Möglichkeiten zur Verbesserung einer immissionsorientierten Bewirtschaftung von Oberflächengewässern durch eine räumlich hochaufgelöste Umweltüberwachung

Die immer weitergehende Implementierung des Internet der Dinge (Internet of Things bzw. IoT) fördert die Entwicklung verschiedener Anwendungsmöglichkeiten in Industrie, Gesundheitswesen, Landwirtschaft und im Umweltmonitoring. Ihnen liegt die Konzeption weiträumig digital vernetzter Infrastrukturen zugrunde. Die Entwicklung steht im Einklang mit den „Smart Cities“, in welchen die Umwelt als Teil der Datenkommunikation innerhalb urbaner Strukturen einbezogen wird. In derartigen Systemen kann das Monitoring infrastrukturell relevanter Knotenpunkte über Sensoren erfolgen, welche als Teil eines Netzwerkes Daten oder Zustände erheben und speichern. Diese Informationen stehen dann für eine Analyse, bzw. eine vorausgehende Qualitätssicherung und zur weitergehenden Verwendung an anderen Knoten im Netzwerk zur Verfügung (z.B. für eine Steuerung).
Eine Komponente der modernen Stadtgestaltung – auch im Rahmen von Smart Cities – stellt die Gewässerentwicklung und -bewirtschaftung dar. Mit blau-grünen Infrastrukturen soll die Anpassung an Klimafolgen (Stadtklima, Extreme Niederschlagsereignisse, Dürren) gelingen. Im Rahmen integraler Planungen in der Wasserwirtschaft, stellt das Zusammenbringen ökologischer und ökonomischer Aspekte die Akteure vor Ort jedoch häufig vor Probleme bei der Entscheidungsfindung, Maßnahmendefinition und Entwicklung langfristiger Strategien. Kleinräumige Informationen könnten dabei dem verbesserten Verständnis von Gewässer, seiner Dynamik und der Interaktion mit dem Umfeld dienen. Dadurch ließen sich Bewirtschaftungsfragen präzisieren oder Strategien und Prioritäten beantworten. Eine Steuerung technischer Anlagen im Betrieb könnte zielgerichtet ausgerichtet werden.

Mit günstigen, batteriebetrieben Sensoren und einer Einbindung in LoRaWAN (eine Netzwerkspezifikation des IoT) sollen deren Beitragsmöglichkeiten für eine immissionsorientierte Bewirtschaftung von Oberflächengewässern hinterfragt werden. Erste Erfahrungen haben gezeigt, dass solche Sensoren einfach und flexibel eingesetzt werden können. Entsprechend attraktiv sind diese Techniken für den Einsatz im Betrieb. So wird beispielsweise keine externe Energieversorgung oder ein bestehender Leitungsverbund zur Datenübertragung benötigt. Jede Übertragung erfolgt mit kleinen (wenige Bytes), end-to-end verschlüsselten Informationen (Daten) auf Breitbandfrequenzen und zeichnet sich so durch ihre große Reichweite von bis zu mehreren Kilometern aus. Im reinen Batteriebetrieb  können die Sensoren (sofern kein Kontakt mit dem Medium besteht) mehr als ein Jahr wartungsfrei betrieben werden. Die geringen Beschaffungskosten der Technik erlauben zudem einen kostengünstigen Ersatz bei Bedarf. Dies ermöglicht in der Summe eine neue Form der Umweltüberwachung durch die Einrichtung eines niederschwelligen, adaptierbaren und hochaufgelösten Messnetzes zur Gewässerzustandserfasssung. Die Messdaten der Installationen können in einem späteren Schritt als Basis für die Weiterentwicklung verschiedener Werkzeuge in der Wasserwirtschaft dienen.

Team

  • Kollegiat: Benjamin Freudenberg
  • Betreuer: Prof. Dr.-Ing. André Niemann (UDE, Wasserbau und Wasserwirtschaft)
  • Betreuer: Dr. Mario Sommerhäuser(Emschergenossenschaft und Lippeverband)
  • Mentorin: Dr.-Ing. Alexander Hartung (Emschergenossenschaft und Lippeverband)