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Wie geht es dem Aasee? – Praxisprojekt Hack(a)Tonne: Ein Rückblick und Erfahrungsbericht

15. Dezember 2021

Das wird in Münster so schnell niemand vergessen: Im Sommer 2018 sorgte ein Zusammenspiel verschiedener zeitgleich auftretender Faktoren für eine derart geringe Sauerstoffkonzentration im Wasser des Aasees, dass es zu einem großen Fischsterben kam.  Über 20 Tonnen tote Fische wurden gesammelt und entsorgt, die Bürger waren entsetzt über das Ausmaß dieser Katastrophe.

Auch Michael Hermes von der items GmbH machte sich Gedanken und brachte beim Münsteraner Hackathon im Oktober 2018 eine Idee ein, die ein dauerhaftes Monitoring des Aasees ermöglichen soll. Im August 2020 wurde die Idee seiner Messeinheit gemeinsam mit der Stadt Münster realisiert und ergänzt seitdem das bestehende manuelle Monitoring um unersetzliche Live-Informationen über den Aasee und seinen Zustand. Wir haben mit Michael Hermes gesprochen und blicken zurück auf 16 Monate Hack(a)Tonne: Wie gut hat das Projekt funktioniert? Wie geht es dem Aasee jetzt? Und sollten weitere Maßnahmen in Betracht gezogen werden, um den Aasee auch weiterhin langfristig unterstützen zu können?

Der Aasee

Der alte Aasee wurde ursprünglich als Stausee geplant. Primäres Ziel war der Schutz der Münsteraner Innenstadt vor Hochwasser. Darüber hinaus sollte der See in Trockenzeiten der Versorgung der innerstädtischen Aa mit Wasser zum “Durchspülen” des Flussschlauches dienen. Die Münstersche Aa wurde bis Ende des 19. Jahrhunderts nämlich als offener Abwasserableiter genutzt, was dementsprechend zu Geruchsbelästigungen führte und die Verbreitung von Krankheiten förderte. Der alte See diente an zweiter Stelle der Freizeitgestaltung: dem Ruder- und Segelsport sowie als öffentliches Schwimmbad. An dritter Stelle stand die ästhetische Bereicherung des Stadtbildes.

Beim Bau des neuen Aasees standen dann die Themen Naherholung und Freizeitnutzung an erster Stelle, da sich die Themen Überschwemmungsschutz und Abwasser durch den Bau des alten Aasees und separater Abwasserkanäle bereits erledigt hatten.

Der Aasee ist also ein künstlich von Menschenhand geschaffenes Gewässer zur Naherholung, allerdings aufgrund der geringen Tiefe, des geringen Wasseraustauschs sowie des erhöhten Nährstoffeintrags ein äußerst sensibles System. Aufgrund des technisch überprägten Ausbauzustands existieren nur sehr wenige hochwertige Lebensräume für Wasserpflanzen und Tiere am Seegrund. Die Sauerstoffproduktion übernimmt im Wesentlichen das Phytoplankton, also Grünalgen und häufig entsprechende Cyanobakterien, auch bekannt als Blaualgen.

Cyanobakterien im Aasee

Die hohe Nährstoffbelastung ist ein Grund dafür, dass man im Aasee nicht schwimmen gehen sollte. Zudem befinden sich zeitweise größere Mengen an Cyanobakterien im See. Sie können bei Körperkontakt Hautallergien auslösen und bei Verschlucken einer größeren Menge sogar zu Leber- und Nervenschäden führen.

Außerdem können Cyanobakterien mehrere Millimetergroße Kolonien (Microcystis) oder Fadenbündel (Anabaena, Aphanizomenon) bilden, die für Zooplankton (Kleintieren) wegen ihrer Größe nicht filtrierbar und damit auch nicht nutzbar sind. Da es in europäischen Gewässern neben dem Zooplankton aber keine anderen natürlichen Konsumenten gibt, die Phytoplankton fressen, ist die produzierte Biomasse nach dem Absterben nur für den bakteriellen Abbau zugänglich. Dieser ist mit einem hohen Sauerstoffverbrauch verbunden.

Aufgrund ihrer Vorliebe für höhere Wassertemperaturen kommt es vor allem in den warmen Sommermonaten zu einer Massenentwicklung der Cyanobakterien. Darüber hinaus besitzen die Cyanobakterien die Fähigkeit, Stickstoff aus der Atmosphäre aufzunehmen. Wenn nach einem Grünalgenwachstum also der Stickstoff im Wasser bereits größtenteils von Grünalgen umgewandelt wurde, können sich Cyanobakterien dennoch weiter vermehren.

Im Sommer 2018 führte eine extreme, langanhaltende Hitzewelle im Zusammenspiel mit ausbleibenden Niederschlägen und Windstille zu sehr hohen Wassertemperaturen im oberen Toleranzbereich der vorkommenden Fischarten. In Kombination mit der seeweiten, von Cyanobakterien dominierten Algenblüte und einem extrem hohen Fischbestand führten diese Faktoren zu einem temporären Zusammenbruch des Sauerstoffhaushaltes, dem unzählige Fische zum Opfer fielen.

Monitoring des Aasees

Um laufend aktuelle Informationen über den Zustand des Aasees zu erhalten, hatte Michael Hermes im Rahmen des Hackathon 2018 die Idee der Hack(a)Tonne entwickelt. Ursprünglich war eine Boje angedacht, die mit umfassender Messtechnik ausgestattet ist und mithilfe der LoRaWAN-Technologie höchst energieeffizient relevante Daten an ein IoT-System zur Speicherung, Verarbeitung und Visualisierung bereitstellt. Bei kritischen Messwerten sollten automatisiert entsprechende Meldungen per SMS und Mail verschickt werden.

Diese Pläne wurden mit der Stadt Münster und Peter Overschmidt, dem Pächter des Aasees, diskutiert. Die Idee wurde von beiden Parteien befürwortet, allerdings wies Herr Overschmidt auf die Gefahr von möglichem Vandalismus hin. Schlussendlich wurde die Idee einer Messboje verworfen. Stattdessen wurde mit Unterstützung der Stadt Münster und der Segelschule Overschmidt die Installation der Messtechnik am Ende eines in den Aasee reichenden Stegs vorgenommen. Durch diese Änderung versprach man sich eine Sicherheit vor Vandalismus, gute Erreichbarkeit für Reinigung und Wartung der Sensorik und eine Stromversorgung von Land.

Am 12.08.2020 erfolgte dann die abschließende Installation der Messeinheit, bestehend aus einem UiT LogTrans IoT (Spannungsversorgung, Logger, Datenfernübertragungseinheit per LoRa), einem UiT MSM-IoT Compact (Multiparametersonde) und einem TriOs Lisa UV (optisches Messsystem), allesamt von der Firma UiT Dresden konzipiert, geliefert und in Betrieb genommen.

Diese Messeinheit liefert in einem Zeitintervall von 15 Minuten Werte zur Sauerstoffkonzentration, Wassertemperatur, pH-Messung, Chlorophyll-Konzentration, Cyanobakterien-Entwicklung und Trübung des Wassers. Das System läuft seit 16 Monaten sehr zuverlässig und hat bis Mitte November in Summe schon ca. 49000 Datenpakete übertragen. Außerdem hat die Messeinheit augenscheinlich beim Nestbau geholfen (siehe Foto).

Innerhalb der verantwortlichen Abteilungen der Stadt Münster werden die Messdaten über eine Grafana-Visualisierung regelmäßig geprüft. Bei kritischen Werten erfolgen Warnmeldungen per Mail an die verantwortlichen Mitarbeiter.

Ebenfalls werden die Daten per MQTT-Schnittstelle an die Webportale der Smart-City-Stabstelle der Stadt Münster weitergeleitet und ermöglichen damit den MünsteranerInnen den Zugriff auf wesentliche Informationen.

Zusätzlich werden die Daten im Open-Data-Portal zur Verfügung gestellt.

Integration alter Messtechnik

Im September 2021 fielen die im Jahr 2018 von der Stadt Münster installierten WTW-Systeme, die im alten und neuen Aasee bisher Sauerstoff und Temperatur ermittelten, aufgrund der Abschaltung der 3G-Funkfrequenz aus. Ad hoc wurde überprüft, ob die Systeme die analogen Daten über eine „Lora Bridge“ ebenfalls in das bereits genutzte IoT-System übergeben können.

Die Umsetzung erfolgte über eine entsprechende Comtac LPN LoRa Bridge, die sowohl die analogen Signale als auch die Versorgungsspannung des WTW-Systems verarbeiten kann. Nach ausgiebigen Tests erfolgte kurzfristig die Installation am Aasee. Somit war das Monitoring auch hier wieder gesichert. Ein zweites WTW-System wurde bereits im IoT-Labor umgebaut, ist einsatzbereit und wartet auf den Einbau zum Start der Mess-Saison im April 2022.

Entwicklung des Aasees

Bereits kurze Zeit nach dem Fischsterben im Jahr 2018 sorgten nach Auskunft der Stadt Münster vor allem Grünalgen für die Normalisierung der Sauerstoffverhältnisse im Aasee. Besonders bemerkenswert ist, dass im Frühjahr 2019 erstmals eine Massenentwicklung von Zooplankton im Aasee beobachtet werden konnte. Diese Kleintiere ernähren sich von Phytoplankton und sorgen damit als Filtrierer auf natürlichem Wege dafür, dass die Algenpopulation gering bleibt. Diese Entwicklung führte dazu, dass eine Massenentwicklung von Cyanobakterien im Jahr 2019 völlig ausblieb. Bis dato konnte dieses Phänomen im Aasee noch nicht beobachtet werden.

Anfang des Jahres 2020 befand sich der Aasee zunächst noch immer in einem guten Zustand. Die Monitoringwerte wiesen aber bereits im April 2020 eine hohe Algenentwicklung, begleitet von hohen Sauerstoffkonzentrationen und -sättigungswerten sowie einer relativ geringen Sichttiefe von lediglich 50 cm aus. Der Anteil der Blaualgen war zu diesem Zeitpunkt mit etwa 5 – 10 % noch gering. Grund für diese Entwicklung war das erneut sehr trockene Frühjahr mit ausgeprägten Sonnenscheinperioden insbesondere im März und April.

Eine sehr ähnliche Entwicklung war auch bis Anfang Juni 2021 festzustellen. Insgesamt zeigte das Phytoplankton eine nur moderate Ausprägung; Cyanobakterien kamen nur untergeordnet vor. Gleichwohl gab es eine hohe Sauerstoffversorgung, auch direkt über dem Seegrund. Die Sichttiefe reichte im neuen Aasee sogar bis 130 cm. Ein Grund dafür ist die sichtbare Zunahme von Zooplankton, das die Ausbreitung von Algen und damit die Trübung reduziert.

Nutzung der Daten

Sämtliche Messdaten werden durch die Stadtverwaltung geprüft, überwacht und verwaltet. Das Datenmanagement dient zum einen einer verlässlichen, langfristigen Dokumentation des Zustands des Aasees, zum anderen fließen diese Daten als wesentliche Grundlage in ein Interventionsmanagement im Gefahrenfall ein. Die Überschreitung einzelner Grenzwerte führt nicht zwingend zu einer kritischen Situation im See. Problematisch ist vielmehr ein zeitgleiches Auftreten unterschiedlicher ungünstiger Verhältnisse, wie es auch im August 2018 der Fall war.

Im Frühjahr 2020 hat die Stadt Münster zwölf Belüftungsgeräte beschafft. Die Geräte sorgen durch Umwälzung des Wassers für eine Durchmischung der unteren sauerstoffärmeren mit den oberen sauerstoffreicheren Wasserschichten sowie für eine Anreicherung mit Luftsauerstoff. Zeichnen sich die als kritisch definierten Werte ab bzw. ist über das System eine Alarmmeldung eingegangen, werden die Belüftungsgeräte unmittelbar im See installiert, um einem Zusammenbruch des Sauerstoffhaushalts vorzubeugen.

Erfolgsgeschichte für den Aasee

Nach 16 Monaten im Betrieb lässt sich festhalten, dass die eingesetzten Mess- und Übertragungssysteme zuverlässig 365 Tage im Jahr arbeiten. Die erhobenen Daten werden höchst effizient und verschlüsselt für ein kontinuierliches Monitoring bereitgestellt. Regelmäßige Wartungen sind bei hydrologischen Messsystemen unerlässlich und sorgen dafür, dass der sich entwickelnde Biofilm auf den Sensoren die Messwerte nicht verfälscht.

Die installierten Systeme ergänzen sowohl manuelle Messungen zur Verifizierung der Dauermessung sowie entsprechende Laboruntersuchungen. Die gesammelten Daten werden Forschungseinrichtungen und interessierten BürgerInnen zur Verfügung gestellt und haben sich mittlerweile als wichtiges Werkzeug für die verantwortlichen MitarbeiterInnen der Stadt Münster etabliert, die mehrmals täglich die Daten überprüfen.

Durch das automatisierte Messen der Wasserqualität des Aasees wird die Qualität und Quantität der gesammelten Daten weiter verbessert und steigert darüber hinaus die Effektivität der Monitorings durch die Stadtverwaltung. Die Entnahme von Gewässerproben durch MitarbeiterInnen wird ergänzt durch eine kontinuierliche Messung der Umweltdaten, so dass die Stadt Münster rund um die Uhr über die Wasserqualität des Aasees informiert ist und sich informieren kann. Verschlechterungen der Wasserqualität des Aasees werden frühzeitig identifiziert und ermöglichen es, entsprechende Maßnahmen zur Sicherung des aquatischen Lebensraumes zu ergreifen. Das Projekt leistet somit sowohl einen Beitrag zum Klima- und zum Tierschutz als auch zur Sicherstellung des beliebten Freizeit- und Naherholungsraums.

Optimierung der Messungen

Die aktuell eingesetzte Sensorik allein kann den Aasee schlussendlich nicht retten. Das System ist durch den stationären Aufbau nicht in der Lage, Aussagen über den gesamten Aasee zu treffen. Es wird nur ein kleiner Teil des Aasees überwacht.

Eine mobile Station, welche die kontinuierliche Überwachung von Gewässerparametern ermöglicht, ist für die Beantwortung weitergehender Fragestellungen absolut notwendig. Beispielsweise bei der Überwachung der Auswirkung der Belüfter oder bei der Suche nach anaeroben Zonen im See aufgrund von Sedimenteinflüssen oder anderen Faktoren.

Das Messnetz muss also erweitert und in erster Linie mobiler werden, um an verschiedenen Stellen des Aasees entsprechende Langzeitmessungen durchführen zu können. Es ist durchaus denkbar, dass die initial angedachte Messboje, der das Projekt Hack(a)Tonne seinen Namen zu verdanken hat, doch noch zum Einsatz kommt.

Vielmehr geht es aber darum, das Gesamtkonzept der Stadt Münster, bestehend aus verschiedenen Maßnahmen wie z. B. den Belüftungssystemen für die Schaffung von Überlebenszonen, einer nachhaltigen Befischung des zu hohen Fischbestands, einem geänderten Fischbesatz mit Raubfischen, der Renaturierung von Uferzonen und der Verringerung des Nährstoffeintrags fortzuschreiben und sukzessive umzusetzen. Weitere Sensorik, wie z. B. eine Wetterstation auf dem Gebäude A2 sind in Planung. Damit stellt das Messkonzept einen wesentlichen Baustein des Handlungskonzepts zur Stabilisierung des Aasees dar.

Abschließend lässt sich festhalten, dass das Projekt Hack(a)Tonne durch die sehr konstruktive Zusammenarbeit aller Beteiligten eine innovative und nachhaltige Lösung bildet, die bereits erste positive Effekte zu verzeichnen hat. Auf diesem Erfolg sollten wir uns jedoch nicht ausruhen und stetig dafür Sorge tragen, dass der Aasee auch zukünftig eines der schönsten Wahrzeichen Münsters bleibt.

Dieser Artikel entstand in Zusammenarbeit mit der Umweltbehörde & Amt für Mobilität und Tiefbau der Stadt Münster.

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Michael Hermes

Senior Manager Eco & Maintenance Solutions, Chapter Lead IoT | Dipl. Ing. Maschinenbau
Michael Hermes ist Chapter Lead IoT im Bereich Digitale Netze und Senior Manager im Bereich SAP PM/EAM. Er verantwortet interdisziplinäre Themen in Bezug auf die Applikationsbetreuung diverser IoT-Systeme, die Integration der notwendigen Gateways und Sensorik sowie die Schnittstellen zu den Modulen SAP EAM und IS-U.

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