Die Versorgung mit und Reinigung von Wasser sind wichtige Elemente der Daseinsvorsorge und müssen im Hinblick auf aktuelle Herausforderungen wie den Klimawandel überdacht und nachhaltig weiterentwickelt werden. Digitale Technologien haben das Potenzial, intelligente Lösungen für diese Herausforderungen zu bieten. Dazu zählt vor allem die Absicherung eines ausreichend großen Wasserdargebots und die automatisierte Verarbeitung und Nutzung vorhandener Daten. Die Wissenschaftler*innen des Arbeitspakets „Wasserver- und -entsorgung sowie nachhaltiges Wassermanagement“ analysieren den aktuellen Zustand an verschiedenen Stellen des Wasserkreislaufs (z. B. Starkregen) mithilfe Künstlicher Intelligenz (KI). Hierzu erzeugen sie mit Struktur- oder Modelldaten des jeweiligen Aspekts einen digitalen Zwilling – das virtuelle Abbild des betrachteten Aspekts. Mit gemessenen Sensordaten kann der digitale Zwilling plausibilisiert werden, um dann auch extreme, bisher nicht gemessene Ereignisse zu untersuchen und Daten auch an nicht betrachteten Stellen zu erzeugen. Mit den erzeugten Daten trainieren die Wissenschaftler*innen KI-Modelle, um Prognosen für weitere Entscheidungen zu ermöglichen.
Darüber hinaus beschäftigen sich die Wissenschaftler*innen mit digitalen Möglichkeiten, den Wasser- und Energieverbrauch z. B. in der Feldbewässerung digital zu erfassen und auszuwerten. Für die Bewässerung landwirtschaftlich genutzter Flächen ist ein effizienter Wassereinsatz gerade mit Blick auf den Klimawandel unabdingbar. Moderne Anlagen können Verbrauchsdaten digital erfassen, weiterverarbeiten und somit die ausgebrachten Wassermengen korrekt ermitteln. In der Praxis sind aber nur sehr wenige Anlagen technisch entsprechend ausgestattet. Daher werden Verbrauchsdaten aktuell oft noch analog erfasst und erst mit großem Zeitverzug ausgewertet, sodass sie für Managementaufgaben nicht mehr genutzt werden können. Hier setzen die Wissenschaftler*innen des Zukunftslabors an: Sie arbeiten an einer Smartphone-App, über die Verbrauchsdaten erfasst und ausgewertet werden. Dadurch erhalten Landwirt*innen eine Übersicht über die Nutzung des Wasserkontingents. Sie können ausgewählte Daten direkt an den Wasserverband übermitteln.
Ein weiterer Aspekt dieses Arbeitspakets ist die Entwicklung eines Prognosetools zur Risikoabschätzung des Schadstoffgehalts in städtischen Gewässern. Dafür entwickeln sie ein KI-Modell, das auf Basis klassischer Kanalnetzmodelle trainiert wird, um Emissionen aus dem urbanen Raum vorherzusagen. Datengrundlage sind Parameter wie Niederschlag und Oberflächenbedeckung. Die Wissenschaftler*innen vergleichen diese Daten mit den Wassermengen, die über natürliche oder künstliche Wege abfließen (z. B. Flüsse als natürlicher oder Kanäle als künstlicher Wasserabfluss) und nehmen eine Risikobewertung vor. Um den Datentransfer zu optimieren und ggf. eine synthetische Steuerung des Kanalnetzes zur Risikominimierung umzusetzen, bauen die Wissenschaftler*innen einen digitalen Zwilling auf. Die erarbeiteten Methoden bereiten sie mithilfe eines Dashboards so auf, dass sie in der Praxis zur Unterstützung von Entscheidungen dienen können. Als exemplarisches Untersuchungsgebiet nutzen sie die Stadt Celle mit der Aller als natürliches Gewässer.
Künstliche Intelligenz kann einen wertvollen Beitrag leisten für die Versorgung mit und die Entsorgung von Wasser, aber auch für die Vorhersage von kritischen Zuständen (Starkregen, Wassermangel oder Gefährdungen durch Schadstoffe). Sie ermöglicht es, große Mengen digital erfasster Daten auszuwerten und mit Modellen zeitliche und räumliche Lücken zu schließen und bildet somit die Grundlage für ein intelligentes und nachhaltiges Wassermanagement. In Verbindung mit Künstlicher Intelligenz werden neue und schnellere Auswertungen möglich, die in der Zukunft zu einer Verbesserung des Wassermanagements beitragen werden.
Ein weiteres Thema im Zukunftslabor Wasser ist die Nutzung von Niederschlägen in Städten mithilfe digitaler Technologien. Die Wissenschaftler*innen entwickeln Lösungen, um Niederschlagswasser automatisiert und bedarfsgerecht für die weitere Nutzung bereitzustellen, z. B. durch dezentrale Aufbereitungseinheiten. Sie arbeiten auch an der automatisierten Steuerung dieser Aufbereitungseinheiten und an einer digital gestützten Sicherung der Wasserqualität. Zudem entwickeln sie digitale Lösungen, um den lokalen Wasserbedarf vorherzusagen, die Verfügbarkeit von Niederschlägen zu prognostizieren und die Verteilung der Niederschläge entsprechend der Bedarfe und der Verfügbarkeit zu steuern.
Um die im Zukunftslabor Wasser entstehenden Datenprodukte bedarfs- und technologiegerecht an die Nutzer*innen aus der Wasserwirtschaft zu liefern, beschäftigen sich die Wissenschaftler*innen mit der technischen Bereitstellung von Datenprodukten. Die Datenprodukte sollen in einer wasserwirtschaftlichen Informationsplattform als Open Source angeboten werden. Open Source bedeutet, dass der Quellcode der Plattform frei zugänglich gemacht wird, um Transparenz zu schaffen und anderen Wissenschaftler*innen die Möglichkeit zu geben, die Software zu verbessern oder für eigene Zwecke zu nutzen.
Folgende Wissenschaftler*innen beteiligen sich am Projekt „Wasserver- und -entsorgung sowie nachhaltiges Wassermanagement“:
