Durch die zunehmende Ausdifferenzierung vieler Sportarten und die Veränderungen im Freizeitverhalten stellt die Sportraumnutzung komplexe Ansprüche an die Landschaftsstrukturen. Hiermit können vielschichtige Belastungen verbunden sein, sodass es in der Regel nicht ausreicht, nur die Auswirkungen einer einzelnen Sportnutzung zu betrachten. Vielmehr sind Ansätze nötig, die die Mehrfachnutzung von Räumen angemessen berücksichtigen und die Anforderungen des Sports und des Naturschutzes optimieren. Für die Bewertung und Planung von Sporterlebnisräumen sind somit neue Methoden zur Erhebung der ökologischen Konfliktpotenziale und zur Ableitung von Maßnahmen und Zielvorstellungen nötig. Von besonderer Relevanz ist hierbei die Größe der Bezugsebene, wobei sich eine Aufteilung in zwei Maßstabsebenen als praktikabel erwiesen hat. Es handelt sich zum einen um Natursporträume, die Landschaftsregionen mit einer Ausdehnung von bis zu mehreren tausend km2 (z.B. das Bundesland Baden-Württemberg) umfassen können. Sie bilden die übergeordnete räumliche Bezugsebene, innerhalb derer ein abgestimmtes Vorgehen bezüglich eines definierten Zieles (z.B. Sporttourismuskonzeption) notwendig ist. Am anderen Ende der Skala findet sich die lokale Bezugsebene. Hierbei handelt es sich um einzelne Natursportstätten, in denen konkrete Einzelmaßnahmen betrachtet werden. Wichtig ist, dass alle Maßnahmen auf lokaler Ebene immer auch mit den Planungen auf der übergeordneten Maßstabsebene abzustimmen sind. Zur Beschreibung der skalenabhängigen Lenkungsmöglichkeiten wird im Rahmen einer nachhaltigen Sportraumentwicklung der Begriff Sport Area Management System (SAMS) eingeführt. Darunter werden die verschiedenen Komponenten einer sporttouristischen Aktivitätslenkung verstanden. Hierbei gilt das als Sportraummanagement bezeichnete Segment für Natursporträume (regionale Maßstabsebene). Es beinhaltet Lenkungsmaßnahmen und Kommunikationsmethoden. Wichtigster Bestandteil bei den Lenkungsmaßnahmen ist eine regionale Gebietsentwicklungskonzeption. Ein abgestimmter Dialogprozess in jeder Phase des Planungsprozesses mit Beteiligung aller Interessensvertreter führt zu einer hohen Akzeptanz der Planungen im Raum. Während die Planungen auf regionaler Ebene zentral gesteuert werden, obliegt es der Initiative einzelner Gemeinden oder Personen(gruppen), die übergeordneten Planungen auf der lokalen Ebene umzusetzen. Um diese Bemühungen zu unterstützen, hat sich die Durchführung von Modellprojekten bewährt. Hierbei werden exemplarisch für verschiedene Themenbereiche an Einzelstandorten konkrete Maßnahmen initiiert, die als Impulsgeber für die Umsetzung im gesamten Gebiet dienen. Ein Monitoringprogramm ist Bestandteil des Sport Area Management System. Für die Gewinnung und Aufbereitung naturräumlicher Daten, deren Bewertung, Verknüpfung und die Umsetzung in die planerische Praxis ist die Anwendung Geographischer Informationssysteme (GIS) unabdingbar.
Im Fokus des Vorhabens stehen die Planung und Durchführung eines Feldversuchs zur Bestimmung der geohydraulischen Anisotropie von Porengrundwasserleitern sowie die Auswertung der ermittelten Daten mit Hilfe inverser numerischer Methoden.
Aufgabenstellung und Ziel
Geohydraulische Berechnungen basieren zumeist auf der Annahme bereichsweise homogener und isotroper Grundwasserleiter und -geringleiter. Dies bedeutet, dass die hydraulische Durchlässigkeit innerhalb einer geologischen Formation als konstant und richtungsunabhängig angenommen wird. Da die einzelnen Kornpartikel einer geologischen Formation jedoch zumeist nicht gleichförmig abgelagert werden und selten kugelförmig sind, orientieren sie sich zumeist während der Ablagerungsprozesse und bilden Lagen aus Feinsedimenten. Kornanalytisch kann hier zwar eine Homogenität nachgewiesen werden, in Bezug auf die hydraulische Durchlässigkeit trifft dies jedoch nicht zu. In den meisten Fällen ist die hydraulische Durchlässigkeit eines Sedimentkörpers in horizontaler Richtung wesentlich größer als in vertikaler Richtung. Dieses Phänomen wird als Anisotropie bezeichnet.
Speziell in größeren Skalen (räumlich) wirkt sich die Anisotropie des Untergrunds maßgeblich auf dessen effektive Durchlässigkeit aus, wodurch beispielsweise die räumliche Ausbreitung von Absenktrichtern bei Wasserhaltungsmaßnahmen nachhaltig beeinflusst werden kann. Für die Planung und Dimensionierung von Wasserhaltungsmaßnahmen liegt jedoch meist keine ausreichende Kenntnis über die Anisotropie des Untergrunds vor. Oftmals wird deshalb auf Literaturangaben zurückgegriffen, in denen das Anisotropieverhältnis von horizontaler und vertikaler hydraulischer Durchlässigkeit natürlich abgelagerter Sedimente mit Werten zwischen 2 und 10 beschrieben wird. Je nach Standort kann der Wert der tatsächlich vorliegenden Anisotropie jedoch noch deutlich von diesen Größen abweichen bzw. räumlich stark variieren. Hierdurch entstehen bei der Planung von Wasserhaltungsmaßnahmen große Unsicherheiten, woraus gegebenenfalls ein erhöhter Aufwand mit entsprechenden Kosten resultiert.
Geohydraulische Standarduntersuchungsmethoden eignen sich nur in geringem Maß, um Informationen über die hydraulische Anisotropie von Sedimentkörpern zu erhalten. Durch die meisten dieser Verfahren kann nur die horizontale, selten auch nur die vertikale Durchlässigkeit des Untergrunds bestimmt werden (Bagarello et al. 2009). Durch Pumpversuche kann in bedingtem Maß ein Rückschluss auf die Anisotropie des Untergrunds gezogen werden (Neumann 1975).
Die hierbei ermittelten Werte basieren jedoch meist auf einer an wenigen Beobachtungs¬punkten erhobenen Datengrundlage. Die Auswertung erfolgt dabei auf Grundlage analytischer Lösungen für stark vereinfachte Modellannahmen. Die Zuverlässigkeit der ermittelten Werte ist deshalb zum einen von der Datengrundlage und zum anderen von der Eignung des Berechnungsansatzes für die jeweils vorliegenden Randbedingungen abhängig. Prognostizierte Grundwasserspiegeländerungen mittels numerischer Modelle, die auf einer geringen Datengrundlage erstellt wurden, korrelieren oftmals nicht mit tatsächlichen Beobachtungen.
Aus diesem Grund ist es erforderlich, geeignete Methoden zu entwickeln, um die Erkundungsergebnisse zu verbessern und dadurch die Prognosefähigkeit deutlich zu steigern.
Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV)
Durch ein verbessertes Prozessverständnis, jedoch vor allem durch die Verfügbarkeit verbesserter Werkzeuge zur Bestimmung der Anisotropie von Sedimentkörpern, wird eine effizientere Beratung im Vorfeld von Baumaßnahmen an Bundeswasserstraßen ermöglicht. Planung und Dimensionierung von Wasserhaltungsmaßnahmen können effizienter erfolgen. Außerdem kann die Prognose der Auswirkungen von baulichen Maßnahmen an Bundeswasserstraßen auf den angrenzenden Grundwasserleiter verbessert werden.
Zweck: Erarbeitung einer Planungsmethodik in der Landespflege.
Im Forschungsprojekt SimBench wurde ein Benchmark-Datensatz als freier Download für Lösungen im Bereich der Analyse, Planung und Betriebsführung von elektrischen Netzen aller Spannungsebenen entwickelt (www.simbench.de). Dieser Satz aus Netzdaten und Zeitreihen soll die Entwicklung von Lösungen unabhängig von Netzbetreibern möglich machen und zugleich eine Vergleichbarkeit verschiedener Entwicklungen auf dem Gebiet der elektrischen Netze fördern. In SimBench-Sektor soll darauf methodisch aufbauend ein Datensatz entwickelt werden, welcher die realistische Abbildung deutscher Gas- und Wärmenetze ermöglicht. Innovative Anwendungsfälle im Bereich der Quartiersentwicklung, der Umgestaltung der Gasnetze für Wasserstoff oder gar spartenübergreifender Simulationen machen die Entwicklung von Gas- und Wärmenetzkomponenten als Teil eines Benchmark-Datensatzes sinnvoll und notwendig. Insbesondere zukünftige Untersuchungen zu gekoppelten Infrastrukturen im Rahmen der Energiewende und ihrer Digitalisierung fordern konsistente Testnetze in allen Sektoren. Durch SimBench-Sektor soll der Forschungslandschaft ein konsistenter Datensatz als Open Data zur vollumfänglichen Beschreibung der netzgebundenen deutschen Energieversorgung bereitgestellt werden. Neben der hohen örtlichen und zeitlichen Auflösung besteht die Innovation in einer technisch detaillierten Modellierung der Betriebsmittel in heutigen Netzen, aber auch in der Modellierung innovativer, zukünftiger Betriebsmittel. Arbeiten des Fraunhofer IEE konzentrieren sich neben der Projektleitung auf die Definition eines Gesamtprojektrahmens, der Übertragung von Erfahrungen aus dem ersten SimBench-Projekt, und die Formulierung von Grundsätzen für die Erstellung der Datensätze und Zeitreihen. Zudem werden Methoden für den kostenoptimierten Zu-, Um- und Rückbau von Energienetzen bei der Erstellung der Datensätze eingesetzt sowie ein System zur Koordination von unabhängigen Einzelanlagen implementiert.
Die Planung und der Betrieb des Übertragungsnetzes sind durch Unsicherheiten geprägt, die unter anderem auf den steigenden Anteil an Einspeisung aus dargebotsabhängigen Anlagen zurückzuführen sind. Zur Beherrschung dieser Unsicherheiten haben die Übertragungsnetzbetreiber zeitlich gestaffelte Prozesse implementiert, in denen zur Gewährleistung der Systemsicherheit geeignete Maßnahmen aktiviert werden. Rechnergestützte Optimierungsverfahren sind in diesen Prozessen unerlässlich. Durch die Anpassung der Netztopologie ist es möglich, Leistungsflüsse im Übertragungsnetzbetrieb zu steuern und gegebenenfalls Netzengpässe zu reduzieren. Hierdurch können kostenintensive Redispatchmaßnahmen reduziert werden. Aufgrund der hohen Problemkomplexität werden topologische Maßnahmen heute nicht gemeinsam mit weiteren Maßnahmen optimiert. In diesem Forschungsprojekt werden Lösungsansätze konzipiert und umgesetzt, welche in einem integrierten Verfahren Schaltzustandsänderungen und Redispatchmaßnahmen simulativ bewerten und optimieren. Das zentrale Ziel des Teilprojektes der FGH besteht neben dem Projektmanagement in der Umsetzung des Basisansatzes als Grundlage für die praxisnahe Simulationsumgebung zur Gewährleistung der Anwendbarkeit der entwickelten Konzepte. Anhand des Basisansatzes sollen Anforderungen an Verfahren zur Topologieoptimierung identifiziert werden. Basierend auf diesen Erkenntnissen soll die Entwicklung der innovativen Ansätze aller Projektpartner erfolgen. Darüber hinaus konzipiert und implementiert die FGH die KI-basierten Methoden sowie Methoden, die auf einer Mensch-Maschine-Interaktion basieren. Die KI-basierten Ansätze umfassen den Einsatz von KI zur Topologieoptimierung, sowie KI-basierte Maßnahmen zur Vereinfachung der Problemstellung. Die Mensch-Maschine-Interaktion dient zum einen der Visualisierung der vorgeschlagenen Schaltzustände für die Anwendung in der Systemführung, sowie der Berücksichtigung von Modifikationen durch das systemführende Personal.