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unilogo Universität Stuttgart
Institute of Hydraulic Engineering

Research: Hydraulic Laboratory

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Entwicklung und Einsatz eines mobilen Gerätes zur in-situ Bestimmung der Erosionsstabilität kontaminierter Gewässersedimente
Project manager:Prof. Dr.-Ing. habil. Bernhard Westrich
Research assistants:Dipl.-Phys. Gerhard Schmid
Dipl.-Geoökol. Thomas Jancke
Duration:1.1.2001 - 31.3.2004
Funding:externer Link Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU)
Comments:

This project is part of the research area:
Hydromorphology

MMM- Monitoring, Measuring and Modelling

Publications: Link

Abstract:

Zielsetzung und Anlaß des Vorhabens

Nahezu bis Ende der 70er Jahre wurden viele Fließgewässer in stark besiedelten Gebieten durch kommunale und industrielle Abwässer erheblich belastet, sodass insbesondere ältere Sedimentablagerungen entsprechend hohe Kontaminationen von Schwermetallen und organischern Verbindungen (HCB, PAK etc.) aufweisen. Ein zentrales Problem bei der Beurteilung der gewässerökologischen Auswirkungen von Kontaminationsherden in den Oberflächengewässern stellt die hydrodynamische Stabilität der betreffenden Sedimente dar. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung und der Einsatz eines feldtaugli-chen, mobilen und kostengünstigen Gerätes zur Ermittlung der in-situ Erosionsstabilität von Feinsedimenten in Oberflächengewässern. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden Die Entwicklung und Erprobung des in-situ Erosionstestgerätes erfolgte in einem iterativen Prozess, wobei nach Einbau von entsprechenden Sensoren, CCD-Kameramodule und Beleuchtungseinrichtungen die Apparatur zunächst im Labor auf ihre hydraulische Funktionsfähigkeit und anschließend unter Naturbedingungen auf Feldtauglichkeit und praktische Einsetzbarkeit getestet wurde. Entsprechend den Erfahrungen und Messergebnissen aus den Labor- und Feldtests wurden konstruktive und messtechnische Verbesserungen bezüglich Positionierung des Gerätes, Messbereich der Sensoren, sowie Speicherung und Darstellung der Messdaten vorgenommen und das Gerät damit funktional optimiert.Die durchgeführten Feldtests wurden mit logistischer Unterstützung der Landesanstalt für Umweltschutz Karlsruhe (LFU), der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG), im Rahmen mehrerer Probenahmekampagnen des IKSR-Projektes, sowie in Zusammenarbeit mit dem Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle, Außenstelle Magdeburg, durchgeführt. Neben den Labormessdaten waren alle beim Feldeinsatz gewonnenen praktischen Erfahrungen besonders aufschlussreich für die weitere mechanische und messtechnische Verbesserung sowie für die bedienungsfreundliche Auslegung des Gerätes. Für den praktischen Gebrauch wird auf der Basis des Abschlußberichtes eine kurze Anleitung ausgearbeitet, die den Anwender über die Funktionsweise des Gerätes sowie der einzelnen Sensoren unterrichtet und ihn in die Lage versetzt, das Gerät funktionsgerecht einzusetzen und entsprechende Erosionstests durchzuführen.
Deutsche Bundesstiftung Umwelt, An der Bornau 2, 49090 Osnabrück, Tel 0541/9633-0, Fax 0541/9633-190, www.dbu.de

Ergebnisse und Diskussion

Die bisherigen Arbeiten zur Entwicklung des in-situ Erosionstestgerätes konzentrierten sich im wesentlichen auf die messtechnische Ausstattung des Gerätes und die Durchführung eines Testprogramms sowohl für die einzelnen Komponenten als auch für das Gesamtgerät unter realen Bedingungen in Flüssen und Flussstauhaltungen. Hierbei wurden wesentliche praktische Erkenntnisse gewonnen, die zu einer besseren Anordnung und weiteren Bestückung mit Sensoren geführt haben. Nach dem derzeitigen Entwicklungsstand kön-nen somit die Strömungsgrößen sowie auch die zur Erfassung der Erosionsstabilität erforderlichen Schwebstoffgrößen erfasst werden und das Gerät kann in der Praxis im Bereich der Oberflächengewässer bis zu ca. 4 m Tiefe bei mäßigen Fliessgeschwindigkeiten eingesetzt werden.

Aufgrund der bisherigen Erfahrungen werden folgende Modifikationen und Entwicklungen weiter verfolgt:
  • Verringerung der Breite der Erosionstestfläche auf ca. 10-15 cm, um auch bei noch höheren Schwebstoffkonzentrationen, die bereits im ankommenden Wasserstrom vorhanden sein können, sowohl die richtige Positionierung des Gerätes als auch den Erosionsvorgang optisch besser verfolgen zu können.
  • Einsatz in größeren Tiefen (bis ca. 70 m) mit Antriebsaggregaten, die eine entsprechende Dichtigkeit gegenüber den äußeren Wasserdrücken aufweisen. Diese Modifikationen betreffen lediglich den mechanischen Teil des Gerätes, die messtechnische Ausstattung bleibt hiervor unberührt.
  • Optimierung der optischen Sensoren zur Messung der Schwebstoffkonzentration und zur Bestimmung der Erosionsrate

  • Foto 1: Feldtest des verbesserten Prototypen am Rhein bei Arnheim. Im Vordergrund sind in der Auslauföffnung der Propeller sowie vor der Auslauföffnung die faseroptische Absorptionsmessstrecke zu erkennen.


    Foto 2: Detailansicht der drei CCD-Kameragehäuse sowie der Beleuchtungseinheit


    Foto 3: Blick durch die Einströmöffnung auf die Erosionstestfläche und den Strömungssensor (oben). In der Bildmitte ist im Hintergrund die Ausströmöffnung mit dem Propeller zu erkennen