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Beitrag aus dem Infotag-Magazin 2022
Natürliche Gewässer werden regelmässig durch das Einleiten von Abwasser aus Mischwasserkanalisationen verschmutzt. Mithilfe eines «digitalen Zwillings» kann die Bewirtschaftung von Abwassersystemen verbessert und die Wasserverschmutzung entscheidend vermindert werden.
Aus Haushalten und der Industrie gelangen Chemikalien, Schwermetalle, Krankheitserreger oder Mikroschadstoffe in die Kanalisation. Wenn die Kläranlagen diese Schadstoffe nicht aus dem Wasser entfernen, belasten sie unsere Gewässerökosysteme. In vielen städtischen und industriellen Gebieten wird das Abwasser in einer Mischwasserkanalisation mit Regenwasser vermischt und in eine Kläranlage geleitet. Von dort gelangt das gereinigte Wasser in ein nahegelegenes Gewässer. In städtischen Gebieten stösst die Mischwasserkanalisation jedoch bisweilen an ihre Grenzen: Bei Starkniederschlägen fallen in kurzer Zeit so grosse Wassermengen an, dass sie in den weitgehend versiegelten Böden nicht mehr versickern können. Sie werden daher über die Kanalisation zur Kläranlage abgeleitet, die jedoch nur über eine begrenzte Kapazität verfügt. Wenn die Kapazität überschritten wird, wird der Überschuss, der sich aus Abwasser und Regenwasser zusammensetzt, unbehandelt in die Gewässer geleitet.
Um Abflussspitzen aufzufangen und die Einleitung von Abwasser in die Gewässer zu begrenzen, bestehen Mischwasserkanalisationssysteme auch aus Rückhalte- und Entlastungsbauwerken. So umfasst ein solches Abwassersystem neben der Kläranlage auch Regenbecken und Regenüberläufe. Die Regenbecken sammeln das abfliessende, gemischte Wasser und speichern es vorübergehend, während die Regenüberläufe es direkt in die Gewässer ableiten. Eine solche Infrastruktur mit Sammlern, Kläranlage und Entlastungsbauwerken ist komplex und erfordert für den reibungslosen Betrieb eine hohe technische Kompetenz. Angesichts des Bevölkerungswachstums stehen die Gemeinden vor einer grossen Herausforderung, wenn sie die Wasserverschmutzung weiter reduzieren wollen. Der Klimawandel und die damit einhergehende Zunahme extremer Niederschlagsereignisse machen diese Herausforderung noch grösser.
Auf dem Weg zu dynamisch bewirtschafteten Abwassersystemen
Viele Abwassersysteme werden statisch bewirtschaftet: Die Regenbecken und Regenüberläufe geben ab festen Schwellenwerten Wasser in die Gewässer ab, unabhängig von der aktuellen Witterung. Würden lokale Wettermessungen und -vorhersagen in eine dynamische Bewirtschaftung einfliessen, könnte die bestehende Infrastruktur wesentlich effizienter betrieben und die Verschmutzung der Gewässer verringert werden. Das Konzept des so genannten digitalen Zwillings macht ein solches dynamisches Management möglich. Der Begriff «digitaler Zwilling» stammt aus der Welt der Kommunikation. In einem solchen System können die in Echtzeit gemessenen Daten mit dem modellierten System verknüpft werden, wodurch Prozesse simuliert und das Modell verbessert werden kann. Dadurch lässt sich auch die Bewirtschaftung des realen Systems optimieren.
Wie lässt sich das Konzept des digitalen Zwillings auf die Bewirtschaftung von Abwassersystemen anwenden? Zunächst wird das bestehende Abwassersystem (das Originalobjekt) in einem Simulationsmodell (der digitalen Kopie, dem Zwilling) nachgebildet. Anschliessend werden dem Modell Daten aus Echtzeitmessungen der Abwasser- und Abflussströme sowie der Niederschlagsmengen zugeführt, um die Bewirtschaftung des realen Systems zu verbessern und die dynamische Verwaltung des Systems zu optimieren. Das Simulationsmodell stützt sich auf die Software RS URBAN, eine Anpassung der Software «Routing System», die ursprünglich an der EPFL entwickelt wurde. Dieses Simulationsmodell ermöglicht es, die hydrologische und hydraulische Modellierung von städtischen Systemen mit der Modellierung von natürlichen Einzugsgebieten und Flüssen zu kombinieren.
Der digitale Zwilling des Abwassersystems von St. Chamond
Die Stadt St. Chamond in der Region Loire war eine der ersten Gemeinden in Frankreich, die sich für die Einführung eines digitalen Zwillings zur Verwaltung ihres Abwassersystems entschieden hat. St. Chamond zählt 36’000 Einwohnerinnen und Einwohner und hat ein grosses Industriegebiet. 71 Prozent der Gemeindefläche sind versiegelt. Der Fluss Gier, der durch die Stadt fliesst, verläuft über weite Strecken unterirdisch, bevor er bei Givors in die Rhône mündet. Sein Einzugsgebiet umfasst 403 Quadratkilometer. Das Abwassersystem von St. Chamond besteht aus einer Kläranlage (ARA) sowie verschiedenen Entlastungsbauwerken. Dazu gehören das Regenüberlaufbecken Terrenoire, der seitliche Regenüberlauf Wilson und andere Regenüberläufe, die nicht von der Regulierung des Regenüberlaufbeckens betroffen sind.