10 Jahre Echtzeit-Grundwassermodell Hardhof

Uli Kuhlmann, 04. September 2017

Die TK CONSULT AG betreibt seit 10 Jahren ein Echtzeit-Online Modell für das Grundwasserwerk Hardhof der Wasserversorgung Zürich. Das Modell liefert Entscheidungsgrundlagen für die tägliche Steuerung der Versickerungs/Pumpraten.

Das Grundwasserwerk Hardhof der Wasserversorgung Zürich nutzt den Grundwasserleiter im oberen Limmattal, der durch die Flüsse Sihl und Limmat sowie den Talrand zum Uetliberg begrenzt wird, und deckt ca. 15% des städtischen Bedarfs. Ein künstliches Anreicherungssystem soll den stadtseitigen Zufluss von potenziell kontaminiertem Grundwasser (Altlasten) zu den Trinkwasserbrunnen verhindern. Hierzu wird aus 19 Vertikalfilterbrunnen entlang der Limmat Uferfiltrat gefördert und in drei Anreicherungsbecken sowie in 12 Schluckbrunnen versickert (Abb. 1). Aufgrund der variablen Trinkwasser-Entnahmen sowie der variablen Wasserstände von Limmat- und Sihl ist eine dynamische Steuerung der Anreicherung erforderlich, um die optimale Wasserqualität an den Trinkwasserbrunnen zu jedem Zeitpunkt zu gewährleisten. Tracerversuche, die einen «Stadtwasseranteil» von bis zu 30% in einzelnen Entnahmebrunnen ergaben, waren in 2005 der Anstoss für ein Projekt zwischen den Partnern Institut für Umweltingenieurwissenschaften der ETH Zürich, Wasserversorgung Zürich und TK CONSULT, ein Management-System zu entwickeln, das eine zeitlich variable Kontrolle der Infiltrationsanlagen entsprechend den aktuellen Bedürfnissen erlaubt. Realisiert wurde ein 3D-Echtzeit-Strömungsmodell, das täglich auf Grundlage von Online-Messdaten nach der Ensemble-Kalman-Filter-Methode aktualisiert («assimiliert») wird [3] und Prognosen des Strömungszustandes für die folgenden Tage liefert. Das nachgeschaltete Steuermodul berechnet auf Basis von Fliesswegen (sog. Bahnlinien, Abb. 2) und einem evolutionären Optimierungsalgorithmus [4] – ebenfalls täglich – die optimale Betriebsweise für die künstliche Anreicherung auf die Versickerungsanlagen (Mengen und Verteilung) und stellt sie dem Operator als Vorschlag zur Verfügung.

Die vier wesentlichen Komponenten im Steuerungsprozess sind die Online-Messdaten, das SPRING-basierte Echtzeit-Strömungsmodell, das Steuermodul und die Rechnerplattform mit Benutzerschnittstelle, die alles im täglichen Takt zusammenbringt. Das gesamte Software-System wurde durch TK CONSULT koordiniert und installiert. Nach Start des Testbetriebs in 2007 sind Echtzeitmodell und Steuermodul seit 2008 mit einer Verfügbarkeit von mehr als 99% in Produktion; Betrieb und Wartung werden ebenfalls durch TK CONSULT durchgeführt. Seither realisierte Anpassungen haben weiter die Zuverlässigkeit der Resultate sowie die Bedienung und Auswertung durch den Endbenutzer verbessert.

Abb.1
Abb. 1: Schema des Grundwasserwerks Hardhof mit dem künstlichen Anreicherungssystem.
Abb.2
Abb. 2: Ausschnitt Web-Interface: Berechnete Bahnlinien (rückwärts ausgehend von Entnahmebrunnen) und Grundwasserpotenzial

[1] Kinzelbach, W., Stauffer, F. , Hendricks-Franssen, H.-J., Bauser, G., Marti, B., Kaiser, H.-P., Müller, R., Kuhlmann, U., Troesch, J., (2012): Echtzeitsteuerung eines Brunnenfelds mit einem Grundwassermodell, Gewinner des Mülheim Water Award 2012, RWW Rheinisch-Westfälische Wasserwerksgesellschaft.

[2] Hendricks Franssen, H.-J., Bauser, G., Kaiser, H.P., Kuhlmann, U., Stauffer, F., Kinzelbach, W. (2009): Echtzeitmodellierung der Grundwasserströmung beim Hardhof (Zürich), Gas-Wasser-Abwasser (GWA).

[3] Hendricks Franssen, H.-J., Kaiser, H.P., Kuhlmann, U., Bauser, G., Stauffer, F., Muller, R., Kinzelbach, W. (2011): Operational real-time modeling with ensemble Kalman filter of variably saturated subsurface flow including stream-aquifer interaction and parameter updating. Water Resources Research, 47, Article Number: W02532 Published: FEB 23 2011.

[4] Bauser G., Hendricks Franssen, H.-J., Kaiser, H.P., Kuhlmann, U., Stauffer, F., Kinzelbach, W. (2010): Real-Time Management of an Urban Groundwater Field Threatened by Pollution. Environmental Science and Technology, 44(17), pp 6802-6807.