städtische Wasserinfrastruktur- komplex aber doch einfach

Die Siedlungswasserwirtschaft beschäftigt sich mit allen wasserbezogenen Vorgängen in Städten und stellt einen Grundpfeiler für das gesellschaftliche Wohlbefinden dar. Die Wasserinfrastruktur ist traditioneller Weise in Form von Rohrnetzwerken in das Stadtgefüge integriert, verteilt Trinkwasser und sammelt Regen- und Abwasser. Zusammen mit der Stadt selber, wuchs die städtische Wasserinfrastruktur über die letzten Dekaden zu organischen und komplexen Systemen heran. In der Natur und auch in vielerlei technischen Systemen, werden solche Netzwerke anhand von mathematischen Zusammenhängen beschrieben und bringen Einfachheit in komplexe Strukturen. Eines der Ziele dieses Projektes ist es, Prinzipien und mathematische Konzepte sowie Algorithmen zur Beschreibung gewachsener Wasserinfrastruktursysteme zu entwickeln und zu verwenden. Dies soll dazu beitragen, den hohen Servicestandard in industrialisierten Ländern zu erhalten bzw. auch diesen in Entwicklungsländerneffizient umzusetzen.Sind genugInformationenund Daten zu den Wassernetzwerken verfügbar, eignen sich hydraulische Netzwerkmodelle zur Beurteilung und Optimierung. Ein Grundstein von u r simple ist es die nötigen Informationen für solche Beurteilungsziele zu erarbeiten bzw. fehlende Informationen zu rekonstruieren. Siedlungswasserwirtschaftliche Strukturen haben Lebenserwartungen von 100 Jahren und mehr. Daher sind die jetzigen Strukturen auch stark geprägt von historischen Einbauten und Entscheidungen. Genauso werden aktuelle Entscheidungen und Einbauten einen langfristigen Einfluss auf die zukünftige Leistungsfähigkeit nehmen. Es ist deshalb insbesondere wichtig zu verstehen wie es historisch gesehen zu den jetzigen Strukturen kam. Verlässliche Informationen dazu sind meistens jedoch selten und aufwendig zu erheben. Eine Eignung des Konzeptes von Datenrekonstruktion soll zur Beantwortung dieser Fragestellung erweitert und untersucht werden. Die Hypothese lautet, dass sich anhand von verfügbaren Datenquellen, wiebspw. historische Orthophotos, die historischen Ausbauzustände der Wasserinfrastruktur rekonstruieren lassen und sich damit ein Mehrwert hinsichtlich Kosten- und Ressourceneffizienz, Rehabilitationsplanung und Zukunftsplanung für die jetzigen Strukturen ergibt. Deshalb sollen Einflussfaktoren für robuste, belastbare und flexible Strategien identifiziert werden, um den hohen Standard der Wasserinfrastruktur auch weiterhin zu erhalten.

Viele Menschen beginnen ihren Tag morgens mit einem Gang ins Bad. Wasser kommt ganz selbstverständlich aus dem Wasserhahn und Abwasser wird abtransportiert. Das hohe Maß an Zuverlässigkeit die der Wasserversorgung und Entwässerung zugrunde liegen, gerät dabei schnell in Vergessenheit. Diese Infrastruktur liegt dabei oftmals im Verborgenen unter der Stadt mit geringer öffentlicher Wahrnehmung. Dabei bedürfen diese zur kritischen Infrastruktur gehöhrenden Systeme, erhöhter Aufmerksamkeit, damit auch bei unerwarteten Zwischenfällen oder zukünftigen Entwicklungen, die hohe Qualität dieser Dienstleistung garantiert werden kann. Soziale Netzwerke sind aus unserem Alltag ebenfalls kaum mehr wegzudenken. Manche Individuen agieren dabei als Knotenpunkte (sogenannten Hubs), mit vielen Followern und Freunden bzw. mit hoher Reichweite. Zwischen den Individuen (Knotenpunkten) gibt es somit verschiedene Arten von Verbindungen, welche schlussendlich ein soziales Netzwerk bilden. In einem solchen Netzwerk, kennt jeder über ein paar wenige Ecken mehr oder weniger jeden. Dies wird als Small World Phänomen bezeichnet. Dieses Phänomen gilt auch für die Wasserinfrastruktur, welche ebenfalls über ein Netzwerk aus Knoten und Verbindungen (einen sogenannten Netzwerkgraph), beschrieben werden kann. Beispielsweise sollen Wasserpakte auf möglichst direkten Weg von der Quelle zum Verbraucher gelangen, um die Wasserqualität zu erhalten. Während Baumaßnahmen oder Störfällen in der Wasserinfrastruktur, können aber temporär verschiedene Verbindungen außer Betrieb sein. Damit Wassernetzwerke unter diesen Bedingungen trotzdem funktionieren, sind sie oftmals mit doppelten und mehrfachen Fließwegen ausgestattet. Die Beschreibung und Berechnung dieser mehrfachen Fließwege kann nicht mehr einfach und trivial erfolgen, und Wassernetzwerke sind daher komplexe Netzwerke. Für die vorausschauende Planung und Erhaltung dieser Wassernetzwerke, können hydraulische Simulationen von großem Nutzen sein. Diese bedürfen jedoch oftmals einem umfangreichen Daten- und Berechnungsaufwand. Dabei könnten viele wissenschaftliche und praxisbezogene Fragestellungen bereits mit einer reinen mathematischen Beschreibung des Wassernetzwerkes (Netzwerkegraph), adressiert und ohne aufwendige hydraulische Simulationen beantwortet werden. Im Projekt FWF Grundlagenprojekt "ur simple", wird die Einfachheit in der Komplexität in solchen über Jahrzehnenten gewachsenen Wassernetzwerke gesucht, und Anwendungsmöglichkeiten aber auch Grenzen von graphenbasierten Ansätzen aufgezeigt. Als Beispiel weist bei der Gestaltung von Wasserinfrastruktur die kostengünstigste Auslegung die geringste Widerstandsfähigkeit gegenüber Störungen auf. Hier muss ein Kompromiss zwischen Kosten und Zuverlässigkeit gefunden werden. So wurde ein neuer Ansatz basierend auf basierend auf netzwerktheoretischen Konzepten entwickelt, welcher die optimalste Auslegung bei gleichzeitiger Berücksichtigung von Widerstandsfähigkeit gegenüber Störungen berücksichtigt. Auch das Problem der Aufenthaltszeit im Wassernetzwerk (zur Wahrung der Wasserqualität), wurde mit graphen-basierten Ansätzen neu bewertet und ermöglicht eine völlig neue und effizientere Betrachtungsweise ermöglicht. Zusammengefasst wurde im FWF Grundlagenprojekt ur simple, ein maßgebender Schritt gesetzt um die Komplexität von Wassernetzwerken besser zu verstehen und Einflussfaktoren für nachhaltige, widerstandsfähige und flexible Strategien identifiziert werden, um den hohen Standard der Wasserinfrastruktur auch weiterhin zu erhalten.