The Water Safety Plan (WSP) approach of the World Health Organization (WHO) is a comprehensive framework for water-supply organizations (like water utilities, water authorities etc.) for systematically identifying and managing risks related to the drinking-water supply system. Up to now, there is not much and not very sophisticated ICT-support for WSP implementation. Hence, as part of the BMBF-funded research project TRUST, TZW and Disy together develop GIS-based tools for WSP realization. In this paper, we present a first prototype system for risk identification and risk assessment within the WSP framework.
Das Konzept des Water Safety Plan (WSP) ist ein umfassender Ansatz zum
Risikomanagement für Trinkwasserversorgungssysteme. Ein Water Safety Plan betrachtet
die gesamte Versorgungskette, vom Wassereinzugsgebiet über die Wassergewinnung
(Brunnen) und -behandlung (Wasserwerke) bis zum Verteilnetz und zum
Endverbraucher [
In der Praxis ist die Umsetzung eines WSP umständlich und kostspielig. Insbesondere
das Risikomanagement für ein ganzes Wassereinzugsgebiet kann aufgrund der sehr
großen Zahl potentieller Gefährdungsereignisse recht aufwändig werden. Die
Implementierung eines WSP erfolgt heutzutage typischerweise auf dem Papier. Es gibt
nur einfache Werkzeugunterstützung auf der Basis von Textverarbeitungen oder
Spreadsheets [
Daher schlagen wir vor, dass die Implementierung eines WSP-konformen
Risikomanagements durch eine entsprechende Softwareanwendung unterstützt werden
sollte. Da bis dato keine entsprechende Softwarelösung für das Risikomanagement
von Trinkwassereinzugsgebieten auf dem Markt existiert, wurde im Rahmen des
BMBF-Projekts TRUST eine solche entworfen und (teilweise) prototypisch realisiert.
Eine erste Version des Prototypen wurde bereits entwickelt und mit Domänenexperten
bezüglich der Gebrauchstauglichkeit analysiert [
Es wurden zunächst die relevanten WSP-Prozesse modelliert, nämlich: • Identifikation von Gefahren; • Abschätzung des Ausgangsrisikos; • Bestimmung und Validierung von Maßnahmen zur Risikobeherrschung; • Abschätzung des Restrisikos; • Maßnahmenplanung; • Dokumentation.
Für alle Hauptaktivitäten wurden die Teilarbeitsschritte und die Input- und OutputDokumente und -Daten modelliert. Abbildung zeigt den Einstiegsbildschirm des Web-basierten Werkzeug-Prototyps, wo die oben erwähnten Hauptaktivitäten mit ihren Teilarbeitsschritten und den jeweiligen Arbeitsergebnissen anklickbar dargestellt sind. Danach wurde ein Entity-RelationshipModell für alle betroffenen Objekte definiert, um alle gesammelten und verarbeiteten Daten in einer PostgreSQL Datenbank abzuspeichern. Die Anwendungslogik wurde mithilfe von Grails realisiert. Diese Anwendungslogik unterstützt dabei, die WSPRisikomanagementprozesse in einer „geführten“ Art und Weise zu durchlaufen und bietet benutzerfreundliche Möglichkeiten, Arbeitsschritte zu dokumentieren, Hintergrundinformationen zuzugreifen und alle relevanten Daten einfach einzusammeln. Für die kartographische Darstellung von Risiken wurde das Web-GIS „Cadenza Web“ eingesetzt.
Abbildung 1: Einstiegsbildschirm mit Hauptaktivitäten
Zur Systemabgrenzung: Im Kern unserer hier vorgestellten Entwickungen steht eine
praxisorientierte Vorgehensweise für das Risikomanagement mit Bezug auf
Trinkwasser und mit dem Schwerpunkt auf Spezifika von ganzen Wassereinzugsgebieten
(zur vollständigen Abdeckung der Trinkwasserversorgung sind natürlich auch andere
Bestandteile wie die technischen Anlagen, das Leitungsnetz etc. zu betrachten). Diese
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Vorgehensweise beruht auf früheren Arbeiten von
Abbildung illustriert Grundkonzepte des Ansatzes: Gefährdungen ergeben sich aus Gefährdungsereignissen, welche sich auf geographisch lokalisierbare Gefährdungsträger (Punkte, Flächen) beziehen und welche hinsichtlich ihrer Ernsthaftigkeit und ihrer Eintrittswahrscheinlichkeit abgeschätzt werden können. Die Vulnerabilität hängt davon ab, wie starke schützende Effekte (z.B. natürliche Grundwasserreinigung im Boden) vorliegen. Beide Phänomene lassen sich mit GIS-Methoden in der Fläche aggregieren und gegeneinnader verrechnen. Dadurch entsteht schließlich eine Abschätzung für die Gefährdung des Rohwassers.
Abbildung 2: Grundkonzepte des Ansatzes von [
Tabelle 1: Beispiel einer semi-quantitativen Bewertungsmatrix, hier für die Eintrittswahrscheinlichkeit
eines Gefährdungsereignisses (LO, likelihood of occurrence), nach [
Tabelle 2: Beispiel einer semi-quantitativen Bewertungsmatrix, hier für die Ernsthaftigkeit der Folgen
eines Gefährdungsereignisses (SC, severity of consequences), nach [
Tabelle 3: Überblick der in der Risikobewertung verwendeten Indikatoren Insgesamt ergeben sich als Endergebnis des Bewertungs- und Verrechnungsprozesses Risikoeinschätzungen (Gewicht zwischen 0 und 5*5=25), die sich auf geographische Gebiete beziehen (wo sind Gefährdungsträger zu finden, wo liegen Schutzfunktionen vor) und die man wiederum in Risikoklassen nach Tabelle 4 einordnen kann.
Tabelle 4: Einordnung in Risikoklassen nach Indikatorwert 3
Aus Architektursicht ist der vorliegende Prototyp eine relativ einfache GRAILSAnwendung, die zur Datenspeicherung PostgreSQL/PostGIS und zur Umsetzung der GIS-Funktionalitäten Cadenza
framework für die Programmiersprache Groovy, welches sich durch Konzepte wie Scaffolding21, automatische Validatoren und Internationalisierung auszeichnet und auf etablierten Frameworks wie Spring, Hibernate und SiteMesh aufbaut. GRAILS bietet nach unseren Erfahrungen eine sehr effiziente Umgebung zum Rapid Prototyping von Webanwendungen.
dynamischer und statischer Typisierung, die auf der Java Virtual Machine ausführbar ist und einige Konstrukte anbietet, die in Java nicht vorhanden sind, wie beispielsweise 19 Vgl. https://www.disy.net/de/produkte/cadenza/web/ aufgerufen am 30.08.2018 20 Vgl. https://de.wikipedia.org/wiki/Grails und https://grails.org/ aufgerufen am 30.08.2018. 21 Vgl. https://de.wikipedia.org/wiki/Webframework#Scaffolding aufgerufen am 30.08.2018 22 Vgl. https://de.wikipedia.org/wiki/Groovy und http://groovy-lang.org/ aufgerufen am 30.08.2018.
133 native Syntax für Maps, Listen und reguläre Ausdrücke, ein einfaches Templatesystem zur Erzeugung von HTML-und SQL-Code u.a.m.
Abbildung 3: Grobes Architekturmodell des vorliegenden Prototypen Die aktuelle Funktionalität des Prototypen umfasst: (i) (ii) (iii) (iv)
Web-basierte Eingabemasken für Gefährdungsereignisse und Maßnahmen zur Risikobeherrschung – welche sich jeweils auf geographische Objekte als Repräsentation von Gefährdungsträgern (wie eine Industrieanlage, eine landwirtschaftliche Fläche) beziehen (vgl. Abbildung 4); anpassbare semi-quantitative Skalen für die Beschreibung von Eintrittswahrscheinlichkeit, Ernsthaftigkeit der Folgen, Vulnerabilität und Klassifikation von Risiken (vgl. Tabelle 1, 2 und 4); Formeln für die Risikoanalyse zur Aggregation und Verrechnung von Gefährdungen und Vulnerabilität (vgl. Tabelle 3); eine Web-GIS-Komponente a. für das Zuweisen von geographischen Objekten (Punkten oder
Polygonen in Karten) an Gefahrenträger und Schutzfunktionen, b. für das Zuweisen von Gefährdungsereignissen und Maßnahmen zur Risikobeherrschung an Gefahrenträger sowie c. zur Visualisierung von erfassten und berechneten Risiken und
Vulnerabilität; sowie (v)
Berichtsfunktionalitäten und tabellarische Übersichten von Eingabedaten. Abbildung 5 und Abbildung 6 zeigen Visualisierungen im Web-GIS, die bescheiben, wie die aggregierten Gefährdungen, jeweils den geographisch lokalisierten Gefährdungsträgern zugeordnet, sich im betrachteten Trinkwassereinzugsgebiet verteilen. Der Hauptfokus der bisherigen Implementierung lag in der Eingabe von geographisch verorteten Gefährdungstägern und Gefahrenereignissen sowie deren automatischer Aggregation. WSP-Workflowschritte nach der Gefährdungsanalyse wurden noch nicht implementiert.
Abbildung 5 zeigt die initiale Risikokarte, die sich aus Gefährdungen mit Eintrittswahrscheinlichkeit und Gefährdungsernsthaftigkeit ergibt. Im Fall, dass für eine gegebene Fläche gleich mehrere Risiken gegeben sind, bestimmt das jeweils höchste Risiko das Einfärben der Fläche und eine kleine Ziffer deutet an, dass (sofern sie größer als 1 ist), hier mehrere Risiken inspiziert werden müssen.
Abbildung 4: Eingabemaske für ein Gefährdungsereignis
Abbildung 5: Karte der initialen Risiken Abbildung 6: Rohwassergefährdungskarte
136 Abbildung 6 zeigt die Rohwassergefährdungskarte als „Endprodukt“ der Risikobewertung. Hier sind Initialrisiken aus Abbildung 5 mit Vulnerabilität bzw. Schutzfunktionen verschnitten. Deshalb sind die Farbkodierungen i.W. auch weniger alarmierend als in Abbildung 5. Auf dieser Karte aufsetzend, würden jetzt weitere Schritte des Risikomanagements geplant, beispielsweise Gegenmaßnahmen zur Risikoreduzierung.
Aus wissenschaftlicher Sicht ist insbesondere die volle oder teilweise Automatisierung der Gefährdungsanalyse durch geoinformatische Algorithmen von Interesse. Eine zentrale Entwurfsentscheidung für das System liegt beim Trade-Off zwischen qualitativen bzw. semi-quantitativen und streng quantitativen Methoden. Hier muss man sich entscheiden zwischen mehr oder weniger informativen bzw. (un)sicheren Methoden und „zahlt den Preis“ in Form von Komplexität oder Datenintensität der Ansätze. Im Allgemeinen gibt es nicht „die einzige richtige“ Lösung. Aber ein modulares Software-Werkzeug kann mehrere Methoden anbieten oder sogar kombinieren und landes- oder regional spezifisch konfiguriert werden. In unserem Projekt wurden die lokalen Gegebenheiten in Deutschland und in Peru zugrundegelegt. Die zurzeit eingesetzten Methoden sind durchgängig eher grobgranular und heuristisch. Dies erscheint aber aus Gründen der Praxistauglichkeit auch unbedingt sinnvoll, denn aktuell scheitern WSP-Projekte immer noch primär am erwarteten Arbeitsaufwand für das Aufsetzen und das Unterhalten des Systems bzw. grundsätzlich an der Datenverfügbarkeit. Insofern erscheint uns jede noch so grobe heuristische Herangehensweise nützlicher als die Alternative „gar nichts“ zu tun – zumal dieses System schrittweise technisch differenzierter ausgebaut werden könnte. Ein Werkzeug wie das vorliegende kann einen Einstieg in einen systematischen und transparent dokumentierten Umgang mit Risiken darstellen und kann dann mit sehr stark reduziertem Aufwand für die wiederholte Nutzung ein kontinuierliches Risikomanagement wesentlich realistischer machen.
Aus praktischer Sicht ist die Adaptierung des Werkzeugs auf unterschiedliche lokale Gegebenheiten wichtig. Daher wurde das gesamte System hochgradig offen und konfigurierbar gestaltet. Innerhalb des TRUST-Projekts sollen als nächste Schritte zunächst insbesondere die Usability und die Nützlichkeit aus Anwendersicht erhöht 137 werden. Erste Anwendertests mit etwa 10 Personen aus Deutschland und aus Peru führten zu sehr positiven Gesamtbewertungen, mit Verbesserungsvorschlägen insbesondere in den (aus Informatik-Sicht eher „einfachen“) Bereichen der Gebrauchstauglichkeit und Anwendungsfreundlichkeit im Praxiseinsatz.
Danksagung. Die beschriebenen Arbeiten wurden mit Unterstützung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung im Rahmen des Verbundprojekts „Trust – Trinkwasserversorgung in prosperierenden Wassermangelregionen nachhaltig, gerecht und ökologisch verträglich - Entwicklung von Lösungs- und Planungswerkzeugen zur Erreichung der nachhaltigen Entwicklungsziele am Beispiel des Wassereinzugsgebiets der Region Lima/Peru“ (Förderkennzeichen 02WGR1426A-G) innerhalb der Fördermaßnahme „GRoW - Globale Ressource Wasser“ durchgeführt.