Kostengünstiger Sensor erfasst den Pegel von Flüssen

Forscher der Universität Bonn haben eine Methode entwickelt, mit der sich der Wasserstand von Flüssen rund um die Uhr überwachen lässt. Der kostengünstige Sensor eignet sich beispielsweise für flächendeckende Hochwasserwarnsysteme. Die Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Wasserressourcenforschung.

Es gibt eine breite Palette von Methoden, um den Pegel eines Wasserlaufs zu bestimmen – von sehr einfachen Methoden (mit Zollstock oder Lattenpegel) bis hin zu fortschrittlichen Radarlösungen. Aber alle haben einen Haken: Die meisten Messgeräte können durch die direkte Einwirkung des hohen Wasserstandes beschädigt werden, viele erlauben keine kontinuierliche Überwachung, die Fernauslesung ist schwierig oder sie sind einfach zu teuer.

In Wesel am Niederrhein ist jedoch bereits seit zwei Jahren ein Messgerät im Einsatz, das diese Nachteile nicht aufweist: Es ist kostengünstig, zuverlässig und in der Lage, den Wasserstand kontinuierlich per Mobilfunk an eine Auswertezentrale zu übermitteln. Damit ist ein solcher Sensor prinzipiell geeignet, ein dicht verteiltes Netz für Hochwasser- und Dürrewarnsysteme bereitzustellen.

„Das Herzstück unseres Geräts ist ein kostengünstiger GNSS-Empfänger und eine Antenne“, erklärt Dr. Makan Karegar vom Institut für Geodäsie und Geoinformation der Universität Bonn. Dabei handelt es sich um einen Sensor, der herkömmlicherweise die Position seines Standortes auf mehrere Meter genau bestimmen kann. Dazu werden die US-amerikanischen GPS-Satelliten und ihre russischen Pendants GLONASS verwendet.

„Allerdings können auch Satellitensignale verwendet werden, um die Höhe der GNSS-Antenne über der Flussoberfläche zu messen“, sagt Karegar.

Reflektierte Signale geben Auskunft über den Wasserstand

Denn die von den Satelliten ausgesendeten Wellen werden teilweise direkt von der Antenne aufgefangen. Der Rest wird von der näheren Umgebung (in diesem Fall der Wasseroberfläche) reflektiert und gelangt über Umwege zum Empfänger. Dieser reflektierte Teil hat daher eine längere Laufzeit. Wenn es dem direkt empfangenen Signal überlagert wird, bildet es bestimmte Muster, die als Interferenz bezeichnet werden. Diese können verwendet werden, um den Abstand zwischen der Antenne und dem Wasserspiegel zu berechnen.

„Wir können die GNSS-Antenne an jeder Struktur anbringen, egal ob es sich um eine Brücke, ein Gebäude oder einen Baum oder Zaun neben dem Fluss handelt“, erklärt Karegar. „Von dort aus kann es den Flusspegel rund um die Uhr berührungslos messen – im Durchschnitt auf etwa 1,5 Zentimeter genau. Und doch wird es bei extremen Hochwasserereignissen weniger wahrscheinlich beschädigt.“ Die Genauigkeit des Verfahrens erreicht nicht die eines radarbasierten Sensors. Für den vorgesehenen Einsatzzweck reicht es aber vollkommen aus. Mit knapp 150 Euro ist das Gerät zudem deutlich günstiger als sein fortschrittliches Pendant.

Die GNSS-Antenne ist mit einem Mikrocomputer namens Raspberry Pi verbunden. „Das Gerät ist etwa so groß wie ein kleines Smartphone, hat aber genug Power, um Wasserstände aus Rohdaten zu berechnen“, berichtet Prof. Dr. Kristine Larson vom Institut für Geodäsie und Geoinformation. Dank seiner Flexibilität und seines geringen Stromverbrauchs ist der Mikrocomputer bei Bastlern sehr beliebt, die damit die unterschiedlichsten Projekte realisieren. Es kann mit Solarzellen betrieben werden und arbeitet dann komplett autark. Es kann seine Daten auch über das Mobilfunknetz übertragen.

Reproduktionsinformationen im Internet

„Die von uns geschriebene Software ist Open Source“, erklärt Larson. „Also kann es von jedem kostenlos genutzt werden.“ Alle Informationen zu ihrem Projekt stellen die Forscher auch im Internet zur Verfügung. Interessenten können das Messgerät daher problemlos nachbauen.

Allerdings hat das Verfahren einen Nachteil: Es eignet sich nur für Flüsse mit einer Breite von mindestens 40 Metern. „Das ist der kleinste Radius, aus dem die Antenne das reflektierte Satellitensignal empfangen kann“, sagt Karegar. „Ist der Wasserlauf zu eng, kommen die meisten reflektierten Signale vom Land.“ Doch die Beteiligten planen, ihren Auswertecode weiter zu optimieren. Sie erhoffen sich davon belastbare Ergebnisse für kleinere Flüsse wie die Ahr in Deutschland, die 2021 von einem schweren Hochwasser betroffen war.