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BfG-Veranstaltungen 2/2008 - Bundesanstalt für Gewässerkunde

1. Abb 6 Mittlere Flie geschwindigkeitsverteilung im Messquerschnitt links mit der Totalstation ermittelte Messpfade rechts 3 3 Absch tzung morphologischer Prozesse Zus tzlich zu den bereits beschriebenen Geschwindigkeitsinformationen dokumentiert der ADCP auch die Intensit t der R ckstreusignale Mit Hilfe dieser Daten k nnen R ckschl sse auf die w hrend der Messung vorhandenen Schwebstoffkonzentrationen gemacht werden Allerdings sind die Zusammenh nge sehr komplex und von einer Vielzahl von Parametern abh ngig AARDOOM 2005 DEINES 1999 GARTNER 2002 Neben geometrischen Ausbrei tungs und D mpfungsph nomenen und ger tespezifischen Kennzahlen des ADCP haben auch die Eigenschaften des Wassers Salzgehalt Dichte Viskosit t die Kornverteilung der Schwebstoffe sowie die Menge der in Schwebe befindlichen Partikel Einfluss auf die Be schaffenheit der reflektierten Signale Nach Ber cksichtigung aller bekannten messbaren oder absch tzbaren Faktoren bleiben die beidem letztgenannten Gr en als Unbekannte b rig Aufgrund der meist fehlenden Informationen ber die Korngr enverteilung der Schweb stoffe i
2. Verfah ren Ausgabe M rz 2000 Berlin Beuth Verlag ISO 3455 Hydrometry Calibration of current meters in straight open tanks Ausgabe 2007 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Pegelvorschrift Anlage D Richtlinie f r das Messen und Ermitteln von Abfl ssen und Durchfl ssen Hrsg L nderarbeitsgemeinschaft Wasser LAWA und der Bundesmi nister f r Verkehr BMV Verlag Paul Parey Hamburg und Berlin 1992 RANTZ S E et al Measurement and computation of streamflow Volume 1 Measurement of stage and discharge Geological Survey Supply Paper 2175 Washington US Gov ernment Printing Office 1982 1981 1986 Studium TU Dresden Sektion Wasserwesen Abschluss Diplomingenieur bis 1998 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Au enstelle Berlin e Pr fung und Beurteilung von Durchfluss messmethoden und geraten e Durchf hrung von Fortbildungsseminaren e Hydrologische Gutachten 1998 2001 Kontakt Quantum Hydrometrie GmbH Dipl Ing Stefan Siedschlag e Applikation von Ultraschall Laufzeit OTT Messtechnik GmbH amp Co KG Systemen Au enstelle Berlin e Durchf hrung von Kundenschulungen Albrecht D rer Str 28 12623 Berlin seit 2002 Tel 030 83 22 63 71 OTT MESSTECHNIK GmbH amp Co KG Fax 030 84 72 63 56 e Business Development Manager f r den s siedschlag ott com Gesch ftsbereich Durchflussmesstechnik e Applikationen mobile und station re Durchflussmesstechnik e Kundenberatung
3. Prof Dipl Ing Peter Franke Quantum Hydrometrie GmbH Zossener Str 55 10961 Berlin Tel 030 69 81 10 10 Fax 030 69 81 10 99 franke quantum hydrometrie de Kontakt Dipl Ing Wolfgang Frey Quantum Hydrometrie GmbH Zossener Str 55 10961 Berlin Tel 030 69 81 10 19 Fax 030 69 81 10 99 frey quantum hydrometrie de Jahrgang 1937 1957 1965 Studium des Bauingenieurwesens an der Technischen Universit t Berlin 1965 1971 Wissenschaftlicher Assistent Oberingenieur Institut f r Wasserbau und Wasserwirtschaft IWAWI TUB 1971 2002 Professor f r Konstruktiven Wasserbau IWAWI TUB 1991 2001 Gesch ftsf hrender Gesellschafter der Hydro Consult GmbH Berlin seit 1994 Gesellschafter der Quantum Hydrometrie GmbH Mitglied ICOLD DTK DVGW DWA Jahrgang 1955 1974 1982 Studium des Bauingenieurwesens an der Technischen Universitat Berlin 1982 1991 Wissenschaftlicher Mitarbeiter Assistent Institut f r Wasserbau und Wasserwirtschaft IWAWI TUB 1991 2001 Gesch ftsf hrender Gesellschafter der Hydro Consult GmbH Berlin seit 1994 Gesch ftsf hrender Gesellschafter der Quantum Hydrometrie GmbH Mitglied ICOLD DTK DWA Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Durchflussbestimmung bei gr eren Geometrien mit Ultraschall Kreuzkorrelationsverfahren Michael Teufel 1 Einleitung Der akustische Dopplereffekt wird seit vielen Jahren zur Geschwi
4. seroberfl che bewirkt einen Phasensprung von 180 Schwierigkeiten treten dann auf wenn das reflektierte Signal mit dem direkten Signal interferiert da durch die Superposition der Signale die ersten Schwingungen des Empfangssignals ausgel scht werden k nnen Dies ist insbesondere dann von Bedeutung wenn die Empfangselektronik die Signale analog verar beitet und mithilfe eines Schwellwertes die Laufzeit ermittelt Modernere Systeme arbeiten dagegen mit codierten Signalen und mit Hilfe von Korrelationsfunktionen bei denen das empfangene Signal mit einem im Speicher abgelegten Signal bildhaft verglichen wird Even tuell auftretende Superpositionen oder nderungen in der Frequenz k nnen damit erkannt und korrigiert werden Seite 9 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 10 4 2 Reflexionen an der Gew ssersohle bei der Doppler Methode Die Gew ssersohle reflektiert und streut vorwiegend Schallenergie Dabei sind die Reflexio nen um ein Vielfaches gr er als die durch die Schwebstoffpartikel r ckgestreute Schallener gie Die Empfangselektronik von Dopplersystemen ist daher vor dem Empfang dieser starken Signale zu sch tzen da sonst die Elektronik bersteuert Dies kann nur dadurch erreicht wer den indem ein gewisser Mindestabstand vom Sensor zur Gew ssersohle eingehalten wird Er wird haupts chlich durch den ffnungswinkel des Senders und der zur Verf gung stehenden Wassertiefe bestimmt Zus tzli
5. 133 12 S 1329 1336 2007 RENNIE C D RAINVILLE F UND KASHYAP S Improved Estimation of ADCP Apparent Bed Load Velocity Using a Real Time Kalman Filter Journal of Hydraulic Engineer ing 133 12 S 1337 1344 2007 WinRiver WinRiver I User s Guide International Version RD Instruments 2003 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 117 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 1995 2002 Studium des Bauingenieurwesens an der Universit t Innsbruck sterreich seit 2002 Wissenschaftliche Angestellte am Lehrstuhl f r Wasserbau und Wasserwirtschaft der Technischen Universit t M nchen Projektbearbeitung 2006 2007 operatives Entwicklungsvorhaben Ermittlung des Abflusses an Pegeln mit bewegter Sohle 2005 2006 Erfassung von Geschwindigkeitspro Kontakt Dipl Ing Katharina Fiedler filen und variablen Sohlenlagen mit Lehrstuhl f r Wasserbau und dem ADCP Wasserwirtschaft 2005 Absch tzung tausendj hrlicher Technische Universit t M nchen Abfl sse am bayerischen Inn Arcisstrabe 21 2004 Eindimensionale Simulation von 80333 M nchen Hochwasserereignissen Tel 089 289 23167 Fax 089 289 23172 k fiedler bv tum de Seite 118 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Software TIDE Analyse von ADCP Messungen in Tidefliissen Matthias Adler und Uwe Nicodemus 1 Einleitung Die Kenntnis der Str mungs und D
6. 3 Die Anteile unterschiedlicher Str mungsbereiche wie die Schlitze der Wanderkorridor also in etwa die Linie zwischen den Schlitzen und str mungsberuhigte Ruhezonen k nnen mittles der r umlich verteilten Messungen quantifiziert werden Die Verteilung der Str mungsvektoren innerhalb der jeweiligen Str mungsrosen veranschau lichen Turbulenzen an den Messstellen welche die Orientierung f r wandernde Individuen oft erheblich erschwert Der Abstand zwischen den Kreisen entspricht vom Mittelpunkt aus zuneh menden 25 cm s Jeder rote Teilstrich entspricht dem gemittelten Geschwindig keitsvektor einer Sekunde Abb 3 Oberfl chennahe Str mungen eines Schlitzpasses im Spreewald Die ungleichm ig verteilten Str mungen werden auch anhand kumulierter H ufigkeiten der Str mungsgeschwindiskeiten deutlich Die Abbildungen 4 und 5 enthalten hier die H ufig keiten innerhalb von einmin tigen Messintervallen an einer mittigen und einer oberhalb eines Schlitzes gelegenen Messstelle W hrend im zentralen Bereich aufgrund von Turbulenzen und berlagerungen verschiedener Str mungen unterschiedliche Flie geschwindigkeiten auf treten sind diese am Austritt des Beckens also oberhalb des Schlitzes zum n chsten un terstrom liegenden Becken wesentlich gleichm iger und ausgeglichener Y au Pte tT TT Tt yt kmh _ cm s 175 150 125 100 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 1 50 100 150 200 250 300
7. Im Vergleich der Daten zur Erfassung der Schwebstoffdynamik in den Tr bungszonen des Weser und Ems stuars fallen zun chst die unterschiedlich hohen Schwebstoffkonzentratio nen auf Dabei bersteigen die SSC Werte aus der Wassers ule der Ems m Mittel jene aus der Weser selbst in N he der Wasseroberfl che oft bis zu einem Faktor 10 mit SSC bis zu 10g l Beiden Gebieten gemein ist die zeitweilige Pr senz unterschiedlich gro er Schweb stoffwolken bzw lokaler SSC An und Abreicherungen m L ngsschnitt der Tr bungszonen In der Ems gelangen hoch konzentrierte Schwebstoffwolken aufgrund turbulenter Durchmi schung domartig teils bis zur Wasseroberfl che und zeichnen sich dort als dunkle Wirbel ab wie in Abb 2a zu sehen ist Dieser vertikal gerichtete Sedimenttransport ist auch in den Da ten der SES und ADCP Messungen zu erkennen Str mungsinduzierte Schubkr fte bewirken ein Aufschwingen der Schlickoberfl che Abb 2b d Seite 79 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 80 b Str mungsgeschwindigkeit m s 0 3 0 6 0 9 1 2 e KX io 63 75 88 100 c mittlere R ckstreuintensit t dB Schwebstoffwolke 0o 0 b NO o bN Wassertiefe m Zeit sec iai 0 WTA FUN D E PA O D END TE EE OES a DOA LA CP NEON A LI aE ed OW DAAN GE VAD ERAD M7 WE UR ZU ET OT DEON DOON O RI OE IW TERR EDAN OFE RR CI TAA FO el TA ee NS A O ES Ae O a a A o A ET E E E EEE TEA E ETUE EES EEA EATE E T EEE E AE T
8. Suspension und ein Geber in gekippter Position linear bewegt zur Erfassung von morphologischen Ver nderungen an der Sedimentoberfl che Jeder der vier akustischen Geber arbeitet mit einer Grundfrequenz von 80 Hz Bei der hier benutzten reduzierten Messzellengr e von 2 5 mm wird pro Profil eine maximale Reichwei te von 32 cm erzielt Der gekippte als Seitensichtsonar arbeitende Sensor erlaubt bei der willk rlich definierten Montageh he von 10 cm die Abtastung einer Messfl che von 30 x 40 cm Die Serie einzelner Fl chenbilder zeigt die zeitliche Variabilit t der Sohlformdynamik Neben der Topografie liefert das ABS R ckstreuwerte deren Intensit t als ein Ma f r die Suspensionsdynamik genutzt wurde 3 Ergebnisse F r die Experimente im Kanal und im Feld konnten mit der f r beide Messreihen gleichen Systemkonfiguration die jeweiligen Grenzwerte f r die Remobilisierung verschiedener Sedi menttypen f r einen Korngr enbereich von 63 um und 180 um ermittelt werden Die kriti schen hydraulischen Bedingungen wurden mit Hilfe der turbulenten kinetischen Energie der Sohlschubspannung und dem Reynold Stress definiert Dabei zeigte sich in den nat rlichen Sedimenten im Watt in allen F llen eine deutlich h here Oberfl chenresistenz im Vergleich zu den in den Kanal eingebrachten sterilen Sedimenten ohne organischen Anteil aus den jeweiligen Wattgebieten Die kritischen Erosionsgeschwindigkeiten lagen im Feld 50 ber denen i
9. We outline a method of instrument calibration and present initial data to demonstrate the instrument performance Acoustic Measurement of Suspended Sediment YOUNG et al 1982 and HAY 1983 first described monitoring instruments that measured acoustic backscatter from suspended sediment and LIBICKI et al 1989 developed a detailed theoretical approach for the interpretation of acoustic backscatter data from a single fre quency device The technique involves transmitting a pulse of high frequency directional acoustic energy typically in the range 0 5 5 MHz into the suspension and analyzing the re ceived signal to obtain a time series of scattered signal strength Knowledge of speed of sound in the water allows the data to be converted into a profile of signal intensity versus range from the transmitting element Scattered signal strength is related to the amount of ma terial in suspension and there has been considerable research effort to describe this relation ship and thus to derive suspended load from backscatter strength Seite 47 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 48 In a series of theoretical studies of backscatter characteristics from suspended glass spheres THORNE et al 1993 developed a general form function for a suspension of regular shaped scatterers which was tested against laboratory experiments The form function describes the backscattering characteristics of the scatterers as a
10. also requires both stable electronics and a suitable calibration facility such as we have de scribed Continuing work with the instrument includes deployments in a number of environments to validate its performance in fluvial benthic and dredging applications with a range of sus pended sediment types Author s Note Much of the material presented in this paper was first presented at the Hydraulics Measure ments and Experimental Methods conference in Lake Placid USA in September 2007 References Aquatec Group Limited 2006 AQUAscat 1000 Acoustic Backscatter System Data Sheet URL http www aquatecgroup com download datasheet aquascat AQUAscat1000 pdf CAINE S J AND SMERDON A M 2007 The factors that affect the performance of multiple frequency acoustic backscatter instruments the evaluation of a commercial ABS sys tem Proceedings of the 2 Underwater Acoustic Measurements Conference 2007 HAY A E 1983 On the remote acoustic detection of suspended sediment at long wave lengths Journal of Geophysical Research 88 C12 pp 7525 7542 HAY A E AND SHENG J 1992 Vertical profiles of suspended sand concentration and size from multifrequency acoustic backscatter Journal of Geophysical Research 97 C10 pp 15661 15677 LIBICKI C BEDFORD K W AND LYNCH J F 1989 The interpretation and evaluation of a 3 Mhz acoustic backscatter device for measuring benthic boundary layer sediment dynamics Jou
11. erspiegel mNN Tiefe m NN gt eschwindigkeit ms BT 16 05 00 13 29 10 bis 13 37 46 Ar 5 41 m NN Q ADCP 19912 m s Q 193777 mis Q li 41 mis Wass 1 000 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18 00 Station m Uhrzeit 13 40 LAT 301 94 m 13 63m NN WT 6 03m Uhr bei W bei Cur Wert bei Cur BT 13 33 5 41 m NN 1 04 m s Pe ES LERTE lolx Datei Bearbeiten Ansicht Ym Darstellung Setup Datei Bearbeiten Yektoren Ansicht Setup Str mungsprofil Fliessgeschwindigkeiten original BT Trackplots mit V Vektoren original BT Tiefe m NN Tiefe mt NN 1 000 1 500 2 2 566 000 Station m Rechtawert zE u o 2564203 46 5914245 99 T 0 62 m NN WT 6 03m Abb 2 F nf Hauptfenster in Software TIDE Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Im Einzelnen s nd folgende Berechnungen und Darstellungen implementiert gt gt gt gt Tiefenprofile Querprofile aus externen Quellen Peilungen zusammen mit den Tiefenprofilen Wege des Schiffes w hrend der Messfahrten Abb 3 Kartendaten mit denen die Messfahrten in ihrer Umgebung gezeigt werden k nnen Str mungsprofile im Messquerschnitt originale oder proj zierte Flie geschwin digkeiten und auch Vertikalgeschwindigkeiten Abb 4 Profile der Echointensit ten im Messquerschnitt Str mungsvektoren tiefengemittelt Abb 3 oder in bestimmten Tiefen in der Draufsicht sowie Str mungsvektoren im Messquer
12. gen und Naturschutz Baden W rttemberg Leiter des Sachgebiets Pegel und Datendienst Mess und Ger tetechnik im Referat Hydrologie Hochwasservorhersage Seite 21 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 22 Durchflussmessanlage Wireless Entwicklung einer kabellosen Laufzeit Messmethode Peter Franke und Wolfgang Frey 1 Einleitung Kontinuierlich arbeitende Messsysteme zur Erfassung des Durchflusses in Oberfl chenge w ssern sind neben der Erhebung von G tedaten die Grundlage aller nachhaltigen wasser wirtschaftlichen Ma nahmen Die Ultraschall Messmethode hat sich als leistungsf higes Werkzeug der Hydrometrie durchgesetzt Der Vorzug ber hrungslos zu messen gekoppelt mit einer hohen Messgenauigkeit und einer zeitlichen Aufl sung m Sekundenbereich hat Ultraschall Durchflussmessanlagen f r die zeitgem e Erfassung von Gew sserabfl ssen unersetzlich gemacht F r Ultraschall Durchflussmessger te die nach dem Laufzeitdifferenz Prinzip arbeiten sind die ma geblichen Bauteile neben den hydroakustischen Wandlern die sowohl als Sender und Empf nger arbeiten die elektronische Systemeinheit sowie die entsprechenden Kabelverbin dungen Die Wandler befinden sich paarweise h hengleich diagonal zur Str mung an den gegentiberliegenden Ufern Nur durch die Synchronisation zusammengeh render Wandlerpaare auf den gegen berlie senden Gew sserseiten mittels Kabelverbindung
13. kozustand der Lagune nachteilig ver ndert werden k nnte Bei zwei der drei gro en Adriazufliisse in die Lagune Malamocco und Chioggia wurden im Zuge der MOSE Bauma nahmen die Molen neu gestaltet und die dort installierten bisher mit Responderanlagen ausgeriisteten Systeme durch AFW Anlagen ersetzt um bei Pfadlan gen von jeweils ungefahr 560 m die neuerliche Verlegung der Kabel zu vermeiden Malamocco p E oO 16 04 2007 21 00 17 04 2007 00 00 17 04 2007 03 00 17 04 2007 06 00 17 04 2007 09 00 17 04 2007 12 00 17 04 2007 15 00 17 04 2007 18 00 17 04 2007 21 00 18 04 2007 00 00 Abb 4 Durchfluss und Wasserstand Bocca di Malamocco Lagune von Venedig Abbildung 4 zeigt den durch Tide generierten Zustrom aus der Adria in die Lagune positiv definierte Flie richtung und den Abstrom aus der Lagune an der Messstelle Bocca di Mala mocco der mittleren direkt der Hauptinsel Venedig gegen berliegenden durch Molen be grenzten Schifffahrts ffnung von ca 400 m Breite und im Mittel 12 m Wassertiefe Die zeitgleich aufgezeichneten Durchfl sse von der baugleich installierten AFW Anlage in der s dlichsten Schifffahrts ffnung Bocca di Chioggia zeigt Abbildung 5 Die der tideab h ngigen Schwingung des Durchflusses berlagerten Oberschwingungen werden als Resultat aus Wind Schiffsbewegungen und der Eigenschwingung der Lagune interpretiert Seite 26 Bundesanstalt fiir Gew sser
14. r 12 V Kfz Anschluss ist es m glich das Ger t auch unterwegs auf der Fahrt zur Messstelle aufzuladen Alle Messungen werden in Dateien auf dem Bedienger t gespeichert und sind ber ein USB Kabel mit Hilfe der Qreview Software auf einen PC bertragbar Die Software bietet eine unkomplizierte Datennachbearbeitung z B nderung der Berechnungsmethode die grafische Visualisie rung der Messergebnisse z B Geschwindigkeitsfl chen sowie den Datenexport im ASCII oder XML Format XML Dateien lassen sich problemlos in die Datenbanken der kommer ziellen Auswerteprogramme SoftwareQ www wasserundumwelt de und BIBER www kisters de importieren 3 Einsatz im Feld Der OTT ADC ist f r den Einsatz an herk mmlichen Fl gelstangen und berschubgest ngen geeignet Die Ger teausf hrung in drei unterschiedlichen Kabell ngen 2 5 m 6 m und 10 m gestattet sowohl Messungen im freien Profil als auch von Br cken und Messstegen Abb 5 Seite 41 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 42 Abb 5 OTT ADC im Messeinsatz vom Messsteg und im freien Profil Das Bedienger t kann mit einem Universaladapter an Stange oder berschubrohr befestigt werden Damit sind Messungen problemlos von Einzelpersonen durchf hrbar Messen Spei chern Auswerten und bertragen der Daten erfolgen automatisch Das aufw ndige Erstellen von schriftlichen Messprotokollen im Feld entf llt ebenso wie die manuelle Berechnung von
15. ule herangezogen Doch bleibt dabei oft der sohlnahe Bereich ausgespart da entweder eine akustische Durchdringung in fl ssige Schlicke nicht m glich ist bzw eine Interpretation der ADCP Daten ohne Ankopplung an andere Daten die spekulative Ebene nicht verl sst Oft enden die Aufzeichnungen dort wo die Abla gerungen fl ssiger Schlicke beginnen Abb 2b c Unter Einbeziehung insbesondere der SES Daten kann diese Limitierung jedoch nutzbringend sein da Strukturen wie interne Wel len an Grenzfl chen nun auch mit ADCP Daten interpretierbar werden Neue Einblicke in die astuarine Schwebstoffdynamik ergeben sich durch die Kopplung mit Seitensichtsonar und F cherecholotdaten Aussagen zur fl chenhaften Verteilung und Auspr gung sohlnaher Sus pensionen und fl ssiger Schlicke wird damit m glich Auf Basis dieser r umlich und zeitlich hoch aufgel sten Daten k nnen Prozesse analys ert und Variationen erstmals in einem neuen Gesamtzusammenhang betrachtet werden Bilanzierungen lassen sich damit um ein Vielfa ches verbessern Seite 81 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 82 Die aktuellen Studien in Weser und Ems verdeutlichen dass grundlegende die Schwebstoff dynamik steuernde Prozesse trotz unterschiedlich hoher Schwebstoffkonzentrationen ver gleichbar sind aber lokale Rahmenbedingungen eine Daten bertragung auf andere Systeme nur eingeschr nkt m glich machen 6 Danksagung Danken m chten wi
16. werden k nnen Dieser Effekt ist umkehrbar legt man eine elektrische Spannung an die me tallisierte Oberfl chen an so zieht sich der Kristall in Abh ngigkeit von der Polarit t der Spannung zusammen oder dehnt sich aus Der gleiche Kristall kann somit sowohl Ultra schallsignale senden als auch empfangen elektrischer Impuls Abb 1 Piezoelektrischer Effekt Zur Erzeugung einer Schallkeule werden vorzugsweise mehrere Kristalle in Gruppen ange ordnet und in einem Geh use zu einem Wandler vergossen Bei der Schallabstrahlung er gibt sich die Verteilung des Schalldruckes im Raum vor dem Wandler als berlagerung der von den einzelnen Kristallen ausgehenden Kugelwellen Hierbei entsteht ein Interferenzfeld mit Gebieten gr eren und geringeren Druckes Ab einer gewissen Entfernung bildet sich ein Kugelwellentyp heraus bei dem die winkelabh ngige Druckverteilung entfernungsunabh n gig wird In dieser Richtung ist der Druck am gr ten das Schallfeld wird Hauptkeule ge nannt Die winkelabh ngige auf die Hauptrichtung normierte Druckverteilung bezeichnet man als Richtcharakteristik Die Verteilung des Schalldruckes im Gew sser hat die Gestalt einer dreidimensionalen rotationssymmetrischen Struktur Nebenkeule Hauptkeule Abb 2 R umliche Darstellung der Richtcharakteristik Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Die Darstellung in der Zeichenebene wird fast immer als ebener Schnitt durch d
17. 06340 5927 info schmid ib de info schmid ib de Seite 107 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 108 ADCP Messungen an einem voralpinen Gew sser mit erheblichem Schwebstoff und Geschiebetransport Kathar na Fiedler 1 Einleitung Die ADCP Technik hat s ch m Bereich der Abflussmessung w hrend der letzten Jahre zu einer vielversprechenden Alternative zu herk mmlichen Methoden wie z B Fl gelmessun gen entwickelt Die Auswertung von ADCP Messungen nach der Pegelvorschrift gilt unter normalen Randbedingungen kein Geschiebetrieb nur m ige Schwebstoffkonzentrationen und gleichm ige Str mung ohne allzu gro e Turbulenzen mittlerweile als ausgereift und liefert schnell und komfortabel die gew nschten Ergebnisse Herrschen jedoch Geschiebetrieb hohe Schwebstoffkonzentrationen und turbulente Str mungsverh ltnisse im Messquerschnitt wie das bei Hochwasser oft der Fall ist so sinken Qualit t und Quantit t der Messergebnisse Das Tr gerboot liegt nicht mehr so ruhig im Was ser Luftblasen werden verst rkt unter dem ADCP hindurchtransportiert und st ren die Mes sung und Treibgut gef hrdet das Tr gerboot samt allen darauf befestigten Messeinrichtungen F r viele Fragestellungen sind aber gerade Str mungsmessungen w hrend Hochwasser von besonderem Interesse Hier sind umfangreiche Auswerteroutinen im Nachgang der Messung erforderlich um bei derart ung nstigen Messbedingungen ve
18. 1 000 000 Hz betr gt die Frequenzverschiebung typisch 100 bis 1 000 Hz Im Allgemeinen ist es viel schwieriger diese Verschiebung direkt zu messen als die Doppler verschobene Frequenz mit der ausge sandten zu berlagern und die Schwebungsfrequenz Af fp f zu bestimmen fo f e_ Af e p p 2 f cosa 7 2 f cosa Die Abbildung 2 zeigt diese Schwebungsfrequenz Eine einfache Bestimmung der Schwebungsfrequenz ist nur m glich wenn gen gend Schwingungen der Grundfrequenz in der Schwebung enthalten sind Dies limitiert die r um liche Aufl sung auf typisch ca 0 30 0 40 m Die Frequenzmessung wird blicherweise indirekt ber eine Zeitmessung zwischen 2 Null durchg ngen der Schwebung zur ckgef hrt bei dieser Art der Frequenzbestimmung ist eine Messung bei 0 Hz bzw bei v 0 m s nicht m glich 2 2 Kreuzkorrelationsmesstechnik Die Kreuzkorrelation ist ein mathematisches Auswerteverfahren das mit der Entwicklung schneller und leistungsfahiger Prozessoren Einzug gefunden hat in die Signalauswertung Als Durchflussmessung LUCAS 2003 wird es bei zweiphasigen Fluiden eingesetzt wie die Ab bildung 3 schematisch verdeutlicht Seite 31 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 32 e h Abb 3 un Ee Akustische Kreuzkorrelationsmessmethode Die Abbildung zeigt den Kreuzkorrelationssensor OCM Pro CF der Fa NIVUS und sein Funktionsprin
19. 350 400 4240 S00 550 600 640 Anzahl der Messwerte Messfrequenz 10 Hz Anzahl der Messwerte Messfraquenz 10 Hz Abb 4 und 5 Kumulierte H ufigkeiten oberfl chennaher Str mungen innerhalb eines Wanderkor r dors einer FWH an der Schwarzen Elster Links eine zentral gelegene Messstelle und rechts eine Messstelle nahe des Austritts aus dem Becken Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 1s 2s 5s 10s 20s 100s 1000s 200min 20h Zeit logarithmisch Abb 6 Schwimmleistung von Fischen Geschwindigkeit in K rperl ngen pro Sekunde aus MUNLV 2005 Abbildung 6 verdeutlicht unterschiedliche Schwimmgeschwindigkeiten von Fischen welche sich in Sprintgeschwindigkeit gesteigerte Geschwindigkeit und Dauergeschwindigkeit unter teilt Das Leistungsverm gen der Fische ist von der K rperl nge abh ngig weshalb die Geschwindigkeit in K rperl nge pro Sekunde angegeben ist Sprintgeschwindigkeiten mit Strecken von bis zu 12 facher K rperl nge pro Sekunde k nnen nur bis etwa 2 Sekunden auf recht gehalten werden w hrend die gesteigerte Geschwindigkeit ca 3 Stunden geleistet wer den kann Oberstes Becken oberfl chennah N O oO 180 160 ee N A oO oO pittore sine pens o Str mungsgeschwindigkeiten cm s oO O 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 Abb 7 Instation re Str mungen unterhalb eines Schlitzes ber eine Messd
20. Astuaren z B Kontakt o Hydrodynamik Morphologie und Fest Dipl Ing Christian Maushake stofftransport Bundesanstalt fiir Wasserbau o Seegangsuntersuchungen Dienststelle Hamburg o Dynamisches Verhalten gro er Container Wedeler Landstra e 157 schiffe 22559 Hamburg Konzeptionierung und Implementierung hyd Tel 040 81908 342 rographischer Messsysteme z B christian maushake baw de o ADCP o Seabedclassification o CTD und Probenahmesystme o Pr zise GPS Ortung o Verankerungs und Daten bertragungs systeme Erhebung von Validierungsdatens tzen f r die HN Modellierung Seite 74 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Detaillierte Einblicke in die stuar ne Schwebstoff dynamik mittels hochaufl sender Hydroakustik Kerstin Schrottke und Alexander Bartholom 1 Einleitung Der Bedarf tidedominierte Flussm ndungen weltweit als Zufahrtswege f r H fen und als Wasserstra en intensiv zu nutzen w chst stetig Wasserbauliche Eingriffe zur nutzungsorien tierten Anpassung der Flussgeometrie darunter Ausbaggerungen rufen unweigerlich Ver n derung der Hydro Morpho und Sedimentdynamik hervor Detaillierte Kenntnisse ber die komplexen stuar nen Prozessabl ufe insbesondere in den Tr bungszonen n denen S und Salzwasser aufeinander treffen interagieren und mitgef hrte Schwebstoffe durch Absatz m chtige Schlickablagerungen bilden sind von elementarer Bedeutung Dera
21. Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 gt Die maximal auftretenden Schwebstoffkonzentrationen betrugen 126 5 bzw 316 6 mg l und sind direkt in der Baggerwolke festgestellt worden Ansonsten lagen die Schwebstoffkonzentrationen ca 6 bis 20 fach niedriger die mittlere festgestellte Hintergrundtr bung im Untersuchungszeitraum betrug ca 14 mg l Hinsichtlich der r umlichen und zeitlichen Ausdehnung der Tr bungswolke s nd die hier pr sentierten Ergebnisse als robust einzusch tzen Die Tr bungswolke konnte eindeutig ge gen das erfasste Hintergrundsignal identifiziert werden Auch die Absolutbetr ge der gemessenen Schwebstoffkonzentrationen sind in ihrer Gr en ordnung als korrekt einzusch tzen Eine Besonderheit bei dem hier untersuchten Vorgang der Baggergutverklappung ist dass das nat rliche Schwebstoffregime bei der Verklappung nur kurzfristig daf r aber mit hoher Intensit t ver ndert wird Inwieweit dieser Umstand Aus wirkung auf die Kalibrierung hat und ggf nderungen in der Messstrategie erforderlich ma cht ist bisher noch nicht untersucht Im Zuge der hier vorgestellten Untersuchungen ist nicht gepr ft worden ob die gezeigten Ergebnisse repr sentativ f r den untersuchten Prozess der Baggergutverdriftung sind Bei der Bewertung der Ergebnisse ist zu beachten dass gt nur eine geringe Anzahl von Verklappungen zwei messtechnisch begleitet wur den gt die am Tage der Verkla
22. EER TEPEE T EERTE ETRE E EREE H EEFE EA EEEN annau a e ne carn T oe jh PSN PRRENGHE RL RRUAR E221 RNASE TRO SENT ROBBE CORREO AA AMR REBEL EPMO PRAM er ER ae en eee OS dite laa DE na Aun BERNDRUNDSERN BEBERBAHEUEN nom rn a A m kaaga Foal unan AN Meee ee Tee Sohloberflache 100 sec d Anderung der akustischen Impedanz Erin a hoc ii eee Comps EEE HEERES HOHER TEHTE EER iil Abb 2a d a Bis zur Wasseroberfl che reichende Schwebstoffwolken in der Tr bungszone des Ems stuars 2 Stunden nach Hochwasser sowie b station re ADCP Messungen zur Erfassung der Stromungsgeschwindigkeit und c mittleren akustischen R ckstreuinten sit t und d SES Messungen zur Erfassung der Dynamik fl ssiger Schlicke So ist die Schwebstoffverteilung keinesfalls homogen Gro r umige Verteilungsmuster sind dabei eng an die lokale Flussgeometrie Zufl sse Bauwerke aber vor allem an die tideabhan gige Schwebstoffhistorie lokale Resuspension sowie an die Oberwassersituation gekn pft Zu den jeweils kurzen Stauwasserphasen die insbesondere in der Ems wahrend Niedrigstau wasser nur wenige Minuten mit dem Aussetzen der Tidestr mung verbunden sind setzt ein massives Absinken von Schwebstoffflocken ein Bei Flockendurchmessern bis zu 3 mm wer den Sinkgeschwindigkeiten bis zu 1 5 cm pro Sekunde erreicht Es folgt die Bildung bzw Zunahme sohlnaher Suspensionen und fl ssiger Schlicke mit SSC Werten gt 10 g l bis 500 g l Dabei erreichen im Ge
23. ERNSTSEN V NOORMETS R HEBBELN D BARTHOLOM A amp FLEMMING B W 2006 Pre cision of high resolution multibeam echo sounding coupled with high accuracy position ing in a shallow water coastal environment GeoMarine Letters 26 141 149 MEISCHNER D amp RUMOHR J 1974 A light weight high momentum gravity corer for subaque ous sediments Senckenbergiana maritima 6 1 105 117 MULLER H 1985 Vergleichende Messungen der Sohllage in einem Unterweserquerschnitt innerhalb der Schlickstrecke bei Nordenham Die K ste 42 209 225 MURDOCH A amp AZCUE J M 1995 Manual of aquatic sediment sampling CRC Boca Raton Florida SCHROTTKE K BARTHOLOMA A amp BECKER M 2005 Bed mobility in the Weser estuary turbidity zone Hydro International 9 7 27 29 SCHROTTKE K BECKER M BARTHOLOMA A FLEMMING B W amp HEBBELN D 2006 Fluid mud dynamics in the Weser estuary turbidity zone tracked by high resolution side scan sonar and parametric sub bottom profiler GeoMarine Letters 26 185 198 WUNDERLICH J amp MULLER S 2003 High resolution sub bottom profiling using parametric acoustics International Ocean Systems 7 4 6 11 Kontakt Prof Dr Kerstin Schrottke Universitat Kiel Institut f r Geowissenschaften Exzellenzcluster Future Ocean Sea level Rise amp Coastal Erosion Otto Hahn Platz 1 24118 Kiel Tel 0431 880 3911 Fax 0431 880 4432 ks gpi uni ki
24. M amp HENTSCHEL B Morphodynamik in Buhnenfeldern Naturuntersuchungen an der Elbe Wasserbaukolloquium 2006 Str mungssimulation im Wasserbau Dres dener Wasserbauliche Mitteilungen Heft 32 Institut f r Wasserbau und Technische Hydromechanik der TU Dresden Dresden 2006 ORLOVIUS A amp HENNING M Auswertungen von ADCP Daten zur Kalibrierung von Str mungsmodellen Anforderungen und Randbedingungen Akustische Doppler Ger te in der Hydrometrie M glichkeiten und Perspektiven einer innovativen Technik Bei tr ge zum Seminar am 28 29 September 2005 in Koblenz Forum f r Hydrologie und Wasserwirtschaft Heft 12 05 Koblenz 2005 SCHMID R amp NIESLER H Praktischer Einsatz des ADCP von der punktuellen bis zur gro fl chigen Geschwindigkeitsaufnahme Akustische Doppler Ger te in der Hydrometrie M glichkeiten und Perspektiven einer innovativen Technik Beitr ge zum Seminar am 28 29 September 2005 in Koblenz Forum f r Hydrologie und Wasserwirtschaft Heft 12 05 Koblenz 2005 SIMPSON M R Discharge Measurements Using a Broad Band Acoustic Doppler Current Profiler Open File Report 01 1 United States Geological Survey Sacramento CA USA 2001 URL http pubs usgs gov of 2001 ofr0l101 Kontakt Dipl Ing Roland Schmid Dipl Ing Harald Niesler Ingenieurb ro Schmid Ingenieurb ro Schmid Hundsgasse 6 Hundsgasse 6 16889 Kapsweyer 16889 Kapsweyer Tel 06340 5929 Tel 06340 5929 Fax 06340 5927 Fax
25. et al 1982 Die Messung der Flie geschwindigkeit erfolgt dabei auch heute noch berwiegend mit hydrometrischen Fl geln Fl gelmessungen haben jedoch hre nat rlichen durch das mechanische Prinzip bedingten Einsatzgrenzen z B Anlaufgeschwindigkeit der Schaufel keine Erkennung von R ckstr mung und weitere Erst durch d e Nutzung alternativer physikalischer Messprinzipien mag netisch induktiv akustisch konnten diese Grenzen in den zur ckliegenden Jahren schrittwei se berwunden werden Als traditioneller Hersteller hydrometrischer Messger te stellt OTT Messtechnik dem gew sserkundlichen Messpersonal mit dem OTT ADC Acoustic Digital Current Meter nunmehr ein modernes akustisches Str mungsmessger t f r die Messung von Punktgeschwindigkeiten in offenen Gerinnen z B Fl ssen Bachen Bew sserungskan len etc zur Verf gung Diese verbindet in hervorragender Weise die traditionelle Methode des Lotrechtenverfahrens mit der Nutzung innovativer Technologien zur Messung von FlieBge schwindigkeit und Wassertiefe Dabei garantieren bew hrte akustische Messprinzipien in Kombination mit modernsten Verfahren zur Signalauswertung die Verf gbarkeit pr ziser und zuverl ssiger Messergebnisse Die integrierte Automatisierung vieler gewohnter Arbeits schritte schafft ein hohes Ma an Datensicherheit und Messqualit t 2 Beschreibung des Messger tes Der OTT ADC besteht aus zwei Basiskomponenten dem Sensor und dem Bedienger t B
26. function of incident frequency and mean particle radius Later work by THORNE et al 1995 on irregularly shaped scatterers showed the general principles applied to regularly shaped scatterers with moderate size distribution 1s similar to a first order approximation to that of irregularly shaped scatterers such as would be found in marine sediment THORNE AND HANES 2002 summarised the relationship between a measured backscatter signal P and mass concentration M as follows 2 u Pry ap re KK 1 where r is range from the transducer y corrects for the acoustic transducer beam characteris tics in the near field a describes signal attenuation due to the suspended sediment X is a system constant derived during calibration and X is given by 2 where Fn is the sediment form function a is the mean sediment radius and p is the sediment density The Need for Multiple Frequencies Measured signal against particle size for a fixed concentration Figure shows how backscatter signal varies as a function of mean sediment diameter at four different frequencies for a fixed mass concentration In most environments the mean sediment size Measured Signal varies with time and elevation from the bed As currents flow velocity wave motion or turbulence increase so larger particles are suspended and when the IZ forcing conditions reduce in magnitude Particle size diameter mm larger particles will begin t
27. gro e Geschicklichkeit und gute Beherrschung des Bootes Abb 2 Darstellung der Fahrspur einer fl chigen Geschwindigkeitsaufnahme in der Elbe im Bereich der M ndung des Elbe Seiten Kanals ESK Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 In Abb 2 ist die Fahrspur einer Messung dargestellt die durch die Bundesanstalt f r Wasser bau beauftragt wurde Die Geschwindigkeitsmessungen wurden als Rasteraufnahme durchge f hrt und es wurden drei Querprofilmessungen durchgef hrt Im direkten Miindungsbereich des ESK wurde das Aufnahmeraster verdichtet Um den Einfluss der Buhnefelder am n rdli chen Ufer zu beurteilen wurden hier ebenfalls die Geschwindigkeiten fl chig aufgenommen Zeitgleich zu den Geschwindigkeitsaufnahmen wurden die Sohlenh hen gepeilt 4 Auswertung Die Positionierung der Flie geschwindigkeiten erfolgt ber die zeitgleich durchgef hrte DGPS Messung Die Koordinaten der DGPS Messungen werden den Ensembles der ADCP Messungen ber den Zeitkanal zugewiesen Bei der Verkn pfung erh lt jede Tiefenzelle eine Lage und H henkoordinate m entsprechenden Bezugssystem Einzelne Messwerte einer ADCP Messung stellen immer eine zeitlich hochaufgel ste Mo mentaufnahme dar die aufgrund von Turbulenzen eine relativ hohe Streubreite aufweisen Um ein repr sentatives Str mungsbild wiederzugeben werden die einzelnen Messwerte zu einem gemittelten Ergebnis zusammengefasst Durch die Mittelung rtlich na
28. hat zur Folge dass weniger akustische Energie umgewandelt wird So ergibt sich aus diesen beiden gegenl ufi gen Faktoren ein Dampfungsmaximum Prinzipiell kann festgehalten werden dass bei klei nen Partikeln die viskose Absorption ma gebend ist bzw dass ab einer Partikelgr e von 0 1 bis 1 mm die Streuung der akustsichen Energie dominiert Sowohl aus Abbildung 7 als auch aus Abbildung 8 kann abgeleitet werden dass die D mp fung der Schallenergie mit h her werdender Frequenz zunimmt Dies f hrt zu dem Umkehr schluss dass bei hohem Schwebstoffgehalt bzw bei weiten akustischen Strecken Systeme mit niedrigeren Frequenzen bevorzugt eingesetzt werden sollten Eine genaue Abgrenzung ist jedoch schwierig zu vielschichtig sind die einzelnen Faktoren Als erste N herung f r die maximale Reichweite oder Frequenzwahl eines akustischen Laufzeitdifferenz Systems dient daher Abbildung 9 die aus gezielten Beobachtungen an bestehenden Systemen aufgebaut wurde F r H ADCPs kann derzeit keine Empfehlung f r die richtige Wahl der Frequenz gegeben werden da erst wenige Erfahrungen vorliegen Seite 11 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 za all 8 68 10 dB m 5 10 A Z Eo 5 o D amp oD a 9 ey 10 E 3 10 10 0 1 l 10 100 1000 10000 Partikeldurchmesser in um Abb 8 Viskose Absorption und Streuung bei einem Sedimentgehalt von g m in Abh ngigkeit des Partikeldu
29. herangezogen werden um die Ge schwindigkeitsmessungen des ersten Meters zu erg nzen Diese Begrenzung resultiert aus einer Dekorrelation der beiden Pulse in gr erem Abstand Um ein bersprechen der Signale zu vermeiden wird der zweite Puls erst abgestrahlt wenn alle Informationen des ersten Pulses gesammelt sind damit w chst die ben tigte Zeit zwi schen den Pulsen mit gr erem Abstand Als zweite Limitation ist zu nennen dass die Inten s t t der reflektierten Echos mit gr erer Entfernung entsprechend der normalen Wellenaus breitung mit dem Quadrat des Abstandes abnimmt Beide Effekte gr erer Zeitabstand zwi schen den Pulsen und geringere Intensit t f hren zu einer schlechteren Korrelation das hei t einer schlechteren Geschwindigkeitsbestimmung In einem ersten Schritt wurden Keramiken mit einem gr eren Durchmesser benutzt zum einen enth lt der Ultraschallstrahl damit eine h here Intensit t zum zweiten reduziert sich die Apertur umgekehrt proportional zum Durchmesser beides f hrt zu deutlich h herer Intensit t in gr erem Abstand In einem weiteren Schritt wurde die Variante f r den nicht explosions gef hrdeten Bereich ausgelegt um diesbez gliche Intensit tslimitationen zu vermeiden Die Verk rzung der Zeit zwischen zwei Pulsen bei gleichzeitig klarer Trennung der beiden Pulse gestaltet sich schwieriger Nach einigen Versuchen zeigten sich Chirp kodierte Pulse als geeignet Die folgende Formel
30. hoch aufl sende punktuelle Messungen erm glichen Beschreibungen von Str mungsverh ltnissen welche weiterf hren de Analysen bspw unter Ber cksichtigung von Instationarit ten die Ermittlung statistischer Kenngr en innerhalb eines Messzeitraums sowie der Geschwindigkeitsverteilung in den Becken im Wanderkorridor und in den Schlitzen erm glichen Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 2 1 Messmethodik Die Erfassung der Hydraulik erfolgt mittels Str mungsmessungen bei mehreren im Jahresver lauf repr sentativen Abfl ssen und in der Regel im obersten und untersten bei l ngeren FWH auch in einem mittleren Becken Dabei wird innerhalb der Becken an unterschiedlichen Punkten z B unterhalb der Schlitz ffnungen an stark durchstr mten und str mungsberu higten Stellen zumeist oberfl chennah in mittlerer Tiefe und sohlennah gemessen Abb 1 und 2 Str mungsmessungen in einer FWH an der Nei e bei Forst Zum Einsatz kommt die Methode der Ultraschall Velocimetrie punktuelle Messungen pul se coherent Verfahren Die Vorteile liegen in der hoch aufgel sten Erfassung der dreidimen sionalen Str mung x y z Komponenten Im Gegensatz z B zu Fl gelmessungen ergibt sich unter allen Bedingungen die resultierende Str mungsgeschwindigkeit und richtung welche bei Fl gelmessungen nur bei permanenter korrekter Ausrichtung in die Str mung ge w hrleistet ist da sonst eine seitliche oder sogar r ck
31. in einem elastischen Medium Tabelle 1 einzelne Teilchen periodisch aus ihrer Frequenzbereiche in der Akustik Ruhelage heraus bewegt so kommt es Frequenzbereiche Gebiet der Akustik zu einer Dichte und Druckver nderung 0 lt f lt 20Hz TE die sich aufgrund der Koppelung mit 16 kHz lt f lt 20 kHz H rschall benachbarten Teilchen als kontinuierli 16 kHz lt f lt 1 GHz Ultraschall che elastische Welle fortpflanzt Diese gt 900 MHz Hyperschall Druckwelle wird als Schallwelle be zeichnet Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwelle nennt man Schallgeschwindig keit In Abh ngigkeit von der Frequenz mit der die Teilchen um ihre Ruhelage schwingen unterscheidet man verschiedene Schallbereiche wobei als Ultraschall die nicht mehr mit dem menschlichen Geh r wahrnehmbaren Schallwellen gro er Frequenzen bezeichnet werden Bundesanstalt f r Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 5 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 6 2 1 Ultraschallerzeugung Grundlage f r die praktische Erzeugung von Ultraschall in einem Gew sser ist der piezo elektrische Effekt der im 19 Jahrhundert am Quarz entdeckt wurde Wird ein aus einem nat rlichen Quarzkristall herausgeschliffenes Pl ttchen mechanisch zusammengepresst oder gedehnt so entstehen an seiner Oberfl che elektrische Ladungen die bei Metallisierung die ser Oberfl chen gesammelt und als elektrische Spannung gemessen und weiterverarbeitet
32. size determination with additional frequencies reducing ambiguity An effective algorithm has been tested which Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 determines a least squares fit using all possible mean particle s zes for each frequency and for each range cell in the profile Once size has been established the mass concentration is calcu lated out by applying equation 1 Figures 8 and 9 show data from the GroBer Wellenkanal Hannover in which a brief wave experiment was carried out Transducers at 1 MHz 2 MHz and 4 MHz were placed 1 m above the bed Figure 8 shows acoustic backscatter intensity on each frequency channel after correction for range attenuation and acoustic spreading The bed shows as a high intensity red line Figure 9 shows initial estimates for mean particle size and suspended sediment concen tration Data was processed using Matlab Figure 8 Range Corrected Intensity Plots Figure 9 Sediment Load and Mean Particle Size Plots Seite 53 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 54 Conclusion We have presented the latest generation of multi frequency acoustic backscatter profiler a product of over a decade of suspended sediment research and instrument development Key to its success in hydrology and oceanography s a reliable method of calibration and post processing that allows acoustic backscatter to be inverted to suspended sediment load This
33. sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Zur Erfassung des zur ckgelegten Messweges w hrend der ADCP Fahrten wurde auf dem Tr gerboot ein 360 Prisma befestigt Eine Totalstation verfolgte vom Ufer aus das Prisma Abb 3 und speicherte die Lageinformationen im Sekundentakt ab 3 2 ADCP Abflussmessungen Insgesamt konnten an der Tiroler Achen in den Jahren 2006 und 2007 drei Abflussereignisse im Bereich zwischen 150 und 200 m s messtechnisch erfasst werden Die mittleren Flie ge schwindigkeiten lagen dabei im Bereich von 2 2 bis 2 5 m s mit Spitzen bis zu 4 m s Bei einer Wasserspiegelbreite von 35 bis 40 m betrug die mittlere Flie tiefe w hrend der Mes sungen ca 2 m Die folgenden Ausf hrungen haben die Auswertung des Messeinsatzes am 08 August 2006 zum Inhalt Anhand dieses Beispiels sollen die Auswirkungen der Str mungsverh ltnisse im Messquerschnitt auf die ADCP Messungen sowie die Vorgehensweise bei der Bearbeitung der Messwerte beschrieben werden W hrend der f nf Flussquerungen des ADCP die in Summe zirka 15 Minuten dauerten lag der aus den Pegeldaten ermittelte Abfluss im Messquerschnitt ziemlich konstant bei 144 m s Vor dem ADCP Einsatz durchgef hrte Fl gelmessungen an sieben Punkten im Querschnitt ergaben Flie geschwindigkeiten zwischen 2 0 und 2 8 m s Abb 4 Wertet man die ADCP Messungen mit Referenz Bottom Track BT aus so erh lt man einen Abfluss von 128 m s Auch die Flie geschwindigkeiten stimmen vor all
34. ter profile in the sediment tower to minimise the effects of acoustic scattering variability Pump samples are taken at a nominal height to establish actual concentration The plots in Figure 7 illustrate the stages in the calibration process Seite 51 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 52 Fa p 1L J 4 1 4 ab 4 1 m 1 2 TE 4 1 2 4 1 21 _ 1 2L IN J ale gt ae 1 4 DE 1 4 gt 1 4 z iah _ l J 4 4 1 6 L 1 6 4 1 6 L 4 1 6 4 N l l 1 8 k 4 18 4 1 8L 4 1 8 p 4 IN 2 z I i 2 E 2 S l o 0 005 0 01 o 0 005 0 01 0 015 0 02 o 0 5 1 o 0 005 0 01 0 015 0 02 Range Corrected Voltage System Constant Kt Uncorrected Mass Concen tration g l System Constant Kt Corrected with 1MHz Fi librati l igure 7 Calibration Plots In the first plot the measured signal is corrected for the effects of spreading loss and attenua tion that are a function of range from the transducer In the second plot using the pump sam ples K is calculated for the region around 0 6 m where pump samples were taken assuming the tank has a constant mass concentration Where values step to zero value they have been discarded because the signal value is too low In the t
35. the botom track measurements This results in the mis interpretation of the boat speed and underestimated measured water velocities The measured discharge through the H ADCP measurement range was vertically extrapolated using a logarithmic profile without a perturbation profile LE COZ 2007 showed that for the St Georges station in the Saone rivier in Lyon a measured flow velocity profile was best represented with a small perturbation obtained by aplying A 0 075 To date no backscatter to sediment concentration conversion has been carried out on H ADCP data because no reference measurements are available for H ADCP stations However extensive transect SSC measurements have been performed on the Elbe rivier in fall 2006 MAUSHAKE 2008 Abb 2 shows the total sediment transport through the ADCP measurement range at the Cuxhaven transect in the Elbe 2000 in o o 1000 500 Q from transect measurements m s 0 500 1000 1500 2000 Q from H ADCP m s Abb 1 Relationship between the discharge measured by a H ADCP and the discharge estimated from transect measurements at the Tricastin station France Seite 59 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 60 400 i in o Sediment Transport Ma s MN gt gt 08 00 11 00 14 00 Time at 19 10 2006 17 00 20 00 Abb 2 Total cross sectional sediment transport measured with ADCP transects in the Elbe at Cuxhaven The period be
36. they may be arranged in any orientation so for example one transducer may be mounted obliquely to observe bedform migration or transducers could be mounted in opposite directions to observe both upwards and downwards in the water column Y A vn 4 gt i D Be S Calibration The key to successful use of acoustic backscatter for measurement of suspended sediment is an effective method of calibration During the developmental stages of this type of instrument there has been a strong emphasis on building calibration tanks that have a homogeneous suspension over a relatively long depth profile Such tanks have been de scribed by THORNE AND HANES 2002 Aquatec have de signed and built a similar sediment tower shown in Figure 6 The tower is 0 4 m diameter and 2 1 m deep with a conical bottom to prevent deposition of sediment The sediment suspension is pumped from the bottom and re injected at two elevations A mechanical stirrer is used to ensure mixing at the injection points Calibrations may be carried out with either glass beads or sieved sand at a quarter phi size inter Figure 6 Calibration Tower val Typically calibrations will be carried out at three sizes for each of the instrument s frequencies The purpose of calibration is to establish the system constant K described in 1 for each of the instrument s transducers This is achieved by taking 10 000 samples of vertical backscat
37. und training Mitglied der AG Hydrometrie beim DWA Mitglied des Normenausschusses Wasserwesen Arbeitsausschuss Hydrometrie im DIN Seite 43 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Mehrpfad Ultraschalllaufzeitmessung in nat rlichen Flie gew ssern Sebastian Fischer Abstract Die Mehrpfad Ultraschalllaufzeitmessung ist ein seit Jahren bew hrtes Verfahren f r Durch flussmessungen in der Hydrologie wobei die Methode ausf hrlich in der 506416 beschrie ben und d e Berechnungsgrundlagen dargestellt s nd Die von hydrologischen Einrichtungen w e Wasser und Schifffahrts mtern gew nschten Anwendungen im nat rlichen Flie gew sser stellt hier in vielerlei Hinsicht eine gro e Her ausforderung f r die Messtechnikhersteller dar Gr nde f r messtechnische Probleme bei Freispiegelmessungen sind u a die meist gro en akustischen Pfadl ngen Signalreflexionen an Thermalschichten und die vor allem bei flachen und oder langsam flie enden Gew ssern auftretende Verkrautung die das S gnal bertragungsverhalten der Messeinrichtungen negativ beeinflussen und eine stabile Durchflussmessung verhindern kann In diesem Vortrag werden die Erfahrungen des m Gebiet des Wasserwirtschaftsamts Hanno versch M nden an der Eder installierten Ultraschall Durchflussmesssystems diskutiert Dar ber hinaus wird im Rahmen dieses Vortrags aufgezeigt wie durch die gew hlte Installa tionsh he der untersc
38. wash load This means that the sediment in suspension measured by a H ADCP mostly consists of wash load The diffusion equation equation 9 is only applicable to the suspension of local bed material which depends only on the strength of the flow and the sediment grain size Therefore the diffusion equation may not be applicable for the vertical extrapolation of the measured sedi ment discharge On the other hand wash load sediment is generally quite homogenously dis tributed through the water column especially in purely fluvial environments at sifficient downstream distance from confluence points This has been shown in many turbidity moni toring programs where the turbidity was monitored at one point in a stream cross section and used as a representative measure for the complete cross section e g WASS 1999 However WASS 1999 also showed that wash load sediment is not equally distributed across a stream Therefore a H ADCP may be advantageous over a turbidity sensor for wash load sediment discharge montoring A third issue is the often positive correlation between suspended sediment concentration and suspended sediment grain size which disturbes the relation between acoustic backscatter and sediment concentration because acoustic backscatter and sediment grain size are also related equation 7 Therefore the relation between suspended sediment grain size and suspended sediment concentration should also be established at different discha
39. wird gew hrleistet Laufzeitdifferenzen zu erfassen deren Bestimmung die Grundvoraussetzung f r d e Ermittlung der integralen Flie geschwindigkeit in der jeweiligen Messebene ist Je h her die Laufzeitdifferenzen aufgel st werden k nnen desto genauer ist die Messung der Flie geschwindigkeiten in den Messebe nen und der daraus f r d e Kontinuit tsgleichung abgeleiteten mittleren Flie geschwindig keit mit deren Hilfe und bei bekannter Querschnittsfl che der Durchfluss errechnet wird 2 Stand der Technik Dem Stand der Technik entsprechend sind bisher bei allen Ultraschall Durchflussmess systemen die nach dem Laufzeitdifferenz Verfahren arbeiten die hydroakustischen Wandler eines Messpfades durch je ein Kabel mit der Systemeinheit verbunden Nur ber die Kabel verbindungen k nnen die Wandler an gegen berliegenden Gew sserufern gleichzeitig als Sender und Empf nger betrieben werden um e n taktgenaues Arbeiten der hydroakustischen Wandler zu erreichen Die erforderlichen Kabelverbindungen k nnen bei gr eren Gew sserbreiten oder einer Mehrebenenanlage zu erheblichen Kabell ngen f hren Die Verlegung an Land erfolgt in Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Kabelgr ben im Gew sser soweit m glich unter Einsatz von Tauchern in eingesp lten Rin nen Bei felsiger Gew ssersohle kann sogar eine Horizontalbohrung unter dem Flusslauf er forderlich werden um die Kabel zu installieren Trotz der
40. zus tzlich zu den ADCP Daten noch andere Messungen Der folgende Beitrag besch ftigt sich mit den im Rahmen dieses Projektes durchgef hrten ADCP Messungen an einem voralpinen Gew sser in Bayern beschreibt die dabei aufgetrete nen Probleme und Herausforderungen und zeigt m gliche L sungswege auf 2 Situation an der Messstelle Die Tiroler Achen ist ein sommerkaltes alpines Gew sser das durch eine starke Abflussdy namik und hohe Schwebstofftransportraten charakterisiert wird Sie ist der bedeutendste Zu fluss in den Chiemsee Abb 1 und tr gt mit ihren hohen Schwebstofffrachten unter anderem ma geblich zur Verlandung des M ndunssdeltas bei i Chiemsee TSCHECHISCHE REPUBLIK Badan W rttemberg RE agi f D e f a Abb 1 Lage des Pegels Staudach an der Tiroler Achen www hnd bayern de Bei Flusskilometer 9 23 befindet sich der vom Wasserwirtschaftsamt Traunstein betriebene Pegel Staudach Abb 2 Der mittlere Abfluss MQ liegt in diesem Bereich bei 35 m s das HQ bei 440 m s und das HQo9 betr gt 870 m s www hnd bayern de ust Staudach Lyell 2 S ibe N Seite 109 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 3 ADCP Messungen In den Jahren 2006 und 2007 wurden am Pegel Staudach mehrere ADCP Messungen bei unterschiedlichen Abflusssituationen durchgef hrt Bei der Auswertung der Daten wurde verst rktes Augenmerk auf die Messungen w hrend hochwasser hnlicher Situat
41. zwischen turbulenter kinetischer Energie tke und FlieBgeschwindigkeit u unter einseitig gerichteter Str mung sowie mit wellen berlagerter Str mung im Ka nal links und im Feld rechts Sowohl im Kanal als auch im Feld findet nur durch den Welleneinfluss eine Remobilisierung der Sedimente statt Unter ruhigen Wetterverh ltnissen ohne Wellent tigkeit sind die bodennahen Str mungsge schwindigkeiten allein tidendominiert Bei Geschwindigkeiten von bis zu 20 cm s wurden die im Kanal ermittelten kritischen Werte der turbulenten kinetischen Energie von 50 cm s f r die Mobilisierung der Sedimentsohle nicht berschritten Verbunden mit den geringen R ck streuwerten zeigen die Feldmessungen dass unter berwiegend Tidenstrom dominierten Be dingungen im Watt praktisch keine Remobilisierung auf den Wattflachen stattfindet Die Ergebnisse aus dem ostfriesischen R ckseitenwatt korrelieren gut mit hnlichen Untersu chungen aus niederl ndischen und britischen Wattsystemen z B WILLIAMS et al 1999 2003 POPE et al 2006 variieren jedoch in den Sohlschubspannungswerten in Abhangigkeit der sedimentspezifischen Sohlrauhigkeit Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 4 Zusammenfassung Im R ckseitenwatt der Insel Spiekeroog im Ostfriesischen Wattenmeer wurde auf verschie den stark exponierten Wattfl chen die beginnende Erosion von Wattsedimenten und Effekte der Biostabilisierung w hrend der berflutungsphase un
42. 400 u 16 07 6018300 16 19 6018200 4617800 4618000 4618200 4618400 4618600 4618800 4619000 Abb 8 R umliche Ausdehnung der gegen ber der Hintergrundtr bung erh hten Schwebstoff konzentration nach der Verklappung 18 07 2007 16 00 Der zeitliche Verlauf ist durch die Passagezeitpunkte angedeutet 5 Zusammenfassung und Ausblick Die Ergebnisse der Messungen am 18 Juli 2007 auf der Klappstelle KS 527 lassen sich nach den hier pr sentierten Auswertungen wie folgt zusammenfassen gt Das verklappte Baggermaterial hat die ausgewiesene Klappstelle KS 527 bei bei den beobachteten Verklappungen nicht verlassen bzw war gegen das unter unge st rten Bedingungen erfasste Hintergrundsignal nicht mehr nachweisbar Die maximale r umliche Ausdehnung in der die Tr bungswolke gegen das Hinter grundsignal noch nachweisbar war betrug 500m gt Nach 30 bzw 40 Minuten war nach erneuter Passage des Klapp Punktes keine erh hte Tr bung in der Wassers ule mehr feststellbar das verklappte Baggerma terial ist also zu Boden gesunken Hierbei ist allerdings zu beachten dass sich al le in diesem Zusammenhang gemachten Aussagen nur auf den tats chlichen Messbereich des ADCP beziehen Systembedingt kann eine sohlparallele Schicht von ca 6 der Wassertiefe nicht erfasst werden kann Material welches sich un terhalb dieses vom System nicht mehr erfassten sohlnahen Bereiches befindet kann nicht ausgewertet werden Seite 72
43. 5 18 0 17 5 17 0 16 5 A Om 20m 40m Abb 10 Darstellung der Sohltopografie in den Buhnenfeldern 304 und 305 in der Elbe bei Sch nberg mit einem Auszug aus der DBWK In Abb 10 sind die Ergebnisse der Sohlenpeilungen in zwei Buhnenfeldern mit Kerbbuhnen dargestellt Die Buhnenfelder befinden sich bei Elbe km 443 5 auf der linken Uferseite Zu erkennen sind die Durchrisse im uferseitigen Drittel der Buhnen und zwei Kolke unterhalb der Buhnenk pfe A V AQ _ 40m Abb 11 Darstellung der Flie geschwindigkeiten in den Buhnenfeldern 304 und 305 in der Elbe bei Sch nberg mit einem Auszug aus der DBWK Es sind die Geschwindigkeitsvekto ren und farblich kodiert der Betrag der tiefengemittelten Geschwindigkeiten einge zeichnet In Abb 11 sind die tiefengemittelten Geschwindigkeiten der Buhnenfelder dargestellt Zu erkennen sind die gr eren Flie geschwindigkeiten im Bereich der Buhnendurchrisse die sich weit in die Buhnenfelder fortsetzten Durch die langj hrige Betrachtung fl chiger Geschwindigkeiten und Sohlentopografien bei verschiedenen Wasserst nden k nnen Ver nderungen aufgedeckt und ausgehend von den unterschiedlichen Buhnenformen Hinweise auf die morphologische Dynamik abgeleitet wer den Seite 104 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 5 3 Elbe M ndung ESK In der Elbe im M ndungsbereich des Elbe Seiten Kanal ESK kommt es regelm ig zu An landungen die durch
44. 500 m s speed of sound This approach to signal acquisition and processing results in both a stable measurable gain and low noise both of which aid in cali bration Data is stored on Compact Flash and may be accessed at the end of a deployment or in real time by high speed USB or at reduced data rates using RS232 or RS485 serial com munications ae Sa ae Se SS eS ee en op ee eae eet bee an eee re a eer nu eS ere tear ey ate ee ey Oe gee ee a na ee ar ee ny fog ey een LQ Digital USB z Down 5 Converter RS232 UART On e EEE ME EEE mm mm mm me mil Compact i FLASH DSP Memory Module Management Controller Core Module RTC DSP i Processor Figure 4 System Block Diagram Power Transducer DAC Amplifier z Array Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 The instrument is pictured in Figure 5 All the electronics described above and a battery pack for short deployments are incorporated within the 1000 m depth rated aluminium housing The instrument shown includes four narrow beam acoustic transducers at frequencies bet ween 0 5 MHz and 5 MHz all arranged close to the instrument axis unlike Doppler current profilers which have divergent beams This means that all transducers observe the same vol ume of water An alternative configuration allows the transducers to be connected to the main instrument via individual cables so
45. 6 1 Kerbbuhnen bei denen bereits vorhandene Buhnendurchrisse durch die Anlage von definierten Kerben im Buhnenr cken befestigt werden 2 Knickbuhnen als Kombination einer inklinanten und deklinanten Buhnenbauweise Im Rahmen einer langj hrigen Betrachtung wurde das Ingenieurb ro Schmid durch die Bun desanstalt f r Wasserbau beauftragt gro fl chige Geschwindigkeitsaufnahmen und Sohlen peilungen in ausgew hlten Buhnenfeldern in der Elbe bei Sch nberg durchzuf hren Das Untersuchungsgebiet erstreckt sich ber 8 Buhnenfelder der unteren Mittelelbe zwischen Elbe km 440 und Elbe km 444 Die Buhnen im Untersuchungsgebiet wurden als Kerbbuh nen Knickbuhnen Abb 9 und Standardbuhnen umgebaut bzw rekonstruiert Seit 2001 wurden 9 Messkampagnen durch das Ingenieurb ro Schmid bei unterschiedlichen Wasser st nden zwischen MNQ und MHQ durchgef hrt Abb 9 Luftbild der Knickbuhnengruppe mit Ausschnitt aus der DBWK und Darstellung der Sohlenh hen eines Buhnenfeldes entnommen aus HENNING amp HENTSCHEL 2006 Die Ergebnisse der Messkampagnen werden anhand von zwei Buhnenfeldern mit Kerbbuh nen einer Messkampagne vom Mai 2006 be1 MHQ vorgestellt W hrend dieser Messkam pagne waren die Buhnenr cken vollkommen berstr mt und konnten mit dem Messboot be fahren werden Seite 103 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Sohlenh he m NHN De 22 5 22 0 21 5 21 0 20 5 20 0 19 5 19 0 18
46. 801 Fax 07262 91 91 999 Michael Teufel nivus com www nivus de Bundesanstalt f r Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 1987 Diplom in Physik Universit t Bielefeld 1987 Promotion im Chemie Ingenieurwesen Lehrstuhl f r Str mungsmechanik Universit t Erlangen N rnberg Thema Durchflussmesstechnik T tig f r einige Durchflussmessger tehersteller Bopp amp Reuther Elster Yokogawa ETA Fachreferent seit 1990 beim VDI bzgl Durchflussmes sungen n Rohrleitungen Themen Wirbelz hler anlage einbaubedingte Str mungsst rungen Korrelationsmesstechnik Ultraschall Bei der Fa NIVUS GmbH seit 2003 Leiter Produktmanagement und Entwicklung seit 2008 Leiter Abteilung Technologietransfer Wichtige Kooperationen u a FH M nster Universit t Stra burg TU Chemnitz FZ Karlsruhe Seite 37 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 38 OTT ADC modernste Str mungsmesstechnik f r die klassische Durchflussmessung nach dem Lotrechtenverfahren Stefan Siedschlag 1 Einleitung Die klassische Durchflussmessung nach dem Lotrechtenverfahren ist neben der Schwim mermessung eine der ltesten hydrometrischen Messmethoden Sie wird seit ber 200 Jahren im gew sserkundlichen Routinemessdienst angewendet Ihre detaillierte Beschreibung kann der hydrologischen Fachliteratur und einschl gigen Regelwerken entnommen werden Pegel vorschrift Anlage D 1992 EN ISO 748 2000 RANTZ
47. Baggerungen beseitigt werden m ssen Zum Verst ndnis der Str mungsvorg nge wurde das Ingenieurb ro Schmid durch die Bundesanstalt f r Wasserbau mit einer gro fl chigen Geschwindigkeitsaufnahme und begleitenden Sohlenpeilungen im M n dungsbereich beauftragt Abb 12 Lageplan der Untersuchungsstrecke in der Elbe im Miindungs bereich des ESK mit Ausschnitt aus der DBWK In Abb 12 ist der Lageplan der Untersuchungsstrecke dargestellt Die Messungen erfolgten ber die gesamte Flussbreite der Elbe und im M ndungsbereich des ESK Die Fahrspur des Messbootes w hrend der Aufnahme wurde bereits in Abb 2 gezeigt In Abb 12 rot skizziert ist ein Ausschnitt des Untersuchungsbereichs der in den Abb 13 und Abb 14 dargestellt ist In Abb 13 ist ein Ausschnitt der ermittelten Str mungsgeschwindigkeiten dargestellt Zu erkennen ist ein ausgedehntes Wirbelsystem mit zwei Wirbeln im direkten M ndungsbereich des ESK Seite 105 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 m s 1 5 1 4 1 3 1 2 1 1 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 p p g J GES Abb 13 Darstellung der Flie geschwindigkeiten im Miindungsbereich des ESK Es sind die Geschwindigkeitsvektoren und farblich kodiert der Betrag der tiefengemittelten en Om 50m 100m Geschwindigkeiten in einem Ausschnitt der DBWK eingezeichnet In Abb 14 sind die Ergebnisse der zeitgl
48. DC schematische Darstellung ge des Messvolumens Zwei Ultraschallwandler senden gleichzeitig Signale gegen die Flie richtung aus Diese wer den an den im Wasser befindlichen Partikeln Schwebstoffe Luftblasen Plankton etc re flektiert Abh ngig von Gr e und Form der Partikel kehrt ein Echosignal zu den Wandlern zur ck wird empfangen und anschlie end im DSP Digitaler Signal Prozessor als Echomus ter digitalisiert Nach einer kurzen Pause wird der Vorgang wiederholt so dass ein zweites Echomuster entsteht Der DSP pr ft daraufhin beide Muster mit Hilfe der Kreuzkorrelation auf hnlichkeit Das Ergebnis der mathematischen Funktion l sst R ckschl sse auf den zeit lichen Versatz beider Echomuster zu Dieser wird anschlie end f r die Berechnung der Flie geschwindigkeit verwendet Verschiedene interne Qualit tspr fungen sichern zu jeder Zeit die Zuverl ssigkeit der gemessenen Daten Zus tzlich erm glicht eine im Sensork rper integrierte Druckmesszelle die automatische Ermittlung der Wassertiefe an der Messlotrechten sowie der Eintauchtiefe des Ger tes in einem Messbereich von 0 bis 5 m Alle wichtigen Messdaten werden auf dem grafischen Display eines leichten wetterfesten und handlichen Bedienger tes angezeigt Abb 4 Zn Abb 4 OTT ADC Bedieneinheit mit grafi DB J schem Display und Folientastatur Seite 40 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Das Bedienger t ist die Schnittste
49. Darstellung han delt Die Verklappung V1 Abb 5 fand um 12 40 Uhr statt Die eigentliche Verklappungswolke ist in dem Plot nicht gut zu sehen weil sie durch das abschlie ende St tzprofil optisch ver deckt wird Danach wurde die Profilfahrt zun chst in die falsche Richtung n mlich ent gegen der vermuteten Driftrichtung aufgenommen Verst ndigungsfehler Hierdurch zeigte sich jedoch dass in dieser Richtung kaum nennenswerte Erh hungen der Schwebstoffkon zentrationen auftraten 12 50 Uhr Lediglich in dem n chsten dann in Driftrichtung gefah renen Profil zeigt sich eine erh hte Tr bung Profilende 13 00 Uhr In der letzten Profil linie 13 18 Uhr s nd bodennah noch leicht erh hte Tr bungen festzustellen In den Kreu zungspunkten des abschlie enden St tzprofils Ende 13 24 Uhr zeigt sich dass die Tr bung innerhalb der seit der Verklappung vergangenen ca 40 Minuten berall wieder auf die Gr Benordnung der Hintergrundtr bung zur ckgegangen ist Die Verklappung V2 wurde schon im Abschnitt 3 1 dem Grunde nach beschrieben Die Ver klappung selbst fand in zwei kurz aufeinander folgenden Schiiben statt eventuell durch nachrutschendes Material in der Klappschute Bei der Verklappung V2 ist sowohl die Ver klappung selbst als auch die Tr bungswolke deutlicher zu identifizieren Vielleicht ist ein fach mehr Material verklappt worden hierzu liegen jedoch keine Informationen vor Die Schleifenf
50. Fax 0261 1306 5280 adler bafg de Kontakt Dipl Ing FH Uwe Nicodemus Bundesanstalt f r Gew sserkunde Am Mainzer Tor 1 56068 Koblenz Tel 0261 1306 5266 Fax 0261 1306 5363 nicodemus bafg de Jahrgang 1956 1975 1983 Studium Bauingenieurwesen an der TH Darmstadt und der TU Berlin 1983 1988 Wasserbauingenieur bei Salzgitter Consult GmbH seit 1988 Bundesanstalt f r Gew sserkunde Referat M1 Hydrometrie und Gew sserkundliche Begutachtung Jahrgang 1960 1983 1987 Studium des Baugenieurwesens an der Fachhoch schule Koblenz seit 1987 Bundesanstalt f r Gew sserkunde hier seit 1998 m Referat MI Hydrometrie und Gew sserkundliche Begutachtung In der Reihe BfG Veranstaltungen sind bisher u a erschienen 1 2001 2 2001 3 2001 4 2001 5 2001 1 2002 2 2002 3 2002 4 2002 1 2003 2 2003 3 2003 4 2003 5 2003 6 2003 7 2003 8 2003 9 2003 1 2004 2 2004 3 2004 4 2004 5 2004 6 2004 1 2005 2 2005 3 2005 4 2005 5 2005 1 2006 2 2006 3 2006 4 2006 5 2006 1 2007 2 2007 1 2008 Abflussverh ltnisse im Rheingebiet Ans tze Instrumentarien und Ergebnisse aus ausgew hlten Projekten Verfahren zur Bewertung von Alternativen beim Ausbau von Bundeswasserstra en Feststoffeintrag Laufentwicklung und Transportprozesse in schiffbaren Fl ssen Sedimentuntersuchungen in Ostseek stengew ssern und Schlussfolgerungen f r Ausbau und Unterhaltung
51. Im Nahbereich der Ultraschallsensoren k nnen keine Flie geschwindigkeiten erfasst werden Blanking Distance da hier das Zeitintervall zwischen Sendeimpuls und Echoempfang zu klein ist Auch im Nahbereich der Sohle werden keine FlieBgeschwindigkeiten erfasst Der Grund hierf r ist dass die Signale der Sohlenechos und der Partikelechos durch die Ger te Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 elektronik nicht hinreichend genau getrennt werden k nnen Die Gr e der nicht erfassten Bereiche ist abh ngig von der Konfiguration des ADCP Nicht erfasste Bereiche werden durch entsprechende Verfahren extrapoliert Tiefenzelle oO Abstand zur Sohle m N as 0 4 0 8 1 2 Geschwindigkeit m s 1 6 Abb 1 Schematische Darstellung des Messprinzips des ADCP mit Aufteilung der Messwerte in Tiefenzellen Der ADCP misst die Geschwindigkeiten relativ zu sich selbst Bei einer ortsfesten Messung sind diese Geschwindigkeiten gleich den Flie geschwindigkeiten Wird der ADCP bewegt so m ssen die gemessenen Geschwindigkeiten vektoriell um die Geschwindigkeit des ADCP korrigiert werden Hierf r wurde vom Hersteller das sog Bottom Track Verfahren entwi ckelt Es werden spezielle Ultraschallimpulse zu Sohle ausgesendet sog Bottom Track Pings durch die der ADCP seine Bewegung ber Grund bestimmt Die Flie geschwindig keiten werden um den Bewegungsvektor des Ger tes korrigiert und dire
52. Pulsrate kann bis auf 50 Hz gesetzt werden bei Puls langen von 0 066 0 8 ms je nach gew hltem Messbereich Zur Erfassung fl ssiger Schlicke hat sich die Sekund rfrequenz von 12 kHz als geeignet erwiesen Damit sind 1m Rahmen dieser Studien Eindringungen bis zu 5 m in den konsolidierten Untergrund erzielt worden Der Schallwandler wird backbordseitig an einer Halterung montiert Einh ngetiefe 1 6 bzw 1 8 m Ein Bewegungssensor Typ Seatex MRU 6 erfasst schiffsbedingte Auslenkungen 3 3 Seebodenklassifizierungssystem Zur akustischen Klassifizierung der Sohloberfl che wird ein 200 kHz Einstrahlecholot vom Typ Furuno FCV 1000 verwendet Das Ger t arbeitet bei 6 dB mit einem ffnungswinkel von 7 4 einer Pulsl nge von 0 5 ms und einer Sendeleistung von 1000 W BARTHOLOM 2006 Die digitale Auswertung des Signalspektrums des ersten direkten R cklaufsignals erfolgt unter Verwendung des Seebodenklassifizierungssystem Typ QTC View und QTC Impact von Quester Tangent Spezielle Algorithmen dienen der Analyse von Echocharak teristik energie und wellenform der Einzelsignale COLLINS amp GALLOWAY 1998 Es fol gen Fourier und Clusteranalyse auf Grundlage derer schlie lich Klassen generiert werden die jeweils eindeutig akustische Gemeinsamkeiten aufweisen BARTHOLOM 2006 3 4 Seitensichtsonar Ein digitales Zweifrequenz 330 800 kHz Seitensichtsonar Typ 881 Sportscan von Image nex hat sich hier als geeignet erweis
53. Schwarze Elster Gutachten im Auftrag der STRABAG 2005 71 S FREDRICH F Funktionskontrolle Fischaufstieg des Vertical Slot Passes am Wehr 55 n Burg im Rahmen des DBU_Pilotprojektes Borstenanlagen im Spreewald Gutachten im Auf trag des LUA Brandenburg 2006 61 S FREDRICH F WIRTZ C Funktionskontrolle der Fischaufstiegsanlagen an den Spreewehren Kie kebusch und Spremberg Gutachten im Auftrag des LUA Brandenburg 2007 65 S FREDRICH F WIRTZ C Funktionskontrolle der Fischaufstiegsanlage an der Gewitterschleuse Wehr 23 im Leineweberflie Gewitterschleuse Gutachten im Auftrag des TWB Bo blitz 2007 45 S FREDRICH F WOLTER C amp WEIDNER T Die L cknitz seit 500 Jahren wieder durchg ngig Brosch re im Auftrag des Wasser und Landschaftspflegeverbandes Untere Spree 2007 Ministerium f r Umwelt und Naturschutz Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein Westfalen MUNLV Handbuch Querbauwerke 2005 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Jahrgang 1964 1985 1993 Studium der Geographie Biologie und Volkswirt schaftslehre an der Universit t Heidelberg 1997 2002 Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Freien Universi t t Berlin Projektbearbeitung im Rahmen eines BMBF Verbundprojektes zur Elbedkologie Untersuchungen wasserbaulicher Einrichtungen an Elbe und Oder im Auftrag der Bundesanstalt f r Was Kontakt serbau Dr Dipl Geo
54. W amp A BARTHOLOMA 1997 Response of the Wadden Sea to a rising sea level a predictive empirical model Deutsche Hydrographische Zeitschrift 49 1 2 1 11 FLEMMING B W amp K ZIEGLER 1995 High resolution grain size patterns and textural trends in the backbarrier environment of Spiekeroog Island Southern North Sea Senckenbergiana maritima 26 1 2 1 24 FREDS E J amp R DEIGAARD 1992 Mechanics of Coastal Sediment Transport Adv Ser Ocean Eng 3 369 pp World Sci Hackensack N J GERDES G KRUMBEIN W E amp H E REINECK 1985 Verbreitung und aktuogeologische Bedeutung mariner mikrobieller Matten 1m Gezeitenbereich der Nordsee Facies 12 75 96 KARLE M 2008 Turbulenzgesteuertes Erosionsverhalten von Wattsedimenten am Beispiel des R ckseitenwatts der Insel Spiekeroog Untersuchungen mit hochaufl sender Sonartechnik Elect Pub archive ub uni marburg de diss z2008 0083 pdf mk pdf Univ Marburg 108 pp Seite 87 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 88 LACY J amp C R SHERWOOD 2004 Accuracy of a pulse coherent Acoustic Doppler Profiler in a wave dominated flow J Atmosph Ocean Tech 21 1448 1461 POPE N D WIDDOWS J amp M D BRINSLEY 2006 Estimation of bed shear stress using the turbulent kinetic energy approach A comparison of annular flume and field data Cont Shelf Res 26 959 970 Tilch E 2003 Oszillation von Wattflachen u
55. Wassertiefen und Messpunktlagen Messdaten m ssen nicht mehr anschlie end von Hand in die Auswerteprogramme eingegeben werden Bekannte Fehlerquellen sind damit ausgeschal tet und die Qualit t von Durchflussmessungen wird sp rbar verbessert Zudem erlaubt die Messung negativer Geschwindigkeiten eine Verwendung des Ger tes in Messquerschnitten die durch R ckstr meffekte beeinflusst werden Durch die kompakte Bauform lassen sich sowohl oberfl chennahe 2 cm unter Wasserspiegel als auch sohlnahe 2 cm ber Sohle Geschwindigkeiten zu messen 4 Zusammenfassung und Ausblick Der OTT ADC zeichnet sich durch seine einfache Handhabung bei einem H chstma an Funktionalit t aus Er ist auf die Erfordernisse des t glichen gew sserkundlichen Routine messbetriebes ausgerichtet und wird damit den wachsenden Anforderungen an eine zeitnahe Verf gbarkeit qualitativ hochwertiger Messergebnisse gerecht Als j ngstes Mitglied in der Familie akustischer Str mungssensoren hat seine Zukunft gerade erst begonnen Durch die hochwertige Ausf hrung des OTT ADC sind nur wenige Wartungsarbeiten notwendig wel che sich im Wesentlichen auf eine pflegliche Behandlung und sorgsame Reinigung nach Gebrauch beschr nken Turnusm ige Neukalibrierungen des Sensors wie vom Messfl gel her bekannt sind nicht erforderlich Das spart definitiv Kosten f r Unterhalt und Betrieb Literatur EN ISO 748 Durchflussmessung in offenen Gerinnen Geschwindigkeitsfl chen
56. afischen und geologischen Verh ltnisse sowie Oberfl chenbeschaffenheit und unterschiedlichen Fl chennutzung die sich im unterschiedlichen hydrologischen Verhalten der naturr umlichen Einheiten widerspiegeln wird dieses auf die gro en Gew sser ausgerich tete Netz durch Pegel in kleineren Einzugsgebieten erg nzt welche die verschiedenen natur r umlichen Einheiten und Einflussfaktoren repr sentieren Einige Gew sser s nd durch die Bewirtschaftung und der damit einhergehenden Stauregelung in ihrem Abflussverhalten stark beeintr chtigt Die Ermittlung des Abflusses ist mit einer Wasserstands Abfluss Beziehung nicht m glich F r diese Gew sser bot sich die Installation von Ultraschall Durchflussmessanlagen an In Abbildung 1 ist beispielhaft die Realisierung als Kreuzstreckenanlage dargestellt Der Wasserstand entspricht etwa dem MW Wert Seite 15 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 16 Abb 2 Beispiel einer Ultraschall Durchflussmessanlage in einem Flie gew sser In einem zweiten Schritt wurden Pegel mit Ultraschall Durchflussmessanlagen aufger stet die entweder keine Seilkrananlage hatten bzw Ersatzbeschaffungen vorhandener Seilkranan lagen anstanden oder wo durch starke Verkrautung des Gew ssers im Pegelbereich eine stabi le Wasserstands Abfluss Beziehung nicht aufgestellt werden konnte Insgesamt betreibt das Land Baden W rttemberg 320 Pegel davon sind derzeit 26 mit Ultra schall Du
57. ahrt ist analog zu Verklappung V1 durchgef hrt worden und auch hier ist ca 30 Minuten nach der Verklappung bei Wiedererreichen des Klapp Punktes die Konzentration auf dem abschlie enden St tzprofil wieder ann hernd auf die Hintergrundtr bung zur ck gegangen Bei beiden aufgezeichneten Verklappungen wurde in der Wassers ule nach rd 30 40 Minu ten keine gegen ber der Hinterrundtr bung erh hte Schwebstoffkonzentration mehr gemes sen Seite 69 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Abb 5 3D Ansicht der Schleifenfahrt Verklappung 1 18 07 2007 12 40 kalibrierte Darstellung Abb 6 3D Ansicht der Schleifenfahrt Verklappung 1 18 07 2007 16 00 kalibrierte Darstellung Seite 70 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Zur Beurteilung der r umlichen Ausdehnung der Tr bungswolke sind die georeferenzierten Darstellungen in Abb 7 und Abb 8 gew hlt worden Hierzu ist zun chst die Hintergrundtr bung aus den Nullmessungen festgestellt worden welche sich zu 15 mg l Nullmessung 1 und 13 mg l Nullmessung 2 ergeben haben Diese Werte wurden jeweils als Schwellwert f r die Bereiche erh hter Tr bung angesetzt Aus den Ergebnissen der Schleifenfahrten sind dann tiefengemittelte georeferenzierte Werte f r die Schwebstoffkonzentration extrahiert und in 2 Stufen klassifiziert dargestellt worden Blau bedeutet hierbei dass der tiefengemittelte Wert der Schwebstoffkonze
58. alterung in einer Einh ngetiefe von 1 8 m betrieben 3 6 Probennahme Die Kalibrierung und Verifizierung akustischer Daten erfolgt ber stichpunktartige Proben nahmen Ein horizontaler Wassersch pfer der Firma HydroBios dient der punktuellen Ent nahme von 2 L Probenvolumen Dieser kann auch bei h heren Str mungsgeschwindigkeiten durch eine Finne zur Einregelung des Sch pfers in den Strom eingesetzt werden Eine weit gehend ungest rte Oberfl chensedimentbeprobung erfolgt mit einem Shipekgreifer mit dem bis zu 3000 ml Sediment Grundfl che 20 cm x 20 cm gef rdert werden k nnen MURDOCH amp AZCUE 1995 Zur vertikal hoch aufgel sten Beprobung des bergangsbereiches von fl s sig zu fest wird ein Schwerelot vom Typ Rumohr eingesetzt MEISCHNER amp RUMOHR 1974 Bis zu 4 m lange Durchmesser 8 cm Plexiglasrohre werden in 10 cm Abst nden jeweils mit 2 cm gro en L chern versehen und diese dann f r den Einsatz mit Tape abgedichtet Zur Beprobung werden die L cher angeschnitten und das Probenmaterial je nach Konsistenz ent weder per Schlauch oder Spritze entnommen SCHROTTKE et al 2006 Die Beprobungsab st nde k nnen frei um 10er Schritte vergr ert werden Die Bestimmung von SSC Vakuumfiltration ber 1 2 u Glasfaserfilter Sedimentzusam mensetzung und Korngr enverteilung u a Veraschung der Organik Sedigraph Sedimen tationsr hre sowie rheologischen Parametern Viskosimeter erfolgt im Labor 4 Ergebnisse
59. ann sich vertikal ber mehrere Sedimentlagen erstrecken und ist dabei oft an einen Phasenversatz gekn pft Die Daten lassen erkennen dass diese Grenzfl chenauslenkungen nicht statisch sind sondern sowohl mit als auch gegen den Tidestrom migrieren W hrend die Ausbildung fl ssiger Schlicke in der Ems oft ber weite Bereiche der Sohle erfolgt ist in der Weser vielmehr ein kleinr umiger Wechsel von schwach konsolidierten Sedimenten und konsolidierter Sohle anzutreffen Oft beschr nken sich derartige Ablagerun gen in der Weser auf lokale Vertiefungen Bei Pr senz fl ssiger Schlicke wird die Sohltopo grafie eingeebnet Selbst gro fl chige subaquatische D nenfelder k nnen dabei in Abh ngig keit von der D nengr e und den zur Verf gung stehenden Schwebstoffmengen vollst ndig berlagert werden Die Charakteristik der Ablagerungen variieren insgesamt nicht nur vertikal durch Dichtezu nahme nderungen der Sedimentzusammensetzung und der Viskosit t Vergleichbare nde rungen bzw Variabilit ten der Charakteristik fl ss ger Schlicke ber gr ere Fl chen zeich nen sich in den QTC Daten ab 5 Schlussfolgerungen In der Literatur finden sich viele Angaben zur stuarinen Schwebstoffdynamik in denen aber meistens aufgrund fehlender Messdaten nur Teilaspekte beleuchtet werden ADCP Daten werden nach teils aufwendiger Kal brierung des R ckstreusignals vielfach f r Quantifizie rungen von Schwebstoffgehalten in der Wassers
60. ariation in sediment discharge gt flow velocity and sediment concentration measured by a single intrument gt less influence of bio fouling and other sensor detoriation effects gt due to distant sensing capability of H ADCP the opportunity exists of more ro bust mounting of H ADCP resulting in more confidence on correct measurement of high discharge events For the monitoring of suspended local bed material more research is needed for the vertical extrapolation of the measured sediment concentrations 6 Literatur COLES D The law of the wake in the turbulent boundary layer Journal of Fluid Mechanics 1 1956 HOITINK A J F P HOEKSTRA Observations of suspended sediment from ADCP and OBS measurements in a mud dominated environment Coastal Engineering 52 2004 LE COZ J G PIERREFEU M JODEAU A PAQUIER Mean vertical velocity profiles from ADCP river discharge measurement datasets 32 congress of IAHR Venice 2007 MAUSHAKE C Untersuchungen zur Schwebstoffdynamik 1m Elbeastuar auf Basis von ADCP Messungen Kuste 2008 WASS P D G J L LEEKS Suspended sediment fluxes in the Humber catchment UK Hydro logical Processes 13 1999 Seite 63 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 64 Kontakt Pim van Santen Aqua Vision BV Servaasbolwerk 11 3512 NK Utrecht The Netherlands Tel 31 30 2459872 Fax 31 30 2459499 E Mail p vansanten aquavision nl 1993 2000 Study Phys
61. as Gebiet dann umgehend und das in unmittelbarer N he bereitstehende Messfahr zeug beginnt Profilfahrten in Luv der entstehenden Tr bungswolke durchzuf hren diese also m glichst in einem rechten Winkel zur Str mungsrichtung zu verfolgen Zick Zack Kurs oder Schleifenfahrt ii Abb 2 gro es Bild Spaltklappschute HH205 auf Revierfahrt kleines Bild Spaltklappschute HH204 schlie t nach Verklappung Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 3 1 Nullmessung Vor den Verklappungen ist im Untersuchungsgebiet je eine Nullmessung im Randbereich der ausgewiesenen Klappstelle durchgef hrt worden um die jeweilige Hintergrundtr bung in der Ostsee zu erfassen siehe Abb 3 Au erdem sollten hierdurch Str mungsrichtung und geschwindigkeit festgestellt werden um die Richtung der nach der Verklappung durchzu f hrenden Profilfahrten festzulegen Zur Kal brierung der ADCP Signale sind w hrend der Nullmessungen auf station ren Verti kalprofilen Wasserproben in unterschiedlichen Tiefenschichten durch Abpumpen Pumppro ben entnommen und CTD Messungen zur Erfassung von Salzgehalts und Temperaturprofi len durchgef hrt worden Hieraus wurde in der sp teren Auswertung die Hintergrundtr bung abgeleitet Abb 3 3D Darstellung der Nullmessung V1 aus Bildschirmabzug der Echtzeit Datenerfassung mit VISEA PDT Farbverlauf nicht kalibriert rot mehr Schwebstoff blau weniger Schweb
62. ate X and M HAY AND SHENG 1992 described and tested a method of particle size determination using multi frequency acoustic backscatter The principle is to use the frequency dependent varia tion in backscatter form function for particles where ka lt 2 Figure 2 where a is the mean radius and k is the wave number equal to 2zf c and c is speed of sound For particles that lie on this sloping region for at least one frequency and which return sufficient backscatter to be detected a ratio between two or more frequency responses may be calculated Figure 3 shows typical form function ratios for frequencies of 1 MHz 2 MHz and 4 MHz Using fre quencies of 1 MHz 2 25 MHz and 5 MHz Hay and Sheng were able to estimate particle sizes in the range 50 um to 170 um to between 10 and 20 They also noted that once the relative sensitivities of the three frequencies had been established the calibration of the sys tem was site independent Mean form function for irregular shaped scatterers Thorne et al 1995 ka or WW wo m O M Figure 2 Sediment form function 500 450 400 4Mhz 1Mhz 5 350 2Mhz 1Mhz a z 300 4Mhz 2Mhz 250 S 200 g 150 4 100 50 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Ratio of Form Functions Figure 3 Ratios of form functions at different frequencies Seite 49 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 50 The AQUAscat Instrument In 1992 Aquatec Electro
63. auer von 240 Sekunden In der Praxis bedeutet dies dass die alleinige Betrachtung von Mittelwerten zumindest in F llen unstetiger Str mungen die Passierbarkeit z B eines Schlitzes nur unzureichend be schreibt Abbildung 7 stellt die Flie geschwindigkeiten innerhalb eines Schlitzes der kurzfris tigen Sprintgeschwindigkeit eines etwa 10 cm langen Fisches gegen ber Die Sprintge schwindigkeit liegt ber der mittleren Flie geschwindigkeit Insofern K nnte der Schlitz als passierbar beurteilt werden Bei Ber cksichtung der Str mungsschwankungen innerhalb des Beobachtungszeitraums ergibt sich allerdings dass nur w hrend weniger und kurzer Phasen eine Passage m glich ist Es ist fraglich ob sich Fische ausreichend lange in einer Warteposi Seite 93 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 94 tion halten k nnen oder eventuell zuf llig den richtigen Moment abpassen Die Beurteilung der FWH muss unter diesen erweiterten Betrachtungen also kritischer ausfallen FREDRICH amp WIRTZ 2005 3 Zusammenfassung Str mungsmessungen insbesondere mittels zeitlich und r umlich hoch aufl sender und punktueller Ultraschall Velocimetrie erweitern die Aussagef higkeit von Funktionskontrol len von Fischwanderhilfen erheblich Neben der Lokalisierung und Quantifizierung von Str mungsbereichen wie Ruhezonen Wirbeln und Walzen und Abschnitten mit hohen Str mungen bietet die exakte Erfassung von kontinuierlich
64. b Bundesanstalt fiir Gewiisserkunde a 2 2008 r a J Hydrologische Wissenschaften Fachgemeinschaft in der DWA Veranstaltungen Hy Ultraschall in der Hydrometrie Hydrologieund neue Technik neuer Nutzen upauschss der OW Seminar am 3 4 Juni 2008 in Koblenz Koblenz April 2008 Impressum Herausgeber Bundesanstalt f r Gew sserkunde Am Mainzer Tor 1 Postfach 20 02 53 56002 Koblenz Tel 0261 1306 0 Fax 0261 1306 5302 e mail posteingang bafg de Internet http www bafg de Druck Druckpartner Moser Druck Verlag GmbH Rheinbach ISSN 1866 220X Inhaltsverzeichnis Physikalische Randbedingungen station rer Systeme zur Durchflussmessung e008 J rgen Skripalle Betrieb von Ultraschall Durchflussmessanlagen in Baden W rttemberg sscscssssoees Manfred Juraschek Durchflussmessanlage Wireless Entwicklung einer kabellosen Laufzeit Messmethode Peter Franke und Wolfgang Frey Durchflussbestimmung bei gr eren Geometrien mit Ultraschall Kreuzkorrealionsverfahren cccccscsssssccccccccccscccscsccccccccccccscscscscccccccccsscscscscscccccccscesescscsccccsececs Michale Teufel OTT ADC modernste Str mungsmesstechnik f r die klassische Durchflussmessung nach dem Lotrechtenverfahren ccccccesccccsccscsccsccscsccsccccscescaccsccccscescaccsccccscescaccscccccccscescacesces Stefan Siedschlag Mehrpfad Ultraschalllaufzeitmessung in nat rlichen Fl
65. beschreibt einen Puls U U sin o r Bundesanstalt f r Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 33 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 34 wobei U die Amplitude des Ultraschallwelle ist die Abstrahlfrequenz und die Laufzeit Bei Chirp Pulsen ist keine Konstante mehr wie das f r einen normalen Puls der Fall ist sondern h ngt von der Zeit ab Ein linearer Chirp l sst sich z B beschreiben durch O 0 k t mit und k als konstanten Werten Die Abbildung 4 zeigt einen linearen up und down JUNI N Chirp im Vergleich zu einem normalen Plus Abb 4 Normaler Ultraschallpuls up Chirp down Chirp Um mit Chirps arbeiten zu k nnen m ssen Keramik Wandler genutzt werden die eine breitbandige Anregung erlauben Auch das Empfangs Filter muss an die Frequenzbedin gungen angepasst sein dies ist allerdings mit digitalen Filtern m glich Idealerweise sind die Chirps zueinander orthogonal da dann eine gute Trennung ohne bersprechen m glich ist Diese ideale Orthogonalit t ist in der Praxis gest rt da die Frequenzantwort des Pulses durch die 3 4 A Anpassschicht und die Einkopplung ins Wasser modifiziert ist Neben der verbesserten Korrelation hat der Pulse auch eine h here Intensit t in dem Ultra schallpuls somit kann auch bei gr eren Abst nden zuverl ssig gemessen werden 3 Erste Anwendungen des OCM Pro LR Er
66. bietsvergleich entsprechende Ablagerungen in der Ems Machtig keiten von bis zu 6 m bei gleichzeitig meist h herer Dichte und oft deutlicher Stratifizierung Abb 2d In der Weser hingegen werden nur rund 15 der Wassers ule tempor r von hoch konzentrierten Feinsedimenten eingenommen die im Zuge der wiederkehrenden Tidestr mung meist vollst ndig resuspendieren In der Ems erfolgt in Abh ngigkeit der Schichtdich ten oft nur eine partielle Resuspension H her konzentrierte Lagen bleiben selbst bei Str mungsgeschwindigkeiten gt 1 5 ms erhalten Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 In beiden Gebieten beginnt der Resuspensionsprozess oft mit der wellenf rmigen Auslen kung der Grenzfl chen bei wiederkehrendem Tidestrom Abb 2c d Im Gegensatz zur We ser wo diese meist nur geringe Amplituden im Dezimeterbereich aufweisen und nicht lange stabil bleiben sind Wellenformationen mit Amplituden von mehreren Metern in der Ems keine Seltenheit Abb 2d Das Auftreten gr erer interner Wellen ist oft an nderungen der Sohltopografie gekn pft Basierend auf neuesten dreidimensionalen Aufnahmen dieser Struk turen ist die Wellengeometrie u erst variabel ber Raum und Zeit In Abh ngigkeit der St rke des Tidestromes kann das Wellenspektrum von sinuidal zweidimensional bis asym metrisch dreidimensional reichen und gr ere Wellenformen von Kleineren berlagert wer den Abb 2d Die Grenzfl chenanregung k
67. ch ist bei der Installation u erste Sorgfalt bei der horizontalen Ausrichtung der Schallkeule geboten da kleine Winkelungenauigkeiten am Sensor eine gro e vertikale Verschiebung der Messzellen weiter im Gew sser hervorrufen Einstellungen mit einer Genauigkeit von 0 5 und besser sind ein absolutes Muss damit die theoretische Reichweite auch erzielt werden kann ffnungswinkel 1 87 1 4 Ao a theoretische Reichweite in m 0 1 0 2 0 3 04 05 2 3 4 6 7 8 amp 8 9 10 Wasserstand in m Abb 6 Geometrische Reichweite eines H ADCPs in Abh ngigkeit des Offnungswinkels Die Signald mpfung durch Schwebstoffe oder die Ablenkung durch Dichtegradienten wurde nicht ber cksichtigt 5 Schalld mpfung Die D mpfung der Schallwellen kann auf drei wesentliche Mechanismen zur ckgef hrt wer den auf die geometrische Abnahme der Intensit t auf die frequenzabh ngige D mpfung durch Absorption also die Umwandlung der Schallenergie in W rme und auf die ebenfalls frequenzabh ngige D mpfung durch die im Wasser vorhandenen Schwebstoffpartikel Bei allen Vorg ngen wird nur die Amplitude vermindert andere Parameter wie die Frequenz bleiben unver ndert Die geometrische Schallabnahme ist vorhanden da die Intensit t mit der Entfernung abnimmt Bei der Kugelwellenausbreitung nimmt die Intensit t mit dem Quadrat der Entfernung ab In logar thmischer Schreibweise erh lt man f r den Verlust in Dezibel 20 lg r ro mit r der Ent
68. chungszentrums Ozeanr nder Marum in Bremen gemeinsam mit dem For schungsinstitut Senckenberg am Meer in Wilhelmshaven aufgegriffen und durch den zeitglei chen Einsatz hydroakustischer Messger te in den stuaren der Weser und Ems innerhalb der letzten Jahre umgesetzt worden Hier gilt es vornehmlich den Ansatz kombinierter Messtech nik vorzustellen mit dem detaillierte Einblicke n die stuarine Schwebstoffdynamik m glich werden Seite 75 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 76 2 Untersuchungsgebiete und Datenbasis Um berregional geltende Aussagen zur Schwebstoffdynamik in Tide stuaren treffen zu k nnen werden Messungen in zwei unterschiedlichen Gebieten dem Weser und Ems stuar durchgef hrt Beide Fl sse m nden in die Nordsee Abb 1 Sie unterliegen der dort vorherrschenden semidiurnalen Tidezyklizit t sowie gleichen klimatischen Bedingungen Ferner z hlen beide stuare zu denen deren urspr ngliche Geometrie und nat rliche Dyna mik durch K stenbauma nahmen ma geblich ver ndert worden ist Heute unterscheiden sie sich vor allem in den unterschiedlich hohen Schwebstoffkonzentrationen sowie in der Pra senz und M chtigkeit fl ssiger Schlickablagerungen Weitere Gebietsinformationen sind in Tabelle 1 aufgelistet Abb 1 Geografische Lage des Ems a und des Weser Astuars b Tabelle 1 Vergleichende Gegeniiberstellung von Gebietsinformationen tiber das Weser und Ems A
69. den genutzt um den Durchfluss in voll und teilgef llten Rohren und in Kan len zu bestimmen In vollgef llten Rohren sind die Geschwindigkeitspro file bekannt FIEDLER 1992 und erlauben eine einfache Bestimmung des Durchflusses Bei Teilf llungen in Rohren und Kan len wird eine zus tzliche H henmessung ben tigt aus dieser wird ber die Geometriedaten der durchstr mte Querschnitt bestimmt Deshalb enth lt der Sensor einen Ultraschallsensor der aus einer Laufzeitmessung eines Ultraschallpulses zur Wasseroberfl che die H he bestimmt sowie einen weiteren hydrostatischen Sensor der ebenfalls den F llstand misst Auch die Nutzung eines externen F llstandssensors ist m g lich Durch die Wahl der H henmessung k nnen applikative Gegebenheiten ideal ber cksich tigt werden Die H henmessung dient gleichzeitig dazu die Lage der Zeit Raumfenster fest zulegen Wie sich aus diesem Geschwindigkeitsprofil der Volumenstrom ableiten l sst soll hier nicht beschrieben werden einige Informationen hierzu finden sich in fr heren Ver ffent lichungen TEUFEL 2006 2 3 Benutzung der Kreuzkorrelation bei gr eren Abmessungen Die im vorherigen Abschnitt beschriebene Kreuzkorrelation des OCM Pro CF hat eine we sentliche Limitation die maximale F llstandsh he bis zu der dieses Ger t Geschwindigkeiten bestimmen kann betr gt 1 00 m oder 1 50 m entlang des Messstrahls F r gr ere Abmes sungen m ssen numerische und oder empirische Daten
70. deutschen Raum Neue Wege der Schadstoffbek mpfung
71. e S auf der gegen berliegenden Gew sserseite Die Kabel als Verbindung zwischen beiden Gew sserseiten entfallen Es kommen neue Komponenten hinzu die die Steuerung Synchronisation und drahtlose Daten bertragung untereinander realisieren Alle Teilsysteme sind akt ve autarke Systeme die ber eine drahtlose bertragungsstrecke miteinander kommunizieren F r die drahtlose digitale ber tragung der Steuer und Messwerte zwischen den Wandlern werden beispielsweise Wire less Local Area Network WLAN oder Bluetoothadapter BT eingesetzt Die auf beiden Uferseiten eingesetzten Teilsysteme werden unabh ngig voneinander mit einem Quarz synchronisiert Um sie synchron laufen zu lassen wird ein hardwareausgel stes externes und weltweit gleiches Signal im Nanosekunden Bereich benutzt gemeint ist ein satellitengest tztes GPS Signal Ein einheitliches Protokoll verarbeitet das Signal und spe zielle Oszillatoren gew hrleisten dass alle Messsysteme und damit auch die Steuerungs hardware synchron laufen Die beiden Wandler eines akustischen Pfades werden auf diese Weise mit einer im Pikosekunden Bereich angesiedelten Genauigkeit synchronisiert Daf r musste die bisherige kabelgebundene Messtechnik vollkommen ver ndert und eine spezielle Master Slave L sung neu entwickelt werden Steuerworte vom Master an den Slave und Status bzw Messwerte vom Slave an den Master werden ber eine drahtlose Verbindung wie WLAN Bluetooth oder existier
72. e mit hoher Aufl sung cm dm zur ckgegriffen werden da hohe Reichweiten keine Rolle spielen In stuarinen Tr bungszonen mit hohen Schwebstoffgehal ten steigt die sedimentbedingte Signaldampfung jedoch oft erheblich an wodurch aufwendi ge Anpassungen des D mpfungskoeffizenten insbesondere hochfrequenter ADCPs n tig sind Eine akustische Durchdringung durch sohlnahe hochkonzentrierte Suspensionen bzw fl ssigen Schlick erfolgt meist nicht so dass h ufig der bergangsbereich zwischen Wasser s ule und fester Sohle beim Einsatz hochfrequenter ADCPs messtechnisch unerfasst bleibt Die in dem bergangsbereich stattfindenden Sedimentations und Erosionsprozesse sind jedoch von elementarer Bedeutung f r das Gesamtverst ndnis der Schwebstoffdynamik Diese L cke l sst sich durch den Einsatz eines parametrischen Sedimentecholotes SES schlie en mit dem die Erfassung der Dynamik sohlnaher Suspensionen bzw fl ssiger Schli cke aber auch des tieferen Gew ssergrundes in hoher vertikaler Aufl sung m glich wird SCHROTTKE et al 2005 2006 Oft werden Vergleiche mit herk mmlichen meist Zweifre quenzecholoten angef hrt mit denen zwar zwei Sedimentoberfl chen detektierbar sind eine eindeutige Zuordnung der festen Sohle bei Pr senz mehrerer Sedimentlagen aber oft nicht unproblematisch ist M LLER 1985 Mit dem SES k nnen auch unterschiedlich hoch kon zentrierte Suspensionen bzw Schlicke durch Impedanz nderungen sichtbar gemacht we
73. eich durchgef hrten Sohlenpeilungen dargestellt Aufgrund der deutlichen tieferen Sohlenh he entlang der Fahrrinne in den ESK wird vermu tet dass kurz vor den Messungen Baggerungen durchgef hrt wurden Sohlenh he m NN 4 0 a 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 0 0 5 1 0 omo 0m 100m Abb 14 Darstellung der Sohltopografie im M ndungsbereich des ESK mit Ausschnitt aus der DBWK I gt Seite 106 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 6 Schlussbetrachtung Die gro fl chige Erfassung 3 dimensionaler Geschwindigkeitsvektoren in kurzer Zeit gibt wichtige Hinweise zum Systemverst ndnis gro skaliger Str mungsvorg nge Sie dient zur Beurteilung wasserbaulicher Ma nahmen und tr gt zum Verst ndnis der Wechselwirkung zwischen hydraulischen und morphologischen Prozessen bei Ein weiterer wichtiger Aspekt sind umfangreiche Monitoringkampagnen wodurch langzeitliche Ver nderungen aufgedeckt werden k nnen Schlie lich dienen gro fl chige Geschwindigkeitsaufnahmen auch zur Ka librierung und Validierung von hydrodynamisch numerischen und gegenst ndlichen Model len Literatur ADLER M ADCP Messungen an Bundeswasserstra en Akustische Doppler Ger te n der Hydrometrie M glichkeiten und Perspektiven einer innovat ven Technik Beitr ge zum Seminar am 28 29 September 2005 in Koblenz Forum f r Hydrologie und Wasserwirtschaft Heft 12 05 Koblenz 2005 HENNING
74. eide werden ber eine Sensoranschlussleitung miteinander verbunden und mit Hilfe flexibler Adapter an herk mmlichen Messstangen montiert Der Sensor ist das Basiselement des Ger tes In hm sind alle wichtigen zur Messung von Flie geschwindigkeit Wassertiefe und Tem peratur notwendigen Baugruppen untergebracht Abb 1 zeigt den Sensor bei der Messung einer oberfl chennahen Geschwindigkeit Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Abb 1 OTT ADC bei der Messung einer oberfl chennahen Geschwindigkeit Mit dem OTT ADC k nnen Flie geschwindigkeiten von 20 cm s bis 2 40 m s bei einer Genauigkeit von 1 des gemessenen Wertes 2 5 mm s gemessen werden Die Einhaltung dieser extrem hohen Genauigkeitsanforderung tiber den gesamten Messbereich wurde durch eine ISO normgerechte Pr fung ISO 3455 2007 im Eichkanal der unabh ngigen niederl n dischen Forschungsanstalt WL I delft hydraulics best tigt und zertifiziert Abb 2 ADC reading deviation m s 0 Table 1 Velocity calibration results U i Calibrated by J van der Pot j Fi Approved by B W G Blok r Abb 2 OTT ADC Zertifikat ber die Messgenauigkeit im Eichgerinne der WL I delft hydraulics Seite 39 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Die eigentliche Messung der Geschwindigkeit erfolgt in einem 10 cm vor dem Sensorkopf befindlichen Messvolumen Abb 3 b IE a Abb 3 ea Rp OTT A
75. eiligen Methode zu eliminieren Ungeachtet der technischen M glichkeiten darf aber auch nicht au er Acht gelassen werden dass Komponenten in einer nat rlichen und bei Hochwasser in einer rauen Umgebung installiert werden was ein gewisses Ma an War tung und Pflege erfordert Seite 13 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 14 Literatur ISO 6416 Hydrometry Measurement of discharge by the ultrasonic acoustic method Third Edition 2004 LAENEN A SMITH W Acoustic systems for the measurement of streamflow U S Geologi cal Survey Water Supply Paper 2213 1983 LURTON X An introduction to underwater acoustics principles and applications Springer Verlag Chichester 2002 URICK R J Principles of underwater sound for engineers McGraw Hill Book Company New York London 1967 Zi IIS Kontakt Dr Ing Jiirgen Skripalle HydroVision GmbH Gewerbestra e 61A 87600 Kaufbeuren Tel 08341 966218 0 Fax 08341 96660 30 j Skripalle hydrovision de 1985 Abschluss der Diplom Priifung Dipl Ing FH an der Fachhochschule K ln 1989 Abschluss der Diplom Priifung Dipl Ing TH an der Technischen Universitat Berlin 1993 Promotion zum Dr Ing an der Technischen Universitat Berlin seit 1993 Gesch ftsf hrender Gesellschafter der Firma Hydro Consult GmbH seit 2002 Gesch ftsf hrender Gesellschafter der Firma HydroVision GmbH Projektbearbeitung Entw
76. ektoren der Messkampagnen am Abb 7 Main bei Eibelstadt oben Ausschnitt der Messungen bei MW unten Ausschnitt der Messungen bei HSW In Abb 7 st ein Ausschnitt der Ergebnisse der Messkampagnen dargestellt Es s nd die tie fengemittelten Geschwindigkeitsvektoren vor dem Umbau rot und nach dem Umbau blau eingezeichnet Betrag und Richtung der Geschwindigkeitsinformationen geben wichtige Hinweise zum Verst ndnis der Str mungsvorg nge Des Weiteren k nnen aus den Profilmessungen z B Durchflussverteilungen getrennt nach Hauptgerinne Buhnenfeld bestimmt und zur Beurteilung herangezogen werden Hochwasser Mittelwasser Vor Ausbau Vor Ausbau Nach Ausbau Nach Ausbau 4 6 8 Gel in Prozent 0 2 2 263 9 263 7 263 5 264 1 263 9 263 7 263 5 264 1 Main km Main km Darstellung des prozentualen Anteils des Buhnenfelddurchflusses vom Gesamtdurch Abb 8 fluss links Messungen bei MW rechts Messungen bei HSW Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 5 2 Elbe Sch nberg Das Wasser und Schifffahrtsamt Magdeburg beauftragte die Bundesanstalten f r Wasserbau und Gew sserkunde BAW BfG mit der Entwicklung neuer Buhnenformen Zus tzlich zur hydraulischen Wirksamkeit wurde eine erh hte morphologische Dynamik im Buhnenfeld zur Verbesserung kologischer Funktionen gefordert Aus verschiedenen Untersuchungen wur den zwei Buhnenformen abgeleitet HENNING amp HENTSCHEL 200
77. el de Kontakt Dr Alexander Bartholom Forschungsinstitut Senckenberg S dstrand 40 26382 Wilhelmshaven Tel 04421 94 75 210 Fax 04421 94 75 222 abartholomae senckenberg de Bundesanstalt f r Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Geboren 1971 n Hamburg Fachgebiet K stengeologie 1992 1997 Geologie Studium an der Universit t Kiel 2001 Promotion an der Math Nat Fakult t der Universit t Kiel Projektarbeit 2001 2002 am Forschungs und Technologie zentrum Westk ste n B sum 2002 2007 am DFG Forschungszentrum Ozeanrander Marum rcom der Universit t Bremen seit 2008 Leitung der JRG B5 1 Sea Level Rise amp Coastal Erosion des Exzellenzcluster Future Ocean der Universit t Kiel 1987 Diplom am Fachbereich Geowissenschaften Freie Universit t Berlin 1992 Promotion am Fachbereich Geowissenschaften Freie Universit t Berlin 1992 1997 Post Doc am Forschungsinstitut Senckenberg Wilhelmshaven seit 1997 Fachgebietsleiter Marine Sedimentologie Abt f r Meeresforschung Forschungsinstitut Senckenberg seit 2004 Lehrbeauftragter an Universit t Bremen Forschungsgebiete Transportprozesse marine Sedimentologie Meeresgeologie und Kustengeologie Schwerpunkt Wattsysteme Marine Fernerkundung und Hydroakustik Seite 83 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 84 Bodennahe Turbulenzmessungen m Labor und Feld Alexander Bar
78. ellung nahe Abbildung 5 zeigt jedoch dass dies nicht immer die beste L sung ist O m s 3 4 m s i ee Abb 5 Darstellung der Flie geschwindigkeiten im Querschnitt Referenz NONE BT Die genauere Betrachtung einer einzelnen Messfahrt in WinRiver zeigt dass je nach verwen deter Referenz BT oder NONE die Anzahl der zur Verf gung stehenden Daten stark variie ren kann Bei Referenz BT rechtes Bild ist die Datendichte um einiges geringer als bei Re ferenz NONE linkes Bild Dies liegt darin begr ndet dass der ADCP wie bereits be schrieben bei der Berechnung der absoluten Flie geschwindigkeiten auf zus tzliche Infor mationen des Kompasses und des BT Signals angewiesen ist Sind diese Informationen nicht vorhanden beispielsweise weil die ausgesendeten Messstrahlen aufgrund hoher Schweb stoffkonzentrationen nicht mehr zum Ger t zur ck gelangen konnten oder weil die empfan genen Daten nicht eindeutig interpretiert werden konnten ist der ADCP nicht in der Lage die erfassten Relativgeschwindigkeiten in Absolutwerte umzurechnen Dies f hrt zu L cken so genannten Fehlensembles in den Datens tzen Betrachtet man hingegen die Messdaten mit der Referenz NONE geht der ADCP auch bei der Erfassung der Flie geschwindigkeiten davon aus dass er selbst sich in Ruhe befindet Das bedeutet die erfassten Relativwerte sind identisch mit den Absolutgeschwindigkeiten die BT Daten m ssen in diesem Fall nicht be r cksichtig
79. em Kraftwerkskanal und das aus dem nat rlichen Flusslauf wieder zusammenflie en wo Wasser aus einem Altarm mit demjenigen aus dem begradigten Flusslauf zusammenstr mt wo durch Tiefenentnahme aus einem Staudamm Wasser mit dem nat rlichen Durchfluss vermischt wird oder wo im Bereich der M ndung See und Flusswasser mit unterschiedlichen Temperaturen aufeinan dertreffen Salzgehaltgradienten haben einen hnlichen Einfluss Da diese Effekte nur bei Fl ssen im Tidegebiet oder bei der Einleitung gro er salzhaltiger Volumenstr me auftreten ist diese St rung bei Installationen in Binnengew ssern nicht sehr verbreitet Seite 7 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 8 Die physikalischen Vorg nge bei einem vertikalen Dichteunterschied also der nderung der Dichte ber die Wassertiefe und die damit verbundene Ablenkung des Schallstrahls werden exemplarisch an einer Laufzeitdifferenzanlage erl utert Da die Schallgeschwindigkeit im Bereich mit w rmerem Wasser h her ist wird der Schallstrahl zur Wasseroberfl che hin ge beugt am Wasserspiegel reflektiert und l uft dann wieder in den tieferen Bereich zur ck Die einzelnen Druck wellen berlagern sich dabei In der Phase gegenl ufige Druck wellen l schen sich aus in der Phase gleiche Druckwellen verst rken das Signal Superposition W hrend das urspr nglich direkte Signal das gegen berliegende Ufer berhaupt nicht mehr erreicht wird am Empf nger n
80. em im linken Quer schnittsbereich nicht mit den Ergebnissen der Fl gelmessungen berein Der Grund f r die Untersch tzung ist n Abb 4 dargestellt P i i i i i 1 i i i I I i a i i i i i i ef a fe e i a i i i i i i i i f ce i i F nndunamnmduunn eee ee oe me ok ar rn er ae i i i i 1 i i i a l l i RN i i i pey i a i _ i i a A i i a Bi i i i i i oe ee un eee nn ed ee De i sw 8 i i i A i i i i i 1 1 i i i oe a i l n i i i k Refere Messptad i Hr ri tats chlicher Messpfad Ba aa aa ee at spfad Referenz BT Abb 4 Mittlere FlieBgeschwindigkeitsverteilung im Messquerschnitt links tats chlicher und mit Referenz BT ermittelte Messpfade rechts Unter Ausnutzung des Doppler Effekts kann der ADCP nur die Relativgeschwindigkeiten zwischen den Partikeln im Wasser und sich selbst ermitteln Um daraus absolute Flie ge schwindigkeiten zu berechnen ben tigt er zus tzliche Informationen ber seine Eigenbewe gung die er durch Auswertung des ger teinternen Kompasses und des BT Signals erh lt Bei der Abtastung der Sohle wird jedoch vorausgesetzt dass sich diese in Ruhe befindet und die erfasste Relativbewegu
81. en SCHROTTKE et al 2006 Der nur 4 5 kg schwere ohne Zusatzgewichte und 83 cm lange Schleppfisch Durchmesser 11 cm kann ohne Win deneinsatz problemlos betrieben werden und erm glicht damit schnelle Schiffsman ver Be nutzt wird die niedrige Frequenz ffnungswinkel 1 8 bzw 60 Aufl sung 45 mm Die Abtastbreite betr gt 30 bzw 60 m pro Kanal bei Pulsraten von 11 2 Hz bzw 7 8 Hz und Pulsinterwallen von 89 bzw 128 ms Die Pulsl nge lt 25 ms wird automatisch angepasst Der Sonarfisch wird vom Heck des Schiffes mit 3 5 Kn geschleppt Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 3 5 F cherecholot Im Rahmen j ngster Messungen wird ein F cherecholot Typ Seabat 8125 von Reson ein gesetzt Das System arbeitet mit 455 kHz zur Generierung des Sendesignals ffnungswin kel 1 bzw 130 240 Tiefenwerte werden simultan ber eine Messdistanz von max 120 m ermittelt Die Empf ngergeometrie ergibt eine F cherbreite von 120 0 5 bzw 20 Der Abtastbereich n mmt mit zunehmender Entfernung vom Nadir zu ERNSTSEN et al 2006 Bei Wassertiefen lt 60 m ergibt sich eine Streifenbreite von 3 5 x der Wassertiefe die bei Wassertiefen gt 60 m abnimmt Die vertikale Aufl sung betr gt 6 mm Die maximale Pulsrate betr gt 40 Hz Schiffsbewegungen werden ber einen Kreiselkompass mit Bewegungssensor Typ OCTANS von Ixsea Oceano kompensiert Der Schallwandler wird ebenfalls back bordseitig mittels H
82. en Gew sserabschnitten und be gr eren Gew sserbreiten haben s ch Laufzeitdifferenz Ultraschall Durchflussmessanlagen bew hrt Die unbegrenzte Reichweite der Messpfade die Robustheit und Qualit t der Messwerte auch bei hoher Schwebstoffkonzentration sowie die Einsetzbarkeit in tidebeeinflussten stuarien verlangen ihre Anwendung Bei kleinerer Ge w sserbreite liefert der Einsatz einer nach dem Doppler Prinzip arbeitenden Anlage ebenfalls qualitativ einwandfreie Messwerte kabelgebundene L sung Ufer hydroakustischer Wandler m gliche Flie richtung lt gt Oberflachengewasser Kabelf hrung hydroakustischer Wandler Abb 1 Schematische Darstellung einer Einebenen Einstrecken Ultraschallmessanlage Seite 23 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 24 3 Kabellose Laufzeitdifferenz Ultraschall Durchflussmessanlage Die patentrechtlich gesch tzte Entwicklung von Quantum Hydrometrie Die Substitution aller Kabelverbindungen durch synchron arbeitende autarke Sende und Empfangseinheiten auf beiden Gew sserseiten ist das Resultat eines v llig ver nderten Messkonzeptes Der Einsatz autonomer Sende und Empfangssysteme die ber ein GPS gest tztes Zeitsignal synchronisiert und paarweise auf Nanosekunden genau abgestimmte Messeinheiten bilden sind das wesentliche Ergebnis dieser Entwicklung Die Notwendigkeit der nahezu absoluten Zeitsynchronisation folgt aus den physikal
83. en sowie wechselnden Str mungsrich tungen die M glichkeit zu beurteilen inwiefern Anspr che wandernder Fischarten an eine Leitstr mung als Orientierungshilfe erf llt werden Die unter den turbulenten Verh ltnissen h ufigen Instationarit ten lassen sich bei Messfrequenzen von bis zu 25 Hertz und somit gro Ben Datenmengen innerhalb von Beobachtungszeitr umen von wenigen Minuten mittels sta tistischer Kenngr en gut beschreiben Weiterhin bietet die Erfassung unstetiger Str mungen die M glichkeit Gunst und Ungunstphasen abzugrenzen und deren Dauer zus tzlich zu mitt leren Flie geschwindigkeiten sowie auftretenden Maxima und Minima einzubeziehen Ursa chen f r nach biologischen Untersuchungen kritisch ausfallende Einsch tzungen lassen sich auf dieser Basis leichter identifizieren und nderungsvorschl ge gezielter erarbeiten Literatur ATV DVWK Fischschutz und Fischabstiegsanlagen Bemessung Gestaltung Funktionskon trolle Hrsg ATV DVWK Deutsche Vereinigung f r Wasserwirtschaft Abwasser und Abfall e V Hennef ISBN 3 934063 91 5 256 S 2004 DVWK Merkblatt 232 1996 Fischaufstiegsanlagen Bemessung Gestaltung Funktionskontrol le 1996 FREDRICH F WIRTZ C Effizienzkontrolle der Fischwanderhilfe am neuerbauten Spreewehr Beeskow Gutachten im Auftrag des Landesumweltamtes Brandenburg 2001 77 S FREDRICH F WIRTZ C Funktionskontrolle der Fischaufstiegsanlage am Wehr Bad Liebenwer da in der
84. ende andere Sys teme bertragen Die Auswertung des analogen Messsignals unmittelbar am jeweiligen Emp f nger und Umwandlung in ein digitales Signal sowie dessen bertragung garantieren eine absolut st rungsfreie Verbindung s ehe Abbildung 3 Statuswort Messwert Master Slave Steuerwort Oo Abb 3 Schalt und Steuerbild Master Slave ber WLAN Bluetooth oder andere 4 Einsatz von AFW Anlagen Seit mehr als zehn Jahren werden die Zu und Abfl sse der Lagune von Venedig mit Lauf zeitdifferenz Durchflussmessanlagen der Fa Quantum Hydrometrie gemessen um die zur Zeit herrschenden aquatischen Verh ltnisse als Beweissicherung f r das im Bau befindliche Hochwasserschutzprojekt MOSE zu dokumentieren Auftraggeber und Betreiber ist das Con sorzio Venezia Nuova ein Ingenieurb ro das im Auftrag des Wasserbauamtes Venedig Seite 25 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 ag ert Das MOSE Projekt ist ein System aus 78 flutbaren an der Gew ssersohle drehbar ge lagerten Stahltoren n den drei Zufl ssen der Adr a n d e Lagune und soll Venedig bei ex tremen Adriawasserst nden vor berschwemmungen sch tzen Der Wasseraustausch durch diese ffnungen zwischen Lagune und Adria stellt die Basis des sehr empfindlichen kologi schen Gleichgewichtszustandes n der Lagune dar Von Projektgegnern wird bef rchtet dass durch die zeitweise Abriegelung der Adriazufl sse in die Lagune der nat rliche
85. erfassen und beschreiben zu k nnen Die Messungen der BAW DH fanden am 18 Juli 2007 auf der Klappstelle KS 527 Thiessower Steintrendel statt siehe Abb 1 8 4 O 4s oe andtief B 8 0 oo Steine Thiessower Yay A E re m 8 MW Steintrendel g j E i Sch ttstelle iS 3 7 Va 7 gee Sudperd 4 re Zone IIs 29 i i Oz siehe Vermerk 1 see Note 1 77 Bi Y 5 Wer Spoilground 6 f ie g a u 6 N 6015000 T d A AL 6 ig m A 46 10000 4611000 4612000 4613000 4614000 4615000 4616000 4617000 4618000 4619000 4620000 Abb 1 bersicht ber das Untersuchungsgebiet Klappstelle KS527 Thiessower Steintrendel Ca 6 km stlich der Lokation S dpferd an der S dostspitze von R gen Seite 65 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 66 2 Eingesetztes Verfahren Das von der BAW DH f r die prozessorientierte Beschreibung des Verklappungs Vorganges eingesetzte Verfahren basiert im Kern auf der Durchf hrung schiffsgest tzter Messungen mit einem Acoustic Doppler Current Profiler ADCP in Kombination mit zus tzlicher Sensorik und Probenahmeverfahren und wird von der BAW DH seit ca 2 Jahren f r die Durchf hrung von Schwebstoffmessungen eingesetzt F r die Datenaufnahme und analyse kommt das von der niederl ndischen Firma AquaVision BV entwickelte Softwaresystem VISEA PDT in einer f r die BAW angepassten Version zum Ei
86. es Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 gt Z 13m Z 13m Z 11m 0 08 00 14 00 20 00 08 00 14 00 20 0008 00 14 00 20 00 Time at 19 10 2006 Abb 3 Sediment transport at six heights relative to a reference level in the Elbe at Cuxhaven The period before 14 00 is the flood phase and after 14 00 is the ebb phase Sed Transport Mg s in Oo amp sed Transport Mg s rn gt Sed Transport Mg s a oo sed Transport Mg s 40 100 10 100 10 100 Total Sediment Transport Ma s Abb 4 Relation between the total sediment transport and the sediment transport at six fixed levels relative to a reference level in the Elbe at Cuxhaven Circles stand for flooding tide and crosses for ebbing tide Seite 61 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 62 A second issue is that suspended sediment in nature consists of two parts wash load and sus pended local bed material Wash load generally consists of fine sediment s lt and clay which is always kept in suspension Wash load sediment is generally not locally picked up from the bed but transported from upstream The amount of wash load may therefore not be correlated with local stream power but is often correlated with the amount of sediment delivered to the river from upstream catchments during rain storms In the upper parts of the water column suspended sediment is generally dominated by
87. eubau von Seilkrananlagen bzw deren Erneuerung verzichtet werden k nnen Dar ber hinaus wurde eine Qualit tsverbesserung der Datenbasis erwartet Seite 17 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 18 3 Vorortbetrieb 3 1 Gew sserunterhaltung Die Gew sserunterhaltung gestaltet sich aufwendiger als urspr nglich auf Basis der Aussa gen potenzieller Anbieter angenommen wurde So sind die R umarbeiten im Gew sserbett insbesondere zwischen den Ultraschallmessstrecken unumg nglich Es reicht auch nicht aus nur die Messstrecke frei zu halten St rungen bis zu Messausf llen verursachen Verkrautun gen Dar ber hinaus f hren remobilisierte Ablagerungen und Sedimente bei anlaufendem Hochwasser zu Messausf llen Das hei t dass theoretisch auch oberstromige Gew sserberei che regelm ig frei ger umt werden m ssten um auch im genannten Fall noch verl ssliche Messwerte zu erhalten 3 2 Ger tepflege Wartung Ultraschall Durchflussmessanlagen s nd komplexe elektronische Systeme f r deren Wartung fachkundiges Personal zur Verf gung stehen muss Kenntnisse in der Handhabung von elekt rotechnischen Messger ten Hard und Software von Industriecomputern sowie n der Daten fern bertragung s nd hierf r Voraussetzung Neben vielen kleinen jeweils von dem speziellen Messort abh ngigen Fehlerquellen treten w hrend des Betriebes vorwiegend St rungen bei den analogen Ein oder Ausg ngen der E
88. fernung von der Quelle und ro der Bezugsentfernung 1 m Die Schalld mpfung in reinem Wasser ist haupts chlich auf die innere Reibung zwischen den Wassermolek len zur ckzuf hren Dieser Vorgang ist frequenzabh ngisg je h her die Fre quenz desto gr er ist die D mpfung Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 40 co O g 0 oD E O g 80 A 100 120 10 100 1000 10000 100000 akustische Pfadl nge in m Abb 7 Geometrische D mpfung und Absorption der Schallenergie in reinem Wasser Wassertemperatur 10 Wassertiefe 2 m Salzgehalt 0 Bei der Anwesenheit von Schwebstoffen im Wasser wird ein Teil der einfallenden Schall energie je nach Beschaffenheit des Partikels in viele verschiedene Richtungen zur ckge strahlt Sehr kleine Partikel werden dagegen durch die Schallwellen angeregt mitzuschwin gen Allerdings sind die Partikel aufgrund ihrer Tr gheit nicht in der Lage ebenso schnelle Bewegungen auszuf hren wie die Wassermolek le Dadurch entsteht ein Geschwindigkeits unterschied an der Grenzschicht zwischen der Oberfl che des Partikels und dem Wasser Der Geschwindigkeitsunterschied erzeugt Reibung an der Partikeloberfl che und es kommt auch hier zu einem Energieverlust durch Warmeerzeugung der viskose Absorption genannt wird Allerdings nimmt die Gesamtoberfl che der Partikel ab wenn deren Gr e zunimmt Die Grenzschichtfl che an der die Reibung stattfindet wird geringer Dies
89. fore 14 00 is the flood phase and after 14 00 is the ebb phase It shows that the maximum transport during flood is higher than during ebb To simulate H ADCP measurements the sediment transport measured at a certain height above the bed is plotted in Abb 3 It shows that during ebb the sediment transport higher in the water column is relatively larger compared to the flood transport than for the total sediment transport Ap parently the sediment is distributed higher in the water column during ebb than during flood This might be caused by the entrance of several shallow tidal channels from a wadden area north of the Cuxhaven transect This results in that the total sediment transport is best represented by the transport at a level of 11 meter below reference level Abb 4 The correlation at this level is also equal for both flood and ebb resulting in an indexing function that is valid for both tidal phases 4 Discussion The results from the Elbe measurements show that for the measured tidal cycle a good rela tionship could be found between the sediment discharge at a certain height and the total dis charge However several issues need to be resolved for a fully functional sediment discharge monitoring system First of all total discharge measurements like the Elbe measurements showed in the meas urement results section will have to be repeated for different stages of the tidal neap spring cycle as well as for different river discharg
90. g des Gesamtabflusses im Querschnitt ber cksichtigt werden Voraussetzung daf r st jedoch dass das Ausma der Verf lschung des Messpfads in etwa gleichm ig ber die Gew sserbreite verteilt ist Ist dies beispielsweise bei gegliederten Querschnitten nicht der Fall schafft ein von RD Instruments entwickeltes Tool Abhilfe MUELLER 2007 Auch hierf r ist eine Schleifenfahrt notwendig Allerdings wird in diesem Fall der aus dem L ngsversatz ermittelte Fehler in der Abflussberechnung nicht gleichm ig ber den Messweg verteilt sondern anhand der jeweiligen FlieBgeschwindigkeiten in den einzelnen Ensembles gewichtet Dieses Tool verspricht aufgrund der besseren Ber cksichti gung von unterschiedlichen Str mungsbedingungen im Messquerschnitt bessere Ergebnisse Zum Zeitpunkt der Messungen stand das Tool jedoch leider noch nicht zur Verf gung des halb war die Notwendigkeit einer Schleifenfahrt damals nicht gegeben Aus diesem Grund konnten die Messungen leider nicht damit ausgewertet werden Stattdessen wurden die Messwerte der Totalstation zur Ber cksichtigung des korrekten Mess pfads verwendet Die Bearbeitung der Daten geschah allerdings erst im Nachgang der Mes sung Daf r wurden die originalen Datenfiles in das ASCII Format exportiert Die Messsoft ware WinRiver bietet die M glichkeit eines derartigen Datenexports Nachdem die ADCP Messungen mit Referenz BT durchgef hrt wurden liegt ein Export der Daten mit dieser Ein st
91. gr Carsten Wirtz terra4 Gesellschaft f r 2004 Geosystemanalyse mbH Rungestra e 22 24 Promotion Hydromorphologische und morphodynami 10179 Berlin sche Analyse von Buhnenfeldern der unteren Mittel Tel 030 280 91 678 elbe im Hinblick auf eine kologische Gew sserunter Mobil 0173 8578209 haltung Fax 030 288 73 874 wirtz terra4 de Seit 2002 Freiberufliche T tigkeit als Geowissenschaftler Projektbearbeitung u a Untersuchung von Fischwanderhilfen an Schwarzer Elster Spree Pulsnitz Nei e und im Spreewald im Auftrag des Landesumweltamtes Brandenburg der STRABAG und des TWB Boblitz Untersuchung zur Morphodynamik von Retentions flachen am Oberrhein im Auftrag der Freien Univer sit t Berlin und des Regierungspr sidiums Freiburg Untersuchungen Hydromorphologische Referenzen in Flie gew ssern im Auftrag des Landesamtes f r Na tur und Umwelt Schleswig Holstein Seite 95 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 96 Gro fl chige Geschwindigkeitsaufnahmen mittels ADCP Durchf hrung und M glichkeiten Roland Schmid und Harald Niesler 1 Einleitung Str mungsmessungen mittels ADCP Verfahren haben sich in den letzten Jahren bei der Er hebung von Naturdaten etabliert Neben der Bestimmung von Durchflussmengen und hieraus abgeleiteten W Q Beziehungen gibt es eine Vielzahl weiterer Einsatzm glichkeiten f r ADCP Messungen Ein Vorteil der ADCP Messtechnik ist dass i
92. heliegender Messwerte n hern sich die einzelnen Ensembles einem resultierenden mittleren Geschwin digkeitsprofil an en Mittelwert nach n Ensembles Mittelwert nach 2032 Ensembles Abb 3 Schematische Darstellung zur Bildung eines lotrechten mittleren Geschwindigkeits profils unter Einbeziehung einer gr er werdenden Anzahl einzelner Ensembles Dargestellt sind die Flie geschwindigkeiten v ber dem Abstand zur Sohle z In Abb 3 s nd die Ergebnisse einer punktuellen Geschwindigkeitsaufnahme schematisch dargestellt Es st zu erkennen dass sich mit gr er werdender Anzahl der Ensembles das mittlere Geschwindigkeitsprofil einer stetigen Funktion ann hert Als Referenz wurde ein mittleres Geschwindigkeitsprofil welches sich aus ber 2000 Ensembles berechnete in die Darstellung bernommen Bei der Mittelung werden rtlich naheliegende Ensembles zusammengefasst Die Mittelung erfolgt entsprechend der Durchf hrung entweder als Profilmittelung oder als flachige Mitte lung Bei der Profilmittelung wird das Profil in Segmente eingeteilt und alle Ensembles eines Segmentes zusammengefasst Bei einer fl chigen Mittelung wird ein quadratisches Raster erzeugt und alle Ensembles innerhalb eines Gitterelementes gemittelt siehe Abb 4 Seite 99 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Ax Gitterelement ER e o E o z e z En u a l s J Fahrspur des Messboote
93. hiedlichen Messpfade die Messgenauigkeit optimiert werden kann Kontakt Sebastian Fischer systec Controls Mess und Regeltechnik GmbH Lindberghstra e 4 82178 Puchheim Tel 089 80 90 6 180 Fax 089 80 90 6 200 sebastian fischer systec controls de Seite 45 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 A Commercial Multi Frequency Acoustic Backscatter Instrument for Profiling of Suspended Sediment S ze Distribution and Load Andrew M Smerdon Abstract Single frequency profiling instruments such as acoustic Doppler current profilers provide a backscatter measurement that is used for quality control purposes This measurement is re lated to the amount of material in suspension However to estimate suspended load reliably intensive sampling over spatial and temporal scales is required to account for variability in particle size upon which acoustic backscatter is strongly dependent By using multi frequency coincident acoustic beams the particle size dependent backscatter response of each beam can be compared to estimate mean particle size for a given measure ment range cell Once particle size uncertainty has been resolved sediment load may then be calculated with greater confidence and with less reliance on physical sampling We describe the operating principles of a commercial multi frequency acoustic backscatter instrument highlighting the critical measurements necessary for accurate load estimation
94. hird plot using the frequency least af fected by sediment related attenuation in this case the blue 1 MHz trace the actual concen tration profile is calculated In the fourth plot X is recalculated using the actual concentra tion profile The AQUAscat in Practical Use When deployed the instrument gathers acoustic profiles according to a schedule programmed by the user The noise like nature of the acoustic backscatter signal means that averaging is generally required to obtain usable data and this function is carried out as part of the data acquisition process Depending on the length of the profile up to 100 profiles at up to 4 frequencies may be acquired averaged and stored every second Some of the critical factors affecting performance of a commercial system have been de scribed by CAINE AND SMERDON 2007 including the various trade offs with accuracy and resolution particle size measurement limits using the multi frequency approach and maxi mum range limits for a given concentration As can be seen from the calibration plots for higher frequencies signal attenuation can limit range to less than 2 m in low concentrations However operation over 10 m is possible at lower frequencies Particle size and load inversion is carried out during post processing While HAY AND SHENG s method of individual frequency ratios is one practical approach it is also possible to use all information from all available frequencies for particle
95. ical Geography Utrecht University 2000 2002 Junior Researcher Physical Geography Utrecht University 2002 2006 PhD candidate Physical Geography Utrecht Uni versity seit 2007 Research employee Aqua Vision BV Projektbearbeitung 2002 2006 Sediment transport study at an inter tidal outer delta sandbank seit 2007 SSC measurements using an ADCP Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Untersuchungen zur Verdriftung von Baggergut mit ADCP auf einer Klappstelle vor R gen Christian Maushake 1 Einleitung Im Juni Juli 2007 sind Unterhaltungsbaggerungen in der Ostansteuerung nach Stralsund durchgef hrt worden Das hierbei anfallende Baggergut wurde auf Klappstellen im Revier aquatisch umgelagert Zur Beurteilung der Auswirkungen der Verklappvorg nge auf die Wasserbeschaffenheit ist seitens des WSA Stralsund ein Klappstellenmonitoring durchgef hrt worden Erg nzend zu diesen umfangreichen Untersuchungen des WSA Stralsund wurde durch die Diensstelle Hamburg DH der BAW die Erprobung eines schiffsgest tzten Verfahrens zur Erfassung von suspendierten Feststoffen in der Wassers ule durchgef hrt Untersuchungsziel der BAW war es die Verklappung und das Absinken des Baggergutes durch die Wassers u le sowie die Ausbildung der hierdurch entstehenden Tr bungswolke und deren Ausbreitung infolge der hydrodynamischen Randbedingungen Str mung Seegang Dichte und Tempera turschichtung zu
96. icklung von Systemen zur Durchflussmessung Ultraschall Laufzeitdifferenz Ultraschall Doppler und Bildfolgeanalyse Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Betrieb von Ultraschall Durchflussmessanlagen in Baden W rttemberg Manfred Juraschek 1 Einleitung Das Land Baden W rttemberg betreibt schon seit den 80er Jahren Ultraschall Durchfluss messanlagen an Oberfl chenflie gew ssern Die Ger tetechnik war dem damaligen techni schen Stand entsprechend mit analoger Signalverarbeitung ausger stet Verwertbare Messer gebnisse haben diese Anlagen nur mit gro em personellem Aufwand geliefert Die Anlagen wurden nach einigen Jahren Betrieb und Unterhaltung und einer darauf aufbauenden Kosten Nutzen Absch tzung zur ckgebaut Nachdem in der Ultraschall Durchflussmesstechnik die digitale Signalverarbeitung Einzug gehalten hatte wurde der Gedanke den Durchfluss mittels Ultraschalltechnik zu messen im Jahre 1999 wieder aufgegriffen 2 Pegelnetz an Oberfl chenflie gew ssern 2 1 Messnetzkonzeption Grundger st des Messnetzes bilden die Pegel welche die gro en Flussgebiete kontrollieren Ihre Daten dienen berregionalen hydrologischen Untersuchungen Sie liegen daher an was serwirtschaftlich und hydrologisch bedeutsamen Stellen der wichtigsten Flie gew sser bei spielsweise in deren Miindungsbereich Zur Erfassung der regionalen Vielfalt der Einzugsgebiete der stark variierenden meteorologi schen orogr
97. ie dreidimen sionale Struktur ausgef hrt Bei rotationssymmetrischen Richtcharakteristiken legt man den Schnitt durch die Symmetrieachse und kann damit die Form der Druckverteilung vollst ndig darstellen Ein Ma f r den Grad der Intensit tsb ndelung ist die Breite der Hauptstrahlrich tung Derjenige Winkel bei dem die Intensit t auf die H lfte 3 dB des Wertes der Haupt richtung 0 dB abgefallen ist bezeichnet man als ffnungswinkel a z 2 Ti ui I N u F u r Y Abb 3 Darstellung der Richtcharakteristik in Polarkoordinaten als Schnitt durch die Symmetrieachse Illustration des Offnungswinkels und einiger Kenngr en 3 Schallausbreitung in einem Gew sser Die Ausbreitung akustischer Wellen in einem Gew sser ist ein komplizierter Vorgang der vor allem durch die ungleichm ige Verteilung der Schallgeschwindigkeit verursacht wird Die Schallgeschwindigkeit ndert sich haupts chlich mit der Temperatur dem Salzgehalt und der Tiefe Weil Salzgehalt und Temperatur auch zu Dichte nderungen f hren k nnen die Schallwellen zur Gew ssersohle oder zur Wasseroberfl che hin abgelenkt werden Aber auch Reflexionen des akustischen Signals am Wasserspiegel oder an der Gew ssersohle beein tr chtigen den Schallstrahl 3 1 Temperatur und Salz Temperatur nderungen sind dort von Bedeutung wo durch K hlwassereinl ufe erheblich w rmeres Wasser in einen Fluss eingeleitet wird wo Wasser aus ein
98. ieBgewassernm sssssssssccoees Sebastian Fischer A Commercial Multi Frequency Acoustic Backscatter Instrument for Profiling of Suspended Sediment Size Distribution and Load cccccccccssssscsscssssssssssssssscssccccccccssssssssees Andrew M Smerdon On the use of horizontal ADCPs for discharge and sediment transport monitoring Pim van Santen Jeroen Aardoom Peter Meijer Untersuchungen zur Verdriftung von Baggergut mit ADCP auf einer Klappstelle WOE RUSC ci aera ee dees vasduaeievas ducwiceaa ecusecdduceavendsesssouliesnssodaniy cascnavasasssswewdsissvavsasssenecdecdsede Christian Maushake Detaillierte Einblicke in die stuarine Schwebstoffdynamik mittels hochaufl sender Hydroak ustik us enine EA EEEE EE ONA A AAE EIEREN EESE EE EEEE ESOS ETETA Kerstin Schrottke und Alexander Bartholom Bodennahe Turbulenzmessungen im Labor und Felld sssccscsccccsssssssscsscccscccsssssscccoees Alexander Bartholom und Martina Karle Ultraschall Str mungsmessungen f r Funktionskontrollen von Fischwanderhilfen Carsten Wirtz Gro fl chige Geschwindigkeitsaufnahmen mittels ADCP Durchf hrung und Moshe HKEE a ee naar Roland Schmid und Harald Niesler ADCP Messungen an einem voralpinen Gew sser mit erheblichem Schwebstoff und Geschiebetranspoktanu tasks svecisasinc si cessscckcnscvactonsscesscoseucdeousevecucestoasseusenccececowscsvesssecuoustvessness Katharina F
99. iedler Software TIDE Analyse von ADCP Messungen in Tidefl ssen scssssssssssssssssssssseees Matthias Adler und Uwe Nicodemus Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 3 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 4 Seminar Ultraschall in der Hydrometrie neue Technik neuer Nutzen Inhalt Die Bundesanstalt f r Gew sserkunde und die Fachgemeinschaft Hydrologische Wissen schaften in der DWA veranstalten dieses Seminar zum Thema Ultraschalltechnik in der Hydrometrie Es bietet Anwendern und Herstellern von Ultraschallger ten ein gemeinsames Forum und kn pft an das Seminar Akustische Doppler Ger te ADCPs in der Hydrometrie M glichkeiten und Perspektiven einer innovativen Technik vom September 2005 an Der thematische Rahmen umfasst diesmal neben Ultraschall Doppler Ger ten auch Anlagen und Sensoren die nach dem Laufzeit oder Korrelationsverfahren arbeiten Hersteller haben die Gelegenheit ihre Produkte in Vortr gen und auf Firmenst nden zu pr sentieren Im Vordergrund des Seminars steht die Anwendung der Ultraschalltechnik mit Beitr gen sowohl aus der Forschung als auch aus dem gew sserkundlichen Routinebetrieb Der Titel des Seminars Ultraschall in der Hydrometrie neue Technik neuer Nutzen soll auch dazu ermuntern neben den neuen M glichkeiten innovativer Technik Probleme im praktischen Betrieb und Grenzen der Einsetzbarkeit aufz
100. ielle Darstellung des Str mungsprofils Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Mittlere Echointensit t Ganglinie Ym im Messquerschnitt 2 ir 2 1 gt u ra u S 2 T i 5 J E 8 E 2 0 1s 8 g A E 2 O a D g z a g 8 4 5 1 a a sO a a OS a S a OS 8 00 10 00 12 00 14 00 16 00 18 00 20 00 10 00 12 00 14 00 16 00 18 00 20 00 Uhrzeit Uhrzeit Abb 6 Darstellung von Ganglinien des Wasserstandes und verschiedener Parameter wie Durchfluss mittlerer Flie geschwindigkeit und Echointensit t Literatur ADLER M UND FRITSCH R Test von Str mungsmessger ten ohne bewesliche Teile f r den Dauereinsatz in Tidegew ssern Bundesanstalt f r Gew sserkunde BfG Bericht Nr 1229 1999 Pegelvorschrift Anlage D Richtlinie f r das Messen und Ermitteln von Abfl ssen und Durch fl ssen Anhang I Erg nzungen f r das K stengebiet 1995 M LLER H Ein Leitfaden f r die Planung Durchf hrung und Auswertung von Querschnitts messungen Wasser und Schifffahrtsamt Bremerhaven Gew sserkundlicher Untersu chungsbericht Ein Leitfaden f r die Planung Durchf hrung und Auswertung von Quer schnittsmessungen Oktober 1989 AQUA VISION BV Plume Detection Toolbox PDT Seite 123 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 124 Kontakt Dipl Ing Matthias Adler Bundesanstalt f r Gew sserkunde Am Mainzer Tor 1 56002 Koblenz Tel 0261 1306 5247
101. in H llrohren gesch tzten Kabel Quantum Hydrometrie verwendet z B n der Regel bei Gew sserquerungen Edelstahl H llrohe besteht 1m sp teren Betrieb die Gefahr dass die Kabel durch u ere Einfl sse an Land z B durch anderweitige Bauma nahmen oder durch Gezeiten und Str mungsbewe gungen strapaz ert und besch digt werden Neben dem Messdatenverlust werden dann zus tz liche Kosten f r die Reparatur oder den vollst ndigen Austausch einzelner Kabel notwendig Der finanzielle Aufwand der Kabelverlegung der unter Umst nden den Preis der eigentlichen Messanlage weit berschreiten kann ist ein bisher unvermeidbarer Kostenfaktor bei der Ent scheidung f r den Einbau einer Laufzeitdifferenz Ultraschall Durchflussmessanlage Unabh ngig vom Einbauverfahren ist die Kabelverlegung stets aufw ndig und damit kosten intensiv was dazu f hren kann dass an Messstellen in gr eren Gew ssern an denen eine Laufzeitanlage an sich w nschenswert w re auf die Realisierung ganz verzichtet wird Quantum Hydrometrie bietet die g ngigen Verfahren f r Ultraschall Durchflussmessger te Laufzeit und Doppler in herk mmlicher Weise und als kabellose Weiterentwicklung des Laufzeit Verfahrens an Aufgrund unserer langj hrigen Erfahrung empfehlen wir ausschlie lich eine den hydrologischen und geomorphologischen Randbedingungen und der Bedeutung der zu erhebenden Durchflusswerte gerecht werdende Anlagenkonfiguration In staugeregel t
102. ined from water samples the following theo retical relationship is obtained when everyting but the concentration is constant log C 0 1TS B 8 However in general sediment concentration and grain size are positively correlated As shown by equation 7 grain size also strongly influences the backscatter intensity An increase in TS is therefore often caused by an increase in sediment concentration as well as an in crease in grain size This results in the theoretical value of 0 1 in equation 8 often being lower at around 0 04 0 05 e g MAUSHAKE 2008 HOITINK amp HOEKSTRA 2004 2 3 Sediment discharge monitoring using horizontal ADCPs Main challenge of the monitoring of sediment discharge using a H ADCP is the relation be tween the truly measured sediment discharge and the total discharge through the cross section Like with water discharge monitoring with an H ADCP the relationship could be made using an indexing method or by fitting a theoretical concentration profile The indexing method requires thorough calibration measurements at different discharge stages cq tidal stages The profile method could lead to more stable results however in tidal settings sediment concentration profiles may divert from theoretical profiles Theoretical concentration profiles are generally based on the diffusion equation which reads as Cw E 0 9 dz This assumes that in steady situations there is a balance between a downward sediment flu
103. infachen Dopplersystemen deutlich h here Genauigkeiten die r umliche Zuord nung der gemessenen Geschwindigkeit erlaubt eine Kalibrierung des Messsystems was mit Dopplersystemen in der Regel nicht m glich ist Erste Applikationen arbeiten von sauberem bis stark verschmutztem Wasser und bei Geometrien bis hin zu mehreren Metern Neue Ent wicklungen konzentrieren sich derzeit auf die vektorielle Geschwindigkeitsbestimmung und die Erfassung gr erer Teile des Flie querschnittes Literatur FIEDLER O Str mungsmesstechnik und Durchflussmesstechnik Oldenburg M nchen 1992 JENSEN J A Estimation of blood velocities using ultra sound Cambridge University Press 1996 LEFHALM C H Qualifizierung von Messtechniken zur Erfassung von Str mungsgr en in fl ssigen Schwermetallen Dissertation Universit t Karlsruhe Forschungszent rum Karlsruhe GmbH urn nbn de 0005 071111 ISSN 0947 8620 2005 LUCAS S The use of new flow measurement technology International Environmental Tech nology September October 2003 p 16 TEUFEL M Doppler Verfahren Pulsdoppler und Kreuzkorrelation bei Ultraschallmessun gen Seminar Neue Entwicklungen in der Durchflussmessung in nat rlichen und k nstlichen Gerinnen TU M nchen M rz 2004 TEUFEL M Durchflussmessung mit Kreuzkorrelation KA Abwasser Abfall 2006 53 Nr 7 Kontakt Dr Michael Teufel Fa NIVUS GmbH Im Tale 2 75031 Eppingen M hlbach Tel 07262 91 91
104. ionen gelegt bei denen die Messergebnisse durch folgende Randbedingungen beeintr chtigt wurden gt starker Geschiebetransport im Pegelquerschnitt gt hohe Schwebstoffkonzentrationen 3 1 Verwendete Messger te Die Messungen wurden mit einem Workhorse Rio Grande von RD Instruments 1200 kHz des Wasserwirtschaftsamtes Landshut durchgef hrt Als Tr gerger t kam der Trimaran Ri verboat von OceanScience zum Einsatz Das Boot wurde mit Hilfe der am Pegel installierten Seilkrananlage ber das Gew sser gezogen Um eine zu starke Schr gstellung des Zugseils zu vermeiden wurde der am Pegel vorhandene hydrometrische Fl gel knapp ber der Wasser oberfl che ber den Querschnitt bewest an ihm war mit einem einige Meter langen Seil das Tr gerboot des ADCP befestigt Die aus den Wasserstandsmessungen und der am Pegel g ltigen Wasserstands Abfluss Beziehung berechneten Abfl sse wurden zur Qualit tskontrolle der Ergebnisse der ADCP Messungen verwendet Bei manchen Messeins tzen konnte die Geschwindigkeitsverteilung im Querschnitt vor der ADCP Messung mit Fl gelmessungen erfasst werden Diese zus tzli chen Messungen waren jedoch aufgrund des erheblichen Zeitaufwandes nicht vor jedem ADCP Einsatz m glich Im Vorlauf einer ADCP Messung konnten einige Meter oberhalb des Messquerschnitts auch Schwebstoffproben entnommen werden Abb 3 Erfassung des zuriickgelegten Messweges mit einer Totalstation Seite 110 Bundesanstalt fiir Gew
105. ischen Randbedingungen die sich aus dem ange strebten Einsatzbereich f r die nach dem Laufzeitdifferenz Prinzip arbeitende kabellose Ultraschalltechnik ergibt Acoustic Flowmeter Wireless AFW Bei der Erfassung von Flie geschwindigkeiten mit einer Aufl sung von mm s m ssen bei ca 1400 m s f r die Schallgeschwindigkeit 1m Wasser und einer angenommenen Pfad l nge von 10 m Zeitdifferenzen von 5 10 s mit hinreichender Genauigkeit bestimmt werden k nnen Die entsprechende Aufl sung des Messsystems sollte um zwei bis drei Zeh nerpotenzen genauer sein was mit der vom System her m glichen Aufl sung des Einzelsig nals im Pikosekunden Bereich erreichbar ist Kabellose L sung GPS WLAN BT S Ufer hydroakustischer Wandler 7 a m gliche Flie richtung og q gt hydroakustischer Wandler Ufer ra GPS WLAN BT Abb 2 Schematische Darstellung des kabellosen Grundkonzeptes Abbildung 2 zeigt das kabellose Grundkonzept des Acoustic Flowmeter Wireless Mit dem AFW wird die Erfassung genauester Laufzeitdifferenzen realisiert was bisher kabellos nicht m glich war Damit wird der begrenzende oder alles verhindernde Faktor Kabelverbindung bei der Reali sierung einer Laufzeitdifferenz Ultraschall Durchflussmessanlage vermieden Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Die AFW Anlage besteht aus dem Hauptsystem Master M auf einer Gew sserseite und einem oder mehreren Nebensystemen Slav
106. keit von Bedeutung Beide Parameter sind mit der Str mung verkn pft welche wiederum vom Gef lle abh ngt Auf der Basis geometrischer und hydraulischer Eigenschaften der Fischtreppen wie Schlitzbreiten Beckenma e Anzahl und Anordnung der Becken Absturz h hen zwischen den Becken u a lassen s ch Flie geschwindigkeiten und spezifische Leis tungen rechnerisch ableiten und mit den Vorgaben von DVWK 1996 und MUNLR 2005 vergleichen Die Praxis zeigt jedoch dass aufgrund komplexer Str mungsverh ltnisse n den FWH sowie nicht vorhersehbarer Randbedingungen wie z B der Anordnung von St rstel nen m glichen Verklausungen und starken Turbulenzen nicht immer bereinstimmungen von angestrebten Werten und festgestellten Messresultaten erreicht werden Insofern s nd neben biologischen Untersuchungen auch hydraulische Messungen sinnvoll um die Funk tionsfahigkeit besser quantifizieren und mit den Erfordernissen abgleichen zu k nnen 2 Erfassung von Flie geschwindigkeiten f r eine Beurteilung der Funktionsf higkeit von FWH In Flie gew ssern konzentrieren sich Messungen h ufig auf die Ermittlung von Durchfluss und Wasserst nden FlieBgeschwindigkeiten insbesondere in hoher zeitlicher und r umlicher Aufl sung werden vor allem in Laboratorien oder bei Naturmessungen f r wissenschaftliche Fragestellungen erhoben Eine praktische Anwendung in diesem Zusammenhang stellt die Erfassung dreidimensionaler Str mungen in FWH dar Vor allem
107. kt ausgegeben Bei bewester Sohle z B durch Geschiebe kann das Bottom Track Verfahren zu verf lschten Ergebnissen f hren Die Bewegung der Sohle wird vom Messger t als eine stromauf gerich tete Bewegung des Ger tes interpretiert Die ausgegebenen Geschwindigkeitsvektoren sind n diesem Fall kleiner als die tats chlichen Flie geschwindigkeiten ORLOVIUS amp HENNING 2005 Eine M glichkeit der Korrektur der Geschwindigkeiten bietet der Einsatz von DGPS Der Bewegungsvektor des Ger tes wird hierbei mittels DGPS bestimmt und zur Berichtigung der Flie geschwindigkeiten verwendet Eine ausf hrlichere Beschreibung der ADCP Messtechnik findet s ch u a bei SIMPSON 2001 3 Durchf hrung Die Durchf hrung einer fl chigen Geschwindigkeitsaufnahme erfolgt im Moving Boat Dopp ler Verfahren ADLER 2005 Der ADCP wird an einer absenkbaren Halterung am Bug des Bootes angebracht und zeichnet kontinuierlich die Str mungsgeschwindigkeiten auf Die Geschwindigkeitsaufnahme erfolgt entweder als Rasteraufnahme m Gew sser oder als Reihe dicht angeordneter Profilmessungen Seite 97 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 98 F r die Qualit t der Messung ist die genaue Kenntnis des Ortes der Messung sowohl zur Orientierung w hrend der Durchf hrung als auch f r den Ortsbezug bei der sp teren Aufbe reitung der Messdaten von entscheidender Bedeutung Referenzierung der Geschwindigkei ten Die erforde
108. kunde Veranstaltungen 2 2008 Chioggia Q in m s 16 04 2007 21 00 17 04 2007 00 00 17 04 2007 03 00 17 04 2007 06 00 17 04 2007 09 00 17 04 2007 12 00 17 04 2007 15 00 17 04 2007 18 00 17 04 2007 21 00 18 04 2007 00 00 Abb 5 Durchfluss und Wasserstand Bocca di Chioggia Lagune von Venedig 5 Zusammenfassung und Ausblick Die von Quantum Hydrometrie entwickelte neue Systemkonfiguration der kabellosen Ultra schall Laufzeitdifferenz Durchflussmessanlagen erm glicht den technisch wirtschaftlich unbegrenzten Einsatz von Durchflussmessanlagen bei Gew ssern gro er Breite oder unweg samem Gel nde d h berall dort wo d e Verlegung der Kabelverbindungen bisher auf tech nische Schwierigkeiten oder an wirtschaftlich unvertretbare Grenzen gesto en ist Dar ber hinaus ist die mit den Kabeln unweigerlich verbundene Gefahr der durch vielf ltige Ursachen begr ndeten Besch digungen g nzlich gebannt Die autark arbeitenden Wandlerpaare auf gegen berliegenden Gew sserseiten werden ber ein modifiziertes GPS Signal im Pikose kunden Bereich synchronisiert Sie Kommunizieren st rungsfrei und sicher ber Funk ISM Band Die n der Lagune von Venedig installierten AFW Anlagen arbeiten abgesehen von St run gen durch den in unmittelbarer N he stattfindenden Baubetrieb einwandfrei Seite 27 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 28 Kontakt
109. lage f r weitere Planungen sollte in Zusammenarbeit mit der Bundesanstalt f r Wasserbau ein Nachweis der Ver nderungen anhand von Naturmessungen erfolgen Hierzu wurde das Ingenieurb ro Schmid durch die Bundesanstalt f r Wasserbau beauftragt vor und nach dem Umbau die Flie geschwindigkeiten und die Sohllagen bei je weils zwei Abfl ssen MW und HSW im Hauptstrom und in den Buhnenfeldern zu ermit teln Die Messungen erfolgten in den Jahren 2002 und 2006 Zur Erh hung der Datendichte wurden die Naturuntersuchungen als eng angeordnete Querprofilmessungen durchgef hrt 8 Profile mit jeweils 6 Messfahrten pro Profilmessung 7 Auftrag 2 Abtrag N u N AG SS f IAL S WOO N Se N fi Ly y SS A 3 NG Abb 6 Lageplan der Untersuchungsstrecke im Main bei Eibelstadt mit Darstellung der Quer profile und Skizzierung der Umbauma nahmen und einem Auszug aus der DBWK Die Umbauma nahmen der Untersuchungsstrecke sind in Abb 6 skizziert Zeitgleich zur Umgestaltung der Buhnenfeldkette erfolgte durch Baggerungen eine Vertiefung der Fahrrin ne Seite 101 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 102 bags Ly tnry 1 svat ttttttl a eeg en vor n Umbau AI Ny x 4 i II SSS fi U lt Darstellung der tiefengemittelten Geschwindigkeitsv
110. lle zwischen Anwender und Sensor Es bietet im Messbe trieb einen vollen berblick ber alle systemrelevanten Funktionen z B grafische Veran schaulichung von Sensorposition und bewegung Lage der aktuellen Messlotrechten Daten qualit t usw Der Anwender gibt ber die Folientastatur des Bedienger tes alle erforderli chen Parameter zu Messstelle und Messverfahren ein Hierbei kann er zwischen elf standardi sierten Geschwindigkeitsmethoden Tabelle 1 sowie zwei Durchflussberechnungsmethoden MEAN und MID Section Verfahren nach EN ISO 748 w hlen Tabelle 1 Ubersicht der Auswahl an Geschwindigkeitsmethoden im OTT ADC Methode Lage der Messpunkte 2 Punktmessung nach KREPS oberflachennah 0 62 h 1 Punkt Eismessung 0 5 Nettektiv 2 Punkt Eismessung 0 2 0 8 Nettextiv Oberfl chen 1 Punkt Messung oberflachennah Vielpunktmessung Anzahl und Lage der Messpunkte werden frei gew hlt Eine benutzerfreundliche Software f hrt ihn Schritt f r Schritt von Ufer zu Ufer gibt Emp fehlungen zur Lage der Lotrechten und Messpunkte und ermittelt automatisch den Durchfluss am Ende jeder Messung Die Spannungsversorgung des Ger tes wird ber im Bedienger t eingebaute wiederaufladbare Batterien sichergestellt Diese umweltfreundliche L sung stellt bei voller Ladung mehr als 20 Stunden Messbetrieb sicher Mit ber 500 Ladezyklen ist eine lange Batterielebensdauer garantiert ber einen Ladeadapter f
111. m Kanal bei berwiegend str mungskontrollierten Bedingungen Diese deutlich er h hten Werte sind im Wesentlichen auf die immer wieder auftretende Biostabilisierung von Diatomeen Rasen zur ckzuf hren die vor allem w hrend der Sommermonate die Wattfl chen besiedeln GERDES et al 1985 Erst mit zunehmendem Welleneinfluss wird im R ck seitenwatt bei Windst rken um 6 Bft diese Schutzwirkung aufgehoben Durch die Wellen Seite 85 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 86 tke cm s 250 250 gt nimmt die turbulente kinetische Energie auf bis zu 150 cm s deutlich zu Abb 2 Die St r ke der Welleneinwirkung ist dabei stark abh ngig von der Tidephase und der windrichtungs abh ngigen Fetch L ngen So treten bei Stauhochwasser wenn die Wellenh he ihr Maxi mum erreicht und durch Grundber hrung die maximale Scherkraft an der Sedimentsohle aus bt maximale Werte von Orbitalgeschwindigkeit und turbulenter kinetischer Energie auf Gleichzeitig auftretende erh hte R ckstreuwerte des ABS zeigen deutlich erh hte Suspen sionsgehalte an flume field waves waves y 0 5115x7 T 2sec y 0 0321x 1 R 0 9983 R 0 9659 150 L 1 5m 150 d 1 5m e a u 100 100 H 0 15 504 current N 50 current 1 5 3 sec p g d 0 40 m ie i Dey 0 108 mm Er 0 20 40 60 D 4 0 20 40 60 u cm s 507 0 130 mm u cm s Abb 2 Korrelation
112. mer mo noton fallend sein da die Schallenergie mit der Entfernung abnimmt Ein Anstieg der Echo intensit t deutet darauf hin dass das r ckgestreute Signal nicht von einem Partikel herr hrt sondern vielmehr auf einer Reflexion z B von der Gew ssersohle beruht Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 warmes Wasser H ADCP kaltes Wasser Abb 5 Strahlablenkung eines H ADCPs infolge einer nderung der Temperatur oder des Salzgehaltes ber die Gew sserbreite 4 Reflexion und Streuung in einem Gew sser An den nat rlichen Grenzfl chen des Gew ssers werden die Schallwellen reflektiert gebro chen und gestreut Bei der Streuung unterscheidet man Vorw rtsstreuung in Richtung der Spielgelreflexion und R ckw rtsstreuung in Richtung des Senders Die von den einzelnen Grenzfl chen zur ckgestrahlte Schallenergie h ngt von deren Beschaffenheit und Gr e ab W hrend diese Reflexionen bei der Laufzeitdifferenz Methode nur bei lteren Systemen mit analoger Signalverarbeitung von Bedeutung sind sind sie bei einem H ADCP die alles ent scheidende Gr e 4 1 Spiegelreflexion an der Wasseroberfl che bei der Laufzeitdifferenz Methode Eine kugelf rmige Schallwelle in der N he der Wasseroberfl che erzeugt ein Spiegelbild an der Wasseroberfl che Voraussetzung ist dass die Rauigkeit der Oberfl che klein gegen ber der Wellenl nge ist also nur kleine Oberfl chenwellen existieren Die Reflexion an der Was
113. method is to perform independent total discharge measure ments at different discharge stages and to relate these with the specific discharge through the measured range This results in a simple linear relationship which is however only applicable over the discharge range at which the independent measurements were performed Conse quently the disadvantage of this method is the limited applicability at extreme discharges either low or high A second method is to use a model to extrapolate the flow velocity from the measured height over the complete water depth as well as from the measured cross channel range to the sides of the channel The used model can be as complex as possible The use of a theoretical velocity profile offers a quite robust but simple method for quasi steady situations like tideless fluvial environments The use of a velocity profile does not Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 need a correlation with total discharge measurements and is therefore also applicable to high discharge events We use the concept introduced by COLES 1956 in our H ADCP software ViSea H which combines the law of the wake with the law of the wall u Aju m Amel 1 Zo h in which u is the current velocity at height z u is the water surface current velocity zo is the zero velocity level Zp 0 03k ks is the Nikuradse effective roughness height A and A are dimensionless variables The perturbation p
114. mmen und zeigt einen Ausblick auf 2 Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen mit Ultraschall Ultraschall wird zur Geschwindigkeits und Durchflussmessung im Transmissions und Reflektionsverfahren eingesetzt Transmissionsverfahren sind im Wesentlichen Laufzeit Differenz Messverfahren die hier nicht weiter betrachtet werden Im Gegensatz zu Transmis s onsverfahren die in einphasigen homogenen Medien d h m glichst sauberem Wasser die besten und zuverl ssigsten Ergebnisse erzielen sind s mtliche Reflektionsverfahren auf ein Seite 29 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 mindestens zweiphasiges Fluid angewiesen d h es m ssen Verunreinigungen in Form von Schwebstoffen oder kleinsten Luftblaschen im Wasser vorhanden sein Bei Reflektionsver fahren wird die Str mungsgeschwindigkeit indirekt gemessen die gemessene Geschwindig keit von Streuteilchen wird mit der des Wassers gleichgesetzt was in guter N herung m g lich ist LEFHALM 2005 JENSEN 1996 2 1 Dopplermesstechnik Es gibt einige Anbieter f r einfache Dopplermesssysteme f r Durchflussmessungen Diese nutzen normalerweise Piezokeramiken als Signalgeber und eine separate Piezokeramik als Empf nger TEUFEL 2004 Die Sendekeramik strahlt kontinuierlich Ultraschall in einem kleinen Kegel n das Wasser der Empf nger misst das Doppler verschobene Frequenzecho von Streuern 1 A Schwebstoffen oder kleinen Luftbl schen Um den Durchfluss zu be
115. n kurzer Zeit eine hohe Messwertdichte und g te erreicht werden kann Hierdurch ist es erstmals m gl ch die Flie geschwindigkeiten ber gro e Fl chen zeitnah aufzunehmen Im Rahmen dieses Vortrags wird ein kurzer Einblick in die ADCP Messtechnik gegeben Anschlie end wird auf die Durchf hrung und Auswertung gro fl chiger Geschwindigkeits aufnahmen eingegangen und es werden anhand von drei praktischen Beispielen die verschie denen M glichkeiten aufgezeigt 2 Messtechnik Der ADCP misst die Flie geschwindigkeiten nach dem Doppler Prinzip Er sendet Ultra schallimpulse aus die von Partikeln im Wasser z B Schwebstoffen reflektiert und als Echo wieder empfangen werden Bewegen sich diese Partikel relat v in Richtung des Schallstrahls so weisen die Echos eine Frequenzverschiebung die sog Dopplerverschiebung auf Aus der Dopplerverschiebung wird die Geschwindigkeit der Partikel berechnet Das Messprinzip geht davon aus dass sich die Partikel im Mittel mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen wie die sie umgebende Str mung ber die Laufzeit der Echosignale werden die Geschwindig keitsinformationen einer bestimmten Tiefe zugeordnet Die Geschwindigkeitsinformationen werden in Tiefenzellen zusammengefasst und gemittelt F r jede Tiefenzelle wird ein 3 dimensionaler Geschwindigkeitsvektor bestimmt Als Ergebnis wird ein vollst ndiges lot rechtes Geschwindigkeitsprofil ausgegeben welches als Ensemble bezeichnet wird Abb 1
116. n zu deren r umlicher und zeitlicher Ausdehnung sowie eine Interpretation der Ergebnisse Da es unter in situ Bedingungen praktisch nicht m glich ist alle charakteristischen Kenngr Ben so zu erfassen dass eine direkte Berechnung der Schwebstoffkonzentrationen SSC in mg l aus Messrohdaten akustischer backscatter in counts m glich ist wird f r die end g ltige Berechnung der Schwebstoffkonzentrationen eine Kalibrierfunktion auf der Basis von Schwebstoffproben aus der Wassers ule angewendet Die Qualit t des Endergebnisses h ngt in hohem Ma e von der G te dieser Kal brierung ab Insofern ist es f r die Durchf hrung der Messungen unbedingt erforderlich ausreichend Kal brierproben zu entnehmen Die m Rahmen der Klappstellenuntersuchungen insgesamt 22 entnommenen Pumpproben waren f r eine stabile Kal brierung ausreichend 7 der 22 Pumpproben wurden unmittelbar nach der Verklappung teilweise noch in der Tr bungswolke entnommen Bei diesen Proben traten auch die h chsten gemessenen Konzentrationen von 126 5 bzw 316 6 mg l auf Mit der auf Basis dieser Pumpproben ermittelten Kalibrierfunktion sind die ADCP Messdaten in absolute Schwebstoffkonzentrationen umgerechnet worden Die 3D Ansicht der prozessierten ADCP Daten in Abb 5 und Abb 6 stellt anschaulich die r umliche und zeitliche Ausdehnung der Tr bungswolke dar wobei Abb 4 und Abb 6 den tisch sind mit dem Unterschied dass es sich in Abb 6 um eine kal brierte
117. nd deren fossiles Erhaltungspotential Spieke rooger Riickseitenwatt s dliche Nordsee Berichte Fachbereich Geowissenschaften Universit t Bremen 222 137pp WILLIAMS J J BELL P S amp P D THORNE 2003 Field measurements of flow fields and sediment transport above mobile bed forms J Geophys Res 108 C4 3109 doi 10 1029 2002JC001336 WILLIAMS J J ROSE C P THORNE P D O CONNOR B A HUMPHREY J D HARDCASTLE P J MOORES S P COOKE J A amp D J WILSON 1999 Field obser vations and predictions of bed shear stresses and vertical suspended sediment concen tration profiles in wave current conditions Cont Shelf Res 19 507 536 Kontakt Dr Alexander Bartholoma Forschungsinstitut Senckenberg S dstrand 40 26382 Wilhelmshaven Tel 04421 94 75 210 Fax 04421 94 75 222 abartholomae senckenberg de rlust von S vatten und S Kontakt Dr Martina Karle Forschungsinstitut Senckenberg S dstrand 40 26382 Wilhelmshaven Tel 04421 94 75 212 Fax 04421 94 75 222 mkarle senckenberg de Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 1987 Diplom am Fachbereich Geowissenschaften Freie Universit t Berlin 1992 Promotion am Fachbereich Geowissenschaften Freie Universit t Berlin 1992 1997 Post Doc am Forschungsinstitut Senckenberg Wilhelmshaven seit 1997 Fachgebietsleiter Marine Sedimentologie Abt f r Meeresforschung Forschungsinsti
118. ndesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 78 3 1 ADCP Die Messungen werden mit einem 1200 kHz DR BB direct reading broadband ADCP von RDInstuments Teledyne durchgef hrt Die Zellgr e ist auf 25 cm gesetzt bei einer sta tistischen Unsicherheit der horizontalen Geschwindigkeit von 10 cm s Aufl sung und Ge nauigkeit der Stromungsrichtungsdaten betragen 0 2 und 2 Das Ger t ist steuerbordseitig an einer Halterung montiert Einh ngetiefe 1 35 m 3 2 Parametrisches Sedimentecholot Sohlnahe Suspensionen und konsolidierte Sedimente werden mit dem parametrischen Sedi mentecholot vom Typ SES2000 Standard der Firma Innomar GmbH erfasst ber einen kleinen Schallwandler 22 x 22 cm entsendet das Ger t zeitgleich zwei leicht von 100 kHz differierende Impulse mit hohem Schalldruck elektrische Pulsenergie gt 18 kW akustische Signalstarke gt 239 dB uPa re Im Bei nichtlinearer Schallausbreitung und Signalinteraktio nen in der Wassers ule entstehen Sekundarfrequenzen die in den Untergrund eindringen w hlbar 4 15 kHz Bei schmaler Schallkeule Offnungswinkel 1 8 werden praktisch keine Nebenkeuleneffekte generiert Primar und Sekund rfrequenzen haben den gleichen akustischen Abtastbereich Die vertikale Aufl sung betr gt gt 6 cm bei wassertiefe und fre quenzabh ngigen Genauigkeiten von z B 100 10 kHz 2 4 cm 0 02 der Wassertiefe WUNDERLICH amp M LLER 2003 Die
119. ndigkeits und Durchfluss messung von Fl ssigkeiten und Gasen eingesetzt Dabei ist die pr z se Messung in Wasser und Abwasser in Rohren und offenen Kan len mittlerer und gr erer Geometrien immer noch eine besondere Herausforderung Einfache Dopplersysteme bestimmen die Geschwindigkeit im Wasser die durch Multiplika tion mit dem durchstr mten Flie querschnitt in einen Volumenstrom umgerechnet wird Da dem Verfahren eine r umliche Zuordnung der gemessenen Geschwindigkeit fehlt ist die Bestimmung des Volumenstroms meist sehr ungenau Statistische Korrekturen und Kalibrie rungen k nnen die erzielbare Genauigkeit erh hen allerdings lassen sich auch dann nur im Einzelfall h here Genauigkeiten erzielen Mit Pulsdopplerverfahren ADCP Messverfahren l sst sich die Genauigkeit erh hen weil eine lokale Zuordnung der Geschwindigkeit m glich ist Mit einer r umlichen Messfenstergr e von typisch mehr als 0 3 m werden diese Verfah ren allerdings meist erst bei gr eren Gew ssern eingesetzt Das Kapitel 2 erl utert die Bestimmung von Geschwindigkeitsprofilen mit Hilfe von Ultra schall Dabei wird die Dopplermesstechnik Kapitel 2 1 mit der Kreuzkorrelationsmesstech nik Kapitel 2 2 verglichen Kapitel 2 3 beschreibt die Benutzung der Kreuzkorrelation bei gr eren Abmessungen In Kapitel 3 werden erste Anwendungen eines auf dieser Technolo gie basierenden Messsystems des OCM Pro LR vorgestellt Das Kapitel 4 fasst die Arbeit zusa
120. nergieversorgung oder der Datenfern bertragung auf Werden die Umgebungsbedingungen f r die Elektronik eingehalten arbeitet das System relativ st rungsfrei da keine mechani schen Bauteile integriert s nd Eine Funktions berpr fung der Elektronik kann durch eine Wartung vor Ort oder per Fern wartung erfolgen In Baden W rttemberg s nd keine Wartungsvertr ge abgeschlossen Empfohlene Ma nahmen gibt die Arbeitsanleitung Bau und Betrieb von Ultraschall Durchflussmessanlagen Landesanstalt f r Umweltschutz Baden W rttemberg 2002 Wandler Es wird empfohlen einmal j hrlich eine Reinigung der Wandlerk pfe vorzunehmen um die se von Bewuchs Muschelbesatz etc zu befreien Dabei kann der Einsatz von Tauchern not wendig werden Auf Schlitten montierte Wandler k nnen zur Reinigung verholt werden Signalkabel Bei erdverlegten Kabeln sind keine Wartungsarbeiten notwendig bei offen verlegten Kabeln erfolgt Sichtkontrolle Elektronik Die Messelektronik ist prinzipiell wartungsfrei Eine gelegentliche berpr fung der einwand freien Funktion der Anzeigeelemente Leuchtdioden LCD wird empfohlen Ebenso sollte die Funktion des L fters von Zeit zu Zeit kontrolliert werden Reparatur bzw Austausch Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 defekter elektronischer Bauteile geh rt n cht zur allgemeinen Wartung und ist nur durch fach kundiges Personal ausf hrbar F r die berpr fung der einwandf
121. ng einzig und allein aus der Eigenbewegung des ADCP resultiert Ist Seite 111 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 112 dies nicht der Fall so interpretiert der ADCP die Bewegung des Sohlmaterials als Eigenbe wegung stromaufwarts Abb 4 Wird knapp oberhalb der Sohle eine Schicht mit sehr hohen Schwebstoffkonzentrationen unter dem ADCP hindurch transportiert die vom ADCP falsch licher Weise als Sohle identifiziert wird f hrt auch dieses Ph nomen zu einer Fehlinterpreta tion der Situation und zu der Annahme einer unrealistischen Eigenbewegung stromaufwarts Nachdem der ermittelte Messpfad Eingang in die Berechnung der absoluten Flie geschwin digkeiten findet werden diese aufgrund des Fehlers untersch tzt Abb 5 Das f hrt in weite rer Folge auch zu einer Untersch tzung des Abflusses im Querschnitt Sohle in Ruhe Sohle in Bewegung VADCP Wasser i VADCP Wasser a Ges hebetrie gt VADCP Sohle V ADCP Sohle Str mung Str mung verf lscht _ VADCP Wasser VADCP Sohle VWasser VADCP Wasser V ADCP Sohle V Wasser Abb 5 Einfluss des Geschiebetriebs auf die Berechnung der absoluten FlieBgeschwindigkeiten Vwasser mit Referenz BT Wie Abb 4 zeigt wurde der Messpfad m gegenst ndlichen Fall vor allem im linken Bereich des Querschnitts durch Sedimentbewegungen an oder nahe der Sohle stark verf lscht Aus diesem Grund war es notwendig den zur ckgeleg
122. nics Limited UK manufactured a data acquisition for a three fre quency acoustic backscatter probe s milar to that described in PEARSON AND THOMAS 1991 Over the coming decade they continued to manufacture various research instruments based on these principles for institutions studying bottom boundary layer processes around the world before PEARSON AND THOMAS s technology licensed from the UK Ministry of Agriculture Fisheries and Food became obsolete In 2001 Aquatec designed a new instru ment using the latest available techniques and the first AQUAscat was produced The AQUAscat 1000 launched in 2006 s the latest evolution of the technology Figure 4 illustrates the system arrangement The instrument is controlled by a digital signal processor DSP which also carries out signal processing and analysis A programmable logic array is used for high frequency signal gen eration and filtering In the top right hand section is the acoustic backscatter transmit and receive section Up to four transducers are driven through a multiplexer Mux from ampli fied digitally generated signals The same transducers are used to receive the backscattered response which is amplified using a linear amplifier with programmable gain and high speed broadband data acquisition The digitised signal is then mixed digitally down to I and Q com ponents in the bandwidth of interest for example 75 kHz for approximately 1 cm spatial sampling with a nominal 1
123. nsatz Auf eine detaillierte Beschreibung des Verfahrens wird im Rahmen dieses Manuskriptes verzichtet es sei verwiesen u a auf MAUSHAKE 2005 MAUSHAKE amp AARDOOM 2007 Die Anwendung dieser Methode auf den hier beschriebenen Einsatzfall einer Baggergut Verklappung in einem Ostsee Revier stellt eine Pilotanwendung im Sinne einer Ger te bzw Systemerprobung dar Die Verwendung eines schiffsgest tzten Verfahrens erm glicht es die durch die Verklap pung eingetragene Tr bungswolke in der Wassers ule zu identifizieren und dann dynamisch ortsunabh ngig zu verfolgen Baggerwolkenverfolgung Hierdurch kann der Prozess der Verklappung hinsichtlich seiner r umlichen Ausdehnung und der dabei auftretenden Schweb stoffkonzentrationen in der Wassers ule beschrieben werden Der Prozess der Ablagerung des Materials auf der Gew ssersohle ist bei den hier durchge f hrten Untersuchungen nicht betrachtet worden 3 Durchf hrung der Messungen Die messtechnische Begleitung der Verklappung wurde am 18 Juli 2007 durchgef hrt Es konnten 2 Verklappungsvorg nge der selbst fahrenden Spaltklappschuten HH204 bzw HH205 siehe Abb 2 der Heinrich Hirdes GmbH Hamburg erfasst werden Das Baggerma terial stammte aus Unterhaltungsbaggerungen in der Palmer Ort Rinne Das Messkonzept sah vor in Abstimmung mit der Klappschutenbesatzung die Verklappung etwa im Zentrum der ausgewiesenen Klappstelle KS527 durchzuf hren Die Klappschute verl sst d
124. ntration kleiner als die mittlere Hintergrundtr bung ist rot alle Werte die gr er sind Hieraus l sst sich die r umliche Ausdehnung der Tr bungswolke gut absch tzen Der mittlere zum Verklappungs zeitpunkt herrschende Str mungsvektor ist ebenfalls eingetragen Im Fall der Verklappung V1 hat die Tr bungswolke eine maximale Ausdehnung von ca 500 m in Str mungsrichtung und von ca 200 m quer dazu Bei der Verklappung V2 lauten die Werte 300 m bzw 400 m 6019200 6019100 Vo 7 cm s diro 200 Nord Q 6019000 13 24 u 6018900 nn A 12 4 6018800 13 10 he 12 50 13 18 x e 6018700 6018600 Ss Sc u Klappstellenbegrenzung p Klapppunkt Konzentration lt Hintergrund Konzentration gt Hintergrund Ausdehnung der Baggerwolke manuell skizziert 6018200 4617800 4618000 4618200 4618400 4618600 4618800 4619000 Abb 7 R umliche Ausdehnung der gegen ber der Hintergrundtr bung erh hten Schwebstoff konzentration nach der Verklappung 18 07 2007 12 40 Der zeitliche Verlauf ist durch die Passagezeitpunkte angedeutet Seite 71 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 6019200 Klappstellenbegrenzung 6019100 A Konzentration lt Hintergrund Konzentration gt Hintergrund 6019000 16 13 Ausdehnung der Baggerwolke manuell skizziert 6018900 6018800 j i Vo 9 cm s F 6018700 dito 150 Nord p 6018600 6018500 E ri d 6018
125. nung 16 00 Danach wird in Schleifenfahrt die Verfolgung der Tr bungswolke aufgenommen bis sie in der Wassers ule gegen die Hintergrundtr bung nicht mehr zu identifizieren ist unterste Profillinie Abb 4 Uhrzeitbezeichnung 16 19 Nach Beendigung der Schleifenfahrt wird eine Querfahrt durch alle Profillinien zur ck auf den Klapp Punkt vorgenommen Ende der Fahrt 16 28 Die Kreuzungspunkte mit den Schleifenfahrten ergeben ein Indiz daf r wie lange die Tr bungs wolke sich in der Wassers ule gehalten hat In dem hier dargestellten Fall ist bei Wieder Erreichen des Klapp Punktes ca 28 Minuten nach der Verklappung keine gegen ber dem Hintergrundsignal erh hte Tr bung mehr feststellbar Diese Darstellung und Interpretation ist in ihrer qualitativen Aussage viel lt gt wenig schon w hrend der Messung m glich Die sp tere Auswertung und Kalibrierung erm glicht dar ber hinaus Aussagen ber die absoluten Schwebstoffkonzentrationen mg l Abb 4 3D Darstellung der Verklappung 2 V2 aus Bildschirmabzug der Echtzeit Datenerfassung mit VISEA PDT Farbverlauf nicht kalibriert rot mehr Schwebstoff blau weniger Schwebstoff Seite 68 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 4 Ergebnisse Im Rahmen dieses Manuskriptes werden Analysen der Messungen der BAW vom 18 07 2007 pr sentiert Dies beinhaltet die kal brierte Darstellung der Tr bungswolken georeferenzierte Darstellunge
126. o fall out of Figure 1 Backscatter dependence on particle suspension creating a particle size gradient size for a fixed concentration So to calculate X and therefore M many sediment samples may be required on temporal and spatial scales to obtain Fm and a With the advent of commercial acoustic Doppler current profilers in 1982 there was for the first time an instrument that measured backscattered acoustic signals from particles in sus pension in the water column REICHEL AND NACHTNEBEL 1994 described the use of such an instrument for suspended sediment measurement in a fluvial application and also high lighted some of the significant limitations Acoustic Doppler current profilers are generally Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 single frequency devices and thus as explained above require separate measurement of the suspended sediment s ze to estimate mass concentration An additional limitation s that Doppler instruments are optimised to record temporal and frequency shifts in the backscat tered signal and are less well adapted to accurate and stable measurement of amplitude Figure 1 also shows the difference in measured backscatter signal as frequency is varied which is due to the frequency dependency of the sediment form function If the sediment suspension is observed with two or more frequencies and the results compared t should be possible to derive mean particle size and thus to calcul
127. odennahen Transportprozesse in der vorliegenden Arbeit wurden in einem Str mungs Wellenkanal und in Feldeins tzen die bodennahen Geschwindigkeiten mit einem ADV und die entsprechend notwendige hochaufgel ste Topografie mit einem ABS an verschiedenen natiirlichen Sedimenten untersucht KARLE 2008 2 Methodik Die Geschwindigkeiten wurden mit einem 16 MHz Acoustic Doppler Velocity ADV vor rangig bodennah als auch profilierend von der Sohle bis in eine H he von 25 cm ber Grund gemessen Das f r die Topografie eingesetzte ABS umfasst zwei Systemkomponenten Ein Drei Frequenz Echolot erlaubt die Profile der Wassers ule sowie die Position der Sediment oberfl che mit einer hohen zeitlichen 0 1 s und r umlichen 0 25 cm Aufl sung zu messen F r die r umliche Erfassung der Oberfl che wurde das vierte Echolot als Seitensicht sonar eingesetzt n dem es auf einem Messschlitten linear bewegt wurde und Bilder der Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Sedimentoberfl che mit einer r umlichen Aufl sung im Millimeterbereich lieferte Abb 1 Dieses speziell entwickelte Verfahren bot erstmals die M glichkeit in situ hochaufl send Sohlbewegungen zu quantifizieren 3 downward looking ABS transducers F1 F2 F3 Acoustic Doppler Velocimeter Side scan transducer F4 i Abb 1 Multifrequenz Acoustic Backscatter Systems ABS mit drei vertikal messenden Ge bern f r die H hen und R ckstreumessung
128. ologischer Prozesse entstehen und von der Gew ssersohle auf steigen gt und die bei starkem Schneefall in den Schneeflocken enthalten sind eine besondere Bedeutung und k nnen die Messung beeintr chtigen oder zu einem Totalaus fall der Messwerterhebung f hren 6 Zusammenfassung und Ausblick Werden die physikalischen Randbedingungen bei der Installation einer Ultraschallanlage beachtet bzw werden im Vorfeld sorgf ltig alle beeinflussenden Faktoren richtig abge sch tzt stellen d e station ren Ultraschall Durchflussmesssysteme eine echte Alternative dar Systeme in kleinen Gew ssern mit geringen Wasserst nden aber auch Anlagen mit Pfadl n gen von 600 m bei der Laufzeitdifferenz Methode bzw H ADCPs mit akustischen Pfadl n gen von nahezu 100 m wurden bisher erfolgreich installiert und liefern sowohl 1m Niedrig wasser wie auch im Hochwasser zuverl ssige und genaue Messergebnisse Weiterentwick lungen im Bereich der elektronischen Komponenten sowie noch leistungsst rkere Wandler mit immer besserer Schallb ndelung werden die aktuellen Einsatzgrenzen zuk nftig weiter nach oben verschieben Ein integriertes Hybridsystem welches aus einer Kombination aus einem Laufzeitdifferenz System Messungen bei sehr geringen Wasserst nden und aus einem H ADCP Erfassung von Flie geschwindigkeiten im Nahbereich des Sensors auch bei sehr hohen Schwebstoffkonzentrationen besteht w re eine zuk nftige L sung die einzelnen Nachteile der jew
129. ost particles suspended in natural streams are much smaller than the wave length of the general operating frequencies of ADCPs the scattering falls in the Rayleigh regime This means that the sound waves bend around and are hardly affected by the particles Sound scat ters from particles if there 1s a difference of the elasticity and or the density between the par ticle and the medium The target strength is the acoustic cross section expressed in the dB domain The acoustic cross section of a single particle in the Rayleigh regime reads as 4 2 o ac ka ann 4 T 3e 2g l Seite 57 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 58 In which A is the particle area is the particle scattering function k is the wave number 2n L a is the particle radius e is the ratio of particle to water elasticity and g is the ratio of the density of the particle to the water The backscatter of multiple particles simply add re sulting in the volume backscattering strength S ON 5 Where N is the number of particles which can be written as C N 6 Sen 3 S In which C is the mass concentration of suspended sediment and p is the sediment density Merging the equations and writing in the dB domain results in 2 e l 1 3 TS 10log Ck a 2 7 3e 2g l 47 This shows that when the obtained TS from ADCP measurements is correlated with the loga rithmic of sediment concentration values obta
130. ppungen vorherrschende hydrologische Situation Str mung Seegang als sehr ruhig einzusch tzen war Eine bertragung der Er gebnisse ist f r andere hydrologische Situationen z B st rkeren Str mungs oder Seegangssituationen nicht m glich gt Die Prozesse der Verdriftung von Sohlmaterial sind bei diesen Untersuchungen au er Acht gelassen worden Die im Rahmen einer Systemerprobung eingesetzte Methode zur dynamischen Erfassung von Tr bungswolken hat s ch als sehr leistungsf hig herausgestellt und ist gut geeignet das pro zessorientierte Verst ndnis bei der aquatischen Umlagerung von Baggermaterial zu verbes sern Literatur MAUSHAKE C Messung der stuarinen Schwebstoffdynamik als Validierungsgrundlage f r die HN Modellierung Vortrag auf dem BAW Kolloquium Fachliche Grundlagen zur Begutachtung wasserbaulicher Ma nahmen an Seeschifffahrtsstra en am 10 11 2005 download unter www baw de MAUSHAKE C amp J AARDOOM Suspended Sediment Measurements on the River Elbe using ADCP Underwater Acoustic Measurements 2007 Seite 73 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Jahrgang 1960 1981 1989 Studium Vermessungswesen FH Oldenburg anschlieBend Studium Hydrographie FH Hamburg seit 1989 Angestellter der Bundesanstalt fiir Wasserbau Arbeitsschwerpunkte Planung Durchf hrung und Koordinierung von umfangreichen Naturuntersuchungen in K s tengew ssern und
131. prufung Die Daten der Ultraschall Durchflussmessanlage wie Stromungsgeschwindigkeiten Durch fluss und Status werden an den Datensammler im Pegelhaus tibergeben Von dort werden die Daten von der Hochwasservorhersagezentrale abgerufen und den Sachbearbeitern die mit der Datenpr fung betraut sind in einer DV Fachanwendung zur Verf gung gestellt Urspr ng lich war angedacht anhand der Geschwindigkeitsdaten und des Feuchtprofiles den Durch fluss nach ISO zu ermitteln Die Anlagen liefern allerdings die hierzu erforderlichen Quer schnittsdaten nicht Ebenso wird von den Lieferanten die von ihnen eingesetzte Berech nungsvorschrift f r den Durchfluss mit Hinweis auf geheime Firmware die nicht offen gelegt werden k nne nicht zur Verf gung gestellt Ein wesentliches Element der Qualit tssi cherung und der Datenpr fung ist somit nicht gegeben Als weitere M glichkeit des Datenabrufs ist die mittels der firmenspezifischen Abrufsoft ware Diese M glichkeit wird jedoch nur bei speziellen Fragestellungen die au erhalb des Routinedatenabrufs liegen genutzt Seite 19 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 20 5 Zusammenfassung und Ausblick Die urspr nglich vorgegebenen Ziele wurden nur zu einem geringen Teil erreicht Insbeson dere in kritischen Gew sserabschnitten wie z B bei Stauregelung mit anlaufendem Hoch wasser stehen gerade dann die Daten nicht zur Verf gung Auch der Aufwand f r Be
132. r der Deutschen Forschungsgemeinschaft f r die F rderung des in das DFG Forschungszentrum Ozeanr nder Marum eingebundenen Projektes Suspended Sedi ment Flux in Engineered Estuaries in dem die hier pr sentierten Ergebnisse erarbeitet wur den Ferner richtet sich unser Dank an die Besatzung des FK Senckenberg f r ihre tatkraftige Unterst tzung sowie an die Firma Innomar GmbH f r die hervorragende Zusammenarbeit 7 Literatur BARTHOLOMA A 2006 Acoustic bottom detection and seabed classification in the German Bight southern North Sea GeoMarine Letters 26 177 184 COLLINS W amp GALLOWAY J 1998 Seabed classification and multibeam bathymetry tools for multidisciplinary mapping Sea Technology 39 9 45 49 DEINES M L 1999 Backscatter Estimation Using Broadband Acoustic Doppler Profilers Proceedings of IEEE Sixth Working Conference on Current Measurements 249 253 DE JONGE V DE BOER F W F amp DE JONG D J 2007 What is ecologically more important for the Ems estuary climate change or engineering activities Terra Nostra Ta gungsband der Internationalen Konferenz amp 97 Jahrestagung der Geologischen Vereini gung e V in Bremen 1 5 Oktober Schriften der GeoUnion Alfred Wegener Stiftung Vol 2007 1 2 S 125 Deutsches Gew sserkundliches Jahrbuch 2006 Weser und Emsgebiet 2003 Nieders chsischer Landesbetrieb f r Wasserwirtschaft K sten und Naturschutz Norden
133. ranstaltungen 2 2008 Seite 56 On the use of horizontal ADCPs for discharge and sediment transport monitoring Pim van Santen Jeroen Aardoom Peter Meijer 1 Introduction Continuous measurements of river discharge has become relatively straightforward using horizontally oriented Acoustic Doppler Current Profilers H ADCP Additionally more and more experience is built up with the conversion of ADCP backscatter intensity to sediment concentrations The potential applications are enormous for the combination of these two methods a continuous monitoring station for total sediment discharge in a river using only one instrument Other potential uses may be distant dredge plume monitoring avoiding the need for close approach of the dredging ship or sediment discharge monitoring of a reservoir lake feeder channel for siltation management This paper studies the potential for sediment discharge monitoring using a horizontal ADCP by appreciating the measuring principles of the ADCP as well discussing the present relevant knowledge on fluvial suspended sediment dynamics 2 Measuring principles 2 1 Discharge monitoring using horizontal ADCPs H ADCPs measure the current velocity vector in bins across a channel The challenge lies in the establishment of the relationship between the discharge through the measured range and the discharge through the total cross section In general there are two ways for establishing this relationship The simplest
134. rchflussmessanlagen ausgestattet Die Tabelle 1 gibt einen berblick ber die Wasserstandsverh ltnisse an den Ultraschall Pegeln Die Werte sollen die hydraulischen Randbedingungen vermitteln als hydraulische Kennwerte sind sie nicht geeignet Die Tabelle macht deutlich dass die Randbedingungen H henlage der Wandler der ISO nicht eingehalten werden Nach Aussagen der Hersteller sollten aber mit Hilfe der digitalen Signalverarbeitungstechnik abweichend von der ISO ver l ssliche Messungen m glich sein Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Tabelle 1 Hydraulische Kennwerte der in Baden W rttemberg mit Ultraschall Durchflussmessanlagen ausge r steten Flie gew sser Co e VEREINE BERNER NPE SS Besigheim US Enz ze rl BE 115 398 Bopfingen US Eger wf 112003 B 1 72 55 Meuenb rg US Enz Ohriberg US Ohrr Schomdar US Rems Schw bisch Gm nd U8 Rems T bingen US Neckar Ubstadt US Kraichbach woss 180200 ar sa 9 Villingen OS __jBrigch wo 1 11 2000 2 aa 9 2 2 Ziele Vorrangiges Ziel war die Einsparung von Personal und Finanzressourcen 1m Pegel und Datendienst Konkret sollten Aufwendungen f r gt die Pegelunterhaltung und Gew sserpflege gt die bei herk mmlichen Pegeln erforderliche Anzahl von Kalibriermessungen und gt der Datenbearbeitungsaufwand wie z B das Aufstellen einer Wasserstands Abfluss Beziehung reduziert werden sowie gt auf den N
135. rchmessers und der Frequenz LAENEN amp SMITH 1983 Sedimentgehalt in g m BEE 30 40 50 100 200 300 400 1000 Akustische Pfadl nge in m Abb 9 Empfohlene Sendefrequenz f r ein Laufzeitdifferenz System in Abh ngigkeit der akus tischen Pfadl nge und des Sedimentgehaltes in einem Gew sser Seite 12 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 5 1 Luftblasen Luftblasen bilden mit dem umgebenden Wasser und der Kompressibilit t der eingeschlosse nen Luft ein Schwingungssystem Luftblasen sind daher akustisch u erst wirksam als Ursa che f r die Streuung von Schall aber auch f r die D mpfung Luftblasen wie sie zum Bei spiel unterhalb von Wehren bei freiem berfall in das Wasser eingetragen werden oder aber auch Sauerstoff produzierende Pflanzen bzw Faulgase die von der Gew ssersohle aufstei sen d mpfen das akustische Signal Ebenso unterbricht das Schraubenwasser von Schiffen in das Luftblasen eingetragen werden die Schallausbreitung Wegen der K rze der Beein tr chtigung verursacht dies jedoch in der Regel keinen Datenausfall sondern allenfalls eine reduzierte Anzahl von Messwerten innerhalb der Integrationszeit In Bezug auf die station re Ultraschall Durchflussmessung haben daher Luftblasen die ber berstr mte Wehre ins Gew sser eingetragen werden die durch brechende Wellen entstehen Gebirgsb che Schaumkronen die im Kielwasser von Schiffen auftreten VV VV die aufgrund bi
136. rden Unabh ngig von der Anzahl unterschiedlicher Sedimentlagen wird die Oberfl che der festen Sohle sowie der tiefere Untergrund messtechnisch erfasst und l sst sich damit als geeignetes Referenzniveau nutzen Weiterf hrende Informationen zur Beschaffenheit der Sohloberfl che u a hinsichtlich Sedi menttypus und Besiedlung liefern Seebodenklassifizierungssysteme Allen Systemen gemein ist die digitale Echoauswertung von herk mmlichen Ein und Mehrstrahlecholoten Bislang liegen nur wenige Erfahrungswerte ber Eins tze von Seebodenklassifizierungssystemen in Gebieten mit Vorkommen fl ssiger Schlicke vor Der Einsatz von Seitensichtsonar und F cherecholot erweitert die Perspektive auf die dreidi mensionale Ebene Auch diese Ger te treten hier an ihre messtechnischen Grenzen wenn die genaue Erfassung der festen Sohle durch Pr senz fl ssiger Schlicke akustisch unscharf wird Erst durch den simultanen Einsatz und die Kopplung der verschiedenen Messverfahren ergibt sich ein detailliertes Bild zur Schwebstoffdynamik Die genaue geografische Positionierung ist Grundvoraussetzung hierf r Alle Ger te werden zeitlich und r umlich aufeinander abgestimmt um einerseits eine genaue Datenvergleichbar keit zu gew hrleisten und Signalinterferenzen zu minimieren Profilierende CTD Messungen Conductivity Temperature Depth dienen u a der Laufzeitkorrektur Bundesanstalt f r Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 77 Bu
137. reien Funktion der Messelektronik steht zudem ein Mess wertsimulator zur Verf gung mit welchem verschiedene Frequenzen und Pfadl ngen s mu liert werden k nnen Haltekonstruktion der Wandler Die Ausrichtung der Wandler sollte durch eine Sichtkontrolle erfolgen Insbesondere nach Hochwasserereignissen ist eine Kontrolle auf Besch digungen Anlagerungen oder Hinder nissen m Messpfad vorzunehmen 3 3 Kalibriermessungen Bedingt durch das Messprinzip kann auf hydrometrische Vergleichsmessungen zur Kontrolle des Kalibrierfaktors nicht verzichtet werden F r diese Messungen kommen im Wesentlichen zwei Messverfahren in Betracht gt Durchflussmessungen mit einem mobilen ADCP Messgerat gt Punktmessungen mit hydrometrischen Fl geln oder bei sehr geringen Ge schwindigkeiten mit magnetisch induktiven Sonden 3 4 berpr fung der Querschnittsgeometrie Die berpr fung der Querschnittsgeometrie ist wichtig da ihre Gr e direkt in das Messer gebnis Durchfluss eingeht Durch Verlandung oder Erosion ndert sich das Feuchtprofil Die se Messung kann auch bei niedrigen Pegelst nden erfolgen Sie muss j hrlich und unbedingt nach einem Hochwasserereignis durchgef hrt werden Es gen gen Peilungen in vorgegebe nen Profilen Die Profile miissen den gesamten Bereich zwischen den Messpfaden abdecken Bei Einsatz eines ADCP Messgerates zur Kalibrierung liefert dieses Ger t bereits die Profil daten 4 Datenspeicherung Datenabruf Daten
138. rge stages Considering the above mentioned issues an H ADCP seems well suited for wash load moni toring However if not only wash load is to be monitored but also or only suspended trans port of local bed material the H ADCP should be mounted as close to the bed as possible When the H ADCP is located close to the bed use can be made of the fact that acoustic sen sors are most sensitive to coarse material If in a stream a clear distinction exists between the grain sizes of the wash load material and the bed material a close to the bed located ADCP will mostly sense the bed material In that case the diffusion equation may also be applied to the backscatter measurements to create a vertical sediment discharge profile Additionally for the monitoring of suspended transport of local bed material information on cross stream variation in suspended sediment concentration is crucial because of the often strong lateral variability of bed sediment properties 5 Conclusions This paper evaluated the potential of a horizontally scanning Acoustic Current Doppler Pro filer H ADCP for the use of sediment dicharge monitoring We conclude that the H ADCP is a very well suited instrument for the monitoring of wash load material Additionally the H ADCP has several advantages over more traditional wash load monitoring methods like turbidity sensors namely Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 gt information on lateral v
139. rliche Genauigkeit wird mit dem differenziellen GPS Verfahren erreicht wobei eine Referenzstation an Land zeitgleich mit der Messung im Gew sser betrieben wird Zur Ortung und Referenzierung der Flie geschwindigkeiten wird eine DGPS Antenne in der Achse des ADCP angebracht Die augenblickliche Position des ADCP wird dem Bootsf hrer in Echtzeit auf einem Bild schirm dargestellt Realtime Messung Auf dem Bildschirm kann auch eine Strecke oder ein Kurs eingegeben werden den der ADCP nehmen soll beispielsweise ein Quer oder L ngs profil oder ein Raster im Gew sser Es werden dem Bootsf hrer st ndig seine Entfernung zum Ufer die lotrechte Entfernung zur vorgegebenen Strecke und oder seine Entfernung zu einer vorgew hlten Markierung einem Punkt im Fluss oder an Land auf dem Bildschirm angezeigt Dar ber hinaus k nnen digitale Karten hinterlegt werden was insbesondere bei Hochwassermessungen mit berstr mten Vorl ndern unverzichtbar ist Entsprechend der Aufgabenstellung wird der vorgegebene Bootskurs mit Hilfe der Realtime Darstellung abgefahren Dies stellt hohe Anspr che an die F higkeiten des Bootsf hrers da der Fluss einerseits mit m glichst geringer Bootsgeschwindigkeit gequert werden muss und andererseits die Abweichung von der vorgew hlten Strecke so gering wie m glich gehalten werden soll Die unterschiedlich hohen Flie geschwindigkeiten in Ufern he in Buhnenfel dern und im Fluss selbst erfordern von dem Bootsf hrer
140. rnal of the Acoustical Society of America 85 4 pp 1501 1511 PEARSON N D AND THOMAS M R 1991 An instrument to measure seabed boundary layer processes IEEE Journal of Oceanic Engineering 16 4 pp 338 342 REICHEL G AND NACHTNEBEL H P 1994 Suspended sediment monitoring in a fluvial environment Advantages and limitations applying an acoustic Doppler current pro filer Water Research v 28 no 4 pp 751 761 THORNE P D AND HANES D M 2002 A review of acoustic measurement of small scale sediment processes Continental Shelf Research v 22 pp 603 632 THORNE P D HARDCASTLE P J AND SOULSBY R L 1993 Analysis of Acoustic Meas urements of Suspended Sediments Journal of Geophysical Research Vol 98 C1 pp 899 910 1993 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 THORNE P D WATERS K R AND BRUDNER T J 1995 Acoustic measurements of scat tering by objects of rregular shape Journal ofthe Acoustical Society of America 97 1 pp 242 251 YOUNG R A MERRILL J T CLARKE T L AND PRONI J R 1982 Acoustic profiling of suspended sediments in the marine bottom boundary layer Geophysical Research Letters 9 3 pp 175 188 Contact Andrew M Smerdon CEng MIET Aquatec Group Ltd High Street Hartley Wintney Hampshire RG27 8NY UK Phone 44 1252 843072 Fax 44 1252 843074 inquiry AquatecGroup com Seite 55 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Ve
141. rofile F z h is represented by tee a h h z h 7 in which t is a coefficient It can be seen that if A is set to zero a standard logarithmic profile is obtained Local accel erations can be represented with perturbations to the logarithmic velocity profile These will have to be established with independant discharge measurements For the extrapolation to the side of the channel we assume that the flow velocity shows a logarithmic decay to the sides of the channel During a high discharge event extensive floodplains far outside the H ADCP measurement range may flood In this case it may be necessary to couple the measurements to a hydrody namic model that computes the velocity field through the complete cross section and is real time calibrated to the measurements 2 2 Sediment concentration measurements using acoustics The sound emitted by the ADCP is scattered back by particles suspended in the water col umn The strength of the backscattered signal is recorded by the ADCP and can be used as a measure for the sediment concentration The backscatter signal needs to be converted to obtain the Target Strength using the sonar equation EL SL TL TS 3 in which EL 1s the echo level which is the backscatter intensity measured by the ADCP SL is the source level TL is the transmission loss caused by beam spreading and sound absorp tion and TS is the target strength indicating the scattering properties of the sediment Since m
142. rt die die H he der Sedimentation bestimmt und damit den korrekten Flie querschnitt ber cksichtigt Die Geschwindigkeitsmessung erfolgt von oben nach unten Die Abbildung 6 zeigt die Realisierung Abb 6 Schwimmerl sung m Zulauf zur Kl ranlage London Aber auch sehr sauberes Wasser im Kl ranlagenauslauf von Hamburg l sst sich problemlos vermessen In einer weiteren Untersuchung wurde der OCM Pro LR zur Geschwindigkeits profilbestimmung der Einlaufstromung in ein Sedimentationsbecken genutzt diese Ergebnis se werden in einem kommenden Paper ver ffentlicht Seite 35 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 36 4 Zusammenfassung und Ausblick Der vorliegende Bericht beschreibt die Weiterentwicklung von Ultraschall Dopplersystemen zur Geschwindigkeits und Durchflussmessung mit einer erweiterten Auswertung durch die Kreuzkorrelation Diese wurde bisher als Geschwindigkeitsmessmethode vor allem im Be reich kleinerer und mittlerer Abmessungen bzw Geometrien eingesetzt und erg nzt und er weitert somit die bereits seit Jahren erprobten ADCP Systeme Mit codierten Pulsfolgen konnte der Messbereich deutlich erweitert werden Durch die Kreuzkorrelation werden deut lich feinere Aufl sungen erreicht als mit der Dopplertechnik und erzielbare Genauigkeiten werden vor allem bei kleinen Geschwindigkeiten h her Das Messverfahren wird auch zur direkten Durchflussbestimmung genutzt Dort bietet es gegen ber e
143. rt werden Es k nnen lediglich in den Datens tzen bereits vorhandene Informationen oder Platzhalter er setzt werden Wie bereits erw hnt bietet WinRiver die M glichkeit GPS Daten direkt in die ADCP Dateien zu integrieren WinRiver 2003 Aus diesem Grund sind in den ASCII Dateien Platzhalter f r die berechnete Bootsgeschwindigkeit in vektorieller Form sowie f r die Lageangaben des jeweiligen Messensembles mit Referenz GPS vorgesehen Diese Platz halter werden verwendet um die Lageinformationen der Totalstation in die Datens tze zu integrieren Die abgespeicherten Messwerte in den einzelnen Tiefenzellen wie beispielswei se Flie geschwindigkeiten und R ckstreuintensit ten m ssen teilweise auch von Referenz NONE auf Referenz GPS umgerechnet werden was dank der vektoriellen Schreibweise ganz einfach durch vektorielle Addition geschieht Die in den ASCII Dateien enthaltenen Informa tionen zu den mit WinRiver berechneten Abflussanteilen werden im Zuge einer Weiterverar beitung nicht verwendet sondern neu berechnet und k nnen daher vernachl ssigt werden Nach der Zusammenf hrung der Daten des ADCP und der Totalstation k nnen die erg nzten ASCII Dateien beispielsweise in das Programm AGILA eingelesen werden wo dann die end g ltige Auswertung der Daten erfolgen kann 3 2 3 Auswertung der Messdaten und Vergleich der Ergebnisse Abbildung 6 zeigt analog zu Abb 4 das aus den f nf Messfahrten gemittelte Geschwin digkeit
144. rtige Sediment akkumulationen k nnen in Abh ngigkeit hrer physikalischen und rheologischen Eigenschaf ten die nautische Sohle ma geblich verringern Kommt es ferner durch schnelles Absinken gro er Schwebstoffflocken zur Bildung m chtiger hochviskoser fl ssiger Schlicke fluid mud so sind diese mit herk mmlichen Echoloten oft nicht von der festen Sohloberfl che zu unterscheiden Zur Sicherstellung der garantierten Solltiefe sind damit Unterhaltungsbagge rungen unumg nglich Andererseits ziehen hohe Schwebstoffaufkommen oft verringerte Sau erstoffgehalte nach sich was schlie lich zu einer Herabsetzung der Gew sserg te f hrt Ein treffendes Beispiel f r derartige Verh ltnisse ist das Ems stuar Wiederholte Ausbauma nahmen des Fahrwassers haben nicht nur eine Erh hung des Tidenhubes erwirkt Eine Zu nahme der Schwebstoffkonzentration SSC innerhalb der letzten 30 Jahre um das 10fache sowie das derzeitig extrem hohe Schwebstoffaufkommen deuten auf signifikante anthropo gen verursachte Ver nderungen der Sedimentdynamik hin DE JONGE et al 2007 Die detaillierte Erfassung der Schwebstoffdynamik in Tide stuaren setzt den Einsatz von Messtechniken voraus mittels derer die prozesssteuernden Parameter in der Wassers ule bis in den tieferen Gew ssergrund hinein mit hoher r umlicher und zeitlicher Aufl sung regist riert werden k nnen Dieser Ansatz ist in einem aktuellen Forschungsvorhaben des DFG gef rderten Fors
145. rwertbare Ergebnisse zu erhal ten Aber auch die weiterf hrende Auswertung der aufgezeichneten Messwerte zur Absch tzung morphologischer Str mungsparameter wie beispielsweise Geschiebetrieb oder Schwebstoff konzentrationen verlangt eine umfangreiche Datennachbearbeitung und in vielen F llen zu s tzliche Messungen mit konventionellen Methoden zur Eichung der ADCP Daten Aus diesem Grund wurden der Lehrstuhl und die Versuchsanstalt f r Wasserbau und Was serwirtschaft der Technischen Universit t M nchen vom Bayerischen Landesamt f r Umwelt LfU beauftragt die Einsatzm glichkeiten der ADCP Technik unter hochwasser hnlichen Abflussbedingungen zu testen W hrend der letzten zwei Jahre wurden methodische Untersu chungen und Naturmessungen zur Beantwortung folgender grunds tzlicher Fragestellungen durchgef hrt gt Wo liegen die Einsatzgrenzen der ADCP Technik im Hinblick auf die praktische Durchf hrbarkeit der Messungen Sicherheitsaspekte im Hinblick auf die not wendige Mindestmenge an erfassten Daten zur Abflussbestimmung und im Hin blick auf die Notwendigkeit zus tzlicher Messungen zur Erg nzung der ADCP Daten Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 gt Inwieweit besteht die M glichkeit anhand von ADCP Messungen morphologi sche Prozesse wie Geschiebebewegungen und Schwebstofftransport abzusch t zen Sind hier nur qualitative oder auch quantitative Aussagen m glich und be n tigt man daf r
146. s e R ee e Lage der Ensembles Messwerte Ay 6 re N a Lage der Mittelungspunkte eines A Gitterelementes ae e Gittergrenzen e L N Abb 4 Bestimmung einer gemittelten Geschwindigkeitsverteilung aus einer fl chigen Geschwindigkeitsaufnahme Die Mittelwertbildung der Ensembles innerhalb eines Segmentes Gitterelementes wird wie folgt durchgef hrt siehe Abb 5 gt Bestimmung einer gemittelten Sohlen und Wasserspiegelh he Einteilung des Mittelungssegmentes in Tiefenzellen Einf hrung einer Sohlenabstandskoordinate z f r jeden Messwert Projektion der Messwerte auf die gemittelten Sohlenh he gt gt gt gt ar thmetische Mittelwertbildung aller Messwerte innerhalb einer Tiefenzelle Ensembles Vv gemittelte Was sers piegelhohe amp gt 4 Mittelungspositionen Messwerte xA A Pe Tiefenzellen d N gemittelte Sohlenh he Mittelungssegment gt a Abb 5 Schematische Darstellung der Mittelwertbildung innerhalb eines Segmentes Nach der Mittelwertbildung erfolgt eine Extrapolation der Randbereiche mit einem geeigne ten Verfahren SCHMID amp NIESLER 2005 Seite 100 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 5 Praktische Beispiele 5 1 Main Eibelstadt Im Rahmen des Main Ausbaus wurde als Ausgleichsma nahme die Buhnenfeldkette zwi schen Main km 263 60 und Main km 264 00 durch das Wasserstra en Neubauamt Aschaf fenburg umgestaltet Als Grund
147. s tzliche Informationen in diesem Fall zus tzliche Messungen zur L sung erfordert Auch die Auswertung der ADCP Daten in Hinblick auf m gliche Aussagen ber das Ausma der Ge schiebebewegung im Querschnitt ist noch Inhalt von detaillierten Parameterstudien Hier liegen die Herausforderungen in der m glichst exakten zuverl ssigen Erfassung des ADCP Wess durch externe Messger te sowie in der eindeutigen Identifikation der Sohlenoberfl che durch den ADCP um m gliche Verwechslungen mit sohlnahen Schwebstoffschichten aus schlie en zu k nnen Literatur AARDOOM J H UND MOL J W Quantification of sediment concentrations and fluxes from ADCP measurements Akustische Dopplerger te ADCPs in der Hydrometrie M g lichkeiten und Perspektiven einer innovativen Technik Forum fiir Hydrologie und Wasserbewirtschaftung Heft 12 05 S 117 130 2005 ADLER M UND NICODEMUS U Benutzerhandbuch AGILA 6 Bundesanstalt fiir Gew sser kunde 2007 DEINES K L Backscatter Estimation Using Broadband Acoustic Doppler Current Profilers Oceans 99 MTS IEEE Conference Proceedings 1999 GARTNER J W Estimation of Suspended Solids Concentrations Based on Acoustic Back scatter Intensity Theoretical Background Turbidity and Other Sediment Surrogates Workshop 2002 MUELLER D S UND WAGNER C R Correcting Acoustic Doppler Current Profiler Dis charge Measurements Biased by Sediment Transport Journal of Hydraulic Engineer ing
148. sbaus deutscher Nordsee stuare auf die Gew sserg te und das Baggergutmanagement Die Lahn Betrachtungen zu einem Gew sser aus hydrologischer wasserwirtschaftlicher und kologischer Sicht Tracer und Abriebversuche Gewinnung morphologischer Basisdaten f r die Bewirtschaftung defizit rer Flusssysteme Statusseminar Sedimentkontakttests Wasserstands und Abflussvorhersage in grenz berschreitenden Flussgebieten Stand und Weiterentwicklung von Vorhersagesystemen Praxisorientierte und vielseitig nutzbare Fernerkundungseinsatze an der Elbe Die Bedeutung von Baggergutrichtlinien f r das Sedimentmanagement in Flussgebieten und f r den Meeresschutz Anwendungen der weltweiten Sammlung von Abflussdaten des Global Runoff Data Centre GRDC Feststoffhaushalt und Sedimentbewirtschaftung anthropogene Steuerung nat rlicher Prozesse Erfahrungen zur Niedrigwasserbewirtschaftung Gew sserkundliche Untersuchungen f r verkehrliche und wasserwirtschaftliche Planungen an Bundeswasserstra en Wasserstands und Abflussvorhersagen im Elbegebiet Niederschlag Abfluss Modellierung zur Verl ngerung des Vorhersagezeitraumes operationeller Wasserstands und Abflussvorhersagen Radiologische Untersuchungen an Bundeswasserstra en als Teil der radiologischen Umwelt berwachung Messkonzepte und Modellierung in der Gew ssermorphologie H henmessungen mit GPS Status quo und Entwicklungstendenzen R hricht an Bundeswasserstra en im nord
149. schnitt Abb 5 Ganglinien des Wasserstandes des Durchflusses der mittleren Querschnittsge schwindigkeit der Hauptstr mungsrichtung und der mittleren Echointensit ten Ma f r Schwebstoffkonzentrationen Abb 6 Ganglinien der Flie geschwindigkeit und des Abflusses aus Messungen mit an deren Messger ten n Bereichen au erhalb des Messquerschnitts Weitere Eigenschaften gt Abb 3 H hen bzw Tiefeninformationen aus den Messdaten werden vor der Visualisie rung mit Wasserstandswerten beschickt um f r alle Messfahrten einen einheitli chen Bezug auf Normalnull m NN zu gew hrleisten Projektion der Str mungsvektoren in die Ebene des Sollprofils Ermittlung der Kenterpunkte und Durchfluss Summenlinien Flut und Ebbe stromvolumina Teilen eines Querschnitts in Unterabschnitte Um verschiedene Messungen eines Querschnitts besser vergleichen zu k nnen kann eine Matrix aus Zellen mit fester Position und Gr e festgelegt werden Ganglinien der Matrixzellen berechnen und darstellen Es stehen Funktionen zum Korrigieren von fehlerhaften Messdaten zur Verf gung Trackplots mitV Vektoren original BT Trackplots mitV Vektoren projiziert BT N 5 914 500 5 5 914 000 pu Uo Hochw a 2 565 000 2 565 500 2 566 000 2 565 000 2 565 500 2 566 000 2 566 500 Rechtswert Rechtswert Draufsicht auf das Messgebiet mit Darstellung der Messfahrten Trackplots und Str mungsvektoren Sei
150. sma nahmen in der WSV Die EU Wasserrahmenrichtlinie Ans tze und Perspektiven einer kologischen Bewertung des Makrozoobenthos in bergangs und K stengew ssern Abbau von Tributylzinn TBT in Sedimenten Neuartige toxische Effekte und ihre Relevanz f r die Baggergutbeurteilung Rechtliche Vorgaben f r den Umgang mit Baggergut Aktuelle Entwicklungen Einsatz kologischer Modellsysteme zur Unterst tzung von Entscheidungen bei Eingriffen in Flie gew ssern Modellgest tzte Wasserbewirtschaftung mit hoher zeitlicher Aufl sung Moderne Strategien zur Qualit tssicherung in der Gew sservermessung Schwebstoffe und Schwebstofftransport in Binnenwasserstra en Staugeregelte Fl sse in Deutschland wasserwirtschaftliche und kologische Zusammenh nge Impounded Rivers in Germany Water Management and Ecological Interactions Vorkommen und Analytik ausgew hlter Schadstoffklassen der EU Wasserrahmenrichtlinie Zur Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie bei Unterhaltungs und Ausbauma nahmen von Wasserstra en und H fen Fluss und Wasserstra e morphodynamische Charakteristik und zuk nftige Entwicklung SENSPOL Technical Meeting on Problems related to Diffuse Pollution Sources Characterization of Sediment Dredged Material and Groundwater Anwendung umweltrelevanter Vorgaben f r die WSV beim Umgang mit Baggergut im K stenbereich Aktuelle Entwicklungen Flussgebietsbewirtschaftung quo vadis Modellierung Auswirkungen des Au
151. sprofil sowie den daraus berechneten und gemittelten Abfluss bei Erg nzung der ADCP Daten mit den Messwerten der Totalstation Wie bereits erw hnt interpretiert AG LA die nachtr glich hinzugef gten Lageinformationen der Totalstation als GPS Werte was aber keine Auswirkung auf die Ergebnisse hat Aus den f nf Querungen wurde ein Abfluss von 149 m s ermittelt Das Ergebnis weicht um 3 5 vom ermittelten Abfluss am Pegel ab Unter Ber cksichtigung der Messbedingungen vor Ort ist die Genauigkeit beraus zufriedenstellend Im Gegensatz zu den mit Referenz BT ermittel ten Abfl ssen 129 119 133 129 bzw 130 m s weisen die unter Ber cksichtigung der zu s tzlich erfassten Lageinformationen ermittelten Abfl sse 148 149 150 148 bzw 148 m s eine wesentlich geringere Streuung auf als die urspr nglichen Ergebnisse Auch die korrigier ten Flie geschwindigkeiten stimmen mit den Ergebnissen der Fl gelmessung jetzt sehr gut berein Abb 6 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Messpfad Referenz GPS__
152. ssungen ist noch nicht am Ende ihrer Entwicklung angelangt Wie Abb 6 eindrucksvoll zeigt gibt der Vergleich der unter Verwendung des BT Signals ermittelten Messwege mit den extern erfassten Lagedaten sehr deutlich Auskunft ber Bereiche mit Sedimentbewegung an oder nahe der Sohle und Bereiche mit ruhender Sohle Das Problem in diesem Zusam menhang ist die Gefahr dass eventuell vorhandene sohlnahe Schichten mit sehr hohen Schwebstoffkonzentrationen vom ADCP als Sohlenoberfl che interpretiert werden was dazu f hren w rde dass der Messpfad des ADCP bei Referenz BT durch die Geschwindigkeit der transportierten Sedimente anstatt des Geschiebes verf lscht wird was etwaige R ckschl sse auf die Geschiebebewegung nicht mehr m glich macht Hier sind dementsprechende Modifi kationen des BT Signals notwenig um die bestm glichen Ergebnisse zu erhalten Umfang reiche Forschungen und Untersuchungen auf diesem Gebiet RENNIE 2007 erlauben jedoch die Prognose dass analog zur Entwicklung auf dem Gebiet der Schwebstoffkonzenrations messung mit ADCP Ger teeinstellungen f r ADCP Messungen zur Erfassung morphologi scher Ver nderungen der Sohle pr zisiert bzw standardisiert werden die Durchf hrung an wenderfreundlicher gestaltet und die Auswertung der Messdaten durch die Entwicklung ent sprechender Tools erleichtert werden wird 4 Zusammenfassung Es wurden ADCP Messungen an einem voralpinen Gew sser bei hochwasser hnlichen Ab flusssit
153. st eine Auswertung der Daten ohne parallel durchgef hrte konventionelle Kalibrie rungsmessungen nicht m glich Es k nnen lediglich qualitative Aussagen ber m gliche Anstiege in den Konzentrationen w hrend einer Messung oder ber Bereiche mit h heren und Bereiche mit niedrigeren Konzentrationen gemacht werden Abbildung 7 veranschaulicht diese Problematik 123 122 121 120 119 118 117 116 115 Echointensit ten dB 114 Abb 7 Verteilung der R ckstreuintensit ten und gemessene Schwebstoffkonzentrationen Seite 115 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 116 Vor der Durchf hrung der ADCP Messungen am 08 08 2006 konnten von einer Br cke knapp oberhalb der Pegelstelle 15 Schwebstoffproben ber den Querschnitt verteilt entnom men werden Diese wurden mit der aus den f nf ADCP Uberfahrten gemittelten Vertei lung der Echointensit ten verglichen Diese Werte sind das Ergebnis einer in WinRiver integ r erten Routine zur Ber cksichtigung aller bekannten geometrischen ger te und wasserspe zifischen Ph nomene die die Beschaffenheit der Echosignale beeinflussen Obwohl die ADCP Daten qualitativ gut mit den in den Querschnitt eingetragenen gemessenen Schweb stoffkonzentrationen bereinstimmen konnte keine eindeutige Beziehung zwischen den bei den Datens tzen gefunden werden Auch die Erfassung der Gr e des Geschiebetriebs im Messquerschnitt mit Hilfe von ADCP Me
154. ste Verifikationsmessungen fanden in unseren eigenen Versuchsst nden statt Da Ver suchsst nde mit den ben tigten Wassertiefen von mehr als m nicht blich sind wurde die bestehende Messstrecke und der berpr fungstest modifiziert Damit konnte keine Durch flussmessung berpr ft werden aber der Test erlaubte die Verifizierung des Geschwindig keitsprofils Die Abbildung 5 skizziert den Aufbau Die Abmessungen des Testkanals betra gen ca 0 34 mx 0 70 m x 10 00 m Der Sensor wurde so befestigt dass er entlang des Kanals misst mit einer Pfadl nge von fast 10 m Durch zwei Halbschalen konnte der durchstr mte Querschnitt eingeengt werden an dieser Stelle lag dementsprechend nach Bernoulli eine h here Geschwindigkeit vor Da die Halbschalen verschoben werden konnten war es m glich Geschwindigkeits nderungen entlang des gesamten Ultraschallstrahls zu beobachten und gegen eine Vergleichsmessung zu berpr fen Dieser einfache Test zeigte eine hervorragende bereinstimmung der Geschwindigkeitsmessungen mit der berpr fung Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Ultraschallstrahl Sensor Halbschalen Messpunkt Mittlerweile zeigen einige Installationen des Ger tes den potenziellen Einsatzbereich auf Die Applikationen reichen von dem Kl ranlagenzulauf von London mit sehr hoher Verschmut zung und Sedimentation Zur genauen Durchflussmessung wurde eine Schwimmerl sung realisie
155. stim men wird diese Geschwindigkeit meist mit einem empirischen Faktor beaufschlagt und mit dem durchstr mten Flie querschnitt multipliziert Die erreichbare Genauigkeit ist n der Re gel gering da die Geschwindigkeit ohne r umliche Zuordnung bestimmt wird Eine deutliche Verbessung des Messsystems erh lt man wenn man anstelle einer Kontinuier lichen Ultraschallaussendung mit einem kurzen Ultraschallpuls arbeitet Bei diesem Aufbau wird blicherweise auf einen separaten Empf nger verzichtet da die Sendekeramik auch als Empf nger dienen kann Bei Kenntnis der Schallgeschwindigkeit c in Wasser bei 20 C 1480 m s kann man leicht eine r umliche Zuordnung der Echosignale berechnen wenn man den Zeitabstand T zwischen Aussendung des Ultraschallpulses und dem Empfang be stimmt c T I 2 Die Abbildung 1 soll dies verdeutlichen v Partikelgeschwindigkeit WLLIIIII00 2 Abb 1 Dopplersystem Seite 30 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Normalerweise werden die Echosignale in Zeitfenstern gespeichert in denen dann die Ge schwindigkeit v bestimmt wird entsprechend der obigen Gleichung kann diesem Zeitfenster ein Raumfenster zugeordnet werden Die direkte Bestimmung der Doppler verschobenen Frequenz fp ist bei blichen Geschwindigkeiten schwierig Je fo c 2 v cosa Einige Zahlen sollen dies verdeutlichen Bei einer Sendefrequenz von
156. stoff 3 2 Verklappung Die Durchf hrung der Nullmessung wurde so abgestimmt dass unmittelbar nach deren Be endigung in Absprache mit der Klappschutenbesatzung die Verklappung durchgef hrt wurde Hierzu hielt sich das Messfahrzeug in unmittelbarer N he des mit einer Blase markierten Klapp Punktes auf und fuhr unmittelbar nach Beendigung der Verklappung direkt in die Tr bungswolke um mit den Messungen zu beginnen Der Verklappvorgang selbst dauert nur wenige Sekunden Nach Einfahren in die Tr bungswolke wird zun chst eine Kalibriermessung durchgef hrt das hei t Entnahme von 3 4 Pumpproben und Erfassung eines vertikalen CTD Profils Dann wird in einer Schleifenfahrt mit der zuvor festgelegten Profilrichtung siehe Nullmessung die Tr bungswolke verfolgt Seite 67 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Schon in der Echtzeitdarstellung lassen sich mit der nicht kalibrierten Darstellung des ab soluten Backscattersignals im Messquerschnitt die Bereiche erh hter Tr bung eindeutig iden tifizieren so dass eine flexible der jeweiligen Messsituation angepasste Optimierung der Messprofile m glich ist Abb 4 zeigt anhand eines Bildschirmabzuges der Echtzeit Daten aufzeichnung den Messablauf bei der Erfassung der zweiten Verklappung Um ca 16 00 ffnete die Schute und verklappte offenbar in zwei St en das Baggermaterial das sind die beiden tief roten Bereiche in Abb 4 mit der Uhrzeitbezeich
157. stuar aus dem Deutschen Gew sserkundlichen Jahrbuch 2006 Weser Ems Gesamtlange 477 km 370 km Lange des tidebeeinflussten 120 km 100 km Abschnittes Ebbstrom dominiert Flutstrom dominiert Tidenhub PAM PAM m 0 gt 38m 0 gt 38m 8m ee und Lage 15 20 km gt 60 km Oberwasserabfluss bei Intschede Versen Die Datenerfassung erfolgt schiffsgest tzt mit dem Forschungskutter Senckenberg in der jeweiligen Tr bungszone der Untersuchungsgebiete Seit 2002 sind 13 Messkampagnen im Weser Astuar und 3 Messkampagnen im Ems Astuar zu unterschiedlichen saisonalen und tidalen Bedingungen durchgef hrt worden Der Einsatz der Messger te erfolgt simultan auf L ngsprofilen im Hauptfahrwasser sowie station r Proben werden stichpunktartig entnom men bzw sind an akustische Auff lligkeiten gekn pft 3 Methodik Der Einsatz von Acoustic Doppler Current Profilern ADCP erfolgt mittlerweile nicht nur zur Messung von Stromungen und Wellen sondern auch zur Abschatzung von Schwebstoff konzentrationen durch Auswertung des akustischen R ckstreusignals DEINES 1999 Abhan gig von ger tespezifischer Sendefrequenz Schwebstoffkonzentration und charakteristik Partikelzusammensetzung und gr e lassen sich unter Verwendung von Konzentrations angaben u a aus Wasserproben signifikante Korrelationen erstellen Im Flachwasser kann zur Erfassung vor allem r umlich kleinskaliger Str mungsmuster auf hochfrequente gt 1200 kHz System
158. t werden und alle erfassten Messwerte k nnen abgespeichert und im Zuge des Datenexports in die ASCII Files geschrieben werden Seite 113 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 114 3 2 2 Zusammenf hrung von ADCP und Lagemessdaten W hrend der Messung speicherte die Totalstation pro Messpunkt die jeweilige Uhrzeit m Format hh mm ss die schr ge Distanz zum Prisma in m sowie den Winkel zur Vertikalen und den Horizontalwinkel zu einer beliebig w hlbaren Nullrichtung n rad ab Diese Infor mationen m ssen vor der Implementierung in die ASCII Dateien in geografische Koordina ten umgewandelt werden Dies erfolgt in zwei Schritten Zuerst werden die Rohdaten in Gau Kr ger Koordinaten umgerechnet Voraussetzung daf r ist die genaue Kenntnis der Koordinaten des Ger testandorts sowie des Winkels zwischen dem festgelegten Horizontal Nullwinkel und Norden Im n chsten Schritt werden die Gau Kr ger Koordinaten in geo srafische Koordinaten umgerechnet Danach k nnen die Lageinformationen durch lineare Interpolation auf die Zeitstempel der ADCP Messensembles bezogen werden F r die Zusammenf hrung der verschiedenen Datens tze ben tigt man die ASCII Dateien der ADCP Messung mit Referenz NONE sowie die umgewandelten Lageinformationen der Totalstation M chte man die Textdateien mit den ADCP Messwerten f r sp tere Auswer tungen noch weiterverwenden so darf der Aufbau dieser Dateien nicht ver nde
159. te 121 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 122 Str mungsprofil Flie geschwindigkeiten projiziert BT Matrix T Z 2 2 F 800 1 000 1 200 1 400 1 600 Station m Abb 4 Str mungsprofil Messzellen in einem Raster Matrix gemittelt 3 Ausblick ADCP Messungen nach der Moving Boat Methode liefern mit relativ geringem Aufwand Durchfluss und Str mungsdaten einer Tidemessung Messtechnische Schwierigkeiten wie sie bei ung nstigen Verh ltnissen an der Gew ssersohle auftreten k nnen lassen sich durch den Einsatz von GPS und Echolot l sen Eine sinnvolle Erweiterung von Software TIDE w re die Darstellung von Schwebstoffverteilungen und die Berechnung von Schwebstoff frachten im Kontext der anderen hydraulischen Auswertungsergebnisse Mit der Plume De tection Toolbox PDT der niederl ndischen Firma Aqua Vision steht das Verfahren bereit um aus den Echointensit ten der Ultraschall R ckstreusignale Schwebstoffkonzentrationen zu ermitteln Hier gilt es eine praktikable Schnittstelle zwischen Software TIDE und der PDT zu entwickeln Str mungsprofil Flie geschwindigkeiten BT Matrix to fe wz 77 Bee Khe A 717 Prag ay eS Tiefe NN m Ry ANY QYNUSD gt iv anf pees FE FAN IZ KR rx suayysud 4 A gt gt v Vv v V v v y vi 1 000 1 600 Station m Abb 5 Vektor
160. ten Messpfad des ADCP mit externen Messinstrumenten aufzuzeichnen 3 2 1 M glichkeiten der Fehlerkompensation bei Geschiebetrieb Normalerweise wird unter derartigen Messbedingungen auf die mittlerweile weit verbreitete dGPS Technik zur korrekten Erfassung des ADCP Messwegs zur ckgegriffen Die Software WinRiver bietet f r diesen Fall die M glichkeit die zus tzlichen Informationen direkt in die ADCP Datens tze zu integrieren GPS Messungen sind jedoch nicht an jedem Standort durchf hrbar Ung nstige Witterungsverh ltnisse enge T ler hohe Bauwerke oder dichter Bewuchs der Ufer k nnen den f r die Messung notwendigen Kontakt zu den GPS Satelliten unterbrechen In einem derartigen Fall ist man normaler Weise auf die Bottom Track Daten des ADCP angewiesen Auch hier stehen mittlerweile verschiedene M glichkeiten zur Ver f gung wie der durch den Geschiebetrieb verursachte L ngsversatz der Gew sserquerungen kompensiert werden kann Der einfachste Ansatz der dann angewendet werden kann wenn die Str mungsverh ltnisse ber die gesamte Messl nge ann hernd gleich sind ist bereits in der aktuellen Version von AGILA implementiert ADLER 2007 Anhand einer Schleifenfahrt werden der aufgrund Geschiebetriebs verbleibende L ngsversatz und der daraus resultierende Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Fehler im Abfluss beziehungsweise in den Flie geschwindigkeiten ermittelt Das Ergebnis kann dann bei der Berechnun
161. tersucht Dabei konnten die kriti schen Werte f r die turbulente kinetische Energie und den Reynold Stress bei einsetzender Erosion anhand von bodennah aufgezeichneten dreidimensionalen Str mungsdaten eines Acoustic Doppler Velocimeter ADV berechnet werden Die lokal auftretende Sedimentmo bilisierung spiegelt sich in der kleinskaligen Ver nderung des Oberfl chenreliefs wider die ber die hoch aufgel sten Echolotprofile und Seitensichtsonardaten eines im Megahertz Bereich arbeitenden Acoustic Backscatter Systems ABS erfasst wurden Um den Einfluss der Biostabilisierung auf die beginnende Remobilisierung der Wattensedimente zu beurteilen wurde mit der gleichen Systemkonfiguration vor den in situ Messungen an gleichen aber organisch sterilen Wattsedimenten Messungen im Str mungs und Wellenkanal durchge f hrt Literatur BETTERIDGE K F E THORNE P amp P S BELL 2002 Assessment of Acoustic Coherent Doppler and Cross Correlation Techniques for Measuring Near Bed Velocity and Suspended Sediment Profiles n the Marine Environment J Atmosph Ocean Tech 19 367 380 BORSJE B W HULSCHER S J M H DE VRIES M B amp G J DE BOER 2007 Modelling large scale cohesive sediment transport by including biological activity in Dohmen Janssen amp Hulscher eds River Coastal and Estuarine Morphodynamics RCEM 2007 2008 Taylor amp Francis Group London ISBN 978 0 415 45363 9 255 262 FLEMMING B
162. tholom und Mart na Karle 1 Einleitung Die Gezeitenfl chen der ostfriesischen Watten und Flachstwasserbereiche der stuare zeigen komplexe Muster kleinskaliger Sohlformen Sedimentverteilungen und Besiedlungsmuster makrobenthischer Organismen die unmittelbar von den vorherrschenden Str mungen und Wellen kontrolliert werden z B FLEMMING amp ZIEGLER 1995 FLEMMING amp BARTHOLOM 1997 WILLIAMS 1999 TILCH 2003 Hierbei ist vor allem der Welleneinfluss m Flachwas ser aufgrund h herer bodennaher Wellenorbitalgeschwindigkeiten f r die Remobilisierung der Sedimente von Bedeutung Die m Gegensatz zur der durch Wellen generierten Str mung generierte d nnere bodennahe Grenzschicht f hrt zur deutlich h heren Schubspannungswer ten bei gleicher Flie geschwindigkeit FREDS E amp DEIGAARD 1992 SOULSBY 1997 Die meisten Modelle zur Berechnung der Sohlschubspannung basieren jedoch auf rein hydrody namischen Annahmen Der biologische Einfluss im Sinne einer Biostabilisierung wurde bis her nur selten ber cksichtigt z B BORJSE et al 2007 F r die Geschwindigkeitsmessungen wurden im Feld neben Pulse Coherent Acoustic Doppler Profiler PC ADP LACY amp SHERWOOD 2004 vor allem Acoustic Doppler Velocitymeter ADV WILLIAMS et al 2003 angewendet die zum Teil mit Acoustic Backscatter Systemen ABS kombiniert wurden BETTERIDGE et al 2001 WILLIAMS et al 2003 F r die zeitlich und r umlich hoch aufge l sten Messungen der b
163. tinuierlich gt die Wassertiefe gt das Str mungsprofil und gt die Fahrtgeschwindigkeit Im Verlauf einer Tidemessung die ca 13 Stunden dauert f hrt das Schiff das Profil perma nent ab Um mit der anfallenden Datenflut fertig zu werden wurde die Software TIDE entwi ckelt Die Messdaten werden visualisiert und zu Ganglinien des Wasserstandes des Durch flusses der mittleren Querschnittsgeschwindigkeit und Hauptstromungsrichtung verdichtet 2 Auswertung und Visualisierung der ADCP Messdaten Eine Eintidenmessung beginnt im Allgemeinen vor Einsetzen des Flutstroms und dauert mehr als 13 Stunden W hrend dieser Zeit f hrt das ADCP Boot das Profil kontinuierlich ab und misst so die nderungen der Str mungsverh ltnisse im Verlauf der Tide F r jede Messfahrt wird mit WinRiver dem ADCP Erfassungs und Auswerteprogramm des Ger teherstellers eine eigene Datei angelegt in der die Str mungsverh ltnisse das Tiefenprofil der Durchfluss und Navigationsdaten gespeichert s nd Mit der Software TIDE wird eine komplette Tidemessung ein Projekt das sich aus einer Serie von Messfahrten zusammensetzt ausgewertet und visualisiert In f nf Programmfens tern werden Messdaten und Auswertungsergebnisse grafisch und in Textform dargestellt Abb 2 Tite r Ganglinien FE Projekt Optionen Fenster Hilfe Datei Bearbeiten Ansicht Setup Datei Bearbeiten Ansicht Setup Tiefenprofilfe im Bezugsquerschnitt Ganglinie Ym im Messquerschnitt
164. trieb und Unterhaltung liegt deutlich ber den geplanten Ans tzen Dar ber hinaus sind sowohl f r Betrieb und Unterhaltung der Anlage selbst als auch f r die Kalibriermessungen mit ADCP Messtechnik h her qualifizierte Personen erforderlich Auch die Annahme man k nne k nf tig auf Seilkrananlagen verzichten ist allenfalls in Einzelf llen zutreffend Sicherlich liefern Ultraschall Durchflussmessanlagen bei der Einhaltung der Anforderungen an das Gew sserprofil und die Hydraulik was in der Regel bei gro en Gew ssern gegeben ist verwertbare Messdaten Beim Einsatz in den Gew ssern des Landes Baden W rttemberg ist der Aufwand im Verh ltnis zum Nutzen nur bei h chstens der H lfte der oben genannten Anlagen zu rechtfertigen Literatur Landesanstalt f r Umweltschutz Baden W rttemberg Arbeitsanleitungen 1m Pegel und Da tendienst Baden W rttemberg Bau und Betrieb von Ultraschall Durchflussmess anlagen Landesanstalt f r Umweltschutz Baden W rttemberg Karlsruhe 2002 Kontakt Dipl Ing Manfred Juraschek Landesanstalt fiir Umwelt Messungen und Naturschutz Baden Wiirttemberg Griesbachstra e 1 76185 Karlsruhe Tel 0721 5600 1207 Fax 0721 5600 1456 manfred juraschek lubw bwl de Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Jahrgang 1949 1983 1989 Studium des Maschinenbauingenieurwesens an der Universit t Karlsruhe seit 1985 Mitarbeiter der Landesanstalt f r Umwelt Messun
165. tut Senckenberg seit 2004 Lehrbeauftragter an Universit t Bremen Forschungsgebiete Transportprozesse marine Sedimentologie Meeresgeologie und Kiistengeologie Schwerpunkt Wattsysteme Marine Fernerkundung und Hydroakustik 1998 Diplom am Fachbereich Geowissenschaften Philipps Universit t Marburg 2008 Promotion an der Philipps Universit t Marburg 1998 2003 Wiss Angestellte am Fachbereich Geowissenschaf ten der Philipps Universit t Marburg seit 2004 Wiss Angestellte im Fachgebiet Marine Sedimen tologie Abt f r Meeresforschung Forschungs institut Senckenberg Forschungsgebiete klastische Sedimentologie Meeresgeologie und Kiistengeologie Hydroakustik 1m Flachwasserbereich Seite 89 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 90 Ultraschall Str mungsmessungen f r Funktions kontrollen von Fischwanderhilfen Carsten Wirtz 1 Einleitung Viele Flie gew sser in Mitteleuropa weisen Querverbauungen auf welche die longitudinale Durchg ngiskeit wesentlich beeintr chtigen Um die von der EU Wasserrahmenrichtlinie geforderten guten kologischen Zust nde zu erreichen werden deshalb Fischwanderhilfen FWH eingerichtet Damit soll wandernden Fischarten sowie weniger mobilen benthalen Arten das Erreichen der f r die verschiedenen Lebenszyklen notwendigen Habitate erm g licht werden F r die Durchgangigkeit sind insbesondere die Auffindbarkeit und Passierbar
166. uationen durchgef hrt Die Messungen sollten die Anwendbarkeit der ADCP Technik unter derartigen Bedingungen pr fen und die M glichkeit einer Datenauswertung im Hin blick auf morphologische Prozesse im Messquerschnitt untersuchen Der ger teintern ermittelte Messpfad wurde durch Geschiebetrieb stark verf lscht was zu einer Untersch tzung der Flie geschwindigkeiten und in weiterer Folge des Abflusses f hrte Es konnte jedoch gezeigt werden dass die nachtr gliche Implementierung von extern erfass ten Lageinformationen in diesem Fall die Messwerte einer Totalstation eine zielf hrende Alternative zur Verwendung von GPS Daten darstellt um korrekte Abflussdaten zu erhalten Die zusammengef hrten Datens tze k nnen mit Auswerteprogrammen wie beispielsweise AGILA eingelesen und weiter bearbeitet werden Die so ermittelten Abflussdaten an der Ti roler Achen wiesen eine sehr gute bereinstimmung mit den Pegeldaten auf Anhand der vom ADCP aufgezeichneten R ckstreuintensit ten k nnen zwar qualitative Aus sagen ber die Verteilung von Schwebstoffkonzentrationen im Querschnitt oder die zeitliche Ver nderung w hrend der Messungen getroffen werden quantitative Aussagen sind aber nur m glich wenn zus tzliche Schwebstoffkonzentrationsmessungen zur Eichung der Echointen sitaten nicht nur von der Konzentration sondern auch von der Kornverteilung der Schweb stoffe abh ngig sind Somit liegt ein Problem mit zwei Unbekannten vor dass zu
167. ur noch ein abgeschw chtes und durch Superpositionen gekennzeichne tes Signal empfangen Zwar k nnen diese Signale noch messtechnisch erfasst werden jedoch stellen sie prinzipiell hohe Anforderungen an die Signalerkennung was nur mit Ger ten der neuesten Generation zu realisieren ist kaltes Wasser Sender Empf nger warmes Wasser Abb 4 Strahlablenkung eines Laufzeitdifferenz Systems infolge einer nderung der Temperatur oder des Salzgehaltes ber die Wassertiefe Auch horizontale Dichteunterschiede wirken sich entsprechend aus was am Beispiel eines H ADCPs illustriert wird Die horizontale Keule nur eine Keule ist hier dargestellt wird umso mehr abgelenkt je weiter diese in das Gew sser hineinreicht Die f r den Dopplereffekt wichtige R ckstreuung des Signals an einem mitschwimmenden Partikel kommt dann aber aus einer Zelle die im Gew sser nicht an der gedachten Position ist Vielmehr werden dann Echos einer Zelle zugeordnet die auf irgendeine Art und Weise den Empf nger erreichen und genau in dem ber die theoretische Laufzeit berechneten Messfenster f r eine Messzelle lie gen Kommt berhaupt kein auswertbares Echo zur ck fallen die entfernter liegenden Mess zellen aus und der Durchfluss kann nur noch aus Flie geschwindigkeiten ermittelt werden die in relativ nahen Messzellen aufgenommen wurden Die Messg te bei einem H ADCP sollte daher auch immer anhand der Echointensit t beurteilt werden Diese sollte im
168. urchflussverh ltnisse in einem Querschnitt eines Tide stuars ist f r viele Belange der Gew sserkunde des Strombaus der Gew sserunterhaltung sowie f r die Schifffahrt von Interesse Da sich die Str mungsverteilung im Messquerschnitt im Verlauf von Ebbe und Flut perma nent ndert sind Durchflussmessungen in Tidefl ssen sehr aufw ndig Eine bew hrte Me thode besteht darin mit ortsfesten Str mungsmessger ten zu arbeiten Dazu werden an aus gew hlten Positionen Messstr nge ausgebracht die mit Dauermessger ten best ckt sind Abb 1 Heute werden daf r meist punktuell messende Ultraschall Doppler Ger te eingesetzt z B RCM 9 LW Seaguard RCM der Fa Aanderaa Data Instruments Der Ger tebedarf sowie der Aufwand f r die Vorbereitung und Auswertung der Messung ist bei diesem klassischen Ver fahren relativ hoch Dieses ist unter anderem im Leitfaden f r die Planung Durchf hrung und Auswertung von Querschnitts messungen M LLER 1989 des WSA Bremerhaven beschrieben Abb 1 Anordnung eines Messstrangs mit einem wasserspiegelnahen und einem sohlnahen Dauermessger t WSA Emden Seite 119 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 120 Je nach Fragestellung und rtlichen Randbedingungen kann es heute effektiver sein mit einem ADCP Schiff nach der Moving Boat Methode zu messen Das Messboot berquert dabei den Tidefluss auf dem ausgew hlten Profil und ermittelt kon
169. uzeigen Veranstalter Bundesanstalt f r Gew sserkunde BfG Fachgemeinschaft Hydrologische Wissenschaften FgHW AG Hydrometrie im Hauptausschuss Hydrologie und Wasserbewirtschaftung der DWA Physikalische Randbedingungen station rer Systeme zur Durchflussmessung J rgen Skripalle 1 Einleitung Station re Ultraschallanlagen werden seit mehr als 30 Jahren m Bereich der Hydrometrie eingesetzt Anf nglich wurden Systeme installiert die nach der Methode der Laufzeitdiffe renz arbeiten Seit etwa 15 Jahren werden auch Ger te verwendet die den Dopplereffekt aus nutzen Bei dieser Ger tefamilie unterscheidet man zwischen der sogenannten Moving Boat Methode und horizontal arbeitenden station ren Systemen H ADCP Insgesamt wurden in der Vergangenheit erhebliche Fortschritte in der G te der Messungen erzielt Dies ist zum einen auf die Verwendung von immer schnelleren Signalprozessoren und auf die M glich keit immer komplexere Algorithmen im System selbst implementieren zu k nnen zur ckzu f hren Die Praxis hat aber auch gezeigt dass es trotz modernster Technik Anwendungsgren zen gibt bei der die Ultraschallmesstechnik falsche oder berhaupt keine Ergebnisse liefert Diese Grenzen sind physikalischer Natur und wurden erst mit einer Vielzahl von Installatio nen erarbeitet Heute sind es bekannte Randbedingungen die den Einsatz von Ultraschall in einem Gew sser definieren 2 Grundlagen Ultraschall Werden
170. w rtige Anstr mung erfolgen kann Weiterhin k nnen aufgrund der hohen zeitlichen Aufl sung Turbulenzen und Str mungs schwankungen sowie Richtungs nderungen erfasst werden welche bei anderen Verfahren herausgemittelt werden Die hohen Datendichten erm glichen dar ber hinaus im Zusam menhang mit weiteren Parametern K rnung des Substrates Wassertiefen Gef lle Abst n den zu Sohlen oder seitlichen Begrenzungen die Berechnung von Str mungsph nomenen welche f r die Beurteilung von Flie gew sserabschnitten herangezogen werden k nnen Zu nennen sind beispielsweise die Relation zur St rwellengeschwindigkeit Froude Zahl zur Beurteilung str menden oder schie enden Wassers das Ausma von Turbulenzen Reynolds Zahl oder Schubspannungen zur Quantifizierung der Scherkr fte an der Sohle Da die Flie geschwindigkeiten blicherweise mit 10 bis 25 Hertz ber einen Zeitraum von 2 bis 3 Minuten gemessen werden liegt pro Messpunkt eine ausreichende Datenmenge vor um Belastungen unter turbulenten Bedingungen f r Fische feststellen zu k nnen Dem dienen Analysen kumulierter H ufigkeiten und Perzentilwerte bestimmter Geschwindigkeiten Seite 91 Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Seite 92 2 2 Ergebnisse Einen ersten berblick der r umlichen Differenzierung von Str mungen geben Grafiken in welchen Flie geschwindigkeiten und richtungen als Rosen in Pl ne der Fischtreppen integ riert sind Abb
171. x by gravity expressed in the sediment fall velocity w and an upward sediment flux by diffu sion expressed in the sediment diffusivity s The sediment diffusivity is a term for the abil ity of the flow to mix the sediment In general the sediment diffusivity is assumed to be equal to the eddy diffusivity the term representing the mixing of momentum E E ZUZ 10 where is the von Karman constant generally set at 0 4 and u is the shear velocity Bundesanstalt fiir Gew sserkunde Veranstaltungen 2 2008 Both the fall velocity and the shear velocity are difficult parameters to predict Both need to be obtained from detailed measurements at the monitoring site 3 Measurement results Aqua Vision has installed H ADCP stations at several locations in the Saone and Rhone riv ers in France At the station Tricastin in a side channel of the Rhone south of Montelimar total discharge measurements were performed over a discharge range of 400 2000 m s These measurements show that the horizontal ADCP overestimated the discharge at high discharge stages Abb 1 The actual cause for this apparent overestimation was the underes timation of the discharge by the total discharge measurements The total discharge was meas ured using ADCP transect measurements which were influenced by a so called moving bottom effect during the high discharge measurements This means that the river bed 1s mo bile resulting in a disturbance of the
172. zip TEUFEL 2006 Der akustische Sensor am Boden sendet einen kurzen Ult raschallpuls ins Wasser unter einem Winkel von 45 zur Str mungsrichtung Der Sensor empf ngt dann die Echos des durchstrahlten Str mungsfeldes und sortiert sie in Zeitfenster d h Raumfenster Nach einer sehr kurzen festen und bekannten Zeit wird ein zweiter Puls ins Wasser abgestrahlt und die Echos werden in die gleichen Zeit Raumfenster einsortiert Durch die Kreuzkorrelation der einzelnen Zeit Raumfenster entsprechend der Gleichung re 17 Pr Dlm FO gE dt 2 oder in digitaler Form X f 8 AT Se g AT D AT _ lt i l O i l mit f Echofunktion des digitalen Bildes 1 g Echofunktion des digitalen Bildes 2 l sst sich die zeitliche Bewegung der Streuer in jedem Zeit Raumfenster bestimmen Unter Ber cksichtigung des Einstrahlwinkels und der Zeit zwischen 2 Pulsen l sst s ch eine Ge schwindigkeitsverteilung entlang des Ultraschallstrahls bestimmen Mit dieser Methode er laubt das Messger t die Geschwindigkeitsbestimmung in bis zu 16 Messfenstern mit einer Gr e ab 1 cm die exakte Messfenstergr e ist geometrieabh ngig und variabel sie kann bis zu 10 cm betragen Die Beurteilung des Geschwindigkeitsprofils erlaubt sofort die Abschatzung der erzielbaren Genauigkeit bei der Durchflussbestimmung die Genauigkeit wird bei vollentwickelten Profi len viel h her sein als bei gest rten Profilen Die Geschwindigkeitswerte wer

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