Daten sammeln und erheben
Um die Realität möglichst gut in einem Modell abbilden zu können, werden viele Daten zu unterschiedlichen Parametern benötigt. Handelt es sich wie in diesem Projekt um ein Modellsystem, mit dem viele Fragestellungen untersucht werden sollen, stellt die Datenbeschaffung und –aufbereitung ein enormes Teilarbeitspaket dar. In dem Eidereinzugsgebiet stehen zu einigen Parametern, z.B. zu den Wasserqualitätsparametern wie Leitfähigkeit, Sauerstoffgehalt und Trübung, fast keine Daten zur Verfügung. Deshalb müssen solche Daten zusätzlich aufwendig erhoben werden.
Dieses Kapitel soll einen Einblick geben, welche Daten gesammelt und wie diese in dem Projekt „Zukunft Eider“ erhoben werden.
| Vorhandene Daten sammeln | Benötigte Daten erheben |
|---|---|
| Wasserstände | Strömungsmesskampagne |
| Durchflüsse | Wasserqualitätsmessungen |
| Wellen | Vermessungsarbeiten |
| Vermessungsdaten | Bodenparameter |
| Meteorologische Daten | |
| Daten zum Bodenwasserhaushalt |
Vorhandene Daten sammeln
Im Alltagsbetrieb der Kooperationspartner, aber auch in fachlich verwandten Institutionen, werden regelmäßig Daten erhoben. Diese gilt es zusammenzutragen und aufzubereiten. Im Folgenden werden Beispiele der verfügbaren Datenbestände aufgezeigt.
Wasserstände
Wasserstände der Nordsee, der Eider und der Treene werden vom Landesbetrieb für Küstenschutz, Nationalpark und Meeresschutz Schleswig-Holstein (LKN.SH) und vom Wasserstraßen- und Schifffahrtsamt (WSA) Elbe-Nordsee erfasst.
Für das Projekt werden besonders die Pegel, die sich in der Außen-, Tide- und Binneneider und in der Treene befinden, verwendet. Die folgende Karte zeigt eine Auswahl dieser Pegel.
Auswahl von Wasserstandspegeln der WSV und des LKN.SH der Eider und der Treene, Quelle: WSA Elbe-Nordsee und LKN.SH 2022, Hintergrundkarte: DTK500 ©BKG, GeoPortal.WSV
Die Wasserstandserfassung erfolgt kontinuierlich in 1-, 15- bzw. 60-minütiger Auflösung. Die Messdaten werden anschließend per Fernübertragung in die Datenbanken eingespeist, wo sie von den Mitarbeitern der Gewässerkunde geprüft und plausibilisiert werden.
Unter den folgenden Links befinden sich Beschreibungen zur Wasserstandserfassung und die Darstellung der aktuellen Messdaten.
Wasserstandserfassung und Messdaten des LKN.SH:
https://umweltportal.schleswig-holstein.de
https://www.umweltdaten.landsh.de/public/hsi/
Wasserstandserfassung und Pegeldaten des WSA Elbe-Nordsee:
https://www.pegelonline.wsv.de/gast/start
An manchen dieser Pegel werden auch die Wassertemperatur und die Leitfähigkeit gemessen.
Durchflüsse
Daten zum Durchfluss werden im Eidereinzugsgebiet vom LKN.SH (s. nachstehende Karte) erhoben.
Als Durchfluss wird der Volumenfluss bezeichnet, der einen Oberflächenquerschnitt pro Zeiteinheit passiert. (http://undine.bafg.de, 05.09.2022)
Durchflusspegel des LKN.SH im EZG der Eider, Quelle: WSA Elbe-Nordsee und LKN.SH 2022, Hintergrundkarte: DTK500 ©BKG, GeoPortal.WSV
Dabei werden die Messdaten mittels stationärer Messsysteme, z.B. über Durchflussmessanlagen (DMA) mittels Laufzeitverfahren in Bundes-, Landes- und Verbandsanlagen wie der Anlage Nordfeld und Friedrichstadt, durch mobile Messungen der Messtrupps des LKN.SH mittels ADCP-Messboot (Acoustic Doppler Current Profiler [Ultraschall]) (s. folgende zwei Fotos) oder mittels Flügel erfasst.
Durchflussermittlung mittels ADCP-Messboot: links: Schülper Neuensiel, rechts: Börmer Koog, Quelle: LKN.SH 2020 und 2021
Über eine Schlüsselkurve kann ein Durchfluss zu jedem Wasserstand ermittelt werden, sofern keine Beeinflussung durch die Tide oder durch Rückstau vorliegt. (s. https://www.schleswig-holstein.de/DE/Landesregierung/LKN/Service/Downloads/faltblattMessungenBinnengewaesser.pdf?__blob=publicationFile&v=1)
Werden an kleineren Anlagen und Gewässern keine Messdaten erhoben und ist keine Schlüsselkurve vorhanden, wird im Projekt versucht, Rückschlüsse auf den Durchfluss bzw. der Fördermenge über die Leistung der Maschinen und der verbrauchten Energiemenge der Verbandsbauwerke zu ziehen.
Wellen
In den Modellen werden auch Wellendaten, wie die Wellenhöhe, verarbeitet. Hierfür kann eine der vier Wellenmessbojen des LKN.SH entlang der Westküste, und zwar die der „Süderhever“, verwendet werden (Lage s. nachfolgende Abbildung).
Geeignete Wellenmessboje des LKN.SH für das Projekt "Zukunft Eider", Quelle: Karte: LKN.SH und WSA Elbe-Nordsee 2022, Hintergrundkarte: DTK ©GeoBasis-DE/BKG 2020, Foto: LKN.SH-Broschüre Dezember 2019, abgerufen unter https://www.schleswig-holstein.de/ am 06.12.2021
Vermessungsdaten
Eine wichtige Grundlage für die Modellierung sind Vermessungsdaten zur Aufnahme von Oberflächen, aber auch zur Hang- und Sohllage des Gewässers, des Vorlandes und der abflussrelevanten Bauwerke. Liegen morphologische Aufnahmen für verschiedene Zeitpunkte vor, so können die Veränderungen ermittelt werden und zur Kalibrierung morphodynamischer Modelle herangezogen werden. Veränderungen der Vergangenheit können ausgewertet und die Entwicklungen in der Zukunft berechnet werden.
Der LKN.SH sowie das WSA Elbe-Nordsee und das BSH (Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie) führen regelmäßig terrestrische Vermessungen und Gewässervermessungen durch. Dabei handelt es sich u.a. um Profilvermessungen der Gewässer, Peilungen der Gewässersohle von Eider, Treene und Nordsee und Laserscan-Befliegungen mit Luftbildaufnahmen. Beispielhaft zeigen die beiden nachstehenden Fotos Vermessungsarbeiten des LKN.SH.
Vermessungsarbeiten des LKN.SH zu Land und zu Wasser, Quelle: LKN.SH 2022
Die folgenden Links vermitteln einen Eindruck über diese Art der Datenerhebung der Seevermessung des BSH und des WSA Elbe-Nordsee:
https://www.bsh.de/DE/THEMEN/Vermessung_und_Kartographie/Seevermessung/seevermessung_node.html
Meteorologische Daten
Besonders für das Wasserhaushaltsmodell und das Vorhersagesystem, die im Zuge des Projektes durch die Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) erstellt werden, sind nicht nur die Prozesse wichtig, die sich im Gewässer und im und auf dem Boden abspielen, sondern auch in der Atmosphäre. Hierfür werden Daten der Meteorologie und Klimatologie als Inputgrößen benötigt.
Das WSA Elbe-Nordsee erfasst an ein paar Standorten meteorologische Daten zur Windgeschwindigkeit und Windrichtung. Im Gebiet der Eider sind es die Standorte Eider-Sperrwerk und Nordfeld. Die beiden nächsten Fotos zeigen die Windmesser und die dazugehörigen Anzeigen an der Anlage Nordfeld.
Links: Windmessgeräte, Schalenkreuzanemometer (Windgeschwindigkeit) und Windfahne (Windrichtung) auf dem Dach der Anlage Nordfeld; rechts: Windanzeige der erfassten Winddaten, Quelle: Nils-Medau Kruse, WSA Elbe-Nordsee
Flächendeckender ist das Messnetz des Deutschen Wetterdienstes (DWD). Dieser erfasst u.a. Daten zu Strahlungshaushaltsgrößen, Lufttemperatur und zum Niederschlag, wie zur Niederschlagsintensität, -menge und -art auf unterschiedliche Weise und in verschiedenen zeitlichen Auflösungen. So werden z.B. Messgeräte am Boden, (Verkehrs-)Flugzeuge und Satelliten eingesetzt.
Die folgenden Links führen zum Messnetz des DWD und zu dessen Datenzentrum CDC (Climate Data Center).
https://www.dwd.de/DE/derdwd/messnetz/messnetz_node.html
https://www.dwd.de/DE/klimaumwelt/cdc/cdc_node.html
Daten zum Bodenwasserhaushalt
Ein Teilsystem des Wasserhaushaltes in einem EZG ist der Bodenwasserhaushalt. Das Landesamt für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume (LLUR) besitzt verschiedene Datensätze zur Beschreibung des Bodenwasserhaushaltes. Zu diesen gehören die Bodenübersichtskarte oder z.B. Datensätze zum Grundwasser- und Stauwassereinfluss (s. nachfolgende Abbildung), zur Sickerwasserrate, zu den Naturräumen in Schleswig-Holstein und zu gedränten Flächen. Die grundlegenden Daten sammelt, erhebt und wertet u.a. der Geologische Dienst am LLUR in der Abteilung „Geologie und Boden“ aus (s. https://www.schleswig-holstein.de/DE/Landesregierung/LLUR/WirUeberUns/abteilungen/abteilung6.html).
Übersichtskarte des Grund- und Stauwassereinflusses. Kartengrundlage: Leitböden der Bodenübersichtskarte 1:250.000, Quelle: LLUR 2018 (unveröffentlicht)
Auch im Hydrologischen Atlas Deutschland (HAD) der BfG sind Datensätze von den Behörden der Länder zu den unterschiedlichen Charakteristika, Komponenten, Messstellen von Wasser, Boden und Hydrometeorologie in Deutschland zusammengestellt. Dieser Atlas ist im Internet frei zugänglich und je nach Fragestellung können die jeweiligen Daten interaktiv ausgewählt und betrachtet werden
(s. https://geoportal.bafg.de/mapapps/resources/apps/HAD/index.html?lang=de).
Die folgende Abbildung zeigt eine Beispielkarte des HAD zur Gesteins- und Grundwassereinteilung in der Eiderregion.
Karte der Hydrogeologie im EZG der Eider des HAD der BfG, Quelle: https://geoportal.bafg.de/mapapps/resources/apps/HAD/index.html?lang=de, abgerufen am 07.12.2021
Benötigte Daten für das Projekt erheben
Strömungsmessungen der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) am Eider-Sperrwerk im September 2020
Damit das Modellsystem aus einem dreidimensionalen hydronumerischen Modell und einem Sedimenttransportmodell, das durch die BAW erstellt wird, z.B. die Tidewasserstände, das (Tide-)Wasservolumen und den Sedimenttransport berechnen kann, werden zur Kalibrierung direkt am Eider-Sperrwerk Durchfluss- und Strömungsdaten benötigt. Da am Eider-Sperrwerk keine Durchflussmessanlage betrieben wird, galt es diese Werte und die vorherrschenden Strömungsverhältnisse zu messen.
Die Eider wird stark von dem Betrieb des Sperrwerkes beeinflusst. Deswegen wurden die Strömungsmessungen bei verschiedenen Betriebsarten (Tidebetrieb [ungehinderter Tideein- und auslass], Drosselbetrieb [gedrosselter Tideein- und auslass] und (n-1) – Betrieb [Betrieb mittels 4 Öffnungen, eine Öffnung geschlossen]) durchgeführt. So konnten die Verhältnisse bei unterschiedlichen Bedingungen über jeweils eine ganze Tide aufgezeichnet werden. – Auf beiden Seiten des Sperrwerkes direkt im Sielbereich (s. nachstehende Abbildung). Denn u.a. durch die unterschiedliche Anströmungsrichtung, Breite, Tiefe, das Bauwerk und den Flussverlauf unterscheiden sich die resultierenden Verhältnisse vor und hinter dem Sperrwerk und bei Ebbe und Flut.
Messquerschnitte bei der Strömungsmesskampagne der BAW am Eider-Sperrwerk im September 2020, Quelle: BAW 2020
Als Messart wurde der schon oben genannte Profiler (ADCP) verwendet. Da der Sielbereich über 200 m in den Messquerschnitten breit ist und bemannte Messboote im Nahbereich des Sieles zu gefährlich wären, baute die BAW Seilkrananlagen, an denen die Messboote über die Querschnitte gezogen wurden. Diese Seilkrananlagen zeigen die beiden nächsten Fotos.
Seilkrananlagen bei der Strömungsmesskampagne der BAW am Eider-Sperrwerk im September 2020, links: Messquerschnitt binnen, rechts: Messquerschnitt außen, Quelle: BAW 2020
Mittels ADCP werden Messdaten über den gesamten Messquerschnitt bis zur Sohle erfasst. Dies bedeutet, dass Daten nicht nur an bestimmten Punkten erhalten werden und dazwischenliegende Werte interpoliert werden müssen, sondern dass die gesamte Querschnittsfläche und somit die Strömungsverläufe in der zweidimensionalen Fläche abgedeckt werden. In der nächsten Abbildung ist somit der Einfluss der Sperrwerkspfeiler deutlich im Binnenbereich bei Flut durch die sich ausbildenden geringeren Fließgeschwindigkeiten hinter den Pfeilern erkennbar.
Insgesamt wurde über 46 Stunden, mit 1.100 Querungen und 240 Kilometern gemessen.
Erfasste Strömungsprofile am 16.09.2020 während der Betriebsart „Flutdrosselung“, x-Achse: Messquerschnittsbreite, y-Achse: Wassertiefe, Quelle: BAW 2021
Um zu untersuchen, ob sich die Wasserstände im Norden und Süden des Sielbereiches unterscheiden, wurden neben den Pegeln des WSA Elbe-Nordsee an den Spitzen der Trennmole zusätzliche Wasserstandsmesssonden im Sielbereich für die Dauer der Messungen installiert.
Weitere Eindrücke, Hintergründe und Ergebnisse geben der Blogbeitrag, der YouTube-Beitrag und der Messbericht der BAW:
https://blog.baw.de/wp/?p=1869
https://www.youtube.com/watch?v=FEDNf64dk_w
https://henry.baw.de/handle/20.500.11970/110436
Wasserqualitätsmessungen
Parallel zu der oben beschriebenen einwöchigen Strömungsmesskampagne wurden in der Außen- und Tideeider an fünf Standorten Daten zu den Parametern Wassertemperatur, Leitfähigkeit, Trübung sowie der Fließgeschwindigkeit über einen Zeitraum von vier Wochen erhoben. Die Messgeräte hierfür wurden mittels Verankerungen an den in der nachfolgenden Abbildung eingetragenen Stellen positioniert. Das Foto zeigt eine solche Verankerung.
Oben: Positionen der Wasserqualitätsmessungen der BAW in der Außen- und Tideeider im September 2020, unten: Setzen der Verankerungen mit den Messgeräten, Quelle: BAW 2020, Foto: Christian Maushake, BAW 2020, Hintergrundkarte: DTK © GeoBasis-DE/BKG 2020
Auch diese Untersuchungen sind in dem vorher benannten Messbericht beschrieben und ausgewertet.
Im Januar 2022 wurden weitere Trübungs- und Schwebstoffdaten im Bereich des Eider-Sperrwerkes an zwei Positionen, binnen und außen, von der BAW erhoben (s. nachstehende Abbildung).
Lage der beiden Messpunkte der Schwebstoffmesskampagne der BAW vor und hinter dem Eider-Sperrwerk im Januar 2022, Quelle: BAW 2021, Hintergrundkarte: DTK © GeoBasis-DE/BKG 2020, Hintergrunddaten: Gewässervermessung: Sohltiefe [z in m unter NHN]
Im Zuge dessen wurden u.a. ca. 130 Wasserproben in mehreren Tiefen über jeweils eine komplette Tide entnommen (s. nachfolgende drei Fotos). Ziel ist es, die im Wasser transportierten Bestandteile in ihrer Art, Menge und Größe zu bestimmen.
Messgestell der BAW zur Messung von u.a. Trübung, Wassertemperatur und Leitfähigkeit und zur Entnahme von Wasserproben, Quelle: Sabine Mahner, WSA Elbe-Nordsee 2022
Entnahme und Umfüllen der entnommenen Wasserproben, Quelle: Sabine Mahner, WSA Elbe-Nordsee 2022
Vermessungsarbeiten des Landes Schleswig-Holstein
Zur Erhebung des Gewässerbettes der Treene wurden 2019 etwa 340 Querprofile auf einem ca. 30 km langen Gewässerabschnitt zwischen Eggebek und Hollingstedt, der in der folgenden Abbildung aufgezeigt ist, im Abstand von 100 m aufgenommen.
Gewässerabschnitt der Treene der Querprofilaufnahmen durch das LKN.SH 2019 Quelle: LKN.SH, Hintergrundkarte: DTK © GeoBasis-DE/BKG 2019
In diesem Bereich nimmt die Treene Breiten von 10 bis 20 m an. Beispielhaft für ein solches Querprofil zeigt die nachfolgend dargestellte Aufnahme der Brücke bei Eggebek.
Querprofilfaufnahme (rechts) der Treenebrücke bei Eggebek (links), Quelle: LKN.SH 2019
Ebenfalls 2019 wurde ein Digitales Geländemodell der Treene für den Bereich Friedrichstadt bis Hollingstedt mit einer Länge von ca. 33 km aus vorhandenen Gewässerbettdaten, Laserdaten und Orthophotos erstellt (s. Ausschnitt in der nachstehenden Abbildung). Insgesamt wird damit eine Fläche von 194 km² aufgespannt.
Abbildung des Digitalen Geländemodells der Treene zwischen Friedrichstadt und Hollingstedt aus 2019, Quelle: LKN.SH 2019
An der Eider konnten aus über 200 Karten (Wattgrundkarten und Eiderkarten, Beispiele s. nachfolgende Abbildungen) aus den Jahren 1940 bis 2000 über 45 (jahresbezogene) Geländemodelle erstellt werden.
Eiderkarte von 1998 (links) und Wattgrundkarte aus 1979 (rechts), Quelle: LKN.SH 2019
Mittels Daten aus der Gewässervermessung wird die Tiefe und der Verlauf der Gewässersohle bestimmt. Wie die Oberfläche beschaffen ist, können weitere Aufnahmen liefern.
Das Forschungs- und Technologiezentrum Westküste (FTZ) in Büsum der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel führte Sohlaufnahmen der Außen- und Tideeider mittels Seitensicht-Sonar und Sediment-Echolot im Februar 2021 durch. Außerdem wurden im Juli 2021 BioSonics-Aufnahmen (mittels Habitatecholot) mit einem kleineren Boot im Bereich der Tideeider oberhalb von Tönning vom FTZ und dem LLUR unterstützt. Das Messprinzip sowie die Messstrecke sind in der folgenden Abbildung schematisch dargestellt. Auf dem darauffolgenden Foto ist das Messboot des FTZ zu sehen. Ein Ansichtsbeispiel der Sohlaufnahmen folgt darauf.
Echolot-Messungen des FTZ und des LLUR zur Sedimentklassifizierung in der Tideeider 2021, Quelle: Gianna Persichini (CAU) und Fa. BioSonics 2021
Messboot des FTZ für Echolotaufnahmen von schmalen Bereichen, Quelle: Hr. Dr. Ricklefs, FTZ und Hr. Dr. Reimers, LLUR, 2021
Sohlaufnahmen mittels Seitensicht-Sonar in der Außen- und Tideeider, Quelle: Aufnahmen: FTZ 2021, Darstellung: Janina Freund, BAW 2021; Hintergrundkarte: DTK © GeoBasis-DE/BKG 2021
Schon 2014 hat das FTZ u.a. in der Außeneider Sediment-Echolotaufnahmen sowie Sedimentproben unternommen.
Bodenparameter
Es ist nicht nur wichtig zu wissen, wie die Sohloberfläche beschaffen ist, sondern auch, aus welchen Materialien sie aufgebaut ist. Deswegen führte die BAW eine Sedimentprobenahme in der Außen- und Tideeider für eineinhalb Wochen im August 2021 durch. Es wurden insgesamt um die 150 Bodenproben der Sohloberfläche (deren Lage s. nachfolgende Abbildung) mittels van Veen Greifern entnommen. Eine Probenahme zeigen die beiden nächsten Fotos. Der Probenabstand im Flusslauf betrug 500 m. In flacheren Bereichen, in die das Arbeitsschiff „Wulf Isebrand“ des WSA Elbe-Nordsee nicht fahren konnte, wurde ein kleineres Beiboot eingesetzt und die Proben mit dem handlichen Greifer entnommen.
Rot: Bodenprobenentnahmepunkte in der Außen- und Tideeider im August 2021, violett: Seegraswiesenbestände (Auskunft LLUR 2021) Quelle: BAW 2021, Hintergrundkarte: DTK © GeoBasis-DE/BKG 2021, Hintergrunddaten: DGM-W Eider 2015: Sohltiefe [z in mNHN]
Bodenprobenentnahme mittels Kran und 5l-van Veen Greifer Quelle: Elke Siegmann, BAW 2021
Mittels 1l-van Veen Greifer entnommene Bodenprobe Quelle: Elke Siegmann, BAW 2021
Die Ergebnisse dieser Messkampagne sind in einem Bericht ausgewertet und zusammengefasst worden. Der Bericht kann unter dem Kapitel „Veröffentlichungen“ oder direkt in der Internetbibliothek HENRY der BAW unter https://henry.baw.de/handle/20.500.11970/110437 aufgerufen werden.
Um Synergien und vorhandene Ressourcen zu nutzen, wird sich zusätzlich der geeigneten Daten aus anderen Projekten bedient, z.B. bei der Bathymetrie aus dem Projekt Easy-GSH (https://mdi-de.baw.de/easygsh/) und dem Digitalen Geländemodell der Eider, das aus den (See-)Vermessungsarbeiten und Multispektralen und Luftbild-Aufnahmen im Zuge des Rahmenvermessungskonzeptes der Länder und des Bundes entstanden ist. Ausschnitte beider Produkte sind in den folgenden zwei Abbildungen dargestellt.
Links: Bathymetrie HN-Modell Eider, rechts: Norddeutsche Bucht aus Easy-GSH Quelle: BAW 2019, Hintergrundkarte: GeoBasis-DE/BKG 2019; rechts: DGM-W Eider 2015, Ausschnitt Eider-Sperrwerk, Quelle: BAW 2019
Somit ist die Datenrecherche, -sammlung und die Datenerhebung fehlender Daten eine umfassende Aufgabe. Liegen die Daten danach vor, müssen diese plausibilisiert, ausgewertet und, u.a. z.B. im Falle der Erstellung der Schlüsselkurve bzw. der Abflussbeiwertermittlung, weiterverarbeitet werden, bevor sie in einem Modell verwendet werden können. Einblicke hierzu gibt der Beitrag im Kapitel „Modellierung“ [Dieser befindet sich im Aufbau].