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unilogo Universität Stuttgart
Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung - IWS

Lehrkonzept - Umweltschutztechnik

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Unterstufe
U-04 Statistik
U-08 Hydromechanik

Die Lehrveranstaltung Hydromechanik vermittelt ein für Bau- und Umweltingenieure unerlässliches strömungsmechanisches Grundverständnis und bildet damit die Basis für alle weiteren Veranstaltungen sowie für viele Fragestellungen auch außerhalb des Wasserwesens.

Es werden die Gesetzmäßigkeiten idealer und realer Fluidströmungen sowie Konzepte und Methoden zur Berechnung von Strömungsproblemen vorgestellt. Behandelt werden dabei vorwiegend Wasserströmungen, z. B. Rohr-, Gerinne- und Sickerströmungen. Die vielfältige Bedeutung von Strömungen bei umweltrelevanten Fragestellungen und die Wechselwirkungen mit Bauwerken werden diskutiert und erste Einblicke in die numerische Modellierung strömungsmechanischer Probleme gegeben.

Grundfachstudium
G-02 Umweltmesswesen I & II
Der Messtechnik kommt im Bereich des Umweltschutzes eine wichtige Aufgabe zu, da Umweltmessdaten eine primäre Voraussetzung für die Feststellung des Ist-Zustandes darstellen und für Maßnahmen zur Verbesserung der Umweltqualität im Allgemeinen und zur Kontrolle der Wirkung der getroffenen Maßnahmen unbedingt erforderlich sind. Im Grundfach des Umweltmesswesen wird eine Einführung in das elektrische Messen umweltrelevanter physikalischer Größen, wie z.B. mechanischer, thermischer, elektrischer Größen und der Bestimmung von Strömungsparametern sowie von Schadstoffkonzentrationen und physikalisch-chemischer Beschaffenheitsdaten gegeben. Als Grundlage dafür erfolgt eine Einführung in technische Begriffe und Normen sowie in die Fragen von Messgenauigkeit, Übertragbarkeit und statistische Relevanz der Messdaten. In speziellen Vorlesungen werden Einführungen in die wichtigsten Bereiche, in denen Umweltverunreinigungen auftreten können, gegeben, und zwar in Messen und Analysieren von Luftverunreinigungen (Inst. f. Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen) sowie in Klima- und Niederschlagsmesstechnik. Um die Randbedingungen bei Messungen richtig anzulegen, wird in einer weiteren Vorlesung auf die Planung, Durchführung sowie die Strategie von Messungen und die Auswertung und die Beurteilung der gewonnenen Messdaten behandelt.
G-05 Umweltströmungsmechanik und Hydroinformatik
Aufbauend auf der Hydromechanik werden in den Lehrveranstaltungen Ausbreitungs- und Transportvorgänge in Strömungen I & II die relevanten physikalischen Zusammenhänge in der Umweltströmungsmechanik verdeutlicht. Der Teil I befasst sich mit Strömungsprozessen in natürlichen Hydrosystemen. In den Lehrveranstaltungen Modellierung von Hydrosystemen I & II werden numerische Methoden und deren Anwendung in der Umweltströmungsmechanik vorgestellt. Im Mittelpunkt des ersten Teils stehen verschiedene Diskretisierungsverfahren (Finite Differenzen, Finite Elemente und Finite Volumen) sowie deren Anwendung auf die Grundwassergleichung. Die Lehrveranstaltungen Versuchswesen in der Hydromechanik I & II behandeln die experimentelle Modellierung und schlagen damit die Brücke zwischen den physikalischen Prozessen (ATS) und der numerischen Modellierung (MHS). Im Vordergrund steht hierbei u. a. eine Vertiefung des Prozessverständnisses und die Übertragbarkeit experimenteller Untersuchungen vom Labor in die Praxis. Schwerpunkte des ersten Teils sind die Dimensionsanalyse und Ähnlichkeitsgesetze am Beispiel von Strömungsprozessen. Die Inhalte der Lehrveranstaltung Hydroinformatik stellen ein weiteres Bindeglied zwischen den physikalischen Prozessen (ATS) und der numerischen Modellierung (MHS), aber auch zur experimentellen Modellierung (VHM) dar. Gegenstand der Lehrveranstaltung sind die Techniken und Hilfsmittel der Informationsverarbeitung. Es werden Komponenten von Modellierungssystemen, z.B. Datenbanken, Netzgeneratoren und Visualisierungswerkzeuge, sowie Management- und Informationssysteme erläutert.
G-06 Wasserwirtschaft
Der Grundfachblock Wasserwirtschaft gibt eine Einführung in die Ermittlung und Bewirtschaftung der natürlichen Wasservorräte und behandelt wichtige planerische und bauliche Aspekte zum Ausgleich von Wasserbedarf und natürlichem Dargebot nach Menge und Beschaffenheit. Im Fach Gewässerkunde/Gewässernutzung erfolgt zunächst eine einführende Vorstellung der Wasserhaushaltselemente Niederschlag, Verdunstung und Abfluss, ihrer messtechnischen Erfassung und Primärauswertung als Grundlage für die Bemessung von Wasserbauten. Im Weiteren werden die Gebiete Flussbau, Stauanlagen / Wehre und Wasserkraftanlagen behandelt. Das Fach „Wassergütewirtschaft“ geht speziell auf Fragen der Messung und Klassifizierung der Gewässergüte mittels physikalischer, chemischer und biologischer Parameter ein. Behandelt werden auch der Sauerstoffhaushalt stehender und fließender Gewässer sowie die Probleme, die sich aus der Nutzung von Gewässern zu Kühlzwecken ergeben. Im zweiten Teil soll den Studenten durch Vor-Ort-Veranstaltungen ein Einblick in die Arbeit verschiedener in der Wasserwirtschaft tätiger Institutionen wie z.B. Wasserversorgungsunternehmen, Ingenieurbüros und Wasserbehörden gegeben werden. Die Hydrologie beschäftigt sich mit dem natürlichen Wasserkreislauf, den Eigenschaften und Erscheinungsformen des Wassers in diesem Kreislauf sowie der messtechnischen Erfassung und mathematischen Beschreibung der zugehörigen physikalischen Prozesse. Im Fach Hydrologiewerden speziell die Wasserhaushaltselemente, die Speicherbewirtschaftung und die Berechnung von Oberflächenabflüssen als Basis für die Lösung praktischer Aufgaben behandelt.
Vertiefungsstudium
V-01 Umweltchemie II
Die Umweltchemie befasst sich mit dem Verhalten und den Auswirkungen sowie mit Möglichkeiten der Analyse, Beseitigung und präventiven Behandlungen von Umweltchemikalien, also von Stoffen, die durch menschliches Zutun in die Umwelt gebracht werden.
V-03 Umweltmesswesen III
Die Vertiefung soll den angehenden Umweltingenieur in die Lage versetzen, die wesentlichsten im Umweltbereich anfallenden Messaufgaben planen und überwachen bzw. gegebenenfalls selbst durchführen zu können. Aufbauend auf die Vorlesungen im Grundfach Umweltmesswesen I werden zunächst die Verfahren zum Messen von Luft-, Wasser- und Bodenverunreinigungen in Theorie und Praxis vertieft. Ergänzt werden diese Vorlesungen durch spezielle Einführungen in Regelungstechnik, Messwerterfassung und Datenverarbeitung. Um die Auswirkungen von Umweltschädigungen auf die ökosysteme quantifizieren zu können, erfolgt beispielhaft eine Einführung in das Erfassen von Populationen und Arten. Da Umweltschutz in zunehmendem Maße ein globales Problem darstellt, wird eine Einführung in moderne Methoden der Fernerkundung angeboten. Entsprechend der Bedeutung von Überwachungs- und Prognosesystemen wird auf die Planung und Einrichtung von Messnetzen aus Sicht der Verwaltungspraxis eingegangen. Darüber hinaus wird in einer Vorlesung Umweltinformationssysteme versucht, die Erkenntnisse aus Messungen einzelner Größen einer umfassenden und übergeordneten Betrachtungsweise zuzuführen. Ergänzt werden die Vorlesungen durch praktische übungen und Besichtigung von modernen Messeinrichtungen bei Exkursionen. In der Lehrveranstaltung Geoinformationssysteme wird ein knapper Überblick über die wichtigsten Informationsquellen und Informationsspeicherungsverfahren gegeben, die für die räumliche Umweltplanung von Bedeutung sind; dabei wird der modernen Technik (und der Problematik) der datenverarbeitungsgestützten Geo-Informations-Systeme (GIS) besondere Aufmerksamkeit geschenkt. In einer Vorlesung Strahlenschutz werden Kenntnisse für das Messen radioaktiver Strahlung vermittelt.
V-04 Umweltgerechte Gestaltung von Fließgewässern
In den Kernfächern dieser Fachrichtung wird aufbauend auf die in den Fächern U-08 „Technische Hydromechanik“, G-05 „Umweltströmungsmechanik“ und G-06 „Wasserwirtschaft und Gewässerschutz“ bereitgestellten Grundlagen vertiefend auf die mathematische Beschreibung von Strömungsvorgängen in Oberflächengewässern sowie auf Bauwerke des Wasserbaus eingegangen. Im Fach „Fließgewässerökologie in der Ingenieurpraxis“ wird der Zusammenhang zwischen Gewässermorphologie, struktureller Vielfalt, Substrat und Abflussverhalten im Zusammenhang mit den Anforderungen von Lebewesen an den Lebensraum Wasser behandelt. Die Vorlesung „Flussgebietsmanagement und Sedimentbewirtschaftung“ gibt einen Überblick über den aktuellen Stand der Wasserbewirtschaftung mit Blick auf die EU-Wasserrahmenrichtlinie sowie den Umgang mit Sedimenten im Einzugsgebiet und im Gewässer. Es werden Berechnungsmethoden für Strömungs- und Feststofftransportvorgänge und Gewässermorphologie vermittelt. Die „Umweltverträglichkeitsprüfung im Wasserbau“ wird den Studierenden durch eine anwendungsorientierte Veranstaltung näher gebracht. Anhand eines Beispiels erarbeiten sich die Studierenden die Vorgehensweise bei einer UVP und tragen die Ergebnisse anschließend vor. Die Lehrveranstaltung „EDV-Anwendungen im Wasserbau“ beschäftigt sich mit der hydraulischen Modellierung. Nach grundlegenden Einführungen werden am Computer Überflutungsberechnungen für verschiedene Hochwasserszenarien durchgeführt. Der „Integrierte Hochwasserschutz“ gibt einen Überblick durch technische und naturnahe Maßnahmen bedrohte Gebiete von Hochwasser zu schützen. Die Wirkungsweise und die Grenzen dieser Maßnahmen sowie deren Bemessung werden besprochen. Die Ergänzungsfächer bieten Studierenden eine Auswahl verschiedener interessanter Fachgebiete. Bezug nehmend auf die Vorlesung V-04.2 werden die Qualität der Sedimente und der Umgang damit betrachtet. Die Vorlesung „Energiewirtschaft“ beschäftigt sich mit dem Bedarf, dem Dargebot und die Verteilung von Energie in Deutschland und weltweit. Dabei spielt auch die Wasserkraft eine wesentliche Rolle, die in der Veranstaltung „Wasserkraftanlagen - Fallbeispiele aus der Praxis“ näher gebracht wird. Das Ergänzungsfach „Aspekte des Boden –und Wasserhaushalts“ vermittelt Kenntnisse über die Ressource Boden, sowie Probleme der unangemessen Bodennutzung und Gefährdung von Oberflächengewässern. Die Vorlesung „Bewässerung in ariden Gebieten“ stellt verschiedene Bewässerungsverfahren sowie Grundlagen der Bemessung anhand des Pflanzenwasserbedarfs vor. Neben den technischen Gesichtspunkten werden auch planerische und gesundheitliche Aspekte erörtert. Das Fach „Ingenieurhydrologische Aufgabenfelder“ befasst sich mit der Konzeption von Hochwasserschutzmaßnahmen und Hochwasserrückhaltebecken sowie hydrologischen Grundlagen. Außerdem werden beispielsweise Fragen der „Projektbewertung in der Wasserwirtschaft“ behandelt oder vertiefende Kenntnisse aus dem Gebiet der „Hydrologischen Simulationsverfahren“ vermittelt. Das Ergänzungsfach „Geostatistik“ beschäftigt sich mit geostatistischen Verfahren, die zur Messwertinterpolation, zur Modellparameterschätzung und zur Messnetzplanung in der Hydrologie angewendet werden. Ziel der Ergänzungsvorlesung „Fuzzy-Modellierung“ ist es schließlich, die Grundlagen der Fuzzy-Logik, die bereits in vielen Produkten Anwendung gefunden hat, und zahlreiche einfache Modelle vorzustellen.
V-05 Strömung und Transport in porösen Medien

Aufbauend auf dem Grundfach G-05 wird die Vermittlung der physikalischen Zusammenhänge der Umweltströmungsmechanik (Schwerpunkt: Stoff- und Wärmetransport in natürlichen Hydrosystemen), der numerischen Verfahren (Schwerpunkt: Diskretisierungs- und Stabilisierungsverfahren sowie deren Umsetzung in Modellierungssystemen) und der experimentellen Methoden (Schwerpunkt: Transportprozesse und experimentelle Umsetzung) in den Kernfächern Ausbreitungs- und Transportvorgänge in Strömungen II, Modellierung von Hydrosystemen II und Versuchswesen in der Hydromechanik II fortgesetzt. Im Bereich der Informationsverarbeitung behandelt die Veranstaltung Integrierte Modellsysteme für die Grundwasserwirtschaft GIS-gestützte Modellerstellung und Modellierung von Grundwassersystemen.

Die Kernfächer vermitteln die Grundzüge der Hydromechanik, der Umweltströmungsmechanik und Hydrosystemmodellierung. Sie werden durch folgende Lehrveranstaltungen ergänzt:

In der Lehrveranstaltung Hochleistungsrechnen in der Umweltströmungsmechanik wird der Einsatz von Hochleistungsrechnern zur Lösung großdimensionierter Problemstellungen in der Umweltströmungsmechanik veranschaulicht. Im Seminar Selected Topics and International Network Lectures bieten Vorträge zu unterschiedlichen Themen der Hydrosystemmodellierung einen Überblick über das Forschungsspektrum und Einblicke in verschiedene Anwendungsgebiete.

Eine Reihe von Lehrveranstaltungen befasst sich - zum Teil sehr praxisnah - mit der Nutzung, der Gefährdung, dem Schutz und der Sanierung des Grundwassers und des Untergrundes und stellt damit einen Bezug zu den Anwendungsbereichen der Hydrosystemmodellierung her:

Die Vorlesung Aquatische Geochemie behandelt die wichtigsten Prozesse, die die chemische Zusammensetzung natürlicher Oberflächen- und Grundwässer beeinflussen. In der Lehrveranstaltung Bodengefährdung und Bodenschutz werden Möglichkeiten der Gefährdungsabschätzung und Maßnahmen zur Bodenreinigung, -sanierung oder -sicherung diskutieren. In der Vorlesung Sanierung kontaminierter Standorte werden Schwierigkeiten und Schritte der Altastenbeseitigung - von der Erkundung über Risikobewertung bis zur Sanierung - anhand von Beispielen aus der Praxis demonstriert. In der Ringvorlesung Fallstudien Grundwasserschutz werden ebenfalls anhand von Fallbeispielen aus der Praxis mögliche Grundwassergefährdungen, Schutztechniken sowie technische und administrative Voraussetzungen für den Grundwasserschutz aufgezeigt. In der gleichnamigen Vorlesung weren Grundwassererschließung und Grundwasserschutz am Beispiel der Landeswasserversorgung behandelt. Im Feldpraktikum Hydrogeologie werden hydrogeologische Erkundungsmethoden in der Praxis (Horkheimer Feld) umgesetzt und ausgewertet.

V-06 Wasserversorgung und Wassergüterwirtschaft

Das Vertiefungsfach Wasserversorgung, Wassergütewirtschaft befaßt sich in seinem Kern- und Ergänzungsfachbereich mit allen Fragen, die die Wasserqualität der natürlichen Gewässer sowie die Beschaffenheit von Trink- und Brauchwasser betreffen. Die Belastung der Gewässer, die Beschreibung und Kennzeichnung ihrer Wasserqualität und deren Beeinflussung werden im Grundsätzlichen (Wassergütewirtschaft I) und an Beispielen in der Praxis (Wassergütewirtschaft II) dargestellt. Zu den Fragen der Aufbereitung von Wasser zur Verwendung als Trink- und Brauchwasser werden im Fach Wasseraufbereitung die naturwissenschaftlichen und verfahrenstechnischen Grundlagen erörtert und anhand von Praktika deren Umsetzung untersucht.

Das Fach Verbundwirtschaft in der Wasserversorgung befasst sich mit den umweltrelevanten Fragen der Regionalisierung der Wasserversorgung. Die Vorlesung Kommunale Versorgungsnetze im Querverbund behandelt Planung, Bau und Betrieb von Verteilungsnetzen für Gas, Wasser und Fernwärme. Hierzu gehört auch der Einsatz von modernen Planungswerkzeugen einhergehend mit Managementsystemen für die Qualitätssicherung in den Bereichen Sicherheit und Logistik. Neben dem Aufbau und der Organisation eines Querverbundunternehmens werden in der Vorlesung grundsätzliche Hinweise für Planung und Bau von Verteilnetzen im öffentlichen Straßenbereich behandelt. Hierzu gehört

  • der Aufbau von Gas-, Wasser- und Fernwärmenetzen,
  • die Trassierung der verschiedenen Netze im Straßenbereich und
  • die Anschlusstechnik der Kunden an die Versorgungsnetze.

Schwerpunkt bildet dabei die Gas- und Wasserversorgung, da diese Sparten bei der wirtschaftlichen Erschließung neuer Baugebiete meist die höchsten Kosten verursachen. Im Rahmen einer abschließenden Fachführung werden die benötigten Materialien, die Arbeitswerkzeuge für Planung und Bau sowie die Ausführungen vor Ort in Verbindung mit praktischen Übungen gezeigt.