Messung komplexer physikalischer und sedimentologischer Parameter in der Flachwasserzone : Die Intensivmesskampagne in Unteruhldingen im westlichen Teil des Bodensees

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Im Jahr 2010 wurde im Rahmen des Interreg IV-Projekts

»Erosion und Denkmalschutz am Bodensee und Zürich- see« eine Intensivmesskampagne bei Unteruhldingen im westlichen Teil des Bodensees zur gleichzeitigen Bestimmung komplexer physikalischer und sedimentologischer Parameter durchgeführt. Basis dieser Inten- sivmesskampagne waren neben Freilandmessungen zu Wellen, Strömungen, Wassertemperaturen, Trübungen und Sohltransporten auch Labormessungen zu Korngrö- ßenverteilungen und Erosionsstabilitäten von Sedimen- ten. Die erhobenen Daten sollen zum Verständnis des Erosionsvorgangs in der Flachwasserzone und als Basis für den Aufbau eines dreidimensionalen numerischen Computermodells des Bodensees dienen.

»Measurements of complex physical and sedimentological parameters in the shallow water zone – the intensive field campaign at Unteruhldingen in the western part of Lake Constance«

In 2010, within the framework of the Interreg IV-pro- ject »Erosion und Denkmalschutz am Bodensee und Zü- richsee«, there was an intensive field campaign at Un- teruhldingen in the western part of Lake Constance for the simultaneous measurement of complex physical and sedimentological parameters. The basis of this intensive campaign was, on the one hand, field measurements of waves, currents, water temperatures, turbidities and sediment transport and on the other hand laboratory measurements of grain size distributions and erosion stabi- lities of sediments.

This data will be used for understanding shallow water erosion and the establishment of a three-dimensio- nal numeric model of Lake Constance.

Keywords: intensive field campaign, waves, currents, turbidity, erosion stability, grain size distribution, Lake Constance.

1. Einleitung

Die Intensivmesskampagne im Bereich der Pfahlbausiedlung Unteruhldingen-Stollenwiesen war eine Kooperation zwischen:

– Institut für Seenforschung der LUBW in Langenargen (ISF)

– Limnologisches Institut der Universität Konstanz – Institut für Wasserbau der Universität Stuttgart (IWS)

Der Messstandort Unteruhldingen-Stollenwiesen ist einer von mehreren Untersuchungsstandorten am Bodensee im

Interreg IV-Projekt »Erosion- und Denkmalschutz am Boden- see und Zürichsee«. Neben Sipplingen-Osthafen, Litzelstet- ten-Krähenhorn und Bodman-Ludwigshafen war auch diese Seeufersiedlung Teil des UNESCO-Welterbe-Antrags aus dem Jahr 2010 und wurde im Juni 2011 zum Welterbe er- nannt. Das Pfahlfeld vor Unteruhldingen ist eine archäolo- gisch sehr bedeutsame Fundstätte, die stark von Flächen- erosion betroffen ist. Es gibt Erosionserscheinungen an der Haldenkante sowie in der Flachwasserzone. Sägeschnitte an einzelnen Pfählen des Pfahlfelds von 1984 weisen bei ihrer erneuten Einmessung im Jahre 2004 auf eine alarmierende Erosionsrate von mindestens 50 cm hin (Köninger 2005).

Die Fundstätte liegt mit ihrer Nähe zu Ortschaft, Hafen und Schiffsanleger genau im Konfliktbereich zwischen tou- ristischer Nutzung und dem Ziel, die Denkmäler für die Zu- kunft zu erhalten (Leo 2011, vgl. Abb. 1). Eng damit verbunden ist die Exposition des Standorts gegenüber Windwellen (Westwind) und Schiffswellen (Hafen). Hierbei ist zu erwäh- nen, dass Passagierschiffe der Bodenseeschifffahrtsbetriebe GmbH im Zeitraum von April bis Oktober mehrmals täglich an- und ablegen.

Messung komplexer physikalischer und sedimentologischer Parameter in der Flachwasserzone. Die Intensivmesskampagne in Unteruhldingen im westlichen Teil des Bodensees

Michael Weber, Hilmar Hofmann, Wolfgang Ostendorp und Florian Leo¹

1 Anschrift der Verfasser: Michael Weber, Dipl. Hydrol., Limnologisches Institut der Universität Konstanz, Arbeitsgruppe Umweltphysik, Mainau- straße 252, 78456 Konstanz, Deutschland, m.weber@uni-konstanz.de;

Hilmar Hofmann, Dr., Limnologisches Institut der Universität Konstanz, Mainaustraße 252, 78464 Konstanz/Egg, Deutschland, hilmar.hofmann@

uni-konstanz.de; Wolfgang Ostendorp, PD Dr., Dipl.-Biol., Limnologi- sches Institut der Universität Konstanz, Mainaustraße 252, 78464 Kon- stanz/Egg, Deutschland, wolfgang.ostendorp@uni-konstanz.de; Florian Leo, Dipl.-Ing., B.A., Institut für Wasser- und Umweltsystemmodel- lierung, Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 61, 70569 Stuttgart, Deutschland, florian.leo@iws.uni-stuttgart.de

Abb. 1: Luftbild von Unteruhldingen (Foto: Achim Mende).

Zuerst ersch. in : Erosion und Denkmalschutz am Bodensee und Zürichsee : ein internationales Projekt im Rahmen des Interreg IV-Programms >>Alpenrhein-Bodensee-Hochrhein<< zur Entwicklung von Handlungsoptionen zum Schutz des Kulturgutes unter Wasser / Hansjörg Brem ... (Hrsg.). - Bregenz, 2013. - S. 95-104. - (vorarlberg museum

Schriften ; 1). - ISBN 3-901802-35-5

Konstanzer Online-Publikations-System (KOPS) URL: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:352-259205

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2. Anlass der Untersuchung

Die Durchführung einer Intensivmesskampagne sollte zwei wesentliche Fragenkomplexe beantworten:

– Wie stark ist die Fundstätte von Erosion bedroht?

Können Schutzstrategien entwickelt werden?

– Wie wirken seeinterne Prozesse wie Welle und Strömung?

Welchen Einfluss haben sie auf die Flachwasserzone?

Wie kann die Erosion als Prozess charakterisiert werden?

Um diese Fragen zumindest teilweise beantworten zu können, müssen Messungen ausreichend vieler seenphy- sikalischer und sedimentologischer Parameter zur gleichen Zeit vorgenommen werden. Die Besonderheit bei dieser In- tensivmesskampagne war die zeitlich und räumlich hoch- aufgelöste Erfassung komplexer Prozesse in der Flachwas- serzone. Die erhobenen Messdaten sollten zusätzlich auch als Basis für ein numerisches Computermodell des Boden- sees (Weber 2013) dienen, mit dem hydrodynamische und morphodynamische Prozesse in der Flachwasserzone simu- liert werden sollen.

3. Freilandmessungen

3.1. Messzeiträume und Messparameter

In der Flachwasserzone vor Unteruhldingen konnten im Jahr 2010 zwei große Messkampagnen durchgeführt werden.

Bei der Beantragung dieser Messkampagnen wurden Schonzeiten der Bodenseefische berücksichtigt, um einen reibungslosen Ablauf zu gewährleisten und Konflikten mit den ansässigen Fischern vorzubeugen. Dadurch entstanden Zeitfenster im Frühjahr (April–Mai) und im Spätjahr (Oktober–

Dezember). Während das Frühjahr im Allgemeinen durch den aufkommenden Schiffsverkehr geprägt ist, weist das Spät- jahr in Unteruhldingen nahezu keinen Schiffsverkehr, aber saisonal bedingte Herbststürme auf.

Der Messstandort für beide Messkampagnen befand sich im Süden des Hafens von Unteruhldingen (Abb. 2). Die Mess- geräte für die komplexen physikalischen Parameter Welle, Strömung, Trübung und Wassertemperatur wurden an unter- schiedlichen Positionen und Wassertiefen (10 m; 2 m; 1,7 m) im See eingebracht. Messungen zu Wellenhöhe, -länge und -periode wurden in 1,7 m Wassertiefe vorgenommen (Abb. 2 – Punkt 1). Bodennahe Strömungen, Trübungen (Umrechnung in Schwebstoffkonzentrationen) und Wassertemperaturen in der Flachwasserzone konnten in 2 m Wassertiefe 10 cm über dem Seeboden gemessen werden (Abb. 2 – Punkt 2). Neben weiteren Messungen der Wassertemperatur wurden in 10 m Tiefe auch Vertikal- und Horizontalprofile der Strömungsge- schwindigkeiten aufgezeichnet (Abb. 2 – Punkt 3).

Im folgenden Abschnitt werden die zur Intensivmesskam- pagne verwendeten Messgeräte kurz erläutert.

Multiparametersonde CTM 098

Die Multiparametersonde CTM 098 wurde zur Bestimmung der Trübung durch Schwebstoffe eingesetzt. Neben Druck- und Temperatur- wurden Trübungsmessungen 10 cm über dem Sediment in 2 m Tiefe mit einer Frequenz von 1 Hz durchgeführt. Das Messprinzip der CTM 098 ist das Durch- lichtverfahren.

Optischer Trübungssensor

Während der Spätjahreskampagne konnte eine zusätzliche optische Trübungsmesssonde (optical backscatter sensor) am Messstandort eingesetzt werden. Die Trübung wurde mit einer Genauigkeit von 0,01 FTU (Formazine Turbidity Unit) und einer Messfrequenz von 1 Hz (intern 16 Hz) gemessen und auf Minutenwerte gemittelt. Die Trübungswerte wurden zur besseren Veranschaulichung über eine Regression in Schwebstoffkonzentrationen umgerechnet.

Ultraschall-Doppler Strömungsmessgerät (ADV – Acoustic Doppler Velocity Meter)

Für dreidimensionale Messungen bodennaher Strömungen wurde ein Strömungsmessgerät (ADV) der Firma NORTEK verwendet. Das auf einem Dreibein installierte Messgerät war in der Lage, Strömungsgeschwindigkeiten mit einer Fre-

Abb. 2: Prinzipskizzen der Messstandorte im Hafenbereich von Unteruhldin- gen, horizontale und vertikale Ansicht der Messpositionen (nach Leo 2011).

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Erosion in der Flachwasserzone | 97

quenz von 8 Hz im Bereich von ±0,3 m s^-1 mit einer Genau- igkeit von 10^-3 m s^-1 zu messen.

Drucksensor

Mit Hilfe der Sonderanfertigung eines Druckmessers konnten kurzzeitige Wasserspiegelfluktuationen (Wellen) mit einer Genauigkeit von 1 cm aufgelöst werden. Das Gerät wurde in 1,7 m Tiefe auf einem 1 m hohen Stativ angebracht und je nach Pegelstand des Bodensees räumlich variiert, um schwankende Wasserstände zu kompensieren. Die Messung der Wellenparameter erfolgte mit einer Frequenz von 16 Hz.

Ultraschall-Doppler Strömungsprofilierer (ADCP – Acoustic Doppler Current Profiler)

Für eine vertikale und horizontale Messung der Strömungen wurden zwei akustische Strömungsmesser (600 bzw. 250 kHz) auf Basis der Ultraschall-Doppler-Technologie eingesetzt.

Die auf Dreibeinen befindlichen Geräte konnten nur durch Taucher der Forschungstauchergruppe der Universität Kons- tanz in 10 m Tiefe nahe der Haldenkante fest installiert werden. Beide Dreibeine wiesen eine kardanische Aufhängung auf, um die exakte Ausrichtung der Messgeräte zu gewähr- leisten.

3.2. Ergebnisse der Freilandmessungen

Leider war die gesamte Frühjahrskampagne durch Schwachwinde geprägt. Die vorhandenen Messdaten wiesen geringe Strömungen, Wellenhöhen und Trübungen

auf. Im Gegensatz dazu konnten in der Spätjahrskampag- ne zwei bis drei Starkwindereignisse mit zum Teil starker Mobilisierung der Sedimente aufgezeichnet werden. Um den Unterschied zwischen beiden Messkampagnen auf- zuzeigen, sind Windgeschwindigkeit, -richtung, maximale Wellenhöhe und maximale bodennahe Strömungsgeschwin- digkeit in Abbildung 3 A–H dargestellt. Das Maximum der Windgeschwindigkeit aus Richtung West während der Frühjahrsmesskampagne lag bei rund 6 m s^-1 (Abb. 3 A).

Dieser Wind erzeugte sehr kurzzeitig maximale Wellenhöhen von 55 cm und maximale bodennahe Strömungsgeschwin- digkeiten von 28 cm s^-1 (Abb. 3 C–D). Es ist jedoch festzuhalten, dass die Wellenhöhen und bodennahen Strömungs- geschwindigkeiten im Mittel 12 cm beziehungsweise 7 cm s^-1 erreichten.

Im Dezember 2010 verzeichnete die Wetterstation des Deutschen Wetterdienstes (DWD) in Konstanz dagegen ein längeres, zum Teil starkes Windereignis mit Windgeschwin- digkeiten von bis zu 12 m s^-1 (Abb. 3 E). Die Wellen erreichten im Mittel 31 cm und maximal 1 m Höhe (Abb. 3 G–H), während die mittleren bodennahen Strömungen bei 12 cm s^-1 (Maximum 31 cm s^-1) lagen.

Anhand der Unterschiede zwischen den mittleren sowie maximalen Wellenhöhen und bodennahen Strömungsge- schwindigkeiten während beider Messkampagnen ist der Einfluss eines Starkwindereignisses auf die Hydrodynamik und Morphodynamik in der Flachwasserzone des Bodensees deutlich erkennbar.

Abb. 3: Windgeschwindigkeiten und Windrichtungen in 10 m Höhe, maximale Wellenhöhen in 1,7 m Wassertiefe und maximale bodennahe Strömungsge- schwindigkeiten in 2 m Wassertiefe 10 cm über dem Seeboden. Simultane Messung während eines Schwachwindereignisses im Mai 2010 (A–D) und eines Starkwindereignisses im Dezember 2010 (E–H). Winddaten des DWD Konstanz.

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Aus den Daten der Messkampagnen kann ein deutlicher Unterschied zwischen schiffswellendominierten und wind- wellendominierten Situationen aufgezeigt werden. Im Allge- meinen ist bekannt, dass auch Schiffswellen ein hohes Po- tential zur Erosion von Sedimenten in der Flachwasserzone des Bodensees haben. Durch den Energieeintrag der Ober- flächenwellen werden bodennahe Strömungen induziert, die zur Erosion führen können.

In Abbildung 4 sind maximale Wellenhöhen, maximale bodennahe Strömungsgeschwindigkeiten und Rückstreu- stärken während zweier windstiller Tage im Mai 2010 mit üblichem Passagierschiffsverkehr (Abb. 4 A–C) und eines Starkwindereignisses im Dezember 2010 (Abb. 4 D–F) dargestellt. Die Rückstreustärke des akustischen Strömungs- messgerätes gibt Aufschluss über die suspendierten Partikel in der Wassersäule. Je mehr Partikel in Suspension geraten, umso größer ist die Rückstreustärke.

In Abbildung 4 A–C sind deutliche charakteristische Mus- ter in den Messdaten zu erkennen, die durch den Verkehr der Passagierschiffe auf dem Bodensee hervorgerufen werden. Es ist ersichtlich, dass maximale Wellenhöhen, maximale bodennahe Strömungen und Rückstreustärken genau wie der tägli- che Schiffsverkehr einem Tag-Nacht Zyklus folgen, mit hohen Werten am Tag und niedrigen Werten in der Nacht. Demge- genüber wiesen durch Wind induzierte Wellen, Strömungen und Rückstreusignale kein charakteristisches Muster auf (Abb. 4 D–F). Obwohl die Windwellen um ein Vielfaches größer als die Schiffswellen sind, werden ähnlich hohe maximale bodennahe Strömungen und Rückstreustärken beobachtet. Die- ser Effekt kann als deutliches Indiz für das hohe Potential von Schiffswellen zur Erosion von Sedimenten angesehen werden.

Das Starkwindereignis vom 08. bis 14.12.2010

Während der Spätjahreskampagne konnte ein Starkwind- ereignis vom 08. bis 14.12.2010 mit zum Teil starker Mobi- lisierung von Sedimentpartikeln beobachtet und gemessen werden. In der Nacht vom 08.12. auf den 09.12.2010 wurden mit Hilfe einer Hobby-Wetterstation der Firma Conrad Windgeschwindigkeiten von bis zu 16 m s^-1 im Bereich des Hafens in Unteruhldingen registriert. Leider kam es aufgrund der hohen Windgeschwindigkeiten zum Ausfall der Wetter- station – somit waren für den Rest des Starkwindereignis- ses keine Winddaten vor Ort verfügbar.

In Abbildung 5 A und B sind die maximalen Wellen- höhen in 1,7 m Wassertiefe und die über die Trübung be- rechneten Schwebstoffkonzentrationen während der gesamten Spätjahreskampagne dargestellt. Der gelb markier- te Bereich stellt einen Teil des Starkwindereignisses vom 08. bis 14.12.2010 dar.

Nach einem raschen Anstieg der Wellenhöhen (Abb. 5 C) in Unteruhldingen bis auf 50 cm kam es zu einem starken Anstieg der Schwebstoffkonzentrationen (Abb. 5 D) 10 cm oberhalb des Seebodens bis auf maximal 45 mg L^-1. Es ist deutlich zu erkennen, dass der größte Teil der Partikelmo- bilisierung in der Nacht zum 09.12.2010 auftrat – dieser Zeitraum kann folglich als Hauptereignis der Sedimentmo- bilisierung bezeichnet werden. In den nachfolgenden Stun- den und Tagen nach dem Hauptereignis wurden Schweb- stoffkonzentrationen von maximal 20 mg L^-1 beobachtet.

Auch die höchsten gemessenen Wellen am 10.12.2010 von bis zu 1 m Höhe mobilisierten weniger Material. Eine mög- liche Ursache für die geringen Schwebstoffkonzentratio-

Abb. 4: Maximale Wellenhöhen in 1,7 m Wassertiefe, maximale bodennahe Strömungsgeschwindigkeiten und Rückstreustärken in 2 m Wassertiefe 10 cm über dem Seeboden. Simultane Messung durch Drucksensor und ADV während zweier schiffswellendominierter Tage im Mai 2010 (A–C) und zweier windwellendo- minierter Tage im Dezember 2010 (D–F).

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nen in diesem Zeitraum könnte das Fehlen einer mobilen Deckschicht mit leicht erodierbarem Material sein, da diese eventuell schon durch das Hauptereignis erodiert und ab- transportiert worden war.

4. Sohltransport künstlicher Tracer

Während der ersten Messkampagne im Frühjahr 2010 wurde ein Feldversuch zum Sohltransport unter Verwendung künstlicher Tracer durch die Arbeitsgruppe Bodenseeufer e.V. (AGBU) in der Flachwasserzone vor Unteruhldingen-Stol- lenwiesen durchgeführt. Informationen zur Herstellung der künstlichen Tracer und zum Feldversuch sind im Abschluss- bericht der AGBU (2010) und in Ostendorp/Härter (in diesem Band) zu finden. Wie auch bei anderen Stationen des Über- lingersees (Sipplingen-Osthafen, Litzelstetten-Krähenhorn) war die Grundlage dieses Feldversuchs die Ausbringung von künstlich hergestellten Sand-/Kies-Tracern und Geröll-Tra- cern an drei verschiedenen Positionen (Abb. 6):

– »Land« – nahe Ufer

– »Mitte« – zwischen Ufer und Haldenkante

– »Halde« – nahe Haldenkante Abb. 6: Positionen der ausgebrachten künstlichen Tracer im Untersuchungs- gebiet Unteruhldingen-Stollenwiesen. Quelle: AGBU (2010).

Abb. 5: Maximale Wellenhöhen in 1,7 m Wassertiefe und mittlere Schwebstoffkonzentrationen in 2 m Wassertiefe 10 cm über dem Seeboden während der gesamten Spätjahresmesskampagne (A–B) und während des Starkwindereignisses vom 08.–14.12.2010 (C–D).

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Alle künstlichen Tracer wurden bei ihrer Ausbringung durch GPS vermessen. Durch die wiederholte Einmessung der Tracer am Ende der ersten Messkampagne konnte die Lageveränderung der Sand-/Kies-Tracer und der Geröll- Tracer dokumentiert werden. Da die Frühjahrskampagne durch Schwachwinde geprägt war, haben sich die Geröll- und Kies-Tracer innerhalb des dreiwöchigen Zeitraums nicht nennenswert verlagert. In der Sandfraktion blieben rund 90 bis 95 % unbewegt (AGBU 2010; Ostendorp/Härter 2013).

Es ist jedoch ein Sohltransport in Richtung Ufer zu erkennen, der sich von Position »Halde« bis hin zu »Land« stärker aus- prägte (Abb. 7). Dieser gerichtete Sohltransport ist typisch für den Standort Unteruhldingen im Hinblick auf die Exposi- tion zu Schiffs- und Windwellen und konnte auch in frühe- ren Untersuchungen beobachtet werden (mdl. Mitteilungen während der Abschlusstagung Interreg-Projekt Nr. 55).

5. Laboruntersuchungen

Neben den Freilandmessungen und der Untersuchung zum Sohltransport künstlicher Tracer wurden auch Labormes- sungen am ISF und IWS zu sedimentologischen Parametern durchgeführt. Ausführliche Informationen zu den Arbeiten am ISF zur Bestimmung der Korngrößen sind in Wessels/We- ber (2013) einsehbar.

Für den Standort Unteruhldingen stehen zwei Probenah- men von Sedimentkernen während der Messkampagnen im Frühjahr und Spätjahr 2010 zur Verfügung. Bei beiden Probenahmen wurde kein einheitliches Entnahmeraster verfolgt, da für die Erosionsstabilitäts-Untersuchungen im Mai und Oktober Sedimentoberflächen mit unterschiedli- chen Eigenschaften einbezogen werden sollten. Der Fo- kus bei der Entnahme der Sedimentkerne für diese Unter- suchungen (Mai und Dezember) lag auf der Variabilität der Sedimentcharakteristika auf kleinem Raum. Hintergrund da- für war die Erfassung der Sedimenttypen im Nahbereich des Hafens in Wassertiefen von 1 m bis 10 m. Hierbei ist zu be- rücksichtigen, dass die Sedimente vor Unteruhldingen sehr

heterogen verteilt sind. Auch Probenahmen aus anderen Seeteilen weisen zum Teil eine stark heterogene Verteilung der Sedimente auf.

5.1. Untersuchung der Erosionsstabilität kohäsiver Bo- denseesedimente (Diplomarbeit Dipl.-Ing. Florian Leo) Für die Messung der Erosionsstabilität von Bodenseesedi- menten erfolgte die Probenahme von Sedimentkernen am Standort Unteruhldingen (Termine im Mai und Oktober) mit PVC-Rohren mit einem Durchmesser von 13,5 cm und einer maximalen Länge von 150 cm. Nachdem das PVC-Rohr in die Gewässersohle eingetrieben war, wurde das Entnahme- rohr mit einem mechanischen Dichtungsaufsatz dicht verschlossen. Unten wurde das Rohr sofort nach dem Bergen mit einem PVC-Dichtungsstopfen verschlossen. Position (Abb. 8), Wassertiefe und Bewuchs der entnommenen Sedi- mentkerne wurden sorgfältig dokumentiert. Im Detail ist die Probenahme in Leo (2011) beschrieben.

Die entnommenen Sedimentkerne zur Untersuchung des Erosionsverhaltens wurden in einem »Strömungska- nal zur Ermittlung der tiefenabhängigen Erosionsstabi- lität von Gewässersedimenten« (SETEG) analysiert (Leo 2011). In Abbildung 9 ist der schematische Aufbau des SE- TEG-Versuchsstands dargestellt. Am Ende eines rechtecki- gen Strömungskanals (Länge: 7 m, Breite: 14,5 cm, Höhe:

10 cm) befindet sich eine Klappen-Jalousie, durch die ein Druckabfluss in der gesamten Rinne erreicht wird. Der Strö- mungskanal wird mit einem maximalen Durchfluss von 60 l s^-1 betrieben. Am Ende des Strömungskanals wird der Sedimentkern mit einer Hubspindel von unten in den Strö- mungskanal geschoben. Zur Analyse des Erosionsvorgangs ist senkrecht über der Öffnung eine CCD-Kamera angebracht, die alle fünf Sekunden Bilder der Sediment- oberfläche aufnimmt. Diese werden mit dem System SEDCIA (Sediment Erosion Rate Detection by Computerised Image Analyses) verarbeitet, um Informationen über den Erosions- prozess (z.B. erodiertes Volumen) zu ermöglichen.

Abb. 7: (Partikel-)Konzentrationen der ausgebrachten künstlichen Tracer im Untersuchungsgebiet Unteruhldingen-Stollenwiesen am Ende der Frühjahrs- messkampagne. Positionen in Reihenfolge »Halde«, »Mitte«, »Land«. Quelle: AGBU (2010).

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Die für den Erosionsprozess wichtige kritische Schub- spannung krit wird aus dem Durchfluss bzw. der Strö- mungsgeschwindigkeit im Kanal abgeleitet. Mit Hilfe des SEDCIA-Systems werden Volumendifferenzen ermittelt und zusammen mit der Lagerungsdichte und der beobachteten Querschnittsfläche zum Erosionsparameter M verrechnet.

Ergebnisse der SETEG-Untersuchungen:

Aus der Untersuchung der Sedimentstabilität von Bodensee- sedimenten konnten zur Charakterisierung der Sedimente die kritische Schubspannung _krit, (Bewegungsbeginn der sandigen und schluffigen Sedimente) und der Erosionspara- meter M bestimmt werden.

Die sandig/schluffige Sedimentoberfläche wird bei einer kritischen Schubspannung krit von 0,36 Pa (Pascal) bis 0,5 Pa remobilisiert. Ein Bewuchs der Sedimentoberfläche durch Makrophyten (Characeen) erhöhte die kritische Schubspan- nung bis auf 0,75 Pa. Dieser Stabilisierungseffekt konnte aufgrund von Wurzelbildungen sogar bis in Kerntiefen von maximal 15 cm beobachtet werden.

In frisch freigelegten (alten) Seekreideablagerungen wurden maximale kritische Schubspannungen im Bereich von 2,54 Pa gemessen.

Es wurde deutlich, dass die Höhe der kritischen Schub- spannung mit zunehmender Tiefe stark von Korngröße und Kompaktion abhängig ist. In Abbildung 10 sind die kritischen Schubspannungen in Abhängigkeit der Tiefe für zwei Sedimentkerne dargestellt. Durch die hohe Kohäsivität des schluffig/tonigen Sedimentkerns (Seekreide, linke Seite) werden maximale kritische Schubspannungen von 2,54 Pa erreicht. Im Gegensatz dazu bewegte sich die kritische Schubspannung bei einem reinen Sandkern (rechte Seite) mit geringer Kohäsivität im Bereich von 0,36 bis 0,5 Pa.

Zur späteren Anpassung des numerischen Computermo- dells des Bodensees (Weber 2013) an die Eigenschaften des Sediments vor Unteruhldingen wurden drei Tiefenbereiche für die Auswertung der SETEG-Untersuchungen ausgewählt.

Abb. 8: Entnahmepositionen der Sedimentkerne zur Korngrößenanalyse und zur Untersuchung der Erosionsstabilität im SETEG-Versuchsstand – Entnah- me im Mai (Leo 2011).

Abb. 9: Schematische Darstellung des SETEG-Systems (nach Witt 2004).

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Für die drei Bereiche wurden die kritische Schubspannung und der Erosionsparameter M über alle Sedimentkerne gemittelt. Diese Vorgehensweise ermöglichte die Bestimmung repräsentativer Werte für die Gesamtheit der Daten.

Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Erosionsparameter M im Tiefenbereich von 0 cm bis 5 cm und 16 cm bis 45 cm von Feinsand dominiert ist und demnach größere Erosions- raten aufweist als der Tiefenbereich von 6 cm bis 15 cm. Für eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Sedimentkerne und deren Parameter sei auf Leo (2011) verwiesen.

Aus Tabelle 1 können die kritischen Schubspannungen und Erosionsparameter für die einzelnen Tiefenbereiche ent- nommen werden. Die Erosionsrate E wurde mit

bestimmt.

Diskussion der SETEG-Ergebnisse

Der Prozess der Konsolidierung von Sedimenten spiegelt sich in den Ergebnissen der SETEG-Untersuchungen wider.

Durch die Auflast von frisch sedimentiertem Material wird Druck auf die darunterliegende (ältere) Sedimentschicht er- zeugt, durch den das vorhandene Porenwasser in Richtung Sedimentoberfläche ausgepresst wird. Im Laufe der Zeit wird das Porenwasser immer weiter verdrängt – es kommt zur Veränderung des Korngefüges, die zu einer Erhöhung der Lagerungsdichte und somit zur Verringerung des Volumens führt. Mit abnehmendem Wasseranteil steigt auch die Fes- tigkeit durch die zunehmende Anzahl an elektrochemischen Verbindungen zwischen den Partikeln. Dieser Prozess ist irre- versibel und verändert die Bodenparameter eines Sediments.

Nach Hayter (1986) kann der Prozess des Quellens zu einer (erneuten) Zunahme des Wasseranteils im Boden/Se- diment führen. Ursachen für ein Quellen von Sedimenten am Bodensee können chemischer, biologischer oder physikalischer Natur sein. Neben dem Einfluss der Bioturbation auf das Sediment sollten die in der Literatur beschriebenen Druckschwankungen infolge von Wind- und Schiffswellen Bestandteil von zukünftigen Untersuchungen sein.

Vor allem kohäsive Sedimente haben aufgrund ihrer grö- ßeren Wasseranlagerungsfähigkeit ein höheres Potential zum Quellen. Der Effekt der Konsolidierung von Bodensee- sedimenten kann in den Ergebnissen der SETEG-Untersu- chungen wiedergefunden werden. Demnach weisen frisch freigelegte/erodierte Seekreiden im Vergleich zu sandig/

schluffigen Deckschichten höhere kritische Schubspannun- gen bis zu 2,54 Pa auf.

Die ermittelten kritischen Schubspannungen von sandigen und schluffigen Sedimenten beim Bewegungsbeginn liegen in dem schon von Kern (1997) beobachteten Bereich von 0,09 Pa bis 2,7 Pa.

Ähnliche Untersuchungen lieferte Mehta (1988), als er die Erosionsstabilität von meist kohäsivem Material aus der Bucht von San Francisco erforschte. Die Sedimentker- ne aus dieser Studie wiesen Erosionsparameter M zwischen 1,6·10^-6gcm^-2s^-1 und 1,38·10^-4gcm^-2s^-1auf. Das Ergebnis

Tab. 1: Ermittelte Erosionsrate je Tiefenbereich für das gesamte Untersuchungsgebiet.

Abb. 10: Kritische Schubspannungen eines Seekreidekerns (links) und eines Sandkerns (rechts) in Abhängigkeit von der Kerntiefe.

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der SETEG-Untersuchung des eher schluffigen Materials in den Tiefen von 6 cm bis 15 cm liegt genau in diesem Be- reich. Die Erosionsparameter der beiden anderen Tiefenbe- reiche liegen in ähnlichen Größenordnungen und können als stimmig betrachtet werden, da es sich eher um sandige Se- dimentschichten handelte.

Aus den Ergebnissen der SETEG-Untersuchungen kann jedoch nicht abgeleitet werden, wie sich die Erosionsstabi- lität von Sedimentoberflächen aus Schluff und Ton (Seekrei- de) verhält, da die Deckschichten der untersuchten Kerne aus einer bis zu 5 cm starken Feinsandauflage bestanden.

Es ist anzunehmen, dass durch ein Quellen der freigelegten Seekreide unter realen Bedingungen (veränderliche Wellen- und Strömungsbedingungen) die kritische Schubspannung abnimmt. Im Vergleich zu nicht-bindigem Material ist jedoch davon auszugehen, dass die Kohäsivität der Seekreide im All- gemeinen zu einer höheren kritischen Schubspannung führt.

Die Untersuchungen zeigten weiterhin, dass Oberflächen- bewuchs durch Makrophyten zu einer beträchtlichen Erhö- hung der kritischen Schubspannung führen und vor Erosion schützen kann. Der stabilisierende Einfluss von Makrophy- ten ist auch in der Literatur (Ranwell 1972; Brown 1999;

Graham 2007) beschrieben. Der Aufbau eines ausgedehnten Characeen-Rasens vor Unteruhldingen wird aber vermut- lich durch Wasserspiegelschwankungen und Erosion durch Wind- und Schiffswellen verhindert.

Es ist jedoch festzuhalten, dass die SETEG-Untersu- chungen zur Erosionsstabilität von Kernen mit Oberflächen- bewuchs deutliche Probleme aufzeigten, da die optische Aufnahme des Erosionsprozesses durch Bewegungen der Pflanzen gestört wurde. Unter diesen Umständen wurde auf eine Untersuchung auf Erosionsstabilität von bewachsenen Sedimenten verzichtet und allein der (optische) Bewegungs- beginn festgehalten. Durch den vorhandenen Bewuchs ergaben sich erhöhte kritische Schubspannungen von bis zu 0,75 Pa.

Fazit der SETEG-Ergebnisse

Ausgehend von den Ergebnissen können für schluffige und sandige Sedimente folgende allgemeine Aussagen getroffen werden:

Wenn die vorhandene Sohlschubspannung ₀die kritische Schubspannung krit eine in Abhängigkeit von den Sedi- mentparametern bestimmte Zeitdauer vom t ( ₀≥ _krit)erreicht oder sogar übersteigt, ist theoretisch mit einem Abtrag von mindestens einem Zentimeter pro Einheitsfläche (1 cm²) zu rechnen. Für eine Sandoberfläche bedeutet das, dass innerhalb von knapp 14 Minuten eine ein Zentimeter dicke Sedi- mentschicht des gleichen Typs erodiert werden kann. Dem- gegenüber weisen die kohäsiven Sedimente mehr Stabilität auf. Um einen Zentimeter eines frisch freigelegten Sediments aus schluffigem Material zu erodieren, benötigt es 18,5 Stun- den (Tab. 2). Es ist anzunehmen, dass schluffige Deckschich- ten in Abhängigkeit von ihrer Kohäsivität eine Zeitdauer zwischen 18,5 Stunden und 14 Minuten benötigen, um erodiert zu werden.

6. Fazit und Ausblick

Mit Hilfe der Intensivmesskampagne in Unteruhldingen im Jahr 2010 konnte eine breite und vor allem wertvolle Da- tenbasis zum Verständnis der komplexen physikalischen Prozesse in der Flachwasserzone erarbeitet werden. Insbe- sondere lieferten die Messungen der Spätjahreskampagne durch Starkwindereignisse gute Daten für den Aufbau und die Anpassung eines dreidimensionalen numerischen Com- putermodells des Bodensees.

Neben Freilandmessungen konnten auch Sohltransport- untersuchungen mit künstlichen Tracern durchgeführt werden, die einen landeinwärts gerichteten Sedimenttransport aufzeigten. Zusätzlich durchgeführte Labormessungen von Sedimentkernen erlaubten einen Einblick in die Korngrößen- verteilungen und Erosionspotentiale der Sedimente.

Mit Hilfe dieser Untersuchungen konnten essentielle In- formationen zum Verständnis des Erosionsvorganges und für den Aufbau des numerischen Computermodells abgeleitet werden. Letztendlich sollen diese Informationen eine Möglichkeit zur Abschätzung des Gefährdungspotentials der Fundstätte Unteruhldingen-Stollenwiesen darstellen.

Für zukünftige Intensivmesskampagnen wären räumlich höher aufgelöste Messungen zu bodennahen Strömungen, Schwebstoffkonzentrationen und Trübungen wünschenswert.

Auch eine In-situ-Messung der Korngrößenverteilung suspen- dierter Partikel könnte weitere Informationen zum Verständnis des Erosionsprozesses in der Flachwasserzone ermöglichen.

Um das Durchmischen der suspendierten Partikel im gesamten Wasserkörper zu untersuchen, müssten zukünftig Vertikalprofile der Trübungen und Schwebstoffkonzentrati- onen längerfristig gemessen werden. Eng damit verbunden wäre eine Messung der Verteilung der Wassertemperaturen, um die thermische Schichtung in der Flachwasserzone ge- nauer zu erfassen.

Auf der Seite der sedimentologischen Parameter wäre eine wiederholte Sedimentkernbeprobung hinsichtlich der Korngrößenverteilungen, mobilen Deckschichten und der Untersuchung der Erosionsstabilität erstrebenswert. Für eine genauere Verifikation des numerischen Computermo- dells sollte die Untersuchung des Sohltransportes mit Hilfe von künstlichen Tracern bei Starkwindereignissen wieder- holt werden.

Tab. 2: Sedimentologische Parameter von sandigen und schluffigen Sedi- menten als Ergebnis der SETEG-Untersuchungen.

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7. Danksagung

Für ihre Einsatzbereitschaft und Sorgfalt bei der Planung und Durchführung der Intensivmesskampagne sei hiermit auch Dr. John Hesselschwerdt und der ehemaligen For- schungstauchergruppe der Universität Konstanz recht herz- lich gedankt. Die Arbeiten wurden im Rahmen des Interreg IV-Programms »Alpenrhein-Bodensee-Hochrhein«, Projekt 55

»Erosion und Denkmalschutz am Bodensee und Zürichsee«

durchgeführt.

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