraum für das Optimierungsmodell bei maximal 7 Tagen, so dass sowohl auf dieser Zeitskala wie auch für darüber hinausgehende Optimierungen der Unsicherheitsaspekt zu berücksichtigen ist.

Ziel der Gesamtleistungen ist es durch das Aufgreifen fachlicher wie technischer Neuerungen, das bestehende Optimierungswerkzeug zur Unterstützung der operationellen Talsperrenbewirtschaftung der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung im Wesergebiet nachhaltig zu verbessern. Zudem soll die Übertragbarkeit auf anderweitige Bewirtschaftungsaufgaben der WSV demonstriert werden.

Hauptort der Ausführung: Koblenz

1: Überführung des bestehenden Optimierungsmodells auf RTC-Tools 2 und Erweiterung für die gesamte Oberweser

Das an das operationelle Vorhersagesystem gekoppelte Optimierungsmodell zur Talsperrenbewirtschaftung des WSA in Hann. Münden soll auf die gesamte Oberweser bis zum Pegel Petershagen unter Einbeziehung der Diemeltalsperre erweitert werden. In technischer Hinsicht ist hierbei zudem der Wechsel auf RTC-Tools 2 zu vollziehen, um neue Optionen nutzen und auch zukünftig von Weiterentwicklungen des Softwarewerkzeugs profitieren zu können.

2: Integration von Ensemble-Vorhersagen

Die Nutzung Ensemble-basierter Vorhersagen entspricht seit mehreren Jahren dem Stand der Technik und soll zukünftig auch bei der Entscheidungsunterstützung zur Talsperrenbewirtschaftung im Wesergebiet Berücksichtigung finden. RTC-Tools 2 bietet bereits methodische Ansätze, um Ensemble-Vorhersagen bei der modellgestützten Optimierung zu berücksichtigen. Die Möglichkeiten und Grenzen dieser Methoden sind systematisch zu untersuchen. Im Zuge der Entwicklung stellt der AG Ensemble-Vorhersagen des Abflusses für die Rand- und Seitenzuflüsse des modellierten Gewässersystems bereit.

3: Übertragung auf den Nord-Ostsee-Kanal

Die BfG hat im Auftrag der WSV ein Vorhersagesystem für den Nord-Ostsee-Kanal (NOK) auf Basis von Delft-FEWS erstellt, welches sich aktuell im operationellen Testbetrieb befindet und 4 x täglich Vorhersagen des Kanalwasserstands für die nächsten 120 Stunden erstellt. Ziel des Vorhersagesystems ist die operationelle Unterstützung der Kanalentwässerung, welche an beiden Kanalseiten ausschließlich im Freigefälle erfolgen kann. Die Außenwasserstände (Tideelbe, Kieler Bucht) sind Gezeiten beeinflusst. Der NOK besitzt eine Vielzahl kleinerer Zuflüsse, deren Wassereintrag über ein Wasserhaushaltsmodell erfasst und vereinfacht an zwei Punkten an das Kanalmodell (1D HN-Modell) übergeben wird. Für jede Vorhersage werden derzeit 5 verschiedene Entwässerungsvarianten des Kanals (keine Entwässerung, volle Entwässerungskapazität, reduzierte Entwässerungskapazität von 25 %, 50 %, 75 %) betrachtet und ihr voraussichtlicher Einfluss auf die zukünftige Entwicklung der Kanalwasserstände wird modellgestützt ermittelt. Vorrangiges Ziel der Nutzer des Vorhersagesystems ist es, auf der Grundlage der Vorhersage die Kanalentwässerung für die jeweils nächsten Tidezyklen möglichst optimal zu gestalten, so dass die Wasserstände im Kanal die zulässigen minimalen / maximalen Grenzwasserstände nicht unter- bzw. überschreiten und Wasserstandsschwankungen möglichst minimiert werden. Die Möglichkeiten des Einsatzes modellgestützter Optimierungsalgorithmen soll vor diesem Hintergrund für das NOK-System demonstriert, mit den Nutzern vor Ort diskutiert und in einem Feinkonzept dokumentiert / spezifiziert werden.

4: Dokumentation, Berichte, Qualitätssicherung

5: Projektbesprechungen, Ergebnispräsentationen

Die ausführliche Beschreibung der Leistungen entnehmen sie bitte der Leistungsbeschreibung

Preis - Gewichtung: 30

Anzahl der eingegangenen Angebote von KMU: 1

Anzahl der elektronisch eingegangenen Angebote: 2

In der Phase des Teilnahmewettbewerbs werden Bewerber anhand der geforderten Mindest-/Eignungskriterien für die Teilnahme an Verhandlungsgesprächen ausgewählt. Im Rahmen individueller Verhandlungstermine stellen die ausgewählten Teilnehmer dann ihre Lösungsvorschläge im Rahmen einer Präsentation vor und erörtern diese mit dem Bedarfsträger. Die Präsentationsunterlagen werden dem Bedarfsträger in diesem Rahmen zur Verfügung gestellt. Auf Basis der Verhandlungsergebnisse erfolgt ggf. eine Aktualisierung der Leistungsbeschreibung sowie des Vertrags und im Anschluss eine Aufforderung zur Angebotsabgabe.