Datenaufnahme und -aufbereitung

An den tidebeeinflussten Nebenflüssen der Unterelbe stehen viele gewässerkundliche und einige revierkundliche Daten zur Verfügung. Gewässerkundliche Daten sind u.a. gemessene Zeitreihen von Wasserständen, Abflüssen, Strömungen, Trübungen oder Schwebstoffkonzentration, die in der Regel punktuell erhoben werden. Für die betrachteten Nebenflüsse liegen hauptsächlich Zeitreihen des Wasserstandes und des Abflusses vor, die an Pegeln aufgezeichnet wurden. Diese werden in den Oberläufen durch die Wasserbehörden der Länder (NLWKN, LKN-SH) und in den Unterläufen durch die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung (WSV) betrieben und gewartet.

Oft reichen die Zeitreihen einige Jahrzehnte zurück. Vereinzelt liegen für die Unterläufe außerdem punktuell temporäre Strömungs- oder Schwebstoffdaten vor.

Revierkundliche Daten sind z.B. das Sedimentinventar oder die Unterwassertopographie, die punktuell, linienhaft oder flächig erhoben werden. Für die Nebenflüsse der Unterelbe sind in der

Regel nur vereinzelt punktuelle Informationen zum Sedimentinventar vorhanden. Für einige Nebenflüsse liegen Peilungen der Gewässertopographie in Form von Querschnitten, Längsschnitten oder flächenhaften Datensätzen vor. Allerdings werden detaillierte Analysen oftmals durch die schlechte Qualität der Datengrundlage verhindert. Gründe für die schlechte Qualität sind u.a. inkonsistente Messbereiche (Messbereich nicht von Böschungsoberkante bis Böschungsoberkante), mangelhafte Datendichte (nur wenige Querprofilmessungen für den Referenzzustand) und die Beeinflussung durch Unterhaltungsmaßnahmen.

Um eine ausreichende Datengrundlage in der nötigen Qualität zu erhalten, wurden im Rahmen dieser Dissertation zusätzliche Messungen in der Natur durchgeführt. In den folgenden Abschnitten werden die Messverfahren und die Aufbereitungsmethoden erläutert.

2.2.1 Schwebstoffmessungen in der Natur

2.2.1.1 Messverfahren

Die in-situ-Erfassung der Schwebstoffkonzentration erfolgt indirekt über die Messung der Trübung. Hierzu kommen in der Regel Optical Backscatter (OBS) Sonden zum Einsatz, die nach dem Streulichtprinzip arbeiten. Eigens für die Messungen wurden am Institut für Wasserbau der TU Hamburg Sonden konstruiert, die speziell auf die vorherrschenden Verhältnisse an der Tideelbe und deren Nebenflüsse abgestimmt sind. Jede dieser Sonden besteht aus zehn einzelnen Sensoren, die über eine Länge von einem Meter in ein Edelstahlgehäuse eingelassen und vergossen sind. Die Messtechnik ist in einem wasserdichten Gehäuse an der Oberseite der Sonde untergebracht. Die Energieversorgung erfolgt über einen wiederaufladbaren Energiespeicher (Akku). Die Messwerte werden in einer Frequenz von einem Hertz erfasst und auf einem digitalen Speichermedium (SD-Karte) gespeichert. Die Sensoren bestehen jeweils aus einer Infrarot-Laser-Diode (Sender/Signalgeber) sowie einem Fototransistor (Empfänger). Sender und Empfänger sind in einem definierten Winkel zueinander angeordnet, wodurch ein definiertes Messvolumen entsteht. Dieses Messvolumen unterscheidet sich aufgrund leicht variierender Anordnung von Sensor zu Sensor.

Die ausgesendeten Infrarot-Strahlen werden von den im Wasser vorhandenen Schwebstoffen reflektiert und anschließend vom Fototransistor empfangen. Das schwache Signal wird mit Hilfe eines Operationsverstärkers verstärkt und zurück an den Mikroprozessor gegeben. Da der Empfänger bereits auf das natürlich vorherrschende Umgebungslicht reagiert, werden für jeden Zeitschritt jeweils ein Hell- (Umgebungslicht mit Laserdiode) und ein Dunkelwert (Umgebungslicht ohne Laserdiode) gemessen. Den entsprechenden Trübungswert erhält man somit durch Subtraktion des Dunkelwertes vom Hellwert. Die ausgegebenen Werte beziehen sich nicht auf physikalische Einheiten, sondern stellen jeweils digitale Werte dar (12 bit entsprechen 4096 Messwerte im Bereich 0 bis 4095). Je höher der Messwert, desto stärker ist die Trübung im Gewässer. Ein Messwert von 0 bedeutet also keine Trübung, ein Messwert von 4095 hingegen Totalreflexion. Ein Nachteil dieses Messverfahrens ist, dass das Ansprechverhalten des Sensors stark von der Art der vorhandenen Schwebstoffe abhängt.

„Kleine Korngrößen verursachen einen relativ hohen Trübungswert bei vergleichsweise kleiner Masse, während gröbere Körner aufgrund der kleineren spezifischen Oberfläche relativ geringe Trübungen hervorrufen.“ (Habersack 2008).

Battisto zeigt, dass das Backscatter-Signal von Ton mit einem mittleren Korndurchmesser von 2 Mikrometer 50-mal stärker ist als jenes von Sand mit einem mittleren Korndurchmesser von 100

m (Battisto et al. 1999). Hieraus lässt sich schließen, dass für jede Sonde eine Kalibrierung mit dem im Untersuchungsgebiet vorhandenen Schwebstoffen durchzuführen ist. Erst dadurch können fundierte Schlüsse von den gemessenen Trübungswerten auf die Schwebstoffkonzentrationen gezogen werden. Als Ergebnis der Kalibrierung erhält man charakteristische Kalibriergeraden für verschiedene Schwebstoffkonzentrationen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Beispielhafte Kalibriergerade für OBS Sonden

2.2.1.2 Durchgeführte Messkampagnen

Im Sommer 2014 wurden im Bereich der Mündungssperrwerke von Este und Krückau Trübungsmessungen durchgeführt. Während der Messungen herrschte überwiegend eine stabile Hochdruck-Wetterlage mit geringen Windgeschwindigkeiten und ohne nennenswerte Niederschläge. Der Oberwasserabfluss der Elbe am Pegel Neu Darchau war in den Monaten vor den Messungen sehr niedrig und erreichte lediglich Werte deutlich unterhalb des MQ von Q = 710 m³/s. Anfang Juni stieg der Abfluss für einige Tage auf Werte von knapp 800 m³/s. Anschließend sank der Abfluss bis zum Ende der Messungen auf rund Q = 300 m³/s ab.

An jedem Standort wurde suspendiertes Material entnommen und für jeden Sensor unter Laborbedingungen eine Kalibrierfunktion bestimmt. Das Verfahren, mit dem die Kalibrierfunktion ermittelt wurde, entspricht den Empfehlungen von (Habersack 2008). Das suspendierte Material in den untersuchten Abschnitten weist kohäsive Eigenschaften auf. Auch wenn der Salzgehalt unter 2 PSU liegt, können Flockungsprozesse eine Rolle spielen. Im Rahmen der Kalibrierung im Labor können die Flocken auf Grund verschiedener Einflüsse (Transport, Lagerung, Förderung durch die Versuchseinrichtung) zerstört werden, wodurch die Eigenschaften

der Flocken verändert und die Kalibriergeraden verfälscht würden. Aus diesem Grund wurden im Verlauf der Messungen in der Natur mehrere Schöpfproben in unmittelbarer Nähe der Trübungssonden entnommen und deren Schwebstoffgehalt im Labor bestimmt. Die Gegenüberstellung der ermittelten Schwebstoffkonzentrationen mit jener aus der optischen Messung unter Anwendung der Kalibriergeraden ermittelten zeigte insgesamt eine gute Übereinstimmung der Werte.

Optische Signale verhalten sich über eine große Bandbreite weitgehend linear zur Schwebstoffkonzentration (Maushake 2007), wodurch das Verfahren für den Einsatz an den betrachteten Nebenflüssen besonders geeignet ist, denn aus den Messungen in der Elbe ist bekannt, dass die Schwebstoffkonzentration im Tideverlauf deutlich schwankt, weshalb durch das Messverfahren eine große Bandbreite abzudecken ist.

2.2.2 Fächerlotpeilungen in der Natur

2.2.2.1 Messverfahren

Die flächige Vermessung der Gewässersohle im schiffbaren Bereich der betrachteten Nebenflüsse erfolgt durch das institutseigene Messboot Nekton. Dieses ist mit dem Multibeam-Echolot (Fächerecholot) SeaBeam 1185 der Firma L-3 Communications ELAC Nautik GmbH ausgestattet. Das System besteht aus zwei Wandlerplatten, die in den Schiffsrumpf integriert sind und einer Sonar-Prozessor-Einheit. Insgesamt werden 126 Einzelstrahlen im Abstand von 1,5°

ausgesandt, so dass ein Gesamtwinkel von 153° abgedeckt werden kann. Die Messfrequenz von 180 kHz eignet sich für den Einsatz in flachen Gewässern.

Da die Schallgeschwindigkeit stark von Temperatur und Salzgehalt des Wassers abhängt, werden diese Parameter im Laufe jeder Messung mehrfach bestimmt⁵. Aus den über die Tiefe aufgezeichneten Werten wird ein Schallprofil ermittelt, das in die Berechnung der Laufzeit des Schallimpulses einfließt. Die Schiffsbewegungen werden von einem Bewegungssensor und einem Kreiselkompass erfasst. An Bord der Nekton befindet sich ein hochgenauer optischer Kreiselkompass vom Typ Octans III der Firma IXSEA. Durch die direkte Übermittlung der Daten des Bewegungssensors an die Sonar-Prozessor-Einheit des Fächerecholots werden die Messdaten in Echtzeit um die Schiffsbewegungen Roll und Pitch bereinigt. Die genaue Position des Schiffes wird per DGPS⁶ ermittelt. Die Daten zur Korrektur der per GPS bestimmten Position, stammen von einer festen Landstation, die mit einer Aktualisierungsrate von 10 Hz per Funk Positionsdaten sendet, so dass die Messdaten in Echtzeit korrigiert werden können. Plöger führte eine Kalibrierung des Messsystems auf der Grundlage dynamischer Tests durch (Plöger 2007), die Albers mit dem gleichen guten Ergebnis wiederholte (Albers 2012).

5 Bis zum Jahr 2013 wurde zur Messung der Schallgeschwindigkeit eine CTD Sonde vom Typ 48M der Firma Sea&Sun eingesetzt. Ab 2013 wurde diese durch eine CTD Sonde vom Typ 75M der Firma Sea&Sun ersetzt.

6 Differential Global Positioning System

Den Fehler des Gesamtsystems exakt anzugeben ist auf Grund der Vielzahl der einzelnen Komponenten des Systems nicht möglich. Als wesentlicher Einflussfaktor ist die GPS-Ortung zu nennen. Nach Albers beläuft sich die absolute Messungenauigkeit bei Wassertiefen bis zu fünf Metern im ungünstigsten Fall auf 7 bis 10 cm (Albers 2012). Bei entsprechender Mittelung, z.B.

bei der Rastererzeugung, wird der Fehler bei einer hohen Anzahl an Werten je Zelle relativiert.

Die International Hydrographic Organization (IHO) definiert in den IHO Standards for hydrographic surveys Mindestanforderungen für die Genauigkeit von hydrographischen Messungen (International Hydrographic Organization 2008). Das beschriebene Fächerecholotsystem der Nekton übersteigt die strengsten Anforderungen (Genauigkeit kleiner als 0,25 m bei 5,0 m Wassertiefe) deutlich.

Aufgrund des geringen Tiefgangs der Nekton von 0,6 m können auch sehr flache Gewässerabschnitte vermessen werden. Aus der praktischen Erfahrung geht hervor, dass ab einer Wassertiefe von 1,5 m brauchbare Messergebnisse erzielt werden, die weitgehend unbeeinflusst von Fehlmessungen sind. Da die Messungen zum Zeitpunkt des Tidehochwassers erfolgen, kann die Sohle auch in ufernahen Böschungsbereichen erfasst werden.

2.2.2.2 Durchgeführte Messkampagnen

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Unterwassertopographie der schiffbaren Unterläufe von Krückau und Este in 21 Messkampagnen per Fächerecholot vermessen. Für die Krückau stehen zehn Datensätze zur Verfügung, die jährlich im November der Jahre 2006 bis 2015 aufgenommen wurden. Hinzu kommen vier Datensätze für den Mai der Jahre 2008, 2013, 2014 und 2015. Für die Este stehen sieben Datensätze zur Verfügung, die in den Jahren 2009 - 2015 jährlich im Mai aufgenommen wurden.

Um die hohe Qualität der Daten zu gewährleisten und damit die bestmögliche Vergleichbarkeit der Datensätze untereinander zu erhalten, wurden die Messungen stets mit derselben Gerätekonfiguration unter Verwendung derselben Einstellung der Geräteparameter, z.B. Frequenz des Fächerecholots durchgeführt. Außerdem erfolgte die Auswertung stets in der gleichen Art und Weise. Die Bereinigung der Datensätze von Messfehlern erfolgt in einer dreistufigen Prozedur. In der ersten Stufe erfolgt eine Plausibilisierung der vom Kreiselkompass aufgenommenen Korrekturparameter Heave, Roll und Pitch und der Tidenkorrektur. In der zweiten Stufe werden vermeintliche Ausreißer entfernt, die aus Messfehlern resultieren. Ursachen für Messfehler sind u.a.:

 plötzlicher, kurzfristiger Verlust der Lagegenauigkeit,

 Luftbläschen oder schwimmende Gegenstände unmittelbar vor den Schallwandlerplatten

 Nebenkeulen (nicht in die gewollte Richtung abgestrahlte Signale)

 Mehrfachreflexionen.

Dies geschieht zum Teil automatisch, indem Messwerte anhand bestimmter Kriterien, wie z.B.

Qualität der Lage- und Höhengenauigkeit, gefiltert werden. Ausreißer, die nicht von Filtern erfasst werden, werden manuell entfernt. In der dritten Stufe werden Ausreißer über statistische Filter detektiert. Diese Filter werden einerseits profilweise und andererseits flächig auf

Rasterbasis mit verschiedenen Auflösungen angewandt. Die Erfahrungen aus den durchgeführten Messkampagnen an den Nebenflüssen der Tideelbe zeigen, dass der Anteil der eliminierten Ausreißer zwischen etwa acht und fünfzehn Prozent liegt. Zuletzt erfolgte die Rasterung der Datensätze auf ein hochaufgelöstes regelmäßiges Raster von 1 mal 1 Meter. Dabei liegen die Zellmittelpunkte der Raster aus den unterschiedlichen Jahren stets exakt übereinander, um die Vergleichbarkeit zu Datensätzen aus anderen Jahren zu erhalten. Ein weiteres Hilfsmittel zur Analyse von kleineren Strukturen ist die 3D-Visualisierung. Abbildung 3 vermittelt einen Eindruck über den Detaillierungsgrad der aufbereiteten Messdaten. Kleinteilige Sohlstrukturen sind gut zu erkennen.

Abbildung 3: 3D Darstellung der aufbereiteten Fächerlotdaten am Beispiel der Krückau