emergenCITY: Smart Flood and Low Flow Warning System
„Das LOEWE-Zentrum emergenCITY forscht seit 2020 an resilienten Infrastrukturen digitaler Städte, die auch Krisen und Katastrophen standhalten. emergenCITY ist als interdisziplinäre und standortübergreifende Kooperation organisiert, an der die Partneruniversitäten Technische Universität Darmstadt, Universität Kassel und Philipps-Universität Marburg beteiligt sind. Darüber hinaus sind die assoziierten Partner das Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe (BBK) und die Stadt Darmstadt in das Zentrum eingebunden.“ (https://www.emergencity.de)
Von Seiten der TU Darmstadt arbeitet ein interdisziplinäres Team aus Wissenschaftler*innen der Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik, Maschinenbau, Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Gesellschafts- und Geschichtswissenschaften, Architektur, Wirtschaftswissenschaften sowie Rechtswissenschaften zusammen und bringt die Expertisen in übergreifenden Forschungsmissionen zusammen.
Das ihwb beteiligt sich mit der Entwicklung eines Umweltmonitoring- und Warn-Systems für eine frühzeitige Einschätzung und Warnung vor Überschwemmungen und Niedrigwasser auf der Grundlage von Echtzeit-Messdaten mit Datenfusion aus verschiedenen Quellen mittels künstlicher Intelligenz. Zunächst liegt der Fokus auf den Themenbereichen Starkregen und Überschwemmungen. Für den ausgewählten Pegel Nauheim (Schwarzbach) und sein Einzugsgebiet wurden Daten recherchiert, GIS-Projekte erstellt und erste hydrologische Modell-Simulationen mit HEC-HMS durchgeführt. Dazu wird jeweils das gesamte Einzugsgebiet betrachtet, um die Abflussbildung abzuschätzen. Dabei finden sowohl Sturzfluten, also pluviale Überschwemmungen, als auch Flusshochwässer Berücksichtigung.
Im nächsten Schritt erfolgt eine enge Abstimmung und Kooperation mit Kolleg*innen der Informatik und Politikwissenschaften, um das Modell mit KI-Methoden zu verknüpfen und ein intelligentes Hochwasservorhersagesystems schaffen zu können. In dieser ersten Projektphase werden die Grundlagen gelegt und Konzepte entwickelt. Durch gemeinsame Planung wird methodisch eine Vorbereitung von kooperativer Governance zur Katastrophenvorsorge von Einsatzkräften, Entscheidungsträgern und Bevölkerung gegen Hochwasserkrisen geschaffen.
Laufzeit:
06/2022 – 12/2023
Auftraggeber/Förderung:
LOEWE-Forschungsförderungsprogramm
Nährstoff-Austräge aus landwirtschaftlichen Flächen über Dränagen in Oberflächengewässer
In einem Kooperationsvertrag mit dem Hessischen Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG) wurden Mess- und Probenahmekampagnen bei Richen / Groß-Umstadt mit dem Ziel konzipiert, Nährstoff-Austräge aus landwirtschaftlichen Flächen über Dränagen in Oberflächengewässer zu untersuchen. In Absprache und gegenseitiger Beratung mit dem HLNUG, der AGGL Otzberg und den Stadtwerken Groß-Umstadt wurden Mess- und Probenahmepunkte, die Dränagerohre, Gräben und Oberflächengewässer umfassen, ausgewählt. Darin werden nun wöchentlich vor Ort Wasserstand, Wassertiefe, Gewässerbreite, Messquerschnitt, Fließgeschwindigkeit, ggf. Durchfluss, sowie Temperatur, Sauerstoff, pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit und Trübung erfasst. Zudem werden Wasserproben entnommen und im Labor der Stadtwerke Groß-Umstadt auf Nitrat, Ammonium, Ortho-Phosphat und Phosphor analysiert. Die Analysewerte zeigen z.T. deutlich erhöhte Stoffkonzentrationen aus einigen der Dränagerohre. Langfristig regelmäßige und zeitlich höher aufgelöste Messungen können auch saisonale Effekte berücksichtigen. Im Rahmen dieses Kooperationsvertrags mit dem HLNUG ist über einen Zeitraum von gut drei Jahren eine Zusammenarbeit geplant, in der die Nährstoffeinträge aus landwirtschaftlichen Drainagen quantifiziert und bewertet werden sollen. Dazu werden die Mess- und Probenahmekampagnen auf wöchentlicher Basis durchgeführt, Nährstofffrachten berechnet sowie Modellergebnisse validiert.
Projektpartner:
FG Ingenieurhydrologie und Wasserbewirtschaftung, TU Darmstadt
Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG)
Laufzeit:
01.10.2021 – 31.12.2024
Auftraggeber/Förderung:
Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG)
Vr4Hydro
VR4Hydro ist eine Virtual Reality (VR) Plattform zur Erstellung digitaler Lehrmittel zur Vermittlung von Geräte- und Geländekenntnissen in Zeiten der COVID-19-Pandemie, aber auch zur digitalen Anreicherung der künftigen Präsenzlehre. Die Plattform basiert auf Open-Source-Frameworks und dient zur interaktiven Darstellung von 3D-Panoramen. Sie läuft mittels HTML5 direkt im Browser auf praktisch jedem Rechner und fast allen aktuellen Smartphones und Tablets (iOS, Android).
Alle Informationen der im hydrologischen Feldlabor des ihwb installierten oder eingesetzten Sensoren und Messgeräte werden zusammengestellt und als VR-Inhalte im VR4Hydro-Modell mit Fotos und Videos sowie GIS-Daten kombiniert. Mit einer Drohnenbefliegung werden an ausgewählten Stellen zusätzlich Luftaufnahmen erstellt und mit VR-Inhalten erweitert, so dass die Studierenden einen umfassenden fachlichen Einblick bekommen. Den Studierenden werden Eindrücke über die Gebietscharakteristika des Einzugsgebietes, wie z.B. Einzugsgebietsgröße, Topographie, Landnutzung, Fließgewässerverlauf, Abfluss, usw. vermittelt. Das VR4Hydro-Modell verbessert so den Zugang zu Informationen im Rahmen von Lehrveranstaltungen oder Abschlussarbeiten am Fachgebiet ihwb.
Projektpartner:
FG Ingenieurhydrologie und Wasserbewirtschaftung, TU Darmstadt
Institut für Numerische Methoden und Informatik im Bauwesen, TU Darmstadt
Laufzeit:
01.10.2020 – 31.03.2021
Auftraggeber/Förderung:
Dezentrale Mittel zur Qualitätssicherung in der Lehre des Fachbereichs Bau- und Umweltingenieurwissenschaften der TU Darmstadt
Chinesisch-Deutsche Kooperationsgruppe: „Risikomanagement von Wasserknappheit: Integration von Klima- und sozioökonomischen Szenarien“
Wasserknappheit ist bereits jetzt in vielen Regionen der Welt ein zentrales Problem. Diese Problematik wird sich durch den Klimawandel weiter verschärfen. Daher müssen geeignete Methoden entwickelt werden Wasserknappheit vorherzusagen, zu vermeiden bzw. die Folgen zu minimieren.
Im Rahmen der Kooperationsgruppe stehen hierzu drei Forschungsthemen im Mittelpunkt:
- Wasserversorgung unter verschiedenen Klimaszenarien
- Wasserbedarf nach sozioökonomischen Pfaden (SSP: Shared Socioeconomic Pathways)
- Wasserbewirtschaftung und integriertes Risikomanagement von Wasserknappheit
Gemeinsame Workshops in China und Deutschland sowie gegenseitige Besuchsreisen dienen dem wissenschaftlichen Austausch sowie der Konzipierung und Beantragung gemeinsamer Forschungsvorhaben zu diesen Forschungsthemen.
Die Kooperationsgruppe unter Leitung von Prof. Schmalz, ihwb, und Prof. Wang, Nanjing University of Information Science & Technology, hat eine Laufzeit von Mai 2018 bis Mai 2024. Die jeweils 18 Mitglieder aus Deutschland und China kommen aus folgenden beteiligen Institutionen:
| Germany | China |
| TU Darmstadt | Nanjing University of Information Science & Technology |
| TU Munich | National Climate Center of China Meteorological Administration, Beijing |
| University of Kiel | Ningbo University |
| University of Munich | Nanjing Institute of Geography & Limnology of Chinese Academy of Sciences |
| University of Gießen | East China Normal University, Shanghai |
| University of Heidelberg |
BlueM
BlueM (www.bluemodel.org) ist ein Softwarepaket zur integrierten Flussgebietsmodellierung. Es besteht aus den Komponenten:
- BlueM.Sim: hydrologischer Rechenkern zur Niederschlagsabflussmodellierung und Modellierung von Gewässergüteprozessen.
- BlueM.Opt: Sensitivitätanalysen, Autokalibrierung und multikriterielle Optimierung inklusive Ergebnisvisualisierung
- BlueM.Wave: Zeitreihenmanagement sowie Visualisierung und Analyse von Zeitreihen.
Ursprünglich wurde BlueM am Fachgebiet Ingenieurhydrologie und Wasserbewirtschaftung (ihwb) der TU Darmstadt entwickelt. Mittlerweile arbeitet das BlueM Development Team an der Weiterentwicklung von BlueM, jedoch bestehen noch enge Verbindungen zum ihwb. Aktuelle Weiterentwicklungstätigkeiten am ihwb betreffen die Abbildung urbaner Wasser- und Stoffflüsse sowie die Weiterentwicklung der Basisabflussmodellierung im ländlichen Raum. In zahlreichen studentischen Abschlussarbeiten wird BlueM in Anwendungsbeispielen genutzt.