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Aaseemonitoring - Intelligente Sensoren messen Wasserqualität

Der Aasee in Münster

© Stadt Münster / M. Kolta

Ziel/Nutzen der Lösung

Die Stadt Münster kontrolliert sensorgestützt die Wasserqualität des in der Innenstadt gelegenen Aasees. Sensoren erheben kontinuierlich Wasserqualitätsdaten und übermitteln die Daten automatisch an die dafür zuständigen Ämter. Somit ist die Stadt Münster rund um die Uhr über die Wasserqualität informiert. Verschlechterungen können frühzeitig erkannt werden. Dies ermöglicht es, entsprechende Maßnahmen zur Sicherung des Lebensraumes für Pflanzen und Tiere zu ergreifen. Das Projekt stellt somit die Qualität des beliebten Freizeit- und Naherholungsraums sicher.

Lösungsbeschreibung

Die Materialkosten für die Pilotmessstelle im Aasee umfassen rund 34.000 Euro. Dazu kommt eine einmalige Aufwendung von rund 4.300 Euro für das Fachpersonal. Die jährlichen Kosten für den Aufwand von Ingenieur und Techniker belaufen sind auf rund 9.000 Euro. Der ermittelte Stromverbrauch der Messstation liegt bei rund 650 Wattstunden pro Jahr.
Sensoren ermitteln die Wasserqualität und senden die Daten alle 15 Minuten über das sogenannte Long Range Area Network (kurz: LoRaWAN) der Stadtwerke Münster an die dafür zuständigen Ämter. Das LoRaWAN-Funknetz ermöglicht die energiesparende Übermittlung der Wasserqualitätsdaten. Das LoRaWAN-Funknetz eignet sich insbesondere für die Übertragung von geringen Datenmengen wie sie beispielsweise bei der Erhebung von Umweltdaten entstehen.
Die LoRaWAN-Sensoren ermitteln Temperatur, Trübung und den Sauerstoffgehalt im Aasee sowie weiterer Parameter hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung (Chlorophyll-a, Cyanobakterien-Chlorophyll-a, SAK254, CSB, BSB, TOC). Die Sensoren sind über einen Datensammler mit einem LoRa-Modul verbunden, welches alle 15 Minuten die Wasserqualitätsdaten über das bereits bestehende LoRaWAN-Funknetz an einen dezentralen Datenspeicher, den IoT-Datahub, sendet. Der IoT-Datahub wird durch die Stadtwerke Münster betrieben. Von dort erfolgt die Darstellung in einem Dashboard, welches für die zuständigen Ämter online aufrufbar ist und die Visualisierung sämtlicher erhobener Daten erlaubt. Die Visualisierung der Daten in dem Dashboard basiert auf der plattformübergreifenden Open-Source-Anwendung Grafana. Eine übersichtlichere Version des Dashboards ist für die ansässigen Segel- und Angelvereine einsehbar. Es zeigt lediglich die wichtigen Gewässergüteparameter. Auf die Darstellung von Detaildaten wie den Chlorophyll-a-Gehalt wird verzichtet. Die Daten über die Wasserqualität, Sauerstoffgehalt und den pH-Wert des Aasees werden aus dem IoT-Datahub über eine MQTT-Schnittstelle auf das öffentliche Dashboard gespielt. Dort finden sich auch weitere Daten aus anderen Bereichen der Stadtverwaltung wie beispielsweise Daten zur Parkraumbelegung. Die Software des Dashboards wurde von dem münsterschen Start-up re:edu entwickelt. Die Software ist frei verfügbar.
Nach einem großen Fischsterben im münsterschen Aasee im Sommer 2018 wurde auf dem Hackathon Münsterhack die Idee eingereicht, die Wasserqualität des Aasees digital zu überwachen. Daraufhin wurde in Zusammenarbeit mit Münsters Tech-Szene die „Hack-a-Tonne“ entwickelt. Es handelt sich hierbei um eine Messtonne, die mithilfe von LoRaWAN-Sensoren Gewässergütedaten ermittelt. Die Stadtverwaltung setzte die Idee zur dauerhaften Messung der Wasserqualität in Kooperation mit den Stadtwerken Münster und der items GmbH in abgewandelter Form um. Anstatt Messsonden auf dem Aasee einzusetzen, wurde eine geschützte Messstation am Schwimmsteg der ansässigen Segelschule Overschmidt umgesetzt. Dies ermöglicht eine gute Erreichbarkeit für die Reinigung und Wartung der Sensorik.
Insbesondere die Parameter, die mittels optischer Sonden ermittelt werden, sind aufgrund des sich bildenden Biofilms mit der Zeit ungenau. Im Sommer wird daher wöchentlich eine Reinigung der Sondenköpfe im Zuge von händischen Messungen im Aasee vorgenommen. Eine Arbeitsgemeinschaft aus Umweltbehörde und Tiefbauamt wartet und kalibriert die Anlage. Die Stadtverwaltung prüft, überwacht und verwaltet die Messdaten.
Ein Bürger reichte 2018 die Projektidee auf dem Hackathon Münsterhack ein. Beim Münsterhack kommt die Tech-Szene Münsters regelmäßig zusammen und entwickelt gemeinsam Ideen und Prototypen, um die Stadt lebenswerter zu machen.
Der Aasee gilt als das innerstädtische Naherholungsgebiet. Mithilfe des Aaseemonitorings wird die Attraktivität des Freizeit- und Naherholungsgebiets gewährleistet. Für die Versorgung der Station mit Strom und die Installation vor Ort fanden Absprachen zwischen Eigentümern, Nutzenden, den Stadtwerken und der Stadtverwaltung Münster statt.
Der See und die umliegenden Grünflächen befinden sich im Eigentum der Stadt Münster. Für die Installation der Messstation war keine Genehmigung notwendig.

Kommunen

Das Projekt wird in folgenden Kommunen umgesetzt:

Münster, Nordrhein-Westfalen

100.000 bis 500.000 Einwohner

Stadt

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Die händische Entnahme von Gewässerproben durch Verwaltungsmitarbeitende wird ergänzt durch eine kontinuierlich digitale Messung, sodass die Stadt Münster rund um die Uhr über die Wasserqualität des Aasees informiert ist und informieren kann. Durch das automatisierte Messen wird die Datenqualität und -quantität verbessert. Bis Mitte November 2021 hatte das System bereits rund 49.000 Datenpakete an die Stadtverwaltung übertragen.

Die Daten über die Wasserqualität dienen zum einen einer verlässlichen, langfristigen Zustandsdokumentation des Aasees. Zum anderen bilden die Daten die Basis für das Interventionsmanagement im Gefahrenfall. Bei Unter- oder Überschreiten von Grenzwerten werden Warnmeldungen per E-Mail an die verantwortlichen Mitarbeitenden gesendet. Ein Sauerstoffmangel kann damit beispielsweise frühzeitig erkannt und entsprechende Maßnahmen ergriffen werden.

Die Wasserqualitätsdaten sind als Offene Daten im Open-Data-Portal der Stadt Münster verfügbar. Die Daten werden tagesaktuell in CSV-Dateien veröffentlicht.

Die LoRaWAN-Technologie im Bereich des Aasees kann auf weitere Umweltanwendungen ausgeweitet werden. Denkbar ist beispielsweise eine Ausweitung auf das Starkregen- und Hochwassermanagement sowie auf die Bewirtschaftung von Kanalnetzen und Bauwerken.

Beteiligte Projektpartner