Im Sommer 2006 wurden im Rahmen dieser Diplomarbeit an den mit Trübungssonden ausgestatteten Messstellen in Gisingen/Ill und Lustenau/Rhein Schwebstoffproben entnommen, im Labor des Umweltinstituts Vorarlberg gefiltert und gravimetrisch untersucht für ihre Schwebstoffkonzentrationen. August 2006 79 Abbildung 64: Ganglinien der Strömung, des mittleren Schwebstoffgehalts Cm und des Schwebstoffgehalts nach der Exponentialfunktion für den Zeitraum August 2006, Gisingen/Ill 80 Abbildung 65: Ganglinien der Strömung und der Lastberechnung unter Verwendung des Kofaktors und unter Verwendung der Exponentialfunktion in Gisingen/Ill 81 Abbildung 66: Ganglinien der Strömung, der angepassten und kalibrierten Sondenaufzeichnung und der am Pegelabschnitt Lustenau/Rhein 82 entnommenen Referenzproben.
Zielsetzung
Im Juni 2003 wurden parallel zu Sillabers Arbeit zwei weitere Diplomarbeiten zum gleichen Thema „Optimierung von Schwebstoffmessungen“ in den Bundesländern Niederösterreich und Oberösterreich durchgeführt. Im Sommer 2005 folgten fünf weitere Diplomarbeiten in den Bundesländern Tirol (an der dortigen Universität), Kämten und Salzburg, Oberösterreich und Steiermark sowie in Österreich. Tätigkeit an der örtlichen Fachhochschule) und Vorarlberg.
2 Beschreibung der Einzugsgebiete
Die III
- Kurzbeschreibung
- Geologie
- Klima
- Hydrologie
- Messstelie Gisingen/Ill
Im Abschnitt „Unteres Hl“, von Feldkirch bis zur Rheinmündung – Bild 3 – wurde ein durchgehendes Linienschema mit zentralem Wasserkanal, Vorufer und Hochwasserdämmen umgesetzt, das eine 100-prozentige Hochwassersicherheit gewährleisten soll. -jährliches Ereignis Das Fließverhalten Der III ist durch tägliche Fließschwankungen infolge der Stauanlagen im Oberlauf gekennzeichnet.
Der Rhein
- Kurzbeschreibung
- Geologie
- Klima
- Hydrologie
Mit einem durchschnittlichen Abfluss von 240 m^/s liefert es mehr als die Hälfte der jährlichen Wassermenge (ca. 7,3 Milliarden m^). Die Schwemmkegel der großen Altgewässer strahlen in unterschiedlicher Zusammensetzung in das Rheintal ein (AMT DER VORARLBERGER LANDESREGIERUNG, ABTEILUNG FÜR WASSERWIRTSCHAFT, 2005).
Messstelle Lustenau/Rhein
Abbildung 12 zeigt das Pegelhaus der alten Lustenauer Eisenbahnbrücke, den Rhein mit Blick abwärts und die Trübungssonde im Schutzrohr an der alten Lustenauer Eisenbahnbrücke.
3 Methodik
Direkte Schwebstoffentnahmemethoden
- Einpunktentnahme (Referenzprobennahme)
- Vielpunktentnahmen
- Integrationsentnahme
- Dauerentnahme
- Bestimmung des Schwebstoffgehaltes mittels Druckfiltration
Bei der Integrationsgewinnung wird das Extraktionsgerät idealerweise mit konstanter Geschwindigkeit von der Wasseroberfläche zum Boden und zurück bewegt. Als filtrierbare Stoffe gelten nach DIN 38 409 •die volumenbezogene Masse der im Wasser befindlichen ungelösten Stoffe, die unter bestimmten Bedingungen abfiltriert und nach einem bestimmten Trocknungsprozess gewogen werden.
Indirekte Messmethoden .1 Optische Messung der Trübung
- Trübungssonde Solitax ts-line®
NTU •Nephelometrische Trübungseinheit“, Einheit zur Wasseraufbereitung für Messungen bei 90° gemäß den US-amerikanischen EPA-Vorschriften. Es handelt sich um eine selbstreinigende Tauchsonde für kontinuierliche Trübungsmessungen in Schwimmbädern und Kanälen.
Auswertungen, Angleichung der Ganglinien und Fracht- berechnung
- Auswertekonzept
- Auswertung von Vielpunktentnahmen
- Auswertung von Integrationsentnahmen
- Bestimmung der Umrechnungsfunktion von
Die Schwebstoffdrift [g/(m*s)] pro Vertikale ergibt sich aus dem Produkt des durchschnittlichen Schwebstoffgehalts, gewichtet mit der Geschwindigkeit und der jeweiligen Wassertiefe. Die durchschnittliche Geschwindigkeit pro Vertikallinie wurde mit der Zweipunktmessmethode nach KREPS und den Geschwindigkeitswerten aus der Flügelmessung ermittelt.
Sondenaufzeichnung in sondehnahe Konzentrationen
- Bestimmung des Querprofilbeiwerts KQ
- Frachtberechnung
- Messprogramm Gisingen/Ill
- Messprogramm Lustenau/Rhein
Nach DIN 4049, Teil 1, Nummer 3.5.7 ist der Schwebstofftransport Qs in [g/s] die Masse der Schwebstoffe, die sich in einer Zeiteinheit durch den betreffenden Querschnitt bewegt. Zur Visualisierung des Schwebstoffzustandes an der Messstelle Gisingen/Ill und zur Ermittlung der für die Ganglinienjustierung erforderlichen Daten wurden im Sommer 2006 auf verschiedenen Wegen Proben entnommen.
4 Daten und Ergebnisse
Gisingen/Ill
- Trübungsganglinien und sondennahe Referenzproben
- Vielpunktentnahmen
- Vielpunktentnahme vom 02.08.2006
- Vielpunktentnahme vom 11.08.2006
- Vielpunktentnahme vom 28.08.2006
- Vielpunktentnahme vom 30.08.2006
- Integrationsentnahmen
- Integrationsentnahme vom 11.08.2006
Bei der Mehrpunkt-Probenahme handelt es sich um fünf Vertikale mit jeweils fünf Tiefenebenen, wobei der tiefste Probenahmepunkt in der ersten Vertikale verteilt werden kann. Nach der Probenahme auf der letzten Tiefenebene (0,95*h) wurde in jeder Vertikale eine Integrationsprobenahme (siehe Kapitel 4.1.3) durchgeführt. In der ersten Vertikale, wo aufgrund der geringen Wassertiefe nur vier Proben entnommen wurden, ist der Gehalt an Schwebstoffen nahezu konstant.
Nach der Probenahme auf der letzten Tiefenebene (0,95*h) wurde auch eine Integrationsprobenahme in jeder Vertikale durchgeführt. Nach der Probenahme auf der letzten Tiefenebene (0,95*h) wurde wie bei den vorherigen Messungen eine Integrationsprobenahme in jeder Vertikale durchgeführt. Die Schwebstoffkonzentrationen in den einzelnen Vertikalen liegen zwischen 96,57 mg/l (erste Vertikale) und 178,20 mg/l in der vierten Vertikale.
Wie bei der Mehrpunktprobenahme liegen die höchsten Konzentrationen in der Mitte des Wassers. dritte und vierte Vertikale. Die nach Kreps berechneten Durchschnittsgeschwindigkeiten schwanken zwischen 0,67 m/s in der ersten Vertikale und 2,58 m/s in der dritten Vertikale.
J2006 14:00:00 Abbildung 31: Abfluss- und Trübungsverhältnisse mit entnommenen Referenzproben wahrend
- Dauerentnahmen
- Dauerentnahme vom 02.08.2006
- Dauerentnahme vom 11.08.2006
- Schwebstofftransport und mittlere Schwebstoffgehalte 4.1.6 Korrektur der Trübungsganglinie
- Kalibrierung der Sondenwerte der Trübungsmessung
- Ermittlung der Querprofilbeiwerte KQ
- Frachtberechnung
- Weitere Ergebnisse
- Vergleich der Handschöpfproben
Der Gehalt an Schwebstoffen in den einzelnen Vertikalen weist Werte von 347,89 mg/l in der ersten Vertikale und 928,31 mg/l in der vierten Vertikale auf. Um die Anzahl der Referenzproben zu erhöhen und die zeitliche Variabilität der Schwebstoffmenge darstellen zu können, wurden in Gisingen/Ill insgesamt vier kontinuierliche Probenahmen durchgeführt. Die Sondenaufzeichnungswerte liegen etwas höher und zeigen einen abnehmenden Trend von 143 auf 116 mg/l, was gut mit den sinkenden Durchflusswerten übereinstimmt.
Abbildung 35 zeigt den Schwebstoffgehalt der Schöpfproben zusammen mit den entsprechenden Trübungswerten aus der Sondenaufzeichnung, Wasserstand und Durchflusswerten. Abbildung 37 zeigt den Schwebstoffgehalt der Handschaufelproben und die zugehörigen Trübungswerte aus Sondenaufzeichnungen, Wasserstands- und Durchflusswerten. Der Gehalt an Schwebstoffen in Handschaufelproben liegt mit Konzentrationen von 310,85 bis 583,54 mg/l deutlich über den Sondenaufzeichnungswerten von 287 bis 552 mg/l, insbesondere um 14:30 Uhr beim Wert der Referenzprobe. 562,96 mg/l und Sondenwert 331 mg/l. Durchflusswerte sind nahezu konstant.
Um die Sondenwerte der Trübungsmessung auf die tatsächlichen Schwebstoffkonzentrationen zu kalibrieren, wurde ein Zusammenhang zwischen deren Werten und den Werten der Schwebstoffgehalte der Referenzproben hergestellt. Beim Vergleich der Schwebstoffgehalte der ersten und zweiten Schaufelproben und der Bestimmung einer linearen Ausgleichslinie (Abbildung 44) ergibt sich eine relativ geringe Abweichung von 0,99 mit einem Bestimmtheitsmaß von 0,98.
Handschöpfprobe [mg/l]
- Lustenau/Rhein
- Trübungsganglinien und sondennahe Referenzproben
- Vielpunktentnahmen
- Integrationsentnahmen
- Korrektur der Trübungsganglinie
- Frachtberechnung
- Weitere Ergebnisse
Dieser Wert ergibt sich aus der Mittelung der nutzbaren Trübungssondenaufzeichnungen bei etwas höherem Abfluss und stellt einen theoretischen Wert dar, da – vergleiche Kapitel 5.1.1 und Kapitel 5.2.2 – Untersuchungen in III und Rhein gezeigt haben, dass kein direkter Zusammenhang zwischen der Schwebstoffkonzentration und der Konzentration besteht Strömung existiert. Die beiden Mehrpunktprobennahmen wurden ebenfalls in Lustenau am Rhein mit dem Schwebstoffsammler US P61A durchgeführt. Nach der Probenahme im fünften Tiefenniveau (0,95*h) wurde zusätzlich in jeder Vertikale eine Integrationsprobenahme (siehe Kapitel 4.1.3) durchgeführt.
An der Messstelle Lustenau/Rhein wurden insgesamt zwei integrative Probenahmen jeweils in Verbindung mit einer Mehrpunktprobenahme durchgeführt. Die Integrationsstichprobe wurde während der Mehrpunktstichprobe um 09:37 Uhr in der ersten Vertikale, um 09:53 Uhr in der zweiten Vertikale, um 10:12 Uhr in der dritten Vertikale und um 10:27 Uhr in der vierten Vertikale durchgeführt. Vertikal und um 10:43 auf der fünften Vertikale. Der niedrigste Gehalt an Schwebstoffen im Querschnitt liegt in der fünften Vertikale (63 m vom Nullpunkt) mit 90,00 mg/l und die höchste Konzentration in der ersten Vertikale (25 m vom Nullpunkt) mit 107,88 mg/l.
Die Schwebstoffkonzentrationen der Lotleitungen liegen zwischen 30,00 mg/l im fünften Lot und 176,13 mg/l im zweiten Lot. Die Probenahme an der Messstelle Lustenau/Rhein – alte Eisenbahnbrücke erfolgt von der Brücke aus durch Absenken eines 121er Eimers.
5 Diskussion der Ergebnisse
Gisingen/Ill
- Trübungsganglinie und Kalibrierung der Trübungssonde
- Schwebstoffkonzentration und Schwebstofftrieb
- Vielpunktentnahmen
- Integrationsentnahmen
- Vergleich der Vielpunkt- und Integrationsentnahmen
- Vergleich der Daten mit den Daten von Sillaber 2003
- Korrektur der Trübungsganglinie
- Querprofilbeiwerte KQ
- Frachtberechnung
- Frachtberechnung anhand von Untersuchungen der lllwerke von 1981/82
Messvertikale haben die höchsten Werte und werden zum Vergleich mit den anderen Vertikalen auf 100 % gesetzt. Die hohen Transportanteile der dritten und vierten Messvertikale korrespondieren sehr gut mit den dort verbundenen höchsten mittleren Strömungsgeschwindigkeiten (siehe Abschnitt 4.1.2). Im Sommer 2006 wurden an der Messstelle Gisingen/Ill insgesamt drei Integrationsproben mit dem US P61A Suspended Sediment Sampler durchgeführt.
Bei nahezu identischen Durchfluss- und Referenzprobenwerten kommt es zu deutlichen Schwankungen der mittleren Schwebstoffkonzentrationen im Querprofil. Wie bereits in Kapitel 4.1.6.2 erläutert, lässt sich ein empirischer Zusammenhang zwischen der Strömung und den Co-Faktoren der Mehrpunktprobenahme herstellen, mit dem die Referenzprobenwerte in mittlere Schwebstoffgehalte im Kreuzprofil umgerechnet werden können . Es ist davon auszugehen, dass die Mehrpunktprobenahme im Vergleich zur Integrationsprobenahme genauere Messungen der Schwebstoffkonzentration ermöglicht.
Der Schwebstoffgehalt an der Messstelle Gisingen/Ill wird für Wachstum nach oben und für Sinken leicht nach unten korrigiert. Id Abbildung 64: Strömungsganglinie, mittlerer Schwebstoffgehalt Cm und Schwebstoffgehalt nach Exponentialfunktion für den Zeitraum August 2006, Gisingen/Ill. Die mit der Exponentialfunktion als Funktion der Strömungen berechneten Schwebstoffgehalte s liegen deutlich unter dem durchschnittlichen Schwebstoffgehalt Cm im Querprofil.
Lustenau/Rhein
- Trübungsganglinie und Kalibrierung der Trübungssonde
- Schwebstoffkonzentrationen, Umrechnung der Sondenwerte und Querprofilbeiwert
- Schwebstofftrieb im Querprofil
- Frachtberechnung
Dabei handelt es sich um zwei Mehrpunkt- und zwei Integrationsproben, die bei Flussraten zwischen 140,71 und 181,5 mVs durchgeführt wurden. Wie im vorherigen Kapitel erwähnt, besteht im Mittelwasserbereich kein Zusammenhang zwischen Abfluss und Trübung. Wie in Tabelle 16 dargestellt, unterscheiden sich die Werte der durchschnittlichen Konzentration suspendierter Partikel im Querschnitt Cm und der Querschnittskoeffizienten KQ beim Vergleich der beiden Probenahmemethoden: Mehrpunkt- und Integrationsprobenahme kaum voneinander.
Das bedeutet, dass an der Messstelle Lustenau/Rhein beide Probenahmemethoden verwertbare Ergebnisse liefern und anschließend. Aufgrund der geringen Anzahl an Messungen wurde auf eine Korrektur der Trübungsganglinie verzichtet und der Kofaktor auf 1 gesetzt. Die Verteilung der Schwebstoffe im Querschnittsprofil des Rheins an der Messstelle Lustenau ist im Mittelwasserbereich relativ homogen .
Weitere Untersuchungen mit erhöhtem Abfluss sind erforderlich, um festzustellen, ob sich die Verteilung der Schwebstoffe im Querschnitt ändert und ob zwei Senkrechte gefunden werden können, die repräsentativ für den gesamten Querschnitt beprobt werden können. Um die verwendeten Schätzfunktionen besser an die tatsächlichen Gegebenheiten anzupassen, sind zusätzliche Untersuchungen erforderlich.
6 Zusammenfassung und Schlussfolgerung
Im Rahmen der Diplomarbeit wurde eine Kombination aus indirekter Messung des Schwebstoffgehalts mittels Trübungssonden und direkten Messungen zur Bestimmung der Schwebstoffkonzentration in Form von Handprobenahme, Mehrpunkt- und Integrationsprobenahme an den Pegelmessstellen in angewendet das Gebiet. Gisingen/Ill und Lustenau/Rhein. Das Einzugsgebiet beträgt an der Messstelle Gisingen/Ill 1281 km* und an der Messstelle Lustenau/Rhein 6110 km^. Die manuelle Probenahme in Sondennähe und deren gravimetrische Auswertung haben sich insbesondere an der Messstelle Gisingen/Ill als äußerst effektiv und erfolgreich erwiesen.
Daher wurde im Sommer 2006 eine verteilte Probenahme über den Querschnitt in Gisingen/Ill und Lustenau/Rhein im Mehrpunkt- und Integrationsbeprobungsverfahren durchgeführt. Aus diesen Proben konnte der durchschnittliche Schwebstoffgehalt des Querschnitts berechnet werden, der zur Berechnung der Querschnittskoeffizienten erforderlich ist. In Gisingen/Ill wurden im Sommer 2006 insgesamt vier Mehrpunkt-, drei Integrations- und vier Langzeittests durchgeführt.
Mit Hilfe dieser Faktoren lässt sich der durchschnittliche Schwebstoffgehalt für den gesamten Messzeitraum berechnen, mit dem Durchfluss multiplizieren und schließlich die Schwebstofffracht für den Zeitraum 10 integrieren. Insgesamt zwei Mehrpunktproben und zwei Integrationen wurden im August und September 2006 in Lustenau am Rhein durchgeführt.
7 Literaturverzeichnis
Lehrplan Hydrologie und Hydrometrie, Universität für Bodenkultur, Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und Konstruktive Wassertechnik, Wien. Vorläufiger Abschlussbericht (von der Universität für Bodenkultur, Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und Bauwassertechnik) im Auftrag von Schwebstoffmessungen im Jahr 2006 (von der Universität für Bodenkultur, Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und Bauhydraulik.
Schwebstoffüberwachung in Mur und Raab, Stimpfl, G. 2006), Thema der Abschlussarbeit, Universität für Bodenkultur, Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und Konstruktive. Optimierung von Schwebstoffmessungen in III in Vorarlberg, Sillaber, M. 2004), Thema der Diplomarbeit, Universität für Bodenkultur, Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und Bauwasserbau, Wien. Optimierung der Schwebstoffmessung in III in Vorarlberg, Thema der Diplomarbeit, Universität für Bodenkultur, Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und.
Internationale Kommission für die Hydrologie des Rheingebietes, in: Optimierung von Schwebstoffmessungen in III in Vorarlberg, Sillaber, M. 2004), Thema der Abschlussarbeit, Universität für Bodenkultur, Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und Konstruktiver Wasserbau , Wien. Überwachung des ausgesetzten Kurses in Mur und Raab, Thema der Abschlussarbeit, Universität für Bodenkultur, Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und Bauwesen.
8 Anhang
- Referenzproben Gisingen/IM
- Referenzproben Lustenau/Rliein
Messprotokolle
- Messprotokolle Gisingen/Ill
- Messprotokolle Lustenau/Rhein
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