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Methoden und Konzepte

Im Dokument ISF Arbeitsbericht 2014 (Seite 82-85)

4.1 Entwicklungen im Informationssy-stem BodenseeOnline

Schwerpunkte der Weiterentwicklung des Daten und Mo-dellsystem BodenseeOnline (www.bodenseeonline.de) im Jahr 2014 waren die Optimierung der Modelle, die Erwei-terung der Datengrundlage, die weitere Verbesserung der Zugriffsmöglichkeiten und die Vorbereitung der Portie-rung der Webseitenoberflächen auf das künftige Layout.

Für die Entwicklungsarbeiten beauftragt waren weiterhin das Ingenieurbüro Kobus und Partner (kup) und das Insti-tut für Kernenergetik und Energiesysteme (IKE).

Eine Optimierung der Modelle wurde zum einen durch eine Erhöhung der Gitterauflösungen erzielt, welche auf eine Maschenweite von 100 m verfeinert wurde. Bei der Einrichtung des Routinebetriebes der automatisierten Mo-dellberechnungen mussten neben den deutlich höheren Datenmengen auch der erhöhte Rechenaufwand berück-sichtigt werden. Eine Steigerung der Rechengeschwindig-keiten konnten u.a. durch die Parallelisierung von Model-len erzielt werden. Beim hydrodynamischen Modell ELCOM wurde eine neue Modellversion implementiert.

Beim Wellenmodell SWAN führten die Weiterentwick-lungen zu einer besseren Berücksichtigung des Wasser-stands und der Orbitalgeschwindigkeit an der Seesohle.

Für das Windfeld MCF wurde die Datengrundlage erwei-tert, indem das Modellgebiet erweitert wurde und weitere Daten zur Landnutzung hinzugezogen wurden, um eine realitätsnähere Abbildung der Rauigkeitswerte zu erzielen.

Bei verschieden Datensätzen und Schnittstellen mussten zudem Formatumstellungen durchgeführt werden.

Die Webseiten-Layout von BodenseeOnline wird künftig an das Layout der LUBW-Webseiten angepasst und hierbei auch umgestaltet, um besser den Anforderungen verschie-dener Nutzer gerecht zu werden. Die neuen Weboberflä-chen werden auf dem open-source Softwaresystem Liferay basieren. Die BodenseeOnline-Webseiten werden hierbei in einem Pilotprojekt in das neue Layout übernommen.

Ein erster Prototyp der Oberflächen wurde erstellt. Hier-bei wurden Hier-beispielhaft für verschiedene Nutzergruppen unterschiedliche Zugriffsmöglichkeiten auf die Ergebnisse des Modellsystems geschaffen.

Weiterentwicklungen wurden insbesondere auch bei den nicht-öffentlichen Zugriffseiten durchgeführt. So wurden verschiedene Hilfsmittel, wie der Strömungsfilm oder der Partikeltracker weiterentwickelt, die Möglichkeiten der Modellergebnisdarstellung und des Datenexports verbes-sert und eine Optimierung der Reaktionszeiten durchge-führt.

4.2 Modellstudien zur Hydrologie des Ausstroms des Bodensees

Das saisonale wie auch das langjährige Verhalten der Bo-denseewasserstände beeinflusst zahlreiche Vorgänge im See. Insbesondere im Ufer und Flachwasserbereich wird das Ökosystem maßgeblich durch die Lage und den Wech-sel des Wasserniveaus bestimmt. Die Wasserstandsverhält-nisse beeinflussen Erosions- und Sedimentationsvorgänge und haben somit beispielsweise Einfluss auf den Erhalt oder Zerfall von Resten steinzeitlicher Pfahlbausiedlungen.

Sie sind aber auch für viele gegenwärtige Nutzungen des Menschen von Bedeutung, wie etwa für die Nutzbarkeit von Schiffsanlegestellen oder Fahrrinnen. Veränderungen im langjährigen Wasserstandsverhalten des Bodensees zu erkennen und erklären zu können, ist daher von hoher Be-deutung und wichtige Grundlage dafür, ursachenorien-tierte Handlungsoptionen aufzuzeigen.

Gegenstand einer Praktikumsarbeit am Institut für Seen-forschung war daher, die Wasserstandsverhältnisse des Bo-densee-Obersees und des Untersee zu analysieren, sowie dreidimensionale hydrodynamische Modelle für die Aus-strombereiche der beiden Seeteile zu erstellen und diese zur Interpretation hydrologischer und hydrophysikalischer Vorgänge anzuwenden.

Die differentielle Analyse der Messdaten unterschiedlicher Pegelstationen zeigt eine auffällige Zunahme der Wasser-standsdifferenzen zwischen Ober- und Untersee bzw. dem Ausstrom bei Stein am Rhein auf, welche im Zeitbereich um etwa 2008 eintrat (Abb. 4-1). Wenngleich es bei den Messreihen auch erkennbare Inhomogenitäten gibt, wird diese Veränderung doch durch unterschiedliche Vergleiche

jedoch noch unzureichend, um quantitativ belastbare Aus-sagen zu erzielen. Die künftigen Entwicklungen zielen da-her einerseits auf die Verwendung der hochaufgelösten bathymetrischen Daten, welche das laufende Interreg-IV-bestätigt. Um die Ursache der Veränderung zu

identifizie-ren, müssen weitergehende Untersuchungen durchgeführt werden. Möglicherweise besteht ein Zusammenhang zu Erosionsvorgängen, welche im Bereich des Eschenzer Horns beobachtet werden. Die Zunahme der Differenz zwischen Untersee und Stein am Rhein deutet auf mög-liche Veränderungen beim Pegel Stein am Rhein hin.

Für die modellbasierten Untersuchungen wurden zwei hochaufgelöste Modelle entwickelt, eines für den Bereich des Seerheins zwischen Ober- und Untersee und eines für den Ausstrombereich des Untersees. Mit den Modellen wurden für unterschiedliche Randbedingungen Validie-rungs- und Sensitivitätsuntersuchungen durchgeführt (Abb. 4-2). Neben dem Wasserstands- und Strömungsver-halten sind insbesondere die erwarteten Bodenschubspan-nungen von Interesse, da diese für die Erosionsprozesse von Bedeutung sind.

Die Simulationen zeigten sowohl plausible Modellergeb-nisse wie auch weiteren Entwicklungsbedarf auf. Die Da-tengrundlage für die Validierung der Modelle aber auch für das Erstellen der hochaufgelösten Modelltopographie war

Abb. 4-1: Die Analyse der der Pegeldaten zeigt ab etwa 2008 eine auffällige Zunahme der Wasserstandsdifferenzen zwischen Ober- und Untersee bzw. Stein am Rhein auf.

Abb. 4-2: Beispiel einer Modellstudie zur Hydrologie des Seer-heins. Der Bereich rechts bildet den "Konstanzer Trichters" ab.

mung der tatsächlichen Windrichtung der Kurswinkel, welcher über das GPS ermittelt wird, verwendet. Das Pro-blem hierbei ist, dass beim Stillstand des Schiffes kein ein-deutiger Kurswinkel ermittelt werden kann. Abhilfe soll in diesem Fall die zusätzliche Installation eines digitalen Kompasses schaffen. In einer 2.0-Version sollen außerdem noch andere Parameter, wie Temperatur und Niederschlag gemessen werden. Vorrausgegangene Tests mit einem 3D-Anemometer und einem 3D-Beschleunigungssensor ha-ben zudem gezeigt, dass auch die Rollbewegung des Schif-fes einen Einfluss auf die gemessene Windgeschwindigkeit hat. Bei Minutendaten dürfte dieser Einfluss jedoch keine nennenswerte Rolle spielt. Ein weiterer Punkt, der die Messung beeinflusst, ist die Deformierung des Windfeldes durch das Schiff selbst. Ein erster Ansatz könnte hier ein windrichtungsabhängiger Korrekturfaktor sein, der über Vergleichsmessungen ermittelt wird.

In der nahen Zukunft ist die Ausstattung mehrerer Fähren auf dem Bodensee mit diesem Windmesssystem geplant, um mehr Daten über die zeitliche und räumliche Entwick-lung des Windfeldes über dem Bodensee zu bekommen.

Diese Daten könnten dann z.B. als zusätzliche Eingangs-daten für die hydrodynamische Seenmodellierung dienen.

Projekt Tiefenschärfe (http://www.tiefenschaerfe-boden-see.info) liefern wird und zum anderen auf die Erfassung von Messdaten zur Validierung der Modelle.

4.3 Mobile Windmessung auf Schiffen Die interne Seeströmung, die unter anderem auch für die Durchmischungsprozesse verantwortlich ist, wird im We-sentlichen durch den Windenergieeintrag in die Seenober-fläche angetrieben. Aus diesem Grund ist eine möglichst detaillierte Verteilung des Windes auf dem See von großer Bedeutung. Diese Windverteilung wird dabei meist nur aus Winddaten von anrainenden Messstationen generiert.

Dies impliziert, dass das Modell die Windverteilung auf dem See nur bedingt abbildet.

Ziel der vom Institut für Seenforschung unterstützten Un-tersuchung des Instituts für Wasserbau der Universität Stuttgart war es, ein möglichst einfaches und billiges Sys-tem für die mobile Windmessung auf Schiffen aufzubauen.

Aufgrund der Bewegung des Schiffes und dem daraus re-sultierenden Fahrtwind muss für die Bestimmung der tat-sächlichen Windgeschwindigkeit und richtung die Schiffs-geschwindigkeit und bewegungsrichtung (Kurs über Grund) vom scheinbaren (gemessenen) Wind abgezogen werden. Für die Aufzeichnung der Schiffsbewegung wurde ein GPS-Sensor verwendet. Für die Windmessung verwen-deten wir eine Windfahne und ein Schalenkreuzanemome-ter einer DAVIS Vantage Pro WetSchalenkreuzanemome-terstation, die gegen ein Gill 2D Ultrasonic-Anemometer kalibriert wurde (R2=0.922). Ein Einplatinencomputer RaspberryPi spei-chert die alle zwei Sekunden gemessen Rohdaten, berech-net daraus die reale Windgeschwindigkeit und -richtung und speichert diese als Minutendaten.

Getestet wurde das Messsystem am 23. September 2014 auf dem Forschungsschiff „Kormoran“ des Instituts für Seen-forschung (ISF) der LUBW auf dem Bodensee. Abbildung 4-3 zeigt die Schiffsgeschwindigkeit (blau), den schein-baren Wind (rot) und den tatsächlichen Wind (grün) auf-getragen über die Zeit. Die Ergebnisse zeigen, dass der er-mittelte "tatsächliche Wind" nicht erheblich von der Schiffsgeschwindigkeit beeinflusst ist.

In der aktuellen Version des Messsystems wird zur

Bestim-Abb. 4-5: Schiffsgeschwindigkeit, gemessener und "tatsächlicher"

Windgeschwindigkeit während der Messkampagne am 23. Sep-tember 2014.

Im Dokument ISF Arbeitsbericht 2014 (Seite 82-85)