Die Verantwortung zur Bemessung von Regenrückhalteräumen (DWA-A 117), die hydraulische Bemessung von Entwässerungssystemen (DWA-A 118), sowie das Risikomanagement in der kommunalen Überflutungsvorsorge bei Starkregen (DWA-M 119) liegt bei den Verantwortlichen der Wasserwirtschaft. Besonders bei starken Schwankungen wird deutlich, welche Wichtigkeit einem effizienten Niederschlagsmanagement zukommt. Außerdem werden die Berechnungen des Starkregenindexes und die „Koordinierte Starkniederschlagsregionalisierung und -auswertung des DWD“ (KOSTRA) fortlaufend weiterentwickelt. Hier gilt es Anschluss zu halten!
Jede Kommune muss zumindest auf dem Stand der Technik vorsorgen und Risikoschutz gemäß der eigenen Gefahrenlage betreiben. Die Notwendigkeit für den Einsatz aktueller Technologie gewinnt durch die Einschätzung des Gesamtverbands der Versicherer (GDV) und des Deutschen Wetterdienstes (DWD), dass die Gefahrenlage durch ständig steigende Regenmengen zunimmt, an Bedeutung.
Mit der exklusiven Datenqualität der HST bietet Ihnen NiRA.web® verlässliche Prognosen und historische Daten. Auf die bereitgestellten Informationen kann IntelliNet zugreifen, sodass entsprechende verfahrenstechnische Prozesse eingeleitet werden. So funktioniert Ihr 4.0 Risikoschutz nahezu automatisch.
Seit dem 01.01.2023 ist der neue KOSTRA-DWD-2020 Datensatz online. Im Rahmen der Starkniederschlagsauswertung wurden Niederschlagshöhen (in mm) und Niederschlagsspenden (in l/(s*ha)) berechnet. Die Berechnung erfolgte in Abhängigkeit von verschiedene Dauerstufen (D von 5 min bis 7 Tage) beziehungsweise Jährlichkeiten (T von 1 a bis 100 a). Der Deutsche Wetterdienst (DWD) liefert lediglich Rohdaten. Mit NiRA.web® erhalten Sie Zugriff auf exklusiv aufbereitete Daten. Das Verfahren zur Auswertung der lokalen Radardaten liefert eine zeitlich und räumlich hochaufgelöste Niederschlagsverteilung für das gesamte Gebiet. Außerdem werden die Daten mit individuell erstellten Algorithmen auf Plausibilität geprüft und korrigiert. Diese Kombination verschiedener Datenebenen ergibt ein umfassendes und treffendes Bild der Lage.
Exklusive Datenqualität
Das Verfahren zur Auswertung der lokalen Radardaten liefert eine zeitlich und räumlich hochaufgelöste Niederschlagsverteilung für das gesamte Gebiet. Die in einer räumlichen Auflösung von 1 km² und einer zeitlichen Auflösung von bis zu fünf Minuten vorliegenden Daten werden über lokal erfasste Niederschlagsmengen aus einem Netz physischer Niederschlagsmessstationen angeeicht, das heißt auf Plausibilität geprüft und bei Bedarf korrigiert. Auf dieser Basis kann dann eine Prognose der Wetterdaten mit einer Vorhersagereichweite von bis zu 72 Stunden vorgenommen werden, die ebenfalls über das Portal abrufbar ist.
Diese Methode wird zum Beispiel seit Längerem bei den Wirtschafsbetrieben Oberhausen (WBO) eingesetzt. Dort sind 20 NiRA.web®-Stationen (Messpunkt mit 1 km² Einzugsbereich) im Einsatz, die das Stadtgebiet flächenmäßig abdecken. Die Daten werden genutzt, um Regenereignisse zu klassifizieren. Dies geschieht anhand der in der Wasserwirtschaft vielfach verwendeten KOSTRA-Tabellen. Die Abkürzung KOSTRA steht für „Koordinierte Starkniederschlagsregionalisierung und -auswertungen“. Des Weiteren nutzt man diese Daten auch zur Planung und Dimensionierung von Sonderbauwerken wie zum Beispiel Becken oder Pumpwerken.
NiRA.web®
Als Neuheit bietet NiRA.web® die Integration von Niederschlagsdaten als IoT-Variable in die Steuerungssysteme wasserwirtschaftlicher Anlagen. Damit besteht die Möglichkeit, insbesondere verfahrenstechnische Prozesse wie auf Kläranlagen in Abhängigkeit des zu erwartenden Niederschlags vorausschauend zu steuern, um beispielsweise die Belüftungszeiten in der Biologie passgenau und energiesparend auf die erwartete Zulaufsituation anzupassen. Zudem erhöht diese Informationskenntnis die Betriebssicherheit.
Bequem und multifunktional – Das Portal NiRA.web®
Der NiRA.web®-Anwender kann eine festzulegende Anzahl an Stationsstandorten mittels frei wählbarer Geokoordinate festlegen. Die Niederschlagswerte (historische, aktuelle und Prognosedaten) nebst Ganglinien sind für angemeldete Nutzer über das Internetportal www.nira-web.de jederzeit abrufbar. Außerdem können die Niederschlagsdaten durch einen automatisierten Abruf in weitere Systeme integriert werden. So ist zum Beispiel die Anbindung an die Datenauswertung bestehender Prozessleitsysteme eine erprobte Methode, die Niederschlagsdokumentation automatisch im Betriebstagebuch einer wasserwirtschaftlichen Anlage, z.B. Kläranlage, vorzunehmen. Hierzu können die Daten in das Leitsystem integriert und im Zusammenhang mit anderen Messdaten ausgewertet werden. Ein weiteres wasserwirtschaftliches Einsatzszenario ist die Nutzung der Daten in Niederschlags- und Hochwasserabflussmodellen. Bisher wurden nur Niederschlagsdaten aus langjährigen gemittelten Datenreihen wie z. B. bei KOSTRA, verwendet, bei denen sich die lokalen Besonderheiten nur unzureichend widerspiegeln, die insbesondere bei Starkregen sehr ausgeprägt sein können. Die Daten aus dem NiRA.web®-Portal können aufgrund ihrer hohen Auflösung diese Lücke schließen und lokale Besonderheiten berücksichtigen.
Rechts- und Betriebssicherheit
Um die immer häufiger auftretenden Starkregenereignisse klassifizieren zu können (zur Klärung von Haftungs- und Versicherungsfragen im Schadensfall), wünschen immer mehr Verantwortliche in Kommunen die Erstellung des sogenannten Starkregenindex. Dieser wird von HST in Kooperation mit hydro & meteo angefertigt. Der Index hilft den Verantwortlichen dabei, Niederschläge nach ihrer Intensität (Zeit, Raum, Menge) einordnen zu können. Bei der Erstellung des Starkregenindex SRI12 (DWA-M 119) werden den Wiederkehrhäufigkeiten gemäß KOSTRA und den gemessenen Niederschlagsmengen Indexwerte von 1 bis 12 zugeordnet. Wiederkehrzeiten zwischen 1 und 100 Jahren werden den Indexwerten von 1 bis 7 zugeordnet. Starkregenereignisse mit einer Intensität >100 Jahren bilden die Klassen 8-12.
Zur Erhöhung der Betriebssicherheit von Anlagen und Netzen ist die Kenntnis erwarteter Niederschlagsereignisse von Bedeutung. Dazu bietet NiRA.web® individuell einstellbare Grenzwerte. Auf Basis individueller Erfahrung kann der Anwender die für ihn relevanten Niederschlagsmengen als Grenzwert definieren. Sobald dieser Wert in den Prognosedaten erreicht wird, erzeugt das System einen Alarm. Dadurch weiß der Anwender, wann der für ihn relevante Niederschlag zu einer bedrohlichen Gefahr werden kann und er entsprechend frühzeitig Gegenmaßnahmen einleiten muss.
Erweiterungen: KOSTRA auf Knopfdruck; Warnungen vor Starkregen deutlich verbessert
Einer der ersten kommunalen Anwender ist die große Kreisstadt Öhringen in Baden-Württemberg. Bei einem Starkregenereignis müssen die Verantwortlichen nicht mehr mittels KOSTRA-Tabellen manuell ermitteln, um was für ein Starkregenereignis es sich handelt. NiRA.web® ermittelt automatisch den erforderlichen Index und stellt diesen direkt als Markierung innerhalb der üblichen Ganglinien dar. Zudem erfolgt eine tabellarische Darstellung der Klassifizierungszuordnungen.
Zusammen mit hydro & meteo erfolgt die Integration von NiRA.web® in ein neuartiges Starkregenwarn- und -vorhersagesystem. Auf Basis meteorologischer Berechnungen werden speziell für wasserwirtschaftliche Anwendungen die Daten von NiRA.web® in Bezug auf Starkregenereignisse ausgewertet. Als Ergebnis werden die verschiedenen Warnstufen in einer visuellen Darstellung als sog. Ensemblevorhersage in NiRA.web® abgebildet und können als Alarmmeldungen abgesetzt werden.
4.0-Netzbewirtschaftung
Der Bedarf an Ressourcen wie Gas, Strom, Wasser und Mobilität ist mehr oder weniger schwankend. Er steht im Zusammenhang mit den Erfordernissen, Gewohnheiten und Ereignissen. Die meisten Bereiche der Infrastruktur werden entsprechend unterschiedlich beansprucht. Schwankungen intelligent im Griff haben, ist die Devise!
Veranschaulichen lassen sich die Beanspruchungen mit den Schwankungen in der Wasserwirtschaft durch die unterschiedlichen Tagesverbräuche von Wasser mit den häuslichen Bedarfsspitzen in den frühen Morgenstunden, Mittags- und Abendzeiten. Hinzu kommen die ebenso schwankenden Bedarfe aus Gewerbe, Industrie und Landwirtschaft.
Bereits bei der Planung von Rohrleitungen und Anlagentechnik gilt es, auf die eher kurzfristigen Spitzenverbräche entsprechend zu dimensionieren. Dies bedeutet jedoch während der bedarfsarmen Zeiten eine zwangsläufige Überdimensionierung.
Wie ist dem Schwankungs- bzw. dem Dimensionierungsdilemma zu begegnen?
Eine Lösung wären skalierbare Rohr- und Anlagentechnik. Das bedeutet im Idealfall dehnbare Rohrleitungen – hier befinden sich jedoch technische und wirtschaftliche Grenzen.
Die Lösung für Schwankungen heißt daher in fast allen Bereichen der Infrastruktur, Speicher und Regeleinrichtungen vorzusehen. Beim Strom sind es die Batterien oder die Pumpspeicherwerke, beim Gas die Kavernen, in der Wasserversorgung die Hochbehälter und die Wassertürme, beim Abwasser die Regenbecken, beim Gewässer die Hochwasserpolder. Um die Speicherkapazitäten eines Netzes maximal zu nutzen, Energiekosten auf ein Minimum zu reduzieren und dabei die Betriebssicherheit zu optimieren, ist Netzbewirtschaftung der Schlüssel zum Erfolg.
Nutzen/ Funktionsweise Die Infrastruktur ist eine Schwankungswirtschaft!
Mit möglichst langfristig gesammelten Daten über die auftretenden Lastsituationen lassen sich Speicher entsprechend dimensionieren und durch Regelvorrichtungen bewirtschaften. Die Bewirtschaftung und zielführende Nutzung der Speicher erfolgt in der Regel durch lokale Mess-, Automatisierungs- und Regeleinrichtungen. Befinden sich die Anlagen und deren Nutzung im Verbund, so müssen sie durch Informations- und Kommunikationstechnologien vernetzt werden.
Die Wasserversorgung von Städten und Gemeinden war bereits in frühester Zeit dezentral organisiert und vernetzt, da Standorte von Brunnen und Quellen im Versorgungsgebiet verteilt sind. Eine mögliche Erweiterung durch ein intelligenteres Steuerungsverfahren wäre die gleichmäßige Auslastung von Brunnenanlagen durch Berücksichtigung der Grundwasserpegel der einzelnen Brunnen und somit eine gleichmäßige Grundwasserbelastung.
Was in der Wasserversorgung gängige Praxis ist, also eine durch Kommunikationstechnik vernetzte Automatisierung der Prozesse, ist in den Kanalisationsnetzen heute eher die Ausnahme.
Die in den Mischwassersystemen baulich errichteten Speicher in Form von Regenbecken und Staukanälen dienen zum einen als hydraulischer Speicher, um Rohrleitungen kleiner zu dimensionieren, und zum anderen als Rückhaltevorrichtung für den Gewässerschutz. Sind die Speichervolumina bei Starkregen erschöpft, laufen diese über und leiten das überschüssige Abwasser in die Gewässer ein. Die ungereinigte Ableitung in natürliche Gewässer ist schädlich, insbesondere durch die zunehmende Belastung des Niederschlagswassers durch Schadstoffe wie Mikroplastik.
Die Abflussregelungen an den Regenbecken, welche für den Einstau und die Entleerung der Speicher sorgen, werden statisch mit einem festen, wasserrechtlich genehmigten Sollwert betrieben, obwohl es aufgrund des Niederschlaggeschehens zu einer vom Bemessungsfall abweichenden Beanspruchung der Speichervolumina in den Netzen und Regenbecken kommen kann. Sowohl bei normalen und ungleichmäßig verteilten Niederschlägen als auch bei Starkregenereignissen kann es zu dieser abweichenden Beanspruchung kommen.
Aus Sicht der Gewässer ist das nicht die optimale Lösung, denn so kann es zu Überlaufereignissen von Abwasser in die Gewässer kommen, obwohl möglicherweise noch Speicherraum oder Abflusskapazitäten im System vorhanden sind. Wie ist in Erfahrung zu bringen, ob und wieviel Speicher- und Abflusspotential in meinem Entwässerungs- und Speichersystem vorhanden und aktivierbar ist?
Zunächst einmal gilt es, das Abflussgeschehen in Kombination mit den Niederschlägen über längere Zeiträume aufzuzeichnen. Liegen diese Daten vor, erfolgt unter Einbeziehung von Bestandsdaten – wie baulichen, geometrischen Größen, Netzplänen und den an den Regeleinrichtungen eingestellten Parametern und Stellgrößen.- eine erste Auswertung und Analyse der Daten, um das ungenutzte Speicherpotential zu ermitteln. Diese Analyse dient insbesondere als Entscheidungsgrundlage für die Planung eines Netzbewirtschaftungssystems.
Angenommen, es ist ausreichend Potenzial vorhanden – wie sieht nun ein solches System aus und wie arbeitet und wirkt es?
Als Erstes erhalten die bereits im Einsatz befindlichen Automations-, Überwachungs- oder Fernwirksysteme einige IntelliNet-Zusatzkomponenten in Form von Hard- und Software. Diese Komponenten sorgen dafür, dass alle Prozessdaten als Gesamtprozessabbild auf einem übergeordneten Bewirtschaftungssystem online zur Verfügung stehen.
Das IntelliNet-Bewirtschaftungssystem verfügt über eine Software, die es ermöglicht, über ständige Prognosen und Ist-Abgleiche das Abfluss- und Einstaugeschehen vorherzusagen. Entsprechend der Vorhersage und der im System abgebildeten Netz- und Speicherstruktur kann das System ermitteln, wie bei prognostizierten Niederschlägen die Abflussregelungen zielgerichtet eingestellt sein sollten, um das im Netz vorhandene Volumen sowie die Abflusskapazitäten auszunutzen, Abschläge zu vermeiden oder die Zulaufmenge zur Kläranlage zu regulieren.
Das IntelliNet-Bewirtschaftungssystem sollte stets mit einem SCADA-System – betrieben werden. Mit Hilfe des SCADA-Systems kann der aktuelle Prozess eingesehen und ausgewertet werden, es unterstützt bei auftretenden Störungen und dokumentiert das Betriebsverhalten in Form von Ganglinien und Berichten. Ein Nachweis der Funktionsweise der Bewirtschaftung ist somit jederzeit möglich.
Anwendungsbeispiele
Anwendungsbeispiel 1 – Strahljet/ Beckenreinigung
Konventionelle Strahljets arbeiten Füllstands- und tendenzabhängig. Mit IntelliGrid Automation speichern sie Füllstandsganglinien und kennen daher die Trockenwetterzeiten. In Verbindung mit den Niederschlagsprognosen aus dem NiRA.web Portal können anstehende Einstauereignisse somit bewertet werden, um die Betriebsweise der Jets auf das zu Erwartende einzustellen. Dies führt zu wesentlich geringeren Betriebszeiten und somit Einsparungen an Energie und insgesamt an Betriebskosten.
Anwendungsbeispiel 2 – Gewässerschutz
Es ist sinnvoll, die Einleitung von Abwässern in Gewässer bei Starkregen zu reduzieren. Dazu wurden die Kanalisationssysteme mit Rückhalteräumen in Form von Regenbecken ausgestattet. Doch auch deren Speicherkapazitäten sind bei Starkregenereignissen begrenzt. Bei Auslastung der Stauräume wird dann mit Regenwasser vermischtes Abwasser über Überlaufbauwerke in die Gewässer eingeleitet.
Um die vorhandenen Stauräume besser auszunutzen, bedarf es Informationen zum Niederschlagsabflussgeschehen. Diese liefern SCADA –Systeme durch aufgezeichneten Füllstands- und Durchflussdaten. Für ein ganzheitliches Bewirtschaften sind zusätzlich Niederschlagsdaten erforderlich, welche durch das Niederschlagsportal NiRA.web zur Verfügung gestellt werden. Die historischen, aktuellen und prognostischen Füllstands-, Abfluss-und Niederschlagsdaten werden dann im Bewirtschaftungs-System IntelliNet verarbeitet. Das ermöglicht eine situativ einstellbare Abfluss-, Steuer- und Regeleinrichtung. Ziel ist, vorhandene Stauräume bei unterschiedlichen Ereignissen optimal auszunutzen und Einleitungen in Gewässer damit zu reduzieren. Auch der Betrieb von Kläranlagen kann auf zu erwartende Zusatzmengen eingestellt werden.
Anwendungsbeispiel 3 – Rechen
Die beste Rückhaltewirkung von Schwimmstoffen bei Rechenanlagen wird durch einen Rechengut-Filter erzielt. Diese Filter baut sich bei Entlastung und Stillstand der Reinigungsharke unter Berücksichtigung des Oberwasserstands durch die Schwimmstoffe vor bzw. in der Rechenanlage auf. Sollten bestimmte Wasserstände erreicht bzw. überschritten werden, tritt die Reinigungsharke in Funktion und reinigt die Rechenanlage soweit hydraulisch erforderlich.
Zum Ende eines Entlastungsereignisses findet i.d.R. eine Endreinigung der Rechenanlage statt. Diese Reinigung entfällt, der Rechenfilterkuchen wird erhalten, wenn vom NiRA.web die Information über ein weiteres zu erwartendes Niederschlagsereignis mit einer weiteren Entlastung kommt. Ergebnis: Umweltschutz, geringere Laufbelastung und Energieersparnis.
