Implementation of a Hydrological CSO Model in R, Application and Validation in the Upper Danube Basin

Abstract

Wenn Wasservolumen in Mischwassersystemen die Kapazitäten der angeschlossenen Kläranlage übersteigen, werden Abwässer direkt in den Vorfluter geleitet: Sogenannte Mischwasserüberläufe finden statt. Dadurch gelangen Schadstoffe, Nährstoffe und weitere Verunreinigungen in den Vorfluter und gefährden Wasserqualität und aquatische Ökosysteme. Da Messdaten begrenzt sind, sind zur Abschätzung der Auswirkungen funktionierende Modelle der jährlichen Überläufe bedeutend. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein hydrologisches Mischwasserüberlaufmodell von Quaranta u.a. (2022a) - basierend auf Niederschlagsdaten, versiegelter Fläche, Trockenwetterabfluss, Anschlussfaktor an das Mischwassersystem und Bevölkerungsdichte - reproduziert, in R implementiert und auf das Obere Donaueinzugsgebiet sowie auf Validierungsregionen angewandt. Dabei wurden Inkonsistenzen im Modell behoben, bedeutend kleinere Siedlungspolygone als räumliche Grundlage genutzt und der Einfluss der Modellparameter und der Eingangsdaten im Zuge einer Sensitivitätsanalyse untersucht. Für das Obere Donaueinzugsgebiet werden für den Zeitraum 2021 bis 2024 Mischwasserüberläufe im Bereich von 300 bis 400 Millionen m3 pro Jahr modelliert, davon zwischen 25 und 37 Millionen m3 an Trockenwetteranteilen. Für Österreich wurden mittlere Überläufe von 62 Millionen m3 pro Jahr (2010-2016) bzw. 93 Millionen m3 pro Jahr (2021-2024) ermittelt. Niederschlagsintensität bestätigte sich als Prädikatorvariable für Überlaufsereignisse. Für die Validierungsregionen produziert das Modell mit Standardwerten der Parameter Modellfehler für Überlaufvolumen im Bereich ±20% für 5 von 8 Regionen, für die anderen sind die Fehler höher und eine Anpassung der Parameter essentiell. Anhand der Ergebnisse wird das Modell als prinzipiell geeignet bewertet, wobei die Reduktion regionaler Unsicherheiten eine lokale Anpassung der Modellparameter voraussetzt. Die Implementierung in R ermöglicht eine flexible Wahl des Interessensgebietes und der Siedlungsgebiete und unterstützt damit weitergehende Anwendungen und Forschung.

When runoff volumes in combined sewer systems exceed the capacity of the receiving wastewater treatment plant (WWTP), untreated sewage is discharged directly to receiving waters: so-called combined sewer overflows (CSOs). These CSOs transport contaminants, nutrients, and debris tothe receiving waterbody, threatening water quality and aquatic ecosystems. As observational data is limited, robust models of annual overflow volumes are essential for impact assessment. In this thesis, the hydrological CSO model of Quaranta et al. (2022a) — which is based on precipitation records, impervious area, dry-weather flow, the connectivity factor to the combined sewer system, and population density — was reproduced, implemented in R, and applied to the Upper Danube Basin and several validation regions. Model inconsistencies were corrected, substantially smaller settlement polygons were adopted as the spatial basis, and the sensitivity of model parameters and input data was analyzed. For the Upper Danube catchment, modeled annual overflow volumes for 2021–2024 range from approximately 300 to 400 million m3, of which 25–37 million m3 are attributed to dry-weather contributions. At the national scale, mean annual overflows of 62 million m3 (2010–2016) and 93 million m3 (2021–2024) were estimated. Precipitation intensity was confirmed as a predictor variable for overflow events. Using default parameter values, the model yields errors in overflow volume within ±20% for five of eight validation regions; in the remaining regions errors are larger, indicating that regional parameter calibration is necessary. Overall, the model is judged suitable for estimating annual CSO volumes, although reducing regional uncertainties requires local parameter adjustment. The R implementation permits flexible selection of study areas and settlement units, supporting further applications and research.