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Smarte Messboje: Gewässer-Schadstoffe effektiv im Blick

Innovatives Monitoringsystem kombiniert Methoden aus Gewässeranalyse und Fernerkundung – Grundlage für das Verständnis der Dynamik der Wasserqualität und den Schutz aquatischer Ökosysteme
Forscherin mit Boje auf einem See
Derzeitige Einsatzmethode des Multialgensensors – künftig wird sie im Verbund mit weiteren Sensoren automatisiert von Bojen aus betrieben. (Foto: bbe Moldaenke GmbH)

Weltweit sind Seen, Flüsse und Küstengewässer durch hohe Nährstoffeinträge bedroht. Zu einem Überangebot (Eutrophierung) führen etwa Nitrat oder Phosphate aus Abwässern oder Düngemitteln. Die Folge: Algen – und mit diesen auch Cyanobakterien (Blaugrünalgen) – wachsen unkontrolliert und können Giftstoffe freisetzen. Für Trinkwasserversorgung und Gewässerschutz ist eine umfassende Gewässerüberwachung daher unverzichtbar. In einem Verbundprojekt entwickeln Forscher des KIT zusammen mit den Firmen ADM Elektronik und bbe Moldaenke nun ein intelligentes Monitoringsystem. Ziel ist es, verschiedene Technologien in einer tiefenprofilierenden Multisensor-Messboje zusammenzuführen, mit der sich Gewässer und insbesondere das Algenwachstum überwachen lassen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Vorhaben. Es ist Teil der Fördermaßnahme „KMU-innovativ“, Anwendungsbereich „Nachhaltiges Wassermanagement“, im Technologiefeld „Ressourceneffizienz und Klimaschutz“.

„Ein guter Zustand unserer Gewässer ist von enormer gesellschaftlicher Bedeutung. Ein weltweites Problem ist allerdings die Schadstoffbelastung, welche die Qualität der Gewässer – beispielsweise als Trinkwasserressource, Schutzgebiet oder Aquafarming-Standort – stark beeinträchtigen kann. Insbesondere die Blüten von Cyanobakterien können für Menschen und das Ökosystem gefährliche Giftstoffe freisetzen“, sagt Dr. Andreas Holbach, der das Verbundprojekt  „WAQUAVID“ zusammen mit Professor Stefan Norra am KIT koordiniert. Herkömmliche Monitoringstrategien setzten sich häufig aus einer Vielzahl unabhängig agierender Sensorsysteme zusammen, so Norra. Das erschwere und verlangsame eine integrierte Datenauswertung. „Wir müssen den Gewässerzustand schnell und ganzheitlich erfassen, um mögliche Maßnahmen fundiert, effektiv und unmittelbar ableiten zu können.“

Gesamtziel von WAQUAVID ist daher die Entwicklung einer innovativen Multisensor-Tiefenprofilmessboje. Die Boje wird sowohl bei Untersuchungen der Wissenschaftler vor Ort (in situ) eine Vielzahl von Parametern messen – wie Temperatur, Sauerstoffkonzentration, Algengehalt und Treibhausgase – als auch ferngesteuert ein gezieltes Entnehmen von Wasserproben ermöglichen. Diese Messmethode ist sehr genau, aber lokal begrenzt. Um auch größere Wasserflächen untersuchen zu können, nutzen die Forscher zusätzlich hyperspektrale Fernerkundungsdaten: Fluggeräte wie Drohnen, Flugzeuge oder Satelliten zeichnen dazu die spektralen Eigenschaften – vor allem besonders auffällige Merkmale der reflektierten Strahlung – von Wasser, Schwebstoffen, Algen und anderen Stoffen mit sehr hoher Empfindlichkeit großflächig auf. Über spezielle Auswertealgorithmen lassen sich daraus Parameter ableiten, die in Verbindung mit den Bojendaten den jeweiligen Wasserzustand für ausgedehnte Wasserflächen mit hoher räumlicher Auflösung beschreiben.

Hierfür arbeiten am KIT die Arbeitsgruppe Umweltmineralogie und Umweltsystemanalyse (ENMINSA) – eine gemeinsame Einrichtung des Instituts für Angewandte Geowissenschaften und des Instituts für Geographie und Geoökologie – und das Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung (IPF) mit den beiden Firmen ADM Elektronik (ADM) und bbe Moldaenke (bbe) zusammen.

Künftig soll das Monitoringsystem in Kombination mit der fern-erkundlichen Anwendung eine bedeutende Lücke in der Gewässerüberwachung in Hinblick auf nationale, europäische und internationale Qualitätsansprüche schließen. Insbesondere wird es dabei unterstützen, die ökologische Funktionstüchtigkeit von Gewässern in situ und online zu analysieren. Damit ermöglicht es den zuständigen Behörden und Unternehmen auch, zeitnahe Entscheidungen im Hinblick auf den Erhalt einer hohen Wasserqualität und der Gewässerökosysteme zu fällen.

Ausführlichere Informationen in der Pressemitteilung 117/2016.


le, 29.08.2016