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Optimierung des Mitteleinsatzes für Hochwasserschutzmaßnahmen an Fließgewässern im urbanen Raum

Automatic optimization of flood-protection measures at rivers in urban areas

  • Die Ausarbeitung von wirtschaftlichen Hochwasserschutzmaßnahmen an Fließgewässern stellt insbesondere im urbanen Raum aufgrund vieler Randbedingungen eine anspruchsvolle Aufgabe dar. Darüber hinaus ist die Variantenstudie mit hydraulischer Modellierung und belastbarer Kostenermittlung ein zeit- und kostenintensiver Prozess. Aus vielen herkömmlichen Variantenstudien gehen Planungen hervor, ohne alle Einsparpotenziale auszuschöpfen. Mit dieser Arbeit wird ein Planungswerkzeug zur computergestützten automatischen Optimierung von Hochwasserschutzmaßnahmen an Fließgewässern entwickelt. Dafür wird die Variantenstudie automatisiert, indem die Variantenbildung, die hydraulische Berechnung und die Variantenbewertung in einem Optimierungssystem miteinander verknüpft werden. Nach entsprechender Konfiguration bewertet das Optimierungssystem automatisch verschiedenste Varianten in iterativer Vorgehensweise. Damit die Suche nach der Vorzugsvariante zielorientiert erfolgt, wird das System von einem heuristischen Optimierungsalgorithmus gesteuert.Die Ausarbeitung von wirtschaftlichen Hochwasserschutzmaßnahmen an Fließgewässern stellt insbesondere im urbanen Raum aufgrund vieler Randbedingungen eine anspruchsvolle Aufgabe dar. Darüber hinaus ist die Variantenstudie mit hydraulischer Modellierung und belastbarer Kostenermittlung ein zeit- und kostenintensiver Prozess. Aus vielen herkömmlichen Variantenstudien gehen Planungen hervor, ohne alle Einsparpotenziale auszuschöpfen. Mit dieser Arbeit wird ein Planungswerkzeug zur computergestützten automatischen Optimierung von Hochwasserschutzmaßnahmen an Fließgewässern entwickelt. Dafür wird die Variantenstudie automatisiert, indem die Variantenbildung, die hydraulische Berechnung und die Variantenbewertung in einem Optimierungssystem miteinander verknüpft werden. Nach entsprechender Konfiguration bewertet das Optimierungssystem automatisch verschiedenste Varianten in iterativer Vorgehensweise. Damit die Suche nach der Vorzugsvariante zielorientiert erfolgt, wird das System von einem heuristischen Optimierungsalgorithmus gesteuert. Das entwickelte Planungswerkzeug bietet eine substanzielle Unterstützung bei der Beantwortung gestalterischer Fragestellungen im Wasserbau und der Kostenoptimierung von Hochwasserschutzmaßnahmen an Fließgewässern. Zur Berechnung der Wasserspiegellage und anderer für die Bewertung einer Variante relevanter hydraulischer Parameter kommt das Programm WSPR2007 der Firma PSW-Knauf, Jugenheim zum Einsatz. Die Einbindung von anderen Programmen wäre nach der Entwicklung entsprechender Schnittstellen zum Datenaustausch zwischen hydraulischem Modell und Optimierungssystem möglich. Für die Variantenbildung sind zunächst die Freiheitsgrade bei der Planung von Hochwasserschutzmaßnahmen zu definieren. Um den Hochwasserschutz zu verbessern, werden Ufererhöhungen, Veränderungen der Gerinnebreiten sowie Veränderungen der Sohlenhöhen und des Sohlengefälles untersucht. Zudem kann wahlweise die Anhebung von das Gewässer kreuzenden Brücken bei der Optimierung berücksichtigt werden. Im Rahmen dieser Arbeit gilt ein Planungsziel als erfüllt, wenn der Bemessungsdurchfluss ohne Ausuferungen abfließt. Bei der Automatisierung der Variantenstudie ist die Vorgabe des Optimierungsalgorithmus zu beachten, dass eine Variante über eine begrenzte Anzahl Entscheidungsvariablen abzubilden ist. Um dem gerecht zu werden, werden Parametrisierungsansätze entwickelt, die die Schnittstelle zwischen dem Algorithmus und dem hydraulischem Modell bilden. Zur Parametrisierung werden Bézierkurven verwendet, mit denen die Gewässergeometrie nachgeformt wird. Über die Veränderung der entsprechenden Bézierpunkte können verschiedenste Geometrien gebildet und hydraulisch untersucht werden. Für den Optimierungsalgorithmus stellen die Bézierpunkte die Entscheidungsvariablen dar. Wahlweise können durch eine entsprechende Programmoption für den Planzustand Mittel- und Niedrigwasserrinnen im Gewässer vorgesehen werden. Zur Variantenbewertung werden die Kosten für Hochwasserschutzmaßnahmen kalkuliert, die anfallen, um das Bemessungshochwasser schadlos abzuleiten. Hierfür werden Kostenfunktionen für technische Hochwasserschutzmaßnahmen im Detaillierungsgrad einer Entwurfsplanung entwickelt. Um die Leistungsfähigkeit des entwickelten Optimierungssystems zu beurteilen, wird es an einfach nachvollziehbaren Testfällen angewendet. Mit den Anwendungsbeispielen – die auf Daten der Vereinigten Weißeritz im Stadtgebiet von Dresden basieren – wird das Optimierungssystem zur Lösung praxisnaher Problemstellungen eingesetzt. Mit dem angesetzten Bemessungsdurchfluss werden Hochwasserschutzmaßnahmen erforderlich. Es wird untersucht, wie sich Sohleneintiefungen gegenüber Brückenanhebungen verhalten und welche Auswirkungen Gerinneaufweitungen auf die Kosten haben. Im Vergleich zu Lösungen, die in herkömmlicher Vorgehensweise ausgearbeitet wurden, zeigt sich die gute Leistungsfähigkeit des Optimierungssystems. Bei den verschiedenen Anwendungsbeispielen wird stets der richtige Lösungsansatz erkannt, und die Feinabstimmung ermöglicht die Ausarbeitung sehr detaillierter und kostenoptimierter Vorzugsvarianten. Aufgrund der Automatisierung der Variantenstudie wird es möglich, nach der Konfiguration des Systems ohne viel Aufwand des Ingenieurs, die Auswirkungen von verschiedenen Bemessungsgrößen wie Durchfluss und Freibord auf die Kosten zu ermitteln. Die Ergebnisse der automatischen Optimierung sind gut nachvollziehbar, weil eine transparente Aufbereitung der kalkulierten Kosten möglich ist. Darüber hinaus liegt von jeder optimierten Vorzugsvariante der Geometriedatensatz des hydraulischen Modells vor, so dass die Möglichkeit zur Prüfung der hydraulischen Berechnungen gegeben ist. Die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Fragestellungen können ohne Anpassungen am Optimierungssystem auf andere Fließgewässer angewendet werden. Es sind lediglich die für die Planung relevanten Randbedingungen über Schnittstellen einzupflegen.show moreshow less
  • The design of large-scale flood-protection systems for urban rivers is a complex task with many variables and constraints to consider. To evaluate a design, river hydraulics must be computed and costs for flood-protection measures must be calculated in detail. Finding economical solutions is a time-consuming and costly process. In this dissertation an automatic optimization system is described, which enables an engineer to design cost-efficient solutions for defined levels of urban river flood protection. The automatic optimization process is similar to that of the conventional, manual design process, and analyzes input variables iteratively. Each iteration builds a flood-protection system by combining flood-protection measures, computes the water surface, and evaluates the system by determining investment costs for the chosen flood-protection measures. Throughout the optimization process, which is controlled by an optimization algorithm based on Evolutionary Strategies, costs are minimized. To increase flood protection, changes inThe design of large-scale flood-protection systems for urban rivers is a complex task with many variables and constraints to consider. To evaluate a design, river hydraulics must be computed and costs for flood-protection measures must be calculated in detail. Finding economical solutions is a time-consuming and costly process. In this dissertation an automatic optimization system is described, which enables an engineer to design cost-efficient solutions for defined levels of urban river flood protection. The automatic optimization process is similar to that of the conventional, manual design process, and analyzes input variables iteratively. Each iteration builds a flood-protection system by combining flood-protection measures, computes the water surface, and evaluates the system by determining investment costs for the chosen flood-protection measures. Throughout the optimization process, which is controlled by an optimization algorithm based on Evolutionary Strategies, costs are minimized. To increase flood protection, changes in the height of river banks and protective walls, the width, the depth and the slope of the channel, and the height of bridges are considered. To vary these parameters automatically, parameterization approaches are applied, which connect the optimization algorithm with the one-dimensional hydraulic river model. Cost-functions are developed and applied to rate each flood-protection system by calculating the investment costs required to realize runoff without flooding. Several test cases are used to analyze the performance of the automatic optimization system. It is shown, that the automatic optimization system solves given problems well and generates realistic, natural river designs. By applying the automatic optimization system to a known problem taken from literature, the correct solution is found in a reasonable computing time. Further the automatic optimization system is applied to a real-world problem. The computed results compare well with the conventionally generated solutions, however, investment costs can be reduced significantly. Once the automatic optimization system is configured to a problem, it generates detailed and reliable solutions automatically. This allows a comprehensive analysis of how discharge, freeboard and other boundary conditions affect the costs. The comparable data supports the decision-making process and the economical expenditure of financial resources. The evaluation of flood-protection systems can be extended further to consider ecological interests, for example. To determine longterm operating efficiency, annualized maintenance costs can be considered as well.show moreshow less

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Metadaten
Author: Lutz Feldmann
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-11376
Referee / Advisor:Prof. Dr. rer. nat. Uwe Grünewald
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2009
Date of final exam:2009/07/03
Release Date:2009/11/30
Tag:Automatische Optimierung; Hochwasserschutz; Kostenfunktionen; Wirtschaftliche Mittelverwendung; Wirtschaftlichkeit
Automatic optimization; Cost functions; Cost-efficient; Financial resources; Flood protection
GND Keyword:Fliessgewässer; Hochwasserschutz; Kostenoptimierung
Institutes:Fakultät 2 Umwelt und Naturwissenschaften / FG Hydrologie
Institution name at the time of publication:Fakultät für Umweltwissenschaften und Verfahrenstechnik (eBTU) / LS Hydrologie und Wasserressourcenbewirtschaftung
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