Rund 45.000 Kilometer Bäche und Flüsse, knapp 12.000 Teiche sowie mehrere Tausend Grundwasserbrunnen hat allein die Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg kontinuierlich im Blick. Von jedem der Gewässer nehmen die Umweltbehörden vor Ort regelmäßig Proben, analysieren ihre Belastung mit unterschiedlichsten Schadstoffen und messen die Wasserstände. Diese Vielzahl an Messungen ist notwendig, um den Zustand und die Entwicklung von Wasserqualität und Wasserquantität aussagekräftig bewerten zu können. Das umfassende Monitoring liefert aber auch die Basis für Wissenschaft und Politik, um gezielte Maßnahmen zur Verbesserung des ökologischen Zustands der Gewässer zu entwickeln, umzusetzen und ihre Wirksamkeit zu überprüfen.

»Dafür dürfen die Umweltdaten jedoch nicht nur lokal in den Wasserwirtschaftsämtern vorliegen. Sie müssen auch den Fachbehörden auf regionaler und auf Landesebene für verschiedenste Analysen zur Verfügung stehen, sowie für bundes- und europaweite Auswertungen und Vergleiche aufbereitet werden können«, erklärt Dr. Thomas Usländer vom Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB. Baden-Württemberg nutzt dazu seit zwanzig Jahren landesweit einheitliche IT-Systeme, die Wissenschaftler*innen von Fraunhofer IOSB im Auftrag der Umweltbehörden des Landes entwickelt haben.

Die Basis dafür bildet die sogenannte WaterFrame®-Technologie. Sie verknüpft eine auf die speziellen Anforderungen des behördlichen Gewässer- und Umweltmanagements zugeschnittene Datenbankstruktur mit Java-basierten Werkzeugen zur Messdatenerfassung und -aufbereitung sowie zur Erstellung von Ansichten und Auswertungen. Neben Baden-Württemberg haben auch Bayern und Thüringen das Fraunhofer IOSB damit beauftragt, in Zusammenarbeit mit den Fachbehörden der Länder IT-Systeme für ihr länderspezifisches Gewässermanagement zu erstellen. Die Länder arbeiten in Kooperation.

Ziel ist, Anwendungen und deren Schnittstellen so einzurichten, dass sie die länderübergreifende Zusammenarbeit der Behörden auch auf der fachlichen Ebene erleichtern. Da die einzelnen Systeme auf gleichartigen IT-Architekturen und -Technologien basieren, ist eine Vielzahl gemeinsamer Analysen von vor allem länderübergreifenden Gewässereinzugsgebieten und Grundwasserkörpern bereits heute effizient möglich. Zu der in den drei Bundesländern eingesetzten WaterFrame®-Produktfamilie zählen unter anderem die Grundwasserdatenbank »GWDB« und das »Fachinformationssystem Gewässerqualität FIS GeQua« im Umweltinformationssystem Baden-Württemberg, die Fachanwendung »LIMNO« als integrierter Bestandteil des Informationssystems Wasserwirtschaft des Freistaats Bayern sowie die Fachanwendung »FIS Gewässer« des Freistaats Thüringen mit den Modulen Grundwasser, Oberflächenwasser, Wasserversorgung und Gebiete.

Softwareevolution ohne Systembrüche

Von der ersten Version bis zu den Anwendungen in ihrer aktuellen Form nutzt das Fraunhofer-Team das Software-Werkzeug »Extensible Database Application Configurator XCNF«. Dieses Werkzeug des Fraunhofer IOSB reichert die Daten an mit Metainformationen gemäß dem XML (eXtensible Markup Language) -Standard und erlaubt die Erzeugung unterschiedlicher Ansichten und Analysen wie Kartendarstellung, Zeitreihen, Kennwerten und Statistiken. »Obwohl diese Technologiebasis seit mittlerweile zwanzig Jahren im Einsatz ist, entsprechen die Anwendungen heute dem aktuellen Stand der IT-Entwicklung«, betont Dr. Désirée Hilbring vom Fraunhofer IOSB.

Möglich macht dies die kontinuierliche Weiterentwicklung der Systeme in technischer und fachlicher Hinsicht. Bei zweitägigen Kooperationstreffen analysieren die Forscher*innen gemeinsam mit den Fach-Teams der drei Bundesländer, welche Erweiterungen und zusätzlichen Funktionen jeweils gewünscht beziehungsweise aufgrund der Weiterentwicklung der IT-Technologien notwendig sind. In kontinuierlicher Zusammenarbeit über ein Projektmanagement-Tool werden die Fachsysteme von Fraunhofer IOSB entsprechend angepasst und bei einem jährlichen Systemupdate ausgerollt. Fundamental haben sich mit den Jahren beispielsweise die Nutzungsroutinen der Anwendungen verändert. »Vor zwanzig Jahren speicherten die einzelnen Behörden ihre Daten in der Regel noch separat, da es leistungsfähige Datenverbindungen schlicht noch nicht gab. Jeder Datenaustausch zwischen Dienststellen und Fachbehörden erfolgte noch händisch mittels Daten-CDs – Statistiken und Berichte wurden als Druckwerke veröffentlicht«, berichtet Usländer.

Heute sind die Daten landesweit zusammengefasst und zusätzlich über Web-basierten Anwendungen erreichbar. Eine in die Programme integrierte Rechteverwaltung sichert fachbereichsspezifische Zugriffsmöglichkeiten und personalisierte Userschnittstellen für alle Akteur*innen eines Bundeslandes und bei Bedarf auch darüber hinaus. »Zunehmend kommen heute auch Smartphones und Tablets zum Einsatz. Formulare und Eingabemasken auf dem Mobilgerät zum Beispiel unterstützen die Anwender*innen bei der Erfassung des Zustandes eines Gewässers im Feld«, ergänzt Hilbring. Spezielle Schnittstellen und Routinen zur Datenaufbereitung erlauben zudem den Im- und Export von Daten aus anderen Datenquellen sowohl innerhalb der Bundesländer als auch bei den regelmäßigen Aktualisierungen der Wasserkörpersteckbriefe in der bundesweiten Informations- und Kommunikationsplattform »WasserBLIcK«.

Mit neuen Technologien Wasserversorgung nachhaltig sichern

Die Weiterentwicklung der Gewässerinformationssysteme umfasst aktuell unter anderem die Messung und Bewertung der Auswirkungen des Klimawandels. So sollen die Programme künftig auch statistische Auswertungen der Entwicklung von Temperatur, Wasserqualität und Lebewesen innerhalb verschiedener Tiefenschichten eines Sees ermöglichen. »Ein zentrales Thema ist auch die nachhaltige Sicherung der Trinkwasserversorgung«, betont Usländer. Hitze und Trockenheit der vergangenen Jahre hätten bereits vielerorts zu messbaren Rückgängen der Grundwasserbestände geführt. Modelle und Analysetools sollen die Behörden dabei unterstützen, Prognosen zu erstellen und mögliche Entwicklungsszenarien und Maßnahmen für ein nachhaltiges, integriertes Wasserressourcenmanagement zu bewerten.

Im vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Nukleare Sicherheit BMU geförderten Projekt »NiMo 4.0« entwickelt Fraunhofer IOSB mit Partner*innen unter Einsatz von Methoden des maschinellen Lernens und der Künstlichen Intelligenz (KI) Entscheidungsunterstützungssysteme zur nachhaltigen Reduzierung von Nitrat im Grundwasser. Erkenntnisse aus dem Projekt könnten auch in die Updates der WaterFrame®-Informationssysteme mit einfließen. »Ein Zukunftsthema ist zudem, die Programme auf neue Anforderungen und Vernetzungen im Bereich Smart Cities und Smart Regions sowie dem Internet der Dinge vorzubereiten«, betont Hilbring. Eine zentrale Rolle spielen dabei die Integration der internationalen Standards des »Open Geospatial Consortium OGC« wie zum Beispiel die Programmierschnittstelle »OGC SensorThings API« und deren vom Fraunhofer IOSB entwickelte Open-Source-Implementierung »FROST®«. Sie erleichtern nicht nur den Austausch und die Analyse von Gewässerdaten über die Grenzen verschiedener IT-Systeme, Fachbehörden und Statten hinweg, sondern erlauben auch eine nahtlose Anbindung verschiedenster Sensorsysteme, die eine automatisierte Erfassung von Umweltdaten in den Messnetzen ermöglichen.

(stw)