NASIM 5 - zeitgemäße hydrologische Modellierung

Mit NASIM optimierte Bauwerkssteuerung

15.05.2020

Hydrothemen Nr. 38 / Mai 2020

15.05.2020

NASIM 5 – zeitgemäße hydrologische Modellierung – neue Werkzeuge

Das seit Januar 2020 verfügbare Release 5 der Niederschlag-Abfluss-Modellierungssoftware NASIM bietet innovative Neuerungen insbesondere für die Bearbeitung von urban-hydrologischen Fragestellungen. Die in NASIM 5 integrierte Geodatenhaltung macht es zu einem idealen Werkzeug für zeitgemäße Planungsansätze wie das Konzept der Schwammstadt oder die dezentrale Regenwasserspeicherung. Mit NASIM können Sie die Auswirkungen des Klimawandels auf hydrologische Systeme ermitteln, Vorsorgemaßnahmen konzipieren und darauf aufbauend kommunale Klimaanpassungskonzepte entwickeln.

NASIM 5 speichert Modelldaten direkt mit ihrem räumlichen Bezug in einer Geodatenbank. Die Abflusstopologie von kanalisierten Flächen und natürlichen Gebieten lässt sich dadurch in einem einzigen Modell verwalten. Imissionsorientierte Einleitungsnachweise nach BWK M3/M7 werden damit in NASIM noch besser unterstützt.

Das Plugin zur Simulation von Stoffumsetzungsprozessen erlaubt eine detaillierte M7-Nachweisführung und ermöglicht es, weitere Spezialmodelle einzubinden.

Mit NASIM 5 können die Anwender bei Bedarf zusätzliche Prozesse im Einzugsgebiet abbilden: Eine Scripting-Schnittstelle ermöglicht die Abfrage und Prozessierung von beliebigen hydrologischen Informationen und stellt diese Daten im Ergebnis als Zeitreihen zur Verfügung.

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Natürliche und urbane Einzugsgebiete in einem Modell

Mit NASIM 5 handhaben Sie die Abflusstopologie von kanalisierten Flächen (Stadtentwässerung) und natürlichen Gebieten inklusive der dazugehörigen Teilgebietsgrenzen in einem Modell. Die sich räumlich überschneidenden hydrologischen Layer werden von NASIM auf Basis der Geometrien automatisiert in ein konsistentes Gesamtmodell umgerechnet. Bei Änderungen von kanalisierten Flächen in der Stadtentwässerung („neues Baugebiet“) wird die entsprechende Geometrie der kanalisierten Flächen angepasst und NASIM aktualisiert die daraus resultierenden Modelldaten selbstständig. Einzugsgebiete mit Misch- und Trennkanalisation lassen sich auf dieser Basis mit NASIM genau modellieren.

Mit NASIM 5 werden natürliche und urbane Einzugsgebiete als hydrologische Layer in einer Geodatenbank gespeichert.

Damit werden immissionsorientierte Einleitungsnachweise nach BWK M3/M7 in NASIM noch besser unterstützt. Die für die imissionsorientierten Einleitungsnachweise erforderliche integrierte Betrachtung der Stadtentwässerung und der natürlichen Gewässer ist optimal gelöst: Der Anwender gibt die entsprechenden Daten getrennt voneinander ein und kann sie unabhängig voneinander prüfen. Das Modell setzt die beiden getrennten hydrologischen Layer automatisch in ein konsistentes hydrologisches Modell um.

Durch das Konzept der hydrologischen Layer ist NASIM auch ideal geeignet für die Simulation von Siedlungsentwässerungssystemen, z. B. zur Bemessung von Bauwerken nach ATV A 128. Diese reinen Schmutzfrachtmodelle lassen sich dann zu einem immissionsorientierten Modell einfach ausbauen.

Werkzeuge für Bauwerksbemessung, Einleitungsnachweise und effiziente Regenwasserbewirtschaftung

NASIM-Geodatenbank und GIS-Schnittstelle

NASIM 5 speichert die Modelldaten in einer Geodatenbank auf Basis von SQLite. Das bisherige proprietäre NASIM-Persistenz- Format wird damit durch ein offenes und gut dokumentiertes Format abgelöst.
NASIM stellt die Datenformate selbstständig um. Die Geodatenbank kann mit gängigen GIS-Programmen (ArcMap, ArcGIS Pro, QGIS) verarbeitet werden.

Modelldaten und Geodaten konsistent halten

Die Geodatenbank enthält die (geografischen) Geometrien der Teilgebiete, Landnutzungen und Böden. Damit wird eine nachhaltige Konsistenz der Modelldaten mit den grundlegenden Geodaten sichergestellt. Die bisherige Trennung von Geodaten und Modelldaten ist damit aufgehoben.

Verschneidung direkt in NASIM möglich

Mit der Geodatenhaltung wird die Geoberechnung von Elementarflächen zum Bestandteil von NASIM. Das Ersetzen von Grundlagendaten wie Böden oder Landnutzungen durch aktualisierte Datenbestände ist damit innerhalb von NASIM möglich und wird damit stark vereinfacht.

Stoffumsetzung für Einleitungsnachweise integriert

Im Zusammenhang mit dem hydrodynamischen Rechenkern kann NASIM künftig nicht nur Stoffeinträge und den Stofftransport berechnen, sondern auch die Umsetzung von Stoffen. Die dazugehörigen Formeln sind über ein erweiterbares Plugin-Konzept in NASIM frei integrierbar.

Ein Streeter-Phelps-Plugin zur Simulation des Sauerstoffgehaltes ist in NASIM 5 direkt verfügbar und kann z. B. für Einleitungsnachweise nach BWK M3/7 bzw. BWK A3 auch für empfindliche Fließgewässer wie Großsalmoniden-Laichgewässer verwendet werden.

Scripting ermöglicht freie Datenabfrage

NASIM 5 bietet den Anwendern eine Scripting-Schnittstelle. Mithilfe von Lua-Skripten können Sie während der Simulation berechnete Daten wie Niederschläge, Temperaturen, Bodenfeuchte, Zuflüsse, Speicherinhalte, Abflüsse etc. abfragen, weiter verarbeiten und als Zeitreihen ausgeben lassen. Die nachträgliche Aufbereitung von Zeitreihen mit externen Programmen kann dadurch in vielen Fällen entfallen.

Integriertes Optimierungswerkzeug

Mit NASIM finden Anwender die optimale Lösung für komplexe Bemessungsaufgaben.

Der integrierte NASIM-Optimierer führt automatisiert Simulationsläufe durch und optimiert das System dabei auf Zielgrößen wie z. B. minimale Kosten, Beckenvolumen und -kenngrößen oder Drosselabgaben. Mit dem NASIM-Optimierer sind auch existierende Kanalnetze noch nachträglich zu optimieren. Dazu variiert er die Drosselabgaben, um bestimmte Entlastungsraten einzuhalten. Betreiber können dadurch eine optimierte Einstellung der Drosselorgane ermitteln und die Entlastungsraten des Netzes ohne Ausbau der Bauwerke reduzieren.

Abbildung von Rückstau und Fließrichtungsänderung

NASIM bietet einen integrierten hydrodynamischen Rechenkern. Er ermöglicht es, einzelne Transport-Systemelemente hydrodynamisch zu modellieren, um die Abflüsse bei komplexen Fließverhältnissen abzubilden. Dadurch lässt sich der hydraulische Einfluss der Gewässergeometrie (Einengung, Aufweitungen) und von Bauwerken (Durchlässe, Brücken, Drosselbauwerke) berücksichtigen und quantifizieren. Auch Rückstaueffekte und deren Auswirkungen werden erfasst.
Die N-A-Modellierung mit hydrodynamischer Modellierung bestimmter Systemelemente erhöht die Planungssicherheit, liefert Vorgaben für den Betrieb und ermöglicht Optimierungen des Systems.

Dipl.-Math. Benedikt Rothe, Dr. rer. nat. Eva Loch, Dipl.-Math. Bettina Stark