Neue Simulation für Trinkwasserschutz

Online-Überwachung von Trinkwasserleitungen - Der biologische Breitbandsensor AquaBioTox reagiert unmittelbar auf Gefahrstoffe im Wasser

An die Trinkwasserqualität werden in Deutschland hohe Anforderungen gestellt. Experten haben neue Technologien für ein umfassendes Monitoring, Frühwarn- und Notfallmanagement-System entwickelt.

Stadtwerke und Wasserbetriebe schützen die Trinkwasser-Versorgungsnetze vor Verunreinigungen, aber auch möglichen Manipulationen. Täglich werden Proben entnommen und untersucht. Doch die Analyse im Labor ist zeitaufwendig. Für die fortlaufende Überwachung sind Methoden und Tools erforderlich, die vorbeugen, Kontaminationen schnell erkennen und auch unerwartete toxische Substanzen erfassen.

„Um die Bevölkerung zu schützen, muss man die Gefahrenstoffe möglichst schnell entdecken und wissen, wie sie sich ausbreiten“, erklärt Dr. Thomas Bernard, Spezialist für Strömungsmodelle am Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB in Karlsruhe. Im deutsch-französischen Projekt „SMaRT-OnlineWDN“ (Online Security Management and Reliability Toolkit for Water Distribution Networks) haben der Wissenschaftler und sein Team gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung Werkzeuge entwickelt, mit deren Hilfe Wasserversorger rasch reagieren und im Notfall Gegenmaßnahmen zum Schutz der Bevölkerung einleiten können.

Der Weg des Wassers

Ein mathematisches Modell zur Simulation der Hydraulik des Trinkwasserversorgungsnetzes und der Ausbreitung von Qualitätsparametern im Rohrleitungssystem übernimmt gleich mehrere Aufgaben. Auf Basis zahlreicher Simulationen lässt sich ermitteln, wo Sensoren optimal platziert werden, um Verschmutzungen frühzeitig zu erkennen. Darüber hinaus hilft das Online-Simulationsmodell bei einem Alarm, die Quelle der Verunreinigung einzugrenzen. Hierfür entwickelten die Forscher einen Algorithmus, der die Quelle der Kontamination lokalisiert und ermittelt, wohin sich die Verunreinigung in den nächsten Stunden ausbreiten wird.

Tests im Technologiezentrum Wasser TZW in Dresden, wo ein komplexes Leitungsnetz aus Plexiglas aufgebaut ist, halfen dabei, ein lernfähiges Detektionsmodul zu etablieren. Im Dresdner Zentrum registrieren Sensoren die Bewegung des Wassers. Mit Hilfe der Messwerte konnte der Physiker seine Computersimulationen optimieren. Das Ziel: die Bewegung des Wassers im Leitungssystem ganzer Städte zu berechnen – in Echtzeit.

Alarm nur im Notfall

Eine lernfähige Software berücksichtigt aktuelle Messwerte wie die Trübung, die Temperatur, den Druck, den Chlor- und Sauerstoffgehalt, den pH-Wert und die bakterielle Belastung des Wassers. Werden kritische Werte erreicht, schlägt das System nicht sofort Alarm, sondern sucht zuerst nach möglichen Ursachen. „Mehr als 90 Prozent aller Anomalien gehen auf veränderte Betriebszustände zurück und sind kein Grund zur Beunruhigung“, erläutert Dr. Thomas Bernard.

Das neue System ist in Straßburg bereits im Einsatz und überwacht in Echtzeit die Wasserqualität im Netz. Künftige Modelle sollen noch mehr können: Im deutsch-französischen Projekt „ResiWater“ arbeiten die Forscher an der Weiterentwicklung der Technologie.

Bild: Der biologische Breitbandsensor AquaBioTox reagiert unmittelbar auf Gefahrstoffe im Wasser, © Foto Fraunhofer IOSB