Vernetzte Bojen: Welche Sensoren eignen sich zur Überwachung der Wasserqualität?
Vernetzte Bojen sind schwimmende Messplattformen, die mit Sensoren ausgestattet sind, um die Wasserqualität direkt im Gewässer zu überwachen. Sie erfassen und übertragen Daten wie Trübung, Leitfähigkeit, Salinität oder gelösten Sauerstoff, insbesondere in Hafenbereichen, auf Seen und anderen Gewässern, in Aquakulturanlagen oder in sensiblen natürlichen Lebensräumen.
Die Wahl der Instrumentierung hängt von dem zu beobachtenden Phänomen, der Eintauchtiefe, der erforderlichen Autonomie, den Verschmutzungsbedingungen sowie davon ab, wie die Daten gespeichert, abgerufen oder übertragen werden sollen.
Die Rolle vernetzter Bojen bei der Wasserüberwachung
Eine direkt im Gewässer eingesetzte Messplattform
Eine vernetzte Boje hält die Instrumente am festgelegten Messpunkt und nimmt, je nach Projektkonfiguration, die für die Fernübertragung der Daten erforderlichen Geräte auf. Sie eignet sich, wenn Veränderungen des Gewässers zwischen zwei Messkampagnen verfolgt werden müssen oder wenn der regelmäßige Zugang zum Kontrollpunkt schwierig ist.
Die Sensoren bleiben dadurch in direktem Kontakt mit dem Wasser, ohne dass eine feste Messstation am Ufer installiert werden muss. Die Boje kann außerdem versetzt werden, wenn sich das Überwachungsprogramm ändert. Ihre Position muss jedoch weiterhin mit dem Messziel übereinstimmen: Ein nahe der Oberfläche erfasster Wert beschreibt nicht zwangsläufig die Bedingungen in mittlerer Tiefe oder in Bodennähe.
Eine Schnittstelle zwischen eingetauchten Sensoren und dem Überwachungssystem
Eine Messung kann aus der Ferne genutzt werden, wenn der Sensor mit einem Modul verbunden ist, das die Daten erfassen, mit einem Zeitstempel versehen und übertragen kann. Die Wahl des Netzwerks hängt von der Entfernung, der verfügbaren Netzabdeckung, dem Datenvolumen, der Übertragungshäufigkeit und der erforderlichen Autonomie ab. Diese Faktoren müssen vor dem Einsatz definiert werden, da sie die Auswahl des Moduls, der Batterie, der Antenne und der Wartungsintervalle beeinflussen.
In welchen Umgebungen sollte eine vernetzte Boje eingesetzt werden?
Küstengewässer, Häfen und Meeresgebiete
In Küsten- und Hafengewässern ermöglicht eine instrumentierte Boje die direkte Positionierung von Sensoren in einem Bereich, der vom Kai oder Ufer entfernt liegt: Hafeneinfahrt, Flussmündung, Baustellenbereich oder Zone mit Süßwassereinträgen. Sie liefert aufeinanderfolgende Messwerte am selben Punkt, während eine punktuelle Probenahme lediglich den Zustand des Wassers zum Zeitpunkt des Einsatzes beschreibt.
Bojen werden insbesondere eingesetzt, um die Entwicklung eines Hafenbereichs nach Bauarbeiten zu verfolgen, die Auswirkungen einer Einleitung ins Meer zu beobachten, Veränderungen durch Niederschlagswasser zu dokumentieren oder eine Hafeneinfahrt mit einem Referenzpunkt zu vergleichen. Bei Verdacht auf eine Verschmutzung können die Daten auf eine Veränderung des Gewässers hinweisen. Zusätzliche Probenahmen und Analysen bleiben jedoch erforderlich, um Art und Ursprung der Verschmutzung zu bestimmen.
Im Rahmen eines Projekts in Genua wurde eine AquaConnect-Lösung installiert, um das Meerwasser nahe einer Flussmündung in einem von Küstenbauarbeiten betroffenen Gebiet zu überwachen. Zwei Messpunkte wurden im Meer in etwa 4 Metern Tiefe eingerichtet. Die Sonden waren in Meeresbojen integriert, die am Meeresboden verankert waren. Die Konfiguration umfasste zwei NTU-Sensoren, einen C4E-Sensor, drei Antennen und ein Gateway, um die Daten an die Büros zu übertragen und die Veränderungen zwischen den Einträgen des Flusses und dem Baustellenbereich zu verfolgen.
Seen, Stauseen und große Gewässer
Auf einem See oder Stausee ermöglicht eine instrumentierte Boje, die Sensoren an einem vom Ufer entfernten Punkt zu positionieren: in der Mitte des Gewässers, in der Nähe eines Zuflusses, an einer Wasserentnahmestelle oder in einem tieferen Bereich. Die Überwachung ist damit nicht mehr auf Bereiche beschränkt, die vom Ufer aus leicht zugänglich sind.
Bojen sind nützlich, wenn die Entwicklung eines Bereichs nach starken Regenfällen beobachtet, die Auswirkungen eines Zuflusses verfolgt oder mehrere Bereiche desselben Gewässers miteinander verglichen werden sollen. Sie sind ebenfalls sinnvoll, wenn sich die Bedingungen mit der Tiefe verändern oder wenn Wasserstandsschwankungen dazu führen, dass eine uferseitige Installation weniger repräsentativ ist.
Aquakultur und sensible natürliche Lebensräume
In einer Aquakulturanlage positioniert eine instrumentierte Boje die Sensoren im Zuchtbereich und in der für die Überwachung ausgewählten Tiefe. Die erfassten Daten ergänzen die bei Vor-Ort-Einsätzen durchgeführten Kontrollen und ermöglichen es, schnelle Veränderungen des Gewässers besser zu beobachten.
In Lagunen, an Korallenriffen oder in geschützten Naturgebieten trägt sie außerdem zur Überwachung eines sensiblen Messpunkts bei, etwa bei einer Algenblüte, einem Verschmutzungsverdacht oder einer ungewöhnlichen Veränderung des Gewässers.
Wie lassen sich Sensoren für vernetzte Bojen auswählen?
Überwachungsziele definieren
Die Auswahl der Sensoren beginnt mit der Frage, die mithilfe der Boje beantwortet werden soll. Soll ein Anstieg der Trübung nach Bauarbeiten überwacht werden? Ein Sauerstoffrückgang in einem Aquakulturbereich? Sollen zwei Punkte eines Gewässers miteinander verglichen werden? Oder sollen Veränderungen in einem Küstengebiet nach einer Einleitung oder einem Starkregenereignis dokumentiert werden?
Diese Ziele bestimmen die Auswahl der Parameter, aber auch die Messhäufigkeit und die Dauer des Einsatzes. Eine zeitlich begrenzte Messkampagne erfordert nicht dieselbe Konfiguration wie eine kontinuierliche Überwachung über mehrere Monate. Auch die gewünschte Reaktionsfähigkeit muss festgelegt werden: regelmäßige Datenabfrage, Alarmierung, Vergleich verschiedener Zeiträume oder lediglich eine Datenhistorie.
Parameter und Messpunkte auswählen
Die Wahl des Messpunkts ist ebenso wichtig wie die Wahl des Sensors. An einer Boje muss die Position der Sonden daher entsprechend dem zu überwachenden Phänomen festgelegt werden: Süßwassereintrag, Resuspension, Zuchtbereich, Hafenbecken oder sensibler Bereich.
Anschließend werden die Parameter entsprechend den benötigten Informationen ausgewählt. Die Trübung dient zur Überwachung suspendierter Partikel. Die Leitfähigkeit gibt Aufschluss über die Mineralisierung und die Vermischung verschiedener Wassermassen. Gelöster Sauerstoff ist besonders wichtig für die Kontrolle der Wasserqualität in Aquakulturbereichen, schlecht durchströmten Becken oder sensiblen Lebensräumen.
Einsatz und Wartung vorausschauend planen
Ablagerungen, Partikel und biologischer Bewuchs können die Messfläche eines Sensors verändern. Bei optischen Systemen muss das Messfenster sauber bleiben, während Sonden mit Elektroden eine regelmäßige Kontrolle ihrer aktiven Oberflächen erfordern.
Die Reinigungsintervalle hängen vom Gewässer und von der Eintauchdauer ab. Die ersten Wartungseinsätze ermöglichen es, die Verschmutzungsgeschwindigkeit am Standort zu bewerten und anschließend den Wartungsplan anzupassen. Die Materialien der Sonden, Kabel und Steckverbinder müssen außerdem mit Süßwasser, Meerwasser und den vorgesehenen Eintauchbedingungen kompatibel sein.
Die Autonomie hängt vom gesamten System ab: Anzahl der Sonden, Messhäufigkeit, lokale Datenspeicherung, Datenübertragung und Aktivierungszyklen des Moduls. Eine hohe Mess- oder Übertragungshäufigkeit erhöht den Energieverbrauch.
Welche Lösungen können in eine Boje integriert werden?
NTU zur Messung der Trübung
Der NTU-Sensor kann in eine Boje integriert werden, wenn das Projekt eine direkte Überwachung der Trübung im Gewässer erfordert. Er ermöglicht insbesondere die Beobachtung von Veränderungen der suspendierten Partikel durch Bauarbeiten, Niederschlagswassereinträge, Resuspension oder lokale Veränderungen der hydrologischen Bedingungen.
C4E zur Überwachung von Leitfähigkeit und Salinität
Der C4E-Sensor kann in eine Boje integriert werden, wenn die Überwachung die Leitfähigkeit, die aus der Messung berechnete Salinität oder Veränderungen durch die Vermischung verschiedener Wassermassen betrifft. Er ist besonders relevant in Küstengebieten, Flussmündungen, Häfen, von Zuflüssen beeinflussten Stauseen oder an Standorten, an denen sich die Wasserzusammensetzung je nach hydrologischen Bedingungen verändert.
Der Sensor muss in einem Bereich positioniert werden, in dem das Wasser ausreichend um die Messfläche zirkuliert, damit die Daten für den überwachten Punkt repräsentativ bleiben.
OPTOD zur Messung des gelösten Sauerstoffs
Der OPTOD-Sensor eignet sich für Projekte, bei denen der gelöste Sauerstoff direkt im Wasser und ohne punktuelle Probenahme überwacht werden muss. An einer Boje kann er in der Aquakultur, in einem schlecht durchströmten Hafenbecken, auf einem Gewässer oder in einem sensiblen Naturgebiet eingesetzt werden.
AquaMod zur Erfassung und Übertragung der Daten
AquaMod ist ein autonomes LoRaWAN-Modul, das für die Verbindung mit digitalen Sensoren entwickelt wurde. In eine Boje integriert, erfasst es die Messwerte, bevor diese entsprechend dem für das Projekt vorgesehenen Kommunikationsverfahren aus der Ferne übertragen werden. Der wesentliche Vorteil auf einer Boje besteht darin, die für den Datenabruf erforderlichen Vor-Ort-Einsätze zu reduzieren.
Die Instrumentierung an jedes Projekt mit vernetzter Boje anpassen
Eine vernetzte Boje muss als vollständige Messkette konzipiert werden: Schwimmkörper, Sensoren, Eintauchtiefe, Stromversorgung, Datenerfassung, Übertragung und Wartung. Die Auswahl der Sensoren muss mit dem überwachten Gewässer, den Installationsbedingungen, der erwarteten Messhäufigkeit und den Möglichkeiten für Vor-Ort-Einsätze übereinstimmen.
AQUALABO unterstützt Ingenieurbüros, Betreiber und Akteure der Wasserwirtschaft bei der Auswahl digitaler Sensoren, die für das jeweilige Projekt mit einer instrumentierten Boje geeignet sind. Unsere Teams helfen Ihnen dabei, Lösungen zu identifizieren, die mit Ihren Einsatzbedingungen kompatibel sind: Süßwasser, Meerwasser, Hafenbereich, Aquakultur oder sensible natürliche Lebensräume.
