FLIESSGEWÄSSERMONITORING / FELDMESSUNGEN

Ein erfolgreiches Fließgewässermonitoring beruht auf dem Einsatz innovativer Methoden und integrativer Ansätze. Am IWA haben Freilandmessung eine lange Tradition, die zu weltweit einzigartigen Methoden und damit Einblicken in die Prozesse unserer Fließgewässer führen.

 Beim Monitoring von Fließgewässern wird eine Vielzahl von Messtechniken eingesetzt, um wichtige Kenntnisse über die für viele Forschungsfragen relevanten Prozesse in Fließgewässern und ihrem Umland zu gewinnen. Je nach Zielsetzung kommen die Messgeräte entweder einzeln oder in Kombination zum Einsatz. Punktuell eingesetzte Geräte wie u.a. der mobile Geschiebefänger oder der sogenannte „Rochen“ zur Messung der Sohlschubspannung liefern stichprobenartige Ergebnisse und können flexibel an verschiedenen Standorten eingesetzt werden. Im Gegensatz dazu ermöglichen fest installierte Geophone zur Erfassung der Geschiebetransportintensität sowie Trübungssonden für das Schwebstoffmonitoring eine kontinuierliche und automatisierte Prozesserfassung. Diese Messgeräte liefern dadurch wertvolle Langzeitdaten der relevanten Messgrößen.

Hydraulische Messgrößen

Hydraulische Messgrößen wie Fließgeschwindigkeit und Durchfluss werden am IWA durch den Einsatz etablierter Messgeräte wie dem ADCP, ADV und dem Flow Tracker durchgeführt. Zur Messung der Sohlschubspannung wurde am IWA ein innovatives Messgerät, der „Rochen“ entworfen bei dem über Wägezellen die an der Gewässersohle herrschenden Kräfte, direkt gemessen werden.

Schwebstofftransport – Innovation durch Kombination aus direkter und indirekter Messung

 

Geschiebetransport – Mobiler Geschiebefangkorb

Mobile Geschiebesammler werden auf die Gewässersohle abgesenkt und fangen dort das transportierte Geschiebe mit einem geeigneten Behälter und einer definierten Messdauer auf. Ihr Einsatzspektrum umfasst steile Wildbäche mit hohen Fließgeschwindigkeiten und großen Korngrößen ebenso wie breite und tiefe Kiesbettflüssen mit feinerem Geschiebe. Die unterschiedlichen hydraulischen Bedingungen und lokalen Gegebenheiten erfordern eine Anpassung der Messmethoden. Am IWA kommen verschiedene Typen von Geschiebesammlern zum Einsatz, die es ermöglichen, Transportvorgänge sowohl in turbulenten Gebirgsflüssen wie der Rofenache auf 1980 m Seehöhe als auch bei Hochwasserabflüssen bis HQ200 an der Donau zuverlässig zu messen.

Geschiebetransport – Geschiebefalle

Die Geschiebefalle ermöglicht eine automatisierte und langandauernde Messung des Geschiebetriebs über das gesamte Durchflussspektrum. Das Messgerät besteht aus einem Sammelbehälter, der auf Wägezellen gelagert und in der Flusssohle eingebaut ist. Die Abdeckung des Behälters kann hydraulisch geöffnet werden, sodass das Geschiebematerial über einen Messschlitz in die Sammelbox fällt, wo es kontinuierlich und automatisch gewogen wird. Die Geschiebefalle muss nach erfolgreicher Messung bei Niederwasser gewartet werden. Eine Sonderstellung nimmt hier die Hubfalle an der Drau in Dellach ein. Diese ist über einen Hydraulikmechanismus elevierbar und somit auch bei höheren Wasserständen zu erreichen.

Geschiebetransport – Geophonsystem

Geophone sind Schwingungssensoren, die ursprünglich aus der Seismik stammen. Für die Geschiebemessung werden sie an der Unterseite von Stahlplatten montiert und auf gleicher Höhe wie die Gewässersohle über den ganzen Fließquerschnitt verteilt eingebaut. Wird Geschiebematerial über die Stahlplatten transportiert wird, erzeugt es Schwingungen, die von den Geophonen erfasst und automatisch und kontinuierlich aufgezeichnet werden (indirekte Geschiebemessung).

Die Geophonanlage liefert somit zeitlich und räumlich hochauflösende Daten zum Transportprozess. Um die Messdaten in Geschiebetransportraten oder -frachten umzurechnen, müssen die indirekten Messungen mit direkten Messungen (Fangkorb, Geschiebefalle) kalibriert werden.

Geschiebetransport – Integratives Geschiebemesssystem

Geschiebetransport ist ein räumlich und zeitlich sehr variabler Prozess. Die bestehenden Messmethoden weisen jeweils ihre Möglichkeiten auf, können aber alleinstehend den Geschiebetransportprozess nicht ganzheitlich erfassen. Hierzu kommt am IWA das integrative Geschiebemesssystem zum Einsatz, in welchem die einzelnen Messmethoden miteinander kombiniert werden und so qualitative Messdaten liefern.

Geschiebetransport – Tracer

Radiotracer ermöglichen die Messung von Transportweiten, Geschwindigkeiten und Bewegungspfaden einzelner Sedimentpartikel (Tracersteine). Dabei werden entweder natürliche Flusssedimente genutzt oder künstliche Tracer angefertigt. Am IWA kommen sowohl aktive als auch passive Tracer zum Einsatz. Beide Messsysteme erlauben die individuelle Identifizierung der Tracersteine, wodurch diese gezielt wiedergefunden und ihre Bewegungen nachverfolgt werden können. Ein typisches Tracer-Messsystem besteht aus einem Sender („Transponder“ oder „Tag“), der in die Steine integriert wird, einem Lesegerät („Reader“) zur Erfassung der Tag-Informationen und einer Antenne zur Signalübertragung.

Aktive Transponder bieten den entscheidenden Vorteil einer großen Reichweite von etwa 120 Metern. Da sie jedoch über eine eigene Batterie verfügen, sind sie relativ groß und ihre Lebensdauer ist auf 1 bis 5 Jahre begrenzt. Diese Technologie wird am IWA bevorzugt in größeren Flüssen wie der Donau, Drau, Gail und dem Rhein eingesetzt.

Passive Transponder zeichnen sich vor allem durch ihre geringe Größe und der Langlebigkeit (<10 Jahre) aus. Da sie keine eigene Energiequelle besitzen, müssen sie für die Kommunikation zunächst induktiv über die Antenne geladen werden. Dies führt zu einer begrenzten Reichweite von etwa einem Meter. Am IWA wird diese Technologie vorwiegend in kleineren Flüssen wie der Urslau, dem Strobler Weissenbach und der Alm sowie in Seitenarmen größerer Flüsse wie dem Inn oder Rhein eingesetzt.

Sohlsubstrat – Freeze Core

Neben den gängigen Methoden zur Korngrößenanalyse, wie der Entnahme von volumetrischen Proben und der Durchführung von Wolman-Counts und Linienzahlanalysen werden am IWA auch Freeze-Core-Probenahmen gemeinsam mit der Firma UWITEC durchgeführt.

Für die Freeze-Core-Probenahme wird ein Metallrohr 1 m bzw. 0.5 m tief in die Flusssohle geschlagen. Mittels flüssigem Stickstoff wird das Rohr auf -196 °C heruntergekühlt, sodass das Flusssubstrat an dem Rohr festfriert. Dieser Vorgang dauerte je nach Wassertemperatur zwischen 20 und 45 Minuten. Daraufhin kann das Rohr aus der Gewässersohle gezogen und die Probe am Ufer (bzw. Am Schiff) in die relevanten Schichten zerteilt werden.

Morphologisches Monitoring – GNSS Systeme

Am IWA werden Totalstationen und GNSS-Systeme komplementär für präzise und flexible Vermessungen eingesetzt, während Drohnen mit Photogrammetrie und LiDAR vielseitige 3D-Modelle liefern. Kontrollpunkte, stationäre GNSS-Antennen und Echtzeitkorrekturdaten verbessern die Genauigkeit. Drohnen reichen von kompakten Kameramodellen bis hin zu Multikoptern mit LiDAR, die zehntausende Punkte pro Sekunde erfassen. Diese Technologien dienen nicht nur der Flussmorphologie, sondern auch der Überwachung von Geschiebesperren, wo Kameras und LiDAR-Sensoren den Füllstand von Rückhaltebecken kontinuierlich erfassen.

Erhebung von Mikro- und Makroplastiktransport

Plastik in unserer Umwelt ist mittlerweile allgegenwärtig. Die Forschung der letzten Jahre hat gezeigt, dass auch an den unzugänglichsten Stellen unseres Planeten Plastik gefunden wird. Flüsse zählen dabei einerseits zu den Haupteintragspfaden von Plastik in die Ozeane, sind andererseits direkt von Verschmutzung betroffen. Für die Messung des Plastiktransportes in Fließgewässern gibt es jedoch noch kaum Normen oder Regelwerke. Um Messwerte die in der ganzen Welt erhoben werden vergleichen zu können und gemeinsame Datenbanken zu erstellen, wären diese Standards allerdings von großer Bedeutung.

Das IWA hat sowohl bei der Erhebung des Mikro- als auch beim Makroplastiktransport wichtige Forschungsarbeit geleistet. Für Mikroplastik werden am IWA isokinetische Methoden zur Bestimmung des Plastiktransportes in Flüssen entwickelt. Dabei werden Netzprobenentnahmen in mehreren Tiefen mit einer Pumpentnahme kombiniert. So können mittels Netzen für den gröberen Anteil des Mikroplastiks auseichend Wasser gefiltert werden und gleichzeitig die feinsten Anteile durch die Pumpenfilter bis 25µm berücksichtigt werden. Beim Thema Makroplastik kommen einerseits GPS Tracer als Monitoringmethode zum Einsatz, andererseits werden auch hydrodynamisch-numerische Modelle benutzt um die Transportprozesse besser zu verstehen und zu extrapolieren.