Niederschlagsmonitoring: Wissen, wo es regnet, wie viel, und was das bedeutet

Niederschlag ist der Treiber fast aller wasserwirtschaftlichen Prozesse. Er bestimmt, wie viel Wasser in Kanalnetze, Gewässer und Böden gelangt, wann Grundwasserspeicher gefüllt werden und wann kritische Schwellen in der Infrastruktur überschritten werden. In dieser wichtigen Rolle des Niederschlags ist es erforderlich, dass eine belastbare Datengrundlage geschaffen wird. 

Auf dieser Seite wird erklärt, wie Niederschlagsmessungen funktionieren, wo die Grenzen klassischer Verfahren liegen und warum verteilte IoT-basierte Niederschlagsmessnetze in der modernen Wasserwirtschaft eine entscheidende Rolle übernehmen.

Niederschlagsdaten, egal ob Bemessungsregen oder lokal erfasste Niederschlagsauswertungen, sind die Entscheidungsgrundlage für Planung und Betrieb in der Wasserwirtschaft. Veränderte Rahmenbedingungen, wie neue Siedlungsstrukturen und der Klimawandel, haben zu einem Abweichen zwischen dem Planungszustand und gegenwärtigem Betrieb geführt. Die Konsequenzen sind nicht erreichte Ziele, wie ökologische Schadensbilder.  

In der Reaktion auf diese Abweichung bedarf es angepasster Aktionspläne, welche als Eingangsgröße Niederschlagsdaten erfordern, wie folgende exemplarische Beispiele zeigen:  

Hochwasserschutz: In Gewässern 3. Ordnung und kleiner stellen fehlende kleinräumig erfasste Niederschläge im stromaufwärts gelegenen Einzugsgebieten die zentrale Ursache für Hochwasserflutwellen dar.

Klimamonitoring und Langzeitbeobachtung: Die Verteilung der Niederschläge über die Jahreszeiten verändern sich gegenwärtig spürbar. Zur Beurteilung der veränderten Rahmenbedingungen sind lange, lückenlose und vergleichbare Niederschlagszeitreihen erforderlich.  

Starkregen: Starkregenereignisse treten häufiger, kleinräumig und kurzfristig auf. Sie führen zu Hochwasser an Orten, die für gewöhnlich nicht davon betroffen sind, doch die Schäden an Objekten, aber auch Leib und Leben sind real. Diese zu erfassen haben die Beispiele der letzten Jahre 2021 (Hagen), 2022 (Kaiserslautern), 2023 (Kassel), 2024 (Gemmingen und Gondelsheim), 2025 (Riedlingen) ist für bestehende Systeme schwer möglich.

Kanalnetzbewirtschaftung: Kanalnetze sind für den Infektionsschutz und Umweltschutz elementar, doch der Beton, aus welchem sie gebaut sind, ist statisch. Veränderte Umweltbedingungen machen eine Anpassung dieser erforderlich, doch Kosten und Flächenbedarf stellen Hindernisse dar, sodass bestehende Potenziale erschlossen werden müssen. Zur Aktivierung dieser Potenziale bedarf es der Fähigkeit ein echtes Lagebild der Kapazitäten zu erstellen, um Emissionen zu vermeiden.

Blau-Grüne Infrastruktur: Das Konzept der blau-grünen Infrastruktur kombiniert wasserwirtschaftliche und stadtplanerische Maßnahmen, sodass Niederschlagswasser in der Stadt am Ort des Anfalls gespeichert und genutzt wird. Der Betrieb dieser Retentionsvolumina ist für eine vorausschauende Bewirtschaftung und volle Wirksamkeit an den Niederschlagsanfall gekoppelt. Dieser Ansatz sorgt für eine Entlastung der Kanalisation und zur Verbesserung des Stadtklimas.  

Für alle diese Beispiele sind rechtzeitig, belastbar, räumlich und zeitlich hochaufgelöst verfügbare Niederschlagsinformationen, die mögliche Maßnahmen erlauben, erforderlich. Diese Grundlage ist heute noch lückenhaft. 

Der Hellmann-Regenmesser ist ein zylindrischer Auffangbehälter mit definierter Öffnungsfläche, der den Niederschlag sammelt und durch Ablesen oder einen Datenlogger erfasst wird. Diese bodennahe Punktmessung ist weit verbreitet in der Klimatologie und Meteorologie, da das Verfahren robust und nachvollziehbar ist. Mit einem Hellmann-Regenschreiber lässt sich die zeitliche Variabilität des Niederschlagsgeschehens nicht abbilden.  

Die Kippwaage ist vom Aufbau ähnlich dem Hellmann-Schreiber. Die Messung erfolgt nach einem einfachen mechanischen Prinzip: Zwei gleich große, gegenüberliegende Schalen bilden eine ausbalancierte Waage. Sobald eine Schale das definierte Füllvolumen erreicht, verlagert sich das Gewicht, die Waage kippt, die Schale entleert sich, und die zweite Schale übernimmt die Sammlung. Beim Kippvorgang wird ein Impuls von einem Datenlogger erfasst und, je nach Ausstattung, per Datenfernübertragung an zentrale Systeme übermittelt wird. Das definierte Schalenvolumen bestimmt die Messauflösung, typischerweise 0,1 mm bis 0,5 mm Niederschlag pro Kippimpuls.

Die Kippwaage eignet sich nicht für die Messung sehr geringer Niederschläge, aufgrund der minimalen Messauflösung, ebenso nicht für Starkregen, da das Instrument hydraulisch überlastet und Niederschlagsintensitätsspitzen nicht erfasst werden. 

Der infrarotoptische Regenmesser basiert auf Infrarotlicht, das innerhalb einer Linse geführt und von Lichttastern überwacht wird. Treffen Regentropfen auf die Linsenoberfläche, ändert sich die Lichtführung, woraus das System die Tropfengröße ableitet. Die Messung ist robust, da sie keine beweglichen Bauteile hat und funktioniert bei geringsten Niederschlägen, wie auch bei Starkregen.

Die Auflösung liegt bei 0,02 mm bei minütlicher Messung. Typische Anwendung ist die Bildung von Niederschlagssummen über definierte Zeitfenster zur Alarmierung.  

Der reduzierte Wartungsbedarf gegenüber mechanischen Verfahren ermöglicht den Einsatz in dichten Messnetzen mit überschaubarem Instandhaltungsaufwand. 

Wetterradar misst die Rückstreuung elektromagnetischer Wellen durch Partikel (Hydrometeore) in der Atmosphäre und ermöglicht flächige Aussagen über Niederschlagsverteilungen. Die Genauigkeit im Vergleich zu bodennahen Niederschlagsmessstationen ist begrenzt, insbesondere bei kleinräumiger und zeitlicher Variabilität des Niederschlags oder komplexem Gelände. Daher müssen Radardaten mit Bodenmessungen kombiniert werden, um die Belastbarkeit sicherzustellen. 

Räumliche Unterrepräsentation:Das grundlegende Problem klassischer bodenbasierter Messnetze ist die räumliche Auflösung. Niederschlag, besonders konvektiver Starkregen, ist kleinräumig und zeitlich hochvariabel. Ein einzelner Messpunkt, repräsentiert nur seinen unmittelbaren Standort. Für Kanalnetzbetreiber, die kleinräumige Einzugsgebiete betreuen, sind interpolierte Werte aus entfernten Stationen eine unsichere Grundlage. Bei hoher zeitlicher und räumlicher Dynamik sind Wetterradaren (C-Band) ebenfalls in der Detektion des Niederschlags eingeschränkt.

Wartungsaufwand: Mechanische Geräte wie Kippwaagen erfordern regelmäßige Reinigung, Kalibrierung und Instandhaltung. Verstopfte Auffangöffnungen, Reifbildung oder defekte Waagen verfälschen die Messung, ohne dass dies sofort erkennbar ist in den Messdaten. 

Der Aufbau von bodennahen Niederschlagsmessungen ist für die verschiedensten Anwendungen, welche belastbare, zeitlich und räumlich hoch aufgelöste Niederschlagsdaten erfordern mit dem RMI-Sensor möglich.  

Kanalnetz und Mischwasserbewirtschaftung: Für die Bewertung des Abflussverhalten des Kanalnetzes sind Durchflussdaten, wie beispielsweise solche des Kreuzkorrelationsmessgerätes NivuFlow Mobile 750, genauso wichtig, wie Niederschlagsdaten.  

Die erfassten Daten bilden die Eingangsgrundlage für Niederschlag-Abfluss-Modellierungen (N/A-Modellierungen), mit denen das Abflussverhalten im Kanalnetz simuliert und die hydraulischen Kapazitäten überprüft werden können.  

Kanalnetzbetreiber, welche eine aktive Kanalnetzbewirtschaftung betreiben, benötigen einzugsgebietsbezogene Niederschlagsdaten, um Entlastungsbauwerke, Regenüberlaufbecken und Schieber rechtzeitig zu bedienen, um aktiven Umweltschutz durch Emissionsvermeidung zu betreiben.