Der Digitale Gewässerzwilling nimmt Gestalt an: Drohnenmesskampagne am Emscheroberlauf

Die Herausforderungen im Umgang mit unseren Gewässern werden immer komplexer. Um den ökologischen Zustand unserer Gewässer zu verbessern und den Auswirkungen des Klimawandels gerecht zu werden, ist schnelles Handeln unerlässlich. Der Digitale Gewässerzwilling verspricht eine ganzheitliche, nachhaltige Gewässerbewirtschaftung, die dynamische Veränderungen besser bewältigen und widerstandsfähige Gewässer schaffen kann. Im Auftrag von Emschergenossenschaft und Lippeverband (EGLV) arbeitet das FiW daran, einen Prototypen des Digitalen Gewässerzwillings für den Emscheroberlauf zu entwickeln. Ein wichtiger Schritt dabei ist der Einsatz von Flugdrohnen als mobile Sensor-Daten-Applikation, der in Zusammenarbeit mit unserem Partner Orthodrone erfolgt.

Digitale Zwillinge revolutionieren die Art und Weise, wie wir Gewässer überwachen und bewirtschaften. Bisher sind sie hauptsächlich im Bereich technischer Anlagen im Einsatz, doch wir glauben, dass ihr Potenzial viel weiter reicht. Das FiW überträgt dieses Konzept auf Gewässer, um so eine umfassende Darstellung des Gewässersystems für eine zukunftsweisende Gewässerbewirtschaftung zu ermöglichen. Im Auftrag der Emschergenossenschaft arbeiten wir an einem Minimum-Viable Product für einen Digitalen Gewässerzwilling am Emscheroberlauf. Die Emscher ist seit dem Jahreswechsel 2021/2022 komplett abwasserfrei, jedoch weiterhin stark durch Mischwasserentlastungen und die Einleitung der Kläranlage Dortmund-Deusen überprägt. Damit bietet dieser Gewässerabschnitt großes Potential zur Implementation nachhaltiger Bewirtschaftungsansätze.

Der Digitale Gewässerzwilling wird ein modulares System aus Sensorik, IT-Infrastruktur und Gewässergütemodell sein, das unser Prozessverständnis kontinuierlich verbessert und Prognosen sowie Entscheidungen unterstützt. Er umfasst als physische Einheit das natürliche (Gewässer-)System inklusive des zugrundeliegenden Prozess- und Systemverständnisses. Das Kernstück der digitalen Einheit ist ein Gewässergütemodell, welches automatisiert und kontinuierlich Inputdaten aus der physischen Einheit erhält und so fortlaufend angepasst, verbessert und erweitert werden kann.

Wir beginnen mit dem Einsatz von Flugdrohnen als mobile Sensor-Daten-Applikation im Systemverbund mit einem Gewässergütemodell. Drohnen bieten eine einzigartige Perspektive auf Gewässer und ermöglichen es, Daten aus der Luft zu sammeln, die für die Bewertung der Gewässergüte und anderer wichtiger Parameter unerlässlich sind. Die mittels Flugdrohne erhobenen Daten sollen in das Modell einfließen und die Grundlage für datenbasierte Entscheidungen bieten (data-on-demand). Anhand der Modellergebnisse sollen wiederum neue Drohneneinsätze für eine, an die jeweiligen Bewirtschaftungsfragen optimierte, Datenerhebung initiiert werden. Das FiW übernimmt die Konzeptentwicklung des Gewässerzwillings, die Integration der Messdaten und die Entwicklung automatisierter Auswerteroutinen.

Die gemeinsam mit dem Projektpartner Orthodrone durchgeführte Messkampagne war ein entscheidender Schritt in diesem Prozess. Mit einer speziell angepassten Flugdrohne hat Orthodrone Wasserproben im Emscheroberlauf entnommen und mit einer Multiparametersonde Schlüsselparameter, wie Wassertemperatur, Leitfähigkeit, pH-Wert und Sauerstoffgehalt, gemessen. Eine fest installierte Messstation am Emscheroberlauf liefert kontinuierliche Daten zur Überprüfung und Validierung der mit der Drohne erhobenen Daten.

Außerdem ist die Erfassung photogrammetrischer und LiDAR-Daten geplant, um das Gewässergütemodell weiter zu verbessern. Beispielsweise wird hierdurch ermöglicht, die Makrophytenbedeckung zu bewerten und ein noch genaueres Bild des Gewässersystems und seiner Uferstruktur zu erhalten. Wir sind zuversichtlich, dass digitale Gewässerzwillinge in Zukunft einen bedeutenden Beitrag zur nachhaltigen Gewässerbewirtschaftung leisten werden.