Naturmessungen

Sedimentäre Grenzerfahrungen – niederländische und deutsche Messschiffe im Einsatz für Methodenvergleiche

Martin Struck
25. Januar 2022
Keine Kommentare

Anfang November 2021 fand im deutsch-niederländischen Grenzabschnitt des Rheins eine länderübergreifende Kampagne zum Vergleich von Sedimentmessmethoden statt. Die Kampagne ist Teil des über die Euregio-Rhein-Waal mit INTERREG-Mitteln geförderten Projektes Living-Lab Rhine (LILAR). Dieses ist zugleich Pilotprojekt der deutschen und niederländischen Partner der im Aufbau befindlichen europäischen Forschungsinfrastruktur DANUBIUS-RI. Das LILAR-Projekt strebt an, das gemeinsame Verständnis des Sedimentregimes im Rhein zu verbessern und somit ein nachhaltiges Sediment- und Flussmanagement zwischen Deutschland und den Niederlanden zu unterstützen. An dem Projekt sind neben der BAW auch die Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG), das Wasserstraßen- und Schifffahrtsamt Rhein (WSA) und von niederländischer Seite Rijkswaterstaat sowie Deltares beteiligt. Zudem unterstützen zwei Masterandinnen der TU Delft und der TU Darmstadt das Projekt.

Während der Messkampagne wurden mit insgesamt fünf Schiffen (Abb. 1) – „Rheinland“, „Mercator“ und „Fluctus“ auf Seiten des WSA und „Conrad“ und „Flevomeer“ von Rijkswaterstaat – verschiedene Untersuchungen zum Transport von Schweb- und Geschiebefracht sowie ergänzend auch zu Mikroplastik durchgeführt. Hierbei wurden sowohl Messungen an zwei Flussquerschnitten vorgenommen, als auch die Bewegung des Sediments an der Flusssohle über einen definierten Flussabschnitt untersucht.

Abb. 1: Die Messschiffe „Rheinland“, „Conrad“, „Mercator“ und „Flevomeer“ (von links) während der Messkampagne am Niederrhein.

Zur Bestimmung des Schwebstoffgehaltes im Flussquerschnitt wurden Wasserproben an mehreren Punkten und aus mehreren Tiefen mit unterschiedlichen Methoden entnommen (Abb. 2). Diese Proben wurden anschließend gesiebt und gefiltert, je nach Methode vor Ort oder im Labor, und der Sedimentrückstand zur genauen Bestimmung der Sedimentkonzentration getrocknet und gewogen. Ein ganz ähnlicher Ansatz wurde bei der Beprobung von Mikroplastik verfolgt (Abb. 3). Ergänzend zur Schwebstoffbeprobung wurde an den gleichen Punkten mittels Aktivsonar-Messgeräten (ADCP und ADV), d. h. über Schallwellen-Reflektion an Schwebstoffpartikeln, der Anteil von Schwebstoffen im Wasser indirekt gemessen.

Abb. 2: Messvorrichtungen für Schwebfrachtmessungen. a) Messrahmen zur zeitgleichen Schwebstoff-Probennahme in verschiedenen Tiefen. b) Messflügel mit Pumpvorrichtung zur sequenziellen Schwebstoff-Probennahme in verschiedenen Tiefen.
Abb. 3: Mikroplastik-Probennahme in insgesamt 3 Tiefen (zu sehen ist die Probennahme an der Wasseroberfläche).

Für die Bestimmung des Geschiebetransportes wurden Proben von der Sohlenoberfläche mittels zwei Arten von Geschiebefängern gesammelt (Abb. 4). In beiden Fällen wurde bei Geschiebetrieb bewegtes Sediment mit einem Fangkorb aufgefangen, welches dann später im Labor gesiebt wurde, um die unterschiedlichen Anteile der Sedimentfraktionen zu bestimmen. Während der Probenahme zeichneten Kameras die Sedimentbewegungen an der Sohle auf. Indirekte Messungen des Geschiebetriebs fanden wiederum mithilfe von Aktivsonar-Messgeräten statt. Zusätzlich wurde die Höhenlage der Sohle mehrfach mittels Fächerecholot-Peilungen bestimmt, um Dünenbewegungen zu erkennen, die eine andere Art des Geschiebetransportes darstellen.

Abb. 4: Geschiebefänger für die Beprobung des Geschiebetriebs auf der Sohle. a) Deutsche Variante der BfG. b) Niederländische Variante.

Die gemeinsame Messkampagne lieferte aufschlussreiche Erkenntnisse bezüglich der unterschiedlichen Messmethoden der deutschen und niederländischen Partner. Neben der noch ausstehenden Quantifizierung der Unterschiede in den Messergebnissen fördern diese Erkenntnisse das Verständnis für Daten aus vergangenen und zukünftigen Messungen und machen diese nicht zuletzt bei der internationalen Zusammenarbeit besser interpretierbar. Außerdem können sie als Grundlage für einen möglichen zukünftigen Abgleich der Messmethoden und -ergebnisse dienen.

Ein Video zur beschriebenen Kampagne ist auf dem Youtube-Kanal der BAW verfügbar [1], eine Bilderserie kann auf Flickr eingesehen werden [2].

—

An der Entstehung dieses Beitrages hat Martin Hämmerle mitgewirkt. Fotos: BAW.

Quellen:

[1] https://www.youtube.com/watch?v=KFTVXz4BU-w

[2] https://www.flickr.com/photos/bundesanstalt_fuer_wasserbau/albums/72177720296043685

Verfasst von Martin Struck

Wie viel Sediment ein Schiff wohl aufwirbelt?

Steffen Grünler
25. November 2015
Keine Kommentare

Wie viel Sediment wirbelt ein Schiff am Gewässergrund auf? Im Fachjargon: Abschätzung des schiffserzeugten Sedimenttransports. So treibt die Kollegen in dem Forschungsprojekt „Schiffserzeugter Sedimenttransport in Seeschifffahrtsstraßen“ auch die Frage um, ob es überhaupt möglich ist, das Signal der schiffserzeugten Schwebstoffkonzentration von der in einem Tidegewässer natürlich auftretenden hohen Schwebstoffkonzentration zu trennen. Um auch diese Frage messtechnisch zu beantworten, führte die BAW zusammen mit dem WSA Hamburg und der Firma AquaVision BV (NL) umfangreiche 16-tägige (23.10. – 08.11.2015) Messungen direkt vor der Haustür in der Elbe nahe Lühesand (vgl. Titelbild) durch.

Unter Einbeziehung der nautischen Abteilung des WSA-Hamburg bestand die besondere Herausforderung darin, ein Konzept zu entwickeln, zahlreiche Messgeräte direkt in der Fahrrinne der Elbe zu installieren, ohne den Schiffsverkehr beim Ausbringen und Einholen der Gerätschaften sowie während der Messungen zu gefährden. Schließlich war zu vermuten, dass einige Schiffe mit einer sehr geringen Kielfreiheit über die Messgeräte am Gewässergrund fahren werden. Von der Auswahl eines geeigneten Messgebietes bis zur Installation der Messgeräte verging eine etwa halbjährliche intensive Planungsphase. Hierbei waren zahlreiche Randbedingungen zu berücksichtigen. Der Messzeitraum musste lang genug sein, denn es sollten möglichst ausreichend „große Schiffe“ von mehr 350 m Länge den Messbereich passieren. Die Sohle sollte mit möglichst leicht erodierbaren Material bedeckt sein, gleichzeitig jedoch stabil genug sein, dass sie die ca. 800 kg schweren Ankersteine trägt und nicht im Schlick versinken lässt. Zudem sollte es im Messquerschnitt möglich sein, die Ankersteine in kurzer Zeit gefahrlos auszubringen und zu bergen, ohne die Schifffahrt zu beeinträchtigen. Dies gelang unter Verwendung von rund 900 m Ankerkette. Abgestimmt werden musste auch, dass der vorgesehene Messzeitraum möglichst unbeeinflusst von Maßnahmen wie Unterhaltungsbaggerungen ist, die zu einer Trübungsänderung führen könnten.
Dank detaillierter Planung seitens der BAW und einer sehr verlässlichen und guten Zusammenarbeit mit dem WSA Hamburg (speziell dem Außenbezirk Wedel) verflüchtigte sich jedoch das anfängliche Unwohlsein in der Magengegend der Verantwortlichen und die strombaupolizeiliche Genehmigung zur Durchführung der Messungen konnte erteilt werden.

Das Titelbild zeigt den Messbereich in der Elbe nahe Lühesand. Für die sohlnahen punktuellen Messungen wurden 6 Ankersteine (blaue Quadrate im Titelbild) in der Fahrrinne versenkt. Die Ankersteine sind jeweils mit Trübungssensoren, Drucksonden (Wasserspiegellage) und zeitlich hochauflösenden ADV-Strömungsmessgeräten (32 Hz) bestückt. Die nachstehenden Bilder geben einen Eindruck des Messgeräteaufbaus. Um die räumliche und zeitliche Schwebstoffverteilung in der Wassersäule zu erfassen, wurden darüber hinaus an drei Tagen schiffsgestützte ADCP-Messungen durch die Firma AquaVision BV durchgeführt.

 

Ausbringen und bergen der massiven Ankersteine. Verbunden sind die einzelnen Steine mit einer insgesamt 900m langen Kette.

Ausbringen und bergen der massiven Ankersteine. Verbunden sind die einzelnen Steine mit einer insgesamt 900 m langen Kette.

Beim Arbeiten in der Natur missglückt erfahrungsgemäß die eine oder andere Messung. Nur zwei der insgesamt 12 Messgeräte stellten etwas vorzeitig ihren Dienst ein. In Anbetracht der komplexen Messungen ist das ein guter Wert.

Nun beginnt die eigentliche Arbeit der Wissenschaftler. Nach der Faustregel eines erfahrenen Kollegen heißen 16 Tage im Gelände messen, im Anschluss ca. 160 Tage im Büro zu verbringen. Dies bedeutet dann, gewissenhaft die Messdaten analysieren und bewerten. Allerdings wird am Ende häufig ein Pulk neuer Fragen aufgeworfen.

 

Verfasst von Steffen Grünler

Als wissenschaftlicher Angestellter prüfe, analysiere und interpretiere ich mittels komplexen Messtechnologien aufgenommene Daten. Der Fokus der Naturuntersuchungen liegt hierbei auf Strömungs- und Transportprozessen in Tideästuaren.

Die BAW ist „Emsig“ am Messen – Erste Eindrücke vom Messprogramm Ems 2015

Morten Klöpper
2. Juli 2015
Keine Kommentare
Potvis vor dem Emssperrwerk

Nach monatelangen Planungen startete am Sonntag den 28.06.2015 das groß angelegte Messprogramm der BAW auf der Ems. Bei der einwöchigen Kampagne werden abiotische Parameter wie z.B. Strömungsgeschwindigkeit und -verteilung (ADCP), Salz- (CTD) und Schwebstoffgehalt (ADCP und Wasserproben) gemessen. Mit der Kampagne werden zweierlei Ziele verfolgt. Übergeordnetes Ziel ist eine zusätzliche Validierungsgrundlage für den Aufbau des neuen hydrodynamisch numerischen Emsmodells zu schaffen. Das numerische Modell stellt ein zentrales Werkzeug für die Beratung der WSV und für die Ressortforschung der BAW dar. Des Weiteren werden die erhobenen Daten dabei helfen, das grundlegende Zusammenwirken der komplexen abiotischen Prozesse im System Ems besser zu verstehen. Dieses Verständnis ist immanent um schlussendlich geeignete Maßnahmen zur Verbesserung des Systemzustandes der Ems entwickeln zu können. Eine zentrale Fragestellung ist hierbei, wie weit das Salz in Abhängigkeit vom Oberwasserabfluss in die Ems vordringt. Wie verhält sich beispielsweise der vertikale Salzgradient in Gebieten mit ausgeprägter fluid-mud Dynamik? Ein weiteres Augenmerk liegt auf dem sich verändernden hydraulisch wirksamen Querschnitt im Verlauf der Tide in den Bereichen mit fluid-mud.

 

Ausgeprägte fluid-mud Schicht (Pfeile) im SES am Querprofil Weener

Ausgeprägte fluid-mud Schicht (Pfeile) im SES am Querprofil Weener

Die BAW führt die Messkampagne in Kooperation mit dem langjährigen niederländischen Partner Aqua Vision BV durch. Drei Messboote sind dabei zeitgleich im Einsatz. Im Zweischichtsystem werden acht Ganztidenmessungen über einen Zeitraum von jeweils 13 Stunden auf Querprofilen durchgeführt. Das Querprofil bei Gandersum dient dabei als Referenzprofil. Zeitgleich zu den Messungen an den Querprofilen Pogum, Jemgum, Weener und Rhede werden jeweils Referenzmessungen bei Gandersum durchgeführt. Durch die zeitgleiche Messung lassen sich residuelle Transporte nicht nur über einen Querschnitt, sondern auch über Flussabschnitte bilanzieren. Um das Eindringen der Salzfront in das Ästuar zu erfassen, werden an anderen Tagen mit zwei Schiffen rotierende Längsprofile gefahren. Damit kann die Änderung des vertikalen Salzgradienten über den Tideverlauf nachvollzogen werden. Die Konzeption der Messung ist damit genau auf die Anforderungen der BAW ausgelegt. Allerding ist damit auch ein hoher logistischer und personeller Aufwand verbunden. Der Einsatz von Material und Personal muss daher vorab minutiös durchgeplant werden.

ADCP-, CTD- und SES-Daten

Die ADCP-, CTD- und SES-Daten laufen beim Operator zusammen.

Als sich am Vorabend des ersten Messtages die Besatzungen der drei Messboote kurz vor Mitternacht im Hauptquartier im Deichof bei Leer (Ostrfriesland) versammelt, wird schnell klar, dass die beste und akribischste Planung durch das Unplanmäßige vor Ort beschränkt ist. Nach zwei Tagen des Aufbaus und der Probemessungen funktionierte nicht alles, was im heimischen Labor noch reibungslos klappte. Gegen kurz nach drei Uhr am Sonntagmorgen startete der erste Trupp, um die Messkampagne zu eröffnen. Widrigkeiten wie nicht anspringende Autos, Straßensperrungen und die Verwechslung zwischen Fahrt-über-Grund und Fahrt-im-Wasser torpedieren den Zeitplan schon bevor der Messquerschnitt erreicht wird. Die besonderen Verhältnisse im Ästuar Ems, mit extrem hohen Schwebstoffkonzentrationen fordern die Messtechnik bis in den Grenzbereich.

extreme Schwebstoffkonzentration

Die extreme Schwebstoffkonzentration lässt sich schon optisch erkennen.

Am Ende zahlen sich das Knowhow und die Erfahrung der Kollegen jedoch aus. Im Verlauf der ersten Stunden der Kampagne laufen dann alle Systeme einwandfrei. Dank hoher Flexibilität, großem persönlichen Einsatz und guter Planung läuft die Messkampagne mittlerweile planmäßig. Gemessen wird noch bis zum Samstag den 04.07.2015.

Messgeräte an Bord

CTD, Trübungssensor und direkt befestigter Entnahmeschlauch (links), rechts die Steuerungseinheit mit Pumpe zur automatisierten Wasserprobenentnahme

 

Verfasst von Morten Klöpper

Als wissenschaftlicher Angestellter im Bereich Wasserbau im Küstenbereich untersuche ich die deutschen Ästuare und Küstengewässer und nutze dabei überwiegend hydrodynamisch numerische Modelle.