Rhein

Sedimentäre Grenzerfahrungen – niederländische und deutsche Messschiffe im Einsatz für Methodenvergleiche

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

Auf den Grund gegangen: Zwei Einsätze des Taucherglockenschiffes „Carl Straat“ für die BAW

Das WSV-Taucherglockenschiff (TGS) „Carl Straat“ konnte in der zweiten Jahreshälfte 2020 wieder erfolgreich für BAW-Projekte eingesetzt werden: Im September wurden Vorversuche für eine innovative Methode des Geschiebe-Tracings am Oberrhein durchgeführt, und im November und Dezember erfolgte eine Kampagne zur Sohlprobennahme am Niederrhein. Im Folgenden wird ein kurzer Einblick in die Kampagnen gegeben.

Bei den Vorversuchen am Oberrhein wurden in Kooperation mit der Universität für Bodenkultur – Wien Radiotelemetrie-Tracer in der Rheinsohle platziert, die Funksignale aussenden und deren Lage somit geortet werden kann [1, 2]. Die Tracer wurden in zwei Ausführungen getestet: 1) Sender ohne weitere Einhüllung, 2) Einbettung der Sender in einen „künstlichen Stein“, der insgesamt die Dichte und Größe von typischem Grobkies aufweist. Untersucht wurden nach der Tracer-Platzierung (Abb. 1) die maximale Ortungsdistanz sowie der Verlauf der Signalstärke abhängig von der Bauart (nicht umhüllt oder als künstliche Steine), Tiefe im Sediment, und Wassertiefe (Abb. 2).

Abb. 1: Einbringen von Tracern in die Rheinsohle.
Abb. 2: Ortung der Tracer vom Boot aus.

Die Vorversuche lieferten wertvolle Informationen bezüglich der Optimierung dieser innovativen Tracing-Methode für die Gegebenheiten am Oberrhein. Auf diese Weise erfasste Daten unterstützen beispielsweise bei der Bearbeitung von Fragestellungen der Morphodynamik (hier im Bereich der Geschiebezugabe Iffezheim und unterstrom), unter anderem zum Verständnis von Prozessen der Deckschichtbildung oder Sohlaufhöhung. Die Radiotelemetrie-Tracer vereinen dabei eine Reihe von Vorteilen in sich, wie z. B. eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung der Messdaten, die Möglichkeit zur individuellen Nachverfolgung von Tracer-Steinen, eine hohe Wiederauffindbarkeit bei langer Lebensdauer und Laufzeit, sowie einen verhältnismäßig geringen personellen und technischen Aufwand.
Ein Video zur beschriebenen Kampagne am Oberrhein ist im Infozentrum Wasserbau bereitgestellt [3], eine Bilderserie kann auf Flickr eingesehen werden [4].

Im November und Dezember wurde über einen Zeitraum von vier Wochen die Rheinsohle von Zons bis Duisburg beprobt. Hintergrund ist der Bedarf an Datenreihen, die einerseits u. a. die WSV bei der Erfolgskontrolle der Geschiebezugabe Niederrhein unterstützen, und andererseits der BAW zur Validierung und Kalibrierung von Feststofftransportmodellen dienen. Im Bereich von Rh-km 720,0 bis 777,0 wurden je Kilometer an 3 – 5 Punkten entlang des Querprofils Schürfproben von der Deck- und Unterschicht genommen sowie eine Geschiebeansprache und eventuelle Besonderheiten fotografisch und schriftlich dokumentiert (Abb. 3). Auf den 57 km Strecke wurden insgesamt 248 Punkte angesteuert und beprobt (Abb. 4), wobei der relativ niedrige Wasserstand gerade im Bereich von Gleithängen und Buhnenfeldern bei manchen geplanten Probenpunkte die Anfahrt verhinderte. In der nächsten Stufe der Datenerhebung werden an der BAW die Sieblinien der Schürfproben ermittelt (Abb. 5).

Abb. 3: „’O Sohle mio“ bei Rh-km 724,2 (wg. Ankerverbots erfolgte die Probennahme an dieser Stelle nicht auf dem vollen Rh-km). (a) 233 m Abstand zum linken Hektometerstein, Gleithang am Ende einer Linkskrümmung; (b) 283 m Abstand zum linken Hektometerstein, etwa Fahrrinnenmitte; (c) 383 m Abstand zum linken Hektometerstein, Kolkverbau.

Auch wenn einzelne Abläufe solcher Kampagnen sich oft wiederholen und damit bald zur unspektakulären Routine werden, bleibt die Möglichkeit, in einer Taucherglocke auf der Rheinsohle zu stehen, etwas Besonderes: Der Weg zur Arbeit (Abb. 6), die Geräuschkulisse aus Druckluftzischen, Wasserrauschen, Motorbrummen, der Schleusungsvorgang, der sich anfühlt wie ein sehr schneller Sink- oder Steigflug mit sehr großem Höhenunterschied, die Spannung darauf, welche Objekte und Formen man nach dem Absetzen vorfindet und welche Prozesse an der Sohle erkennbar sind, das Rieseln des Geschiebetriebs, der von außen an die Glocke prasselt, das Knirschen und Knacken beim Aufsetzen der Glocke auf Kolkverbausteinen, das Drehen des TGS und der abgesetzten Glocke bei Begegnungsverkehr, und vieles mehr führen insgesamt zu einer außergewöhnlichen Erfahrung.

Abb. 4: Positionen der Schürfproben in den Düsseldörfer und Krefelder Bögen.
Rhein geschaufelt: Zahlreiche Schürfproben sind im Eimer.
Abb. 5: Zwischenergebnis der Schürfprobennahme.

Unser bester Dank für die tatkräftige Unterstützung bei Vorbereitung, Durchführung und Nachbereitung der Kampagnen geht an die Besatzung des TGS „Carl Straat“, die zudem eingebundenen WSV-Schiffe, die beteiligten Außenbezirke, und auch an viele Helfende der BAW!

Auch im Jahre 2021 soll es wieder BAW-Kampagnen in der Taucherglocke geben – dann allerdings auf Archimedes, dem Nachfolgeschiff des TGS „Carl Straat“.

Abb. 6: Abstieg durch die Röhre in die Glocke.

An der Entstehung dieses Beitrages haben Martin Struck und Regina Patzwahl mitgewirkt.

Quellen:
[1] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/esp.3338
[2] https://link.springer.com/article/10.1007/s00506-012-0035-5
[3] https://izw-campus.baw.de/goto.php?target=cat_2012&client_id=iliasclient
(siehe auch https://youtu.be/qXR5nlG5itU)
[4] https://www.flickr.com/photos/bundesanstalt_fuer_wasserbau/albums/72157716277074536
(eine erweiterte Bildauswahl bietet eine Suche nach „Straat“ auf https://izw-medienarchiv.baw.de/search)