Wasserresilienz - Innovative Management- und Betriebskonzepte für zukunftssichere und resiliente Wasserinfrastrukturen

Wasserversorgung der Zukunft (WaZ)

Der Klimawandel verändert das Wasserdargebot, aber auch die Wassernutzungen mit zunehmender Geschwindigkeit. Die bisherige Annahme der zeitlichen Stationarität für Planungsprozesse und in der Wasserversorgung gilt nicht mehr. Im Projekt ‚Wasserresilienz‘ werden daher folgende dynamische Lösungen erarbeitet: (i) eine vorausschauende Grundwasser-bewirtschaftung mit einer auf Künstlicher Intelligenz (KI) basierenden Energieoptimierung; (ii) ein proaktiver Brunnenbetrieb zur Verbesserung der Rohwasserqualität bei der Uferfiltration und (iii) eine integrierte Bewirtschaftung von Nutzwasser, einer alternativen Wasserressource für Nicht-Trinkwasserzwecke in Stadt und Land, um Trinkwasserressourcen zu schonen. Die Resilienzsteigerung durch die Lösungen wird bewertet und die Übertragbarkeit der Lösungen auf andere Standorte gezielt gefördert.

 

Instationarität ist das neue Normal

Bis Anfang dieses Jahrtausends waren Systeme für das Management von Wasser durch die Annahme einer Stationarität gekennzeichnet (d.h. Schwankungen bewegten sich innerhalb eines historisch etablierten Erfahrungsspektrums), die es bisher zuließ Ressourcen und technische Anlagen in einem weitgehend konstanten Planungsfenster über lange Zeiträume zu bewirtschaften. Die Auswirkungen des Klimawandels erodieren diese Annahme: Extremereignissen wie Starkregenniederschläge mit extremen Überflutungen und langanhaltenden Trockenzeiten und Dürren werden häufiger und stärker. Gleichzeitig wird die Wasserqualität schlechter. Dadurch wächst die Planungsunsicherheit für Wasserversorger und planende Ingenieurbüros. Außerdem steigt der Wasserbedarf von Haushalten, für industrielle Kühlwasserzwecke und zur landwirtschaftlichen Bewässerung (stark) an. Dieser grundlegende Wandel von Dargebot und Bedarf stellt Planung und Betrieb der Wasserversorgung und -infrastruktur vor große Herausforderungen. Um der neuen Qualität der Herausforderungen (Nicht-Stationarität, wachsende Unsicherheiten, multiple Verschärfungen) zu begegnen, bedarf es einer Steigerung der Resilienz der gesamten Wasserversorgungsinfrastruktur durch beschleunigte, wirkungsvolle und wirtschaftlich tragbare Anpassungsstrategien. Nur eine Planung und ein Betrieb, die prospektiv, schnell adaptierbar, flexibel und systemweit aufgestellt sind, sowie relevante Prognosen des Dargebots und der Bedarfe berücksichtigen, werden in der Lage sein, eine Versorgungssicherheit bis 2050 und darüber hinaus zu gewährleisten.

Vorausschauende Lösungen und resiliente Strukturen sind gefordert

In zwei Fallstudien (1) Rhein-Main / Frankfurt und (2) Main / Schweinfurt werden innovative Management- und Betriebskonzepte für zukunftssichere und resiliente Wasserinfrastrukturen entwickelt und sollen im praktischen Betrieb in der Realanwendung integriert werden. Als Grundlage zur Entwicklung der Lösungen werden aktuelle und zukünftige Wasserverfügbarkeit, -qualität und -bedarf ermittelt und über Datenbanken den Projektpartnern für die Entwicklung der Management- und Betriebskonzepte zur Verfügung gestellt. Die Wasserversorgung der Metropolregion Frankfurt im Rhein-Main-Gebiet (1) erfolgt Großteils über das Hessische Ried, in dem eine gezielte Grundwasseranreicherung mit klaren Bewirtschaftungszielen die benötigten Wassermengen garantiert. Im Projekt werden die langjährigen Grundwasserdaten und -simulationen als „Lernbereich“ für eine Künstliche Intelligenz (KI) genutzt. Diese KI-Anwendung soll als Assistenzsystem zur Optimierung der Grundwasserbewirtschaftung in Verbindung mit dem Lastenmanagement im Anlagenbetrieb entwickelt werden, was enorme Energieeinsparungen durch die systematische Verknüpfung von Grundwasseranreicherung, Brunnenbetrieb und Wasseraufbereitung verspricht.

Am Main (Fallstudie 2) kommt es saisonal zu ausgeprägten Niedrigabflussphasen mit merklichen Auswirkungen auf die Wasserqualität im Fluss. Für das Uferfiltrationssystem der Stadt Schweinfurt werden deshalb repräsentative Konzepte für einen proaktiven Brunnenbetrieb erarbeitet, die bei Niedrigabflussphasen des Mains weiterhin eine bestmögliche Rohwasserqualität in den Gewinnungsbrunnen gewährleisten. Durch den proaktiven Brunnenbetrieb wird gezielt zeitweise das flussseitige Grundwasser abgeschirmt bzw. zeitweise der landseitige Zustromanteil erhöht. Darüber hinaus werden in der Stadt Schweinfurt und im Umland alternative Wasserressourcen (sogenanntes Nutzwasser und gesammeltes Regenwasser) in die Planung der klimaresilienten Strukturen integriert. Damit ergänzen die alternativen Wasserressourcen das Wasserdargebot für Anwendungen, in denen keine Trinkwasserqualität benötigt wird, wie beispielsweise als Löschwasser oder zur Bewässerung urbanen Grüns und landwirtschaftlicher Flächen), und tragen so zu einer Diversifizierung der Wasserversorgung bei.
 

Den Wandel aktiv gestalten und Best Practices verbreiten

Das Ziel des Projekts Wasserresilienz ist, die Erkenntnisse und Best Practices des integrierten Wasserressourcenkonzepts für Nicht-Trinkwasser auf die Metropolregion Frankfurt und andere Städte zu übertragen, anzupassen und anzuwenden. Außerdem werden neben der Erfassung von Kosten und Umweltwirkungen der Lösungen auch quantitative Bewertungsmaßstäbe für die Resilienz und die Anpassungsfähigkeit der gesamten Wasserversorgungsinfrastruktur im Rahmen dieses Projektes entwickelt und in den Fallstudien angewendet. Diese ermöglichen einen fundierten Vergleich von Lösungsvorschlägen mit dem Status quo auf dem strategischen Planungshorizont 2050, damit wir unsere Wasserversorgungsinfrastrukturen im anstehenden Investitionszyklus resilienter gestalten können!

Projektleiter	Prof. Dr.-Ing. Jörg E. Drewes  Dr.-Ing. Benedikt Aumeier
Sachbearbeiter	Philipp Gigla, M.Sc.
Kooperation	Technische Universität München, Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft (TUM) Kompetenzzentrum Wasser Berlin  BGS Umwelt GmbH  Hessenwasser GmbH & Co. KG  Stadtwerke Schweinfurt GmbH  Stadtentwässerung Schweinfurt Okeanos Smart Data Solutions GmbH envi-systems GmbH iat – Ingenieurberatung GmbH
Finanzierung	BMBF