Mit Künstlicher Intelligenz gegen Nitrat im Grundwasser

Die Politik und Gesellschaft haben dem Nitrat im Grundwasser den Kampf angesagt. Da wo der Mensch versagt, muss die künstliche Intelligenz unterstützen. Das Projekt „Nitratmonitoring 4.0“ (NiMo), gefördert mit rund 2,5 Millionen Euro vom Bund, entwickelt ein System, um mit Hilfe Künstlicher Intelligenz (KI) die Nitratkonzentration im Grundwasser möglichst genau vorherzusagen. Damit hilft es unser Trinkwasser, das zu 70 Prozent aus Grundwasser gewonnen wird, zu schützen.

Entwicklung von Nitratkonzentrationen im Grundwasser soll vorhersagbar werden

Die Verteilung von Nitrat im Grundwasser ist das Ergebnis eines komplexen Zusammenspiels vieler Einflussfaktoren, darunter neben dem Eintrag, der von der Landnutzung bestimmt wird, meteorologische Faktoren (Niederschlag, Verdunstung), chemisch-physikalische Eigenschaften der grundwasserüberdeckenden Schichten sowie Transport- und Reaktionsprozesse im Grundwasser selbst. Die Nitrat-Verteilung im Grundwasser stellt daher ein hochkomplexes, räumlich und zeitlich stark variables Muster dar, das regional und insbesondere vertikal eine ausgeprägte hydro-geochemische Differenzierung aufweist. Obwohl Eintrag, Transport und Ausbreitung von Nitrat im Grundwasser weitgehend bekannten chemisch-physikalischen Prozessen folgen, so ist eine Modellierung mit analytischen oder numerischen Modellen in einer sinnvollen räumlichen Auflösung bisher schwierig. KI-Anwendungen, insbesondere zum Bereich Machine Learning gehörende Neuronale Netze bzw. Deep Learning Verfahren, wie sie in anderen Disziplinen häufig zur Mustererkennung eingesetzt werden, bieten hier einen deutlichen Mehrwert gegenüber den etablierten Verfahren. Als datenbasiertes Modell sind sie in der Lage, komplexe Zusammenhänge aus einer großen Datenmenge zu extrahieren und zu übertragen.

Künstliche Intelligenz schafft Grundlagen für passgenaue Maßnahmen beim Grundwasserschutz

Hinter dem Projekt NiMo stehen die Disy Informationssysteme GmbH, das Fraunhofer-Institut IOSB, das Karlsruher Institut für Technologie und der Deutsche Verein des Gas- und Wasserfaches e.V. Die Verbundpartner entwickeln intelligente Verfahren, mit denen die Nitratbelastung im Grundwasser genauer bestimmt werden kann als mit derzeitigen Verfahren. Detaillierte Daten und Vorhersagen sind die Basis für passgenaue Maßnahmen zum Grundwasserschutz. Mithilfe von KI werden sie zudem Möglichkeiten identifizieren, die das Messnetz verbessern. Die Projektergebnisse werden in einer Pilotregion in Baden-Württemberg und einer in Niedersachsen erprobt und so für den bundesweiten Einsatz in der Praxis optimiert. Am 15.10. erhielt das Projekt „Nitratmonitoring 4.0“ (NiMo) einen Förderbescheid in Höhe von rund 2,5 Millionen Euro.

Teil der Förderinitiative „KI-Leuchttürme für Umwelt, Klima, Natur und Ressourcen“

Das Projekt ist Teil der Förderinitiative „KI-Leuchttürme für Umwelt, Klima, Natur und Ressourcen“. Das Bundesumweltministerium fördert mit dieser Initiative Projekte, die Künstliche Intelligenz nutzen, um ökologische Herausforderungen zu bewältigen. Es ist eins von insgesamt fünfzehn ausgewählten Leuchtturmprojekten der Förderlinie 2 der Förderinitiative „KI-Leuchttürme“, die das Bundesumweltministerium mit einer Laufzeit von insgesamt drei Jahren fördert. Die Bandbreite der Projekte deckt dabei verschiedene Themen, wie etwas intelligente Stromnetze, Insektenschutz, nachhaltiger Konsum oder Abfallsortierung, ab.

Die BMU-Förderinitiative ist ein Beitrag zur Umsetzung der KI-Strategie der Bundesregierung mit dem Ziel, Deutschland und Europa zu einem führenden Standort für KI-Technologien zu machen und dabei eine verantwortungsvolle und gemeinwohlorientierte Entwicklung und Nutzung von KI voranzubringen. Das Bundesumweltministerium fördert dabei Projekte, die Künstliche Intelligenz nutzen, um ökologische Herausforderungen zu bewältigen und beispielgebend für eine umwelt-, klima-, gesundheits- und naturgerechte Digitalisierung sind („KI-Leuchttürme“).

Quellen/Weiterführendes

• Monitoring 4.0 – Intelligente Systeme zur nachhaltigen Reduzierung von Nitrat im Grundwasser (NiMo 4.0), agw KIT
• KI-Leuchttürme für Umwelt, Klima, Natur und Ressourcen, ZUG
  Die Initiative adressiert in zwei Förderlinien Projekte in unterschiedlichen Entwicklungsstadien: Während Förderlinie 1 die Ausarbeitung kreativer Ideen fördert, richtet sich Förderlinie 2 an Projekte mit einem höheren Reifegrad. Diese sollen Entwicklung, Einsatz und Vermittlung KI-basierter Anwendungen für ökologische Herausforderungen vorantreiben. Für die gesamte Initiative wurden rund 300 Ideen eingereicht und 28 Projekte ausgewählt (13 Projekte der Förderlinie 1 und 15 Projekte der Förderlinie 2). Hierfür stehen aus dem Haushalt 2020 Fördermittel in Höhe von 40 Millionen Euro bereit.
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