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Fachartikel
01. Dezember 2017

Online-Messungen vor Ort

Frühwarnsystem bei Karstquellen

Karstwasserquellen weisen eine hohe Dynamik in Bezug auf Wasserquantität und -qualität auf. Um die Trinkwassersicherheit konstant hoch und die Aufbereitung auf einem Minimum zu halten, können Frühwarnsysteme helfen. Diese bestehen meist aus mehreren Komponenten und umfassen i. d. R. Messsensorik, IT-Infrastruktur, Datenanalyse und eine Visualisierung. Ein flexibler und adaptiver Ansatz eines Frühwarnsystems bietet die Basis für eine differenzierte und zukunftsorientierte Ressourcenbewirtschaftung.
Rebecca M.  Page 

Einleitung

Manche Trinkwasserversorgungen in der Schweiz kommen ohne Wasseraufbereitung aus, bei anderen genügt eine einstufige Aufbereitung mit Ultraviolett-(UV)-Strahlen. Und dann gibt es noch Versorgungen, die ihr Wasser mehrstufig aufbereiten. Vielerorts ist die Qualität der Wasserressource ausschlaggebend, ob und wie das Wasser aufbereitet wird. So braucht zum Beispiel Seewasser eine andere Aufbereitung als Karstwasser. Verglichen mit anderen Ländern wie den USA oder Grossbritannien wird in der Schweiz weitmöglichst auf eine Aufbereitung des Trinkwassers mit chemischen Zusatzstoffen verzichtet.

Umfragen der Industriellen Werke Basel und des SVGW bestätigen den Wunsch und die Einstellung der Bevölkerung: a) für 65% der Befragten ist natürliches Trinkwasser mit möglichst wenig Aufbereitung wichtig oder sehr wichtig [1] und b) 66% der Befragten möchten auf einen verstärkten Grundwasserschutz und auf eine Reduktion der Altlasten setzen, um die Trinkwasserqualität zu verbessern [2]. Beide Aussagen heben die Wichtigkeit des Vorsorgeprinzips und die damit verbundene Vermeidung von Verunreinigungen hervor. Der Vorsorgeansatz bedingt jedoch ein gutes Prozessverständnis sowie die Möglichkeit zur Erfassung der Situation in Echtzeit. Damit lassen sich Veränderungen im System zuverlässig feststellen und allfällige Gegenmassnahmen rasch einleiten. In der Nordwestschweiz stammt zum Beispiel ein grosser Teil des Trinkwassers aus Lockergestein- und Karstgrundwasser. An Quantität mangelt es meist nicht, in Flussnähe schwankt die Qualität des Grundwassers sehr [3]. Die unterschiedlichen Grundwasserkomponenten, z. B. infiltriertes Flusswasser, Hangwasser, regionaler Grundwasserstrom, ergeben ein komplexes Muster, das von Niederschlagsereignissen und Pumpensteuerungen massgeblich beeinflusst wird. Nicht nur im Lockergesteinsgrundwasser, sondern auch im Karstwasser treten unterschiedliche Qualitätszustände auf. Regenereignisse im Einzugsgebiet von Karstquellen wirken sich sowohl auf die Schüttungsmenge wie auch auf die Qualität des Wassers aus [4].
In solch komplexen Gebieten dienen hydrogeologische Modelle und Systembetrachtungen der Erarbeitung von Prozessverständnissen. In Verbindung mit den Ergebnissen von Tracerexperimenten können Modellansätze sowohl den Zusammenhang zwischen oberirdischen Einzugsgebieten und einzelnen Quellen untersuchen als auch Fliesszeiten und Transportwege aufzeichnen. Grundwasserschutzzonen im Einzugsgebiet der Karstquellen – soweit diese bekannt sind – minimieren zum Beispiel die Belastung des Wassers durch die Landwirtschaft. Nichtsdestotrotz können Regenereignisse die Qualität des Quellwassers deutlich vermindern, sodass kurzfristige Massnahmen – beispielsweise der Verwurf des Quellwassers bei zu hoher Trübung – ergriffen werden müssen. In solchen Fällen muss die für den Betrieb verantwortliche Person schnellstmöglich informiert werden. Nur mit einer frühzeitigen Information kann sie oder eine automatisierte Anlage bestmöglich eingreifen und negative Auswirkungen minimieren. Im Rahmen der gesetzlichen Selbstkontrolle werden vermehrt Online-Mess-methoden an kritischen Stellen in der Wasserversorgung eingesetzt. Dieser Zuwachs an Messungen bietet die Grundlage für ein datenbasiertes System zur Erkennung von Veränderungen in der Wasserqualität, die frühzeitig auf eine Gefährdung hindeuten. Es gibt unterschiedliche Ansätze der Frühwarnung, eine solide Datengrundlage und -übertragung (inkl. Alarmierung) ist dabei aber stets von hoher Bedeutung.
Im Rahmen zweier durch die Kommission für Technologie und Innovation (KTI) gestützter Forschungs- und Entwicklungsprojekte hat Endress+Hauser, zusammen mit der Angewandten und Umweltgeologie der Universität Basel, einen Ansatz zur automatisierten Erfassung der Dynamik von Karstquellen entwickelt. Der Ansatz umfasst die Wahl der systemrelevanten Messgrössen, deren Übertragung und Auswertung sowie die Integration in den Betrieb einer Wasserversorgung. In Zusammenarbeit mit dem Projektteam «Regionale Wasserversorgung Basel-Landschaft 21» (Kanton Basel-Landschaft, Eawag, Universität Basel) hat Endress+Hauser den Ansatz getestet.

Untersuchungsgebiet

Oberdorf liegt in einer Muschelkalkschuppenzone des Juragebirges im Kanton Basel-Landschaft. In der Gemeinde Oberdorf fliesst der Weigistbach in die Vordere Frenke, die das Waldenburgertal entwässert (Fig. 1). Die Gemeinde bezieht ihr Wasser aus mehreren Karstquellen und kann bei Bedarf überschüssiges Wasser an angrenzende Gemeinden abgeben. Die Quellen treten an der Grenze zwischen dem grundwasserleitenden Jurakalkstein (Hauptrogenstein und Trigonodusdolomit) und der darunterliegenden Anhydritzone auf. Eine detailliertere Beschreibung der geologischen Situation wird in [5] gegeben.

Komponenten eines Frühwarnsystems

Die kontinuierliche Messung, Übertragung, Auswertung und Kommunikation der Messwerte und daraus folgenden Informationen umfassen mehrere technische Elemente und bedingen interdisziplinäres Prozesswissen und -verständnis. Ein Frühwarnsystem ist somit selten ein alleinstehendes Element. Im Folgenden werden drei Hauptbestandteile von integrierten Frühwarnsystemen vorgestellt:

– Vorbereitung: Wahl der Messgrössen, -intervalle und Sensorplatzierung
– Online-Auswertung: mathematische Analysemethoden als Interpretationswerkzeug für Zeitreihen
– Integration in den Betrieb

Vorbereitung

Eine Messung erfolgt möglichst nahe am Austrittspunkt des Wassers aus dem Wasserkörper. Oftmals sind die Bedingungen in Brunnenstuben jedoch ungeeignet für langfristige und kontinuierliche Messungen, da es sowohl an Platz wie auch an der Stromversorgung fehlt. Im Untersuchungsgebiet wird das Quellwasser von drei Quellen einzeln gefasst und in einer nahe gelegenen Pumpstation untersucht (Fig. 2). Die bereits bestehenden Messungen für Trübung (Fig. 2 C) und Durchfluss (Fig. 2 E) wurden 2013 um drei weitere Messgrössen erweitert (Fig. 2 A, B und D).
Nach der Fassung der einzelnen Stränge wird ein Teil des Wassers für die Trübungsmessung (Fig. 2 C) abgezweigt. Ferner wird ein Teil des Wassers für die Erfassung des spektralen Absorptionskoeffizienten bei 254 nm (ein Mass für die Menge an organischem Material im Wasser, SAK254), der elektrischen Leitfähigkeit und des pH-Wertes umgeleitet. Zu diesem Zeitpunkt fliesst das restliche Wasser aus den drei Quellen in einem Beruhigungsbecken zusammen und wird nach einer UV-Aufbereitung in zwei Reservoire gepumpt. Bei diesen Untersuchungen steht die Rohwasserqualität im Fokus, bei einer anderen Fragestellung wäre ein anderer Standort für die Messung geeigneter.
Die Messwerte werden im 10-Minuten-Takt an das Leitsystem der Wasserversorgung übertragen. Zudem werden Roh- und Sensorwerte lokal auf den Datenloggern abgelegt. Diese erweiterten Informationen dienen der Kalibration, der Wartung und einer allfälligen Problembehebung. Die Wartung der Messgeräte umfasst Filterkerzenwechsel bei der SAK254-Messung, Überprüfung des Durchflusses auf dem Messpanel (z. B. Auswirkung auf die Temperaturmessung) sowie die Reinigung der Trübungsarmaturen.

Integrierte Online-Auswertung

In Figur 3 sind die Zeitreihen von vier Messgrössen von zwei Quellen dargestellt. Die gesamte Zeitdauer beträgt einen Monat (25.2.–25.3.2017). Der erste Niederschlag, in der Region fiel am 28. Februar kurz nach Mitternacht und dauerte mit kleinen Unterbrüchen bis ca. 14 Uhr. Am 2. März fiel wieder vermehrt Niederschlag ebenso in der Nacht vom 5. auf den 6. März und am Nachmittag des 6. März.
Die Darstellung der Zeitreihen zeigt, dass die zwei nahe gelegenen Quellen beide auf Niederschlagsereignisse in der Region reagieren. Quelle 1 (rot) führt ca. fünfmal mehr Wasser als Quelle 2 (schwarz). Im Gegenzug hat Quelle 2 eine höhere Mineralisation als Quelle 1 (höhere el. Leitfähigkeit). Dies ist wahrscheinlich auf das unterirdische Einzugsgebiet von Quelle 2 zurückzuführen, welches zum Teil Sulfat führende Schichten umfasst [4, 5]. Weiter unterscheiden sich die beiden Quellen geringfügig anhand der Trübungs- und SAK245-Werte (Fig. 3). Die Dynamik der Wasserqualität in Karstquellen ist eng mit den hydrogeologischen Eigenschaften des Gebietes und Regenereignissen in der Region verbunden. Die Auswertung und Interpretation der Messwerte der beiden untersuchten Quellen deuten auf chemische Komponenten und Transportcharakteristiken hin, die auf eine Eingliederung und Anbindung in und an lokale und regionale Gegebenheiten und Prozesse zurückzuführen sind. So wies Quelle 1 in diesem Beispiel bei Ereignissen eine höhere Trübung als Quelle 2 auf, wobei das erste Trübungsereignis in Quelle 2 gar nicht registriert wurde. Hingegen reagierte die Schüttung der Quelle 2 rasch und führte zu einer hohen Warnstufe, obwohl die Schüttung der Quelle 1 stets höher war als die der Quelle 2.
Der im Rahmen des Forschungsprojektes entwickelte Ansatz zur Früherkennung verarbeitet zum einen die neuesten Messwerte als gesamten Datensatz (multivariate Datenauswertung). Zum anderen werden Veränderungen identifiziert und in Zusammenhang mit der eigenen Historie und einem vordefinierten Zielverhalten interpretiert (Mustererkennung). Bei diesem datengestützten Ansatz werden die aktuellen Messwerte zusammen mit ihrer unmittelbaren Vergangenheit und einer Bezugssituation (dem vordefinierten Zielverhalten) verglichen und eine Einschätzung der aktuellen Lage übermittelt. Die Methodik beruht auf neuronalen Netzen, ist somit adaptiv und kommt ohne Grenzwertdefinitionen aus [6]. Sie berechnet aufgrund einer vorgegebenen Auswahl an Messgrössen den Systemzustand und gibt bei Veränderung – sei dies aufgrund von einzelnen oder von mehreren Messgrössen – diese differenzierte Rückmeldung (d. h. mehrere Warnstufen pro Quelle). Die Auswertung läuft als eigenständige, auf Windows basierte Software (WarnXpert) im 10-Minuten-Takt. Die Software liest die neusten Messwerte vom Leitsystem und stellt die Resultate wiederum dem Leitsystem zur Verfügung. Die Resultate können als Warnstufe (z. B. 0-4) oder mit zusätzlichen Informationen, z. B. hoher Trübungswert oder niedrige el. Leitfähigkeit, wiedergegeben werden. Die zusätzlichen Informationen dienen dazu, den Grund für eine Warnstufe zu identifizieren und ein differenziertes Bewirtschaftungskonzept zu ermöglichen.
In Figur 3 sind die Warninformationen (Stufe und Zusatzinformationen) für das Beispiel Oberdorf um 17.30 Uhr am 28. Februar 2017 dargestellt (grauer Rahmen): Bei Quelle 1 führte eine hohe Trübung in Kombination mit erhöhter Quellschüttung zu der Warnstufe 3 (von 5). Der leicht erhöhte SAK254-Wert spielte eine untergeordnete Rolle. Bei Quelle 2 führte ein rascher Anstieg der Quellschüttung auf einen hohen Messwert zu der höchsten Warnstufe (5 von 5). Eine sekundäre Rolle spielten dabei die SAK254- und Trübungsmessungen. Obwohl Abweichungen in diesen Parametern festgestellt wurden, war die Veränderung der Quellschüttung massgebend für die hohe Warnstufe. Bei beiden Quellen zeigte die Veränderung der el. Leitfähigkeit keinen Einfluss auf die Situation. Diese Informationen stehen nach jeder Auswertung zur Verfügung und ermöglichen sowohl die Erkennung von Veränderungen am Anfang eines Ereignisses wie auch die Verfolgung des Verlaufs des Ereignisses. Somit können die Veränderung und zum Beispiel die Effektivität von Eingriffen in den Betrieb beobachtet werden. Die komplexe Umgebung von Karstquellen führt zu stark nichtlinearem Verhalten in Bezug auf die Quellwasserqualität. Zeitliche Abfolgen von Regenereignissen, unbekannte Transportwege und Speicherkapazitäten eines Karstnetzwerks führen zu Unsicherheiten in der Vorhersage einer potenziellen Gefährdung der Rohwasserqualität. Saisonale Schwankungen und Muster erschweren zudem eine auf Grenzwerten basierte Erkennung von Gefährdungen. Eine messbare Reaktion auf ein Regenereignis tritt zum Beispiel innerhalb von wenigen Stunden nach Anfang des Niederschlages auf. Jedoch kann in Abhängigkeit der Vorgeschichte (vergangene Ereignisse) und des ausgesuchten Messparameters der Einfluss eines Ereignisses auch erst nach Tagen feststellbar sein [4]. In solchen Situationen eignen sich flexible Früherkennungssysteme, die möglichst wenige Vorgaben in Bezug auf eine Gefährdungserkennung oder ein bestimmtes (explizites) Systemverhalten benötigen.

Integration in den Betrieb

Die zum Teil erhebliche Anzahl an Pumpen und Ventilen in Wasserversorgungen, die von der Rohwasserfassung bis ins Verteilnetz reichen, werden meistens in einem Steuer- und Leitsystem visualisiert und teilweise bedient (Fig. 4). Ein solches SCADA- (Supervisory Control and Data Acquisition)-System ermöglicht eine strukturierte Erfassung, Speicherung und Visualisierung der Mess-, Prozess- und Systemdaten. Die Steuerung der Pumpen erfolgt dokumentiert und kann dank dem Speichervermögen zu späteren Zeitpunkten nachvollzogen werden. Zusatzfunktionen, z. B. ein optimiertes Reservoirbewirtschaftungsmodell, vereinfachen die Ressourcenplanung sowohl bezüglich des Zeitaufwandes des Brunnenmeisters als auch auf eine Optimierung des Stromverbrauchs unter Berücksichtigung der gesicherten Wasser- und Wasserdruckverfügbarkeit. Die Verwendung von standardisierten Kommunikationsprotokollen, spezifisch
OPC Unified Architecture (OPC UA), vereinfacht die Datenübertragung und -integration und vervielfacht die Möglichkeiten zur Auswertung der Mess-, Sensor- und Prozessdaten.
Im Rahmen dieses Projektes wurden die Messwerte und Auswertungen direkt in das Leitsystem und die Visualisierung integriert. Die Warnstufen führten zu einer farblichen Veränderung einzelner Felder, um die Dringlichkeit zu visualisieren (Fig. 4 B, grün – orange – rot).
Das Leitsystem läuft auf einem Windows-PC in der Betriebswarte, ist jedoch auch via Fernzugriff bedienbar. Diese Flexibilität ist im Zeitalter der Digitalisierung ein wichtiger Aspekt, denn die Mobilität und örtliche Ungebundenheit nehmen zu.
In diesem Zusammenhang wächst die Anzahl an Cloud-basierten Anwendungen, wobei einzelne Elemente aus Leitsystemen oder gesamte Leitsysteme nicht mehr lokal in einer Betriebswarte installiert werden, sondern auf einem gesicherten Server. Die Kommunikation zwischen den lokal installierten Messinstrumenten und dem Server wird in der Regel ebenfalls mehrfach gesichert, um Gefährdungslücken zu schliessen. Eine zentrale Wartung der Softwareelemente vereinfacht den Unterhalt (z. B. Updates) des Systems und ermöglicht schnelles Eingreifen bei Software-relevanten Änderungen oder Störungen. Die Vor- und Nachteile einer Cloud-basierten Lösung werden in den Medien regelmässig aus unterschiedlichen Gesichtspunkten diskutiert. Eine Eigenschaft von Cloud-basierten Systemen ist die Möglichkeit, unterschiedliche, geografisch getrennte Standorte einfach miteinander zu verknüpfen und zu analysieren. Die daraus resultierende Information kann wiederum auf unterschiedliche Art und Weise (benutzerspezifisch) an die relevanten Personen kommuniziert werden, ohne einen geografischen Zusammenhang zu benötigen. Die Vernetzung der Messwerte und deren Online-Auswertung, der Steuerungseinheiten und der relevanten Personen bietet die Möglichkeit einer adaptiven Ressourcenbewirtschaftung, die auch die technologischen und anthropogenen Entwicklungen integriert.

Ganzheitlicher Ansatz

Die technologischen betrieblichen und anthropogenen Entwicklungen in Form von Datenübertragung und Online-Speicherung, erhöhter Datenverfügbarkeit und dem Wunsch nach Mobilität verlangen und ermöglichen eine stark vernetzte Lösung für den Betrieb einer zukunftsorientierten Wasserversorgung. Im Rahmen der Forschungs- und Entwicklungsprojekte ist ein adaptiver Ansatz zur Beurteilung der gefährdungsrelevanten Dynamik in Rohwasserfassungen entwickelt worden. Die kontinuierliche Auswertung von Online-Messdaten zeigte Muster auf, welche die unterschiedlichen Systemzustände im Rohwasser der Karstquellen repräsentieren. Die Methodik lässt sich in ein bestehendes Leitsystem integrieren oder als Modul einer Cloud-basierten Lösung verbinden. Die Möglichkeit zur integralen Betrachtung mehrerer Messwerte, Standorte und betrieblicher Abläufe, z. B. eine Reservoirbewirtschaftung in Abhängigkeit der Ist-Situation, der Wetterprognose und der Tageszeit, bietet die Grundlage für eine differenzierte Ressourcenbewirtschaftung. Die Komponenten hierfür reichen von hydrogeologischen Feldexperimenten und Kenntnissen der regionalen Geologie und Prozesse über die Wahl der Messparameter und -standorte, der Online-Aufzeichnung und Auswertung der Messwerte bis zur zeitnahen Kommunikation der relevanten Informationen an die zuständigen Personen, unabhängig von der Tageszeit oder der geografischen Lage. Dieser ganzheitliche Ansatz umfasst somit ein adaptives Auswertungstool, das spezifisch auf eine Quelle zugeschnitten wird, und ein benutzerdefiniertes Managementsystem (Funktionskombination aus Steuer- und Leitsystem, Auswertungssoftware, Alarmierung und Berichterstattung). Beide Komponenten definieren sich, obwohl sie auf einzelne Anwendungen zugeschnitten werden, durch ihre Flexibilität, die der Erfassung der Dynamik der Wasserqualität dient und dem Wunsch nach Mobilität und Informationsverfügbarkeit nachkommt.

Bibliographie

[1] Sicher, P. (2017): Das Vertrauen in Trinkwasser bleibt hoch, … aber seine Beliebtheit ist leicht rückläufig. Aqua&Gas 10: 20–23
[2] Rummer, E. und Meier, T. (2017): Hohes Vertrauen ins Trinkwasser – Umfrage zur Basler Trinkwasserqualität
[3] Epting , J. et al. (2017): Variabilität der Grundwasserqualität – Einflussfaktoren für die Grundwasserqualität flussnaher Trinkwasserfassungen. Aqua&Gas 2: 30–39
[4] Page, R.M. et al. (2017): Online Analysis: Deeper insights into water quality dynamics in spring water. Science of the Total Environment 599–600: 227–236
[5] Matousek, F. (1985): Hydrogeologie und Hydrogeochemie des Waldenburger Tales (Baselbieter Jura). ETH Dissertation Nr. 7829
[6] Page, R.M.; Huggenberger, P.; Lischeid, G. (2015): Multivariate Analysis of Groundwater-Quality Time-Series Using Self-organizing Maps and Sammon’s Mapping. Water Resources Management 29: 3957–3970

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