Erfassung der Schwebstoffdynamik in Ästuaren * Gliederung

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1 Erfassung der Schwebstoffdynamik in Ästuaren * Gliederung Suspension, transport and deposition of sediments in bays and estuaries are proccesses of critical importance to understanding the overall condidtions of these complexe and often highly variable marine systems (Leo van Rijn) Messtechnische Grundlagen klassische Methoden akustische Messungen BAW Mess-System Elbe 26 / 27 Schiffsgestützte Längsprofile zur Lage der Trübungszone Schiffsgestützte Querprofile, u.a. zur Erfassung von Transportbilanzen und Schwebstoffdynamik Bemerkungen zur Sensitivität des Verfahrens und zu den messtechnischen Herausforderungen Zusammenfassung / Ausblick * erschienen in Die Küste, Heft 72 Dipl. Ing. Christian Maushake 28-1 K2 Folie-Nr. 1

2 Schwebstoffmessung: klassische Methoden direkte / indirekte Messungen Mechanische Verfahren Indirekte (Punktmess-) Verfahren Optischer Backscatter Optische Transmission hier: Messkopf LISST1 Pumpe Schöpfer nach Rüttner Horizontalschöpfer (HydroBios / Niskin) Labor Schlechte räumliche und / oder zeitliche Auflösung, daher: nicht optimal geeignet für Modellplausibilisierung (- kalibrierung) vertieftes Systemverständnis Aufwändig und fehleranfällig, aber: Immer unverzichtbar Dipl. Ing. Christian Maushake 28-1 K2 Folie-Nr. 2

3 ADCP-Schwebstoffmessung: messtechnische Aufgabenstellung 2 Schritte vom Messignal zur Schwebstoffkonzentration transmit energy pulslength Transducer efficiency receive strenght temperature Medwin, Clay (1998) Deines (1999) [Sonarequatation] counts db 1 Spreading distance frequency absorbtion due to water temperature salinity sediment ph - value viscosity grain sizes... UNESCO (1981) Francois, Garrison (1982) Urick (1983) 2 calibration with in-situ samples mg/l Implementiert in Software VISEA / PlumeDetectionToolbox (PDT) Dipl. Ing. Christian Maushake 28-1 K2 Folie-Nr. 3

4 ADCP-Schwebstoffmessung messtechnische Aufgabenstellung : absoluter Backscatter SSC A * abs. Backscatter [db] + B 1 = SSC [mg/l] db 2 Problem: A and B sind nicht konstant mg/l Koeffizienten A und B aus der Regression von Einzelproben abs. backscatter R 2 = log SSC aus Proben Kalibrierung akustischer Backscatterdaten = viele Proben (8-15 / Tide) Dipl. Ing. Christian Maushake 28-1 K2 Folie-Nr. 4

5 Geräte-Konfiguration BAW Frame Pumprohr LISST1 Körnungslinie micron in 32 Klassen Volumenkonzentration (%) optische Transmission CTD & OBS Salinität Temperatur Tiefe Optischer Backscatter Ein (bis drei) Acoustic Doppler Current Profiler 3D- Strömung Backscatter Echolot Bodenprofil ViSea / PDT Pumpe in-situ Suspensionsproben Data Aquisition Data synchronsisation Processing Positionierung Ship motion Dipl. Ing. Christian Maushake 28-1 K2 Folie-Nr. 5

6 Schwebstoffmessprogramm ELBE * Längsprofile Cuxhaven marin geprägt Schwebstoffmessprogramm: ADCP Längsprofile zwischen Hamburg und Cuxhaven) ADCP Querprofile (3 Lokationen) ADCP Verankerungen Glückstadt / Rhinplatte Trübungszone estuary turbidity maximum, ETM Hamburg fluvial ~11 km * das Messprogramm ist derzeit ausgesetzt (Unfall Nov. 27) und wird voraussichtlich im Frühsommer 29 wieder aufgenommen Dipl. Ing. Christian Maushake 28-1 K2 Folie-Nr. 6

7 ADCP Längsprofil Cuxhaven Hamburg am 27. Sept. 26 Cuxhaven Hamburg Otterndorf Brunsbüttel Brokdorf Stade Lühe Rhinplatte Blankenese depth Ebbe 2 Flut Cuxhaven Hamburg Cuxhaven Elbe km Hamburg mg/l Dipl. Ing. Christian Maushake 28-1 K2 Folie-Nr. 7

8 ADCP Längsprofil Cuxhaven Hamburg am 28. Sept. 26 Cuxhaven Hamburg Lühe /Wedel Brunsbüttel Rhinplatte Oste depth Flut Ebbe Cuxhaven Elbe km Hamburg mg/l Dipl. Ing. Christian Maushake 28-1 K2 Folie-Nr. 8

9 ADCP Längsprofil Cuxhaven Hamburg am 2. Nov. 26 Sturmtief BRITTA depth Flut Cuxhaven Elbe km Hamburg Cuxhaven Hamburg mg/l Dipl. Ing. Christian Maushake 28-1 K2 Folie-Nr. 9

10 ADCP Längsprofil Cuxhaven Hamburg am 3. Nov. 26 Sturmtief BRITTA depth Ebbe Flut Cuxhaven Elbe km Hamburg Cuxhaven Hamburg mg/l Dipl. Ing. Christian Maushake 28-1 K2 Folie-Nr. 1

11 ADCP Längsprofile 4 Fahrten Cuxhaven Hamburg depth depth depth depth Cuxhaven Elbe km Hamburg mg/l Dipl. Ing. Christian Maushake 28-1 K2 Folie-Nr. 11

12 Längsprofile Messung / Modell Kein identischer Zeitraum, aber: in etwa vergleichbare hydrologische Randbedingungen Cuxhaven Measurement 29. Sept. 26 Hamburg Modelrun 11. May Dipl. Ing. Christian Maushake 28-1 K2 Folie-Nr. 12

13 Schwebstoffmessprogramm ELBE Querprofile Schwebstoffmessprogramm: ADCP Längsprofile (between Hamburg und Cuxhaven) ADCP Querprofile (3 Lokationen) ADCP Verankerungen Cuxhaven marine Glückstadt / Rhinplatte estuary turbidity maximum, ETM Date 17.. Oktober 26 1st / last transect 6:3 / 2:4 location ca. km 677 (Glückstadt) # transects 45 # stationery calibrations 35 # water samples 92 Hamburg fluvial Dipl. Ing. Christian Maushake 28-1 K2 Folie-Nr. 13

14 ADCP Querprofile 45 Profile über eine Tide Contourplot of suspended solid concentration -2 kg/m 3 = -2 mg/l 1 Rhinplatte Bottomprofil (model topographie) Kg/m 3 2 Glückstadt Rhinplatte waterlevel [m/nn] Waterlevel current SSC (average) m Study area ETM Elbe waterlevel velocity SSC [mg/l] View Time of transect SSC 6: 8: 1: 12: 14: 16: 18: 2: time 1 Dipl. Ing. Christian Maushake 28-1 K2 Folie-Nr. 14

15 ADCP Querprofile 46 Profile über eine Tide Rhinplatte Rhinplatte Rhinplatte Rhinplatte W aterlevel current SSC (average) Kg/m Dipl. Ing. Christian Maushake 28-1 K2 Folie-Nr. 15

16 messtechnische Herausforderungen Verlauf der Kalibrierfaktoren Elbe-Messungen 26 Herausforderung: Besseres Veständnis der Faktoren, die die Kalibrierung des Systems beeinflussen. Die Kalibrierung ist der bei weitem aufwändigste Teil des Verfahrens verankerte ADCP-Messungen konnten bisher nicht erfolgreich kalibriert werden Dipl. Ing. Christian Maushake 28-1 K2 Folie-Nr. 16

17 messtechnische Herausforderungen / Qualitätssicherung Vergleich von Pumpproben Vergleich von Pumpproben: quasi identischer Entnahmeort unterschiedliche Labore - 5 mg/l ± 35.7 mg/l 5-1 mg/l ± mg/l > 1 mg/l ± mg/l 1-2 % Dipl. Ing. Christian Maushake 28-1 K2 Folie-Nr. 17

18 messtechnische Herausforderungen / Qualitätssicherung gepumpte Probe / geschöpfte Probe - ein Vergleich an 22 Proben - Elbe 27 Vergleich Schöpf-/ Pumpproben (~ +/- 1 %) 8 Schöpfer Pumpe 7 6 Konzentratiom [mg/l] Pumpe Schöpfer 1 HH 6 HH 7 HH 9 HH 1 HH 15 HH 16 HH 23 HH 24 HH 32 HH 34 HH 4 HH 42 BB 5 BB 6 BB 11 BB 12 BB 14 BB 15 RP 9 RP 1 RP 14 RP 15 Probennummern [n] HH = Hamburger Hafen (EADS) / BB = Brammer Bank / RP = Rhinplatte Dipl. Ing. Christian Maushake 28-1 K2 Folie-Nr. 18

19 Zusammenfassung / Ausblick Die vorgestellte Methode ermöglicht die zeitlich und räumlich hoch aufgelöste Erfassung von Schwebstoffprofilen und ist (BAW-) intern standarisiert. Die Kalibrierung des Mess-Systems ist der sensitivste Punkt. Nur wenn die Kalibrierung zeit- und ortsnah zur Messung durchgeführt wird, sind die Ergebnisse stabil Die Qualität der Ergebnisse hängt maßgeblich an der direkten Probennahme durch Pump- oder Schöpfproben Unsicherheitsfaktor Alle Komponenten des Mess-Systems sind kommerziell verfügbar Die Ergebnisse eignen sich sehr gut für Systemstudien und für die Plausibilisierung, ggf. Kalibrierung von Modellrechnungen 29: Wiederaufnahme Schwebstoffmessprogramm ELBE (etwas veränderte Schwerpunktsetzung) Ausdehnung auf die WESER Fortsetzung der Kooperation mit AquaVision und weiteren Optimierung der Methode insbesondere verankerte Messungen und Verbesserung der Kalibrierung Erweiterung der Untersuchungen auf die kleinskaligen und sohlnahen Prozesse (Interaktion Sohle / Wasserkörper / Turbulenzmuster / sohlnahe Schwebstoffdynamik) Kooperation mit marum Uni Bremen, 1. Messkampagne abgeschlossen, weitere folgen Dipl. Ing. Christian Maushake 28-1 K2 Folie-Nr. 19