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Technologie

2.4.05 Wassermanagement in Megastädten – Die Rolle der Datenbasis

Verlässliche Informationen sind das A und O, um richtige Entscheidungen treffen zu können. Für die Wasserbehörde der Megalopolis Peking gilt dies besonders: Weil das Wasserangebot in der Region klimatisch bedingt extrem schwankt, benötigt sie genaue Daten, um jeweils Angebot und Verbrauch abschätzen zu können. Ein mit deutscher Hilfe entwickeltes Computerprogramm ermöglicht jetzt genau dies – und das trotz einer sehr schwierigen Datenbasis. Die Ergebnisse des Projekts könnten auch für andere Megastädte Asiens hilfreich sein.

Die nachhaltige Bewirtschaftung der Wasserressourcen in einem Wassermangelgebiet ist eine komplexe Aufgabe. Ab einer bestimmten Größe (Versorgungsgebiet, Einwohnerzahl) sind in der Regel mehrere Ressourcen zeitlich und räumlich optimal zu bewirtschaften, wobei in Mangelgebieten auch das Abwasser als Ressource zu betrachten ist. Megastädte wie Peking mit ihren 16 bis 17 Millionen Einwohnern stehen somit in ihrem Wassermanagement vor großen Herausforderungen.

Extreme Situationen

Die geographische Lage Pekings am Nordrand der nordchinesischen großen Ebene bedingt ein semi-arides, zeitweise semi-feuchtes Klima. Fast der gesamte Jahresniederschlag fällt in nur zwei Monaten (einschließlich von Hochwasserereignissen), zehn Monate im Jahr ist es hingegen weitgehend trocken. Die Wasserbehörde von Peking muss also zwei völlig konträre Extremsituationen managen.

Am meisten Wasser benötigt die Landwirtschaft im Umland der Metropole, den Bedarf decken weitgehend die 40.000 bis 50.000 lokalen Grundwasserbrunnen. Das Trinkwasser wird derzeit aus Oberflächenwasser (vor allem Stauseen) und aus dem Grundwasser gewonnen – beide Quellen sind übernutzt. Die beiden großen Flüsse in der Region (Yongding und Chaobai) führen seit Jahren nur noch zeitlich oder räumlich eingeschränkt Wasser. Und der Grundwasserpegel fällt jährlich um ein bis zwei Meter.

Um auch in Zukunft bei weiter steigendem Verbrauch eine gesicherte Wasserversorgung zu gewährleisten, sollte ursprünglich ab 2007 Wasser aus dem Süd-Nord-Wassertransfer in die Region Peking geleitet werden. Der Anschluss hat sich jedoch verzögert, derzeit ist er für 2012/2013 vorgesehen. Dieser Transfer soll jährlich einmal bis zu 1,4 Milliarden Kubikmeter Wasser in die Metropole leiten, bislang fehlt es jedoch an geeigneten Zwischenspeichern.

Beispiel für ein trockenes Flussbett im Betrachtungsgebiet

Beispiel für ein trockenes Flussbett im Betrachtungsgebiet
Beispiel für ein trockenes Flussbett im Betrachtungsgebiet
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Diese vielschichtigen Aufgaben können nur mit Hilfe eines auf die Informationsbedürfnisse zugeschnittenen Computerprogramms gelingen. Ein solches Informationssystem für den Großraum Peking zu erstellen, war Aufgabe eines deutsch-chinesischen Vorhabens, das im November 2009 mit der Übergabe des Softwaresystems an die Wasserbehörde Pekings (Beijing Water Authority, BWA) abgeschlossen wurde. Die Leitung des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts hatte das Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB).

Struktur und Funktionen des für Peking erstellten Informationssystems

Struktur und Funktionen des für Peking erstellten Informationssystems
Struktur und Funktionen des für Peking erstellten Informationssystems
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Trocken gefallene Uferzone des Kunming See am Sommerpalast in Beijing

Trocken gefallene Uferzone des Kunming See am Sommerpalast in Beijing
Trocken gefallene Uferzone des Kunming See am Sommerpalast in Beijing
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Vielschichtiges Programm

Das im Projekt entwickelte „Beijing Water Decision Support System“ (DSS) führt Daten und Informationen unterschiedlicher Qualität, Quantität und Beeinflussbarkeit zusammen (siehe auch Grafik). Die Informationen reichen von gut messbaren Daten (z. B. Wasserentnahme aus einer bestimmten Quelle) bis zu unsicheren Schätzungen (z. B. Verbraucherverhalten, Neubildungsrate des Grundwassers). Das System bildet alle Ressourcen – basierend auf Bilanzgleichungen – in mathematischen Modellen ab: Sie ermöglichen es, unterschiedliche Szenarien zu simulieren, die die Wasserbehörde bei ihren Entscheidungen unterstützen.

Erwartungsgemäß tauchten erhebliche Probleme bei den Arbeiten an einer umfassenden Informationsbasis sowie bei der Ableitung repräsentativer Modellstrukturen mit räumlich und zeitlich verteilten Parametern auf. Daten liegen in der Regel bei verschiedenen Institutionen und Behörden, sie sind deshalb bezüglich der Anforderungen einer detaillierten Modellierung lückenhaft, ungenau, inkonsistent und manchmal sogar widersprüchlich. Erschwerend kam hinzu, dass viele Modellparameter (bzw. Modelleingangsgrößen) als Funktionen des Ortes und der Zeit – also in Form von Karten – zu ermitteln waren, jedoch viel zu wenige Messdaten vorlagen.

System für Wasserbilanzen geschaffen

Die Projektpartner lösten diese Probleme, indem sie ein zusammenhängendes, vielschichtiges System für Wasserbilanzen geschaffen haben: Bilanzieren lässt sich beispielsweise das Wasserangebot verschiedener Quellen, die Grundwasserneubildung und Rohwasserentnahme, der Wasserverbrauch oder die Aufbereitung und Entsorgung des Abwassers. Mit Hilfe dieser Bilanzen lassen sich unplausible Daten erkennen und korrigieren sowie Lücken schließen. Ferner ist eine automatisierte multikriterielle Optimierung möglich, mit der über Simulationen für vorgegebene Parametervariationen das Szenario ermittelt wird, das unter den gegebenen Randbedingungen die günstigste Lösung für die Wasserversorgung ist. Angesichts der hohen Komplexität überprüft das System die Benutzereingaben auf ihre Konsistenz, Plausibilität und Vollständigkeit.

Die Arbeiten am Beijing Water Decision Support System ergaben neue methodische Ansätze für eine hoch aufgelöste Modellierung von Wasserressourcen bei meso-skaligen Betrachtungsgebieten von mehreren Tausend Quadratkilometern (und mehr) sowie für die Ermittlung von Parametern auf Basis unvollständiger, inkonsistenter oder widersprüchlicher Ausgangsdaten (wie dies bei der Wasserversorgung der Megastädte Asiens oder Südamerikas die Regel ist). Wie gut diese Ansätze insgesamt waren, zeigte die gute Übereinstimmung von errechneten und gemessenen Ergebnissen im Rahmen der Verifikation der Daten aus den Jahren 1995 bis 2000.

Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB)
Prof. Dr. Michael Birkle
Fraunhoferstraße 1
76131 Karlsruhe
Tel.: 07 21/60 91-3 80
Fax. 07 21/60 91-5 56
E-Mail: mb@iosb.fraunhofer.de
Internet: www.iosb.fraunhofer.de
Förderkennzeichen: 02WA0565, 02WA0849, 02WA1035
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