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Boot-Monitoring / Peter Krebs / Erfurt, 23.01.2019 Folie 1
Verbesserte Erhebung von Gewässerzustandsdaten als Grundlage für die Bewertung von Bewirtschaftungsmaßnahmen
Prof. Dr. sc. techn. Peter Krebs Institut für Siedlungswasserwirtschaft TU Dresden [email protected]
+49 351 4633 5257
Boot-Monitoring
Boot-Monitoring / Peter Krebs / Erfurt, 23.01.2019 Folie 2
Inhalt
• Motivation und Prinzip
• Das System
• Gewässerstruktur
• Hydrometrie
• Wasserqualität
• Modellierung
• Ökosystem
• Bewirtschaftung
Boot-Monitoring / Peter Krebs / Erfurt, 23.01.2019 Folie 3
Projekt BOOT-Monitoring
BOOTgestütztes Messsystem für longitudinale Gewässerprofile der Hydrometrie, Morphometrie und Wasserqualität als Teil eines integrierten GewässerMonitorings
Ziele• Entwicklung eines bootsgestützten, modularen Messsystems• Erhebung und Prozessierung longitudinaler Daten• verbesserte Zustandsbewertung• verbesserte Gewässermodellierung• Bewertung von Bewirtschaftungsmaßnahmen
Boot-Monitoring / Peter Krebs / Erfurt, 23.01.2019 Folie 4
A Bc
t
c(A)c(B)
c
A B L
Motivation Informationsverbesserung
Boot-Monitoring / Peter Krebs / Erfurt, 23.01.2019 Folie 5
Kombination von Konzentrations- und Durchflussmessung Frachten
Motivation Prozessverständnis
Boot-Monitoring / Peter Krebs / Erfurt, 23.01.2019 Folie 6
Tollense• Organisch geprägtes
Tieflandgewässer • EZG 1800 km²• MQ = 5,77 m³/s, vF = 0,2 m/s• Bewirtschaftungsaufgaben:
starke Verkrautung, Grundräumung der Sedimente
Freiberger Mulde• Silikatischer
Mittelgebirgsfluss• EZG 2981 km²• MQ = 35.5 m³/s, vF = 1.5 m/s• Bewirtschaftungsaufgaben:
Erosion, Altbergbau und Stoffeinträge
Untersuchungsgebiete
Boot-Monitoring / Peter Krebs / Erfurt, 23.01.2019 Folie 7
Eingesetzte Messtechnik
Hydrometrie • ADCP• MID (FM)• Ultraschall• Echolot• Sedimentecholot (TO)
Wasserqualität• Multiparametersonde (FM)• Spektroskopie• Ionenselektive Elektroden• Schöpfproben• Online-Analyzer (TO)
Sondenträgerboot auf der Freiberger Mulde
Messboot auf der Tollense
Zentrales Energie‐ und Datenmanagement
Boot-Monitoring / Peter Krebs / Erfurt, 23.01.2019 Folie 8
Sohlverlauf aus geschwenktem Echolot (Freiberger Mulde) und gemessenen ADCP Tiefen
IDW oder Kriging Interpolation
Schwenkbares Echolot
ADCP und H‐ADCP
Freiberger MuldeTollense
Morphologie
Boot-Monitoring / Peter Krebs / Erfurt, 23.01.2019 Folie 9
Uferlinien, Mittellinien, Krümmungsverhalten, Breiten- und Tiefenvarianzen
Ergänzende Informationen über Nutzung unterschiedlicher Sensorplattformen
Orthofoto (Quelle: LfULG) zeigt überhängende Vegetation
Korrektur der Uferlinie bei Vegetation
Validierung mit Drohnenaufnahmen Breitenvarianz der Freiberger Mulde
Flussverlauf
Boot-Monitoring / Peter Krebs / Erfurt, 23.01.2019 Folie 10
Amtliches digitales Oberflächenmodell (DOM/DGM) Beschattung am 21.12. (12 Uhr)
Kumulierte potenzielle „Sonnenstunden“ pro Jahr
Beschattung der Flussoberfläche
Boot-Monitoring / Peter Krebs / Erfurt, 23.01.2019 Folie 11
• Messung der Fließge-schwindigkeit durch ADCP
• Darstellung der gemittelten Minutenwerte
• Starke Schwankung der lokalen Messungen
• Einzelner Messwert nicht repräsentativ für Querschnitt
Ergänzung mit H-ADCP
Zick-Zack-Kurs und Verwendung der Kontinuitätsinformation
Hydrometrie
Boot-Monitoring / Peter Krebs / Erfurt, 23.01.2019 Folie 12
Besonderheit Tollense: Einsatz nasschemischer Analysator
Grundlage für Kalibrierung und Validierung der Modellierung
Wasserqualität NH4
+-N in Tollense im Dez.
NO3--N in Mulde im Aug.
Boot-Monitoring / Peter Krebs / Erfurt, 23.01.2019 Folie 13
Arsenkonzentrationsmessung in der Freiberger Mulde über Schöpfproben
Längsprofil aus Interpolation der Messungen der Messkampagne im Juli 2018
Gewässergüte
Boot-Monitoring / Peter Krebs / Erfurt, 23.01.2019 Folie 14
HEC-RAS-Modell (Version 5.0.3)
• 1D-Simulationen mittels Saint-Venant Gleichungen
• Geeignet bei rückgestauten Flusssystemen
• Verknüpfung mit ökologischen Modellbausteinen (NSM-I)
• Abbauraten müssen kalibriert werden
Fließrichtung
Quelle: modifiziert nach Zhang et.al. (2014)
Gewässermodellierung
Boot-Monitoring / Peter Krebs / Erfurt, 23.01.2019 Folie 15
Umsatzraten(d-1)
St.MST
BOOT(ohne
Rückstau)
BOOT(mit
Rückstau)
BOOT(lokalZscho-W156)
BOOT(lokalW156-W158)
BOOT(lokalW158-W139)
Org-N →NH4-N 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001
Sed-N →NH4-N 0.001 0.003 0.003 0.002 0.002 0.002
NH4-N→NO2-N 0.105 0.135 0.165 0.195 0.125 0.145
NO2-N→NO3-N 0.205 0.515 0.675 0.695 0.775 0.695
Org-P →PO4-P 0.010 0.010 0.115 0.010 0.100 0.100
Sed-P →PO4-P 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.020
Wind-funktion: a·10e-6 + b·10e-6·vc ; a=0.005, b=0.005, c=1.0 (Für Wassertemperatur)
Kalibrierung der Abbauraten
Boot-Monitoring / Peter Krebs / Erfurt, 23.01.2019 Folie 16
Erlln
Wehr 157
Schanzen-bach
An Hand von BOOT-Daten (Abschnitt ohne Rückstau)
Validierung Mulde
T
NO3--N PO4
3--P
Boot-Monitoring / Peter Krebs / Erfurt, 23.01.2019 Folie 17
PO4‐PNO3‐N
Gewässergütemodellierung
Boot-Monitoring / Peter Krebs / Erfurt, 23.01.2019 Folie 18
• Hauptkomponentenanalyse
• Clusteranalyse: Gruppierung der SignaleStreudiagramm mit Gegenüber-stellung der 1. und 2. Haupt-komponente für die Cluster-analyse zur Charakterisierung der Clusterabgrenzungen in Bezug auf die beiden HK
Sohlsubstrat aufgrund Echolotsignal
Boot-Monitoring / Peter Krebs / Erfurt, 23.01.2019 Folie 19
Aufgrund von Sedimentproben, Videosequenzen und ExpertenwissenCluster Interpretation Cluster 1 Feinsand
Cluster 2 Wasserpflanzen (starkes Signal bei SP0)
Cluster 3 Sand (tendenziell Grob- bis Mittelsand, evt. kiesig)
Cluster 4 Auflage, Wasserpflanzen, Streu (ggf. durch Wellenschlag, Strömungen am Ufer beeinflusst)
Cluster 5 Torf
Cluster 6 Feinsand - Schlick
Cluster 7 Tendenziell weich; ähnlich zu Cluster 10, nur stärkere Turbulenzen in Wassersäule ( gestörtes Signal z.B. durch Bootbewegung, Wellenschlag)
Cluster 8 Eher glatte Oberfläche (evt. Lehm)
Cluster 9 Störung
Cluster 10 Raue Auflage (evt. Steinauflage, Geröll, Mergel), sonst ähnlich zu Cluster 1
Cluster 11 Störung
Zuordnung zu Sohltypen
Boot-Monitoring / Peter Krebs / Erfurt, 23.01.2019 Folie 20
Cluster 3Cluster 3
Cluster 5Cluster 5
Cluster 2Cluster 2
Cluster 5
Cluster 5 Cluster 3
Cluster 7
Cluster 7
BrückeCluster 5Cluster 5
Cluster 5Cluster 5 Cluster 3Cluster 3
Cluster 7Cluster 7
Cluster 7Cluster 7
BrückeBrücke
MaurineMaurineTollense (mit Sidescan-Daten)Tollense (mit Sidescan-Daten)
Ergebnis von Befahrungen
Boot-Monitoring / Peter Krebs / Erfurt, 23.01.2019 Folie 21
Beispiel Muscheln
• Jungmuscheln am Sensibelsten
• Kritisch: Zehrungsvorgängen und Freisetzung von Ammonium in flächigen
Sedimentauflagen
• relativ tolerant gegenüber Nitrat-N-Konzentrationen
• grundsätzlich vom Boot aus mittels Flow-Stream-Technik messbar
Verbindung zur Biologie
Boot-Monitoring / Peter Krebs / Erfurt, 23.01.2019 Folie 22
Geprüfte ParameterKorrelations-
koeffizientp-Wert
Sandanteil in % -0,044 0,8403
Anteil Organik in % 0,140 0,5240
Dicke der organischen Schicht in cm -0,178 0,4160
Mittlere bodennahe Fließgeschwindigkeit Jan/Feb 2017 in m s-1 0,548 0,0068
Mittlere Ammoniumkonz. Jan/Feb/Mrz 2017 in mg N l-1
-0,502 0,0147
Mittlere Nitratkonzentrationen Jan/Feb/Mrz 2017 in mg N l-1 0,122 0,5778
Mittlerer Sauerstoffgehalt Jan/Feb/Mrz 2017 in mg l-1 -0,367 0,0846
Mittlerer pH-Wert Jan/Feb/Mrz 2017 -0,135 0,5384
Korrelationsanalyse
Bewirtschaftungsmaßnahmen Bewertung (Erfolgskontrolle)
Maßnahme(konzeptionell, Renaturierung, Unterhaltung)
Messboot sinnvoll nutzbar
Grundräumung Langzeitanalyse Morphologie
Krautung Sohle
Machbarkeitsstudien Aufnahme Morphologie -Modellaufbau (Abfluss + ggf. Güte)
Renaturierung Langzeitanalyse Morphologie
24 | 15. Januar 2019 | Karin Kuhn, Referatsleiterin Oberflächenwasser, Wasserrahmenrichtlinie
Praktischer Nutzen für LfULG
❙ Wichtige Informationen über Verhalten Schadstoffe zwischen Messstellen (Prozessverständnis)
❙ Mögliche Rückschlüsse auf Optimierung Messprogramm
❙ Perspektivisch könnte die Aufnahme von Strukturparameter mit Mitteln Fernerkundung bzw. bootsgestützt praktische Bedeutung bekommen, gerade in Bereichen, die nicht begehbar sind.
❙ Erfassung von Qualitätsparametern mit Methoden der Fernerkundung; BOOT-Monitoring hat Impuls im LfULG ausgelöst (Folgevorhaben)
❙ Von den zu erstellenden Gewässermodellen wird eine praxistaugliche Grundlage zur räumlichen und situativen Identifikation kritischer Gewässerzustände erwartet
❙ Wegen der erforderlichen Wassertiefe für das Boot ist die Befahrung kleiner Flüsse oder in Niedrigwasserzeiten nicht möglich
❙ Noch nicht optimaler Einsatz von Messinstrumenten schränkte die Anzahl der Parameter ein, die gemessen werden können.
positiv
negativ
Boot-Monitoring / Peter Krebs / Erfurt, 23.01.2019 Folie 25
• Längskontinuierliche Messungen erbringen einen Mehrwert für die Erfassung des Gewässerzustandes und für die Modellierung
• Das modulare Messkonzept ermöglicht die Messung ab 2 m Gewässerbreite und 30 cm Gewässertiefe
• In der Kombination mit Remote Sensing und Geoinformationen lassen sich aussagekräftige Informationen zur Gewässerstruktur generieren
• Stoff-Umsatzraten lassen für die Modellierung besser kalibrieren
• Die Modellierung wird aussagekräftiger und taugt zur Bewertung von Bewirtschaftungsmaßnahmen
• Verbesserungen in der Querschnitts-, Geschwindigkeitsmessung
• Aussagen, wie BOOT in das Routine-Monitoring von Landesämtern übernommen werden kann?
Fazit
Boot-Monitoring / Peter Krebs / Erfurt, 23.01.2019 Folie 26
BOOT ahoi!
Dank ans BMBF für die Förderung an Projektträger und ReWaMNetan alle Projektpartner