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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


Inhalt

• Motivation und Prinzip

• Das System

• Gewässerstruktur

• Hydrometrie

• Wasserqualität

• Modellierung

• Ökosystem

• Bewirtschaftung


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


A Bc

t

c(A)c(B)

c

A B L

Motivation Informationsverbesserung


Kombination von Konzentrations- und Durchflussmessung Frachten

Motivation Prozessverständnis


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


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


Sohlverlauf aus geschwenktem Echolot (Freiberger Mulde) und gemessenen ADCP Tiefen

IDW oder Kriging Interpolation

Schwenkbares Echolot

ADCP und H‐ADCP

Freiberger MuldeTollense

Morphologie


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


Amtliches digitales Oberflächenmodell (DOM/DGM) Beschattung am 21.12. (12 Uhr)

Kumulierte potenzielle „Sonnenstunden“ pro Jahr

Beschattung der Flussoberfläche


• 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


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.


Arsenkonzentrationsmessung in der Freiberger Mulde über Schöpfproben

Längsprofil aus Interpolation der Messungen der Messkampagne im Juli 2018

Gewässergüte


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


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


Erlln

Wehr 157

Schanzen-bach

An Hand von BOOT-Daten (Abschnitt ohne Rückstau)

Validierung Mulde

T

NO3--N PO4

3--P


PO4‐PNO3‐N

Gewässergütemodellierung


• 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


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


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


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


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


• 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 ahoi!

Dank ans BMBF für die Förderung an Projektträger und ReWaMNetan alle Projektpartner

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