WABEsense – Digitalisierte Brunnenstuben (Digitalisierung von Brunnenstuben alpiner Quellen (WABEsense))

• Research unit: FOEN
• Project number: UTF 642.21.20

Key words (German)

Quellwasser, Alpenraum, Alpen, Trinkwasserversorgung, Klimawandel, Trinkwasser, Brunnenstuben, Abflussaufzeichnungen

Short description (German)

In vielen Schweizer Gemeinden und insbesondere im Schweizer Alpenraum wird die Trinkwas-serversorgung durch Quellen gewährleistet. Das Trinkwasser wird dabei in Brunnenstuben ge-fasst und anschliessend ins Trinkwassernetz gespiesen. Auf nationaler Ebene sind die Trink-wasservorkommen bekannt, werden überwacht und entsprechend durch gesetzlich geregelte Gewässerschutzzonen geschützt. Es bestehen jedoch besonders im Alpenraum grosse regio-nale und lokale Unterschiede hinsichtlich der Abflussmengen. So stellen unter anderem zuneh-mende Trockenheitsperioden und der Klimawandel grosse Herausforderungen an die Trinkwas-serversorgung dar.

Die ganzjährige Überwachung der Abflüsse ist wichtig für das Trinkwassermanagement der Ge-meinden und Wasserversorger. So werden beispielsweise auf nationaler Ebene die Grundwas-serregime via Nationaler Grundwasserbeobachtung (NAQUA) gemessen, jedoch nicht flächen-deckend im Alpenraum auf lokaler (Gemeinde-)Ebene. Dies aufgrund der oftmals unzugängli-chen Standorte der Brunnenstuben in den Alpen, saisonbedingten Schwierigkeiten des Zu-gangs und der fehlenden Infrastruktur. So sind u.a. im Alpenraum Abflussaufzeichnungen und Langzeitmessungen nur spärlich vorhanden, weil diese hauptsächlich manuell und unregelmäs-sig durchgeführt werden. Eine Standardisierung und Automatisierung der Abflussmessungen ist teuer, komplex und für kleinere Gemeinden und Wasserversorger ein erheblicher Kostenfaktor bei der Bereitstellung von Trinkwasser. Diese hohen Investitionskosten sind dann für kleine Ge-meinden und Wasserversorger oft nicht mehr tragbar.

Mit dem vorliegenden Projekt „WABEsense — Digitalisierte Brunnenstuben" sollen ganzjährige Abflussmessungen und -aufzeichnungen ermöglicht werden, die einfach in der Handhabung und finanziell auch für kleinere Gemeinden und Wasserversorger tragbar sind. Gleichzeitig soll die Anwendung der WABEsense Technologie für möglichst viele Brunnenstuben bereitgestellt werden, um damit ein schweizweit flächendeckendes Monitoring zu ermöglichen. Das vorlie-gende Projekt soll das Wissen zum Wasserhaushalt von Quellen im Alpenraum vergrössern (z.B. saisonale Schwankungen, Auswirkungen des Klimawandels) und gleichzeitig die Voraus-sagen des Wasservorkommens verbessern.
Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 14.04.2020 (Beilage 1) an der Sitzung der Koko UT vom 11.06.2020 genehmigt.

Results according to contract (German)

1 Die Entwicklung des Prototyps auf open Source Hardware ist abgeschlossen und eine funktio-nierende Null-Serie ist einsatzbereit.

2 Die Entwicklung des Softwaretoolsets zur Generierung der CFD (Computational fluid dynamics) Abflusskurven für alle WABEsense-Typen ist abgeschlossen. Die Software Tools sind doku-mentiert, öffentlich zugänglich und frei nutzbar. Meilenstein 1

3 Die Null-Serie WABEsense-Brunnenstuben-Technologie ist mit den Ergebnissen aus der CFD Berechnung abgeglichen und in mind. 15 bis max. 30 Brunnenstuben installiert.

4 Die Messdaten der in 3 installierten WABEsense Brunnenstuben über 12 Monate für die Al-pha Standorte und ca. 4 Monate für die restlichen Standorte (bis Projektabschluss) mit einer zeitlichen Auflösung von bis zu 5 Min. ermöglichen ein Monitoring der Abflüsse und belegen die Funktionsfähigkeit. Nach Projektabschluss werden die Messungen unbefristet weitergeführt.

5 Ein Projektschlussbericht mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 4 und den allenfalls wei-teren angestrebten Entwicklungen ist redigiert und dem BAFU abgegeben.

6 Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind bereitgestellt und dem BAFU abgegeben.

7 Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Folien-Darstellung ist dem BAFU abgegeben und kann auf Nachfrage beim BAFU vorgetragen werden.

Project aims (German)

Es soll ein automatisiertes System basierend auf der zertifizierten WABEsense-Brunnenstuben-Technologie der Firma Uli Lippuner AG entwickelt werden, um ein ganzjähriges Monitoring der Abflüsse mit einer zeitlichen Auflösung von bis zu 5 Min. von alpinen Quellen zu ermöglichen. Die automatisch erhobenen Daten sollen in Absprache mit den jeweiligen Gemeinden und Was-serversorgern öffentlich zugänglich gemacht werden. Die Software und das Hardwaredesign werden im Sinn von open Source und freier Software ebenfalls öffentlich zugänglich gemacht und zur Verfügung gestellt.

Description of results (German)

Im Verlauf des Projekts lieferten wir eine einfache Sensorisierungslösung für Quellfassungen, die i) keine komplizierten Nachrüstungen erfordert, ii) an verschiedenen Quellfassung angepasst werden kann, iii) für das Budget der Wasserversorgungen der Gemeinden geeignet ist, iv) den Weg zu bundesweit zugänglichen Quellabflussaufzeichnungen ebnet und v) die Freiheit der Unternehmen respektiert, die besten Lieferanten für ihre Bedürfnisse auszuwählen, indem sie die Bindung an Anbieter und einen gebundenen Markt vermeiden (offene Hardwarelösung). Konkret:

- Einfaches Messverfahren für Quellfassungen, ohne grosse bauliche Veränderungen.

- Eine Software-Pipeline zur Kalibrierung der installierten Sensoren unter Verwendung von Open-Source-CFD-Simulationswerkzeugen.

- Eine erschwingliche und quelloffene Lösung für die Aufzeichnung von Sensormessungen, d.h. ein konfigurierbarer Datenlogger. Der Datenlogger ist nicht spezifisch für die Messung von Quellen, er kann in vielen verschiedenen Anwendungen wiederverwendet werden, die einfache Protokollierungslösungen erfordern.

- Ein Datensatz mit Messungen von Quellwasserabfluss und Wassertemperatur für 15 Quellen in der Schweiz.

 

Die entwickelten Werkzeuge sind ein Allgemeingut; künftige Projekte sollten darauf abzielen, sie zu verbessern und auszubauen.

Transfer and application (German)

Zwei Produkte des Projekts wurden direkt in einem Beratungsszenario umgesetzt: i) der Open-Hardware-Datenlogger und ii) die CFD-basierten Abflusskurven für Quellfassungen. 

Der Umsetzungspartner (ULAG) kümmert sich um die Installation der Hardware (ggf. Nachrüstung der Infrastruktur), die Datenvisualisierung und die Datenanalyse/-berichterstattung. 

ULAG kümmert sich auch um die Kommunikation der Relevanz und Bedeutung der Daten für die Verwaltung der Infrastruktur und der ökologischen Ressourcen. Dazu gehört unter anderem die Schulung von Betreibern zur Verbesserung der manuellen Messung der Wasservorkommen.

Die Software-Pipeline zur Erstellung von Entladungskurven ist frei und quelloffen und verursacht daher keine Lizenzkosten (weder für die Firma noch für den Kunden). Dadurch wird auch sichergestellt, dass Verbesserungen, die durch Folgeprojekte derselben oder einer anderen Firma verursacht werden, in die gemeinsam genutzten Werkzeuge zurückfliessen können.

Follow up (German)

WABEsense hat eine wichtige Rolle gespielt, zu zeigen, dass kostengünstige, modellbasierte Lösungen realisierbar und für viele Digitalisierungsaufgaben geeignet sind. So haben beispielsweise während der ersten Jahre des Projekts mehrere Steuerungsfirmen begonnen, eigene Lösungen zu entwickeln. Leider sind diese Lösungen geschlossen und wir haben Sorgen bezüglich des öffentlichen Zugangs und der Verfügbarkeit dieser Daten. Zusätzlich, durch den informellen Austausch mit den Betreibern der verschiedenen Wasserversorgungsunternehmen haben wir den Eindruck gewonnen, dass das Projekt ein Bewusstsein für die Auswirkungen von Anbieterbindung sowie für die Nichtverfügbarkeit von Daten geschaffen hat.

Aufgrund dieser Erkenntnisse werden wir die Entwicklung der Werkzeuge in Folgeprojekten fortsetzen. Wir sind davon überzeugt, dass die intelligente Verwaltung von Infrastrukturen erheblich verbessert werden würde, wenn ähnliche offene Lösungen auf breiter Basis eingesetzt und gefördert würden.