Dem Wasser auf der Spur

Umweltforscher bauen ein einzigartiges Messnetz im Untergrund der Zürcher Gemeinde Fehraltorf auf. Was passiert, wenn Starkregen das System überlastet oder Grundwasser eindringt?

Eawag-Umweltingenieur Frank Blumensaat prüft eine Sonde in einem Schacht bei der ARA Fehraltorf-Russikon. Fotos: Thomas Egli

Eawag-Umweltingenieur Frank Blumensaat prüft eine Sonde in einem Schacht bei der ARA Fehraltorf-Russikon. Fotos: Thomas Egli

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An diesem sonnigen Wintermorgen ist in Morgental die Welt in Ordnung. Frank Blumensaat hebt ein Bodengitter im abgesperrten Areal hoch, zum Vorschein kommt ein Rinnsal. «Das ist häusliches Abwasser», sagt der Umweltingenieur des Eidgenössischen Wasserforschungsinstituts (Eawag) in Dübendorf. Der Kanal im Rückhaltebecken an der Gemeindegrenze zu Russikon entwässert direkt in die Abwasserreinigungsanlage in Fehr­altorf-Russikon im Zürcher Oberland. Was an diesem Tag unspektakulär ist, kann bei Extremereignissen zum unsichtbaren Spektakel im Untergrund werden. «Bei einem starken Gewitter kann es in der Kanalisation innert Minuten enorm brodeln», sagt Blumensaat.

Neben den häuslichen Abwässern fliesst dann zusätzlich Regenwasser von Dächern und Strassen in die Kanalisation. Das Rinnsal wird zu einem Strom – und der Wasserpegel erreicht in kürzester Zeit das maximal zulässige Niveau. Unter diesen Bedingungen wird das mit Regenwasser vermischte Abwasser zunächst im Speicherbecken zurückgehalten, um die Kläranlage zu entlasten. Doch bisweilen kommt es in Morgental vor, dass die Kapazität bei Starkregen nicht ausreicht. Dann wird das Schmutzwasser ungereinigt über den Überlauf direkt in den nahen kleinen Rohrbach geleitet. «Das sollte möglichst nicht passieren, vor allem im Sommer, wenn der Bach wenig Wasser führt», sagt Frank Blumensaat.

Der Wissenschaftler weiss genau, wie häufig das Becken überläuft. Ein spezieller Sensor an der Überlaufschwelle meldet rund um die Uhr «nass» oder «trocken». Frank Blumensaat und sein Team bauen seit gut zwei Jahren in Fehraltorf ein dichtes Messnetz auf, um den Gang des Wassers im Entwässerungssystem räumlich möglichst genau und in Echtzeit zu verfolgen. Die Wissenschaftler sprechen vom «Urbanhydrologischen Feldlabor». Die Gemeinde ist laut Blumensaat ideal für das mehrjährige Feldprojekt. Fehraltorf steht für eine mittelgrosse Schweizer Gemeinde mit einer Kläranlage, an die gut 9000 Einwohner angeschlossen sind. Der Ort hat wie viele Gemeinden in der Schweiz eine ins Alter gekommene Infrastruktur.

Unvorbereitet in die Zukunft

Für die Gemeinde sind die Forschungen der Eawag und der ETH Zürich ein Glücksfall. Die Schweiz gibt jedes Jahr Hunderte Millionen Franken in die Sanierung der Wasserinfrastruktur aus. Zudem sind die meisten Gemeinden gewachsen, zusätzliches Land ist versiegelt worden. Das kommunale Siedlungsabwasser ist dabei angestiegen, das Kanalisationssystem ist aber vielerorts nicht angepasst worden. Auch in Fehr­altorf stehen Investitionen an. Dank dem Messprojekt lassen sich nun notwendige Massnahmen mit Blick auf das gesamte Entwässerungssystem verorten und Prioritäten setzen. Da es sich um langfristige Investitionen handelt, muss die Behörde auch in die klimatische Zukunft blicken.

«Der Klimawandel spielt hier eine grosse Rolle», sagt Eawag-Forscher Blumensaat. So zeigen etwa ETH-Studien, dass extreme Ereignisse wie Starkniederschläge häufiger werden, falls die Erderwärmung in den nächsten Jahrzehnten nicht gebremst wird. «Viele Abwassersysteme in der Schweiz sind darauf nicht vorbereitet», sagt der Umweltingenieur. Die Eawag-Wissenschaftler sind allerdings nicht überzeugt, ob ein Ausbau überall der einzige Weg sei. Abwasser liesse sich auch effizienter steuern. Dafür braucht es jedoch Daten, wie viel Siedlungswasser wo anfällt.

Der Klimawandel spielt eine Rolle bei der Sanierung einer Kanalisation.

Momentan messen in Fehraltorf 60 Sensoren rund um die Uhr: Ultraschallgeräte registrieren den Wasserstand in ausgesuchten Kanalabschnitten und den Speicherbecken; sogenannte kapazitive Sensoren stellen Feuchte oder Trockenheit durch Veränderung des elektrischen Stroms am Sensor fest. Dazu kommen vier Regenmesser, geplant sind sechs weitere. Mehr als 70 Prozent der Sensoren sind unterirdisch angebracht, die meisten in Schächten und Kanälen, die sich vielfach unter einer Strasse befinden. «Ein kostengünstiger Aufbau war also nur möglich ohne grossen baulichen Aufwand und Unterhalt sowie ohne grossen Energieaufwand», sagt Frank Blumensaat.

Mehrbelastung der Kläranlage

So bauten die Forscher ein eigenes, kostengünstiges Niedrigenergiefunknetz auf. Die Eawag-Forscher setzen Sensoren ein, die alle fünf Minuten ohne grossen Datenfluss die notwendigen Informationen liefern. Die Sensoren senden verschlüsselte Signale an zwei Basisstationen, die wiederum die Daten ins Internet weiterleiten, wo die Forscher Zugriff haben für die Datenanalyse. Auch wenn das Sensornetz erst seit zwei Jahren in Betrieb ist, lassen erste Resultate schon Schlüsse zu.

Auffällig ist mit bis zu 35 Prozent der Anteil von Fremdwasser in Fehraltorf, das die Kläranlage zusätzlich belastet. Unter diesen Begriff fällt vor allem das saubere Grundwasser, das durch die alten, rissigen Kanäle eindringt. «Der Anteil im Abwasser in der Schweiz beträgt je nach Standort sogar bis zu 60 Prozent», sagt Blumensaat.

Die ARA Fehraltorf-Russikon ist für ein maximales Zuflussvolumen von 170 Litern Abwasser pro Sekunde ausgerichtet. Fremdabwasser lässt den Energieaufwand vor allem durch eine erhöhte Pumpleistung der Anlage ansteigen. «Wenn sauberes Wasser durch die ARA fliesst, dann ist das eine unerwünschte hydraulische Mehrbelastung», sagt Roman Kern, Betriebsleiter der ARA. Die Gemeinde Fehraltorf unternimmt deshalb laut Kern viel, den Fremdwasseranteil zu reduzieren.

Noch ist das Messnetz allerdings nicht fertiggestellt. Die Wissenschaftler interessieren sich noch für weitere Fragen, die mithilfe von Sensoren beantwortet werden können. Zum Beispiel wie sauber das Regenwasser ist, wenn es bei einem starken Gewitter ungereinigt in Bäche und Flüsse fliesst. «Der erste Regenwasserstoss bei einem extremen Ereignis beinhaltet zum Beispiel Reifenabrieb von den Strassen», sagt Frank Blumensaat. Hinzu kommen Spurenstoffe etwa von Pflanzenschutzmitteln aus den Siedlungen oder Kupfer vom Dachabwasser oder Algizide aus Fassadenanstrichen, die für Wasserlebewesen gefährlich werden können. Die Eawag sieht zudem im Abwasser eine mögliche Wärmequelle für Häuser und die Industrie. Das Feldlabor in Fehraltorf eignet sich dafür, die Kapazität dafür abzuschätzen. So ist geplant, fünfzig Temperaturfühler im Entwässerungssystem zu montieren.

Und schon bald sollen die Daten über eine App öffentlich zugänglich werden. Für Gemeinden ist laut Frank Blumensaat ein Messnetz wie in Fehraltorf erschwinglich. Allerdings braucht es dann Experten, welche die Daten analysieren können.

(Tages-Anzeiger)

Erstellt: 18.02.2018, 17:32 Uhr

Funknetz mit wenig Energie
Eawag leistet Pionierarbeit

Umweltforscher der Eawag bauten in Fehr­altorf ein Niedrigenergiefunknetz auf. Die meisten Sensoren sind in Schächten unter Strassen angebracht. Ein grosser baulicher Aufwand und Unterhalt hätten den Aufbau massiv verteuert. Zudem musste das Netzwerk möglichst wenig Energie verbrauchen. Die energieintensive Variante über Mobilfunk kam deshalb nicht infrage. Die Forscher setzen Sensoren ohne grossen Datenfluss ein. Die Batterien in den Sonden halten mehrere Jahre. Die Sensoren senden die Daten an Basisstationen, die mit dem Internet verbunden sind. Diese Technologie wird zum ersten Mal bei einem Abwassersystem eingesetzt. Die Verbindung ist die Herausforderung: Da die meisten Sensoren in den Schächten unter einem schweren Eisendeckel installiert sind, ist die Verbindungsdistanz zur Basisstation eingeschränkt. (lae)

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