Schlammspiegelmessungen und Sediment-Monitoring mit einem USV
Wasserstrassen und künstlich angelegte Becken haben eine bedeutende Funktion für uns alle. Neben Versorgung und Transport haben Sie teilweise eine schützende Funktion zum Beispiel bei Starkregen und Überschwemmung. Darum ist eine kontinuierliche Kontrolle dieser Gewässer wichtig für jeden Haushalt und jedes Unternehmen..
Inhaltsverzeichnis:
Einleitung
Warum werden Schlammspiegelmessungen gemacht?
Was ist der Unterschied zwischen Schlammspiegel und Sediment?
Möglichkeiten der Messungen.
Was ist ein USV?
Wie werden Schlammspiegelmessungen mit einem USV gemacht?
Welche Daten können durch ein USV geliefert werden?
Beispiele und Testdaten
FAQ’s Fragen und Antworten
Einleitung
Unter Schlammspiegelmessungen bzw. Monitoring ist das Überwachen und Messen des Sediments in einem Teich oder Becken zu verstehen. Aber auch in Wasserstraßen werden Änderungen vom Schlammspiegel überwacht. Diese Messungen sind wichtig, um die Sicherheit und den Betrieb dieser Anlagen zu gewährleisten.
Diese Dokumentation befasst sich jedoch überwiegend mit der Schlammspiegelmessung in Regenrückhaltebecken. Regenrückhaltebecken (abgek. RRB) und Regenklärbecken (abgek. RKB), auch als Regenrückhalteanlagen oder Retentionsbecken bezeichnet, leisten einen lebenswichtigen Dienst für unsere Städte und Gemeinden. Für jeden Haushalt und jedes Unternehmen.
Warum werden Schlammspiegelmessungen und Sedimentmonitoring gemacht?
Viele Gründe sprechen für das Monitoring von Sediment und Schlamm unter der Wasseroberfläche. Neben der Instandhaltung und Funktionsgewährleistung von künstlich angelegten Becken (zum Beispiel: RRB & RKR) bietet ein regelmäßiges Monitoring auch die Kontrolle von Veränderungen in einem natürlichen Lebensraum. Somit hat das Monitoring auch einen umwelttechnischen Aspekt, der oft unterschätzt wird. Durch ein gezieltes und längerfristiges Monitoring von Veränderungen können wichtige Erkenntnisse gewonnen werden. Diese helfen bei der Instandhaltung und Ursachenforschung von Verschlammungen.
Fazit: Durch Monitoring und kontinuierliche Messungen können Mensch und Umwelt geschützt werden. Kosten werden reduziert, da genaue Karten mit Veränderungen erstellt werden können.
Was ist der Unterschied zwischen Schlammspiegel und Sediment?
Schlammspiegel
Der Schlammspiegel ist die Höhe des Wasserspiegels in einem Gewässer, das von Sedimenten bedeckt ist. Er wird häufig als Maß für die Menge an Sedimenten verwendet, die sich in einem Gewässer angesammelt haben.
Der Schlammspiegel kann durch verschiedene Methoden gemessen werden, darunter:
Manuelle Messung stationär: Bei dieser Methode wird der Wasserspiegel mit einem Maßband oder einer Sonde gemessen.
Automatische Messung stationär: Bei dieser Methode wird der Wasserspiegel mit einem Sensor oder einem Schwimmer gemessen.
Manuelle Messung mit unterschiedlichen Messpunkten: Hier wird mit einer Messstange und GPS an unterschiedlichen Punkten die Schlammhöhe ermittelt.
Automatische Messung mit USV: Bei diesem Verfahren wird der zu vermessende Bereich mit einem USV (Unmanned Survey Vessel) abgefahren. Das USV macht zwischen 15 bis 40 Messungen pro Sekunde und liefert somit die meisten und besten Daten zur Schlammspiegelmessung.
Sediment
Sediment ist ein Material, das durch Erosion von Festgesteinen oder anderen Materialien sich an irgendeiner Stelle im Gewässer abgelagert. Sediment kann aus einer Vielzahl von Materialien bestehen, darunter Sand, Kies, Schlamm und Ton. Das Sediment kann auch aus mehreren Schichten bestehen, die aus unterschiedlichen Materialien sind. Sediment wird oft auch als Grund in Gewässern bezeichnet, auf dem sich andere Sachen wie Schlamm ablagern können.
Sediment wird in vier Hauptkategorien eingeteilt:
Klastisches Sediment: Dies ist Sediment, das aus abgeplatzten oder zerbrochenen Gesteinsfragmenten besteht.
Chemisches Sediment: Ist Sediment, das durch chemische Prozesse aus dem Wasser gebildet wird.
Biogenes Sedimente: Sind zum Beispiel Ablagerungen von Organismen oder Organismenresten, wie z. B. Korallenriffe
Künstliches Sediment: Wird als das bezeichnet, was absichtlich von Mensch und Maschine als Sediment in Gewässer eingelassen wird. (Dies wird teilweise bei Bebauungen angewendet)
Sediment spielt eine wichtige Rolle in der Geologie und der Ökologie. Es kann zur Bildung von Sedimentgesteinen beitragen, die die Grundlage für die meisten Landformen bilden. Sediment kann auch Lebensraum für Pflanzen und Tiere bieten.
Möglichkeiten der Schlammspiegelmessung und des Monitorings.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, Veränderungen am Sediment zu kontrollieren. Neben der punktuellen Kontrolle, die einfach per Messstange oder Messgerät an einem bestimmten Ort durchgeführt wird, ist die Flächendeckende technische Messung per Hand (Mit einer Messstange)oder mit einem modernen Sonargerät (Multibeam Sonar) etwas komplizierter. Allerdings bietet die großflächige Messung ein wesentlich besseres und detaillierteres Ergebnis. Deshalb ist die Messung durch ein USV mit Sonar oder Multibeam Echolot die effizienteste Lösung der Schlammspiegelmessung. In Tests haben wir ein USV mit Sonar mit den Messdaten eines Vermessungs-Teams verglichen. Nicht nur, dass mit dem USV die Aufgabe wesentlich schneller und sicherer erledigt wurde, sondern auch die Anzahl der Messerpunkte wurde um ein Vielfaches erhöht. Weiter können durch den Einsatz eines Sonar Gerätes auch Gegenstände am Grund identifiziert werden. (Beispiel: E-Roller, Fahrräder, usw.)
Anschließend sind durch ein gezieltes Monitoring (Vergleich der letzten Messung mit der neuesten Messung) die eventuellen Veränderungen eindeutig visuell erkennbar. Das hilft bei der Planung und Bemessung von Maßnahmen, die zum Erhalt der Funktion eines Beckens oder einer Wasserstraße dienen. Ebenso lassen sich so auf lange Zeit die Funktionen und Veränderungen belegen.
Was ist ein USV?
Verwirrenderweise gibt es für die Abkürzung USV mehrere Erklärungen, wodurch teilweise Missverständnisse entstehen können.
USV – Unterbrechungsfreie Stromversorgung (Typisch Deutsch)
USV – Unmanned Survey Vehicle (Unbemanntes Vermessungsfahrzeug)
USV – Unmanned Surface Vehicle (Unbemanntes Oberflächenfahrzeug)
USV – Uncrewed Survey Vehicle
USV – Universitätssportverein
Wir betrachten hier das USV als unbemanntes Wasserfahrzeug für Vermessung Zwecke, also ein Unmanned Survey Vehicle.
Es ist für diesen Artikel also ein ferngesteuertes oder autonom fahrendes kleines Boot, welches verschiedene Messungen während der Fahrt machen kann. Die dadurch gewonnenen Daten werden in diesem Fall dank spezieller Software ausgewertet und bieten zum Beispiel durch Referenzmessungen oder Werte eine Vielzahl an unterschiedlichen Ergebnissen, die insgesamt für ein detailliertes Monitoring wichtig sind.
Wie wird eine Schlammspiegelmessung mit einem USV gemacht?
Für die Schlammspiegelmessung mit einem USV beschreibt die folgende Vorgehensweise nach unserer Erfahrung diesen Ablauf am besten.
- Das USV wird vom geschulten Personal ins Wasser gesetzt. (Meist ein künstliches Becken oder wichtige Wasserstraßen, die der ständigen Überwachung unterliegen).
- Das USV wird auf Funktion und Sicherheit überprüft. Ebenso werden die GPS-Verbindung und die Konnektivität zum Piloten hergestellt.
- Das Sonar des USV wird gestartet und kalibriert. Besondere Eigenschaften wie das Water Level Offset oder der genaue Abstand vom Sonar zur GPS-Antenne werden eingestellt.
- Die vorsichtige Fahrt kann beginnen. Entweder wird ein gewisses Muster abgefahren, oder den Umständen entsprechend eine Route. Während der Fahrt machen die Sonare Messungen nach unten und zu den Seiten. Diese Daten werden während der Fahrt gespeichert und anschließend mit einer Software bearbeitet.
- Am Ende einer Messung wird ein Bericht angefertigt, der neben technischen Daten und Umständen der Messung auch eine hochauflösende Tiefenkarte enthält.
Welche Daten werden durch das USV geliefert?
Je nach USV und Software gibt es eine Menge Daten, die aus Berechnungen der Messpunkte entstehen. Folgende Daten sind derzeit die wichtigsten Daten, die unsere Kunden zum Beispiel benötigen.
- Wasservolumen – Das Wasservolumen in m³ wird von der Software aufgrund der aufgezeichneten Tiefendaten berechnet.
- Flächenberechnung – Die Wasserfläche in m² ist ebenso für weitere Berechnungen oft ein wichtiger Wert.
- Anzahl Messpunkte – Hier wird die Anzahl der Messpunkte des USV ausgegeben, jeder einzelne Messpunkt ist mit mindestens 15 Messungen in unterschiedlichen Frequenzen pro Sekunde hinterlegt.
- Sedimentvolumen – Das Sedimentvolumen kann durch die Eingabe von Referenzmessungen oder Grunddaten aus der Bauphase berechnet werden. Ebenso ist auch eine manuelle Referenzmessung möglich. Sollten keine Daten zur Verfügung stehen, berechnet die Software ausgegangen von der tiefsten Stelle das Sedimentvolumen.
- GEO-Daten – Die GPS (GNSS) Daten der Fahrt mit den aufgezeichneten Messpunkten ergeben am Schluss eine Karte mit gemessenen Daten. Diese Karten werden besonders beim Monitoring gerne verwendet, da diese nicht nur eine Übersicht bieten, sondern auch besonders in der digitalen Form Dank der Zoomfunktion genaue Tiefendaten an bestimmten Stellen anzeigen können.
Beispiele und Testdaten
In einem Test mit der Landeshauptstadt Kiel und dem Vermessungsunternehmen GEODOC haben wir die Schlammspiegelmessung mit einem USV gemacht. Ziel dieses Tests war es, die Daten des Sonar vom USV zu verifizieren, und die Messmethoden zu vergleichen. Dazu gehörten auch Aspekte wie Umweltschutz und Kostenaufstellung.
Häufige Fragen ? -FAQ-
Was sind Regenrückhaltebecken?
Regenrückhaltebecken sind künstlich angelegte Wasserspeicher, die dazu dienen, Regenwasser temporär zu sammeln und kontrolliert abfließen zu lassen. Diese Becken werden strategisch in urbanen und ländlichen Gebieten platziert, um die Auswirkungen von Starkregenereignissen und Hochwasser zu minimieren. Die Grundidee hinter Regenrückhaltebecken ist es, den Wasserfluss zu verlangsamen, um Überschwemmungen, Erosion und andere negative Effekte zu reduzieren.
Einfach gesagt, sammeln diese Becken von unseren bebauten Flächen (Dächern, Strassen und so weiter) das Regenwasser und geben es in langsamer und kontrollierter Menge wieder ab. Bei Starkregen zum Beispiel sind diese Becken unser Schutz vor Überschwemmungen.
Hier sind einige wichtige Merkmale und Funktionen von Regenrückhaltebecken:
Sammeln von Regenwasser: Regenrückhaltebecken sammeln Regenwasser aus verschiedenen Quellen, wie Dächern, Straßen und anderen versiegelten Flächen. Dies verhindert, dass das Wasser sofort in die Kanalisation oder in Gewässer abfließt.
Speicherung und Verzögerung: Das gesammelte Regenwasser wird im Becken vorübergehend gespeichert. Dies ermöglicht eine Verzögerung des Wasserabflusses, wodurch das Risiko von Hochwasser und Überschwemmungen abnimmt.
Kontrollierter Ablauf: Regenrückhaltebecken sind so gestaltet, dass das gespeicherte Wasser kontrolliert abgelassen wird. Dies kann durch Abflussöffnungen oder spezielle Überläufe erfolgen, um sicherzustellen, dass der Wasserabfluss den Kapazitäten der umliegenden Entwässerungssysteme entspricht.
Sedimentabscheidung: Während das Wasser im Becken ruht, setzen sich Schmutz, Sedimente und andere Feststoffe ab. Dadurch wird das ablaufende Wasser von Schadstoffen gereinigt, bevor es in die Umwelt gelangt.
Vielfältige Designs: Regenrückhaltebecken können unterschiedliche Formen und Designs aufweisen, darunter offene Becken, Gräben oder unterirdische Speicher.
Biodiversität und Landschaftsgestaltung: In einigen Fällen werden Regenrückhaltebecken so gestaltet, dass sie auch natürliche Lebensräume für Pflanzen und Tiere bieten. Dies kann zur Förderung der Biodiversität beitragen und ästhetische Vorteile bieten.
Hochwasserschutz: Ein wichtiger Zweck von Regenrückhaltebecken besteht darin, die Abflussrate von Regenwasser zu kontrollieren, um die Auswirkungen von Hochwasserereignissen in städtischen und ländlichen Gebieten zu minimieren.
Insgesamt tragen Regenrückhaltebecken dazu bei, die Auswirkungen von Starkregen und Hochwasserereignissen auf die Umwelt, die Infrastruktur und die Sicherheit der Menschen zu reduzieren. Sie sind ein wesentlicher Bestandteil des ganzheitlichen Wassermanagements und des Schutzes vor Überschwemmungen.
Welche Arten von Regenrückhaltebecken gibt es?
Es gibt verschiedene Arten von Regenrückhaltebecken, die je nach Zweck, Standort und technischen Anforderungen unterschiedliche Designs und Funktionen aufweisen können.
Offene Becken: Offene Regenrückhaltebecken sind oberirdische Becken oder Teiche, die Regenwasser sammeln und speichern. Sie können in städtischen oder ländlichen Gebieten angelegt werden und sind oft landschaftlich gestaltet. Offene Becken bieten auch die Möglichkeit, Lebensräume für Pflanzen und Tiere zu schaffen.
Versickerungsbecken: Diese Becken sind so konzipiert, dass das gesammelte Regenwasser in den Boden versickert, anstatt abzufließen. Sie dienen dazu, das Grundwasser aufzufüllen und den Abfluss in Kanalisationssysteme zu reduzieren.
Retentionsbecken: Retentionsbecken sind darauf ausgelegt, Regenwasser vorübergehend zu speichern und dann kontrolliert abfließen zu lassen. Sie sind effektive Instrumente zur Verzögerung des Wasserabflusses und zur Verringerung von Hochwasserrisiken.
Überlaufbecken: Diese Becken sind so konstruiert, dass sie bei Starkregenereignissen überschüssiges Wasser aufnehmen können, das die Kapazität von Entwässerungssystemen übersteigt. Sie verhindern so, dass Kanalisationssysteme überlastet werden und Rückstau oder Überschwemmungen verursachen.
Regenklärbecken (RKB) haben die Funktion, Regenwasser, welches aufgrund seiner stofflichen Belastung durch Verschmutzungen der abflusswirksamen Flächen nicht direkt in ein Gewässer eingeleitet werden kann, zu behandeln.
Trockenrückhaltebecken: Diese Becken sind normalerweise trocken und werden nur bei Regenfällen oder während Hochwasserereignissen mit Wasser gefüllt. Sie bieten eine temporäre Speicherung von Regenwasser und entleeren sich allmählich, wenn das Ereignis vorüber ist.
Regenwasserzisternen: Obwohl nicht unbedingt als „Becken“ bezeichnet, können unterirdische Regenwasserzisternen als Rückhaltesysteme dienen. Sie sammeln und speichern Regenwasser für spätere Verwendung, wie z. B. Bewässerung oder Toilettenspülung.
Natürliche Retentionsflächen: Neben künstlich angelegten Becken können auch natürliche Geländetiefen, Senken oder Teiche als Retentionsflächen genutzt werden, um Regenwasser zu sammeln und abzuleiten.
Wie wurde bisher der Schlammspiegel gemessen?
Für die Durchführung einer Schlammspeigelmessung wurde je nach Größe und Umstand am Gewässer eine unterschiedliche Methode gewählt.
Manuelle Messung.
Die manuelle Messung des Schlammspiegels ist die einfachste Methode. Bei dieser Methode wird der Wasserspiegel mit einem Maßband oder einer Sonde gemessen. Das Maßband oder die Sonde wird in das Gewässer eingeführt und bis zur Oberfläche des Sediments abgesenkt. Der Messwert wird dann aufgezeichnet.
Automatische Messung
Automatische Messungen des Schlammspiegels sind genauer und effizienter als manuelle Messungen. Bei dieser Methode wird der Wasserspiegel mit einem Sensor oder einem Schwimmer gemessen. Der Sensor oder Schwimmer wird in das Gewässer installiert und misst den Wasserspiegel kontinuierlich. Die Messwerte werden dann an einen Computer oder ein Datenlogger übertragen. Als großer Nachteil dieser Methode gilt jedoch, dass diese nur an einem bestimmten Punkt (Installationspunkt des Sensors) durchgeführt wird, und deshalb nur eine geringe Aussagefähigkeit über den gesamten Schlammspiegel hat.
Sondierung
Eine Sondierung ist eine Methode, um den Schlammspiegel in einem Gewässer zu bestimmen, das nicht zugänglich ist. Bei dieser Methode wird eine Sonde in das Gewässer abgesenkt und der Wasserspiegel an verschiedenen Stellen gemessen. Die Messwerte werden dann verwendet, um eine Karte des Schlammspiegels zu erstellen.
Sonar
Sonar ist eine Methode, um den Schlammspiegel in einem Gewässer zu bestimmen, das tief ist. Bei dieser Methode wird ein Sonargerät verwendet, um die Tiefe des Wassers zu messen. Die Messungen werden dann verwendet, um den Schlammspiegel zu bestimmen. Diese Methode bietet neben der großflächigen Vermessung eines ganzen Gewässers auch eine wesentlich genauer Aufzeichnung für ein Monitoring.
Welche Methode zur Schlammspiegelmessung ist die richtige?
Die Wahl der richtigen Methode für die Schlammspiegelmessung hängt von einer Reihe von Faktoren ab, darunter:
Die Tiefe des Gewässers: Manuelle Messungen sind nur für Gewässer geeignet, die nicht zu tief sind.
Ebenso ist ein Faktor die Zugänglichkeit des Gewässers: Automatische Messungen sind für Gewässer geeignet, die nicht zugänglich sind. Diese Messungen sind jedoch meist nur auf einen Punkt im Gewässer fixiert. (Installationspunkt)
Die Genauigkeit der Messung: Sonar ist die genaueste Methode für die Schlammspiegelmessung. Selbst bei manuellen Messungen durch zum Beispiel unterschiedliches Personal oder Messwerkzeug entstehen oft Differenzen, die schon mal ein paar Zentimeter betragen können. Bei der Messung mit Sonartechnik, besonders bei Verwendung desselben Sonars wird eine wesentlich höhere Genauigkeit erzielt. Deshalb nutzen wir diese Sonartechnik, um unseren Kunden auch eine detaillierte Flächenkarte des Sediments über den komplett gemessenen Bereich zu bieten. Die digitalisierte Form dieser Schlammkarten eignen sich hervorragend, um ein langfristiges Monitoring zu erstellen.
Vorteile von Schlammspiegelmessungen
Schlammspiegelmessungen bieten eine Reihe von Vorteilen, darunter:
Sie können verwendet werden, um die Menge an Sedimenten zu bestimmen, die sich in einem Gewässer angesammelt haben.
Sie können verwendet werden, um die Auswirkungen von Erosion und Sedimentation auf ein Gewässer zu bewerten.
Sie können verwendet werden, um die Sicherheit eines Gewässers zu gewährleisten.
Wie entsteht die Verschlammung?
Eine Verschlammung von Gewässern, auch bekannt als Sedimentation oder Sedimentablagerung, tritt auf, wenn Feststoffe, wie Schlamm, Sand, Ton, Kies und organische Materialien, in einem Gewässer (Fluss, See, Teich, Meer, etc.) abgelagert werden. Die Ursachen für die Verschlammung von Gewässern sind vielfältig und können natürlichen oder menschlichen Ursprungs sein. Hier sind einige der Hauptursachen:
1. Erosion: Die Erosion von Bodenmaterialien von den Ufern, hängenden und angrenzenden Flächen sind eine natürliche Ursache der Verschlammung von Gewässern. Regen, Flüsse, Wind und Gezeiten können dazu führen, dass Sedimente in das Gewässer getragen werden.
2. Landwirtschaft: Durch die Veränderung von Bodenstrukturen sowie Düngen und Ernten entstehen Mengen an Staub. Diese können durch den Wind in Gewässer getragen werden.
3. Bauliche Veränderungen: Auch durch Veränderungen an solchen Gewässern kann eine erhöhte Verschlammung entstehen. Ein Beispiel ist das Entfernen von Hecken oder Sträuchern. Diese fangen oft Teile, die durch den Wind getragen werden, ab. Wird also die Begrünung an solchen Wasserstraßen oder Becken entfernt, führt das oft zu einer schnelleren Verschlammung.
Wie werden Regenrückhaltebecken kontrolliert.
Die Kontrolle von Regenrückhaltebecken ist entscheidend, um sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß funktionieren und die gewünschten Ziele erreicht werden. Die Kontrollmaßnahmen können je nach Art des Beckens, Standort und Zweck variieren.
Dennoch gibt es ein paar Grundfunktionen, die fast immer kontrolliert werden, um die Funktion der Regenrückhalteanlagen zu gewährleisten. In manchen Orten, Gemeinden oder Bundesländern gibt es aber auch einheitliche Vorschriften. Diese werden im Rahmen der Selbstüberwachungsverordnung (SÜVO) definiert.
Die Selbstüberwachungsverordnung legt den Mindestumfang der eigenverantwortlichen Überwachungsmaßnahmen für Abwasseranlagen fest und beschreibt die dafür erforderlichen Daten sowie deren Dokumentation.
Zur Grundinspektion in regelmäßigen Abständen gehören meist:
Wasserstandskontrolle: Die Überwachung des Wasserstands im Becken ist wichtig, um sicherzustellen, dass es nicht überläuft und das umgebende Gebiet überschwemmt. Automatische Messgeräte können verwendet werden, um den Wasserstand kontinuierlich zu überwachen.
Wasserqualitätsüberwachung: Bei Becken, die auch zur Wasserreinigung dienen, ist die Überwachung der Wasserqualität wichtig, um sicherzustellen, dass Sedimente und Schadstoffe effektiv zurückgehalten werden.
Kontrolle der Abflussrate: Die Geschwindigkeit, mit der das gespeicherte Wasser aus dem Becken abfließt, sollte kontrolliert werden, um sicherzustellen, dass der Ablauf den Kapazitäten der Entwässerungssysteme entspricht.
Schlamm und Sedimentskontrolle: Die Mengen und Ansammlungen von Schlamm müssen kontrolliert werden, um die Funktion zu gewährleisten. Zu starke Ansammlungen setzen die Funktion solcher Becken ausser Kraft. Zusätzlich lässt sich durch eine Probenentnahme die Qualität des Wassers und der Sedimentschicht bestimmen, was wiederum bei der Entsorgung wichtig ist.
Wartung und Reinigung: Regenrückhaltebecken müssen regelmäßig gewartet und gereinigt werden, um Verstopfungen und Ablagerungen zu vermeiden, die die Funktionsweise beeinträchtigen könnten.
Notfallvorsorge: Für den Fall von extremen Wetterereignissen oder unvorhergesehenen Situationen sollten Pläne zur Entleerung oder Sicherung der Becken vorhanden sein.
Datenverwaltung und Berichterstattung: Alle Überwachungsdaten, Inspektionsberichte und Wartungsmaßnahmen sollten sorgfältig dokumentiert werden. Dies kann helfen, Trends zu erkennen und die Effektivität der Kontrollmaßnahmen zu bewerten.