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Viertes Arbeitstreffen des ReWaM-Querschnittsthemas „Probenahmestrategien und Methoden“

Der Bodensee ist einer der am besten erforschten Seen der Welt – dennoch haben Wissenschaftler noch immer nicht alle Fragen gelöst und alle Prozesse in seinem Inneren vollständig verstanden. In ReWaM forschen mit HyMoBioStrategie und SEEZEICHEN daher gleich zwei Projektverbünde mit unterschiedlichen Fragestellungen am Bodensee. Neben anderen Projektzielen arbeiten die Wissenschaftler auch an innovativen Messmethoden und Probenahmestrategien. Vertreter aus HyMoBioStrategie und SEEZEICHEN engagieren sich in dem ReWaM-Querschnittsthema 2 und luden die Mitglieder der Arbeitsgruppe vom 25. bis 26. Oktober nach Langenargen zu einer Exkursion auf dem Bodensee ein. Der Einladung zum vierten Arbeitstreffen des Querschnittsthemas folgten 31 Teilnehmer aus neun von insgesamt 15 ReWaM-Verbundprojekten.

Teilnehmer des vierten Arbeitstreffens des ReWaM-Querschnittsthemas 2

Die Vermessung des Bodensees
Die erste Hälfte des ersten Veranstaltungstages diente der inhaltlichen Vorbereitung auf die geplante Schiffsausfahrt. Die Wasserexperten lieferten in fünf Vorträgen den thematischen Unterbau, bevor Teilnehmer im weiteren Verlauf des Tages Block und Papier gegen Schwimmwesten tauschten und an Bord des Forschungsschiffs Kormoran gingen. Das Schiff fährt im Dienste des Instituts für Seenforschung (ISF) und liegt für gewöhnlich am Hafen in Langenargen vor Anker. Die erste Station der Wissenschaftler war Kressbronn am nordöstlichen Ufer des Bodensees: Hier findet derzeit eine umfangreiche Renaturierung des Ufers statt, die von dem Projekt HyMoBioStrategie wissenschaftlich begleitet wird. Nach diesem Zwischenstopp nahm die Kormoran Kurs auf den Alpenrhein in südöstlicher Richtung. Hier spüren die Wissenschaftler aus dem Projekt SEEZEICHEN mit Hilfe sensibler Technik Flusswasserfahnen auf. Diese geben den Wissenschaftlern wichtige Hinweise, um

Informationen zur Ausbreitung und Verteilung von oberflächennahen Wassereinträgen zu erhalten. Die letzte Station der ca. sechsstündigen Exkursion befand sich auf Höhe des Zisterzienserklosters Mehrerau bei Bregenz. Hier befinden sich Bereiche, in denen Grundwasser in den Bodensee dringt. Die Forscher interessiert, wo und in welchen Mengen Grundwasser in den See strömt und wie es sich im seeweiten Kontext ausbreitet.

Demonstration des Hydrocrawler
Höhepunkt des zweiten Veranstaltungstages war die Demonstration des Hydrocrawlers. nachdem sich der Nebel gelichtet hatte, wurde das Messsystem zur hochauflösenden Vermessung des Seeuntergrunds am frühen Morgen für seine offizielle Jungfernfahrt bei Kressbronn zu Wasser gelassen. Neben anderen Projektzielen wurde in HyMoBioStrategie an einer hochgenauen und autonomen Messplattform geforscht. Mit Hilfe des Messsystems wollen die Wissenschaftler in der restlichen Projektlaufzeit flächige Vermessungen der Sedimentoberflächen durchführen, um die Beschaffenheit der Sedimentauflage in den Untersuchungsgebieten sowie möglicher Veränderungen nachzuweisen. Die Messdaten erlauben dann Rückschlüsse auf Erosions- bzw. Akkumulationsvorgänge auf Zeitskalen von mehreren Monaten bis zu einem Jahr.

Sonden-Ringversuch
Im Anschluss an das Arbeitstreffen führten die ReWaM-Projekte SEEZEICHEN und CYAQUATA einen Ringversuch mit Algen-Fluoreszenzsonden durch. Dafür nutzten die Wissenschaftler erneut das Forschungsschiff Kormoran und fuhren eine ähnliche Route wie bei der Exkursion am vorangegangenen Tag ab. Die Vorbereitungen für den Versuch fanden bereits bei einem Treffen am 17. und 18. August 2017 in Dresden statt. Vertreter der beiden Verbundprojekte tauschten sich hier über ihre Erfahrungen mit fluoreszenzoptischen Messgeräten und der Bestimmung von Chloroplasten mit Hilfe von Massenspektrometern aus.

In der Fördermaßnahme „Regionales Wasserressourcen-Management für den nachhaltigen Gewässerschutz in Deutschland“ (ReWaM) fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) 15 Verbundprojekte sowie ein begleitendes Vernetzungs- und Transfervorhaben. Für die Projekte in ReWaM sind eine interdisziplinäre Vorgehensweise sowie ein enges Zusammenwirken von Wissenschaft, Wirtschaft und Praxis charakteristisch. Um vorhandene Synergien zu nutzen und Potenziale auszuschöpfen, hat der ReWaM-Lenkungskreis unter anderem das Querschnittsthema „Probenahmestrategien und Methoden“ definiert.

Durch das ReWaM-Forschungsprojekt WaSiG angestoßen und vom Umweltschutzamt der Stadt Freiburg vermittelt, fand am 23.11.2017 in Freiburg ein Wissensaustausch im Rahmen einer erweiterten Dienstbesprechung der Unteren Wasserbehörden des Regierungsbezirks Freiburg statt. Vor ca. 50 Interessierten aus den umliegenden Kommunen Freiburgs, der Stadtverwaltung Freiburg, des Regierungspräsidiums, zahlreicher Ingenieurbüros und der Universität Freiburg stellte der WaSiG-Projektleiter Prof. Dr. Mathias Uhl von der FH Münster das neue DWA-Arbeitsblatt A 102 vor. Als Mitautor des Arbeitsblattes lenkte er das Augenmerk auf das Softwaretool WABILA. Das Programm erlaubt die relativ einfache Berechnung des Wasserhaushalts vor und nach einer Bebauung. Zur Demonstration einer Planung nach DWA 102 präsentierte er das Konversionsgebiet „Oxford Kaserne“ in Münster.

Die Diplom-Ingenieurin Sonja Kramer vom Tiefbauamt der Stadt Münster berichtete im Anschluss über die Implementierung der Vorgaben aus dem Arbeitsblatt in den kommunalen Planungsprozess anhand verschiedener Beispiele aus Münster. In Münster steht der urbane Wasserhaushalt seit dem Starkregenereignis am 28.7.2014 sehr im Fokus von Verantwortlichen und Bürgern. 300 mm Niederschlag in 6 Stunden, die zu enormen Schäden führten, erfordern neben Sofortmaßnahmen kurzfristig und langfristig wirkende Maßnahmen, aber auch verstärkte Information und Beratung der Bürger, berichete Kramer. Die anschließende lebhafte Diskussion zeigte, dass das Thema des urbanen Niederschlagsmanagements aktuell von großer Bedeutung ist, und die Ergebnisse aus der Forschung stark von der Praxis nachgefragt werden. So kann WaSiG einen aktiven Anteil am Forschungstransfer leisten.

Autorin: Dr. Hedwig Roderfeld, Projektkoordinatorin WaSiG

Das Projekt WaSiG ist eines von 15 Verbundprojekten in der BMBF-Fördermaßnahme „Regionales Wasserressourcen-Management für den nachhaltigen Gewässerschutz in Deutschland“ (ReWaM). ReWaM ist Teil des BMBF-Förderschwerpunktes „Nachhaltiges Wassermanagement“ (NaWaM) im Rahmenprogramm „Forschung für Nachhaltige Entwicklung“ (FONA³).

In der Serie „RedeFluss“ veröffentlicht ReWaMnet Kurzinterviews mit Beteiligten der BMBF-Fördermaßnahme ReWaM und fragt nach Motivation und Erwartungen. Zu Wort kommen Wissenschaftler, Praktiker und Unternehmer, die in ReWaM eng zusammenarbeiten.

Für die 13. Ausgabe der Interviewreihe RedeFluss sprach ReWaMnet mit dem Dipl.-Ing. Christian Degel vom Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT in Sankt Ingbert. Degel studierte an der Universität des Saarlandes Maschinenbau mit Schwerpunkt Konstruktions- und Fertigungstechnik. Seither ist er am Fraunhofer-IBMT tätig und leitet dort die Arbeitsgruppe Wandlerentwicklung. Hier arbeitet er an der Entwicklung unterschiedlicher Ultraschall-Sensoren und Systeme, die sowohl in der Medizin, der Industrie, als auch in der Unterwasserforschung eingesetzt werden. In ReWaM engagiert sich der Arbeitsgruppenleiter in dem Verbundprojekt HyMoBioStrategie.

Dipl.-Ing. Christian Degel engagiert sich in dem ReWaM-Projekt HyMoBioStrategie

In dem ReWaM Projekt HyMoBioStrategie wird neben anderen Projektzielen auch an einer hochgenauen und autonomen Messplattform geforscht – dem sogenannten Hydrocrawler. Am 26. Oktober fand die offizielle „Jungfernfahrt“ auf dem Bodensee statt. Wofür könnte der Hydrocrawler zukünftig eingesetzt werden?
In der Datenbank der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg sind allein für Deutschland über 12.200 Standgewässer verzeichnet. Der größte Teil davon ist nahezu unerforscht: das heißt, über Bodentopographie, Sedimentstratigraphie und Objekte auf oder im Sediment gibt es nur wenige bis keine Informationen. Zudem gibt es eine große Zahl an Binnengewässern entlang der deutschen Küste mit hohen Flachwasser- und Hafenbereichen mit derselben unbefriedigenden Problematik. Der Bedarf an hochaufgelösten, detailreichen Messungen, die von einem Messsystem automatisiert und wiederholgenau durchgeführt werden können, ist dementsprechend groß. Der Hydrocrawler deckt ein breites Anwendungsfeld ab, angefangen von Beobachtungen der räumlichen Struktur von Sedimentunterlagen, über allgemeine Kartierungsarbeiten, der Inspektion von Dämmen, Spundwänden und Tragstrukturen, bis hin zur Suche nach Vermissten und dem Erhalt von Unterwasserdenkmälern.

Wodurch zeichnet sich der Hydrocrawler aus? Was sind die besonderen Stärken der Messplattform?
Bei dem System handelt es sich um eine hochgenaue und autonom arbeitende Messplattform von drei mal drei Metern mit enormer Payload-Kapazität. Der große Abstand zwischen den einzelnen Schwimmkörpern erlaubt eine sehr stabile Lage, wodurch unerwünschte Ungenauigkeiten bei den Ultraschallbildern reduziert werden. Die Plattform ist mit verschiedenen Sensoren ausgestattet und zeichnet sich durch eine hohe Positionierbarkeit, Manövrierbarkeit mit einer Genauigkeit im Zentimeterbereich aus. Dadurch ergibt sich eine große Bandbreite an möglichen Messstrategien, wie Punkt- und Sternmessungen, aber auch Kreisfahrten sind denkbar. Ein weiteres Merkmal unseres Ansatzes: der Hydrocrawler ist modular und kann bei Bedarf mit zusätzlichen Probenehmern ausgestattet werden. Die Erweiterung durch eine tauchende Einheit ist ebenfalls möglich. Messungen oder Bilder können somit auch in der vertikalen Achse gemacht werden und die volle Auflösung der Sensoren bleibt erhalten.

Am Fraunhofer IBMT beschäftigen Sie sich in erster Linie mit Ultraschallwandlern in verschiedenen Einsatzbereichen. In HyMoBioStrategie waren Sie für die Weiterentwicklung der im Hydrocrawler eingesetzten Fächerecholots verantwortlich. Wie arbeitet die Sensorik?
Bei dem Fächerecholot handelt es sich um die Haupt-Sensorkomponente des Hydrocrawlers. Das Echolot arbeitet bei einer Frequenz von 1 MHz. Insgesamt besteht das Fächerecholot aus 128 einzelnen Ultraschallwandlern. Diese erzeugen gemeinsam einen Schallstrahl, mit dem der Boden eines stehenden Gewässers abgetastet wird. Die gleichen Sensoren schalten dann in den Empfangsmodus und empfangen die vom Untergrund reflektierten Signale. Im nächsten Schritt werden die Informationen umgewandelt und die Struktur des Seebodens rekonstruiert. Aufgrund ihrer speziellen Bauweise können die Antennen des Ultraschallwandlers sehr kurze Schallimpulse erzeugen. Dies ermöglicht eine axiale Auflösung im Sub-Zentimeter-Bereich. Die Rekonstruktion des erfassten Seebodens erfolgt mit direkter Zuordnung der jeweiligen GPS-Koordinaten. Man erhält also eine GPS-Punktwolke des Seebodens. So können beispielsweise Veränderungen des Untergrundes zwischen aufeinanderfolgenden Messungen exakt erfasst werden.

Welche Rolle spielt der Hydrocrawler für die Zielerreichung des Forschungsauftrags von HyMoBioStrategie?
In dem ReWaM-Projekt HyMoBioStrategie arbeitet ein breit aufgestelltes Konsortium aus Wissenschaftlern, Praktikern und der wasserwirtschaftlichen Verwaltung an der Entwicklung von Maßnahmen für eine nachhaltige Gestaltung und Renaturierung von Ufern an großen Seen.  Als Modell dienen uns sechs ausgewählte Gebiete des Bodensee-Obersees. Seen werden in Deutschland in vielfältiger und sehr unterschiedlicher Weise genutzt: Uferverbauungen, Hafenanlagen und verschiedene Freizeitaktivitäten im und am Wasser beeinträchtigen jedoch den Feststoffhaushalt, die Unterwasserfauna und die Unterwasservegetation. Nach Fertigstellung des Systems ist geplant, in allen Untersuchungsgebieten zwei flächige Vermessungen der Sedimentoberflächen durchzuführen, so dass nicht nur die Beschaffenheit der Sedimentauflage in den Untersuchungsgebieten, sondern auch mögliche Veränderungen nachgewiesen werden können. Diese Messdaten erlauben Rückschlüsse auf Erosions- bzw. Akkumulationsvorgänge auf Zeitskalen von mehreren Monaten bis zu einem Jahr. Ergänzt werden die Daten des Hydrocrawlers durch Prozessstudien zum Sohl- und Sedimenttransport mit Hilfe spezieller Tracer.

Von der Idee zum Produkt – Das IBMT ist für seine kurzen „Time-to-Market“-Zeiten bekannt: Ist eine wirtschaftliche Nutzung des Hydrocrawler bzw. eine Ausgründung geplant?
Das Einsatzgebiet der Messplattform „Hydrocrawler“ ist, wie schon genannt, sehr groß. Hochgenaue Kartierungen und Vermessungen, die Unterstützung von Tauchereinsätzen, Inspektions- und Überwachungsaufgaben, zum Beispiel in sicherheitsrelevanten Bereichen wie Häfen und Schifffahrtswegen, bieten unzählige Möglichkeiten. Die Form der wirtschaftlichen Nutzung ist momentan noch offen. Ausgründung oder Lizenzmodelle haben jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile. Interesse besteht bereits seit der ersten Vorstellung des Systems von verschiedenen Seiten und man muss abwägen, in welcher Form das System am besten verfügbar gemacht wird. Dies ist jedoch ein Prozess, der sich langsam entwickeln muss.
Es sollte jedoch auch die wissenschaftliche Verwertung nicht vergessen werden! Mit seinen besonderen Eigenschaften kann der Hydrocrawler viele wertvolle Informationen aus Gewässern sammeln, damit neue Erkenntnisse erzeugen und so Forschungsprojekte unterstützen. Als Fraunhofer-Institut freuen wir uns zukünftig über jede Projektbeteiligung, bei der wir das System einsetzen und damit auch weiterentwickeln und optimieren können.

Vielen Dank für das Gespräch.
Die Fragen stellte ReWaMnet.

HyMoBioStrategie ist eines von 15 Verbundprojekten in der BMBF-Fördermaßnahme „Regionales Wasserressourcen-Management für den nachhaltigen Gewässerschutz in Deutschland“ (ReWaM). ReWaM ist Teil des BMBF-Förderschwerpunktes „Nachhaltiges Wassermanagement“ (NaWaM) im Rahmenprogramm „Forschung für Nachhaltige Entwicklung“ (FONA³).

Vom 10. bis zum 15. September 2017 fand in Prag die 14. IWA/IAHR International Conference on Urban Drainage statt. Das ReWaM-Projekt StucK war dort unter anderem durch einen Vortrag von Dr. Thomas Einfalt vertreten. Einfalt arbeitet bei dem Stuck-Projektpartner hydro & meto GmbH & Co. KG. Der Vortrag mit dem Titel Short-term precipitation forecast for the Flood Warning Service Hamburg ist als Videomitschnitt verfügbar.

Weiterführende Informationen:

• Veranstaltungshomepage
• Videogalerie

Das Projekt StucK ist eines von 15 Verbundprojekten in der BMBF-Fördermaßnahme „Regionales Wasserressourcen-Management für den nachhaltigen Gewässerschutz in Deutschland“ (ReWaM). ReWaM ist Teil des BMBF-Förderschwerpunktes „Nachhaltiges Wassermanagement“ (NaWaM) im Rahmenprogramm „Forschung für Nachhaltige Entwicklung“ (FONA³).

Wesentliches Ziel des ReWaM-Projekts RiverView ist die Entwicklung eines ferngesteuerten Messbootes. Die Wissenschaftler haben das Anwendungsfeld des sogenannte RiverBoats nun erheblich erweitert: Bei Bedarf kann das Boot nun mit einem Trailer ausgestattet werden. An diesem Trailer befindet sich eine Seilwinde an deren Ende beispielsweise eine Multiparametersonde angebracht werden kann. Mit Hilfe der Winde wird es möglich, die Sonde gezielt in bestimmte Wassertiefen herabzulassen. Die Wissenschaftler sind damit in der Lage, die für die Praxis relevanten Tiefenprofile, z. B. der Temperatur, aufzunehmen. Dies ist beispielsweise an Wehren von Bedeutung. Mit Hilfe der Winde können aber auch zeitlich hochaufgelöst Temperaturfahnen an Einleitungspunkten gemessen werden. Erste Testversuche wurden bereits in Staubereichen von Wehren in Zusammenarbeit mit dem RiverView-Praxispartner Emschergenossenschaft/Lippeverband auf der Lippe durchgeführt.

Das Projekt RiverView ist eines von 15 Verbundprojekten in der BMBF-Fördermaßnahme „Regionales Wasserressourcen-Management für den nachhaltigen Gewässerschutz in Deutschland“ (ReWaM). ReWaM ist Teil des BMBF-Förderschwerpunktes „Nachhaltiges Wassermanagement“ (NaWaM) im Rahmenprogramm „Forschung für Nachhaltige Entwicklung“ (FONA³).