Trinkwasserqualität mit Cadenza Web systematisch sicherstellen

Im Forschungsprojekt TRUST entwickelt Disy zusammen mit den Projektpartnern eine benutzerfreundliche Software für die systematische Qualitätssicherung der Trinkwasserversorgung, die auch räumliche Komponenten berücksichtigt.

Der Klimawandel verschärft den Wassermangel vor allem in Regionen, die bereits heute mit Wasserknappheit kämpfen. Gleichzeitig steigt weltweit der Bedarf an sauberem Trinkwasser, Bewässerungswasser für die Landwirtschaft und Brauchwasser für die Industrie. Im Verbundprojekt TRUST arbeiten deshalb Experten verschiedener Disziplinen zusammen und entwickeln ganzheitliche Planungswerkzeuge und neuartige integrierte Wasserversorgungs- und Abwasserentsorgungskonzepte für eine nachhaltige Wasserversorgung mit Vorrang für die Trinkwasserversorgung. Das Projekt TRUST steht für „Forschungs- und Entwicklungsprojekt für eine nachhaltig gerechte und ökologisch verträgliche Trinkwasserversorgung in Wassermangelregionen“ und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Fördermaßnahme „GRoW – Globale Ressource Wasser“ gefördert.

Koordiniert vom Zentrum für Interdisziplinäre Risiko- und Innovationsforschung (ZIRIUS) der Universität Stuttgart, arbeiten in TRUST zusammen mit Disy sieben Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft (Abb. 1) gemeinsam an ganzheitlichen Planungswerkzeugen und neuartigen integrierten Wasserversorgungs- und Abwasserentsorgungskonzepten. Ziel ist es, die weltweite Umsetzung der nachhaltigen Entwicklungsziele der Vereinten Nationen weiter voranzubringen. Das Projekt hat eine Laufzeit von drei Jahren. Das Kick-off der deutschen Projektpartner fand im Juni 2017 an der Universität Stuttgart statt, die Partner aus der Pilotregion traf Disy erstmals im November 2017 in Peru (Abb. 2 und 3).

Aufgabenschwerpunkt von TRUST

Die Pilotentwicklungen von TRUST finden im Wassereinzugsgebiet der Region Lima in Peru statt (Abb. 4, Abb. 5), in Kooperation mit den lokalen Akteuren, wie der Nationalen Wasserbehörde „Observatorio del Agua“ (ANA) und dem Wasserunternehmen von Lima, SEDAPAL. Dabei erfolgen aber alle Projektarbeiten auch mit Blick auf Übertragbarkeit auf andere Gebiete; teilweise werden die entwickelten Methoden und Technologien auch in Deutschland anwendbar sein.

Einer der Aufgabenschwerpunkte von Disy besteht darin, ein benutzerfreundliches und nachhaltiges Software-Werkzeug zu entwickeln, das die methodischen Vorgehensweisen des DVGW-Technologiezentrum Wasser (TZW), eine Einrichtung des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches e. V.(DVGW), zum Risikomanagement in der Trinkwasserversorgung unterstützt. Dazu wird ein Entscheidungsunterstützungssystem (EUS) zur Steigerung und Gewährleistung der Versorgungssicherheit entwickelt, das einen vorsorgenden und nachhaltigen Schutz der Wasserressourcen fördert.

Disy entwickelt Entscheidungsunterstützungssystem nach WSP-Konzept

Seine Struktur orientiert sich am Water-Safety-Plan-Konzept (WSP), das von der WHO als wesentliches global anwendbares Instrument angesehen wird, um die strategischen Entwicklungsziele für sauberes Trinkwasser auf lokaler Ebene sicher erreichen zu können. Das EUS unterstützt ein zielgerichtetes Management von Wasserressourcen und bietet eine Grundlage für die Entwicklung von Monitoringsystemen und weiteren Maßnahmen zur Sicherung der Wasserqualität.

Das WSP-Konzept betrachtet ganzheitlich und umfassend alle Stufen der Wasserversorgung, vom Einzugsgebiet über die Wassergewinnung und –aufbereitung bis zum Wasserhahn der Endverbraucher. Im Projekt TRUST geht es vordringlich um das Risikomanagement auf Einzugsgebietsebene. Eine besondere Schwierigkeit liegt dabei naturgemäß darin, dass man häufig ein geographisch großes Gebiet betrachten muss, bei dem es viele Einflussfaktoren außerhalb der Kontrolle des Wasserversorgungsunternehmens gibt, wie z. B. Wasserbelastungen durch landwirtschaftliche Aktivitäten.

Grundsätzlich wird auf jeder Betrachtungsebene der WSP-Methodik zyklisch ein Risikomanagement-Kreislauf durchlaufen (Abb. 6):

  • Das Versorgungssystem wird beschrieben.
  • Gefährdungen für das Versorgungssystem werden identifiziert und resultierende Risiken bewertet.
  • Maßnahmen zur Risikobeherrschung werden geplant, umgesetzt und dokumentiert.
  • Am Ende eines Umsetzungszyklus ist eine Verifizierung möglich. 

Das EUS in seinem momentanen Ausbauzustand unterstützt zunächst die Erfassung und Bewertung von Risiken für die Wasserqualität. Die Idee und die Umsetzung in der Software basiert auf den Grundbegriffen aus Abb. 7:

  • Alle Bereiche eines betrachteten Einzugsgebietes weisen bestimmte Landnutzungen auf, wie z. B. landwirtschaftliche Nutzung durch Getreideanbau. Landnutzungen können bestimmte Gefährdungsereignisse mit sich bringen, die zu konkreten Gefährdungen der Wasserqualität führen, wie z. B. eine Gülledüngung, die zu einer Kontamination des Grundwassers mit bestimmten organischen Verbindungen und insbesondere mit Nitraten führen könnte.
  • Für jede solche Gefährdung lässt sich ein (flächenbezogenes) Ausgangsrisiko bestimmen, indem man die Eintrittswahrscheinlichkeit eines Gefährdungsereignisses mit dem Schadensausmaß verrechnet.
  • Dem wirken aber in der Praxis spezifische Schutzwirkungen aufgrund der naturräumlichen Gegebenheiten entgegen: Beim Versickern erfolgt bereits eine Denitrifikation, ein langer Weg durch einen Grundwasserleiter hat ebenfalls einen reinigenden Effekt usw. Aus spezifischen geographischen und geologischen Gegebenheiten (Bodenschichtung etc.) lässt sich also eine ebenfalls flächenbezogene Vulnerabilität ableiten.
  • Verrechnet man Ausgangsrisiken mit Schutzwirkungen, entsteht das Restrisiko für das Rohwasser, das für die Produktion von Trinkwasser dem Gewässersystem entnommen wird.

Es ist naheliegend, ein solches System auf ein GIS-Werkzeug aufzusetzen, um die Landnutzungen, die Gefährdungen und die Schutzwirkungen räumlich zuordnen zu können. Das in TRUST entwickelte EUS ist eine interaktive Fachanwendung auf Basis von Cadenza Web (vgl. Abb. 8) und ermöglicht die Erfassung und Bewertung von Risiken im Einzugsgebiet (bereits umgesetzt, vgl. Abb. 9), deren Verknüpfung mit dem entsprechenden geographischen Objekt (Abb. 10) sowie die Dokumentation von Maßnahmen zur Risikobeherrschung (noch zu realisieren). Durch die Haltung aller Daten in einer Datenbank sind keine redundanten Eingaben bei der Risikoabschätzung erforderlich. Zudem wird eine einheitliche Dokumentation ermöglicht und der Aufwand bei der Pflege des WSP minimiert.

Als pragmatische, für die Anwender in der täglichen Praxis mit überschaubarem Aufwand handhabbare Lösung für die Erfassung von Eintrittswahrscheinlichkeiten, Schadensausmaßen und Schutzfunktionen können einfache semi-quantitative Skalen definiert und bei der Datenerfassung genutzt werden; so bedeutet bspw. eine „sehr hohe“ Eintrittswahrscheinlichkeit, dass ein Ereignis einmal im Jahr oder häufiger erwartet wird. Die Verrechnung dieser Werte erfolgt über einfache Entscheidungstabellen, die ebenfalls durch die Anwender frei definiert werden können.  

Rohwasserrisikokarte zeigt Handlungsbedarf für den Wasserversorger

Durch die Aggregation aller Risiken entsteht die initiale Risikokarte (Abb. 11), und über eine Verschneidung mit Schutzwirkungen erhält man schließlich die Rohwasserrisikokarte (Abb. 12), die dem Risikomanager des Wasserversorgers aufzeigt, wo der größte Handlungsbedarf besteht und wo entsprechende Maßnahmen zur Risikobeherrschung getroffen werden müssen. 

Das prototypische System wurde bereits mit Experten des TZW und mit Praktikern aus der Pilotregion in Peru diskutiert und bewertet. Die Einschätzungen waren überwiegend positiv; weitere Arbeitspunkte für die Vervollständigung des Systems wurden bereits spezifiziert. Einen maßgeblichen Mehrwert gegenüber bereits verfügbaren Hilfsmitteln zur Erstellung eines WSP stellt die Erweiterung um die räumliche Komponente dar, die für ein zielgerichtetes Einzugsgebiets-Risikomanagement unentbehrlich ist. Neben Informationen zur Flächennutzung können Daten zu Gebietseigenschaften wie Hangneigung und Bodenart sowie Entfernung zur Entnahmestelle in die Bewertung einbezogen werden.

Langfristig sehen wir Anwendungsmöglichkeiten für das Werkzeug nicht nur in Peru, sondern auch in Deutschland. Gerade auch für kleine und mittlere Wasserversorger sind gut bedienbare und aufwandsmindernde Werkzeuge sehr wichtig.

Danksagung

Die beschriebenen Arbeiten erfolgten mit Unterstützung des BMBF unter dem Förderkennzeichen 02WGR1426A-G.

Die vorgestellten Arbeiten wurden in enger Kooperation mit den Kollegen des TZW Karlsruhe durchgeführt, die auch Abbildungen und Textteile zu diesem Beitrag beigesteuert haben.

Fotos der TRUST-Projekttreffen und aus der TRUST-Pilotregion wurden freundlicherweise von den Projektpartnern zur Verfügung gestellt. Wir bedanken uns insbesondere bei Herrn Manuel Krauß vom Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft (ISWA) der Universität Stuttgart.