Projekt 18932/01

Entwicklung und Einsatz eines mobilen Gerätes zur in-situ Bestimmung der Erosionsstabilität kontaminierter Feinsedimente

Projektträger

Universität StuttgartInstitut für Geotechnik
Pfaffenwaldring 35
70569 Stuttgart
Telefon: 0711/685-4679

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 organischen 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 feldtauglichen, mobilen und kostengünstigen Gerätes zur Ermittlung der in-situ Erosionsstabilität von Feinsedi-menten in Oberflächengewässern.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie 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.


Ergebnisse und Diskussion

Die 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 können somit die Strömungsgrößen sowie auch die zur Erfassung der Erosionsstabilität erforderlichen Schwebstoffgrößen erfasst werden und das Gerät kann in der Praxis im Bereich der Oberflächen-gewässer 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 verfol-gen 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


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Anlässlich einer eintägigen Veranstaltung der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) Ende 2001 zum Generalthema Feststofftransport in Bundeswasserstrassen wurden als Ergänzung zum Vortrag mit dem Thema Erosion- und Sedimentationsprozesse Videoaufnahmen eines Erosionstests in der Neckarstauhaltung Lauffen gezeigt.
Im Rahmen des laufenden BMBF-Forschungsprojektes Feinsedimentdynamik und Schadstoffmobilität in Binnen- und Tidegewässern wurde ebenfalls die Entwicklung einer in-situ-Messmethode zur Erkundung der Sedimentstabilität vorgestellt und wichtige Anwendungsmöglichkeiten erläutert. Durch die Beteiligung verschiedener Institutionen (BfG Bundesanstalt für Gewässerkunde Koblenz; UFZ Umweltforschungszentrum Halle-Leipzig Außenstelle Magdeburg; GKSS Gesellschaft für Kernenergie und Sicherheitssysteme Geestacht; Universität Karlsruhe; TU Hannover; TU Hamburg-Harburg u. a.) konnten die Forschungsarbeiten einer zunehmend breiten Fachöffentlichkeit vorgestellt werden.
Im Rahmen des Kongresses der International Association of Hydraulic Engineering and Research IAHR wurden Zwischenergebnisse aus diesem DBU-Forschungsprojekt im Seminar Bridging the gap between users and manufacturers vorgestellt und in einem Vortrag und auf einem Poster erläutert. Im Nachlauf der Veranstaltung wurde unter den Interessenten ein Vergleich der verschiedenen Testmethoden geplant, um in einer Art Ringversuch die Vergleichbarkeit der jeweiligen Ergebnisse beurteilen zu können. Dieses internationale Testprogramm wird zur Zeit noch konkret ausgestaltet und voraussichtlich bis zum nächsten internationalen Kongress in Seoul (Korea) 2005 durchgeführt werden.
Darüber hinaus ist der Einsatz des in-situ Erosionstestgerätes in einem bereits eingereichten EU-Projekt zur Bestimmung der Mobilität von Sedimentaltlasten insbesondere in der Elbe konkret geplant. Ein wei-terer Geräteeinsatz ist in Hochwasserrückhaltebecken der Wasserverbände Schwippe und Aich im Laufe diesen Jahres vorgesehen, um Fragen der Verlandungsprozesse in verschiedenen Hochwasserrückhaltebecken quantitativ besser beurteilen zu können.


Fazit

Die bisherigen Arbeiten bezüglich der Anfertigung des Gerätes und der Ausstattung mit den erforderlichen Sensoren zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeiten und der erosionsbedingten Trübung im Abstrom wurden zusammen mit der optischen Erfassung ausgewählter Bildausschnitte der Erosionstestfläche planmäßig durchgeführt. Die Feldtauglichkeit der eingesetzten Komponenten konnte bei Messkampagnen im Neckar, am Rhein in Holland sowie an der Elbe belegt und zudem wichtige Erkenntnisse bezüglich der noch erforderlichen Verbesserungen gewonnen werden. Insbesondere die Erfassung der aktuellen Positionierung des Gerätes auf der Gewässersohle stellt hier ein zentrales Problem dar, das durch die optischen Sensoren alleine bisher nicht befriedigend gelöst werden konnte. Die bisherigen Einsätze zeigen jedoch, dass der Erosionsprozess durch die Sensoren quantitativ erfasst und bei ausreichender Sichtweite auch visuell eindrucksvoll verfolgt werden kann.