Smart-SWS – Smarte multifunktionelle Wasserspeicher - Eine Lösung für saisonale Hochwasserereignisse und zunehmende Dürreperioden

© T. Baumann | Smart-SWS

Kurzbeschreibung

Die Speicherung von Wasser in hoher Qualität und Quantität ist der Schlüssel für ein nachhaltiges Wassermanagement. Smart-SWS geht mit der konsequenten Speicherung von Abflussspitzen und wilden Abflüssen in vorhandenen Grundwasserleitern und der verzögerten und langfristigen Bereitstellung des gespeicherten Wassers in Trockenzeiten deutlich über den Hochwasserschutz bei Extremereignissen hinaus und verknüpft Hochwasser- und Dürremanagement. Die Zeitskala hydrologischer Extremereignisse ist markant asymmetrisch: Kurzfristigen Starkregen- und Hochwasserereignissen (Tage) stehen langfristige Trockenperioden (Wochen bis Monate) gegenüber. Die gegensätzlichen Anforderungen einer extrem leistungsfähigen Infiltration bei gleichzeitig stark verzögertem Abfluss erzwingen technische Eingriffe in Infiltration, Konditionierung des Wassers zur Sicherung der Grundwasserqualität und die Regulierung des Abstroms in die Vorflut. Zur Gewährleistung des sicheren Betriebs werden Messkonzepte und Sensornetze entwickelt, und die stationäre Sensorik mit mobiler Datenerfassung durch Befliegungen mit ferngesteuerten Kleinstluftfahrzeugen kombiniert.

Ziel

Ziel ist die technische Umsetzung eines dezentralen Speicherkonzepts in bestehenden Grundwasserleitern, das in der Lage ist, ein oder mehrere Hochwasserspitzen aufzunehmen und mit sehr deutlicher zeitlicher Verzögerung an die Vorflut abzugeben oder für eine höherwertige Nutzung vorzuhalten.

Arbeitspakete (AP)

Projektkoordination mit Koordination der experimentellen Untersuchungen, der gemeinsamen Dateninfrastruktur, Behördenkontakten zur Datenakquise sowie Organisation von Workshops für Fachöffentlichkeit und Fachbehörden und Regionalisierung der Ergebnisse. Über einen mit Vertreter:innen aus Wissenschaft, Verbänden und Behörden besetzten Beirat stellen sich die Projektpartner mit den Konzepten aus den Arbeitspaketen schon früh einer interdisziplinären Diskussion und nehmen die fortzuschreibenden Anforderungen aus Wissenschaft, Wirtschaft und Verwaltung kontinuierlich auf.

Definition der hydrologischen und hydrogeologischen Grenzen für die Etablierung von Speichersystemen mit Festlegung der Mindestanforderungen an die Speicherstandorte. Erfassung potentieller Nutzer und konkurrierender Nutzungen sowie Entwicklung von Betriebskonzepten für typische Abflusszenarien.

Parametrisierung, technische Implementierung und Test von systemkritischen Komponenten (Reinigung, Infiltration, Leitsysteme) im Technikumsmaßstab. Experimentelles Monitoring der Umsetzungsprozesse an der Infiltrationsfront und Erfassung der Reaktionskinetik im Speicher.

Planung, Einrichtung und Test eines Infiltrationssystems mit Kopplung an Hochwasser oder starkregeninduziertes wild abfließendes Wasser; Test des hydraulischen und hydrochemischen Verhaltens bei wiederholter intermittierender Beschickung mit schwebstoffreichen Oberflächenwässern; Prognose des Ausbreitungsverhaltens von Schwebstoffen und (Bio)Kolloiden; Ausblick auf alternative Reinigungssysteme.

Definition konkreter Standortanforderungen an die geotechnische Lösung; Entwicklung und konzeptionelle Auslegung von geotechnischen Systemen zur Auflösung der starken zeitlichen Asymmetrie der Extremereignisse Hochwasserwelle und Dürre; Numerische Grundwassersimulation zur Bewertung der geotechnischen Lösungsvarianten, Simulation typischer Lastszenarien; Bewertung von Wartungs- und Regelungsbedarf, ökologischer Auswirkung und Übertragbarkeit
auf andere Standorte.

Entwicklung eines skalierbaren Modells für die Prozesse im Speicher; technisches Design eines autonomen und ausfallsicheren Netzwerkes; Datenerfassung und -übertragung; Datenhaltung und auswertende Visualisierung (Cloud-Edge-Prozessierung, AI); Sensorfusion und Ableitung von nicht invasiv ermittelbaren Messgrößen zur Kontrolle des Speichers; Nutzung von Geodaten und Geoanalytik in der flächendeckenden Standortanalyse und Identifikation von Standorten in Deutschland.

Integrative numerische Modellierung des Speichers (Hydrologie, Hydraulik, Hydrogeochemie, Wasserchemie); Anbindung an bestehende Werkzeuge (Regenwassermanagement, Hochwassersimulationen, Oberflächenwasser-Grundwasserintegration); Prognose des Speicherverhaltens bei verschiedenen Lastzuständen; Ableitung der Regelgrößen; Entwicklung von Rückfalloptionen für einen unbeaufsichtigten Betrieb des Speichers.

Entwicklung eines Anforderungskatalogs an die Rechtspflege und -fortschreibung zur Ermöglichung von Grundwasserspeichern; Abwägung von rechtlichen Interessenkonflikten und Definition von Ausnahmetatbeständen; Kosten-Nutzen-Analyse für die Projektstandorte mit umweltökonomischer Betrachtung und Berücksichtigung bestehender Externalitäten.

Ziel der synoptischen Auswertung ist eine Karte potentieller Speicherstandorte und ein technischer und normativer Kriterienkatalog für die Umsetzung. Unter Nutzung der Ergebnisse des Pilotversuchs werden die Konzepte für den großen Speicher geplant und konkret mit den Behörden diskutiert.

Koordinator:
Prof. Dr. Thomas Baumann
Technische Universität München – Lehrstuhl für Hydrogeologie

Laufzeit:
01.03.2022- 28.02.2025