A.6.1 Mess- und Auswertemethoden der Gewässerkunde
Wasserstandsmessungen
Mit Beginn des Abflussjahres 1998 wurde die Aufnahme der Wasserstandsdaten im Bereich der Wasser- und Schifffahrtsämter auf das System WDFÜ (WasserstandsDatenFernÜbertragung) umgestellt. Aus Redundanzgründen werden allerdings an ausgewählten Pegeln noch Pegelbögen aufgelegt und bei Bedarf für die Auswertung verwendet. Die WDFÜ liefert Wasserstandsdaten im Minutentakt in die Pegeldatenzentrale und das gewässerkundliche Büro. Die Auswertung der Daten erfolgt teilautomatisiert mit dem Programmsystem WISKI (Wasserstraßeninformationssystem Kisters). Die Messwerterfassung erfolgt in Intervallen von 5 Sekunden. Je 12 Einzelwerte werden zu einem Ein-Minuten-Mittelwert errechnet, gespeichert und übertragen. Tideganglinien werden sowohl im Original (Minutenwerte) als auch korrigiert nach vorgegebenen Plausibilitätskriterien zusammen mit den ermittelten Tidescheiteln in einer Datenbank abgelegt. Die Auswertung erfolgt für gewöhnlich zeitnah. Monatlich werden Wasserstandslisten, und jährlich werden die so genannten Haupttabellen und Hauptzahlen nach Pegelvorschrift ermittelt.
Strömungsmessungen an den Stationen LZ1 bis LZ5
Abb. A.6.1-1: LZ-Strömungsmessstation
Die Langzeitmessstationen im Bereich des WSA Cuxhaven (s. Abbildung III.1.1.2.1-1 im Textband) sind eingespülte Stahlrohre von etwa 80 cm Durchmesser, an denen über Handwinden je ein Aanderaa RCMXX Strömungsmesser in einer Höhe von 2,5 m über der Sohle hängt. Zum Einsatz kommen zumeist RCM7, bei denen die Strömungsmessung über eine Drehzahlmessung eines Rotors erfolgt. Die Anzahl der Umdrehungen in einem wählbaren Zeitfenster ist ein Maß für die mittlere Geschwindigkeit im Zeitfenster. Die Richtung wird über einen eingebauten Kompass ermittelt. Vermehrt werden seit 2003 Strömungsmesser vom Typ RCM9 eingesetzt. Das Messprinzip ist eine akustische Dopplermessung in 2 Achsen. Auch hier wird die Richtung über einen Kompass ermittelt.
Es ist seit einigen Jahren gängige Praxis ein Zeitfenster von 5 Min zu verwenden. Alle 5 Min wird ein Rohdatensatz mit bis zu 6 Parametern in einer herausnehmbaren Speichereinheit abgespeichert. Die Rohdaten im Aanderaa-DSU-Format müssen über Kalibrierfunktionen mit den Programmsystemen "STROSYS" oder "DRP5059" in physikalische Größen umgerechnet werden. Bis 2004 wurden die Messwerte in Form von Zeitreihen in einer Datei basierenden Datenhaltung abgespeichert, dazu abgeleitete Parameter wie Maxima, Minima, Mittelwerte, Kenterpunkte etc. Ab 2005 ist eine Datenbankhaltung (Programmsystem "SISKÜ") vorgesehen.
Leitfähigkeitsmessungen an den Stationen LZ1 bis LZ5
Die Leitfähigkeitsmessungen im Bereich des WSA Cuxhaven (Lage s. Abbildung III.1.1.2.1-1, im Textband) erfolgen über zusätzliche Sensoren an den Aanderaa-Strömungsmessgeräten. Die Messgeräte in Cuxhaven und Brunsbüttel sind ebenfalls Aanderaa-Geräte jedoch ohne Strömungsmesssensoren. Die Umrechnungen der Leitfähigkeiten in Salzgehalte erfolgen über die UNESCO-Formeln mit Referenzwerten bei 35 Salzgehalt und 15 °C.
Temperaturmessungen an den Stationen LZ1 bis LZ5
Auch die Temperaturmessungen erfolgen über zusätzliche Sensoren in den Aanderaa-Strömungsmessgeräten. Die Messgeräte in Cuxhaven und Brunsbüttel sind ebenfalls Aanderaa-Geräte jedoch ohne Strömungsmesssensoren.
Strömungsmessungen an den Stationen D1 bis D4
Die Messdaten der Stationen D1 bis D4 im Bereich des WSA Hamburg (s. Abbildung III.1.1.2.1-12 im Textband) wurden jeweils in einer Lotrechten an der Sohle und an der Oberfläche erhoben. Die Messeinrichtungen liegen ganzjährig aus; lediglich unterbrochen während der Wintermonate mit Eisgefahr. Als Messgeräte wurden Aanderaa-RCM 7 bzw. -RCM 9 mit Rotorkopf und Kompass bzw. hydroakustischem Sensorkopf, induktiver Messzelle und Thermistor-Sensor (Fenwall GB32JM19) eingesetzt; die Gerätekontrollen sowie die Datenspeicherwechsel erfolgten jeweils nach etwa 14 Tagen.
Die Datenübertragung erfolgt vom Datalogger zum WSA-Server mittels Datenleseprogramm STROSYS. Die Umwandlung der Rohdaten in physikalische Daten erfolgt mit Hilfe werkseitiger Kalibrierfaktoren in STROSYS in cm/s, Grad° (R), °C (T) und µS/cm (LF). Die weitere Berechnung erfolgt als Mittel- und Extremwert je Tide- oder Zeiteinheit.
Leitfähigkeitsmessungen an den Stationen D1 bis D4
Die Messungen der elektrischen Leitfähigkeit in den Stationen D1 bis D4 im Bereich des WSA Hamburg (s. Abbildung III.1.1.2.1-12 im Textband) werden im Zusammenhang mit den Strömungsmessungen im gleichen Geräteträger (Aanderaa RCM7 bzw. RCM9) mittels zusätzlicher Messsonden durchgeführt. Die Datenübertragung und Auswertung erfolgt vergleichbar über STROSYS.
Temperaturmessungen (Wasser) an den Stationen D1 bis D4
Die Messdaten der Stationen im Bereich des WSA Hamburg (s. Abbildung III.1.1.2.1-12 im Textband) wurden jeweils in einer Lotrechten an der Sohle und an der Oberfläche zusammen mit den Strömungsmessungen erhoben. Als Messgeräte wurden Aanderaa-RCM 7 bzw. ‑RCM 9 mit Thermistor-Sensor (Fenwall GB32JM19) eingesetzt; die Datenüberragung und Auswertung erfolgt vergleichbar über STROSYS.
Tab. A.6.1-1: Gewässerkundliche Messparameter im Einzelnen
| Messparameter | Messmethodik | Auswertemethodik | Bemerkungen |
| Leitfähigkeit | Induktive Zelle |
Berechnung des Salzgehaltes nach UNESCO Formel (15 °C Referenztemperatur)/ Auswertung entsprechend PFB |
Gerätetyp Aanderaa Instruments RCM 7, 8, 9 |
| Temperatur | Thermistor | Temperatur in Grad Celsius / Auswertung entsprechend PFB | Gerätetyp Aanderaa Instruments RCM 7, 8, 9, WTR 9, WLR 7, 8, TR 7, 8 |
| Trübung | Optischer Back-Scatter Sensor | Bisher keine Anwendung | Gerätetyp Aanderaa Instruments RCM 9 (optional) |
| Sauerstoffgehalt | Qxyguard | Bisher keine Anwendung | Gerätetyp Aanderaa Instruments RCM 9 (optional) |
| Wasserstand / Meeresspiegel | Winkelcodierer über Schwimmer | Entsprechend gültiger Pegelvorschrift | Gerätetyp Ott Tidepegel |
| Wellenhöhe | Drucksensor | Bisher keine Anwendung | Gerätetyp Aanderaa Instruments WTR 9 |
| Strömungsgeschwindigkeitsstationäre Messung | Rotor / Doppler Prinzip | Entsprechend PFB | Gerätetyp Aanderaa Instruments RCM 7, 8, 9 |
| Strömungsrichtung stationäre Messung | Kompass (magnetisch) | Entsprechend PFB | Gerätetyp Aanderaa Instruments RCM 7, 8, 9 |
| Strömungsgeschwindigkeitsdynamische Messung | ADCP |
Systemsoftware Transect von RD Instruments / Bisher keine Auswertesoftware |
Gerätetyp RD Instruments ADCP |
|
Strömungsrichtung Dynamische Messung |
ADCP |
Systemsoftware Transect von RD Instruments / Bisher keine Auswertesoftware |
Gerätetyp RD Instruments ADCP |
| Dichte | Radiometrische Dichtesonde | Dichteprofil über die Tiefe | Gerätetyp Dichtesonde |
Ermittlung des horizontalen Strömungsprofils
Datenerfassung und Nutzung
Um die Durchflussverhältnisse der Elbe pro Tide abschätzen zu können, werden im Bereich der Dauerströmungsmesspositionen D1 bis D4 und zusätzlich auf der Höhe von Brokdorf jährlich Strömungsmessungen durchgeführt. Bei diesen Messungen werden mehrere Strömungsmesspositionen über das Querprofil angeordnet. An den jeweiligen Messpositionen befinden sich je nach Wassertiefe und Lage bis zu 4 Strömungsmessgeräte in der Messlotrechten. Zeitgleich wird das aktuelle Querprofil durch Peilungen aufgenommen.
Diese Messdaten werden im Zuge der Analyse des horizontalen Strömungsprofils ebenfalls verwendet.
Die Messungen unterstützen die bisherigen punktuellen Dauerströmungsmessungen an den Positionen D1 bis D4. Hierbei kann zum einen die Repräsentativität der Dauerströmungsmessungen im Profil dargelegt, zum anderen (wenn die Datenqualität vergangener Jahre ausreicht) eine Verlagerung des Stromstriches festgestellt werden. Durch diese zusätzlich gewonnenen Informationen kann eine Veränderung der Strömung an der Dauerströmungsmessposition weitergehend beschrieben werden.
Beschreibung der Auswertung
Die Analyse des (oberflächennahen) horizontalen Strömungsprofils basiert auf ein Verhältnis eines bestimmten Messwertebereiches an der Dauerströmungsmessposition (D1 - D4) zu den umliegenden im Querprofil angeordneten temporären Messpositionen. In der durchgeführten Analyse wurden die Strömungsprofile bei einem Messwertebereich von 70 cm/s bis 80 cm/s an den Dauerströmungsmesspositionen (D1 - D4) ermittelt. Dementsprechend wurden nur die Messdaten der im Querprofil angeordneten oberflächennahen Geräte berücksichtigt, die zu dem Zeitpunkt gemessen wurden, zu dem an der jeweiligen Dauerströmungsmessposition (D1 - D4) 70 cm/s und 80 cm/s vorlagen. Hieraus wurden für die jeweiligen Messpositionen getrennt nach Flut und Ebbe Strömungsmittelwerte gebildet, welche auf der x-Achse abgetragen wurden. Die Abstände der jeweiligen Messposition zur Fahrrinnenachse wurden auf der y-Achse abgetragen. Somit lässt sich das jeweilige Strömungsprofil zu dem Verhältnis des o. g. Messwertebereiches an der Dauerströmungsmessposition erkennen.
Dieses ist jedoch nur ein Ansatz zur Ermittlung der Strömungsverteilung im Querschnitt. Da das Messverfahren nicht speziell für diese Auswertung ausgerichtet ist und es aufgrund von Mess- und Lageungenauigkeiten der Messgeräte sowie Wasserstandsschwankungen fehlerbehaftet ist, können keine belegbaren Aussagen zur Trendentwicklungen gemacht werden. Die Analyse der horizontalen Strömungsverteilung könnte durch speziell abgestimmtes Messverfahren wesentlich verbessert werden.
Auswerteschema
In Abbildung A.6-1 wird die Ermittlung des horizontalen Strömungsprofils exemplarisch aufgezeigt. Hier sind die Ganglinie der Strömungsgeschwindigkeiten und die Lage einzelner Messgeräte beispielhaft abgetragen.
Im Weiteren soll das Vorgehen zur Ermittlung des Strömungsprofils anhand der Abbildung A.6.1-1 beschrieben werden
1. Zunächst wurde eine Strömungsgeschwindigkeit (Wertebereich) für die Dauerströmungsmesspositionen (D1-D4) festgelegt. Dieser wurde in der Auswertung auf 70 cm/s - 80 cm/s für alle Dauerströmungsmesspositionen und Jahre gewählt.
2. Für die Zeitpunkte, als an der jeweiligen Dauerströmungsmessposition (D1 - D4) Werte zwischen 70 cm/s und 80 cm/s gemessen wurden, wurden die Werte der umliegenden Positionen (aus der Durchflussmessung) ausgelesen.
3. Aus den ermittelten Werten der jeweiligen Messpositionen werden Mittelwerte gebildet.
4. Die Mittelwerte werden auf der Längsachse, die Anordnung der Messstationen auf der Hochachse abgetragen. Die so ermittelten Punkte werden zu einem horizontalen Strömungsprofil miteinender verbunden.
Abb. A.6.1-1: Schema Ermittlung des horizontalen Strömungsprofils
Strömungsmessungen an den Stationen Bunthaus und Teufelsbrück
Die Langzeitmessstationen im Bereich der Hamburg Port Authority (s. Abbildung III.1.1.2.1-9 im Textband) messen die Fließgeschwindigkeit mit einem akustischen Verfahren - Laufzeitdifferenzverfahren. Die Anlagen sind Kreuzanlagen, d. h., dass zwei Messpfade über Kreuz angeordnet sind. Bei dieser Anordnung ist es möglich, die Strömungsrichtung aus der Information der zwei Messpfade zu berechnen. Ein Messpfad wird durch zwei Ultraschallköpfe, den so genannten hydroakustischen Wandlern, aufgespannt. Die Wandler können ein elektrisches Signal in ein akustisches Signal umwandeln und senden. Kernstück eines Wandlers ist ein Piezoquarz, der durch das Anlegen von Wechselspannung zusammendrückt und auseinander gezogen wird. Diese Bewegung wird an eine Membran weitergegeben, die Druckwellen erzeugt. Umgekehrt ist ein Wandler in der Lage, ein akustisches Signal zu empfangen und es in ein elektrisches Signal umzuwandeln. So kann ein Wandler sowohl als Sender als auch als Empfänger dienen. Der Ultraschallwandler erzeugt eine Schallwelle und schickt sie quer zur Strömung zu einem Wandler auf der anderen Uferseite. Dieser schickt eine Schallwelle zurück. Schallwellen, die sich in einem Gewässer entgegen der Fließrichtung bewegen, benötigen eine längere Laufzeit als Schallwellen, die mit der Fließrichtung wandern. Die Differenz der Laufzeiten ist direkt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit im Messpfad.