Etwa 80 Prozent des Plastikmülls in den Meeren stammt aus Flüssen und Kanälen oder von Häfen und Stränden. Um diese Wasserwege zu reinigen und damit der zunehmenden Verschmutzung der Ozeane entgegenzuwirken, hat das Start-up RanMarine den WasteShark auf den Markt gebracht. Die Aqua-Drohne wird von zwei Elektromotoren angetrieben. Sie durchschwimmt gezielt verschmutzte Bereiche von Gewässern und schluckt dabei Abfälle. Dazu zählen Plastikflaschen und -tüten oder störende Biomasse, wie invasive Algen. Das Gerät lässt sich per Funk steuern. Oder es fährt autonom eine festgelegte Route ab. Die Weltneuheit wurde unter anderem vom EU-Programm Horizon 2020 gefördert.

Ausgestattet ist die Reinigungsdrohne mit Kamera, Sensoren und GNSS-Empfänger (Global Navigation Satellite System). Im Wasser orientiert sie sich selbstständig. Auch Hindernissen weicht sie aus. Dabei helfen eine Frontkamera und ein LiDAR-Sensor (Light detection and ranging). Der Sensor erkennt Objekte per Laser und bildet sie dreidimensional ab. Die Wegpunkte der Sammelroute haben die Nutzer zuvor auf einer digitalen Karte festgelegt.

Der Schwimmroboter WasteShark fischt mit satellitengestützter Routenführung Müll aus Gewässern. Quelle: RanMarine / Bearbeitung: Evelyn Meneses Ebert

Wichtig bei dem System ist das Bestimmen der Position via Satellit. Eine Genauigkeit von mehreren Metern, wie sie Standard-GNSS-Anwendungen liefern, reichen für den WasteShark nicht aus, der unter anderem mit Sensoren die Wasserqualität messen und die Messpunkte anschließend exakt übermitteln soll. Ebenso wenig zum Entleeren seines Müllbehälters sowie zum Aufladen des Akkus soll der schwimmende Roboter künftig selbstständig eine Dockingstation ansteuern.

Daher kommt die Telekom-Lösung Precise Positioning zum Einsatz. Sie ermöglicht nach Angaben des Unternehmens eine Bestimmung der Position mobiler Fahrzeuge bis auf wenige Zentimeter. Der cloudbasierte Dienst stammt von dem US-amerikanische Navigationsspezialist Swift Navigation, mit dem die Telekom seit 2020 kooperiert. Er sendet korrigierte Positionsdaten per Mobilfunk zum WasteShark, der die Informationen für eine präzisere Navigation nutzt.

Precise Positioning bringt RanMarine gleich mehrere Vorteile. Die Drohne findet nicht nur sicher ihren Weg zur Lade- und Entleerstation. Sie ist auf dem abgesteckten Kurs effizienter unterwegs und kann in derselben Zeit mehr Müll sammeln – was die Kosten reduziert und weniger Ladezyklen erfordert. Außerdem lassen sich Ort und Zeitpunkt der unterwegs gemessenen Wasserqualitätsdaten wie pH-Wert oder Temperatur exakt bestimmen. Hindernissen kann die Aqua-Drohne noch zuverlässiger ausweichen.

„Das System der Telekom ist deutlich zuverlässiger als öffentliche Korrekturdienste und funktioniert out-of-the-box“, sagt Richard Hardiman, Gründer und CEO von RanMarine Technology. „Außerdem ist der Dienst in fast allen Gebieten auf der Welt verfügbar, in denen unser WasteShark im Einsatz ist. Precise Positioning bietet uns die nötige Genauigkeit und Skalierbarkeit, um unsere Aqua-Drohnen stetig weiterzuentwickeln.“

Die Niederländer führen ihre Aqua-Drohne am 20. und 21. September auf der Digital X 2023 im Mediapark in Köln vor. Auf der Digitalisierungs-Ausstellung werden Megatrends der Zukunft und digitale Lösungen gezeigt – u.a. in den Bereichen Zukunft der Arbeit, Digitalisierung der Unternehmen, Sicherheit oder Nachhaltigkeit. Organisiert von der Deutschen Telekom engagieren sich in ihr über 300 nationale und internationale Partner.

www.telekom.com/digitalx

www.ranmarine.io

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Man stelle sich vor, Bundeskanzler Olaf Scholz steht am Bleilochsee, dem größten Stausee Deutschlands, und fordert deutsche Unternehmen auf, Wassersparpläne aufzustellen, um der Wasserknappheit zu begegnen. In Deutschland noch unvorstellbar, in Frankreich Ende März bereits Realität. Präsident Emmanuel Macron stellte am Lac de Serre-Ponçon, dem größten Süßwasserreservoir Westeuropas, rund 150 Kilometer nördlich von Marseille, den französischen Wasserplan vor, nach dem das Land seinen Trinkwasserverbrauch bis 2030 um zehn Prozent senken will. Er propagiert sogar eine neue Form der „Abstinenz“. Hintergrund ist eine alarmierende Situation, die die Grande Nation in den letzten Jahren besonders hart getroffen hat. 80 Prozent der Grundwasserreserven lagen im Februar unter dem Normalwert. Macron warnt, dass bis 2050 30 bis 40 Prozent weniger Wasser zur Verfügung stehen werden. Der Begriff „Winterdürre“ (Sécheresse hivernale) ist nach den extrem niederschlagsarmen Monaten Oktober bis Februar, die fast den gesamten Mittelmeerraum betrafen, zum geflügelten Wort geworden. Erst der März, der letzte Monat, in dem das Grundwasser durch Regen gespeist wird, konnte dem Trend etwas entgegenwirken.

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Deutschland war im Winter und im Frühling dagegen mit überdurchschnittlichem Niederschlag gesegnet, dennoch ist die Fachöffentlichkeit bereits gewarnt. Neueste wissenschaftliche Erkenntnisse zeigen, dass Deutschland in den letzten Jahren stark an Wasser verloren hat. Obwohl das Land eine im weltweiten Vergleich sehr wasserreiche Region darstellt, zeigt es relativ gesehen die höchsten Verlustwerte. Das zeigen auch Daten der Satellitenmission Grace. Die Satelliten messen Veränderungen der Schwerkraft der Erde und geben demnach Auskunft darüber, wie hoch die Gesamtmenge des gespeicherten Wassers großflächig gesehen ist. Dies umfasst Grundwasser, Gewässer oder Gletscher, man spricht auch von Terrestrial Water Storage (TWS). Die Schwerefeldsatelliten liefern als einziges System der Fernerkundung Daten, die diesen Gesamtwert erfassen können, etwa im Vergleich zu bildgebenden Verfahren, die lediglich die Oberflächen von Gewässern messen können. Besondere Verluste gab es demnach in den Trockensommern 2018 und 2019, als die Auswirkungen auch besonders sichtbar wurden. Experten beschreiben den Wassermangel jedoch als systematisches Defizit, das lange, bevor es sichtbar wird, schon wirksam ist.

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Die politischen Folgen werden zwar in der Öffentlichkeit von anderen Krisen überdeckt, doch sie sind bereits wirksam. Am 19. April 2023 hat das Bundeskabinett die Nationale Wasserstrategie beschlossen, was einen Meilenstein für einen besseren Umgang mit Wasser in Deutschland darstellen soll. Darin sind einige Paradigmenwechsel beim Umgang mit Trinkwasser und Abwasser vorgesehen. Der Norden Deutschlands soll etwa per Fernleitungen an südliche, wasserreiche Regionen angeschlossen werden. Hierbei spielt zum Beispiel auch eine Rolle, dass wasserintensive neue Produktionsstätten etwa im Bereich der Elektromobilität, gefördert werden sollen. Ebenfalls vorgesehen ist, dass Risikokarten für Hochwasser und Starkregen zur Pflicht werden sollen. Die städtische Abwasserentsorgung steht ebenfalls vor grundlegenden Änderungen. Die neue Kurzformel: Mehr Versickerung und Retention als schnelle Abführung im Kanal. Rund 80 Maßnahmen sind insgesamt in der Nationalen Wasserstrategie benannt. Der Paradigmenwechsel hat konkrete Auswirkungen auf die Infrastruktur. Nicht nur Starkregen muss vor Ort zurückgehalten werden, um Schäden zu vermeiden oder zumindest zu minimieren, wozu Gründächer und begrünte Fassaden sowie multifunktionale Retentionsflächen einen Beitrag leisten sollen. Abwasser soll damit zugleich wieder vermehrt das Grundwasser speisen. Zudem mindert die Verdunstungskühlung den Hitzestress. Stadtgrün und Wasserflächen können, so aktuelle Studien, die Temperaturen um bis zu drei Grad mindern.

Ein Umdenken hat bereits Konturen gewonnen. Fassaden- und Dachbegrünungen, neue Retentionsvolumen spielen eine große Rolle. Unverschmutztes Regenwasser gehört nach DWA-A/M 102 (BWK-A/M 3) nicht in die Kanalisation. Regenwasser wird gezielt abgeleitet, etwa zu Tiefbeeten oder Baumrigolen. So wird das Straßenbegleitgrün gewässert, Grundwasserneubildung angeregt und Überflutungsgefährdung reduziert. Man spricht von wassersensibler Straßenraumgestaltung.

Kommunen und Behörden sind die maßgeblichen Akteure, um urbane Starkregen, langanhaltende Trockenphasen und Hitzetage mit tropischen Nächten zu meistern. Eine der zentralen Herausforderungen liegt darin, dass sich verschiedene Planungsebenen überlagern. Verkehrsraum, Grünflächen- und Freiraumplanung sowie Gebäude und Infrastruktur müssen zusammenarbeiten. Singuläre, sektorale Perspektiven, an dieser Stelle sind sich Experten einig, verhindern zukunftsfähige Ansätze.

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Die Auswirkungen zunehmender extremer Wasserereignisse in urbanen Gebieten sind anspruchsvoll zu modellieren. Hierfür gibt es eine Reihe von speziellen Werkzeugen auf dem Markt, mit denen z. B. Starkregengefahrenkarten (in 2D) erstellt werden können. Am Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik und dem Institut für Industrie- und Siedlungswasserwirtschaft der Technischen Universität Dresden wurde gemeinsam mit dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung im Rahmen des Forschungsprojektes „Wet-Urban“ eine Methodik entwickelt, die digitale 3D-Stadtmodelle als zentrale Datenbasis für die hydraulische und hydrologische Prozessmodellierung und -simulation sowie als Visualisierungs- und Interaktionsplattform nutzt. Dabei geht es insbesondere um die Oberflächen- und Kanalentwässerung einerseits und die Grundwassersimulation andererseits, um eine möglichst realistische Einschätzung der Vorgänge in der Stadt bei Extremsituationen wie Starkregen (oder auch Trockenphasen) zu erhalten. „Besonderen Fokus haben wir auch auf die Einbeziehung von Bürger:innen, erweiterter Fachöffentlichkeit und Entscheidungsträgern gelegt, die besonders mit der Visualisierung via 3D einen intuitiven Zugang zu dem Thema bekommen“, so Lars Backhaus, Leiter des Forschungsprojektes. Eine weitere Besonderheit des Konzepts: Das 3D-Stadtmodell dient als Datenbasis, aus der der Input für die jeweiligen Simulationsprogramme (alles Open Source oder andere lizenzfreie Software) generiert wurde. Ein spezielles Iterationsverfahren sorgte dafür, dass die einzelnen Simulationsschritte eng miteinander gekoppelt wurden, so dass eine ganzheitliche Simulation des Wasserverhaltens entstand. Konkret wurde ein ca. 35 km² großes Gebiet in Dresden untersucht.

Oben links: Landnutzungskarte des digitalen Stadtmodells; oben rechts: Oberflächenabfluss eines Starkniederschlagsereignisses; unten links: Auslastung des Kanalnetzes; unten rechts: Grundwasserströmung als Pfeilvektoren und Messstationen (rote Punkte). Fotos: TU Dresden

Prozess in vier Stufen

Grundlage ist eine konsistente und offene Plattform für Daten- und Szenarienmanagement (Klima, Stadtplanung), Prozesssimulation und Risikomanagement. Ausgehend vom 3D-Stadtmodell wurden mehrere hydronumerische Simulationsmodelle teilautomatisiert und über einheitliche Schnittstellen gekoppelt. Die Simulationsmodelle sind unabhängig voneinander lauffähig, kommunizieren aber in festen Intervallen miteinander. Die Kopplung ist flexibel konfigurierbar, so dass auch weitere Simulationsanwendungen integriert werden können.

Das Gesamtkonzept lässt sich in vier Schritte gliedern:

1) Erstellung des 3D-Stadtmodells,
2) teilautomatisierte Modellierung auf Basis der Geobasisdaten des digitalen Stadtmodells,
3) Anreicherung mit Randbedingungen und Durchführung der gekoppelten Simulation,
4) Verarbeitung und Rückführung der Simulationsergebnisse in das digitale Stadtmodell.

Dazu wurden öffentlich verfügbare Daten verwendet: Das digitale Geländemodell mit einer Auflösung von 1 m (DGM1), das digitale 3D-Gebäudemodell in Level-of-Detail 2 (CityGML) sowie das digitale Landschaftsmodell (B-DLM). Es wurden zwei Plattformen für unterschiedliche Anwendungszwecke erstellt, zum einen eine Visualisierungsplattform auf Basis der Unity Game Engine, zum anderen eine Webbrowserbasierte Anwendung unter Verwendung von Cesium, wobei erstere eher der prototypischen Entwicklung, letztere der Visualisierung für ein größeres Publikum diente.

3D-Stadtmodell von Dresden, Ausschnitt des Untersuchungsgebietes (alter Elbarm in Nähe der Kiesgrube Leuben). Foto:TU Dresden

Für die Modellierung wurden die Anwendungen BASEMENT (Oberflächenabfluss), SWMM (Kanalnetz) und OpenGeoSys (Grundwasser) verwendet. Die Simulationsmodelle wurden dann in kleine Zeitschritte aufgeteilt und später mit jeweils definiertem Datenaustausch gekoppelt. Nachdem die gekoppelte Modellierungs- und Simulationsschleife die vorgegebene Zeit erreicht hat, werden die Ergebnisse aggregiert und nachbearbeitet, um schließlich im digitalen Stadtmodell dargestellt werden zu können.

Auch großflächige Simulation schnell möglich

Die Methodik wurde anhand des hydrologischen Einzugsgebietes des Lockwitzbaches im Südosten Dresdens einschließlich seiner Anbindung an das umliegende Kanalnetz evaluiert. Das ca. 35 km² große primäre Untersuchungsgebiet umfasst unterschiedliche Bebauung, Infrastruktur, Vegetation, Landnutzung sowie Fließgewässer. Im Rahmen des Projektes konnte ein funktionsfähiger Prototyp erstellt und getestet werden. „Die Effekte der gekoppelten Modellierung zur Verbesserung der Modellqualität waren nachweisbar, bedürfen aber weiterer Entwicklung und Kalibrierung“, so Backhaus. Auch großflächige Gebiete könnten in kurzer Zeit simuliert werden, so der Forscher, vor allem durch Teilautomatisierung und parallele Ausführung der Simulationen.

Digitale Stadtmodelle seien eine ideale Basis für die Zusammenarbeit der Akteure in der Wasserwirtschaft. Der abgestufte Kopplungsansatz erlaube es zudem, so Backhaus, in Zukunft weitere Prozesse zur Berechnung etwa der Wasserqualität, des Schadstofftransports oder der Evapotranspiration zu berücksichtigen.

www.tu-dresden.de

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Die Studie beruht in erster Linie auf Daten der Satellitenmissionen GRACE (2002 bis Missionsende 2017) und GRACE-Follow On (seit 2018 aktiv). Das Besondere dieser Studie ist, dass die Forschenden vier verschiedene Auswertemethoden verglichen haben und damit zu einem deutlich geringeren Wasserverlust kamen als andere Auswertungen der Satellitendaten, die lediglich auf einer einzigen Methode beruhten. Der gesamte Wasserspeicher (auf Englisch: Terrestrial Water Storage, TWS) hat demnach in den zwei Jahrzehnten um zusammengerechnet 15,2 Kubikkilometer abgenommen. Zum Vergleich: Der Wasserverbrauch aller Sektoren – Industrie, Landwirtschaft, Privathaushalte – in Deutschland beträgt rund 20 Kubikkilometer pro Jahr. Um verlässlich einen Trend abschätzen zu können, sei der Zeitraum jedoch zu kurz und zu stark von verschiedenen Extremen geprägt, schreiben die Forschenden in der April-Ausgabe der Fachzeitschrift „Hydrologie & Wasserbewirtschaftung (HyWa)“.

Räumliche Verteilung der Anomalien der Gesamtwasserspeicherung (TWS) für Deutschland aus den Satellitendaten von GRACE und GRACE-FO in den Monaten mit der größten positiven Anomalie (links) und der größten negativen Anomalie (Mitte). Quelle: Güntner et al. (2023); Hydrologie & Wasserbewirtschaftung, 67, (2), 74-89. DOI: 10.5675/HyWa_2023.2_1

Die Satellitenmissionen GRACE (2002 bis Missionsende 2017) und GRACE-Follow On (seit 2018 aktiv) vermessen die Erdanziehungskraft, das so genannte Schwerefeld, und dessen Änderungen global auf Monatsbasis. Aus diesen Schwerefelddaten lassen sich Massenverlagerungen erkennen, die wiederum Rückschlüsse auf Veränderungen im Wasserkreislauf erlauben, also beispielsweise das Abschmelzen von Gletschern oder das Entleeren von Grundwasserspeichern. Erstmals ist es damit zum Beispiel gelungen, die Eismassenverluste Grönlands und der Antarktis zu quantifizieren. Der große Vorteil dieser Art von Messung: Sie erfasst auch Grundwasserleiter, die tief unter der Erdoberfläche verborgen sind. Der Nachteil: Die räumliche Auflösung der Schwerefelddaten ist vergleichsweise grob: rund 300 mal 300 Kilometer. Verlässliche Aussagen lassen sich daher nur für Gebiete von rund 100.000 Quadratkilometern Größe treffen, das entspricht etwa der Fläche der ehemaligen DDR.

Ein Team von Forschenden unter der Leitung von Andreas Güntner vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ hat jetzt erstmals für Deutschland einen detaillierten Überblick über die von den Satelliten gemessenen Änderungen des Gesamtwasserspeichers der letzten zwanzig Jahre veröffentlicht.

Die Forschenden nutzten für ihre Studie vier Datenreihen: die GFZ-eigene, eine aus mehreren Datenreihen berechnete Kombinationslösung der Uni Bern (COST-G genannt), eine der Universitäten Graz und Bonn (ITSG/ UB) und eine vom Jet Propulsion Laboratory der NASA (JPL Mascons). Zusätzlich nutzten sie Niederschlagsdaten und Computermodelle des FZ Jülich, die die Veränderung des Gesamtwasserspeichers simulierten.

Unterschiedliche Folgerungen bei Studien

Über weite Teile des Beobachtungszeitraums, insbesondere in den Jahren zwischen 2004 und 2015, stimmen die Ergebnisse aller vier Datensätze für die Schwerefeldänderungen gut überein. Unterschiede gab es vor allem zu Beginn und am Ende der Zeitreihen. Dort zeigte besonders die NASA-JPL-Datenreihe größere Ausschläge nach oben und unten. Auch die jahreszeitlichen Unterschiede zwischen dem Maximum der Wasserspeicherung im Winter und dem Minimum im Sommer fallen bei der NASA-JPL-Reihe am stärksten aus.

Die Forschenden mahnen daher zur Vorsicht bei der Interpretation von Auswertungen, die lediglich auf einer Datenreihe beruhen, was zuletzt medial geschah. Eine einzelne Datenreihe hatte im vergangenen Jahr ergeben, dass Deutschlands Gesamtwasserspeicher fast 2,5 Kubikkilometer Wasser pro Jahr verliert, was in der GFZ-Studie jedoch nicht verifiziert werden konnte. Der Vergleich mit anderen Auswerteverfahren zeigt dagegen: Es sind vermutlich nur 0,76 Kubikkilometer, also knapp ein Drittel des über die JPL-Mascons-Reihe bezifferten Verlusts. Und besonders in der Nähe der Alpen müsse man den Schwerefeld-Effekt abschmelzender Gletscher (Leakage) zusätzlich in Betracht ziehen. Trotz der niedrigeren Werte gibt der Leitautor der Studie, Andreas Güntner, zu bedenken: „Die Beobachtungen aus allen Datensätzen zeigen, dass ein Jahr mit höheren Niederschlägen wie 2021 nicht ausreicht, um die Defizite der Wasserspeicherung, die sich über den längeren Zeitraum angesammelt haben, wieder auszugleichen.“ Auch bei Prognosen raten die Forschenden zur Vorsicht. Mitautorin Helena Gerdener von der Universität Bonn mahnt: „Da es in den zwanzig Jahren der bisherigen Datenerhebung einige auffällige Extreme gegeben hat, ist eine Aussage zu einem langfristigen Trend nur schwer zu treffen.“ Umso wichtiger sei die Kontinuität der Messreihe, schreiben die Forschenden. Eine Fortsetzung der GRACE- und GRACE-FO-Missionen wird bereits geplant und soll 2028 ins All starten.

www.gfz-potsdam.de

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Wie kann die „wassersensible Stadt“ berechnet, simuliert und geplant werden?

Peter Rummel, Director of Infrastructure Policy Advancement (Europe) bei Bentley Systems Germany. Quelle: Bentley Systems Germany

Das Konzept der „wassersensiblen Stadt“, auch „Schwammstadt“ genannt, basiert auf der ganzheitlichen Betrachtung einer Stadt als System in Wechselwirkung mit Wasser. Die Diskussion konzentriert sich auf das Niederschlagsmanagement und die Mehrfachnutzung von Wasser. Durch bauliche und natürliche Maßnahmen soll Wasser in der Stadt gespeichert werden. Begrünung und Wasserflächen spielen eine zentrale Rolle und tragen zur Verbesserung des Stadtklimas bei. Aufgrund der Komplexität der Strukturen und Effekte ist eine klassische Berechnung und Simulation, basierend auf Geometrie und physikalischen Effekten, nur bedingt möglich. Ein empirischer Ansatz bietet hier eine gute Ausgangsbasis. Sensoren und flächenhafte Aufnahmen geben einen detaillierten Überblick über die aktuelle Situation und die zeitliche Veränderung der Werte. Zusammen mit der Kenntnis der Wirkungsmechanismen werden geeignete Maßnahmen geplant, umgesetzt und schließlich deren positive Wirkung durch Messungen verifiziert. Die Schwammstadt saugt sich voll mit Wasser und Daten.

Kann der Wasserkreislauf heute bereits ganzheitlich in Softwaremodellen abgebildet werden?

Die grundlegenden Eigenschaften von Softwaremodellen und Digitalen Zwillingen sind Detaillierungsgrad und Aktualität. Ein gewisser Grad an Vereinfachung und Generalisierung ist aus Kosten- und Performance-Gründen wichtig. Die Betrachtung des Wasserkreislaufes erfolgt im Grunde ganzheitlich, einzelne Aspekte werden jedoch hinsichtlich von gesteckten Zielen abgebildet. Mit dieser Vorgehensweise hat man „das große Ganze“ im Blick und entwickelt den Digital Twin mit jedem erfolgreich umgesetzten Anwendungsfall weiter – je nach individueller kommunaler Ausgangslage. Die Stadt Münster hat nach dem Starkregenereignis 2014 andere Prioritäten gesetzt als Kommunen, die in Hitzeperioden bereits mit Tanklastwagen die Trinkwasserversorgung aufrechterhalten müssen. Der Digitale Zwilling weist also den Weg in die „Wohlfühlstadt“ und schafft die Grundlagen, damit auch die Stadtplanung vom neuen „Deutschlandtempo“ profitieren kann. Aktuell geben aber noch Genehmigungsverfahren, verteilte Zuständigkeiten, fehlende Vorgaben und Finanzierungsfragen das Tempo vor.

Welche Maßnahmen gelten als besonders effektiv und am schnellsten umsetzbar?

Für den urbanen Raum bedeutet dies zunächst, mehr Grün und Wasser in den Bestand zu integrieren und in der Planung zu priorisieren. Entscheidend für die Schaffung grüner und blauer Infrastruktur ist die Nutzung von Niederschlagsmanagement und Mehrfachnutzungskonzepten für Brauchwasser, um auf die Ergänzung durch Trinkwasser weitgehend verzichten zu können. Der schnellste Hebel ist die Umgestaltung bestehender Grünflächen, mehr Baumbestand und Flächen für Retention und Versickerung. Es folgt die Entsiegelung von Freiflächen durch Teilbegrünung und neuartige wasserdurchlässige Beläge. Längerfristige Ansätze sind die Umgestaltung des Straßenraums – mehr Bäume im Straßenbegleitgrün und auch der eine oder andere Parkplatz musste schon einer an den Klimawandel angepassten Baumart weichen. Jeder Baum, jeder Quadratmeter Dachbegrünung und jeder Liter Regenwasser, der nicht in der Kanalisation verschwindet, zählt.

Hitze bedingt Spitzenlasten im Wasserverbrauch. Welche Herausforderungen gehen damit für das Infrastrukturmanagement einher?

Für eine verstärkte Nutzung von Regenwasser und gereinigtem Brauchwasser benötigt es technische Voraussetzungen für Alternativen zur Trinkwassernutzung und gleichzeitig finanzielle Anreize durch eine progressive Preisgestaltung. Mit intelligenten Mess- und Steuerungssystemen wird es zudem möglich sein, Abgabemengen zu begrenzen und zu priorisieren. Die Herausforderung besteht in der Abkehr von der Praxis, alle unterschiedlichen Anforderungen und Verbraucher mit Trinkwasser und einem sehr niedrigen, konstanten Preis bedienen zu wollen. Intelligente Netze sind in der Lage, diese Differenzierung abzubilden. Wie in den Nachhaltigkeitszielen der UN und auch in der Nationalen Wasserstrategie klar dokumentiert, soll jeder Mensch Zugang zu sauberem Trinkwasser haben. Dies bezieht sich aber in erster Linie auf das Glas Wasser zum Trinken und nicht auf die teilweise unsachgemäße Bewässerung von Grünflächen oder die Befüllung privater Swimmingpools.

Es wird auch über Transport von Wasser über weitere Strecken gesprochen? Gibt es systemtheoretische Ansätze, die Kosten und Nutzen neuer Fernleitungen im Vergleich zu lokalen Ansätzen bewerten können?

Kontrollraum von Águas e Energia do Porto – Lösungen für Wasser und Abwassermanagement Verwendung von Digital Twin Technologie von Bentley Systems (Bildschirmansicht WaterSight ist bearbeitet). Quelle: Águas e Energia do Porto

Ziel der Nationalen Wasserstrategie ist es, die zeitliche und regionale Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Es liegt auf der Hand, dass je nach Jahreszeit und geographischer Lage sehr unterschiedliche Ausgangsbedingungen herrschen. Dabei ist die Liste der Maßnahmen klar gegeben. An erster Stelle steht die Anpassung des lokalen Verbrauchs an das lokale Wasserdargebot. Ein entscheidender Baustein sind ortsnahe natürliche und bauliche Speichersysteme, um zeitliche Schwankungen abzufedern. Erst als „ultima ratio“, wenn lokale Ansätze ausgereizt sind, kommen Fernleitungen in Betracht. Es macht keinen Sinn lokale Anpassungsdefizite mit hohen Kosten und Aufwand zu verlagern oder zu verteilen. In Anbetracht der fortschreitenden Klimaveränderungen müssen jedoch auch Fernleitungen für am schwersten betroffene Gebiete als Maßnahme mit eingeplant werden. Fernleitungskorridore sind frühzeitig in die Wassernutzungskonzepte der Länder und den Bundesraumordnungsplan aufzunehmen. Digital Twin Technologie liefert hierbei wichtige Informationen über Kosten, zu erwartenden Nutzen, mögliche Trassenführungsvarianten oder Abschätzung der Bauzeit. Vor dem Hintergrund der absehbaren Klimafolgen in den 2030er Jahren müssen wir umgehend in die Planung von Fernleitungen einsteigen, um sie rechtzeitig in Betrieb nehmen zu können.

Welches Potenzial liegt in einem Paradigma von dezentralen, kanalgebundenen Infrastruktursystemen, die sich im städtischen Raum bisher nicht durchgesetzt haben?

Abwasser wurde lange Zeit als Problem angesehen. Der Begriff „Entsorgung“ beschreibt eine Denkweise, die primär dafür steht, Abwasser möglichst schnell aus der Stadt zu leiten. Der Klimawandel erfordert eine konträre Sichtweise. Regenwasser gehört nicht in die Kanalisation, es ist viel zu wertvoll für das Stadtgrün und das Stadtklima. Auch im Abwasser steckt mehr als man denkt. Über Abwasserwärmerückgewinnung oder die Nutzung in Biogasanlagen wird nachhaltig Energie gewonnen. Nach entsprechender Reinigung kann auch Abwasser als Brauchwasser, für die Bewässerung von Grünanlagen und für gezielte Evapotranspiration zur Kühlung verwendet werden. Digital Twins – basierend auf exakten digitalen Modellen kombiniert mit umfassender Sensorik – sind die Grundlage für den Erhalt des Kanalsystems, eine verursacherbasierte exakte Gebührenerhebung, wie auch die wirtschaftliche Nutzung. Diese innovative Sichtweise und Nutzung fördern innovative dezentrale Strukturen für das Kanalsystem und die eingebundenen Anlagen.

www.bentley.de

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BUSINESS GEOMATICS: Zunehmend ist die Rede von der wasserbewussten Stadtentwicklung. Wie ist die Situation in Deutschland?

Foto: David Außerhofer

Uli Paetzel: Die wasserbewusste Stadtentwicklung, also die in erster Linie die Anpassung der Städte an den Klimawandel mit Hilfe von blau-grüner Infrastruktur, ist technisch erprobt, ökonomisch sinnvoll und hebt die Lebensqualität im urbanen Raum. Wasserrückhalt und Wasserspeicherung sind absolut notwendig zur Klimaanpassung, um sowohl für Starkregen als auch für lange Trockenphasen und Hitzeperioden vorbereitet zu sein. Bisher gibt es in Deutschland sehr viele erfolgreiche Pilotprojekte, es mangelt aber nach wie vor an der Umsetzung in der Fläche. Das Leitbild der wasserbewussten Stadtentwicklung mit grün-blauen Infrastrukturen muss aber gemeinsames Ziel von Wasserwirtschaft und Politik sein und in der Bauleitplanung und Raumordnung verankert werden. Nur durch ein enges Miteinander von Expert:innen in Politik, Wasserwirtschaft, Architektur und Landschaftsarchitektur, Stadtplanung und vor allen den Kommunen mit allen Verwaltungseinrichtungen kann die wasserbewusste Stadtentwicklung bundesweit vorangetrieben werden. Die DWA hat hierfür die „Allianz, Gemeinsam für eine wasserbewusste Stadtentwicklung“ initiiert, bei der bereits viele der oben angesprochenen Gruppen Mitglied sind und das Thema jetzt gemeinsam vorantreiben. Bund und Länder müssen aber zudem die administrativen, finanziellen und rechtlichen Rahmenbedingungen schaffen. Die Finanzierung muss von der Projektförderung auf eine langfristige Finanzierung umgestellt werden, die auch Finanzierungsmöglichkeiten über Abwasserentgelte miteinschließt.

BUSINESS GEOMATICS: Bei Wasser steht die langfristige Versorgungssicherheit bisher kaum zur Disposition. Laufen wir in eine generative Infrastruktur-Schuld? Wie hoch ist der Investitionsbedarf?

Uli Paetzel: Hier müssen wir unterscheiden zwischen dem normalen Sanierungsbedarf zur Instandhaltung der Infrastruktur und den Investitionen zur Anpassung an den Klimawandel, also der Klimaresilienz der Anlagen sowie dem verstärkten Wasserrückhalt. Im Bereich der Instandhaltung besteht in Teilen ein Investitionsstau. Theoretisch müssten die Wasserver- und Abwasserentsorger jährlich zwischen 1,5 und zwei Prozent des Netzes erneuern. In der Realität werden diese Werte aber nicht bundesweit erreicht. Laut der aktuellen DWA-Kanalumfrage, Stand 2020, werden jährlich lediglich ein Prozent des bundesweiten Kanalnetzes saniert. Allein für die Sanierung und Instandhaltung der Infrastruktur wird in den nächsten Jahren viel Geld in die Hand genommen werden müssen. Und das vor dem Hintergrund des Fachkräftemangels. Dazu kommen die Auswirkungen des Klimawandels. Zum einen muss die vorhandene Infrastruktur klimaresilient gestaltet werden, dies bedingt vor allem Investitionen in die Überflutungsvorsorge. Zum anderen verändert sich aktuell das Niederschlagsregime. Vereinfacht beschrieben, mehr Niederschläge im Winter und weniger Niederschläge im Sommer. Wir müssen daher Wasser deutlich mehr zurückhalten. Dies gilt vor allem für die Versickerung zur Grundwasseranreicherung, für den Rückhalt von Wasser in der Stadt. Aber auch bauliche Maßnahmen wie der Aus- oder Neubau von Talsperren dürfen kein Tabu darstellen.

Die Zusammenarbeit verschiedenster Interessensgebiete wie Verkehr, Stadtplanung, Einzelhandel, Investoren wird immer wieder gefordert. In der Praxis funktioniert dies heute selten. Wie kann das anders werden?

Uli Paetzel: Die Politik und auch wir als Wasserwirtschaft können den konstruktiven Dialog und die Zusammenarbeit zwischen Architekt:innen, Landschaftsarchitekt:innen, Stadtplaner:innen, Bauingenieur:innen, Wasserwirtschaftler:innen und der Feuerwehr als maßgebliche Akteur:innen verstärkt unterstützen. Im Emschergebiet haben wir als Emschergenossenschaft schon vor Jahren die Zukunftsinitiative „Wasser in der Stadt von Morgen“ ins Leben gerufen. Ziel war von Anfang an, die verschiedensten Abteilungen in den Kommunen im Verbandsgebiet ins Gespräch zu bringen, damit wirklich alle die Vorteile einer wasserbewussten Stadt kennen und – genauso wichtig – auch die Bedenken anderer Abteilungen frühzeitig mit in die Diskussionen einbeziehen können. Mittlerweile läuft das Projekt unter dem Namen Zukunftsinitiative Klima.Werk weiter, im Fokus steht jetzt auch, die Bürgerinnen und Bürger und Unternehmen mit ins Boot zu holen. Diese Initiative macht viel Arbeit und kostet auch Geld, die Erfolge, also die im Emschergebiet realisierten Projekte, zeigen aber auch deutlich, dass sich der Aufwand sehr lohnt.

BUSINESS GEOMATICS: Welche Erwartungen haben sie an die Auswirkungen der Nationalen Wasserstrategie?

Uli Paetzel: Die Nationale Wasserstrategie ist eine sehr wichtige Initiative der Bundesregierung. Uns freut besonders, dass in der Strategie viele Forderungen der DWA sehr gut aufgenommen werden. Auch der integrative und sektorübergreifende Ansatz ist sehr zu begrüßen. Erfolg setzt aber die konsequente Umsetzung voraus. Insbesondere die Frage der Finanzierung der notwendigen Maßnahmen ist weitestgehend noch offen. Hier wird sich zeigen, ob die Bundesregierung ihre Wasserstrategie auch tatsächlich umsetzen möchte.

BUSINESS GEOMATICS: Was muss die Verbands- und Gremienarbeit auf die neuen Anforderungen reagieren?

Uli Paetzel: Unsere Gremien erarbeiten das Regelwerk für die Wasserwirtschaft, unsere Arbeitsblätter haben zum Teil den Rang von untergesetzlichen Standards. Bei vielen Aufgaben, zum Beispiel bei der Bemessung unserer Anlagen – Entwässerungssysteme, Hochwasserschutzmaßnahmen und vieles mehr – müssen wir den Klimawandel berücksichtigen, und dies findet in unserem Regelwerk bereits statt. Die DWA hat beispielsweise eine Klimakennung für das Regelwerk festgeschrieben. Jedes Regelwerk muss bei dieser Klimakennung auf die Aspekte Klimaanpassung und Klimaschutz überprüft werden. Klimaanpassung heißt vor allem Berücksichtigung von Extremwetterereignissen wie Starkregen und Trockenheit. Klimaschutz betrachtet vor allem die Wasserwirtschaft als Emittent von Treibhausgasen. Ob C02, Lachgas oder Methan, die Wasserwirtschaft muss diese Emissionen noch weiter reduzieren, und auch dies findet sowohl im Regelwerk als auch in der sonstigen Verbandsarbeit viel Beachtung.

BUSINESS GEOMATICS: Steffi Lemke hatte in Interviews mehr Klarheit bei Wasseraufbereitung und Nutzung. Man hält flächendeckende Wasserversorgungskonzepte für notwendig. Haben wir heute bereits die für eine solche systemtheoretische Modellierung notwendigen Konzepte und Softwarelösungen?

Uli Paetzel: Zum Themenkomplex Wasserversorgung möchte ich mich nicht äußern, da hat unser Pendant auf der Trinkwasserseite, der DVGW Deutsche Verein des Gas- und Wasserfachs, deutlich mehr Fachkompetenz. Informationsbedarf haben wir aber auf jeden Fall beim Thema Grundwasser. Wir brauchen ein digitales System zum Erfassen der bundesweiten Grundwasserstände – und Grundwasserentnahmen. Insbesondere die Entnahmen der Landwirtschaft sind mengenmäßig kaum konkret bekannt. Aber nur wenn belastbare Daten über Grundwasserstände, Grundwasserentnahmen und Grundwasserneubildung umfassend vorhanden sind, kann ein intelligentes Grundwassermanagement erfolgen. Und zum Thema Nutzung. Einigkeit besteht bei allen Stakeholdern, dass Wasser für den menschlichen Gebrauch als Trinkwasser und zur körperlichen Hygiene oberste Priorität hat. Danach kommen dann alle anderen Nutzungsarten, von dem Teil der öffentlichen Wasserversorgung, der für die Gartenbewässerung oder das Befüllen von Pools verwendet wird, bis zur Industrie und Landwirtschaft. Aber auch die Mindestwasserführung für ökologisch intakte Gewässer hat eine gleiche Bedeutung. Hier müssen lokal nach bundesweiten Spielregeln Entscheidungen getroffen werden.

BUSINESS GEOMATICS: Welche Kosten kommen gesellschaftlich auf uns zu, wenn wir Wassermanagement und Siedlungswasserwirtschaft in den nächsten Dekaden umbauen müssen?

Uli Paetzel: Seriöse Abschätzungen diesbezüglich sind kaum möglich. Uns liegen auch keine konkreten Zahlen dazu vor. Es gilt aber mit Sicherheit das bekannte Diktum: „Es wird auf jeden Fall deutlich teurer, wenn wir nichts tun.“ Die DWA arbeitet intensiv daran, gemeinsam mit der Politik die Rahmenbedingungen für eine nachhaltige und sichere Wasserwirtschaft zu schaffen. Und die Wasserwirtschaft wird alles dafür tun, die entsprechenden und erforderlichen Maßnahmen in der Praxis umzusetzen.

www.dwa.de

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Hochwasser im Ahrtal am 15. Juli 2021. Foto: Christian / stock.adobe.com

Im Fokus standen Regionen mit großen Unterschieden in der Bevölkerungsstruktur, den sozioökonomischen, klimatischen und hydrologischen Bedingungen auf allen Kontinenten. 45 Extremereignis-Paare (Dürren oder Hochwasser), die im Durchschnitt 16 Jahre auseinanderlagen, kamen so zusammen.

Die Analysen bestätigten die naheliegende Annahme, dass ein angemessenes Risikomanagement im Allgemeinen zu einer Verringerung der Schäden beiträgt. Das Problem liegt woanders: Kam es in einer Region zu Extremereignissen, die es dort in dem Ausmaß noch nie gegeben hatte, war es besonders schwierig, die Auswirkungen abzumildern.

Heidi Kreibich erklärt dies mit zwei Faktoren. Erstens haben Infrastrukturen wie Dämme und Stauseen eine obere Bemessungsgrenze, bis zu der sie wirksam sind. Sobald ein Schwellenwert überschritten wird, werden sie auf einen Schlag unwirksam. Zweitens wird das Risikomanagement in der Regel reaktiv nach großen Überschwemmungen und Dürren eingeführt oder angepasst, während vorausschauende Strategien ohne Präzedenzfälle selten sind. Der Grund für dieses Verhalten liegt Kreibich zufolge zum Teil in einer kognitiven Verzerrung, die mit der Seltenheit und früheren Einzigartigkeit dieser Extremereignisse zusammenhängt, sowie in der Natur der menschlichen Risikowahrnehmung: Ereignisse, die man selbst bereits erlebt hat, werden in Zukunft auch eher wieder erwartet.

Das Team identifizierte in der Studie aber auch zwei Erfolgsgeschichten, bei denen die Schäden trotz einer höheren Gefährdung beim zweiten Ereignis geringer waren: Überschwemmungen in Barcelona (1995 und 2018) und an der Donau in Österreich und Deutschland (2002 und 2013). In Spanien sank die Schadenssumme von 33 Millionen Euro auf 3,5 Millionen, die Donaufluten verursachten 2002 Schäden in Höhe von 4 Milliarden Euro, 2013 waren es 2,3 Milliarden. In beiden Fällen waren die zweiten Ereignisse ursprünglich schlimmer: Sie dauerten länger oder es regnete weit mehr.

Drei Erfolgsfaktoren waren den Forschenden zufolge entscheidend: eine wirksame Steuerung des Risiko- und Notfallmanagements, hohe Investitionen in strukturelle und nicht-strukturelle Maßnahmen sowie verbesserte Frühwarn- und Echtzeitkontrollsysteme. Heidi Kreibich sagt: „Wir glauben, dass die Berücksichtigung dieser Erfolgsfaktoren dem aktuellen Trend der zunehmenden Schäden durch Extremereignisse unter den Bedingungen des Klimawandels entgegenwirken kann.“ (jr)

www.gfz-potsdam.de

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Mehr als 2.500 Aussteller aus 50 Ländern haben sich als Aussteller bei der IFAT Munich 2022 angemeldet. Foto: Messe München GmbH

Rund 2.500 Aussteller aus mehr als 50 Ländern erwartet die Messe München bei der IFAT 2022. „Die Vorbereitungen für die Messe laufen auf Hochtouren, alle 17 Messehallen und ein großer Teil des Freigeländes sind belegt. Das ist eine sehr starke Entwicklung – auch im Vergleich zur Rekordmesse im Jahr 2018“, freut sich Stefan Rummel, Geschäftsführer der Messe München, die die IFAT ausrichtet. „Wir erhalten darüber hinaus nach wie vor zahlreiche Anfragen.“

Kein Wunder, denn die Dringlichkeit von Umwelt-, Ressourcen- und Klimaschutz ist stärker denn je im Bewusstsein der Weltbevölkerung verankert. „Aus diesem Grund bringt die IFAT die internationalen Entscheider, Experten und Marktspieler an einem Ort zusammen, um die großen Herausforderungen gemeinsam anzugehen“, führt Rummel aus.

Etwaige Bedenken bezüglich der nach wie vor anhaltenden Corona-Pandemie hat die Messe München dabei nicht. Denn der Veranstalter hat mit der internationalen IAA MOBILITY sowie den Messen EXPO REAL, productronica und der TrendSet bereits in diesem Jahr bewiesen, dass erfolgreiche Großveranstaltungen unter Pandemiebedingungen möglich sind – und dabei durchaus erfolgreich sein können. „Zudem haben sich die Auflagen seit dem Frühjahr erwartungsgemäß entsprechend der pandemischen Lage weiter entspannt“, so Rummel.

Nachfrage in allen Segmenten

Dabei wurden alle Ausstellungsbereiche gut gebucht, zum Teil war die Nachfrage sogar größer als das Platzangebot. In gewohnter Tradition gestalten zahlreiche nationale und internationale Verbände darüber hinaus das Messeprogramm aktiv mit – sei es als Aussteller, mit Sonderschauten, Live-Demonstrationen, Lösungstouren und/oder Vorträgen.

Auf einen großen Zuspruch stößt außerdem die Start-up-Fläche: „Es ist hochspannend zu sehen, wie groß das Interesse von Start-ups an der Messe ist. Sie brauchen dringend den Zugang zu den Märkten, um ihre innovativen Lösungen in die Welt tragen zu können“, zeigt sich Phillip Eisenmann, Projektleiter de IFAT Munich, erfreut über die Entwicklung. „Und damit spiegeln sie genau den Erfolgsfaktor von Messen allgemein und der IFAT Munich im Besonderen wider: Alle relevanten Marktspieler treffen sich von Angesicht zu Angesicht an einem Ort, bauen ihr Netzwerk aus und treiben ihren Geschäftserfolg voran.“

Eröffnung durch Bundesumweltministerin Steffi Lemke

Eröffnet wird die Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft durch Bundesumweltministerin Steffi Lemke und den Bayerischen Umweltminister Thorsten Glauber am 30. Mai um 11 Uhr im Forum Wasser/Abwasser (Halle C3). Im Anschluss findet eine hochkarätige Podiumsdiskussion mit dem Titel „Wie schafft man Veränderung? Von Aktivismus und Politik zu Lösungen und Auswirkungen für die Umwelt“ statt.

Von nachhaltigem Produktdesign über chemisches Recycling bis hin zum Umgang mit Lithium-Ionen-Batterien werden im „Forum Abfall / Sekundärstoffe“ (Halle A5) alle Facetten der Abfall- und Rohstoffwirtschaft beleuchtet. Das „Forum Wasser / Abwasser“ (Halle C3) widmet sich unter anderem der wasserbewussten Stadt, dem Abwasser-Monitoring auf Corona, sauberem Trinkwasser und industriellen Wasserkreisläufen. Auf der „Innovation Stage“ (Halle B4), in Konferenzräumen über den Messehallen und im Conference Center North präsentieren Aussteller, Verbände und Partnerinstitutionen Innovationen und diskutieren Themen wie Data Analytics in der Abfallwirtschaft, Entfernung von Microplastik aus Wässern sowie Baustoffrecycling.

Sonderflächen zur Kreislaufwirtschaft

Vier Sonderflächen widmen sich den Potenzialen der Kreislaufwirtschaft: Die „Prozesswelt Kunststoffrecycling“ (Halle B5) veranschaulicht die Etappen des Kunststoff-Recyclings anhand einer Shampoo-Flasche. Best-Practice-Beispiele der Kunststoffbehandlung zeigt „Gelebte Kreislaufwirtschaft – Stoffstrom Kunststoff“ (Halle A6). Die Themenwelt „Kreislaufwirtschaft Mineralik und Nachhaltigkeit im Bauwesen“ (Halle B4) betrachtet, wie Schadstoffe im Hoch- und Tiefbau entsorgt sowie recyclingfähige Baustoffe gesichert und wieder verwendet werden können. „Wasserstoff in und aus der Kreislaufwirtschaft“ (Freigelände) dokumentiert, wie aus Abwasser emissionsfrei Wasserstoff hergestellt wird und wo dieser einsetzbar ist.

Erstmals bietet die IFAT Munich außerdem geführte Lösungstouren zu speziellen Fragestellungen. Jeder Rundgang dauert 60 bis 90 Minuten, beginnt mit einem Impulsvortrag und besucht bis zu fünf Messestände. 16 Themen stehen zur Wahl, darunter Starkregen und Überflutungsvorsorge, Digitalisierung in der Abfallwirtschaft und die wasserbewusste Stadt. Die Plätze sind jeweils auf 25 beschränkt, am besten schon vor der Messe über die Website der IFAT Munich anmelden. (jr)

www.ifat.de

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Die kombinierte Darstellung von 3D-Punktwolken von ober- und unterirdischer Infrastruktur beginnt sich durchzusetzen. So sollen viele Planungsfragen besser beantwortet werden können. Foto: GEODOC GmbH

Seit nunmehr drei Jahren beschäftigt sich die GEODOC GmbH aus Hamburg mit dem 3D-Laserscanning-Verfahren für Abwasserkanäle und unterirdische Bauwerke. „Kein anderer Bereich in der Inspektionstechnik entwickelt sich derart stark“, sagt Prokurist Lüdeke Graßhoff. Worin liegt diese Dynamik begründet? Vor allem sind dafür die Entwicklungen auf dem Gebiet der Sensorik verantwortlich. Die neueste Generation Laserscanner erreicht sehr hohe Punktwolkendichten und besitzt geringe Baumaße, was für den unterirdischen Einsatz wichtig ist. „Bei einem Scan mit einer Auflösung von sechs Millimetern in 10 Meter Entfernung werden so innerhalb von 60 Sekunden 120 Millionen Messpunkte in den Rohdaten erzeugt“, so Graßhoff. Später bleiben wegen der Überlappung und Bereinigung immerhin noch rund 20 Prozent der Vermessungspunkte übrig.

Immer wieder fragen Kompetenzträger in dem Bereich Abwasser/Kanalmanagement bei GEODOC jedoch nach der mit den 3D-Laserscannern erzielbaren Genauigkeit, schließlich ist sie bei der Profilmaßbestimmung das wesentliche Kriterium für die anschließende Sanierung, aber auch für die Beurteilung der Statik.

Tests belegen Genauigkeit

GEODOC hat daher in Abstimmung mit dem Hersteller Leica Geosystems (Teil von Hexagon) und der DWA (Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V.) eine Referenzmessung realisiert. Daraufhin wurde eine Studie zur Genauigkeitsbestimmung des eingesetzten Messverfahrens durchgeführt. Verantwortlich dafür war das IKT – Institut für Unterirdische Infrastruktur GmbH. Die BERDING BETON GmbH, Hersteller von Betonerzeugnissen für den Straßen- und Kanalbau, stellte verschiedene Rohrprofile bis zu einem Durchmesserbereich von DN 1200mm für die Vermessung zur Verfügung. Zusätzlich wurden auch Profile aus Glasfaserkunststoff (GFK) vermessen. Als Ergebnis liegen die Abweichungen bei den Messungen zwischen 0,01% (0,1mm) und 0,12% (3,5mm). „Damit ist das 3D-Laserscanverfahren circa 15-mal so genau wie die aktuell verfügbaren Messverfahren“, so Graßhoff.

Vor allem auch die Betonrohrhersteller zeigten großes Interesse an diesem Messverfahren, da es bis dato noch nicht möglich war, die Rohrmaße in der Produktion so exakt zu bestimmen. GFK-Formstücke zum Beispiel lassen sich zur Sanierung eines Eiprofils virtuell in 3D planen, so dass sich exakt die maximal mögliche Länge der Formstücke bestimmen lässt, um mit den Formstücken noch um die Bögen zu kommen (siehe Bild rechte Seite unten).

3D-Scanner bei IKT Referenzmessung in DN 1200 Rohr. GEODOC ist Pionier für 3D-Laserscanning im Bereich Abwasser. Das Verfahren ist auch interessant für die genaue Vermessung von Betonrohren oder GFK-Profilen, um 3D-Planungen zu optimieren. Foto: GEODOC GmbH

Weitere Innovation bilden die mobilen Scansysteme, wie etwa der Leica BLK2Go. „Für das Kanalmanagement ist diese Entwicklung von entscheidender Bedeutung, weil wir damit die Möglichkeit erhalten, während der ganz normalen Bewegung das Objekt hochgenau in 3D zu erfassen“, so Graßhoff.

Arbeiten mit dem Roboterhund

Interessant ist auch der Leica BLK ARC, der auch zusammen mit dem Roboterhund Spot von Boston Dynamics eingesetzt werden kann. „Das schafft die Möglichkeit, Sphären zu erreichen, in die keine Kanalrohrkamera vordringen kann, etwa bei verrohrten Bachläufen“, so Graßhoff. Das kontinuierliche Scannen könnte während der normalen Kamerainspektion ausgeführt werden, um die Rohrgeometrie exakt zu vermessen, und das mit einer Datenrate von 420.000 Messpunkten kontinuierlich pro Sekunde, wobei an Schlüsselstellen noch statische Scans möglich sind. „Erste Labor- und Praxisversuche zeigten bereits sehr vielversprechende Ergebnisse“, so Graßhoff.

Tests mit dem Spot zeigten aber, dass der Roboterhund in seinem jetzigen Konzept noch nicht im Kanal eingesetzt werden kann. Vor allem fehlte Spritzwasserschutz, aber auch der autonome Gang durch Wasser war noch nicht zufriedenstellend. „Wir sind aber in engem Kontakt mit Boston Dynamics, um hier die Entwicklung weiter zu begleiten“, so Graßhoff.

Ebenso arbeitet GEODOC eng mit Hexagon zusammen, um den Leica BLK ARC auf einem Kanal-TV-Fahrwagen zu implementieren. Der nächste Schritt sei hier, mit einem Kanal-Kamerahersteller ein professionelles System inklusive Softwareintegration zu entwickeln.

Laserscanner aus der Luft

„Mittlerweile hat es sich etabliert, die unterirdische 3D-Modellierung von Abwasseranlagen und Bauwerken mit jenen der Oberfläche zu verbinden“, so Graßhoff. In diesem Zuge werden Planungen zu den Baustellen an der Oberfläche integriert und etwa Fragen zur Platzierung von Kopflöchern an der Erdoberfläche, den abzusperrenden Bereichen oder zu dem Einfluss von Parkplätzen beantwortet. „Die Baustelle kann durch den Bauleiter sozusagen jederzeit im Büro virtuell begangen werden“, so Graßhoff.

Der Roboterhund Spot von Boston Dynamics, ausgestattet mit einem 3D-Laserscanner. GEODOC testete die Anwendung im Kanalbereich und arbeitete mit Reply und Leica Geosystems zusammen, um einen Leica BLK ARC bei unterirdischer Infrastruktur einzusetzen. Foto: GEODOC GmbH

Im Zusammenhang mit einer Untersuchung von Hochwasserschutzanlagen in Hamburg hat GEODOC einen autonom fliegenden Laserscanner (Leica BLK2FLY) angeschafft. Damit lassen sich zum Beispiel auch Flächen an Kaimauern, Dachflächen, hochliegende Gebäudefronten, Fensterlaibungen, Balkonen und größere Flächen schnell erfassen. Aus diesen Daten lassen sich dann wiederum 3D-Objekte und Vermaschungen erstellen, um somit aussagekräftige Digitale Geländemodelle (DGM) zu erzeugen. „Jetzt wird es möglich, sofort zu erkennen wo zum Beispiel bei einem Hochwasserereignis Handlungsbedarf wäre“, so Graßhoff.

Der BLK2FLY verfügt dafür über verschiedenste Sensoren, wie zum Beispiel LiDAR, Radar, 5 Kameras, GNSS oder SLAM (Simultaneous Localization and Mapping/Simultane Positionsbestimmung und Kartierung). Die Kommunikation läuft über LTE, WLAN und Bluetooth. Speziell durch den GNSS-Empfang mit den Korrekturdiensten kann die Drohne auf zwei Zentimeter genau in der Luft positioniert werden und diese Genauigkeit spiegelt sich dann auch in der LIDAR-Vermessung und den Punktwolken wieder. „Lage- und Höhenpläne, Geländeschnitte, Flächen- und Volumenmessungen sind nun in ganz anderer Qualität möglich“, so Graßhoff.

Über die fünf Kameras erhält das Unternehmen nicht nur ein Livevideo und Kugelbilder, sondern die Punktwolke wird auch fotorealistisch eingefärbt. „Messjobs, die wir bis vor kurzem noch aufwendig in Klettertechnik zum Beispiel auf dem Zeltplanendach des Tennis Center-Courts Rothenbaum durchgeführt haben, sind jetzt ohne größeren Aufwand, ohne Sicherheitsvorkehrungen und ohne riskante Klettertechnik deutlich effizienter abzuarbeiten“, so der Ingenieur.

Es gibt zwar auch bereits Drohnen für den Durchflug im Kanalbereich, diese seien aber noch nicht marktreif für die Vermessung. Entweder liefern die für die visuelle Inspektion gedachten Geräte zu geringe Auflösungen. Oder die spezialisierten Drohnen wie die BLK2FLY seien aufgrund fehlender GNSS-Positionierung und der äußerst hohen Anforderungen an die Hinderniserkennung im autonomen Flug im Kanal noch nicht praktikabel. (sg)

www.geodoc-gmbh.de

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Die Stadtwerke Schwerte haben IoT-Sensoren an zahlreiche Gewässer angebracht. Hier der Bierbach in Schwerte. Technischer Partner war die ZENNER International GmbH & Co. KG. Foto: Stadtwerke Schwerte GmbH

Egal, ob Hochwasser unter einer Unterführung, ein kurz vor dem Überlauf stehendes Regenrückhaltebecken oder das Eindringen von Hochwasser in Geschäfts- und Wohnhäuser – die Herausforderungen infolge des Klimawandels werden künftig steigen. Städte und Kommunen benötigen daher eine bedarfsgerechte und echtzeitorientierte Bereitstellung von Daten über eine IoT-basierte Plattform. „Mit der LoRaWAN-gestützten Überwachung von Pegelständen können diese und viele andere Szenarien mit einer geplanten Ausbringung an neuralgischen Orten automatisch erfasst, mit ergänzenden Daten wie z. B. erwarteten Niederschlagsmengen verschnitten und an die notwendigen Stellen weitergeleitet werden“, berichtet René Claussen, Leiter des Geschäftsbereichs IoT und digitale Lösungen bei der ZENNER International GmbH & Co. KG. Stadtwerke, Feuerwehr oder technisches Hilfswerk können durch die aktuellen Informationen im Bedarfsfall sofort eingreifen und das Problem beheben – im Idealfall sogar noch bevor größere Schäden entstehen oder Leib und Leben in Gefahr geraten.

Auch die Messung von Grundwasserpegelständen durch die LoRaWAN-Infrastruktur lässt sich künftig einfacher managen. „Gerade Sensoren an unzugänglichen Orten können aufgrund der Möglichkeiten von LoRaWAN zuverlässig durch diese Technologie ausgelesen werden. Zudem kann die Öffentlichkeit – in Verbindung mit weiteren Applikationen – über diverse Kommunikationskanäle wie beispielsweise eine Bürger-App oder Smart City Dashboards über die aktuelle Situation informiert werden“, führt Claussen aus.

Stadtwerke Schwerte: Starkregen- und Hochwasserschutz mit LoRaWAN

Um diese Mehrwerte für sich auszutesten, haben die Stadtwerke Schwerte im Rahmen des Starkregen- und Hochwasserschutzes ein Projekt zur Echtzeit-Überwachung von Pegelständen von stehenden Gewässern, Fließgewässern sowie an neuralgischen Punkten mit Unterstützung von ZENNER gestartet. Eine wichtige Rolle spielen dabei IoT-Sensoren. Ziel des Projekts im Anwendungsfeld Starkregen- und Hochwasserschutz war es, die Pegelstände für Hochwasser- und Regenrückhaltebecken zu erfassen, das Monitoring neuralgischer Punkte von Fließgewässern durchzuführen, Niederschlagsmessungen zu erheben sowie die Zustände von Schrankenanlagen zur Sperrung von potenziellen Überflutungsbereichen zu identifizieren.

Dabei soll die Notwendigkeit von Vor-Ort-Kontrollen reduziert werden. „Dafür wurden in einem ersten Schritt repräsentative Standorte, u.a. der Stausee Gehrenbach sowie das Fließgewässer Mühlenstrang, bereits frühzeitig mit LoRaWAN-Sensoren ausgestattet. Derzeit werden in einem zweiten Schritt weitere Sensoren im gesamten Stadtgebiet ausgebracht. Denn mit LoRaWAN lassen sich die Daten von tausenden Geräten und Sensoren über weite Strecken schnell, sicher und mit minimalem Energieverbrauch übertragen“, so IoT-Experte Claussen. Die verbauten Sensoren senden dabei die Zustandsdaten mittels LoRaWAN über das IoT an die entsprechenden Gateways – auch mit Blick auf die Datensicherheit, wie der Leiter IoT und digitale Lösungen erklärt: „Alle Daten werden vor der Übermittlung verschlüsselt.“ Im Rahmen des Schwerter Projekts sollen die Daten zudem in einem Dashboard visualisiert und damit potentiellen Anwendern wie der Feuerwehr oder Baubetriebshöfe zugänglich gemacht werden.

Derzeit bringen die Stadtwerke Schwerte IoT-Sensoren im gesamten Stadtgebiet (rechts) an. Angefangen hat das Projekt mit der Ausstattung repräsentativer Standorte, etwa dem Stausee Gehrenbach (links). Foto: ZENNER International GmbH & Co. KG

Verwaltung und Visualisierung in ELEMENT IoT

Die Verwaltung der Geräte und Datenströme erfolgt in ELEMENT IoT, der Plattform der ZENNER IoT Solutions GmbH. Hier stehen den Nutzern über die integrierte Anwendung IDa flex verschiedene Monitoring-Funktionen zur Verfügung. „Die einfache Bedienbarkeit und die anschauliche Darstellung versprechen dabei eine hohe Akzeptanz“, so Claussen. Zudem können ungewöhnliche Betriebszustände über spezielle Alarm-Dashboards angezeigt werden. „Über entsprechende Schnittstellen wird es ermöglicht, die Daten zudem unkompliziert an die bestehende IT-Landschaft und damit zum Beispiel auch an Geoinformationssysteme anzubinden.“

Bau- und Entsorgungsbetrieb Emden: Echtzeit-Monitoring von Pumpstationen

Im Rahmen wasserwirtschaftlicher Aufgaben ist auch die systematische Überwachung von städtischen Pumpwerken elementar. Der Bau- und Entsorgungsbetrieb Emden (BEE) hat in diesem Rahmen in einem gemeinsamen Projekt mit ZENNER damit begonnen, die Fernüberwachung von Pumpstationen auf Basis von LoRaWAN umzustellen. Das über 500 Kilometer lange Kanalnetz der Emdener Stadtentwässerung umfasst mehr als 200 Pumpwerke. Zu den zentralen Aufgaben gehören der Werterhalt der technischen Anlagen samt Kläranlage sowie ein sicherer Gewässerschutz. „Um die Daten der Pumpstationen künftig über das IoT zu übertragen, nutzt der BEE das bestehende LoRaWAN-Netz der Stadtwerke Emden, die bereits 2019 mit dem Aufbau des Netzes begannen. Seitdem wurden diverse Anwendungsfälle erfolgreich umgesetzt, darunter beispielsweise die Fernauslesung von Schachtwasserzählern oder die Erfassung von Zustandsdaten im Niederspannungsnetz“, berichtet René Claussen.

Nun kommt die Echtzeit-Fernüberwachung der Pumpstationen hinzu. Die verbauten Sensoren übertragen dafür Zustandsdaten mittels LoRaWAN über das Internet der Dinge an die entsprechenden Gateways. Die Umrüstung kann dabei schnell und einfach umgesetzt werden, sofern in den Pumpstationen die Voraussetzungen für den Einsatz von universalen Sensoren gegeben sind – z.B. durch potenzialfreie Kontakte an der vorhandenen Technik. Im Projekt in Emden werden spezielle LoRaWAN-Sensoren zur Überwachung von potentialfreien Kontakten eingesetzt. Sobald eine Meldelinie einen Alarm auslöst, wird dies dem Sensor über den entsprechenden Kontakt mitgeteilt. Darüber hinaus wird der Alarm weiter alle 30 Minuten im Alarm-Dashboard angezeigt.“

Wird der Alarm schließlich aufgehoben, erfolgt eine Benachrichtigung per SMS. Tritt ein Stromausfall ein, werden die Sensoren mit einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) weiterbetrieben und können auch weiterhin Nachrichten senden. So kann eine lückenlose Überwachung sichergestellt werden, auch für Situationen, in denen steigende Pegelstände zum Problem werden können. So gelingt es in maßgeschneiderter und adaptiver Ausprägung ein kontinuierliches Monitoring der Pumpen zu gewährleisten.

Effizienzgewinn im kommunalen Alltag

„Das Beispiel zeigt: LoRaWAN schafft an vielen Stellen Effizienz im kommunalen Querverbund“, so Claussen. Vielerorts würden bereits durch regionale Stadtwerke und Versorger betriebene LoRaWAN-Netze bestehen, die von anderen Unternehmen und Fachbereichen ohne großen Aufwand genutzt werden können. Auch können Sensoren und Messgeräte für eine Vielzahl von weiteren Smart City-Anwendungen – etwa Smart Waste, Smart Parking oder die intelligente Straßenbeleuchtung – unkompliziert in das bestehende LoRaWAN-Netz integriert werden. Der IoT-Experte resümiert: „Die Effizienz des Netzes steigt dabei mit jedem neuen Projekt. Synergien, z.B. zwischen Versorgern und lokalen Entsorgungsunternehmen, können so ideal genutzt werden.“ (jr)

www.bee-emden.de

www.stadtwerke-schwerte.de

www.zenner.de

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Das Thema BIM wird in der Wasserwirtschaft bisher eher in gemäßigtem Tempo vorangetrieben. Ein Grund dafür ist das Alter der Kanalnetze. Foto: Shutterstock (O-IAHI)

Die BIM-Methodik wird bereits seit langem von der Politik gepusht. Grundsätzlich hat BIM seine Wurzeln im Hochbaubereich. Für die Wasserwirtschaft sind dort folglich mit Ausnahme von Ingenieursbauwerken nur wenig Blaupausen für Prozesse und Datenmodelle zu finden. Dass das Thema eher im Bereich Leitungsinfrastruktur in gemäßigtem Tempo adaptiert wird, hat vielerlei Gründe. Zunächst das Alter: Kanalbauten gehören in Deutschland zu den mit Abstand ältesten Infrastrukturbauten – – etwa 7 Prozent aller Kanäle und Haltungen in Deutschland sind nach Angaben des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit älter als 100 Jahre. Da die BIM-Methode jedoch den gesamten Lebenszyklus von Infrastrukturobjekten umfasst, hat der Bereich Abwasser eine Sonderstellung. Weil die Betriebsphase im Vergleich die weitaus teuerste Phase ist, sei zudem die „Diskussion derzeit sehr stark auf die Themen Vertragsgestaltung und Planung fokussiert“, so die DWA-Publikation.

BIM noch nicht in Wasserwirtschaft angekommen

In der deutschen Wasserwirtschaft ist die BIM-Methodik also nur geringfügig angekommen. Manche Experten, wie etwa Markus Vogel der VOGEL Ingenieure GmbH aus Kappelrodeck, vermuten, dass „sich BIM bei der breiten Masse der Netzbetreiber bei öffentlicher Kanalinfrastruktur auf absehbare Zeit nicht durchsetzen lassen wird”. Grund hierfür seien die strukturellen Herausforderungen im personellen Bereich bei den meisten der Kommunen. Das gilt vor allem für kleinere Kommunen und Netzbetreiber. Ohne maßgebliches Wissen des Bauherrn lasse sich BIM nicht umsetzen. Denn die Qualifikation der Mitarbeiter, insbesondere jene bei den Infrastrukturbetreibern, ist entscheidend für den Projekterfolg. Der BIM-Prozess aus Sicht des Bauherrn wirkt sich vor allem auf Planung und Vertragsgestaltung aus. Bei großen Kommunen und Planungsbüros ist die Situation anders. Derzeit wird viel in Weiterbildung investiert, um für die Zukunft gerüstet zu sein.

Markus Schröder von der TUTTAHS & MEYER Ingenieurgesellschaft für Wasser-, Abwasser- und Abfallwirtschaft sieht die notwendige Entwicklung hingegen anders: „Die Akteure der Wasserwirtschaft erkennen zunehmend, dass die BIM-Methodik und der daraus resultierende digitale Zwilling ein Kernelement der Digitalisierung und der sogenannten Wasserwirtschaft 4.0 ist.“ In der Folge müssen, so Schröder, massive Investitionen erfolgen bzw. Ressourcen bereitgestellt werden, „andernfalls wird Deutschland auch hier wie in anderen Bereichen der Digitalisierung den Anschluss verlieren.“

Experten gehen davon aus, dass sich die Anforderungen an Ausbildung, Studiengänge und Qualifikationen in den nächsten Jahren stark verändern werden. Stand in der Vergangenheit für viele Aufgaben die Notwendigkeit einer handwerklichen Ausbildung im Mittelpunkt, sind bereits heute und in der Zukunft zunehmend auch Kenntnisse in der Anwendung von IT/IoT­Systemen gefragt. Vor diesem Hintergrund gilt bei Fachleuten als unbestritten, dass mit der Wasserwirtschaft 4.0 respektive BIM ein gut strukturierter Change­Management­Prozess für alle Mitarbeitenden erforderlich ist. Da Wasserversorgung und Abwasserentsorgung eng zusammenhängen, wird auch hier ein besser abgestimmtes Verfahren gefordert – vor allem wird moniert, dass Datenströme noch zu wenig abgestimmt werden.

Der Digitaler Zwilling

Darüber hinaus empfehlen die Experten, dass BIM-basierte Prozesse in kleinen Schritten eingeführt werden sollten, um die Gefahr von Fehlinvestitionen zu reduzieren. Die 3D­Modellierung ist der erste Schritt weg von der klassischen, immer noch sehr weit verbreiteten, 2D­Zeichnungserstellung im Sinne eines „digitalen Zeichenblattes“. Damit steigen jedoch gleichzeitig die Anforderungen an die Bestandsvermessung, denn mit der Durchgängigkeit und der Verlässlichkeit der Prozesse entsteht die Anforderung, dass die virtuelle Abbildung eines Assets eine funktional exakte Kopie der Realität darstellt. Doch ein Digitaler Zwilling ist weit mehr als ein geometrisches 3D-Modell. Er steht auch bei der Siedlungsentwässerung im Zentrum von BIM, umfasst aber ein komplettes Informationsmanagement. Alle Informationen werden über ein semantisches Modell verfügbar gemacht, ohne eine redundante Datenhaltung aufzubauen. Die jeweiligen Primärsysteme behalten ihre Aufgaben für Datenpflege und Aktualisierung, sind aber eng miteinander verknüpft (Stichwort: Connected Data Environment; CDM), sodass für den Anwender eine umfassende Datenverfügbarkeit gewährleistet ist – auch bei dezentraler IT- und Softwareinfrastruktur.

In der Wasserwirtschaft liefert der Digitale Zwilling dann den Zugang zu allen relevanten Informationen zur Steuerung der Geschäftsprozesse, der technischen Dokumentation und der Betriebsdaten in aktueller Form. Man bezeichnet dieses Konzept auch als „Single Source of Truth“, dass über den gesamten Lebenszyklus der Anlage fortgeschrieben werden muss – einschließlich des Rückbaus von Anlagen. Es ist die Grundlage für den Einsatz von Künstlicher Intelligenz, etwa in Form von Assetbewertungen oder für Augmented Reality-Anwendungen, beispielsweise im Rahmen der Instandsetzung.

Die Sicht des Planers

Unter der Mitwirkung von Michael Hippe, Geschäftsführer von Fischer Teamplan, einem der großen Ingenieurbüros in Deutschland im Bereich Leitungsbau und Leiter des Fachausschusses BIM im Verband der zertifizierten Sanierungsberater (VSB), wurden zwar schon Handlungsempfehlungen und Muster für einen BIM-Abwicklungsplanung entwickelt. Hippe sieht aber vor allem bei der Entwicklung von Daten- und Schnittstellenstandards noch Nachholbedarf. Die Vorgaben der internationalen Industry Foundation Classes (IFC-Norm) reiche für die Belange der Entwässerung bei weitem nicht aus. „Sie ist nur äußerst rudimentär. Was allgemeine Bauwerke betrifft, sind sie zwar anwendbar, spezielle Bauteile und Einbauten, und das ist im Bereich Kanal der überwiegende Teil, werden aber überhaupt nicht behandelt“, so Hippe. Die Bereiche Straße oder Schiene seien bei BIM im Allgemeinen weiter.

Die Ursache dafür liegt in der Komplexität des Zusammenhangs aller Versorgungsmedien, der geografischen Ausdehnung der Infrastruktur sowie der geringen Standardisierung der Bauwerke, die mehr als 100 Jahre alt sein können. „Im Leitungs- und Kanalbau sind Planer auf das gesamte Umfeld angewiesen, etwa für Kollisionsprüfung“, so Hippe. Die Informationen zu allen betroffenen Leitungsmedien liegen aber gar nicht einheitlich vor. Auch nicht beim geologischen Aufbau des Untergrunds, der beim Kanalmanagement wichtig ist. „Erst wenn alle diese Daten vorliegen, zahlt sich der BIM-Prozess auch in betriebswirtschaftlicher Sicht aus“, so Hippe.

Umfassende Kanalinformationssysteme als Standard

Dabei gibt es auch Facetten, bei denen die Entwässerung vorne ist. Etwa bei der 3D-Abbildung des Kanalsystems. „Bei anderen Medien ist man schon froh, wenn überhaupt 2,5D-Informationen angegeben sind, die Höhenlage also mit einem Kennwert versehen ist“, so Hippe. Gerade im dicht besiedelten und städtisch geprägten NRW beispielsweise gehören umfassende Kanalinformationssysteme zum Standard und „dementsprechend gut ist auch die Datenlage“, so Hippe. Ländliche Regionen kommen in der Regel nicht an diese Datenqualität heran.

Hinzu kommt: Viele Betreiber sehen das Problem der Kritischen Infrastrukturen und sind sehr zurückhaltend gegenüber der Datenabgabe, was für einen BIM-Prozess natürlich kontraproduktiv ist. Das ist insbesondere für kleinere Projekte wie etwa Teilsanierungen nachteilig. „Wir brauchen vor allem maßnahmenbezogene Daten, etwa von einem zu sanierenden Teilabschnitt, da dürften bei der Datenabgabe die sicherheitsrelevanten Risiken gering sein“, so Hippe. Wobei noch nicht einmal die Planer wie etwa Fischer Teamplan profitieren, für die ist der Aufwand eher höher. „Die Vorteile liegen beim Auftraggeber, weil sie das BIM-Modell nahtlos in den Betrieb übernehmen können.

Objektkataloge fehlen noch

Zentraler Punkt ist auch das Fehlen elaborierter BIM­Objektkataloge, die für die Wasserwirtschaft typische Infrastrukturelemente abdecken, also etwa Armaturen oder Pumpen. Mit frei verfügbaren Bauteilbibliotheken kann auch die „Hemmschwelle“ der Betreiber und Planer beim Einsatz von BIM reduziert werden, da sich die erforderlichen Vorarbeiten, zumindest für die geometrischen Modelle, deutlich reduzieren.

Zwar ist in der DWA ein Fachausschuss entstanden, der sich mit unter anderem gemeinsam mit dem DVGW mit den Herausforderungen bei der Erstellung von Objektkatalogen für die Entwässerung befasst. Doch bei den am Markt angebotenen BIM-Softwaretools tut sich noch wenig. „Es gibt zwar viele Programmierer, die Objektkataloge programmieren können, sie scheuen es aber, weil es keine verbindlichen Anhaltspunkte gibt und so die Gefahr droht, dass das technologische Investment verloren geht “, so Hippe. Noch mehr ins Detail in diesem Zusammenhang geht Markus Schröder: „Es werden überall in der Branche Objekte generiert, jedoch ohne, dass dies systematisch erfolgt. Hier liegt das eigentliche Problem.“

Doch es gibt auch einige Sonderfälle einer dynamischen Entwicklung, etwa bei der Kanalsanierung (siehe Beitrag Seite 2 und 3), also ein Bereich, in dem schon immer sehr kleinteilig gedacht und geplant werden musste. Die Arbeit mit Kanalinformationssystemen gehört in diesem Bereich zum Standard. „Der Nutzen stellt sich auch schnell ein“, beschreibt Hippe, allerdings muss man sich dabei pragmatischer Lösungen bedienen, besonders was die Standards bei der Datenmodellierung angeht. So werden häufig Zwischenlösungen genutzt, die an Isybau oder die bestehenden DWA-Normen andocken. So könne man BIM schon improvisiert praktizieren und lernen. (sg)

www.dwa.de

www.fischer-teamplan.de

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Der Wupperverband betreibt insgesamt 14 Talsperren. Eine davon ist die Große Dhünn-Talsperre, die zwischen 1975 und 1985 gebaut und zur Trinkwasserbereitstellung genutzt wird. Foto: Pixabay (Allodium)

Der Wupperverband gehört mit einem Einzugsgebiet von über 800 km² zu den größten Wasserwirtschaftsverbänden Deutschlands. Insgesamt betreibt das kommunale Unternehmen 14 Talsperren, elf Klärwerke, eine Schlammverbrennungsanlage und weitere Anlagen, zum Beispiel Hochwasserrückhalte- und Regenbecken. Jedoch dreht sich beim Wupperverband nicht alles ums Thema Wasser: insbesondere an den Trinkwassertalsperren ist das Unternehmen mit Sitz in Wuppertal für die Erhaltung der Schutzwälder verantwortlich. Diese dienen zum einen der Verminderung der Hochwassergefahr, zum anderen zum Zurückhalten von Sediment und Stoffeinträgen. Doch die sich immer weiter verändernden klimatischen Bedingungen gefährden die Schutzwälder rund um die Trinkwassertalsperren zusehends.

Für den Wupperverband war in diesem Zusammenhang klar, dass neue, angepasste Maßnahmen vorgenommen werden müssen, um die Wälder zu schützen. Basis dafür können zum Beispiel die Sentinel-Satelliten des europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus sein. Diese liefern einen Datenschatz, der für vielfältige Anwendungen nutzbar gemacht werden kann. So auch in der Wasserwirtschaft, etwa beim Gewässermonitoring. Um die Copernicus-Daten jedoch wirklich gewinnbringend nutzen zu können, fehlt es der Branche vielerorts noch an Fernerkundungsfachwissen. Zumal bis dato auch die hohen zeitlichen Bearbeitungsaufwände bei der Analyse der riesigen Datenmengen ein Hindernis für die Etablierung des Copernicus-Dienstes in der Wasserwirtschaft darstellte.

Um das zu ändern, wurden im Forschungsprojekt WaCoDiS (Wasserwirtschaftliche Copernicus-Dienste zur Bestimmung von Stoffeinträgen in Gewässern und Talsperren im Rahmen des Umweltmonitorings) nun erste, wichtige Schritte zur Nutzung der Sentinel-Daten in der Wasserwirtschaft verwirklicht. Die im Projekt entwickelte prototypische Geodateninfrastruktur ermöglicht die vollständig automatisierte Auswertung von Satellitenbildern. Mithilfe einer durchgeführten Bedarfsanalyse können darüber hinaus zukünftige Entwicklungen von Auswertealgorithmen an den Bedürfnissen der Fachbereiche der Wasserwirtschaft ausgerichtet werden.

Zielsetzung

Ziel des WaCoDiS-Projekts ist es, die Copernicus-Daten für die Wasserwirtschaft nutzbar zu machen und auf diese Weise die Effizienz des Umweltmonitorings zu steigern. Die Vorteile der Copernicus-Daten sind die hohe räumliche Auflösung (bis zu 10 Meter), die gute zeitliche und auch räumliche Abdeckung sowie die kostengünstige Nutzung für das Gewässermonitoring. Außerdem wurde im Projekt eine iterative Bedarfsanalyse durchgeführt, auf deren Basis schließlich eine Liste mit rund 50 Fernerkundungsdatenprodukten für das Gewässermonitoring entwickelt wurde. Eines dieser Produkte ist die sogenannte Vegetationsdichte-Analyse.

Da die Sentinel-Daten bei Wolkenfreiheit eine Aktualität von drei bis fünf Tagen ermöglichen, kann dies im Rahmen der Vegetationsdichte-Analyse zu einer schnellen Schadensfallerkennung beitragen und eine flächenmäßige Übertragung des Schadens verhindern. Als Auswertemethode können hierbei zum Beispiel die Berechnung des NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) sowie ein Vergleich zu vorherigen Zeitpunkten eingesetzt werden.

Eine weitere Anwendung des Algorithmus zur Bestimmung der Vegetationsdichte ist die monatliche Veränderung von Waldflächen in den Sommermonaten oder die ad-hoc-Auswertung zweier definierter Zeitpunkte, wenn beispielsweise ein Wetterereignis die Waldvitalität stark verändert haben könnte. Durch Hinzunahme weiterer Daten und Parameter lässt sich in der Folge eine verbessertes Schadensmonitoring aufbauen. Die Erfassung des Vitalitätszustands des Waldes ist dabei momentan noch ein rein manuelles Verfahren, welches durch Informationen aus Fernerkundungsdaten profitiert und auf die gesamte Fläche ausgeweitet wird.

Weitere Produkte auf Copernicus-Basis

Ein weiteres Produkt auf Basis der Copernicus-Dienste in der Wasserwirtschaft ist die detaillierte, intraannuelle Landbedeckungsklassifikation. Zum einen lassen sich aus den identifizierten Landbedeckungsklassen weitere Produkte wie zum Beispiel der Versiegelungsgrad generieren, zum anderen können mithilfe der Ergebnisse beispielsweise die Strukturen von Uferradstreifen zur Verhinderung von erhöhten Stoffeinträgen von Ackerland in das Gewässer untersucht werden.

Die sogenannte unterjährige Landbedeckung bietet damit den Vorteil, einen Wechsel der Ackerbepflanzung zu erkennen. Durch eine monatlich ausgeführte Erhebung lassen sich so unter anderem Offenbodenflächen detektieren. Diese Flächen sind besonders anfällig für Bodenerosion und können in erhöhten Sedimenteinträgen in Gewässern resultieren, was es zu verhindern gilt.

Mithilfe des Vital-Dashborads konnten die WaCoDiS-Partner den Vitalitätszustand rund um Gewässer auf Basis von Copernicus-Daten überwachen. Grafik: Wupperverband

Auch die Überwachung von Chlorophyllwerten mittels Copernicus-Erdbeobachtung ist ein im WaCoDiS-Projekt entwickeltes Produkt für die Wasserwirtschaft. Diese kann die manuelle Beprobung ergänzen und auf die Fläche ausweiten. Auf diese Weise lassen sich zum einen Hot Spots erkennen, zum anderen können alle Talsperren gleichzeitig für denselben Zeitraum betrachtet werden. Durch die kurze Wiederholrate bei Wolkenfreiheit lässt sich eine fortlaufende Messkurve für alle Talsperren aufbauen, welche die manuellen Beprobungen ergänzt. Die Variation der Messungen < 10µg/l ist in der Anwendungspraxis z.B. für die Bewertung nach Wasserrahmenrichtlinie von Bedeutung und ermöglicht es auf lange Sicht, die interannuelle Entwicklung der Trophie wie auch der saisonalen Dynamik zu überwachen. Hierdurch können sich die Erkenntnisse aus der Fernerkundung dazu nutzen lassen, Problemgewässer mit erhöhter Trophie zu erkennen.

Fazit

Insgesamt bietet das Auslösen von Vor-Ort-Überprüfungen durch Auffälligkeiten im Satellitenbild bereits eine Arbeitserleichterung. Weiterhin ist die Bereitstellung von aktuellen Daten mehrmals im Jahr ein Quantensprung. Die aus dem Projekt WaCoDiS resultierenden Arbeiten legen den Grundstein, um den Datenschatz Sentinel-Daten auch für die Wasserwirtschaft heben zu können. Limitationen sind zurzeit noch die Abhängigkeit vom Wetter, eine ausschließliche Erhebung der oberflächennahen Schicht sowie eine zu geringe Auflösung für eine Erfassung struktureller Komponenten.

Das WaCoDiS-Projekt wurde im Rahmen des Forschungsförderungsprogramms mFUND durch das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) gefördert. Die Ergebnisdaten sind zur Weiterverwendung in der mCloud veröffentlicht. (jr)

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