Schwebstoffmessprogramm 2009-2011 in Elbe, Weser, Ems
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Veranlassung und Ziel
Um die in der BAW eingesetzten und hochentwickelten numerischen Modell- und Berechnungsverfahren kalibrieren und validieren zu können, spielen die Messungen von ästuarinen Gewässerparametern wie die Strömung, der Volumen- und Massentransport sowie die Schwebstoffkonzentrationen (SSC) eine wichtige Rolle. Zudem liefern Messdaten einen elementaren Beitrag zum Verständnis der ästuarinen Schwebstoffdynamik und von gewässerphysikalischen Prozessen in der Wassersäule.
Hierzu führte die Abteilung Wasserbau im Küstenbereich der Bundesanstalt für Wasserbau, Dienststelle Hamburg (BAW-DH), in den Jahren 2009-2011 ein umfangreiches Schwebstoffmessprorgamm in den Ästuaren Weser, Elbe und Ems durch, die als Seehafenzufahrten besondere Bedeutung haben.
Zentrales Ziel des Forschungsprojektes ist die Validierung und Weiterentwicklung der bei der BAW eingesetzten in-situ Methoden zur Untersuchung der Schwebstoffdynamik in den drei Ästuaren der Deutschen Bucht (Weser, Elbe und Ems) und umfasst die Generierung von fachlich gesicherten Validierungsdaten für die Größen der Strömungsgeschwindigkeit, Volumentransport, Schwebstoffgehalt (SSC) und -transport. Zur Analyse der Daten werden Tidekennwerte (Beispiel Bild 5) und residuelle Volumen- und Massentransporte ermittelt und die Ergebnisse hinsichtlich der Tidedynamik ästuarübergreifend ausgewertet. Das bei der BAW angewendete Prozessierungsverfahren zum Abschätzen von Schwebstoffgehalten aus schiffsgestützten ADCP-Messungen (ADCP - Acoustic Doppler Current Profiler) unter ästuarinen Bedingungen wurde im Rahmen einer Forschungskooperation mit dem Zentrum für marine Umweltwissenschaften (Marum) der Universität Bremen evaluiert und weiter optimiert.
Messkonzept
Während des dreijährigen Schwebstoffmessprogramms wurden 21 sogenannte "Ganztidenmessungen" durchgeführt, das heißt es wurde mit ca. 13 h Stunden mehr als einen kompletten Tidezyklus gemessen. Ein zuvor festgelegtes Gewässerprofil wird quasi kontinuierlich gequert, um gewässerphysikalische Parameter so zu erfassen, dass die tidedynamischen Prozesse beschrieben werden können.
Von zentraler Bedeutung sind hierbei die Daten des Acoustic Doppler Current Profilers (ADCP). Ein ADCP liefert nicht nur Daten über die 3-dimensionale Verteilung der Strömung im Messquerschnitt. Die ebenfalls aufgezeichneten Daten über die akustische Rückstreuintensität können darüber hinaus genutzt werden, um die Masse der in der Wassersäule suspendierten Schwebstoffe abzuschätzen. Hierzu sind die Erfassung weiterer Messgrößen (z.B. Salzgehalt und Temperatur durch CTD, Trübungsmessungen und die Korngrößenverteilung mittels LISST - Laser In Situ Scattering and Transmissometery) sowie die Entnahme von Wasserproben zur Kalibrierung erforderlich. Solche sogenannten "Kalibrierfahrten" finden in der Regel alle 30 min statt (vgl. Bild 2).
Die Umrechnung der akustischen Rückstreuung eines ADCP in Schwebstoffkonzentrationen erfordert darüber hinaus ein relativ aufwändiges Prozessing, bei der eine speziell für diesen Zweck entwickelte Software zum Einsatz kommt. Aus der Messung der Strömungsgeschwindigkeiten und Volumentransporte und der abgeleiteten SSC können Massentransporte berechnet werden. Gemessen über einen Tidezyklus, kann ebenso bilanziert und es können residuelle Volumen- und Massentransporte ermittelt werden.
Messquerschnitte
Die nachfolgende Tabelle sowie Bild 3 geben einen Überblick über die Messquerschnitte an Weser, Elbe und Ems.
| Nr. | Messort | Km | Datum | Messdauer |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Rechtenfleth | 47,1 | 22.06.2009 | 12h 59min |
| 2 | Nordenham | 56,7 | 19.06.2009 | 12h 38min |
| 3 | Blexer Bogen | 61,1 | 24.06.2009 | 12h 26min |
| 4 | CT 4 | 74,3 | 17.06.2009 | 11h 58min |
| 5 | Rechtenfleth | 47,1 | 08.06.2010 | 12h 42min |
| 6 | Nordenham | 56,7 | 10.06.2010 | 13h 07min |
| 7 | Blexer Bogen | 61,1 | 12.06.2010 | 13h 30min |
| 8 | Rechtenfleth | 47,1 | 13.06.2011 | 12h 51min |
| 9 | Nordenham | 56,7 | 15.06.2011 | 13h 20min |
| 10 | Blexer Bogen | 61,1 | 17.06.2011 | 13h 02min |
| 11 | Rhinplate Nord | 677 | 20.06.2010 | 12h 29min |
| 12 | St. Margarethen | 688 | 22.06.2010 | 12h 54min |
| 13 | Neufeld | 708 | 14.06.2010 | 12h 18min |
| 14 | Wedel | 643 | 25.05.2011 | 12h 32min |
| 15 | Pagensand Nord | 666 | 27.05.2011 | 10h 53min |
| 16 | Rhinplate Nord | 677 | 30.05.2011 | 13h 12min |
| 17 | Neufeld | 705 | 01.06.2011 | 13h 36min |
| 18 | Gandersum | 31,7 | 06.07.2009 | 13h 04min |
| 19 | Pogum | 35 | 08.07.2009 | 12h 26min |
| 20 | Gandersum | 31,7 | 28.06.2011 | 12h 55min |
| 21 | Dukegatt | 63,1 | 30.06.2011 | 12h 39min |
Ergebnisse
Als zentrales Ergebnis steht der BAW (besonders den Modellanwendern und -entwicklern) ein konsistent erhobener, evaluierter, ästuarübergreifender und umfassend dokumentierter Validierungsdatensatz zur Schwebstoffdynamik zur Verfügung (vgl. Bild 4). Als weiteres wichtiges Ergebnis steht eine optimierte Kalibrierung des ADCP-Sensors, mit der die abgeleiteten Schwebstoffgehalte und -transporte unter ästuarinen Bedingungen zutreffender berechnet werden können. Im Zuge dessen wurden die wissenschaftlichen Ergebnisse aus der Kooperation mi dem Marum genutzt, um einen reproduzierbaren Workflow von der Datenaufnahme bis zur Datenablage an der BAW-DH zu installieren. Im Zuge der engen Kooperation mit dem Marum wurden zudem erstmals Kriterien zur Messunschärfe für schiffsgestützte ADCP-Schwebstoffmessungen entwickelt und als quantitative Angaben im Validierungsdatensatz integriert.
Die nachfolgende Tabelle stellt die gemessenen Volumen- und Massentransporte an den Messquerschnitten sowie zum Vergleich das über einen Tidezyklus integrierte Oberwasser an den Dauermessstationen der Weser (Intschede), Elbe (Neu Darchau) und Versen (Ems) dar (HPA, 2013, 2014; NLWKN, 2012, 2013, 2014). Für die klein geschriebenen Ergebnisse ist die Messzeit unzureichend oder es bestanden sehr schwierige Messbedingungen um belastbare Transporte zu berechnen zu können.
| Nr. | Datum | Messort | Volumentransport | Oberwasser | Schwebstofftransport | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Flutstrom | Ebbestrom | (Tidevolumen) | Flutstrom | Ebbestrom | |||
| [106 m3] | [103 t] | ||||||
| 1 | Rechtenfleth | 22.06.2009 | 93,6 | 102,8 | 6,6 | 22,7 | 19,6 |
| 2 | Nordenham | 19.06.2009 | 117,7 | 114,2 | 7,9 | 25,2 | 16,4 |
| 3 | Blexer Bogen | 24.06.2009 | 143,7 | 156,2 | 6,1 | 49,8 | 43,5 |
| 4 | CT 4 | 17.06.2009 | 191,7 | 186,6 | 6,3 | 21,2 | 21,3 |
| 5 | Rechtenfleth | 08.06.2010 | 78,8 | 93,7 | 9,1 | 3,9 | 3,1 |
| 6 | Nordenham | 10.06.2010 | 124,3 | 144,8 | 9,1 | 25,6 | 32,1 |
| 7 | Blexer Bogen | 12.06.2010 | 154,2 | 170,1 | 11 | 36,8 | 30,7 |
| 8 | Rechtenfleth | 13.06.2011 | 89,6 | 90,1 | 5,2 | 17,9 | 14,7 |
| 9 | Nordenham | 15.06.2011 | 129,3 | 145,8 | 5,3 | 26,2 | 37,8 |
| 10 | Blexer Bogen | 17.06.2011 | 145,2 | 167,3 | 5,8 | 30,5 | 33,6 |
| 11 | Rhinplate Nord | 20.06.2010 | 319,5 | 368,7 | 36,7 | 47,3 | 60,8 |
| 12 | St. Margarethen | 22.06.2010 | 385,3 | 440,8 | 33,4 | 67,3 | 63 |
| 13 | Neufeld | 14.06.2010 | 578,0 | 645,4 | 60,9 | 93,6 | 129,4 |
| 14 | Wedel | 25.05.2011 | 106,1 | 143,8 | 19,7 | 9,8 | 10,5 |
| 15 | Pagensand Nord | 27.05.2011 | 230,7 | 180,4 | 17,8 | 28,6 | 21,1 |
| 16 | Rhinplate Nord | 30.05.2011 | 320,4 | 328,7 | 16,5 | 70,9 | 90,2 |
| 17 | Neufeld | 01.06.2011 | 454,8 | 489,1 | 15,5 | 76,2 | 69,6 |
| 18 | Gandersum | 06.07.2009 | 36,4 | 39,9 | 1,2 | 16,6 | 8,4 |
| 19 | Pogum | 08.07.2009 | 50,8 | 48 | 1,2 | 24,1 | 15,7 |
| 20 | Gandersum | 28.06.2011 | 33,8 | 33,7 | 1,2 | 30,7 | 12,7 |
| 21 | Dukegatt | 30.06.2011 | 333,5 | 345,4 | 1,1 | 29,4 | 26 |
Für die Ablage der schiffsgestützten ADCP-Querprofilmessungen wurde die international anerkannte NetCDF-Schnittstelle (ADCP-NetCDF) benutzt. Damit können die qualitätsgesicherten Validierungsmessdaten den Modellanwendern einfacher zur Verfügung gestellt werden.
Die Qualität der Schwebstoffmessungen ist hervorragend zur Kalibrierung und Validierung numerischer Modellsimulationen in den Ästuaren Elbe, Weser geeignet. Das Messverfahren ist für die Anwendung in der Ems bedingt geeignet. Für Bereiche mit ausgeprägten Fluid-Mud sind keine qualitativ verwertbaren Messergebnisse zu erwarten. Die Erfahrungen aus dem Projekt zeigen, dass die Qualität der Kalibrierergebnisse der ADCP-gestützten SSC neben der Variation der SSC (ästuarine Randbedingungen, Tideperiode) auch von ganz praktischen Einschränkungen wie der Sachkenntnis und Erfahrung des Bearbeiters abhängt. Dazu zählt auch, dass für eine qualitätsgesicherte Prozessierung lokale Gegebenheiten und die ästuarinen Randbedingungen unbedingt berücksichtigt werden müssen, da eine Standardprozessierung und -anwendung am Grenzbereich des Messverfahrens zu teils unrealistischen SSC-Abschätzungen führen kann. Hierfür ist im Gesamten ein hoher technischer und zeitlicher Aufwand notwendig.
Dokumentation
Die detaillierte Methoden- und Ergebnisdokumentation der Untersuchungen finden sich in nachfolgenden, internen Berichten der BAW und des Marum.
- BAW (2016): Das Schwebstoffmessprogramm an Weser, Elbe und Ems 2009-2011. August 2016. Interner Bericht der BAW. Vorgelegt von Dr. Steffen Grünler. S. 319. Unveröffentlicht.
- Marum (2015): Suspended Matter Dynamics in German Estuaries. February 2015. Research report of the DFG Research Center and Cluster of Excellence. MARUM, Universität Bremen, on behalf of BAW. By Dr. Marius Becker and P.D. Dr. Christian Winter. pp. 289. Unpublished.
Literatur
HPA (2013): Deutsches Gewässerkundliches Jahrbuch. 1.11.2009 - 31.12.2010. Elbegebiet, Teil III, Untere Elbe ab der Havelmündung, Freie und Hansestadt Hamburg, Hamburg Port Authority (HPA) AöR, Hamburg.
HPA (2014): Deutsches Gewässerkundliches Jahrbuch. 1.11.2010 - 31.12.2011. Elbegebiet, Teil III, Untere Elbe ab der Havelmündung, Freie und Hansestadt Hamburg, Hamburg Port Authority (HPA) AöR, Hamburg.
NLWKN (2012): Deutsches Gewässerkundliches Jahrbuch. 1.11.2008 - 31.12.2009. Weser- und Emsgebiet, Niedersächsischer Landesbetrieb für Wasserwirtschaft, Küsten- und Natur-schutz (NLWKN), Hildesheim.
NLWKN (2013): Deutsches Gewässerkundliches Jahrbuch. 1.11.2009 - 31.12.2010. Weser- und Emsgebiet, Niedersächsischer Landesbetrieb für Wasserwirtschaft, Küsten- und Natur-schutz (NLWKN), Hildesheim.
NLWKN (2014): Deutsches Gewässerkundliches Jahrbuch. 1.11.2010 - 31.12.2011. Weser- und Emsgebiet, Niedersächsischer Landesbetrieb für Wasserwirtschaft, Küsten- und Natur-schutz (NLWKN), Hildesheim.
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