Hochwasser entstehen in Folge langanhaltender und großräumiger Niederschläge, kurzem und lokal begrenztem Starkregen oder durch Schneeschmelze im Winter oder Frühjahr. Besonders betroffen sind dabei gebirgige Regionen, aber auch Landschaften, die von Tälern oder Schluchten geprägt sind. Gerade kleinere Gewässer und Bachläufe, die oftmals nicht oder nur geringfügig überwacht werden, entwickeln sich dann schnell von kleinen Rinnsalen zu reißenden Strömen.
Bei Niederschlägen versickert ein Teil des Wassers im Boden und trägt zur Grundwasserneubildung bei. Ein weiterer Teil wird im Boden zwischengespeichert oder verdunstet. Der Rest fließt über die Bodenoberfläche in die Gewässer. Wie viel Wasser tatsächlich abfließt, hängt von den Eigenschaften des Bodens, dem Versiegelungsgrad und somit der Wasserdurchlässigkeit sowie der Topografie der Landschaft ab. All diese Punkte begünstigen im schlechtesten Fall einen schnellen Oberflächenabfluss, der so zu einer Überschwemmung führen kann. Oftmals zählen hier Minuten, um rechtzeitig Schutzmaßnahmen einleiten zu können.
Eine Hilfe leistet das Frühwarnsystem Netilion Flood Monitoring, das mit Sensormessungen und künstlicher Intelligenz (KI) die Hochwassergefahr prognostiziert und frühzeitige Maßnahmen ermöglicht. Entwickelt wurde es gemeinsam vom Messtechnikspezialisten Endress+Hauser und Okeanos Smart Data Solutions, einem Start-up mit Wurzeln an der Ruhr-Universität Bochum.
Präzise Messungen mit Sensoren
Ziel des Frühwarnsystems ist es, die Entscheidungsträger von Behörden, Kommunen und Rettungskräften im Falle eines drohenden Hochwassers mit genügend Vorlauf zu informieren. „Wir möchten mit unserer Lösung dafür sorgen, dass die Anwender das Überschwemmungsrisiko für ihr Gebiet genau einschätzen und zielgerichtet die nötigen Entscheidungen treffen können“, sagt Florian Falger, der zuständige Market Manager beim Messtechnikhersteller Endress+Hauser.
Ob Bürgermeisterinnen und Bürgermeister, Feuerwehrleute, das Technische Hilfswerk (THW) oder Mitarbeitende von Bauhöfen oder Ingenieurbüros: Sie alle werden online per Smartphone oder Computer minutengenau darüber informiert, wie sich Gewässer in ihrem Gebiet entwickeln und ob kritische Werte erreicht sind.
Grundlage hierfür sind lokale Messwerte, die direkt an den Bachläufen und deren Umgebung gesammelt werden. Um ein Gebiet so gut wie möglich zu verstehen, werden Pegelmessgeräte, Starkregensensoren und Bodenfeuchtsensoren installiert. Die verschiedenen Sensoren senden ihre Messwerte in die Cloud-Plattform Netilion von Endress+Hauser. Dort verrechnet eine künstliche Intelligenz sie miteinander. Auf Basis der Werte sowie weiterer Daten wie zum Beispiel der Wetterprognose und der Beschaffenheit des Geländes kann die KI vorhersagen, ob und wann ein Hochwasser droht und an welchen Stellen die Ursachen dafür liegen. An die Anwender wird diese Vorhersage als eindeutige Information ausgespielt. Das heißt, sie müssen die Messdaten nicht selbst interpretieren.
Dabei gilt: Je länger das System im Einsatz ist und je mehr Daten zusammengetragen werden, desto tiefer sind die Erkenntnisse, die sich daraus ableiten lassen. „Der große Vorteil einer künstlichen Intelligenz liegt darin, dass sie sich selbstständig weiterentwickelt. Der Algorithmus lernt mit der Zeit dazu und versteht ein Gebiet somit immer genauer“, sagt Okeanos-Gründer Benjamin Mewes. „Die Digitalisierung ermöglicht also nicht nur schnellere Entscheidungen, sondern auch langfristige Verbesserungen der Hochwasserschutzkonzepte.“ Beispielsweise können kritische Stellen durch das gewonnene Wissen über die Gebietsreaktion gezielter gesichert werden.
Schnell installiert und förderfähig
Wenn feststeht, wo die Messstellen sein sollen, kann das Frühwarnsystem Netilion Flood Monitoring innerhalb von einem Tag installiert werden. Fast alle Sensoren sind batteriebetrieben und bedürfen keiner Infrastruktur wie beispielsweise Veränderungen am Gewässer, der Schaffung von Querschnitten oder der Errichtung von Pegelhäuschen. Aufwendige Baumaßnahmen oder Genehmigungen sind für die Installation ebenfalls nicht nötig. Die Sensoren lassen sich an vorhandenen Querbauwerken wie Rohrleitungen, Brücken, Unterführungen, Mauern oder Straßen anbringen. Bestehende Systeme wie zum Beispiel Landespegelmessstellen werden in die Analyse integriert. Nach Installation der Sensoren liefert das Hochwasserschutzsystem vom ersten Tag an zuverlässige Hinweise. Die Finanzierung des Systems ist zudem förderfähig: Kommunen können auf Antrag Zuschüsse vom Land erhalten, um ihren Hochwasserschutz zu verbessern.
Erfolgreicher Einsatz im Schwarzwald
In Lenzkirch ist Netilion Flood Monitoring bereits im Einsatz. Die Gemeinde im Schwarzwald wurde zuletzt 2018 von einer Überschwemmung überrascht, die Schäden in Höhe von mehreren hunderttausend Euro anrichtete. Die Ortschaft befindet sich in einer Kessellage, umgeben von Bergen und Hügeln. Zusätzlich fließen zwei Flüsse mitten durch den Ort. „Im Falle eines Starkregen ist die Gefahr groß und die Vorlaufzeit gering“, sagt Andreas Graf. Der Bürgermeister von Lenzkirch erinnert sich an das Hochwasser von 2018: „Damals ist das Wasser unheimlich schnell angestiegen, was an einem Unwetter mit gleichzeitiger Schneeschmelze lag.“
Heute sind rund um Lenzkirch verschiedene Messstellen verteilt: In den Böden stecken sechs Bodenfeuchtesensoren und verraten, ob das Erdreich noch genügend Regenwasser aufnehmen kann oder bereits gesättigt ist. Am Dachgiebel des Bauhofs und an einem weiteren Standort ist jeweils ein Niederschlagsensor angebracht, sie messen die Regenintensität. Und an insgesamt neun Stellen entlang der Flüsse und Bäche der Gegend sind Radar-Pegelmessgeräte installiert, die den Stand der Gewässer anzeigen.
Die Mitglieder der Freiwilligen Feuerwehr von Lenzkirch sind vom Nutzen der digitalen Kontrollmöglichkeiten überzeugt. „Als im Februar 2021 kritische Hochwasserwerte erreicht wurden, konnten wir mit Flood Monitoring von unserer Leitwarte aus die Pegelstände überwachen und mussten nicht die einzelnen Stellen abfahren. Das spart nicht nur wertvolle Zeit, sondern erhöht auch die Sicherheit für die Einsatzkräfte“, sagt Gesamtfeuerwehrkommandant Thomas Raufer.
Nur die Technik – und somit frühe Warnungen vor einem drohenden Hochwasser – reicht natürlich nicht aus, um Katastrophen zu verhindern. Hier sind die Kommunen gefragt, entsprechende Krisenkonzepte mit konkreten Handlungen zu etablieren. „Für uns ist die technologische Unterstützung sehr willkommen“, sagt der Bürgermeister von Lenzkirch. „Das System kann ein Hochwasser natürlich nicht vermeiden, aber wir gewinnen durch die frühe Warnung wertvolle Zeit. Und bei einer Überschwemmung zählt schließlich jede Minute.“
Gutes Beispiel für den Nutzen des IIoT
„Netilion Flood Monitoring ist ein Beispiel dafür, wie wir bei Endress+Hauser durch das Internet of Things (IoT) konkrete Mehrwerte für die Nutzer schaffen. Das gelingt uns hier durch die Kombination von Messwerten, einer Cloud-Plattform und einer KI“, sagt Falger. „Alle drei Zutaten dieser Kombination resultieren aus unserer eigenen Entwicklung und Forschung: Wir haben die Sensoren für die Pegelstände und die Bodenfeuchte sowie die Cloud-Plattform Netilion selbst entwickelt – und wir können dank der Skalierbarkeit unserer Cloud-Architektur den von Okeanos entwickelten KI-Algorithmus in unser digitales Ökosystem integrieren“, so Falger.
Der Forschungsaufwand für solche Technologien ist beträchtlich. Beim Mittelständler Endress+Hauser, der seit fast 70 Jahren Messtechnologien für die industrielle Verfahrenstechnik entwickelt und produziert, beschäftigen sich gruppenweit von über 16.000 Mitarbeitenden allein 1200 mit Forschung und Entwicklung. Das im Geschäftsbereich Level+Pressure frisch gegründete Innovation Lab dient als Keimzelle für neue Herangehensweisen und Geschäftsmodelle. Um Technologien gezielt zu fördern, wurde das Innovationsmanagement direkt an die Geschäftsleitung angebunden.
