Timo Christopher Dilly

• This volume 14 of the ‘Wasser Infrastruktur Ressourcen’ series is the dissertation of Timo C. Dilly. Finding holistic solutions for sustainable water management in settlements and cities is a complex task that depends on numerous variables, which emphasizes the need for a decision support tool. This thesis presents the newly developed Tool for Integrated Management and Optimization of the Urban Water Cycle (TIMO UWC). TIMO UWC is a macro-level Decision Support System (DSS) that considers water supply, urban drainage, wastewater treatment, rainwater harvesting and different water reuse concepts in one package. Required inputs are (1.) settlement characteristics, (2.) hydrological conditions and (3.) infrastructure characteristics. The TIMO UWC consists of a scenario manager, an optimization model, and a result visualization module. The optimization model is described in detail with all input parameters, decision variables, model constraints, objective functions and required preprocessing functions. Based on the urban water mass balance the optimization model solves a multi-criteria network flow problem. The model generates integrated solutions for urban water management systems by considering key evaluation criteria such as cost, emissions, space requirements, and evapotranspiration, which is used as an auxiliary parameter to estimate heat reduction. A literature review is conducted to define input parameters for all infrastructures within the urban water cycle, with a particular focus on infrastructure costs. For further considerations, characteristics for all infrastructures are defined to set up a baseline scenario. A baseline scenario with reasonable default values for all infrastructure characteristics is created, which serves as the basis for all subsequent tests and analyses. For proof of concept, the tool is tested by setting up two scenarios, a dense and a scattered settlement. For both the optimization results are compared with manually generated variants. It is shown that no better solution can be found by hand and the optimization calculates the costs correctly. A performance test is carried out to explore the limits of the model and to illustrate the relationships between individual input parameters and the optimization results. The analysis deals with the influence of population and settlement configurations, parameters of the cost function, hydrological conditions, and the multi-criteria assessment. The performance test indicated that the developed optimization model can quickly generate optimal solutions by automatically choosing a combination of infrastructure elements for integrated water management. The experiment highlights the substantial impact of the tested input parameters. The decision for or against decentralized infrastructures is significantly influenced by the settlement structure, e.g. the building density. The decision for or against reuse is influenced by the water demand and water availability in the settlement area. The hydrological conditions and the weighting of the evaluation criteria significantly influence the optimization results, potentially leading to complete system changes. The impact of climate change is subsequently explored through three hypothetical case studies: Firstly, for a village with agriculture, it is shown that the demand for irrigation water may necessitate water reuse. Additionally, treated wastewater should be stored in surface water reservoirs or in groundwater bodies to be available for irrigation when needed. Secondly, for a small town with industry, it is shown that conventional drainage systems can be effectively integrated with water reuse concepts. Industrial companies should reuse water to reduce the pressure on the existing water sources. In addition, the reuse of wastewater as service water must be considered. This requires a dual-pipe supply network, with one pipe for drinking water and another for service water for each household. Lastly, for a densely populated city center, it seems evident that implementing a dual-piping system can be worthwhile without considering climate conditions. When the water demand is high, the centralized treatment and reuse of treated wastewater or greywater can be a cost-effective alternative to tapping external water sources. Where space is limited, decentralized and more expensive measures, e.g. in-house water recycling systems, are required to achieve the balance between water sources, storage, reuse and demand. The conclusions address the achievements of the work but also the limitations of the tool and propose ideas for future enhancements. The developed water balance model can be used as a basis for decision making and the tool appears to be well suited for making holistic decisions on the composition and capacity design of urban water infrastructures. Limitations arise, for example, from the use of linear optimization approach to determine the best solution and from the fixed observation period of one year. Based on the investigations conducted, novel ideas emerged regarding potential future research directions and enhancements to the tool's development. Expanding the tool could involve refining temporal resolution, extending optimization beyond a single area, or enhancing the approach to account for heterogeneous catchment areas. There is potential to integrate the developed macro-level optimization approach with detailed design optimization methodologies for specific infrastructures.
• Der vorliegende Band 14 der Schriftenreihe Wasser Infrastruktur Ressourcen ist die Dissertation von Timo C. Dilly. Die englischsprachige Dissertation stellt die Software TIMO UWC („Tool for Integrated Management and Optimization of the Urban Water Cycle“) und deren Anwendungsfälle vor. TIMO UWC ist ein ganzheitliches Entscheidungsunterstützungstool für die Siedlungswasserwirtschaft, welches auf Makroebene die Wasserversorgung, Siedlungsentwässerung, Abwasserreinigung und unterschiedliche Methoden der Wasserwiederverwendung zusammen betrachtet. Basierend auf einem Modell des natürlichen und städtischen Wasserkreislaufs wurde ein lineares Optimierungsproblem formuliert, welches ein multikriterielles Netzflussproblem löst. Als Eingabeparameter werden die Siedlungsstruktur und Bevölkerungsdichte, die hydrologischen Bedingungen sowie alle wesentlichen Eigenschaften der siedlungswasserwirtschaftlichen Infrastrukturen berücksichtigt. Entscheidungen werden bezüglich der Auswahl und Dimensionierung der Infrastrukturen sowie deren Betrieb im Jahresverlauf getroffen. Die Generierung der Lösungen erflogt unter Berücksichtigung der Bewertungskriterien Kosten, Emissionen, Platzbedarf und Evapotranspiration. Die Evepotranspiration dient als Hilfsparameter zur Abschätzung der Hitzereduktion. Die Arbeit beschreibt das Optimierungsmodell mit allen Eingangsparametern, Bedingungen und Variablen sowie dem Pre-Processing und den Zielfunktionen. Die Eingabeparameter für die Infrastrukturen (z.B. Kosten, Platzbedarf, Wirkungsgrade) basieren auf Literaturrecherchen. Es wird ein Basisszenario festgelegt, auf dessen Grundlage die nachfolgenden Tests und Analysen durchgeführt werden. Ein Proof-of-Concept belegt anhand von Vergleichsrechnungen, dass die Optimierung korrekte Ergebnisse liefert. Nachfolgende Performance-Tests dienen dazu, die Grenzen des Modells auszuloten. Dabei werden die Einflüsse der Siedlungsstruktur, der hydrologischen Bedingungen und der Gewichtung der Bewertungskriterien analysiert. Anschließend werden anhand von drei fiktiven Einzugsgebieten (Dorf, Kleinstadt und Stadtzentrum) die Auswirkungen des Klimawandels auf die Optimierungslösungen untersucht. Die Entscheidung für oder gegen dezentrale Infrastrukturen wird maßgeblich durch die Siedlungsstruktur bestimmt. Blau-grüne Infrastrukturen können die zentrale Entwässerung wirksam im Sinne der Klimaanpassung unterstützen. Ein hoher Wasserbedarf, etwa durch landwirtschaftliche Bewässerung, kann die Speicherung und Wiederverwendung von Wasser erforderlich machen. In dicht besiedelten urbanen Gebieten kann die Wiederverwendung von Abwasser oder Grauwasser eine sinnvolle Ergänzung zur konventionellen Wasserversorgung darstellen. Es kommen Dual-Piping-Systeme zum Einsatz, bei denen Trinkwasser und Brauchwasser über getrennte Leitungsnetze verteilt werden. Bei begrenztem Raumangebot gewinnen dezentrale Maßnahmen im privaten Bereich (z.B. Grauwasserrecycling, Dachbegrünung) zunehmend an Bedeutung. Mit TIMO UWC lassen sich schnell und zuverlässig ganzheitliche Lösungen für ein nachhaltiges urbanes Wassermanagement entwickeln. Im abschließenden Teil der Arbeit werden die Grenzen der Software analysiert, Entwicklungspotenziale aufgezeigt und weiterführende Forschungsfragen abgeleitet.