Messtechnische Grundlagen - izw.baw.de · BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe Hamburg Ilmenau Dipl. Ing. Christian Maushake 2008-10 K2 Folie-Nr. 2 BAW Kolloqium, Hamburg Sedimentdynamik

BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe Hamburg IlmenauDipl. Ing. Christian Maushake 2008-10 K2 Folie-Nr. 1

BAW Kolloqium, HamburgSedimentdynamik in Ästuaren

Erfassung der Schwebstoffdynamik in Ästuaren *Gliederung

Suspension, transport and deposition of sediments in bays and estuaries are proccesses of critical importance to understanding the overall condidtions of these complexe and often highly variable marine systems (Leo van Rijn)

• Messtechnische Grundlagen– „klassische“ Methoden– akustische Messungen– BAW – Mess-System

• Elbe 2006 / 2007– Schiffsgestützte Längsprofile zur Lage der Trübungszone– Schiffsgestützte Querprofile, u.a. zur Erfassung von

Transportbilanzen und Schwebstoffdynamik

• Bemerkungen zur Sensitivität des Verfahrens und zu den messtechnischen Herausforderungen

• Zusammenfassung / Ausblick

* erschienen in „Die Küste“, Heft 72



Schwebstoffmessung: „klassische Methoden“direkte / indirekte Messungen

Schlechte räumliche und / oder zeitliche Auflösung, daher:

nicht optimal geeignet für

Modellplausibilisierung (- kalibrierung)vertieftes Systemverständnis

Horizontalschöpfer (HydroBios / Niskin)

Schöpfer nach RüttnerPumpe

Mechanische Verfahren

Labor

Aufwändig und fehleranfällig, aber:Immer unverzichtbar

Indirekte (Punktmess-) Verfahren

Optischer BackscatterOptische Transmissionhier: Messkopf LISST100



ADCP-Schwebstoffmessung: messtechnische Aufgabenstellung 2 Schritte vom Messignal zur Schwebstoffkonzentration

transmit energypulslengthTransducer – efficiencyreceive strenghttemperature

Spreadingdistancefrequencyabsorbtion due to water

temperaturesalinitysedimentpH - valueviscositygrain sizes ...

calibration with in-situ samples

counts

dB

mg/l

UNESCO (1981)

Francois, Garrison (1982)

Urick (1983)

Medwin, Clay (1998)Deines (1999)[Sonarequatation]

Implementiert in Software VISEA / PlumeDetectionToolbox (PDT)

1

2



dB

ADCP-Schwebstoffmessung messtechnische Aufgabenstellung : absoluter Backscatter SSC

R2 = 0.9162

-70-68-66-64-62-60-58-56-54-52-50

2.1 2.3 2.5 2.7 2.9 3.1 3.3

10log SSC aus Proben

abs.

bac

ksca

tter

Koeffizienten A und B aus der Regression von Einzelproben

10 = SSC [mg/l]

mg/l

Problem: A and B sind nicht konstant

Kalibrierung akustischer Backscatterdaten = viele Proben (80-150 / Tide)

A * abs. Backscatter [dB] + B

2



Geräte-Konfiguration BAW

Frame• PumprohrLISST100• Körnungslinie

2.5 - 500 micron in 32 Klassen• Volumenkonzentration (%)• optische TransmissionCTD & OBS• Salinität• Temperatur• Tiefe• Optischer Backscatter

Ein (bis drei)Acoustic Doppler Current Profiler• 3D-

Strömung• Backscatter

Echolot• Bodenprofil

Pumpein-situ Suspensionsproben

• Data Aquisition• Data synchronsisation• Processing

ViSea / PDT

Positionierung Ship motion



Schwebstoffmessprogramm ELBE 2006 – 2008 *Längsprofile

Cuxhaven„marin geprägt“

Glückstadt /Rhinplatte„Trübungszone“estuary turbidity maximum“, ETM

Hamburg„fluvial“

~110 km

Schwebstoffmessprogramm:• ADCP Längsprofile zwischen Hamburg und Cuxhaven)

• ADCP Querprofile (3 Lokationen)• ADCP Verankerungen

* das Messprogramm ist derzeit ausgesetzt (Unfall Nov. 2007) undwird voraussichtlich im Frühsommer 2009 wieder aufgenommen



ADCP – Längsprofil Cuxhaven – Hamburg am 27. Sept. 2006

mg/l

Otterndorf Brunsbüttel Brokdorf Stade LüheRhinplatte Blankenese

Cuxhaven Hamburg730 720 710 700 690 680 670 660 650 640 630Cuxhaven Elbe – km Hamburg

0

5

10

15

20

dept

h

1 2 3 4 5 6 7Hamburg

Cuxhaven

0 100 200 300 400 500 1000 1500 2000 2500 4000

FlutEbbe 1 2 3 4 5 6 7



ADCP – LängsprofilCuxhaven – Hamburg am 28. Sept. 2006

Lühe /Wedel Brunsbüttel Rhinplatte Oste

1 2 3 4Hamburg

Cuxhaven

0 100 200 300 400 500 1000 1500 2000 2500 4000mg/l

Cuxhaven Hamburg

0

5

10

15

20

730 720 710 700 690 680 670 660 650 640 630Cuxhaven Elbe – km Hamburg

dept

h

EbbeFlut 1234



ADCP – Längsprofil Cuxhaven – Hamburg am 02. Nov. 2006

SturmtiefBRITTA

0

5

10

15

20


dept

h

1 2 3 4

Hamburg

Cuxhaven0 100 200 300 400 500 1000 1500 2000 2500 4000

mg/l

Flut 1 2 3 4



ADCP – LängsprofilCuxhaven – Hamburg am 03. Nov. 2006

SturmtiefBRITTA

0

5

10

15

20


dept

h

1 2 3 4

1

0 100 200 300 400 500 1000 1500 2000 2500 4000

Hamburg

Cuxhaven

mg/l

FlutEbbe234



ADCP – Längsprofile 4 Fahrten Cuxhaven Hamburg


05

101520

dept

h

05

101520

dept

h

05

101520

dept

h

05

101520

dept

h

0 100 200 300 400 500 1000 1500 2000 2500 4000mg/l



Längsprofile Messung / Modell

Measurement29. Sept. 2006

Modelrun11. May 2006

0 100 200 300 400 500 1000 1500 2000 2500 4000

Kein identischer Zeitraum, aber: in etwa vergleichbare hydrologische Randbedingungen

Hamburg

Cuxhaven



Schwebstoffmessprogramm ELBE 2006 - 2008 Querprofile

Cuxhaven„marine“ Glückstadt /

Rhinplatte„estuary turbidity maximum“, ETM

Hamburg„fluvial“

• Date 1717. Oktober 2006. Oktober 2006• 1st / last transect 06:30 / 20:4006:30 / 20:40• location ca. km 677 km 677 (Glückstadt)• # transects 4545• # stationery calibrations 3535• # water samples 9292

Schwebstoffmessprogramm:• ADCP Längsprofile (between Hamburg und Cuxhaven)

• ADCP Querprofile (3 Lokationen)• ADCP Verankerungen



ADCP Querprofile45 Profile über eine Tide

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00

time

wat

erle

vel [

m/N

N]

0

100

200

300

400

500

600

700

SSC

[mg/

l]

WaterlevelcurrentSSC (average)

Rhin-platte

Rhinplatte

Glückstadt

View

Kg/m3

0 1 2

0 500 1000 1500 m

0

10

20

Contourplot of suspended solid concentration

0-2 kg/m3 = 0-2000 mg/l

Bottomprofil (model topographie)

Study areaETM Elbe waterlevel velocity

SSC

Time of transect



ADCP Querprofile46 Profile über eine Tide

Rhin-platte

Rhin-platte

Kg/m3

0 1 2

W aterlevelcurrentSSC (average)

Rhin-platte

Rhin-platte



messtechnische HerausforderungenVerlauf der Kalibrierfaktoren Elbe-Messungen 2006

• Die Kalibrierung ist der bei weitem aufwändigste Teil des Verfahrens

• verankerte ADCP-Messungen konnten bisher nicht erfolgreich kalibriert werden

Herausforderung:Besseres Veständnis der Faktoren, die die Kalibrierung des Systems beeinflussen.



messtechnische Herausforderungen / QualitätssicherungVergleich von Pumpproben

0 - 500 mg/l ± 35.7 mg/l500 -1000 mg/l ± 117.6 mg/l> 1000 mg/l ± 196.6 mg/l

10 - 20 %Vergleich von Pumpproben:

• „quasi“ identischer Entnahmeort• unterschiedliche Labore



messtechnische Herausforderungen / Qualitätssicherunggepumpte Probe / geschöpfte Probe - ein Vergleich an 22 Proben - Elbe 2007

Vergleich Schöpf-/ Pumpproben (~ +/- 10 %)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

HH 6 HH 7 HH 9 HH 10 HH 15 HH 16 HH 23 HH 24 HH 32 HH 34 HH 40 HH 42 BB 5 BB 6 BB 11 BB 12 BB 14 BB 15 RP 9 RP 10 RP 14 RP 15

Probennummern [n]

Kon

zent

ratio

m [m

g/l]

Schöpfer Pumpe

Pumpe

Schöpfer

HH = Hamburger Hafen (EADS) / BB = Brammer Bank / RP = Rhinplatte



Zusammenfassung / Ausblick

• 2009:– Wiederaufnahme Schwebstoffmessprogramm ELBE (etwas veränderte Schwerpunktsetzung)– Ausdehnung auf die WESER

• Fortsetzung der Kooperation mit AquaVision und weiteren Optimierung der Methodeinsbesondere verankerte Messungen und Verbesserung der Kalibrierung

• Erweiterung der Untersuchungen auf die kleinskaligen und sohlnahen Prozesse (Interaktion Sohle / Wasserkörper / Turbulenzmuster / sohlnahe Schwebstoffdynamik)

Kooperation mit marum Uni Bremen, 1. Messkampagne abgeschlossen, weitere folgen

• Die vorgestellte Methode ermöglicht die zeitlich und räumlich hoch aufgelöste Erfassung von Schwebstoffprofilen und ist (BAW-) intern standarisiert.

• Die Kalibrierung des Mess-Systems ist der sensitivste Punkt. Nur wenn die Kalibrierung zeit- und ortsnah zur Messung durchgeführt wird, sind die

Ergebnisse stabil• Die Qualität der Ergebnisse hängt maßgeblich an der direkten Probennahme durch Pump- oder

SchöpfprobenUnsicherheitsfaktor

• Alle Komponenten des Mess-Systems sind kommerziell verfügbar• Die Ergebnisse eignen sich sehr gut für Systemstudien und für die Plausibilisierung, ggf.

Kalibrierung von Modellrechnungen

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