Anwendungsbeispiel: Umsetzung eines Betriebsplans: Unterschied zwischen den Versionen

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Am Beispiel der [http://de.wikipedia.org/wiki/Wehebachtalsperre Wehebachtalsperre] soll die Umsetzung eines Betriebsplanes gemäß den beschriebenen Gesetzmäßigkeiten deutlich gemacht werden.
Am Beispiel der [http://de.wikipedia.org/wiki/Wehebachtalsperre Wehebachtalsperre] soll die Umsetzung eines Betriebsplanes gemäß den beschriebenen Gesetzmäßigkeiten deutlich gemacht werden.


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Die Wehebachtalsperre ist ein Mehrzweckspeicher mit den Nutzungen Wasserversorgung und Hochwasserschutz. Zusätzlich ist eine Regelabgabe von 100 l/s in den Unterlauf aufrecht zu halten. Betreiber der Talsperre ist der [http://www.wver.de Wasserverband Eifel-Rur], der weitestgehend für die Trinkwasserversorgung des Großraumes Aachen, der nördlichen Eifelregion und die Bereitstellung von Brauchwasser für mehrere Industriebetriebe verantwortlich ist. Das Einzugsgebiet der Talsperre ist 43,61 km² groß, der mittlere jährliche Zufluss liegt bei 21 Mio.m³, der Speicherausbaugrad beträgt 119,3%. Der Bau des als Steinschüttdamm errichteten Speichers wurde 1983 beendet.
Die Wehebachtalsperre ist ein Mehrzweckspeicher mit den Nutzungen Wasserversorgung und Hochwasserschutz. Zusätzlich ist eine Regelabgabe von 100 l/s in den Unterlauf aufrecht zu halten. Betreiber der Talsperre ist der [http://www.wver.de Wasserverband Eifel-Rur], der weitestgehend für die Trinkwasserversorgung des Großraumes Aachen, der nördlichen Eifelregion und die Bereitstellung von Brauchwasser für mehrere Industriebetriebe verantwortlich ist. Das Einzugsgebiet der Talsperre ist 43,61 km² groß, der mittlere jährliche Zufluss liegt bei 21 Mio.m³, der Speicherausbaugrad beträgt 119,3%. Der Bau des als Steinschüttdamm errichteten Speichers wurde 1983 beendet.


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Für die Wehebachtalsperre wurde folgender Betriebsplan aufgestellt:
Für die Wehebachtalsperre wurde folgender Betriebsplan aufgestellt:


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* ''Kenngrößen der Talsperre:''
* ''Kenngrößen der Talsperre:''


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:max. Inhalt bis zur Krone: 27,1 Mio. m³
:max. Inhalt bis zur Krone: 27,1 Mio. m³
:Inhalt bis zur Hochwasserentlastung: 25,06 Mio.m³
:Inhalt bis zur Hochwasserentlastung: 25,06 Mio.m³
:Stauziel (Normalstauhöhe): siehe Hochwasserschutzräume
:Stauziel (Normalstauhöhe): siehe Hochwasserschutzräume


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* ''Abgabenmenge zur Wasserbereitstellung:''
* ''Abgabenmenge zur Wasserbereitstellung:''


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:Aus der Talsperre erfolgt die Bereitstellung von Trinkwasser für zwei Wasserversorgungsunternehmen. Die Anforderungen der Unternehmen liegen in täglichen Bedarfswerten vor. Für die Wasserbereitstellung gilt, dass zu Trinkwasserzwecken jährlich bis zu 11 Mio.m³ bereitzustellen sind, von denen monatlich jedoch nicht mehr als 2,5 Mio.m³ abgeleitet werden dürfen.
:Aus der Talsperre erfolgt die Bereitstellung von Trinkwasser für zwei Wasserversorgungsunternehmen. Die Anforderungen der Unternehmen liegen in täglichen Bedarfswerten vor. Für die Wasserbereitstellung gilt, dass zu Trinkwasserzwecken jährlich bis zu 11 Mio.m³ bereitzustellen sind, von denen monatlich jedoch nicht mehr als 2,5 Mio.m³ abgeleitet werden dürfen.


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* ''Regelabfluss:''
* ''Regelabfluss:''


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:Der Regelabfluss soll für eine Mindestwasserführung unterhalb der Talsperre sorgen und ist in Abhängigkeit des Zuflusses wie folgt festgelegt:  
:Der Regelabfluss soll für eine Mindestwasserführung unterhalb der Talsperre sorgen und ist in Abhängigkeit des Zuflusses wie folgt festgelegt:  


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:{| cellspacing="0" cellpadding="5"
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| &nbsp; || Zufluss || &ge; 200 l/s || &rarr; || Regelabfluss || = || 200 l/s  
| &nbsp; || Zufluss || &ge; 200 l/s || &rarr; || Regelabfluss || = || 200 l/s  
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:In jedem Wasserwirtschaftsjahr sind bis spätestens Ende März über einen Zeitraum von 6 Stunden 4 m³/s als Spülwelle an das Unterwasser abzugeben.
:In jedem Wasserwirtschaftsjahr sind bis spätestens Ende März über einen Zeitraum von 6 Stunden 4 m³/s als Spülwelle an das Unterwasser abzugeben.


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* ''Hochwasserschutzräume:''
* ''Hochwasserschutzräume:''


<!--T:14-->
:Um ausreichenden Hochwasserschutz zu gewährleisten, ist eine zeitlich variable Hochwasserlamelle ausgewiesen. Die untere Grenze der Schutzräume ist als Stauziel definiert.
:Um ausreichenden Hochwasserschutz zu gewährleisten, ist eine zeitlich variable Hochwasserlamelle ausgewiesen. Die untere Grenze der Schutzräume ist als Stauziel definiert.


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| 1.10. - 31.10. || HW-Schutzraum || = 1.0 Mio. m³ || Stauziel || = 24.06 Mio. m³
| 1.10. - 31.10. || HW-Schutzraum || = 1.0 Mio. m³ || Stauziel || = 24.06 Mio. m³
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:Das Freimachen der Hochwasserschutzräume erfolgt mit dem zulässigen Höchstabfluss.
:Das Freimachen der Hochwasserschutzräume erfolgt mit dem zulässigen Höchstabfluss.


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* ''Zulässiger Höchstabfluss:''
* ''Zulässiger Höchstabfluss:''


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:Solange die Normalstauhöhe noch nicht erreicht ist, darf nicht mehr als 5 m³/s an das Unterwasser abgegeben werden.
:Solange die Normalstauhöhe noch nicht erreicht ist, darf nicht mehr als 5 m³/s an das Unterwasser abgegeben werden.


<!--T:19-->
:Wird die Normalstauhöhe überschritten und übersteigt der Zufluss den Höchstabfluss von 5 m³/s, so darf aus dem Grundablass nicht mehr als 5 m³/s abgegeben werden. Der übrige Zufluss ist über die Hochwasserentlastung abzugeben.
:Wird die Normalstauhöhe überschritten und übersteigt der Zufluss den Höchstabfluss von 5 m³/s, so darf aus dem Grundablass nicht mehr als 5 m³/s abgegeben werden. Der übrige Zufluss ist über die Hochwasserentlastung abzugeben.


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* ''Kennlinie der Hochwasserentlastung:''
* ''Kennlinie der Hochwasserentlastung:''


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:Die Kennlinie ist in Form einer X-Y Kurve mit Stützstellen angegeben.
:Die Kennlinie ist in Form einer X-Y Kurve mit Stützstellen angegeben.


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:Die Umsetzung des Betriebsplanes in die oben beschriebene Terminologie verlangt zuerst die Identifikation aller Anforderungen und Nutzungen an die Talsperre und die Definition der ''Abgabenfunktionen''. Die folgenden Angaben dienen nur zur Veranschaulichung des Betriebsregelkonzeptes und erheben nicht den Anspruch auf Vollständigkeit oder genaue Wiedergabe der realen Bedingungen.
:Die Umsetzung des Betriebsplanes in die oben beschriebene Terminologie verlangt zuerst die Identifikation aller Anforderungen und Nutzungen an die Talsperre und die Definition der ''Abgabenfunktionen''. Die folgenden Angaben dienen nur zur Veranschaulichung des Betriebsregelkonzeptes und erheben nicht den Anspruch auf Vollständigkeit oder genaue Wiedergabe der realen Bedingungen.


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* '''''Nutzung:''' Wasserversorgung''
* '''''Nutzung:''' Wasserversorgung''


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| colspan="2" | <u>zeitliche Abhängigkeit:</u>  || konstante Abgabenfunktion über das Jahr, Bedarf variabel  
| colspan="2" | <u>zeitliche Abhängigkeit:</u>  || konstante Abgabenfunktion über das Jahr, Bedarf variabel  
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| <u>Bedarfsdeckung [%]:</u>
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Gültigkeitsdauer: 1. Jan. - 31. Dez.
Gültigkeitsdauer: 1. Jan. - 31. Dez.


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Erläuterung:
Erläuterung:


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Reduzierung der Bedarfsdeckung auf 80% ab einem Speicherinhalt < 10 Mio. m³. Fällt der Speicherinhalt unter 2 Mio. m³ wird nichts mehr entnommen.
Reduzierung der Bedarfsdeckung auf 80% ab einem Speicherinhalt < 10 Mio. m³. Fällt der Speicherinhalt unter 2 Mio. m³ wird nichts mehr entnommen.
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! Bedingungen !! Systemzustandsfunktionen
! Bedingungen !! Systemzustandsfunktionen
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| <u>Aktueller Wasserbedarf [m³/s]:</u>
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(Faktor 1)
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Zeitbezug: aktueller Wert
Zeitbezug: aktueller Wert


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Rechenvorschrift: Multiplikation
Rechenvorschrift: Multiplikation
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| <u>Monatliche Bilanz der Entnahmen [-]:</u>
| <u>Monatliche Bilanz der Entnahmen [-]:</u>


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(Faktor 2)
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Zeitbezug: Monatliche Bilanz
Zeitbezug: Monatliche Bilanz


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Gültigkeitsdauer: 1. Jan. - 31. Dez.
Gültigkeitsdauer: 1. Jan. - 31. Dez.


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Grenzwert: 2.5 Mio. m³
Grenzwert: 2.5 Mio. m³


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Rechenvorschrift: Multiplikation
Rechenvorschrift: Multiplikation
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(Faktor 3)
(Faktor 3)


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Zeitbezug: Jährliche Bilanz
Zeitbezug: Jährliche Bilanz


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Gültigkeitsdauer: 1. Jan. - 31. Dez.
Gültigkeitsdauer: 1. Jan. - 31. Dez.


<!--T:40-->
Grenzwert: 11.0 Mio. m³
Grenzwert: 11.0 Mio. m³


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Rechenvorschrift: Multiplikation
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| Gültigkeitsdauer: 1. Dez. - 15. Jan.


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zulässige Maximalabgabe: 5 m³/s
zulässige Maximalabgabe: 5 m³/s


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Stauziel: 20.56 Mio m³
Stauziel: 20.56 Mio m³
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|Gültigkeitsdauer: 16. Jan. - 31. März
|Gültigkeitsdauer: 16. Jan. - 31. März


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zulässige Maximalabgabe: 5 m³/s
zulässige Maximalabgabe: 5 m³/s


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Stausziel: 22.56 Mio. m³
Stausziel: 22.56 Mio. m³
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| Gültigkeitsdauer: 1. April - 30. April
| Gültigkeitsdauer: 1. April - 30. April


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zulässige Maximalabgabe: 5 m³/s
zulässige Maximalabgabe: 5 m³/s


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Stauziel: 23.31 Mio. m³/s
Stauziel: 23.31 Mio. m³/s
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| colspan="2" | Für die restlichen Zeiträume ergeben sich die Abgabenfunktionen analog.
| colspan="2" | Für die restlichen Zeiträume ergeben sich die Abgabenfunktionen analog.
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* '''''Nutzung:''' Regelabfluss''
* '''''Nutzung:''' Regelabfluss''


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Gültigkeitsdauer: 1. Jan. – 31. Dez.  
Gültigkeitsdauer: 1. Jan. – 31. Dez.  


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Erläuterung:  
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Fällt der Speicherinhalt unter 2 Mio. m³ wird kein Regelabfluss mehr aufrechterhalten.
Fällt der Speicherinhalt unter 2 Mio. m³ wird kein Regelabfluss mehr aufrechterhalten.
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! Bedingungen  
! Bedingungen  
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| <u>Aktueller Zufluss [m³/s]:</u>
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(Faktor 1)
(Faktor 1)


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Gültigkeitsdauer: 1. Jan. - 31. Dez.  
Gültigkeitsdauer: 1. Jan. - 31. Dez.  


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zulässige Maximalabgabe: 5 m³/s  
zulässige Maximalabgabe: 5 m³/s  


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Erläuterung:  
Erläuterung:  


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Übersteigt der Zufluss 0.2 m³/s wird weiterhin eine Abgabe von 0.2 m³/s gefahren.  
Übersteigt der Zufluss 0.2 m³/s wird weiterhin eine Abgabe von 0.2 m³/s gefahren.  
| [[Bild:Theorie_Bsp08.gif|thumb|none]]
| [[Bild:Theorie_Bsp08.png|thumb|none]]
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[[Bild:Theorie_Abb26.gif|thumb|Abbildung 26: Skalierte Abgabenfunktionen]]
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[[Bild:Theorie_Abb26.png|thumb|Abbildung 26: Skalierte Abgabenfunktionen]]


Für einen ausgewählten Zeitpunkt und einem angenommenen Anfangsspeicherinhalt von S<sub>0</sub> = 23000 Tsd. m³ sind in [[:Bild:Theorie_Abb26.gif|Abbildung 26]] alle Beziehungen aufgetragen. Zur Veranschaulichung wurde die Funktion für den Hochwasserschutz mit einem anderen y-Achsen Maßstab belegt.
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Für einen ausgewählten Zeitpunkt und einem angenommenen Anfangsspeicherinhalt von S<sub>0</sub> = 23000 Tsd. m³ sind in [[:Bild:Theorie_Abb26.png|Abbildung 26]] alle Beziehungen aufgetragen. Zur Veranschaulichung wurde die Funktion für den Hochwasserschutz mit einem anderen y-Achsen Maßstab belegt.


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| Entnahme Wasservers. seit 1.Jan. || 0.750 Mio. m³ || Entnahme Wasserversorgung
| Entnahme Wasservers. seit 1.Jan. || 0.750 Mio. m³ || Entnahme Wasserversorgung
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Aktuelle Version vom 17. November 2020, 13:02 Uhr

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Am Beispiel der Wehebachtalsperre soll die Umsetzung eines Betriebsplanes gemäß den beschriebenen Gesetzmäßigkeiten deutlich gemacht werden.

Die Wehebachtalsperre ist ein Mehrzweckspeicher mit den Nutzungen Wasserversorgung und Hochwasserschutz. Zusätzlich ist eine Regelabgabe von 100 l/s in den Unterlauf aufrecht zu halten. Betreiber der Talsperre ist der Wasserverband Eifel-Rur, der weitestgehend für die Trinkwasserversorgung des Großraumes Aachen, der nördlichen Eifelregion und die Bereitstellung von Brauchwasser für mehrere Industriebetriebe verantwortlich ist. Das Einzugsgebiet der Talsperre ist 43,61 km² groß, der mittlere jährliche Zufluss liegt bei 21 Mio.m³, der Speicherausbaugrad beträgt 119,3%. Der Bau des als Steinschüttdamm errichteten Speichers wurde 1983 beendet.

Für die Wehebachtalsperre wurde folgender Betriebsplan aufgestellt:

  • Kenngrößen der Talsperre:
max. Inhalt bis zur Krone: 27,1 Mio. m³
Inhalt bis zur Hochwasserentlastung: 25,06 Mio.m³
Stauziel (Normalstauhöhe): siehe Hochwasserschutzräume
  • Abgabenmenge zur Wasserbereitstellung:
Aus der Talsperre erfolgt die Bereitstellung von Trinkwasser für zwei Wasserversorgungsunternehmen. Die Anforderungen der Unternehmen liegen in täglichen Bedarfswerten vor. Für die Wasserbereitstellung gilt, dass zu Trinkwasserzwecken jährlich bis zu 11 Mio.m³ bereitzustellen sind, von denen monatlich jedoch nicht mehr als 2,5 Mio.m³ abgeleitet werden dürfen.
  • Regelabfluss:
Der Regelabfluss soll für eine Mindestwasserführung unterhalb der Talsperre sorgen und ist in Abhängigkeit des Zuflusses wie folgt festgelegt:
  Zufluss ≥ 200 l/s → Regelabfluss = 200 l/s
100 l/s ≤ Zufluss < 200 l/s → Regelabfluss = Zufluss
  Zufluss < 100 l/s → Regelabfluss = 100 l/s
In jedem Wasserwirtschaftsjahr sind bis spätestens Ende März über einen Zeitraum von 6 Stunden 4 m³/s als Spülwelle an das Unterwasser abzugeben.
  • Hochwasserschutzräume:
Um ausreichenden Hochwasserschutz zu gewährleisten, ist eine zeitlich variable Hochwasserlamelle ausgewiesen. Die untere Grenze der Schutzräume ist als Stauziel definiert.
1.10. - 31.10. HW-Schutzraum = 1.0 Mio. m³ Stauziel = 24.06 Mio. m³
1.11. - 30.11. HW-Schutzraum = 2.75 Mio. m³ Stauziel = 22.31 Mio. m³
1.12. - 15.1. HW-Schutzraum = 4.5 Mio. m³ Stauziel = 20.56 Mio. m³
16.1. - 31.3. HW-Schutzraum = 2.5 Mio. m³ Stauziel = 22.56 Mio. m³
1.4. - 30.4. HW-Schutzraum = 1.75 Mio. m³ Stauziel = 23.31 Mio. m³
1.5. - 30.9. HW-Schutzraum = 1.0 Mio. m³ Stauziel = 24.06 Mio. m³
Das Freimachen der Hochwasserschutzräume erfolgt mit dem zulässigen Höchstabfluss.
  • Zulässiger Höchstabfluss:
Solange die Normalstauhöhe noch nicht erreicht ist, darf nicht mehr als 5 m³/s an das Unterwasser abgegeben werden.
Wird die Normalstauhöhe überschritten und übersteigt der Zufluss den Höchstabfluss von 5 m³/s, so darf aus dem Grundablass nicht mehr als 5 m³/s abgegeben werden. Der übrige Zufluss ist über die Hochwasserentlastung abzugeben.
  • Kennlinie der Hochwasserentlastung:
Die Kennlinie ist in Form einer X-Y Kurve mit Stützstellen angegeben.
Die Umsetzung des Betriebsplanes in die oben beschriebene Terminologie verlangt zuerst die Identifikation aller Anforderungen und Nutzungen an die Talsperre und die Definition der Abgabenfunktionen. Die folgenden Angaben dienen nur zur Veranschaulichung des Betriebsregelkonzeptes und erheben nicht den Anspruch auf Vollständigkeit oder genaue Wiedergabe der realen Bedingungen.
  • Nutzung: Wasserversorgung
zeitliche Abhängigkeit: konstante Abgabenfunktion über das Jahr, Bedarf variabel
externe Abhängigkeiten: ja
  1. aktueller Wasserbedarf [m³/s]: Faktor1 (Rechenvorschrift: Multiplikation)
  2. Monatliche Bilanz der Entnahmen: Faktor2 (Rechenvorschrift: Multiplikation)
  3. Jährliche Bilanz der Entnahmen: Faktor3 (Rechenvorschrift: Multiplikation)
Abgabe je Zeitschritt: Berechnung der Nutzung 'Wasserversorgung' durch:

Abgabe = Faktor1 × Faktor2 × Faktor3 × f(Speicherinhalt)

Bedingungen Abgabenfunktionen
Bedarfsdeckung [%]:

Gültigkeitsdauer: 1. Jan. - 31. Dez.

Erläuterung:

Reduzierung der Bedarfsdeckung auf 80% ab einem Speicherinhalt < 10 Mio. m³. Fällt der Speicherinhalt unter 2 Mio. m³ wird nichts mehr entnommen.

Theorie Bsp01.png
Bedingungen Systemzustandsfunktionen
Aktueller Wasserbedarf [m³/s]:

(Faktor 1)

Zeitbezug: aktueller Wert

Rechenvorschrift: Multiplikation

keine Funktion nötig
Monatliche Bilanz der Entnahmen [-]:

(Faktor 2)

Zeitbezug: Monatliche Bilanz

Gültigkeitsdauer: 1. Jan. - 31. Dez.

Grenzwert: 2.5 Mio. m³

Rechenvorschrift: Multiplikation

Theorie Bsp02.png
Jährliche Bilanz der Entnahmen [-]:

(Faktor 3)

Zeitbezug: Jährliche Bilanz

Gültigkeitsdauer: 1. Jan. - 31. Dez.

Grenzwert: 11.0 Mio. m³

Rechenvorschrift: Multiplikation

Theorie Bsp03.png


  • Nutzung: Hochwasserschutz
zeitliche Abhängigkeit: ja
externe Abhängigkeiten: nein
Abgabe je Zeitschritt: Die Abgabe 'Hochwasserschutz' ist in Abhängigkeit des Datums direkt gegeben

Abgabe = f(Speicherinhalt)

Bedingungen Abgabenfunktionen
Gültigkeitsdauer: 1. Dez. - 15. Jan.

zulässige Maximalabgabe: 5 m³/s

Stauziel: 20.56 Mio m³

Theorie Bsp04.png
Gültigkeitsdauer: 16. Jan. - 31. März

zulässige Maximalabgabe: 5 m³/s

Stausziel: 22.56 Mio. m³

Theorie Bsp05.png
Gültigkeitsdauer: 1. April - 30. April

zulässige Maximalabgabe: 5 m³/s

Stauziel: 23.31 Mio. m³/s

Theorie Bsp06.png
Für die restlichen Zeiträume ergeben sich die Abgabenfunktionen analog.


  • Nutzung: Regelabfluss
zeitliche Abhängigkeit: ja
externe Abhängigkeiten: ja
  1. aktueller Zufluss {m³/s]: Faktor 1 (Rechenvorschrift: Multiplikation)
Abgabe je Zeitschritt: Berechnung der Nutzung 'Regelabfluss' durch:

Abgabe = Faktor × f(Speicherinhalt)

Bedingungen Abgabenfunktionen
Faktor Regelabfluss [-]:

Gültigkeitsdauer: 1. Jan. – 31. Dez.

Erläuterung:

Fällt der Speicherinhalt unter 2 Mio. m³ wird kein Regelabfluss mehr aufrechterhalten.

Theorie Bsp07.png
Bedingungen Systemszustandsfunktionen
Aktueller Zufluss [m³/s]:

(Faktor 1)

Gültigkeitsdauer: 1. Jan. - 31. Dez.

zulässige Maximalabgabe: 5 m³/s

Erläuterung:

Übersteigt der Zufluss 0.2 m³/s wird weiterhin eine Abgabe von 0.2 m³/s gefahren.

Theorie Bsp08.png


Abbildung 26: Skalierte Abgabenfunktionen

Für einen ausgewählten Zeitpunkt und einem angenommenen Anfangsspeicherinhalt von S0 = 23000 Tsd. m³ sind in Abbildung 26 alle Beziehungen aufgetragen. Zur Veranschaulichung wurde die Funktion für den Hochwasserschutz mit einem anderen y-Achsen Maßstab belegt.

Parameter Vorgaben wirkt auf:
Zeitpunkt 30. Januar Hochwasserschutz, Wasservers. (Faktor1, Faktor2)
Anfangsspeicherinhalt 23.000 Mio. m³ alle Abgabenfunktionen
mittlerer Tageszufluss 0.180 m³/s Regelabgabe
mittlerer Wasserbedarf 0.300 m³/s Entnahme Wasserversorgung
Entnahme Wasservers. seit 1.Jan. 0.750 Mio. m³ Entnahme Wasserversorgung
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