Optimierung und Simulation von Mehrzweck-Speicher-Systemen in der Wasserwirtschaft

Mit ständig knapper werdenden Resourcen kommt den Fragen der Planung und des Betriebs von Mehrzweckspeichersystemen eine stetig wachsende Bedeutung innerhalb der Wasserwirtschaft zu. Zunehmend setzt sich die Erkenntnis durch, daß nur durch die umfassende gemeinsame Betrachtung aller Komponenten eines wasserwirtschaftlichen Systems solche Planungs- und Steuerungsstrategien entwickelt werden können, die für die jeweilige Zielsetzung als echtes globales Optimum zu bezeichnen sind.

Nachdem auf dem Gebiet der Wasserwirtschaft in jüngerer Zeit viele Einzelprobleme gelöst wurden, ja es sogar gelungen ist, für einfachere wasserwirtschaftliche Systeme auf dem Gebiet der Planung wie des Betriebs optimale Lösungen zu erarbeiten, widmet sich die internationale Fachwelt in zunehmendem Maße der Erforschung des Verhaltens komplexerer Systeme. Aufgrund der Entwicklung von Methoden der Systemanalyse und des ‘Operations Research’ sowie der neuentwickelten hohen Leistungsfähigkeit von Großcomputern kann man hoffen, daß nunmehr die Zeit reif ist, auch komplexe wasserwirtschaftliche Systeme in optimaler Weise zu planen und zu bewirtschaften. Diesem Gebiet der im internationalen Sprachgebrauch als ‘multi-unit, multi-purpose water resources systems’ bezeichneten Systeme widmen sich in aller Welt zahlreiche Forschungsvorhaben.

Seit Erscheinen der berühmten Harvard Studie “Design of Water Resources Systems” (MAASS et al., 1962) ist eine sehr große Zahl von Arbeiten in der Fachliteratur erschienen, die sich mit der Anwendung von System-Analyse-Techniken und ‘Operations Research’ in der Wasserwirtschaft beschäftigen. Einen guten Überblick über die auf dem Gebiet der Bewirtschaftung von Speichersystemen verwendeten Methoden vermitteln beispielsweise die “state-of-the-art-reviews” von ROEFS (1968), MALES (1970), ASFUR u. YEH (1971), SCHULTZ (1973), SIGVALDASON (1976 b), CROLEY II (1978) und LOUCKS und SIGVALDASON (1979), in denen umfangreiche Literaturhinweise zu finden sind.

In diesem Kapitel werden verschiedene Optimierungsmodelle für 1 bis 3 Speicher vorgestellt, mit Hilfe derer für ein vereinfachtes System solche Lösungen errechnet werden, die nicht nur nahe am globalen Optimum liegen, sondern auch als Ausgangsbasis für die nachfolgende Simulation des Gesamtsystems in Kapitel 6 dienen können.

Wie bereits in der Einleitung dargelegt, erfolgt die Entwicklung der Lösungstechniken in Anlehnung an real existierende Problemstellungen, um ein Höchstmaß der praktischen Anwendbarkeit sicherzustellen. Auf der Suche nach einem passenden Anwendungsgebiet erwies sich das System der Wup-per-Talsperren als besonders geeignet. Da die meisten Talsperren in diesem System vom Wupperverband mit Sitz in Wuppertal betrieben werden, war die freundliche Bereitschaft zur Zusammenarbeit seitens dieses Verbandes sowie die Bereitstellung der umfangreichen Daten und Unterlagen eine wesentliche Voraussetzung für das Gelingen dieses Projekts.

In diesem Abschnitt wird anhand eines Anwendungsbeispiels gezeigt, wie die im Kapitel 3.2 allgemeingültig entwickelten Modelle für Teilsysteme zur Auffindung einer Lösung, wie in Kapitel 3.1 beschrieben, für das Gesamtsystem herangezogen werden können.

Ziel der Simulationen ist es, bessere Betriebsregeln für ein Speichersystem zu finden. Es wird davon ausgegangen, daß vereinfachte Betriebsregeln aus Optimierungsmodellen, wie in Kapitel 5 vorgestellt, zur Verfügung stehen. Da diese Betriebsregeln für ein vereinfachtes System und für deterministische Hydrologie optimiert wurden, müssen sie jetzt für den Echtzeitbetrieb geändert werden. Im wesentlichen entsprechen die Betriebsregeln der Optimierung der Standard-Betriebsregel, wobei ein Ziel (im Beispiel des Wupper-Systems ein Niedrigwasseraufhöhungsziel) so oft wie möglich erreicht sein sollte. Da diese Betriebsregel gewissermaßen kurzsichtig ist, müssen für den Echtzeitbetrieb gewisse Grenzinhalte eingeführt werden, unterhalb welcher auf niedrigere Ziele gesteuert wird. Hauptziel dieses Kapitels ist es, diese Grenzinhalte und Umschaltefaktoren so zu bestimmen, daß sie auch mit synthetischen hydrologischen Reihen, also im stochastischen Fall, zu einer besseren Steuerung des Systems führen.

Mit der vorgestellten Methodik ist es möglich, solche Betriebsregeln für Speicher systeme zu erarbeiten, die einfach und ohne Computer anwendbar sind und die einen Echtzeitbetrieb ohne Vorhersage ermöglichen.