DE3920640C2 - Verfahren zur Seuerung eines Entwässerungssystems und Entwässerungssystem - Google Patents

Verfahren zur Seuerung eines Entwässerungssystems und Entwässerungssystem

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Description

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Entwässerungssystems mit einem Pumpwerk für die Entlastung eines Einzugsgebietes von Regenwasser in Vorfluter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Entwässerungssystem zur Durchführung des Verfahrens.
Durch die DE-Zeitschrift "Wasserwirtschaft", 2/1982, Seiten 44-52 sind ein solches Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein solches Entwässerungssystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 4 bekannt.
Diese Zeitschriftenstelle befaßt sich in erster Linie mit den geeigneten Abwasserdrossel­ einrichtungen für unterschiedliche Einsatzbedingungen. Hierbei werden einzelne Regenbecken mit Wasserstandssonden ausgerüstet und mit einer Außenstation versehen, die gemessene Daten zu einer Zentralstation überträgt und Befehle von der Zentralstation empfangen kann. Zusätzlich ist ein Wetterradar vorgesehen, das Niederschläge erfassen kann, bevor sie den Boden erreicht haben. Ein Prozeßrechner in der Zentralstation wertet die Daten von den Außenstationen und dem Wetterradar mit Hilfe eines mathematischen Prognosemodelles aus und sendet geeignete Steuerbefehle zum Öffnen oder Schließen der in den Regenbecken vorgesehenen Drosselschieber an die Außenstationen.
Allgemeine Grundlagen hinsichtlich der Abflußsteuerung lokaler Rückhalteeinheiten sind beispielsweise aus DE-Z KA 8/1984, Seiten 672 bis 677 bekannt.
In der DE-Z KA 5/1985, Seiten 429-439 werden ganz allgemein Bestandteile von Abfluß­ steuerungssystemen und deren Funktion vorgestellt. Weiterhin werden verschiedene Steuer­ strategien aufgezeigt, wobei unter anderem aus aktuellen Zustandsinformationen, wie Zufluß- und Regenmessungen, in Verbindung mit mathematischen Modellen des Entwäs­ serungssystems Steuerbefehle abgeleitet werden, mit denen beispielsweise eine Pumpen­ leistung und die Hinzuschaltung einer weiteren Pumpe in einem Auffangbecken gesteuert werden können. Die Steuerung erfolgt auf der Grundlage einer Wasserstandsmessung in dem Rückhaltebecken. Ein konkretes Beispiel einer Abflußsteuerung ist für den Fall der Stadt Bremen in der DE-Z Vortragsveröffentlichung 447, Haus der Technik, 6/1984, Seiten 43-47 dargestellt.
Die Veröffentlichungen DE-Z gwf-Wasser/Abwasser 5/1984, Seiten 274-281, 7/1986, Seiten 324-332 und 7/1986, Seiten 332-339 sowie die DE-Z KA 12/1983, Seiten 910-914 beschrie­ ben jeweils in abstrakter Weise Regelungs- bzw. Steuerstrategien unter Einsatz eines Vor­ hersagemodells, das den Zufluß zu einem Auffangbecken vorhersagen soll, zur optimalen Steuerung der Systemelemente, ohne jedoch konkrete Maßnahmen hierfür anzugeben. Letztere Veröffentlichung beschreibt hierbei den Einsatz eines linearen Vorhersagemodells, mit dem auf Grundlage von Messungen der gefallenen Niederschlagsmengen an unterschiedlichen Orten die über ein Kanal- oder Straßensystem nachfolgend an einem bestimmten Ort eintreffende Abflußmenge vorhergesagt wird.
Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Verfahrens und eines Entwässerungs­ systems der eingangs genannten bekannten Art, bei dem die Prognosegenauigkeit hinsicht­ lich einer zeitlichen und örtlichen Veränderung der Niederschlagsmenge verbessert ist.
Die auf das Verfahren gerichtete Lösung ist im Anspruch 1, das erfindungsgemäße Entwässerungssystem im Anspruch 4 enthalten.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens enthalten die Unteransprüche 2 und 3.
Erfindungsgemäß werden die vom Radar-Regenmesser für jede vorbestimmte Überwa­ chungsperiode gelieferten zweidimensionalen Niederschlagsdaten auf der Grundlage der tatsächlichen, durch die Bodenregenmesser an mehreren Stellen auf dem Erdboden gemessenen Niederschlagsmengen geeicht oder abgeglichen, um damit eine korrekte Zuflußmenge eines interessierenden Regenbeckens zu ermitteln. Da zudem eine Zufluß­ menge in einer vorbestimmten Zeit ab der Gegenwart auf der Grundlage mehrerer Sätze von früheren geeichten Niederschlagsverteilungen vorhergesagt oder vorausbestimmt wird, kann eine jeweilige Zuflußmenge vergleichsweise genau vorhergesagt werden. Weiterhin wird die Gesamtfördermenge aus dem Pumpenschacht unter Berücksichtigung der Charakteristika von z. B. einem Kanalrohrleitungsnetz im Bereich des interessierenden Regenbeckens berechnet. Aus diesem Grund kann eine zukünftige Menge des im Pumpenschacht befindlichen Abwassers vergleichsweise richtig vorhergesagt werden. Die Zahl der zu betreibenden Abwasserpumpen wird auf der Grundlage der Fördermenge und des durch den Wasserstandsmesser gemessenen Wasserstands bestimmt. Damit kann die Zahl der zu betreibenden Pumpen genau kontrolliert werden.
Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Gesamtanordnung eines erfindungsgemäßen Entwässerungssystems,
Fig. 2A und 2B zusammen ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung einer Datenverarbeitungsablaufreihe in einer Datenverarbeitungseinheit,
Fig. 3 eine graphische Darstellung einer Niederschlagsvorhersagekurve,
Fig. 4 eine graphische Darstellung eines Gitternetzes und eines Orts (locus) eines niederschlaggewichteten Massenmittelpunkts ohne eine vorbestimmte Bewegungsrichtung,
Fig. 5 eine graphische Darstellung einer mittleren Gesamt-Bereichsniederschlagsmenge,
Fig. 6 eine graphische Darstellung eines Gitternetzes und eines Orts (locus) eines niederschlaggewichteten Massenmittelpunkts mit einer vorbestimmten Bewegungsrichtung,
Fig. 7A und 7B zusammen ein Ablaufdiagramm zur Verdeutlichung einer Rechenverarbeitung in einer Nie­ derschlags(mengen)vorhersageeinheit,
Fig. 8 eine graphische Darstellung einer Niederschlagskurve, die erhalten wird, wenn eine Periode vor Einsetzen eines Niederschlags eine Berechnungszeit ist,
Fig. 9 eine graphische Darstellung einer Niederschlagskurve, die erhalten wird, wenn eine Periode nach dem Einsetzen eines Niederschlags und vor der Ableitung oder Gewinnung einer vorbestimmten Zahl von Datensät­ zen eine Berechnungszeit ist,
Fig. 10 eine Darstellung einer Beziehung zwischen einem Bewegungsvektor und einem interessierenden Auffangbecken, die erhalten wird, wenn eine Niederschlagsmenge des interessierenden Auffangbeckens auf der Grundlage einer Niederschlagsverteilung berechnet wird,
Fig. 11 und 12 Darstellungen einer lotrechten Anordnung eines Abwasserrohrleitungsnetzes des interessie­ renden Auffangbeckens,
Fig. 13 eine Darstellung einer Beziehung zwischen dem Ablaufanalysen- oder -auswerteergebnis und dem Abwasserleitungsnetz,
Fig. 14 eine Darstellung zur Erläuterung einer Berechnung, die durchgeführt wird, während die lotrechte Anordnung des Abwasserleitungsnetzes erhalten bleibt,
Fig. 15 eine graphische Darstellung zur Erläuterung einer Überlaufentleerungsmengenberechnung als Was­ serstandsberechnung, die vorgenommen wird, wenn ein künstliches Bauwerk, z. B. ein Wehr oder Damm, zum Abwasser(rohr)leitungsnetz hinzugefügt ist,
Fig. 16 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen einem Bauwerk (struc­ ture) und einem Wasserstand in einem Pumpenschacht sowie
Fig. 17 eine Darstellung eines Petri-Netzes zum Bestimmen der Zahl der zu betreibenden Pumpen.
Fig. 1 veranschaulicht die Gesamtanordnung eines erfindungsgemäßen Entwässerungssystems zum Steuern (oder auch Kontrollieren) des Unwetter-Kanalwasserpumpenbetriebs. Diese Vorrichtung umfaßt einen Radar-Regenmes­ ser 1 mit Radarantenne 1a und Radarsende/empfangseinheit 1b, von denen sich zumindest die Antenne 1a an einer vergleichsweise offenen Stelle nahe eines Stadtgebiets befindet. Die Antenne 1a arbeitet unter der Steuerung der Einheit 1b, die ihrerseits ein zu sendendes Signal erzeugt und dieses Signal als Funkwelle über die Antenne 1a aussendet. Die Einheit 1b empfängt als Radarempfangsleistungsdaten die Funkwelle, die durch Rückstreuung an Regentropfen 3a, die sich in einer Regenwolke 3 befinden oder aus dieser herabfallen, zurückgeworfen wird. Die Radarempfangsleistungsdaten entsprechen Daten, die eine Niederschlags(men­ gen)verteilung repräsentieren. Die Radarsende/empfangseinheit 1b überträgt die Radarempfangsleistungsdaten zu einer Datenverarbeitungseinheit 2 über Datenübertragungs- oder -sendeeinheiten 4a und 4b, die vorgesehen sind, weil der Radar-Regenmesser 1 und die Datenverarbeitungseinheit 2 an verschiedenen Stellen angeordnet sind.
Auf dem Erdboden sind mehrere Grund- bzw. Bodenregenmesser 5 zur Messung einer tatsächlichen Nieder­ schlagsmenge angeordnet. Diese Regenmesser 5 befinden sich an einer Vielzahl von Stellen innerhalb und außerhalb des Stadtgebiets. Als Regenmesser 5 wird beispielsweise ein Kippeimer verwendet. Der Kippeimer kippt um, sooft er eine vorbestimmte Niederschlagsmenge von einer zylindrischen Wasseraufnahmeöffnung aufgenommen hat. Eine Niederschlagsmenge an einer bestimmten Stelle wird dadurch ermittelt, daß die Zahl der Kippbewegungen der betreffenden Kippeimer gezählt wird. Die Regenmesser 5 übertragen die gewonnenen Niederschlagsdaten über Übertragungs- oder Sendeeinheiten 6a und 6b zur Datenverarbeitungseinheit 2.
Die Datenverarbeitungseinheit 2 umfaßt z. B. eine Datenabgleich- oder -eicheneinheit 7, eine Niederschlags­ vorhersageeinheit 9, eine Ablaufanalysier- oder -auswerteeinheit 10 und eine Pumpenzahlbestimmungseinheit 11. Die Einheiten 7 bis 11 können einzeln durch z. B. einen Rechner gebildet sein. Wahlweise kann die gesamte Datenverarbeitungseinheit 2 durch einen einzigen Rechner gebildet sein, wobei die Funktionen der Einheiten 7 bis 11 mittels Software verarbeitet werden.
Die Dateneicheinheit 7 kalibriert oder eicht die Radarempfangsleistungsdaten (Niederschlagsverteilungsda­ ten) vom Radar-Regenmesser 1 auf der Grundlage der Niederschlagsdaten von den Bodenregenmessern 5. Die mittels des Radar-Regenmessers 1 gesammelten Niederschlagsdaten sind indirekte, von den Regentropfen der Regenwolke 3 gewonnene Daten, die nicht ausreichend zuverlässig sind. Aus diesem Grund eicht die Einheit 7 die mittels des Radar-Regenmessers 1 gewonnenen Niederschlagsdaten unter Heranziehung der tatsächlich durch die Bodenregenmesser 5 gemessenen (direkten) Niederschlagsdaten. Als Ergebnis werden Daten (Nieder­ schlagsverteilungsdaten) gewonnen, die eine zweidimensionale Niederschlags(mengen)verteilung mit hoher Präzision repräsentieren. Um beispielsweise einer Bedienungsperson oder einem Operator einen augenblickli­ chen Niederschlagsverteilungszustand zu vermitteln, zeigt die Einheit 7 die geeichte Niederschlagsverteilung auf einer Anzeigeeinheit 8 an. Die geeichten Niederschlagsverteilungsdaten können durch einen Drucker ausge­ druckt oder in einer Aufzeichnungs- bzw. Registriereinheit aufgezeichnet werden. Die Einheit 7 speichert die gewonnenen Niederschlagsverteilungsdaten in einer Speichereinheit 7a, z. B. einer Datenbasis.
Die Niederschlagsvorhersageeinheit 9 gibt eine Vorhersage über eine Niederschlagsmenge in einer vorbe­ stimmten Zeit ab dem gegenwärtigen Zeitpunkt unter Heranziehung einer Vielzahl von Sätzen von geeichten Niederschlagsverteilungsdaten, die durch Beobachtung bzw. Überwachung gewonnen wurden. Bei der darge­ stellten Ausführungsform umfaßt die Niederschlagsvorhersage eine dynamische Vorhersage von einem augen­ blicklichen Zeitpunkt bis zu einem vorbestimmten zukünftigen Zeitpunkt und eine statische Vorhersage für eine Zeitspanne nach dem vorbestimmten zukünftigen Zeitpunkt (vgl. Fig. 3). Die Einheit 9 verbindet eine Kurve (Vorhersage-Niederschlagskurve), die eine vorhergesagte Niederschlagsänderung repräsentiert, mit einer Kur­ ve (tatsächliche oder Ist-Niederschlagskurve), die eine durch Beobachtung oder Überwachung gewonnene tatsächliche Niederschlagsänderung repräsentiert, um damit eine zusammenhängende Niederschlagskurve zu gewinnen oder abzuleiten. Die vorhergesagte, die tatsächliche und die zusammenhängende Niederschlagskurve werden später näher erläutert werden. Als "geeichte, durch frühere Beobachtung gewonnene Niederschlagsver­ teilungsdaten" werden geeichte Niederschlagsverteilungsdaten betreffend einen augenblicklichen Nieder­ schlagsvorgang, um mehrere Beobachtungsperioden vor einem augenblicklichen Zeitpunkt gewonnen, benutzt. Die Einheit 9 speichert die so gewonnene zusammenhängende (connected) Niederschlagskurve in einer Spei­ chereinheit 9a ab. Die Ablaufauswerteeinheit 10 unterteilt ein Auffangbecken (drainage basin) entsprechend der Zahl von Pumpen an Pumpstationen im Stadtgebiet. Die Einheit 10 ermittelt eine Kurve zur Darstellung einer Änderung in der Abwasserentleerung, die in einen Pumpenschacht (Pumpenschacht-Einlaufentleerungskurve) an jeder Pumpstation fließt. Zur Gewinnung der Pumpenschacht-Einlaufentleerungskurve (pump well inlet discharge curve) führt die Einheit 10 Berechnungen unter Berücksichtigung der zusammenhängenden Nieder­ schlagskurve, einer Entleerung (discharge) einer Niederschlagsmenge, die über den tiefsten Punkt jedes unter­ teilten Auffangbeckens fließt, sowie des Zusammenflusses und der Verzweigung eines Abwasserrohrleitungs­ netzes durch. Die Einheit 10 liefert die zusammenhängende Niederschlagskurve zur Pumpenzahlbestimmungs­ einheit 11.
Eine Unwetter-Kanalwasser- bzw. -Abwasserpumpe 24 pumpt das Unwetterabwasser aus einem Pumpen­ schacht 21 zu einem Fluß ab. Ein im Pumpenschacht 21 angeordneter Wasserstandsmesser 22 überwacht den Wasserstand bzw. -spiegel im Pumpenschacht 21. Die Pumpe 24 wird durch einen Pumpentreiber 25 betätigt (eingeschaltet) und abgeschaltet. Die Pumpenzahlbestimmungseinheit 11 speichert vorbestimmte Betriebsre­ geln für die Unwetter-Kanalwasserpumpen. Die Einheit 11 berechnet eine Wassermenge (Pumpenfördermen­ ge), die aus dem Pumpenschacht 21 durch die Pumpe in den Fluß entleert werden soll, auf der Grundlage der Pumpenschacht-Einlaufentleerungskurve, der Meßdaten vom Wasserstandsmesser 22 und der Betriebsregeln für die Unwetter-Kanalwasserpumpen. Die Einheit 11 erstellt eine Wasserstandsänderungskurve zur Darstel­ lung einer Wasserstandsänderung im Pumpenschacht oder dergleichen. Die Einheit 11 ermittelt eine Pumpen­ entleerungs- oder -fördermenge, die Zahl der zu betreibenden Pumpen sowie einen Pumpenschacht-Wasser­ stand von einem augenblicklichen Berechnungszeitpunkt bis zu mehreren späteren Berechnungsperioden. Er­ forderlichenfalls liefert die Einheit 11 einen Befehl zu einer Treibersteuereinheit 23. Nach Maßgabe des Befehls steuert die Steuereinheit 23 den Pumpentreiber 29 zur Änderung der Zahl der zu betreibenden Pumpen 24 an.
Wie erwähnt, kann die Datenverarbeitungseinheit 2 Niederschlagsmengen, Pumpenschacht-Einlaufmengen, Pumpenentleerungsmengen, die Zahl der betreibenden Pumpen, Pumpenschacht-Wasserstände o. dgl. in einer vorbestimmten Zeit (mehrere Berechnungsperioden) von einem augenblicklichen Zeitpunkt (Augenblicksbe­ rechnungszeit) bestimmen. Die Einheit 2 kann daher einen Gesamt-Betriebszustand der Pumpen vorhersagen und schnell eine Gegenmaßnahme gegen Störung untersuchen, falls sie das Auftreten einer Störung vorhersagt.
Im folgenden ist die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Pumpenbetrieb-Steuervorrichtung erläutert.
Die Radarsende/empfangseinheit 1b erzeugt ein Übertragungs- oder Sendesignal für jede Beobachtungs- bzw. Überwachungsperiode, die durch sie selbst oder auf der Grundlage eines Befehls von der Datenverarbei­ tungseinheit 2 bestimmt wird. Die Einheit 1b sendet das erzeugte Sendesignal zur Radarantenne 1a. Bei Eingang des Sendesignals sendet die Antenne 1a eine Funkwelle in die Luft aus. Die Antenne 1a empfängt die Funkwelle, die durch Rückstreuung von Regentropfen 3a in oder aus der Regenwolke 3 zurückgeworfen wird. Die Antenne 1a überträgt die Empfangsleistungsdaten (reception power data) zur Radarsende/empfangseinheit 1b, die ihrer­ seits die Radarempfangsleistungsdaten über die Datenübertragungseinheiten 4a und 4b zur Dateneinheit 7 liefert.
Die an einer Vielzahl von Meßstellen angeordneten Bodenregenmesser 5 messen die tatsächlichen Nieder­ schlagsmengen zur Ableitung von Niederschlagsdaten. Die Regenmesser 5 liefern die gewonnenen zahlreichen Niederschlagsdaten über die Übertragungseinheiten 6a und 6b zur Dateneicheinheit 7.
Auf der Grundlage der Radarempfangsleistungsdaten vom Radar-Regenmesser 1 und der Niederschlagsda­ ten von den Bodenregenmessern 5 führt die Datenverarbeitungseinheit 2 eine Datenverarbeitung entsprechend dem Ablaufdiagramm nach Fig. 2A und 2B durch. Die Arbeitsweise der Einheit 2 wird später anhand der Fig. 2A und 2B näher erläutert werden. In den Fig. 2A und 2B steht jeder Block für eine Operation der Datenverarbei­ tungseinheit, und er ist mit dem Bezugssymbol E bezeichnet, während ein unterstrichener, mit dem Bezugssym­ bol D bezeichneter Abschnitt für Daten steht.
Schritt E1
Die Dateneinheit 7 speichert an einem Schönwettertag gewonnene Bodenkonfigurationsechodaten D1 in der Speichereinheit 7a. Die Daten D1 können dadurch gewonnen werden, daß über die Radarantenne 1a eine Funkwelle ausgesandt und die Intensität oder Stärke der durch Rückstreuung an einer umgebenden Konfigura­ tion bzw. Formation des Bodens, von Gebäuden oder dergleichen an einem Schönwettertag zurückgeworfenen Funkwelle ermittelt wird. Die Einheit 7 empfängt die Radarempfangsleistungsdaten D2 vom Radarregenmesser 1 und wandelt diese Daten D2 in Niederschlagsverteilungsdaten D3 um. Die Umwandlung der Daten D2 in Daten D3 geschieht wie folgt: Die Bodenkonfigurationsdaten D1 werden von den Radarempfangsleistungsda­ ten D2 subtrahiert. Hierbei wird der Einfluß eines Bodenkonfigurations- bzw. -formationsechos aus den Daten D2 beseitigt. Da eine funktionelle Beziehung zwischen der Radarempfangsleistung Z und der Niederschlagsin­ tensität R besteht, werden die Daten D2 in die Niederschlagsverteilungsdaten D3 unter Anwendung der sog. Radargleichung Z = a.Rb (mit a und b = Konstanten) umgewandelt.
Schritt E2
Die in Schritt E1 gewonnenen oder abgeleiteten Niederschlagsverteilungsdaten D3 sind zweidimensionale, ein weites oder großes Gebiet betreffende Daten. Die Dateneicheinheit 7 eicht diese zweidimensionalen Daten D3 unter Heranziehung der Bodenregenmesserdaten (Punktdaten) D4, welche die tatsächlichen Niederschlags­ mengen repräsentieren und von den Bodenregenmessern 5 stammen. Diese Eichung (oder auch dieser Abgleich) erfolgt durch z. B. Korrigieren der Konstanten a und b der obigen Radargleichung in der Weise, daß die Niederschlagsintensität R den Meßwerten der Bodenregenmesser 5 entspricht.
Die Einheit 7 sammelt oder erfaßt (acquires) sodann Gitterdaten (D5). Die Daten D5 repräsentieren Nieder­ schläge bzw. Niederschlagsmengen in einem Gitternetz oder auch Raster (mesh), das durch Unterteilung eines Gebiets um die Radarantenne 1a herum festgelegt worden ist. Wenn insbesondere gemäß Fig. 4 angenommen wird, daß sich die Radarantenne 1a für die Überwachung von Niederschlägen um 360° dreht, wird das Gitter dadurch gebildet, daß der gesamte Umkreis von 360° in 128 oder 256 Sektoren unterteilt wird und um die Antenne 1a herum Kreise in Einheiten (Abständen) von mehreren Kilometern gezogen werden.
Die Einheit 7 sammelt Daten für jede Überwachungsperiode (Überwachungseinheitsbreite) ΔTm (vgl. Fig. 3). Die Einheit 7 speichert die gewonnenen Niederschlagsgitterdaten D5 in der Speichereinheit 7a ab. Die Einheit 7a hält oder speichert die Daten D5 von einem Vergangenheitszeitpunkt bis zum augenblicklichen Zeitpunkt.
Schritt E3
Ein augenblicklicher Niederschlagsverteilungszustand ist für eine Bedienungsperson unmittelbar anhand der Niederschlagsgitterdaten D5 schwer zu verstehen. Aus diesem Grund quantisiert die Dateneicheinheit 7 die Daten D5 so, daß eine Person den augenblicklichen Niederschlagsverteilungszustand leicht erfassen kann. Die Einheit 7 liefert die quantisierten Niederschlagsgitterdaten zur Anzeigeeinheit 8, welche diese Daten (auf einem Bildschirm) wiedergibt (Niederschlagsanzeige D6).
Schritt E4
Bei dieser Ausführungsform wird die Pumpenbetriebssteuerung für jede Berechnungsperiode ΔTe unabhän­ gig von der Überwachungsperiode ΔTm aktualisiert. Die Niederschlagsvorhersageeinheit 9 liefert eine Vorher­ sage über einen zukünftigen Niederschlag jedesmal dann, wenn die Berechnungsperiode ΔTe abläuft (zu Zeitpunkten ΔTe, 2.ΔTe, 3.ΔTe, . . .). Die Einheit 9 empfängt die Daten D5 von der Eicheinheit 7 für jede Überwachungsperiode ΔTe und speichert die Daten D5 in der Speichereinheit 9a ab. Die Einheit 9 speichert daher zumindest die letzten bzw. neuesten (Kd + 1) Sätze (Kd = 0, 1, 2, . . .) der Niederschlagsgitterdaten zu einem augenblicklichen Berechnungszeitpunkt Ko in der Speichereinheit 9a. Auf der Grundlage dieser Daten­ sätze liefert die Einheit 9 dynamische Niederschlagsvorhersagen zu verschiedenen Zeiten oder Zeitpunkten (Kf-Punkte) in mehreren Berechnungsperioden vom augenblicklichen Zeitpunkt Ko aus (vgl. Fig. 3). Erforderlichenfalls liefert die Einheit 9 statische Niederschlagsvorhersagen zu mehreren Zeiten (Kg-Punkte nach den dynamischen Vorhersagezeitpunkten (die Bedeutung von "dynamisch" und "statisch" soll noch näher erläutert werden). Eine dynamische Vorhersagezeit ist ein Zeitintervall von der augenblicklichen Berechnungszeit Ko bis Kf.ΔTe; eine statische Vorhersagezeit ist ein Zeitintervall von einer Zeit bzw. einem Zeitpunkt Ko + Kf.ΔTe bis zu einem Zeitpunkt Ko + (Kf + Kg).ΔTe. Wenn gemäß Fig. 3 angenommen wird, daß die Berechnungspe­ riode ΔTe 10 Minuten beträgt, liefert die Einheit 9 dynamische Niederschlagsvorhersagen an sechs (Kf) Punkten innerhalb einer Stunde ab dem gegenwärtigen Zeitpunkt, und sie liefert anschließend statische Niederschlags­ vorhersagen an fünf (Kg) Punkten.
Eine Niederschlagsvorhersagemethode ist je nach einer Niederschlagsexpressionsmethode unterschiedlich. Normale Niederschlagsgitterdaten enthalten Daten, die Niederschläge in mehreren zehntausend Gittern reprä­ sentieren, d. h. ihre Datenmenge ist enorm. Es ist daher nahezu unmöglich, die Niederschlagsgitterdaten D5 für die Niederschlagsvorhersage unmittelbar zu benutzen. Aus diesem Grund werden bei der beschriebenen Aus­ führungsform die Daten D5 statistisch in bzw. zu mehreren Datentypen komprimiert bzw. verdichtet und dann benutzt. Diese Verdichtungsmethode umfaßt 1. eine erste Methode, bei welcher eine Niederschlagsmenge durch einen gewichteten Massenmittelpunkt und eine mittlere oder durchschnittliche Niederschlagsmenge repräsen­ tiert ist bzw. wird, und 2. eine zweite Methode, bei welcher eine Niederschlagsmenge durch eine mittlere Gesamtniederschlagsmenge repräsentiert ist. Nach der ersten Methode wird ein Massenmittelpunkt (barycen­ tric point) einer Niederschlagsverteilung gewonnen oder abgeleitet, und ein Mittelwert der Niederschläge wird lediglich für Gitter, in denen Niederschläge stattfinden, abgeleitet. Nach der zweiten Methode wird ein Mittel­ wert der Niederschläge für einen Gesamtbereich innerhalb eines vorbestimmten Bereichs um die Radarantenne 1a herum gewonnen.
Fig. 4 veranschaulicht einen Ort eines Massenmittelpunkts der Niederschlagsverteilung; Fig. 5 zeigt eine durchschnittliche oder mittlere Niederschlagsmenge.
In Fig. 4 steht das Symbol O für einen Aufstell-Ort der Radarantenne 1a, während das Symbol T einen Ort (locus) des Massenmittelpunkts auf dem Gitter angibt. Der Ort des Massenmittelpunkts zeigt einen Wandermo­ dus (W-Modus), bei dem der Ort keine vorbestimmte Richtung aufweist (vgl. Fig. 4), und einen Vorwärtsmodus (F-Modus), nach dem sich der Ort gemäß Fig. 6 in einer vorbestimmten Richtung vorwärts verschiebt. Der Ort des Massenmittelpunkts kann sich manchmal zu einem bestimmten Zeitpunkt im F-Modus und dann im W-Mo­ dus oder umgekehrt befinden. Bei der beschriebenen Ausführungsform erfolgt die Modusbestimmung daher jedesmal dann, wenn die Einheit 9 Niederschläge vorhersagt (beim jedesmaligen Aktualisieren der augenblickli­ chen Berechnungszeit Ko gemäß Fig. 3; beim jedesmaligen Ablauf der Zeit oder Zeitspanne ΔTe). Die Einheit 9 bestimmt, daß sich der Ort des Massenmittelpunkts im F-Modus befindet, wenn ein Biegewinkel α einer Vorwärtsverschiebungsrichtung des Massenmittelpunkts mehrmals (z. B. dreimal) fortlaufend innerhalb des Bereichs eines vorbestimmten Winkels (z. B. 45°) liegt. Andernfalls bestimmt die Einheit 9 den W-Modus.
Ein detallierter Gesamtablauf einer Niederschlagsvorhersageoperation durch die Niederschlagsvorhersage­ einheit 9 ist nachstehend anhand von Fig. 7 beschrieben. Die Niederschlagsvorhersage muß unter Berücksichti­ gung der Tatsache durchgeführt werden, daß ein Zeitpunkt (a time) und eine gebietsweise Änderung des Niederschlags bzw. der Niederschläge die vergangene oder bisherige Historie nicht wiedergibt (d. h. eine nicht reproduzierbare Charakteristik aufweist). Aus diesem Grund liefert die Einheit 9: 1. eine Niederschlagsvorhersa­ ge durch Verarbeitung von früheren Daten eines augenblicklichen Niederschlags und 2 statische Vorhersagen bezüglich einer zukünftigen Position des Niederschlag-gewichteten Massenmittelpunkts unter Berücksichtigung der Tatsache, daß der Massenmittelpunkt auswandert, um damit Niederschlag vorherzusagen. Genauer gesagt: für die Verarbeitung nach obigem Punkt 1. verarbeitet die Einheit 9 Kd Sätze von Gitterdaten Mt (t = Ko, Ko - ΔTm, . . ., Ko - Kd.ΔTm) eines Niederschlagsvorgangs zum augenblicklichen Berechnungszeitpunkt Ko. Für die Verarbeitung nach obigem Punkt 2. bei der Lieferung einer Niederschlagsvorhersage berechnet die Einheit 9 einen Mittelwert und die Streuung der Positionen des Massenmittelpunkts des Niederschlags, und sie liefert Vorhersagen für die Position des Massenmittelpunkts innerhalb einer vorbestimmten Zeit (dynamische Vorhersagezeit) ab dem augenblicklichen Berechnungszeitpunkt Ko, unter der Voraussetzung bzw. Annahme, daß eine Positionsänderung des Niederschlags-Massenmittelpunkts eine normale Verteilung darstellt. Bei An­ wendung einer solchen Vorhersagemethode ist die Zahl der für Niederschlagsvorhersage zu verarbeitenden Gitterdatensätzen innerhalb einer Zeit ΔTm.Kd ab einem Anfangszeitpunkt eines Niederschlags unzurei­ chend. Aus diesem Grund wird bei der beschriebenen Ausführungsform eine von den oben genannten F- und W-Moden verschiedene Vorhersagemethode (im folgenden als I-Modus bezeichnet) innerhalb der Zeit ΔTm.Kd (Anfangsperiode) ab dem Niederschlagsanfangszeitpunkt angewandt.
Die Niederschlagsvorhersageoperation ist nachstehend anhand der Fig. 7A und 7B beschrieben. Die Nieder­ schlagsvorhersageeinheit 9 arbeitet das Programm gemäß den Fig. 7A und 7B jedesmal dann ab, wenn die vorbestimmte Berechnungsperiode ΔTe verstrichen ist. In der folgenden Beschreibung bedeuten: Ko = augen­ blickliche (current) Berechnungszeit; Ks = Zahl der Gitterdatensätze nach Niederschlagsbeginn; Kd = Zahl der für Niederschlagsvorhersage zuverarbeitenden Gitterdatensätze; Km = Zahl der für Modusbestimmung zu verarbeitenden Gitterdatensätze; Kf = Zahl der dynamischen Vorhersagezeiten; Kd = Zahl der statischen Vorhersagezeiten; ΔTe = eine Berechnungsperiode (oder Vorhersageperiode) und ΔTm eine Beobachtungs- bzw. Überwachungsperiode.
Die Einheit 9 empfängt eine statische Vorhersage für eine Gesamtniederschlagsmenge Rt und einen Nieder­ schlagszeitpunkt Tt betreffend einen augenblicklichen Niederschlagsvorgang von einer externen Einheit (oder über einen Eingabe durch eine Bedienungsperson) (Schritt S1). Die statische Vorhersage bedeutet eine Vorher­ sage, die angibt, daß z. B. 200 (Rt) mm Regen innerhalb von 8 (Tt) Stunden ab einem bestimmten Zeitpunkt fallen. Für diese statische Vorhersage kann die von einem meteorologischen Institut gelieferte Niederschlagsvorhersa­ ge benutzt werden. Wahlweise kann eine Führungsperson des Systems derartige Daten persönlich gewinnen oder ermitteln. Die Einheit 9 prüft sodann, ob Kd Sätze von Niederschlagsgitterdaten bereits gewonnen oder erhalten wurden. Wenn die Kd Sätze von Gitterdaten noch nicht erhalten wurden, bestimmt die Einheit 9 den I-Modus, und das Programm geht auf den Schritt S3 über. Im Schritt S3 prüft die Einheit 9, ob bereits Regen fällt. Ist dies nicht der Fall, so ist eine tatsächliche Niederschlagsmenge gleich Null, und das Programm geht auf den Schritt S4 über. Die Einheit 9 bildet eine in Fig. 8 dargestellte Niederschlagskurve in Form eines umgedreh­ ten gleichschenkeligen Dreiecks auf der Grundlage der Gesamtniederschlagsmenge Rt und der Niederschlags­ zeit Tt (Schritt S4). In Fig. 4 beträgt die Zahl der den höchsten Wert in der Maximum-Niederschlagskurve repräsentierenden Abschnitte oder Sektionen 2, wenn eine durch Dividieren der Niederschlagszeit Tt durch die Berechnungsperiode DTe ermittelte Größe eine gerade Zahl ist, und sie beträgt 1, wenn diese Größe eine ungerade Zahl ist. Die Maximum-Niederschlagsmenge wird wie folgt ermittelt:
Für Tt/ΔTe = 2m;
Maximum-Niederschlagsmenge = Rt/(m + 1)(2 Sektionen)
Für Tt/ΔTe = 2m - 1;
Maximum-Niederschlagsmenge = Rt/m(1 Sektion).
Wenn die Einheit 9 im Schritt S3 bestimmt oder feststellt, daß die augenblickliche Berechnungszeit Ko nach dem Niederschlagsanfangszeitpunkt liegt, geht das Programm auf den Schritt S5 über. In diesem Fall ist eine vorbestimmte Zeit von Gitterdatensätzen noch nicht erhalten oder gewonnen worden (0 < Ks < Kd). Da in diesem Fall tatsächliche Niederschlagsmengen At (t = Ko, Ko - ΔTm, Ko - 2.ΔTm, . . ., Ko - Ks.ΔTm) von Ks Sätzen erhalten wurden, wird im Schritt S5 eine durch die nachstehend angegebene Gleichung repräsen­ tierte tatsächliche oder Ist-Niederschlagssumme S von der Gesamtniederschlagsmenge
Die Niederschlagszeit wird dadurch erhalten, daß Ks.ΔTm von Tt subtrahiert wird. Auf der Grundlage der so erhaltenen Daten bildet die Einheit 9 eine einem gleichschenkeligen Dreieck entsprechende Niederschlags­ kurve, und sie bildet eine Niederschlagskurve, welche die tatsächlichen und die vorhergesagten Daten in sich vereinigt, wie dies in gestrichelter Linie in Fig. 9 gezeigt ist.
Wenn eine vorbestimmte Periode Kd.ΔTm vom Niederschlagsanfangszeitpunkt verstrichen ist und eine vorbestimmte Zahl von Verarbeitungsdatensätzen Kd erhalten wurde, geht das Programm vom Schritt S2 auf den Schritt S7 über. Die Einheit 9 prüft zum augenblicklichen Berechnungszeitpunkt Ko, ob der Ort des Massenmittelpunkts im F- oder im W-Modus vorliegt. In Abhängigkeit vom Bestimmungsergebnis führt die Einheit 9 verschiedene Datenverarbeitungen aus. Grundsätzlich erfolgt die Datenverarbeitung in jedem Modus auf der Grundlage der folgenden drei heuristischen Hypothesen (heuristics):
  • 1. Ein Bewegungsvektor des Massenmittelpunkts wird anhand des Orts des Massenmittelpunkts berechnet.
  • 2. Eine Änderungsgröße (Vergrößerungs/Verkleinerungsgröße in bezug auf einen Niederschlagszeitpunkt wird berechnet.
  • 3. Ein Niederschlagsverteilungszustand zum augenblicklichen Berechnungszeitpunkt Ko wird als in einer dynamischen Vorhersagezeit unveränderbar vorausgesetzt.
Die von der Verarbeitung im I-Modus verschiedene Niederschlagsvorhersageverarbeitung kann gemäß den Fig. 7A und 7B in erste bis vierte Stufen klassifiziert werden. Die ersten bis vierten Verarbeitungsstufen sind nachstehend in der angegebenen Reihenfolge beschrieben.
Im Schritt S7 wird eine Zeit oder ein Zeitpunkt t auf Ko gesetzt (augenblickliche Berechnungszeit). In Schritten S5 und S9 wird eine Position Pt des gewichteten Niederschlags-Massenmittelpunkts oder Nieder­ schlag-gewichteten Massenmittelpunkts zusammen mit einem Niederschlagsgebietmittelwert At einer Nieder­ schlagsverteilung Mt zum augenblicklichen Berechnungszeitpunkt Ko berechnet. Die Position Pt des eben genannten Massenmittelpunkts und der Niederschlagsgebietmittelwert At werden in den Berechnungen eines Massenmittelpunkt-Bewegungsvektors und einer Niederschlagsänderungsgröße oder -rate (noch zu beschrei­ ben) benutzt. Die Position Pt des genannten Massenmittelpunkts liegt in einer zweidimensionalen Ebene, so daß sie durch zwei Komponenten ausgedrückt werden kann. Für jede Komponente werden die Koordinaten des Zentral- oder Mittelpunkts jedes Gitters (mesh) mit sowohl der Fläche bzw. dem Gebiet dieses Gitters als auch der Niederschlagsmenge in diesem Gitter multipliziert, und die multiplizierten Koordinaten werden anschlie­ ßend zur Gewinnung einer Summe entsprechend allen Gittern zusammenaddiert. Ebenso werden für jede Komponente die Koordinaten des Mittelpunkts jedes Gitters mit der Fläche dieses Gitters multipliziert, worauf die multiplizierten Koordinaten zur Ableitung einer allen Gittern entsprechenden Summe zusammenaddiert werden. Die Position Pt des oben genannten Massenmittelpunkts kann durch Dividieren der ersteren Summe durch die letzte Summe abgeleitet oder ermittelt werden. Der Niederschlagsgebiet- oder -flächenmittelwert At wird erhalten durch Berechnen eines Mittelwerts von Niederschlägen in Gittern, in denen eine von Null verschiedene Niederschlagsmenge vorliegt.
Wenn die Berechnungen von Pt und At zum augenblicklichen Berechnungszeitpunkt Ko abgeschlossen sind, prüft die Einheit 9 im Schritt S1, ob die Kd Sätze von früheren Werten Pt und At bereits erhalten wurden. Im Schritt S10 wird ΔTm von der Zeit t subtrahiert (Schritt S11). Schritte S8 und S9 werden ausgeführt, um Pt und Kd zu einem unmittelbar vorhergehenden Überwachungszeitpunkt Ko - ΔTm abzuleiten. Die obige Operation wird mehrfach wiederholt. Wenn Kd Sätze von Werten Pt und At erhalten oder gewonnen werden, geht die Operation auf den Schritt S12 über.
Im Schritt S12 berechnet die Einheit 9 eine Änderungsgröße oder -rate c des Niederschlagsgebietsmittelwerts nach nachfolgender Gleichung unter Heranziehung der Kd Sätze der Massenmittelpunkt Pt und der Mittelwert At:
Im Schritt S13 wird die Zeit t auf die augenblickliche Berechnungszeit Ko rückgesetzt. Anschließend wird im Schritt S14 der genannte Bewegungsgeschwindigkeitsvektor erzeugt. Dieser wird wie folgt erhalten oder gewonnen: Ein Winkel αt eines Liniensegments Pt - ΔTm.Pt (die Position oder Lage des Massenmittelpunkts zum augenblicklichen Berechnungszeitpunkt) in bezug auf ein Liniensegment Pt - 2.ΔTm (Position des Mas­ senmittelpunkts zu einer zweiten vorherigen Überwachungszeit in bezug auf den Zeitpunkt), Pt - ΔTm (Posi­ tion des Massenmittelpunkts zu einem Überwachungszeitpunkts unmittelbar vor dem Zeitpunkt t)wird berech­ net. Die Einheit 9 führt eine Modusbestimmung auf der Grundlage eines Winkels αt und eines Modusverzwei­ gungswinkels αm durch (Schritt S15). Im Fall von αt < αm bestimmt die Einheit 9 den W-Modus (Wandermo­ dus), und das Programm geht auf einen noch zu beschreibenden Schritt S30 über. Im Fall von αt ≦ αm geht die Operation auf den Schritt S16 über. Im Schritt S16 prüft die Einheit 9, ob der Zeitpunkt t um die Zeit Km.ΔTm früher liegt als der augenblickliche Berechnungszeitpunkt To, d. h. ob die Bestimmung nach Schritt S15 für alle früheren Km Überwachungszeiten vorgenommen (worden) ist. Bei einem negativen Ergebnis (NEIN) in Schritt S16 wird ΔTm von der Zeit t subtrahiert (Schritt S17), worauf die Operation zum Schritt S14 zurückkehrt. Anschließend wird die oben beschriebene Verarbeitung ausgeführt. Falls αt < αm auch nur einmal in den Km unmittelbar vorhergehenden Überwachungszeiten vorliegt, erfolgt eine Bestimmung auf den W-Modus, und die Operation geht auf den Schritt S30 über. Falls αt < αm in den unmittelbar vorhergehenden Überwachungszei­ ten nicht vorliegt, bewegt oder verschiebt sich der Massenmittelpunkt praktisch geradlinig, weshalb der F-Mo­ dus bestimmt wird. Die Operation geht dann auf den Schritt S18 über.
Im Schritt S18 berechnet die Einheit 9 einen Bewegungsgeschwindigkeitsvektor Pt - 3.ΔTm.Pt/(3.ΔTm), der als in einer dynamischen Vorhersagezeit konstant vorausgesetzt wird. Der Bewegungsgeschwindigkeitsvek­ tor repräsentiert eine Bewegungsrichtung und eine Bewegungsgröße pro Zeiteinheit des Massenmittelpunkts Pt. Im Schritt S19 wird die Zeit t auf eine anfängliche Vorhersagezeit T = Ko + ΔTe gesetzt. Eine Vorhersage für eine Niederschlagsverteilung MKo zum augenblicklichen Berechnungszeitpunkt Ko erfolgt im Sinne einer Bewegung oder Verschiebung in der Richtung des Bewegungsgeschwindigkeitsvektors um dessen Größe pro Zeiteinheit. Im Schritt S20 wird daher der Bewegungsgeschwindigkeitsvektor mit ΔTe multipliziert, um eine Bewegungsstrecke des Massenmittelpunkts zu nächsten Vorhersagezeit (Berechnungszeit) zu ermitteln. Die. Niederschlagsverteilung MKo wird parallel um die in Schritt S20 ermittelte Bewegungsstrecke als eine Nieder­ schlagsverteilung zum Vorhersagezeitpunkt Ko + ΔTe bewegt oder verschoben. Fig. 10 veranschaulicht die verschobene Niederschlagsverteilung. Eine Niederschlagsmenge in jedem Gitter des interessierenden Auffang­ beckens (drainage basin of interest) wird auf der Grundlage der verschobenen Niederschlagsverteilung berech­ net (Schritt S21). Die in Schritt S21 ermittelte Niederschlagsmenge wird mit der Änderungsrate oder -größe c multipliziert, um einen Niederschlagsvorhersagewert Rt zu berechnen (Schritt S22). Im Schritt S22 prüft die Einheit 9, ob die obige Operation für alle Kf Vorhersagezeiten oder -zeitpunkte ausgeführt ist. Bei einem negativen Ergebnis im Schritt S22 (d. h. im Fall von t < Ko + Kf.ΔTm) wird ΔTe zur Zeit T(t) hinzuaddiert. Die obige Operation wird wiederholt. Wenn die Einheit 9 im Schritt S23 bestimmt oder feststellt, daß die obige Operation für alle Kf Vorhersagezeiten ausgeführt ist, geht die Operation (bzw. das Programm) auf den Schritt S25 über.
Wenn die Summe aus der Ist-Niederschlagszeit Ks.ΔTm und der dynamischen Vorhersagezeit Kf.ΔTe kleiner ist als die Niederschlagszeit Tt, oder wenn die Ist-Niederschlagssumme GW und die dynamische Vorher­ sageniederschlagssumme JW kleiner sind als die gesamte Niederschlagsmenge Rt, werden im Schritt S25 eine Restzeit Tr und eine Restniederschlagsmenge Rr nach folgender Gleichung berechnet:
Im Schritt S26 wird geprüft, ob Rr < 0 gilt. Im Falle von Rr ≦ 0 wird oder ist die Verarbeitung abgeschlossen. Im Falle von Rr < 0 geht die Operation auf den Schritt S27 über, in welchem geprüft wird, ob Tr < 0 gilt. Im Fall von Tr ≧ 0 geht die Operation auf den Schritt S28 über, wobei eine dreieckige Niederschlagskurve erzeugt oder gebildet wird, in welcher die Restzeit Tr und die Restniederschlagsmenge Rf gemäß Fig. 3 allmählich verkleinert werden oder abnehmen. Dies wird als statische Vorhersage bezeichnet. Die Vorhersagepunktzahl (Zahl der Vorhersagezeiten) Kg der statischen Vorhersage wird als Kg = INT (Tr/ΔTe) ermittelt. Dabei bedeu­ tet INT (x) einen integralen Teil von x. Wenn Rr positiv und Tr negativ sind, wird im Schritt S29 Tr = 5.ΔTe gesetzt, um eine dreieckige Niederschlagskurve aufzustellen, in welcher eine Niederschlagsmenge allmählich abnimmt. Auf diese Weise ist oder wird die Operation der Ermittlung der Niederschlagsvorhersagekurve D7 im F-Modus abgeschlossen. Das Programm kehrt sodann zum Schritt E5 nach Fig. 2A zurück.
Wenn im Schritt S15 der Winkel αt (t = Ko, Ko - ΔTm, . . ., Ko - Km.ΔTm) größer ist als der Winkel αm, wird der W-Modus bestimmt. Die Operation geht auf den Schritt S30 über. Im Schritt S30 werden ein Mittelwert Pa und eine Streuung σp der Positionen (Koordinaten) des Massenmittelpunkts Pt (t = Ko, Ko - ΔTm, . . ., Ko - Kd.ΔTm) zu den augenblicklichen und früheren Kd Vorhersagepunkten berechnet. Die berechneten Mittelwerte Pa und Streuungen (dispersions) σp werden als Konstanten eine Normalverteilung in einem Prozeß zur Lieferung einer Niederschlagsvorhersage benutzt. Im Schritt S31 wird die Zeit t auf Ko + ΔTe gesetzt. Im Schritt S32 wird die Position des Massenmittelpunkts zum Vorhersagezeitpunkt t = Ko + ΔTe ermittelt. Unter der Voraussetzung oder Annahme, daß Änderungen der Massenmittelpunktpo­ sition normal verteilt sind, wird in diesem Fall die Position oder Lage des Massenmittelpunkts Rt auf der Grundlage einer Normalverteilung N (Pa, σp) nach einer Monte-Carlo-Methode berechnet (Schritt S33). Anhand der ermittelten Massenmittelpunktposition wird ein Bewegungsgeschwindigkeitsvektor von Pt zu Pt + ΔTe berechnet. Die Niederschlagsverteilung MKo wird auf der Grundlage des berechneten Bewegungs­ geschwindigkeitsvektors verschoben oder bewegt (Schritt S33). Ähnlich wie im Schritt S22, wird die Nieder­ schlagsmenge mit der Änderungsgröße c multipliziert, um den Niederschlagsvorhersagewert Rt zu berechnen (Schritt S34). Im Schritt S35 prüft die Einheit 9, ob die Vorhersage für alle Kf dynamischen Vorhersagepunkte vollständig ausgeführt ist. Wenn noch ein Vorhersagepunkt verbleibt, wird im Schritt S36 ΔTe zur Zeit t hinzuaddiert. Danach wird die Operation gemäß den Schritten S32 bis S35 wiederholt. Wenn die Verarbeitung für alle Vorhersagezeiten oder -zeitpunkte t = Ko + ΔTe.K (K = 1, 2, . . ., Kf) vollständig durchgeführt worden ist, geht das Programm auf den Schritt S25 über. Anschließend erfolgt eine Operation ähnlich wie im F-Modus. Auf diese Weise werden dynamische und statische Vorhersagen für Niederschläge oder Nieder­ schlagsmengen im W-Modus erreicht. Die Niederschlagsvorhersageoperation ist anhand der Fig. 7A und 7B beschrieben worden. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf das Ablaufdiagramm nach Fig. 2A und 2B.
Schritt E5
Wenn die Niederschlagsvorhersagekurve D7 für das interessierende Auffangbecken gemäß Fig. 3 erhalten (obtained) worden ist, werden die tatsächliche oder IST-Niederschlagskurve und die Kurve D7 wie folgt miteinander verbunden: Zur Durchführung dieser Verbindungsverarbeitung muß die IST-Niederschlagskurve (repräsentiert durch einen Satz von Rechtecken jeweils einer Breite von ΔTm) zu einem Satz von Rechtecken jeweils einer Breite der Berechnungsperiode ΔTe umgeschrieben werden. Nachstehend ist ein Abschnitt be­ schrieben, welcher t = ts + u.ΔTm + te genügt. In dieser Gleichung gilt: ts = erste Zeit oder erster Zeit­ punkt, te = letzte Zeit oder letzter Zeitpunkt, 0 = ts, te ≦ ΔTm und u = eine positive Zahl, einschließlich Null. Unter der Voraussetzung, daß Niederschläge oder Niederschlagsmengen bei ts, u.ΔT und te gleich gs, gj (j = 1, 2, . . ., u) bzw. ge sind, bestimmt sich eine korrigierte IST-Niederschlagsmenge ga dieses Abschnitts wie folgt:
Im Fall von u = 0 wird
erhalten.
Die erhaltenen verbundenen Niederschlagskurvendaten D8 werden zur Ablaufauswerteeinheit (runoff analy­ sing unit) 10 geliefert.
Schritt E6
Die Ablaufauswerteeinheit 10 empfängt die verbundenen Niederschlagskurvendaten D8 von der Nieder­ schlagsvorhersageeinheit 9. Die Einheit 10 speichert Daten D9 bezüglich eines Abwasserleitungsnetzes. Die Einheit 10 führt eine Ablaufanalyse entsprechend Abflußbasischarakteristika des betreffenden oder interessie­ renden Stadtgebiets unter Heranziehung der verbundenen Niederschlagskurvendaten D8 und der Abwasserlei­ tungsnetzdaten D9 durch. Die Niederschlagsvorhersageeinheit 9 berechnet einen Austrag oder eine Entleerung (discharge) von Unwetterabwasser auf der Grundlage der Ablaufanalyse oder -auswertung, um damit eine Entleerung von in den Pumpenschacht 21 fließendem Wasser zu ermitteln. Bei dieser Ausführungsform wird eine Unwetterabwasserentleerung (m3/s) eines interessierenden städtischen Auffangbeckens (m2) anhand einer ver­ bundenen Niederschlagsmenge (mm/h) ermittelt. Eine Entleerungsauswertemethode zum Umwandeln einer Niederschlagsmenge in eine Entleerungsmenge wird herkömmlicherweise hauptsächlich zur Verhinderung einer Überflutung von Flüssen angewandt. Diese genannte Methode beruht auf der Voraussetzung, daß Nieder­ schläge (zunächst) im Erdreich versickern, darin zurückgehalten werden und sodann abfließen. In einem moder­ nen Stadtgebiet das dicht mit Häusern besetzt ist und in welchem die Straßen befestigt sind, kann der Nieder­ schlag jedoch nicht im Erdreich versickern, vielmehr fließt er unmittelbar in ein Auffang- oder Sammelbecken ab. Die Ablaufauswertung oder -analyse in einem solchen Gebiet wird als städtische Ablaufauswertung bezeich­ net, um sie von der Ablaufauswertemethode zu unterscheiden, die sich in erster Linie auf das Versickern im Erdreich stützt.
Die städtische Ablaufauswertemethode umfaßt eine makroskopische hydrologische Methode und eine mikro­ skopische hydraulische Methode. Die hydrologische Methode berechnet nur eine Entleerungsmenge (discharge) und ist daher für Ablaufauswertung oder -analyse eines komplizierten Abwasserleitungsnetzes geeignet. Die hydraulische Methode berechnet eine Entleerungsmenge auf der Grundlage einer Entleerung (oder eines Ablaufs) und eines Drucks und ist daher für die Ablaufanalyse eines komplizierten Abwasserleitungsnetzes nicht geeignet. Die hydraulische Methode ist für eine einfache Hauptleitung geeignet. Bei der beschriebenen Ausfüh­ rungsform wird daher die nur eine Entleerungsmenge behandelnde makroskopische hydrologische Methode als Ablaufauswertemethode benutzt. Die makroskopische hydrologische Methode umfaßt mehrere Methoden. Eine davon ist eine sog. RRL- bzw. Straßenforschungslabor-Methode. Bei der RRI- bzw. RRL-Methode wird eine Entleerungsmenge am tiefsten (stromabseitigen) Punkt eines interessierenden Auffangbeckens berechnet. Die RRL-Methode ist in "Journal of the HYDRAULICS DIVISION", Nov. 1969, S. 1809-1834, beschrieben.
Zum besseren Verständnis wird ein Auffangbecken eines Stadtgebietes mit einem Abwasserleitungsnetz gemäß Fig. 11 beschrieben. In diesem Auffangbecken sind zahlreiche Rohrleitungsknotenpunkte J1 bis J3, Pumpstationen P1 und P2 und dergl. angeordnet. An der Verzweigung bzw. am Knotenpunkt J1 dieses Abfluß­ beckens wird Unwetterabwasser von Abwasserohrleitungen an der Stromaufseite zur Pumpstation P1 und zum Knotenpunkt J3 verteilt. Am Knotenpunkt J3 werden Unwetterabwasserkomponenten oder -anteile von den Verzweigungen bzw. Knotenpunkten J1 und J2 miteinander kombiniert und zur Pumpstation P2 geleitet. Für die Berechnung einer Entleerungsmenge an dem am weitesten stromab gelegenen bzw. tiefsten Punkt unter Anwen­ dung der RRL-Methode werden im folgenden drei Teilauffangbecken mit den Knotenpunkten J1 bis J3 als den tiefsten Stellen beschrieben. Die Niederschlagsvorhersageeinheit 9 bildet eine Kurve, welche Entleerungs(men­ gen)änderungen in Abwasserrohrleitungen, die an den Knotenpunkten J1 bis J3 geteilt sind, repräsentiert. Eine Austrags- oder Entleerungsmenge von Wasser, das über die Knotenpunkte J1 und J2 durch den Knotenpunkt J3 fließt, muß für die Entleerungsmenge am Knotenpunkt J3 berücksichtigt werden. Zur Ermittlung der Entlee­ rungsmenge am Knotenpunkt J3 müssen aus diesem Grund die Wassertransportzeiten zwischen den Knoten­ punkten J1 bis J3 und J2 bis J3 sowie der Zusammenfluß des Wassers von den beiden Strecken berücksichtigt werden. Bei dieser Ablaufanalyse müssen daher 1. eine Transportzeit für den Fall berechnet werden, daß ein Abwasserleitungsnetz keinen Unwetterabwasser-Überlaufdamm enthält, und 2. eine Lagenbeziehung, welche die Stromauf- oder Stromabseite jedes Knotenpunkts repräsentiert, für die Berechnung einer Entleerungsmen­ ge berücksichtigt werden. Die Wassertransportzeit zwischen den beiden Knotenpunkten wird mittels einer Fluidum- bzw. Strömungsanalyse in einer Rohrleitung ermittelt. Zahlreiche der Transportzeitberechnungen sind Strömungsanalysen eines offenen Kanals und können durch Auflösen einer nichtlinearen hyperbolischen Partial­ differentialgleichung ermittelt werden. Diese Gleichung umfaßt eine Gleichung bezüglich einer gleichmäßigen. Strömung ohne Berücksichtigung von Zeit (zeitlichen) und gebietsweisen Schwankungen, eine Gleichung bezüg­ lich einer ungleichförmigen Strömung ohne Berücksichtigung einer zeitlichen Schwankung sowie eine Glei­ chung bezüglich einer unregelmäßigen Strömung unter Berücksichtigung beider Faktoren. Da nur eine Entlee­ rung oder Entleerungsmenge behandelt wird und eine Berechnungsperiode für einen Pumpenbetrieb 5 Minuten oder 10 Minuten beträgt, d. h. vergleichsweise kurz ist wird vorzugsweise die nichtlineare hyperbolische Partial­ differentialgleichung unter der Annahme, daß das Fließen mit einer gleichmäßigen Strömung erfolgt, aufgelöst.
Eine Methode zum Analysen bzw. Auswerten einer Entleerungsmenge in einer Abwasserrohrleitung unter Berücksichtigung der Stromauf/Stromabbeziehung der Knotenpunkte ist nachstehend beschrieben. Wenn bei­ spielsweise die grundsätzliche RRL-Methode angewandt werden soll, wird das interessierende Auffangbecken in drei Auffangbecken mit den Knotenpunkten J1 bis J3 als die tiefsten Stellen unterteilt, wie dies in Fig. 12 in strichpunktierten Linien angegeben ist. Die Zeitspannen, die das Wasser von den betreffenden Punkten bis zum Erreichen der Knotenpunkte J1 bis J3 benötigt, werden berechnet. Punkte, an denen die Ankunftszeiten Vielfache der Berechnungsperiode bilden, werden zur Bildung einer gleichen (equal) Ankunftszeitkurve verbunden (vgl. gestrichelte Linie in Fig. 12). Bereiche oder Flächen von drei durch strichpunktierte Linien umschlossenen Abschnitten werden zur Ableitung einer Beziehung zwischen den Ankunftszeiten und den Bereichen oder Flächen berechnet. Eine eine Entleerungsänderung repräsentierende Kurve wird unter Heranziehung oder Niederschlagskurve auf der Grundlage der Beziehung zwischen den Ankunftszeiten und diesen Bereichen oder Flächen aufgestellt.
Diese Operation ist nachstehend anhand von Fig. 13 im einzelnen erläutert. Gemäß Fig. 13 verlaufen Entlee­ rungskurven R1 bis R3, die anhand des städtischen Ablaufauswerteergebnisses gewonnen wurden, längs gerich­ teter, durch Pfeile bezeichneter Zweige zum Abwasserleitungsnetz mit den Knotenpunkten J1 bis J3, den Pumpstationen P1 und P2 und dergleichen. Unter der Annähme, daß R1 bis R3 Ausgangsknotenpunkte und P1 und P2 Eingangsknotenpunkte sind, fließen Unwetterabwasseranteile von den Ausgangsknotenpunkten R1 bis R3, als Entleerungskurven, zu den Eingangs/Ausgangsknotenpunkten J1 bis J3. Der Eingangs- oder Einlaufzweig vom Knotenpunkt R1 und die Ausgangszweige zu den Knotenpunkten P1 und J3 sind mit dem Eingangs/Ausgangs­ knotenpunkt J1 verbunden. Dieses Abwasserleitungsnetz ist daher durch die Eingangsknotenpunkte P1 und P2, die Knotenpunkte R1 bis R3 mit den Ausgangszweigen sowie die Knotenpunkte J1 bis J3 mit den Eingangs- und Ausgangszweigen gebildet. Zur Berechnung einer Entleerung oder Entleerungsmenge unter Berücksichtigung einer vertikalen Beziehung zwischen den Knotenpunkten wird eine in Fig. 14 dargestellte, eine Knotenpunkt­ verbindungsbeziehung angebende Tabelle aufgestellt. In dieser Knotenpunktverbindungsbeziehungs-Tabelle sind die Eingangs/Ausgangsknotenpunkte J1 bis J3 sowie die Eingangsknotenpunkte P1 und P2 von links nach rechts in der obersten Reihe bzw. Zeile, die Eingangs/Ausgangsknotenpunkte J1 bis J3 sowie die Ausgangskno­ tenpunkte R1 bis R3 von der oberen zur unteren Zeile in der linken Spalte angeordnet, wobei in Abschnitte, die in einer gegenseitigen Verbindungsbeziehung stehen, jeweils die Ziffer 1 eingetragen ist. Fig. 14 zeigt, daß eine Entleerung oder Entleerungsmenge durch Berechnen von R1 für den Knotenpunkt J1, Berechnen von R2 für den Knotenpunkt J2 und Berechnen von R3 für den Knotenpunkt J3 berechnet werden kann, weil J1 und J2 bereits berechnet sind. Außerdem sind bereits eine Entleerungsmenge am Knotenpunkt J1 für den Knotenpunkt P1 und eine Entleerungsmenge am Knotenpunkt J3 für den Knotenpunkt P2 berechnet. Bei diesem Abwasserleitungs­ netz kann damit eine Entleerung oder Entleerungsmenge durch sequentielle Ausführung von Berechnungen in der Reihenfolge der Knotenpunkte J1, J2, J3, P1 und P2 ermittelt werden. Die Ausgangsknotenpunkte R1 bis R3 können unabhängig oder getrennt berechnet werden, weil sie keine Eingänge bzw. Einläufe aufweisen. Nach der Berechnung des Ausgangsknotenpunktes Ri (i = 1, 2 und 3) werden die Entleerungsmengen an den Knoten­ punkt J1, J2, J3, P1 und P2 auf der Grundlage der oben genannten Verbindungsbeziehung berechnet. Wenn eine große Zahl von Eingangsknotenpunkten (input nodes) vorliegt, ist es in manchen Fällen wirksam bzw. günstig, den Eingangsknotenpunkten Zahlen oder Ziffern zuzuordnen, ohne eine vertikale Beziehung zu berücksichtigen. In diesem Fall wird eine Berechnung in einer Anordnungsreihenfolge derart durchgeführt, daß eine Berechnung eines Eingangsknotenpunkts mit einem unbetätigten Ausgangsknotenpunkt nicht ausgeführt, eine Berechnung des nächsten Eingangsknotenpunktes aber ausgeführt wird. Nach vollständiger Durchführung dieser Berech­ nung erfolgt erneut eine Berechnung für unbetätigte oder nicht betriebene Eingangsknotenpunkte in der Anordnungsreihenfolge. Durch wiederholte Ausführung dieser Berechnung können Entleerungskurven für alle Eingangsknotenpunkte aufgestellt werden, während (dabei) die vertikale Beziehung erfüllt ist, weil die gerichte­ ten Zweige behandelt oder gehandhabt werden.
Die Ablaufauswerteeinheit 10 prüft, ob die Abwasserrohrleitung einen Damm oder ein Wehr aufweist (Schritt E7). Ist dies nicht der Fall, so geht die Operation auf den Schritt E9 über. Im positiven Fall geht die Operation auf den Schritt E8 über.
Schritt E8
Die Ablaufanalyse für ein Abwasserleitungsnetz mit einem Unwetterabwasser-Überlaufdamm (mit einer Stufe, einer Düse oder dergleichen) ist im folgenden beschrieben. In diesem Fall sind in der Ablaufauswerteein­ heit 10 im voraus Daten D11 bezüglich der Form einer Abwasserrohrleitung abgespeichert. Der genannte Überlaufdamm ist häufig an einem Zusammenflußpunkt von Abwasserrohrleitungen angeordnet. Dieser Über­ laufdamm liefert einen Abwasserstrom in einer Menge für einen Schönwettertag zu einer Abwasserbeseiti­ gungs- oder Kläranlage. Wenn sich die Strömungsmenge aufgrund von Niederschlag vergrößert, läßt der Überlaufdamm bei Übersteigen eines bestimmten Wasserstands Wasser zu einer Ausbreitungsstrecke überlau­ fen, um das Wasser unmittelbar in einen Fluß zu entleeren. Wenn der Wasserstand in der Rohrleitung die Höhe des Damms übersteigt, fließt das Wasser in der Rohrleitung über. Aus diesem Grund muß eine Entleerungsmen­ ge eines Überlaufs berechnet werden. Zur einfachen Messung der Entleerung oder Entleerungsmenge weist ein Damm im allgemeinen einen dreieckigen oder rechteckigen Abschnitt auf, wobei die Entleerungsmenge anhand seiner Wassertiefe berechnet wird. Auf diese Weise kann somit eine Entleerungsmenge von an oder über einen solchen Damm abfließendem Wasser einfach berechnet werden. In einer Abwasserrohrleitung 30 eines kreisrun­ den Querschnitts gemäß Fig. 15 wird eine Überlaufentleerungsmenge (overflow discharge) unter den folgenden beiden Bedingungen berechnet. Nach der ersten Bedingung wird eine Tiefe hr berechnet, wobei angenommen oder vorausgesetzt wird, daß die Abwasserrohrleitung 30 eines kreisrunden Querschnitts ein Wehr oder Damm einer vollen Breite mit einem rechteckigen Querschnitt ist. Nach der zweiten Bedingung wird vorausgesetzt, daß ein Gleichflächenzustand (equal area condition) aufgestellt ist, wobei die Tiefe hr eines rechteckigen Quer­ schnitts oder Abschnitts in die Tiefe hc eines kreisrunden Querschnitts oder Abschnitts umgewandelt und damit eine Entleerungsmenge berechnet wird. Diese Vorgänge sind nachstehend noch näher beschrieben. Im kreisrun­ den Querschnitt oder Abschnitt gemäß Fig. 15 sind die Höhe eines Damms voller Breite mit hw, eine Dammbrei­ te Ww und eine Dammquerschnittsfläche mit Aw bezeichnet. Unter diesen Bedingungen kann ein in gestrichel­ ter Linie eingezeichneter rechteckiger Abschnitt mit einer Langseite entsprechend der Dammbreite hw und einer kurzen Seite entsprechend der Vollbreiten-Wehrhöhe hw vorausgesetzt werden. Eine Austrag- oder Entleerungsmenge Qw für einen solchen Damm bestimmt sich nach der Francis-Formel wie folgt:
Qw = 1,84 Wwr2/3
Unter der Voraussetzung, daß der Rohrleitungsdurchmesser D ist, gelten:
Ww = Dsin(Φw/2)
hw = d/2{1 - cos(Φw/2)}
Aw = (D/2)2.{(Φ/2) - (sinΦw/2)}
Unter der Voraussetzung, daß die Flächentreue oder Gleichflächenbehandlung als die zweite Bedingung aufgestellt ist, wird durch Hinzufügung eines Zusatzes c zu jeder Größe die folgende Gleichung erhalten:
Ww.hr + Aw = Ac = (D/2)2.{(Φc/2) - (sinΦc/2)}
Da der obige Zusatz c durch wiederholte Ausführung von Berechnungen unter Anwendung einer Newton­ schen Methode ermittelt werden kann, läßt sich eine kritische Tiefe hc nach folgender Gleichung ableiten oder berechnen:
hc = (D/2).{1 - cos(Φc/2)} - hw
Eine Entleerungsmenge Q einer durch eine Abwasserrohrleitung strömenden Flüssigkeit kann auf der Grund­ lage der kritischen Tiefe hc berechnet werden.
Die durch die Ablaufanalyse ermittelte Entleerung oder Entleerungsmenge Q wird in die Dammüberlaufent­ leerungsmenge Qw und eine zu einer Kläranlage fließende Entleerungsmenge Qt aufgezweigt. Eine detaillierte Berechnung muß in Übereinstimmung mit einer Rohrleitungsstrukturspezifikation vorgenommen werden. Wenn ein Verzweigungspunkt von einem Steuerteil getrennt ist, wird eine Wasseroberflächenform-Berechnung auf der Grundlage einer ungleichförmigen Strömungsanalyse durchgeführt. Diese Berechnung erfolgt in Über­ einstimmung mit den folgenden sechs Schritten: 1. Längs- und Querschnittsformen eines Kanals werden gezeich­ net. 2. Steuer- bzw. Regeltiefen h eines Damms, einer Stufe sowie einer Düse (orifice) eines künstlichen Bauwerks werden berechnet 3. Eine gleichförmige oder gleichmäßige Strömungstiefe ho wird berechnet. 4. Eine kritische Tiefe hc wird berechnet. 5. Ein Strömungszustand wird bestimmt. 6. Eine Wasseroberflächenform wird von der Steuertiefe h als Ausgangspunkt zur Stromaufseite im Fall einer subkritischen Strömung und zur Stromabseite im Fall einer überkritischen Strömung verfolgt. Die Strömungszustände sind in der folgenden Tabelle I angegeben.
Tabelle I
Obgleich der Strömungszustand gemäß Tabelle I eine subkritische Strömung, eine überkritische Strömung und eine kritische Strömung (gleichmäßige Strömung) umfaßt, kann er mithin unter Berücksichtigung der Steuertiefe h, der gleichmäßigen Strömungstiefe ho, der kritischen Tiefe hc und dergleichen in Abhängigkeit von einer Entleerungsmenge, einem Gradienten, einer Querschnittsform und dergleichen in fünf Strömungen klassi­ fiziert bzw. eingeteilt werden. Die Wasseroberflächenform kann auf die in Tabelle II angegebene Weise klassifi­ ziert werden. Diese komplizierte Berechnung erfolgt nur für einen vorbestimmten Rohrleitungsabschnitt. Aus diesem Grund wird die in Übereinstimmung mit dem Strömungszustand zu verzweigende oder abzuzweigende Entleerungsmenge Qw im voraus mittels eines interaktiven (elektronischen) Rechners berechnet, während die Entleerungsmenge in einem bestimmten Bereich geändert wird. Die Ablaufauswerteeinheit 10 berechnet eine Überlaufdamm-Entleerungsmenge auf der Grundlage einer Beziehung zwischen der Entleerungsmenge Qw, die berechnet und im voraus abgespeichert worden ist, der Zweigentleerungsmenge Qw und der Kläranlagenentlee­ rungsmenge Qt.
Tabelle II
Schritt E9
Wenn - wie beschrieben - die Beziehung zwischen der Entleerungsmenge Q und den Entleerungsmengen Qw und Qt vorbestimmt oder vorherbestimmt ist, kann einen Einlaufentleerungsmenge von Unwetterabwasser in einen Pumpenschacht durch Subtrahieren oder Zweigentleerungsmenge Qw von der Entleerungsmenge Q bestimmt werden.
In den oben beschriebenen Verarbeitungsschritten wird eine Entleerungsmenge berechnet, die sich dann ergibt, wenn Regen fällt und Regenwasser über ein Abwasserleitungsnetz zu einer Pumpstation und dann in den Pumpenschacht 21 strömt. Durch Berechnung einer Entleerungsmenge zu jedem Vorhersagezeitpunkt wird eine Kurve D13 erhalten, die eine Änderung in der Entleerungsmenge von in den Pumpenschacht strömenden Unwetterabwasser angibt.
Schritt E10
Die durch die Ablaufauswerteeinheit 10, wie beschrieben, erlangten Unwetterabwasserpumpenschacht-Ein­ laufentleerungskurvendaten werden zur Pumpenzahlbestimmungseinheit 11 geliefert. Letztere berechnet eine Pumpenfördermengenkurve und eine Pumpenschacht-Wasserstandkurve D15 in Übereinstimmung mit einem Unwetterabwasser-Pumpenbetriebsalgorithmus unter Heranziehung der Unwetterabwasserpumpenschacht- Einlaufentleerungskurve D13 und der Daten D14 betreffend die Pumpe. Die Einheit 11 bestimmt die Zahl der zu betreibenden Pumpen nach Maßgabe der abgeleiteten oder aufgestellten Pumpenfördermengenkurve und der Pumpenschacht-Wasserstandkurve. Der Pumpenschacht 21 enthält eine Anzahl von Unwetterabwasser­ pumpen 24 jeweils gleicher Nennleistung sowie den Wasserstandsmesser 22. Jede Pumpe 24 wird durch einen Pumpentreiber 25, z. B. einen Motor oder eine ähnliche Antriebsmaschine, angetrieben.
Die Berechnungsperiode ΔTe (min) differiert entsprechend einer Kapazität Qu (m3/s) der einzelnen Unwet­ terabwasserpumpe 24. Die Berechnungsperiode ΔTe (min) wird für eine große Kapazität bzw. Leistungsfähig­ keit der einzelnen Pumpe kürzer und für eine kleine Kapazität länger eingestellt. Die Berechnungsperiode muß daher unter Berücksichtigung eines Pumpenkapazitätsverhältnisses Vp bestimmt werden. Das Pumpenkapazi­ tätsverhältnis Vp ist repräsentiert durch einen Index, der ein Reduktions- oder Abnahmeverhältnis eines Was­ serstands in einem Pumpenschacht zwischen oberen und unteren Grenzen angibt, das ermittelt wird, wenn eine einzige Unwetterabwasserpumpe ohne Wasserzulauf während der Periode ΔTe betrieben wird. Wenn Beispiels­ weise angenommen wird, daß eine Bodenfläche des Pumpenschachts 21 mit einem Absetzbecken 31 gemäß Fig. 16 gleich A ist und oberste sowie unterste Wasserstände oder -spiegel im Pumpenschacht Hx bzw. Hn entsprechen, bestimmt sich das Pumpenkapazitätsverhältnis Vp nach folgender Gleichung:
Vp = 60,0.Qu.ΔTe/{(Hx - Hn)A}
Wenn daher die Pumpenkapazität Qu = 2 (m3/s) und das Volumen des Pumpenschachts 21 10,360 (m3) betra­ gen, gilt Vp = ΔTe/30. Unter Zugrundelegung von Vp = 0,2 entspricht die Berechnungsperiode ΔTe = 0,6 (min). In Fig. 16 sind eine Einlauföffnung 32, ein Schieber 33, ein Sieb 34 und ein Ablauf 35 dargestellt. In Fig. 16 bezeichnen zudem die Symbole Hx einen obersten Wasserstand oder -spiegel, Hu einen oberen Wasserstand, Hm einen mittleren Wasserstand, Hl einen unteren Wasserstand und Hn einen untersten Wasserstand. Die Pumpenzahlbestimmungseinheit 11 betätigt die Pumpe 24 zur Aufrechterhaltung des Wasserstands innerhalb des Bereichs zwischen dem obersten und dem untersten Wasserstand. Der mittlere Wasserstand Hm ist ein Mittelwert aus oberstem und unterstem Wasserstand; der obere Wasserstand Hu ist ein Wasserstand im Mittelbereich zwischen oberstem und mittlerem Wasserstand, und der untere Wasserstand Hl ist ein Wasser­ stand in der Mitte zwischen unterstem Wasserstand und mittlerem Wasserstand.
Im folgenden ist der Pumpenbetriebsalgorithmus beschrieben. Die Unwetterabwasserpumpe (im folgenden einfach als Pumpe bezeichnet) 24 muß in Übereinstimmung mit Charakteristika einer Entleerungsmenge von abzuführendem Unwetterabwasser betrieben werden. Die Unwetterabwasserentleerungs-Charakteristika hän­ gen von Niederschlagscharakteristika oder -eigenschaften eines Abfluß- oder Auffangbeckens zum Auffangen des Niederschlags ab. In diesem Fall wird berücksichtigt, daß die Niederschlagscharakteristika einen aktiven und die Auffangbeckencharakteristika einen passiven Einfluß haben. Dies bedeutet, daß der Einfluß der ersteren größer ist als derjenige der letzteren. Die Niederschlagscharakteristika zeigen zeitliche und gebietsweise Ände­ rungen bzw. Schwankungen und werden daher bevorzugt als stochastischer (oder willkürlicher) Prozeß betrach­ tet. Ein Einfluß der Niederschlagscharakeristika auf den Pumpenbetrieb besteht darin, daß auch dann, wenn sich eine Entleerungsmenge des in einen Pumpenschacht fließenden Wassers vergrößert, eine Einlaß- oder Einlauf­ entleerungsmenge sich nicht immer in der nächsten Berechnungsperiode vergrößert. Aus diesem Grund muß der tatsächliche Pumpenbetrieb so durchgeführt werden, daß dann, wenn die Einlaufentleerungsmenge unter Erhö­ hung des Wasserstands im Pumpenschacht ansteigt, die Zahl der zu beschreibenden Pumpen vergrößert wird, während bei einem abnehmenden Wasserstand die Zahl der zu betreibenden Pumpen verkleinert wird. Bei diesem Vorgehen vergrößert sich jedoch eine Änderungsfrequenz oder -häufigkeit der Zahl der zu betreibenden Pumpen. Bei der beschriebenen Ausführungsform wird daher 1. Pumpenkapazitätsverhältnis Vp auf einen geringfügig kleineren Wert (z. B. 0,2) gesetzt und 2. zur Verkleinerung der Änderungshäufigkeit der Zahl der zu betreibenden Pumpen nur ein Teil einer Änderung in der Pumpenzahl, durch Pumpenbetriebszahländerungsbe­ rechnung ermittelt, zu einem bestimmten Berechnungszeitpunkt vorgenommen, während die Ausführung der restlichen Änderung in der nächsten Berechnungszeit bestimmt wird. Wenn beispielsweise die Zahl der zu betreibenden Pumpen zu drei berechnet wird, während die Zahl der arbeitenden Pumpen eins beträgt, müssen zusätzlich zwei weitere Pumpen betrieben werden. Bei der beschriebenen Ausführungsform wird jedoch aufgrund der Berechnung nur eine zusätzliche Pumpe betrieben, wobei zum nächsten Berechnungszeitpunkt bestimmt wird, ob die andere Pumpe zusätzlich betrieben werden soll oder nicht. Auf diese Weise kann die Änderungsfrequenz oder -häufigkeit der Pumpenbetätigungszahl verringert werden.
Wenn eine Anzeigegröße des Wasserstandmessers 22 gleich HKo - ΔTe und die Zahl der zu betreibenden Pumpen zu einem Berechnungszeitpunkt Ko - ΔTe gleich IKo - ΔTe sind, wird die Zahl der zu betreibenden Pumpen zum nächsten Berechnungszeitpunkt und zu folgenden Zeitpunkten in Übereinstimmung mit den folgenden vier Schritten bestimmt:
Schritt 1
Eine Entleerungsmenge QKo von in den Pumpenschacht 21 einströmendem Unwetterabwasser wird anhand von Ablaufanalyse berechnet.
Schritt 2
Es wird eine Wasserstandskorrekturgröße Qh = (HKo - ΔTe - Hm).A berechnet. Im Fall von Hl = ≦ HKo - ΔTe ≦ Hu wird Qh = 0 gesetzt).
Schritt 3
Die Zahl IKo der zu betreibenden Pumpen wird anhand der Einlaufentleerungspumpe QKo und der Wasser­ standskorrekturgröße Qk nach folgender Gleichung berechnet:
IKo = INT(0,5 + (QKo + Qh)/Qu)
darin bedeutet INT[x] = integraler Teil von x.
Schritt 4
Es wird eine Betätigungszahldifferenz Id = IKo - ΔTe - IKo berechnet.
Hierbei gelten:
(a) für Id ≦ 1 und HKo - ΔTe < Hm, Id = 1
(b) für Id ≧ 1 und HKo - ΔTe ≦ Hm, Id = 0
(c) für Id ≧ -1 und HKo - ΔTe ≧ Hm, Id = 0
(d) für Id ≧ -1 und HKo - ΔTe < Hm, Id = -1
Fig. 17 veranschaulicht ein Petri-Netz zur Änderung der Zahl der zu betreibenden Pumpen in Übereinstim­ mung mit den oben beschriebenen Schritten für den Fall, daß drei Pumpen vorgesehen sind. In Fig. 17 repräsen­ tiert ein mit Pi (i = 1, 2, . . ., 28) bezeichneter Block eine Funktion des Orts oder der Stelle (location). Genauer gesagt: das Symbol P1 gibt an, daß der Wasserstand sich zu einem vorhergehenden Zeitpunkt in einem ersten unteren Bereich befindet (Ko - ΔTe); P2 gibt an, daß sich der Wasserstand zum vorhergehenden Zeitpunkt in einem zweiten unteren Bereich befindet; P3 gibt an, daß der Wasserstand zum vorhergehenden Zeitpunkt in einem zweiten oberen Bereich steht; P4 gibt an, daß sich der Wasserstand zum vorhergehenden Zeitpunkt in einem ersten oberen Bereich befindet; P5 gibt an, daß sich der Wasserstand zum vorhergehenden Zeitpunkt in einem oberen Bereich befindet; P7 zeigt, daß eine Wasserstandskorrekturgröße zum vorhergehenden Zeit­ punkt nicht berücksichtigt wird; P8 gibt an, daß die Wasserstandskorrekturgröße zum vorhergehenden Zeit­ punkt nicht berücksichtigt ist; P9 zeigt, daß drei Pumpen zum vorhergehenden Zeitpunkt betrieben werden (worden sind); P10 steht für den Betrieb von zwei Pumpen zum vorhergehenden Zeitpunkt; P11 steht für den Betrieb einer Pumpe zum vorhergehenden Zeitpunkt und P12 gibt an, daß keine Pumpe zum vorhergehenden Zeitpunkt betrieben worden ist. Weiterhin gilt für die anderen Symbole: P13 = Einlaufentleerungs-Vorhersa­ gegröße oder -Wert, durch Abflußanalyse zu einem augenblicklichen Zeitpunkt ermittelt; P14 = Berechnung der Zahl der zum augenblicklichen Zeitpunkt zu betreibenden Pumpen; P15 = Betrieb von drei Pumpen zum augenblicklichen Zeitpunkt; P16 = Betrieb von zwei Pumpen zum augenblicklichen Zeitpunkt; P17 = Betrieb einer Pumpe zum augenblicklichen Zeitpunkt; P18 = kein Pumpenbetrieb zum augenblicklichen Zeitpunkt; P19 = Zahl der zu betreibenden Pumpen wird zum augenblicklichen Zeitpunkt gegenüber der Zahl zum vorhergehenden Zeitpunkt um drei verkleinert; P20 = Zahl der zu betreibenden Pumpen wird zum augenblick­ lichen Zeitpunkt gegenüber der Zahl zum vorhergehenden Zeitpunkt um zwei verkleinert; P21 = Zahl der zu betreibenden Pumpen wird zum augenblicklichen Zeitpunkt gegenüber der Zahl zum vorhergehenden Zeit­ punkt um eins verkleinert; P22 = Zahl der zu betreibenden Pumpen wird zum augenblicklichen Zeitpunkt gegenüber dem vorhergehenden Zeitpunkt nicht vergrößert/verkleinert; P23 = Zahl der zu betreibenden Pumpen wird gegenüber dem vorhergehenden Zeitpunkt um eins vergrößert; P24 = Zahl der zu betreibenden Pumpen wird zum augenblicklichen Zeitpunkt gegenüber der Zahl zum vorhergehenden Zeitpunkt um zwei vergrößert; P25 = Zahl der zu betreibenden Pumpen wird zum augenblicklichen Zeitpunkt gegenüber der Zahl zum vorhergehenden Zeitpunkt um drei vergrößert; P26 = Zahl der zum augenblicklichen Zeitpunkt zu betrei­ benden Pumpen wird als um eins zu verkleinern bestimmt; P27 = es wird bestimmt, daß die Zahl der zum augenblicklichen Zeitpunkt zu betreibenden Pumpen nicht vergrößert/verkleinert werden soll, und P28 = es wird bestimmt, daß die Zahl der zum augenblicklichen Zeitpunkt zu betreibenden Pumpen um eins vergrößert werden soll.
In Fig. 17 gibt der Block P27 an, daß die Zahl der zu betreibenden Pumpen nicht vergrößert/verkleinert wird. Auch wenn anhand des Berechnungsergebnisses nach Schritt 3 bestimmt wird, daß die Zahl der zu betreibenden Pumpen um drei (P19), zwei (P20) und eins (P21) verkleinert oder um eins (P23), zwei (P24) und drei (P25) vergrößert werden soll, wird in manchen Fällen bestimmt, daß die Zahl der zu betreibenden Pumpen nicht vergrößert/verkleinert werden soll. Auch wenn darüber hinaus bestimmt wird, daß die Zahl der zu betreibenden Pumpen um drei (P19) und zwei (P20) verkleinert oder um zwei (P24) und drei (P25) vergrößert werden soll, wird in manchen Fällen letztlich bestimmt, daß die Zahl der zu betreibenden Pumpen um eins (P26) verkleinert oder um eins (P28) vergrößert werden soll. Diese Funktionen tragen sämtlich zur Verkleinerung der Änderungs­ frequenz oder -häufigkeit der Zahl der zu betreibenden Pumpen bei.
Tabelle III zeigt einen für fünf tatsächliche Fälle geltenden Vergleich der Änderungsfrequenzen oder -häufig­ keiten der Zahl der zu betreibenden Pumpen zwischen einer herkömmlichen Vorrichtung und der vorstehend beschriebenen Erfindung. Wie aus Tabelle III hervorgeht, sind die bei dem erfindungsge­ mäßen Entwässerungssystem erreichten Änderungshäufigkeiten für die Zahl der zu betreibenden Pumpen wesentlich kleiner als bei der bisherigen Vorrichtung, welche die Zahl der zu betreibenden Pumpen lediglich auf der Grundlage des Pumpenschacht-Wasserstands ändert.
Tabelle III
Das Ausgangssignal der Pumpenzahlbestimmungseinheit 11 ist die in Schritt 4 ermittelte Zahl Id der zu betreibenden Pumpen. Die Zahl Id wird der Antriebs-Steuereinheit 23 für jede Berechnungszeit zum Betätigen/­ Abstellen der Unwetterabwasserpumpen 24 zugeliefert, um damit die Fördermenge zweckmäßig einzustellen. In diesem Fall bedeutet die Differenz Id = 0, daß kein Betriebs- oder Betätigungsänderungsbefehl erzeugt wird. Infolgedessen kann die Zahl der Befehle zur Änderung der Zahl der zu betreibenden Pumpen verkleinert sein.
Die Dateneicheinheit 7, die Niederschlagsvorhersageeinheit 9, die Ablaufauswerteeinheit 10 und die Pumpen­ zahlbestimmungseinheit 11 veranlassen eine Anzeige der verarbeiteten Daten auf der Anzeigeeinheit 8 zum Melden von Teilergebnissen der Datenverarbeitung.
Bei der beschriebenen Ausführungsform werden die Niederschlags(mengen)daten des gesamten städtischen Beckens, die mittels des Radar-Regemessers gewonnen wurden, unter Heranziehung der Direkt-Niederschlags­ daten an einer Vielzahl von Punkten, an denen Messungen durch die Bodenregenmesser erfolgen, geeicht oder abgeglichen. Als Ergebnis können detaillierte zweidimensionale Niederschlagsdaten über ein weites Gebiet hinweg erzielt werden. Da die Niederschlagskurve unter Heranziehung einer Anzahl von Sätzen von Nieder­ schlagsdaten vorhergesagt bzw. vorausbestimmt wird, kann die Zahl der zu betreibenden Pumpen 24 genau bestimmt werden. Außerdem wird bei der beschriebenen Ausführungsform geprüft, ob sich der Ort des Nieder­ schlag-gewichteten Massenmittelpunkts in einer bestimmten Richtung vorwärts verschiebt, und der Berech­ nungsmodus wird entsprechend dem Prüfergebnis zur Erzielung oder Aufstellung einer Niederschlagskurve geändert. Infolgedessen kann die Niederschlags(mengen)kurve mit hoher Präzision ermittelt werden. Eine Bewegungsstrecke, eine Bewegungsrichtung und dergl. der Niederschlagsverteilung bis zum Vorhersagezeit­ punkt können vergleichsweise genau vorhergesagt oder vorausbestimmt werden. Bei der beschriebenen Aus­ führungsform wird unter Berücksichtigung einer zunehmenden Verstädterung eine Ablaufentleerungsmenge eines Stadtgebiets auf der Grundlage der vertikalen Beziehung zwischen Knotenpunkten und der Berücksichti­ gung einer Überführungs- oder Transportzeit eines Auffangbeckens eines Abwasserleitungsnetzes zusätzlich zu den Niederschlagskurvendaten berechnet. Aus diesem Grund kann eine Entleerung oder Entleerungsmenge von in den Pumpenschacht 21 einströmendem Unwetterabwasser genau bzw. einwandfrei berechnet werden. Außer­ dem wird die Änderungshäufigkeit für die Zahl der zu betreibenden Pumpen, die anhand des Berechnungsergeb­ nisses der Pumpenzahlbestimmungseinheit 11 ermittelt wird, zur Verkleinerung derselben eingestellt. Mittels aller beschriebener Verarbeitungsaufgaben kann die Änderungshäufigkeit für die Zahl der zu betreibenden Pumpen unter diejenige bei der bisherigen Vorrichtung verringert werden, und zwar in Übereinstimmung mit einer schnellen Änderung der Entleerungsmenge von in den Pumpenschacht einströmendem Unwetterabwas­ ser.
Die Erfindung ist keineswegs auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt. Wenn eine Anzahl von Radar-Regenmessern in einem weiten oder großen Gebiet von Interesse aufgestellt werden, unterscheiden sich die Charakteristika des Niederschlags bzw. der Niederschlagsmenge entsprechend den Frequenzen der von den Radar-Regenmessern abgestrahlten Funkwellen. Wenn zudem die Überwachungsbereiche der Radar-Regen­ messer erweitert werden, wird die Überwachungsgenauigkeit beeinträchtigt. In diesem Fall können die Daten von den mehreren Radar-Regenmessern so verarbeitet werden, daß die Daten eines Radar-Regenmessers einer hohen Präzision genutzt werden, um eine Niederschlagsmenge anhand der Niederschlagsverteilung MKo in der dritten Stufe von Fig. 7 durch die Niederschlagsvorhersageeinheit 9 zu berechnen und damit den Niederschlag bzw. die Niederschlagsmenge vorherzusagen bzw. vorauszubestimmen. Die eingesetzten Radar-Regenmesser sind hauptsächlich von einem bodengebundenen Typ. Es können jedoch auch Daten von einem meteorologi­ schen Satelliten benutzt werden.
Im Ablaufdiagramm gemäß Fig. 7 werden beispielsweise in der ersten Stufe die Kd früheren Niederschlags­ gitterdaten jedesmal dann berechnet, wenn die augenblickliche Berechnungszeit aktualisiert wird. Die früher berechneten Niederschlagsgitterdaten können jedoch auch in der Speichereinheit 7a abgespeichert werden, so daß die gespeicherten Daten unmittelbar als Niederschlagsgitterdaten zu einem vergangenen oder früheren Berechnungszeitpunkt benutzt werden, während nur Niederschlagsgitterdaten zu einem augenblicklichen Be­ rechnungszeitpunkt berechnet werden.
Bei der beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Bewegungsgeschwindigkeitsvektor auf der Grundlage der Positionen des Massenmittelpunkts zum augenblicklichen Berechnungszeitpunkt Ko sowie zum Zeitpunkt Ko - 3.ΔTm ermittelt. Auf ähnliche Weise kann beispielsweise eine Bewegung, z. B. eine Drehung, des Massenmittelpunktes geprüft werden. Wenn beispielsweise der Bewegungsgeschwindigkeitsvektor mehrmals aufeinanderfolgend in einer Richtung nach rechts oder links (Km - 1) abbiegt, wird angenommen, daß sein Ort sich gedreht bzw. eine Kurve beschrieben hat. In diesem Fall, d. h. wenn ein Biegewinkel αt (t = Ko - (Km + 1).ΔTm, . . ., Ko) stets in der einen Richtung weist, kann ein Mittelwert der Winkel als Biegewinkel zum Zeitpunkt Ko = Δtr.K (K = 0, 1, 2, . . ., Kf) benutzt werden. Der Biege- oder Kurvenwinkel wird nach folgender Gleichung bestimmt:
Dies bedeutet, daß ein Bewegungsvektor anhand des Vektors, welcher die Massenmittelpunkte zu den Zeitpunkten Ko - ΔTm und Ko verbindet, unter Berücksichtigung des Biegewinkels der mittleren Winkelgröße bestimmt oder ermittelt werden kann. Auf diese Weise kann eine Wende- oder Drehbewegung verarbeitet werden.
Zur Durchführung einer Ablaufanalyse für eine Abwasserbeseitungsanlage, in welcher eine Hauptabwasser­ leitung lang ist und die Hauptleitung sowie ein Pumpenschacht miteinander verbunden sind und einander beeinflussen, führt die Ablaufauswerteeinheit 7 eine nicht-gleichförmige Analyse bzw. Auswertung unter Be­ rücksichtigung von sowohl zeitlichen als auch gebietsweisen Änderungen oder Abweichungen (mittels) einer nichtlinearen Partialdifferentialsimultangleichung durch. Eine Lösung wird durch Rechnung endlicher Differen­ zen positiv oder negativ erhalten. Da in diesem Fall eine Einheitszeitbreite auf mehrere Sekunden gesetzt ist und eine große Anzahl von Berechnungen im Hinblick auf Pumpenförderstaudruckcharakteristika oder eine Zwi­ schenlauf-Reibungsverlustkurve durchgeführt werden, kann eine Einschwing- oder Übergangsströmungser­ scheinung ebenfalls analysiert werden.
Bei der beschriebenen Ausführungsform ist der mittlere Wasserstand oder -spiegel Hm auf die Mitte zwischen oberstem und unterstem Wasserstand für die Pumpenzahlbestimmungseinheit 11 gesetzt. Wenn eine Bodenflä­ che A eines Pumpenschachts eine Funktion (A = A (h)) des Wasserstands h ist, wird ein Wasserstand hm', bei dem das Volumen die Hälfte des Gesamtvolumens beträgt, als der mittlere Wasserstand vorausgesetzt. Der Wasserstand hm' bestimmt sich nach folgender Gleichung:
Wenn starke Niederschläge vorausgesagt werden, muß das in einem Pumpenschacht befindliche Wasser abgeführt werden, bevor eine Einlaufentleerungsmenge in den Pumpenschacht ansteigt. In diesem Fall wird eine Berechnung durchgeführt, indem ein mittlerer Wasserstand Hm* niedriger als Hm oder Hm' gesetzt wird. Der mittlere Wasserstand Hm* wird durch eine Bedienungsperson gewählt und kann im Betrieb geändert werden. Die Erfindung ist noch weiteren Änderungen und Abwandlungen zugänglich.
Da - wie beschrieben - zeitliche und gebietsweise Änderungen einer Niederschlagsmenge früher gewonne­ ne Daten nicht reproduzieren, ist die Behandlung bzw. Berücksichtigung dieser Änderungen sehr schwierig. Erfindungsgemäß werden jedoch vom Radar-Regenmesser gewonnene zweidimensionale Daten mit Daten von den Bodenregenmessern geeicht bzw. abgeglichen. Eine Niederschlagskurve für mehrere Stunden ab dem gegenwärtigen Zeitpunkt wird anhand der geeichten oder abgeglichenen Niederschlagsdaten vorhergesagt, so daß damit Zeitreihen-Pumpenbetriebszustände für mehrere Stunden ab der Gegenwart vorausbestimmt wer­ den. Erfindungsgemäß wird zusätzlich zu einer vorhergesagten Niederschlagskurve ein Prozeß berücksichtigt, bei dem eine Niederschlagsmenge über ein Abwasserleitungsnetz in einen Pumpenschacht fließt. Dies bedeutet, daß erfindungsgemäß eine Einlaufentleerungsmenge in den Pumpenschacht unter Berücksichtigung von Zu­ standsänderungen an gebietsmäßigen Hauptpunkten zur Bestimmung der Zahl der zu betreibenden Pumpen berechnet wird. Die Abführbehandlung kann damit mit einer zweckmäßigen Zahl von Pumpen in Übereinstimmung mit einer schnellen Änderung der Entleerungsmenge von in den Pumpenschacht einströmendem Unwet­ terabwasser vorgenommen werden. Auf diese Weise können erfindungsgemäß Häuser bzw. Gebäude in best­ möglicher Weise vor einer Überschwemmung durch Unwetterabwasser geschützt werden, wobei dieses Abwas­ ser mit einer minimalen Änderungshäufigkeit der Zahl der zu betreibenden Pumpen in Flüsse abgeführt werden kann.

Claims (4)

1. Verfahren zur Steuerung eines Entwässerungssystems mit einem Pumpwerk für die Entlastung eines Einzugsgebietes von Regenwasser in Vorfluter mit folgenden Merkmalen:
  • - das Pumpwerk ist mit mehreren aus einer Vorlage beaufschlagbaren Abwasserpumpen, mit einem in der Vorlage angeordneten Wasserstandsmesser sowie mit einer Steuerungseinrichtung für eine Schaltung zum Ein- und Ausschalten der Abwasserpumpen ausgerüstet;
  • - im Einzugsgebiet des Pumpwerkes sind Regenmesser aufgestellt, die ihre Meßergebnisse an die Steuerungseinrichtung des Pumpwerkes mitteilen, nämlich ein Radar-Regenmesser (1) zur Überwachung eines Regenwassermengen- Verteilungszustands für einzelne Überwachungsperioden und mehreren auf dem Erdboden im Einzugsgebiet angeordnete Bodenregenmesser (5) zum automatischen Messen von Regenwasser;
  • - die Steuerungseinrichtung enthält
    eine Regenwasseranfall-Prognoseeinrichtung mit einer Recheneinheit zum Berechnen einer Regenwasseranfall-Prognose im Einzugsgebiet und zur Bestimmung einer der Vorlage zuströmenden Zuflußmenge an Regenwasser auf der Grundlage der ihr von den Regenmessern mitgeteilten Meßergebnisse,
    Erfassungsmittel für den vom Wasserstandsmesser gemeldeten Wasserstand, die Anzahl der momentan in Betrieb befindlichen Abwasserpumpen
    und Auswertemittel zur Erzeugung von Schaltbefehlen in Abhängigkeit von den in der Prognoseinrichtung und in den Erfassungsmitteln vorliegenden Daten mit dem Ziel die Gesamtfördermenge und die Anzahl der dafür ein- bzw. auszuschaltenden Abwasserpumpen zu bestimmen;
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • - Kalibrieren von vom Radar-Regenmesser (1) gelieferten Regenwasser-Verteilungsdaten mit durch die Bodenregenmesser (5) gemessenen Regenwassermengen der jeweiligen Überwachungsperiode,
  • - Empfangen mehrerer zeitlich aufeinanderfolgender Sätze der kalibrierten Regenwasser- Verteilungsdaten von der Kalibriereinheit (7) zwecks Berechnung eines bezüglich der Niederschlagsmenge gewichteten Schwerpunkts jedes Satzes, um einen geometrischen Ort dieses Schwerpunkts zu erhalten,
  • - Auswerten von Bewegungsrichtung und Bewegungsgeschwindigkeit des Schwerpunkts, wenn dessen anhand seines geometrischen Orts der zeitlich aufeinanderfolgenden Datensätze bestimmte Bewegungsrichtung innerhalb eines vorbestimmten Winkels liegt, und zur Berechnung eines Mittelwerts und einer Varianz früherer Schwerpunkte von Datensätzen zur Ermittlung von Bewegungsrichtung und Bewegungsgeschwindigkeit des Schwerpunkts, wenn dessen Bewegungsrichtung außerhalb des vorbestimmten Winkels liegt,
  • - Erstellen der Regenwasseranfall-Prognose mit den im vorhergenannten Schritt berechneten Daten und Erzeugen der Schaltbefehle.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • - Berechnen von Regenwassermengen-Mittelwerten (At) des Einzugsgebietes aus zeitlich aufeinanderfolgenden Sätzen kalibrierter Regenwasser-Verteilungsdaten;
  • - Berechnen einer Änderungsgröße (c) der so berechneten Regenwassermengen- Mittelwerte (At);
  • - Berechnen eines Regenwassermengen-Prognosewerts für einen Bereich des Einzugsgebiets basierend auf dem abgeleiteten Positionsänderungsvektor des Schwerpunkts und der Änderungsgröße (c) unter der Annahme, daß eine letzte - Regenwassermengen-Verteilung zu einem augenblicklichen Berechnungszeitpunkt sich in mehreren zukünftigen Berechnungsperioden nicht ändert und sich in der durch den Positionsänderungsvektor definierten Bewegungsrichtung und Bewegungsgeschwindigkeit bewegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • - Empfangen einer extern generierten statischen Niederschlagsvorhersage für das Einzugsgebiet, die angibt, daß eine bestimmte Regenwassermenge innerhalb einer bestimmten Zeit fallen wird, und
  • - Erstellen der Regenwasseranfall-Prognose für einen vorbestimmten Zeitbereich für einen bestimmten Niederschlagsvorgang auf der Grundlage einer Anzahl Sätze früherer periodisch gewonnener Regenwasser-Verteilungen und der statischen Niederschlagsvorhersage erfolgt.
4. Entwässerungssystem mit einem Pumpwerk für die Entlastung eines Einzugsgebietes von Regenwasser in Vorfluter mit folgenden Merkmalen:
  • - das Pumpwerk ist mit mehreren aus einer Vorlage beaufschlagbare Abwasserpumpen, mit einem in der Vorlage angeordneten Wasserstandsmesser sowie mit einer Steuerungseinrichtung für eine Schaltung zum Ein- und Ausschalten der Abwasserpumpen ausgerüstet;
  • - im Einzugsgebiet des Pumpwerkes sind Regenmesser aufgestellt, die ihre Meßergebnisse an die Steuerungseinrichtung des Pumpwerkes mitteilen, nämlich ein Radar-Regenmesser (1) zur Überwachung eines Regenwassermengen- Verteilungszustands für einzelne Überwachungsperioden und mehreren auf dem Erdboden im Einzugsgebiet angeordnete Bodenregenmesser (5) zum automatischen Messen von Regenwasser;
  • - die Steuerungseinrichtung enthält
    eine Regenwasseranfall-Prognoseeinrichtung mit einer Recheneinheit zum Berechnen einer Regenwasseranfall-Prognose im Einzugsgebiet und zur Bestimmung einer der Vorlage zuströmenden Zuflußmenge an Regenwasser auf der Grundlage der ihr von den Regenmessern mitgeteilten Meßergebnisse,
    Erfassungsmittel für den vom Wasserstandsmesser gemeldeten Wasserstand, die Anzahl der momentan in Betrieb befindlichen Abwasserpumpen
    und Auswertemittel zur Erzeugung von Schaltbefehlen in Abhängigkeit von den in der Prognoseinrichtung und in den Erfassungsmitteln vorliegenden Daten mit dem Ziel die Gesamtfördermenge und die Anzahl der dafür ein- bzw. auszuschaltenden Abwasserpumpen zu bestimmen;
dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit der Regenwasseranfall-Prognoseeinrichtung (7, 9) zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 eingerichtet ist.
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