Grundwasserfluss: gemessen statt berechnet

Eine Studie zum horizontalen iFLUX-Flusssensor wurde im Journal of Hydrology veröffentlicht. In diesem Interview erläutert der Autor, Niels Van Putte, was diese Validierung für Kundenstandorte und für hydrogeologische Studien bedeutet.

Der Grundwasserfluss ist eine der folgenreichsten Kenngrößen in der Hydrogeologie und zugleich eine der am seltensten direkt gemessenen. Der horizontale iFLUX-Flusssensor misst die Strömung selbst, kontinuierlich, nach Geschwindigkeit und Richtung.

Die Entwicklung begann 2020 und wurde vor etwa anderthalb Jahren abgeschlossen. Sie wurde nun im Journal of Hydrology veröffentlicht, einer der Referenzzeitschriften auf diesem Gebiet.

Niels Van Putte, Data Scientist im iFLUX-R&D-Team, hat die Experimente und die Modellierung gemeinsam mit iFLUX-Gründerin und CTO Goedele Verreydt zu dieser Studie zusammengeführt.

Wir haben mit Niels darüber gesprochen, was die Veröffentlichung bedeutet, was der Sensor auf Kundenstandorten ermöglicht, und wo ein direkt gemessener Fluss die Herangehensweise an hydrogeologische Studien verändern könnte.

Abbildung 1. Der horizontale iFLUX-Flusssensor. a: Seitenansicht mit (1) dem Installationskopf, (2) dem Sensorkopf mit der Leiterplatte, (3) der Sensorkammer mit den beiden mikrofluidischen Strömungskanälen hinter ihren Trichtern und dem Edelstahlgewebe, und (4) dem Führungsteil, der den Sensor in Position fixiert. b und c: Seiten- und Draufsicht des Prepack-Filters. Nach Van Putte und Verreydt (2026).

Welche Rolle hatten Sie bei dieser Studie?

„Alles, was bereits vorhanden war, musste zusammengeführt werden. Die Experimente waren durchgeführt, die Modellierung war abgeschlossen. Meine Aufgabe bestand darin, alles zusammenzuführen, die Ergebnisse herauszuarbeiten und sie für eine wissenschaftliche Veröffentlichung aufzubereiten.“

Wie lange läuft dieses Projekt schon?

„Die Experimente und die Modellierung erfolgten in mehreren Phasen. Wir haben sie jedes Mal wiederholt, wenn ein neuer Prototyp vorlag. Die Entwicklung des horizontalen Sensors selbst begann jedoch 2020, und wir haben sie erst vor etwa anderthalb Jahren wirklich abgeschlossen.“

Was bedeutet eine Veröffentlichung im Journal of Hydrology konkret?

„Das Journal of Hydrology ist eine wirklich angesehene Fachzeitschrift in der Hydrogeologie. Dort veröffentlichte Methoden gelten als wissenschaftlich validiert. Unsere Studie durchlief ein Begutachtungsverfahren, und wir haben viel Feedback erhalten. Die Gutachter hatten zahlreiche Fragen. Einige davon haben uns dazu gebracht, unsere Position anzupassen. Andere verwiesen auf weiterführende Forschung, die wir nun anhand der Daten durchführen werden. Wo sie anderer Meinung waren als wir, haben wir die Details gemeinsam durchgearbeitet.

So wurde sie gründlich geprüft, und eine Veröffentlichung in einer solchen Fachzeitschrift ist ein bedeutender Schritt in der Validierung des Sensors.“

Warum ist das auch für Menschen außerhalb der Forschungswelt relevant?

„Weil es bedeutet, dass die Methode hinter der Zahl von Personen geprüft wurde, die kein Interesse am Ergebnis haben. Wenn Sie eine Messung gegenüber einer Behörde, einem Auditor oder einem Stakeholder verteidigen müssen, befinden Sie sich in einer anderen Position, als wenn Sie sich lediglich auf den eigenen Prüfbericht eines Anbieters berufen.

Es bedeutet auch, dass die Methode zitiert werden kann. Wer eine Studie auf Flussmessungen aufbaut, verfügt nun über eine dokumentierte, begutachtete Beschreibung der Funktionsweise der Messung und ihrer Grenzen.“

Abbildung 2. Sensorleistung im Sandtank. a: gemessene Flussstärke gegenüber der vorgegebenen Flussstärke, nach Korrektur der Strömungsfeldverzerrung. b: gemessene Flussrichtung gegenüber dem einfallenden Strömungswinkel. Die gestrichelte Linie zeigt die 1:1-Referenz, das beige Band die Standardabweichung der Wiederholungsmessungen. Nach Van Putte und Verreydt (2026).

Was deckt die Studie ab, und was nicht?

„Diese Studie beschreibt, was wir in unserem Sandtank-Aufbau getan haben. Wir haben untersucht, wie der Sensor unter kontrollierten Bedingungen auf vorgegebene Strömungen und Richtungen reagiert. Der konzeptionelle Nachweis liegt damit vor, und er ist solide.

Wir setzen den Sensor bereits in Feldaufbauten ein und können zeigen, dass er dort und bei unseren Kunden gut funktioniert, aber dieser Aspekt wird in dieser Studie nicht belegt. Das ist Stoff für eine Folgestudie.“

Abbildung 3. Der Labor-Sandtank. Wasser zirkuliert zwischen einer Einlass- und einer Auslasskammer (b, c), die durch gesiebte Leitbleche (a) vom Sand getrennt sind, wobei der Fluss über Überlaufregler (f, g) vorgegeben und volumetrisch überprüft wird (h). Prepack-Filter und Sensor befinden sich in der Mitte (i, j). Nach Van Putte und Verreydt (2026).

Kommen wir zu den Standorten. Wer profitiert am meisten von diesem Sensor?

„Vor allem Kunden, die über einen langen Zeitraum autonom laufende Messungen benötigen. Unsere Methode arbeitet mit sehr geringem Energieverbrauch, der Batterieverbrauch ist minimal. Bei vielen anderen Technologien muss entweder jemand vor Ort anwesend sein, oder die Messung läuft nur wenige Stunden.

Es spielt auch dort eine Rolle, wo der Fluss stark schwankt. An Standorten, an denen der Fluss mehr oder weniger konstant ist, führen die Standardmethoden ebenfalls zum Ziel. Interessant wird es dort, wo Bewegung im Spiel ist: Pumpen, die ein- und ausschalten, oder Gezeiteneinflüsse in Küstengebieten. Überall dort, wo eine hohe zeitliche Auflösung benötigt wird, also häufige Messungen über die Zeit, hat unsere Methode einen klaren Vorteil.

Und es spielt eine Rolle, wo der Fluss teilweise sehr niedrig ist. Andere Methoden eignen sich weniger gut, um wirklich niedrige Flüsse zu messen. Wir können bis auf wenige Zentimeter pro Tag genau messen, während andere Methoden im Bereich von zehn bis hundert Zentimetern pro Tag arbeiten.“

Warum tun sich andere Methoden bei niedrigem Fluss schwer?

„Die meisten davon arbeiten mit einem Tracerimpuls. Man injiziert eine Salzlösung an einer bekannten Stelle und verfolgt sie an einer anderen Stelle. Eine Messung erhält man aber nur in dem Moment, in dem der Tracer ankommt. Ist der Fluss langsam, erhält man nur sehr wenige Messungen pro Zeiteinheit. Braucht der Tracer vier Stunden, um anzukommen, erhält man alle vier Stunden eine Messung.

Wir betrachten einen Temperaturunterschied, anstatt einen Wärmeimpuls über die Zeit zu verfolgen, wodurch wir kontinuierlich messen können. Sobald wir den Sensor einschalten, liegt innerhalb von vier Sekunden eine Messung vor.“

Echtzeitüberwachung wird damit realistisch.

„Das ist tatsächlich der praktische Unterschied. Zudem ist der Sensor so konzipiert, dass er mit verschiedenen Dataloggern kompatibel ist. Was mit den Daten geschieht, liegt beim Kunden. Eine lokale Speicherung ist möglich, ebenso die Übertragung an ein Dashboard. Dieser Aspekt wird in der Studie nicht behandelt, die Studie befasst sich mit der Technologie zur Flussmessung selbst, aber es beschreibt, wie der Sensor eingesetzt wird.“

Warum müssen Kunden überhaupt wissen, wie sich das Grundwasser bewegt?

„Die Gründe sind unterschiedlich. Manche wollen wissen, wie schnell Wasser von Punkt A nach Punkt B gelangt, weil sie eine bestimmte Verweilzeit im Untergrund gewährleisten müssen. Das ist zum Beispiel bei Vitens der Fall.

Andere wollen wissen, wie schnell bestimmte Stoffe sich durch den Boden bewegen. Wenn man den Fluss eines Schadstoffs kennen möchte und die Substanz nicht direkt messen kann, muss man zunächst wissen, wie schnell sich das Wasser bewegt. Ohne diese Information bleibt es bei einer Abschätzung.“

Was macht die Messung selbst so belastbar?

„Es gibt mehrere Techniken zur Messung des Grundwasserflusses, die ich in der Studie beschreibe. Eine Kategorie ist die Messung des Flusses innerhalb eines Bohrlochs, so wie wir es tun. Was unseren Ansatz unterscheidet, ist der Einsatz unseres eigenen Prepack-Filters. Er leitet die Strömung zum Sensor und schafft gleichzeitig einen standardisierten Aufbau.

Andere messen meist in bestehenden Grundwassermessstellen. Das ist günstiger, weil die Messstelle bereits vorhanden ist, und einfacher einzurichten. Der Nachteil ist, dass eine bestehende Messstelle mit vielen Unbekannten verbunden ist. Man kennt nicht immer die Filterlänge, die Anordnung der Schlitze, wie sich das umgebende Sediment gesetzt hat, oder ob ein Sandfilter vorhanden ist oder nicht. All das erhöht die Unsicherheit der Messung.“

Das Sensorelement stammt aus der Medizintechnik. Wie funktioniert es?

„Es handelt sich um einen MEMS-Sensor, ein mikroelektromechanisches System. Alles befindet sich auf einem einzigen Chip: der Kanal, durch den das Wasser fließt, die beiden Sensoren, das Heizelement.

Der Strömungskanal hat einen Durchmesser von 1,8 Millimetern. In der Mitte befindet sich ein kleines Element, das das Wasser erwärmt. Auf beiden Seiten sitzt jeweils ein Temperatursensor. Aus dem Verhältnis zwischen diesen beiden Temperaturen leiten wir die Strömung ab.

Man kann sich das wie ein Lagerfeuer vorstellen. Wenn man wissen möchte, aus welcher Richtung der Wind weht, schaut man, wohin der Rauch zieht. Hier funktioniert es genauso. In der Mitte wird erwärmt, und dann wird beobachtet, welche Seite wärmer und welche kühler ist. Aus dem Verhältnis zwischen beiden ergeben sich Richtung und Geschwindigkeit. Da wir zwei dieser Chips senkrecht zueinander positioniert haben, können wir die Richtung über den vollen 360-Grad-Bereich messen.“

Abbildung 4. Das Messprinzip. a: Querschnitt eines Strömungskanals mit einem Trichter auf jeder Seite. Zwei dieser Kanäle stehen im Sensor senkrecht zueinander. b: Das durch den Kanal strömende Wasser wird lokal durch ein zentrales Element erwärmt, und der Temperaturunterschied zwischen den Sensoren stromauf und stromab liefert sowohl die Durchflussrate als auch ihre Richtung. Nach Van Putte und Verreydt (2026).

Wie verhält sich ein gemessener Fluss zu einem berechneten?

„Traditionell wird der Fluss aus dem hydraulischen Gradienten und dem k-Wert berechnet. In flachen Regionen wie der unseren ist die Strömung oft sehr gering, sodass die Potentialunterschiede sehr klein sind, manchmal nur wenige Millimeter über Hunderte von Metern. Das lässt sich nicht immer zuverlässig messen. Hinzu kommt, dass der Fehler bei der hydraulischen Leitfähigkeit groß ist. Im Rahmen dieser Forschung habe ich festgestellt, dass er um den Faktor zehn über- oder unterschätzt werden kann.

Auch unser Sensor ist gegen diese Unsicherheit nicht vollständig immun, aber der k-Wert fließt über einen Korrekturfaktor ein und nicht als direkter Multiplikator, wodurch das Ergebnis deutlich weniger empfindlich darauf reagiert. In der Praxis bedeutet das eine robustere Kennzahl, genau in den Bedingungen, in denen der traditionelle Ansatz am schwächsten ist.

Eine Einschränkung ist erwähnenswert. Unser Sensor liefert eine Punktmessung. Er misst den Fluss an einer bestimmten Stelle. Wie sich das auf den Fluss über eine größere Fläche übertragen lässt, ist eine eigene Frage und hängt weitgehend davon ab, wie viele Sensoren man wo platziert.“

Abbildung 5. Simuliertes Strömungsfeld im und um den Prepack-Filter und den Sensor, im Querschnitt durch einen der internen Strömungskanäle. Ein Teil der Strömung verläuft durch den Sensor, ein anderer Teil um ihn herum. Die Quantifizierung dieser Verzerrung ermöglicht es, die Messung auf den tatsächlichen Fluss im Grundwasserleiter zurückzurechnen. Nach Van Putte und Verreydt (2026).

Bedeutet die Veröffentlichung Ihnen auch persönlich etwas?

„Ja, durchaus. Es steckt viel Arbeit darin, und ich bin stolz, dass es uns gelungen ist, sie zu veröffentlichen. Vor allem, weil wir das mit einem kleinen Team getan haben. An der Universität sind an einer solchen Studie oft fünf oder sechs Personen beteiligt. Hier haben wir es mit einer sehr kleinen Gruppe geschafft.“