Eignungsprüfung von Trübungssonden für die Schwebstoffmessung

(Untersuchung 2006)



Unter Laborbedingungen wurden verschiedene am Markt erhältliche Geräte zur Schwebstoffmessung in Fließgewässern getestet. Dabei wurde der Zusammenhang zwischen Geräteanzeige und tatsächlichem Schwebstoffgehalt im Wasser einschließlich Messunsicherheit ermittelt (= Kalibrierung).
Zusätzliche Untersuchungen befassten sich mit Störfaktoren die Messergebnisse beeinflussen können (zum Beispiel Luftblasen, Fische, Wassertemperatur).

 

 

 

 

Projektinhalt

Auftraggeber: VERBUND Austrian Hydro Power AG und Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft, Abteilung Wasserhaushalt
Projektpartner: Universität für Bodenkultur, Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und Konstruktiven Wasserbau

Die Erfassung des Schwebstofftransports in Fließgewässern ist für viele Bereiche wichtig (Umfang der Bodenerosion im Einzugsgebiet, Verlandung von Stauräumen und Seen, Auflandungen in Überschwemmungsgebieten, Schadstofffrachten, Umweltauswirkungen von Speicherspülungen).

Einzelne Wasserproben aus dem Gewässer, die auf den Schwebstoffgehalt untersucht werden sind in der Regel zu wenig. Es ist eine kontinuierliche Messung des Schwebstoffgehalts erforderlich. Diese kontinuierliche Messung erfolgt über die Trübung des Wassers. Aus der Trübung des Wassers wird auf den Schwebstoffgehalt geschlossen. Es gibt mehrere Hersteller, die Geräte zur Schwebstoffmessung anbieten. Bei Vergleichsmessungen mit verschiedenen Geräten und Messmethoden waren große Unterschiede feststellbar. Deren Ursachen sind nicht bekannt.

Für den praktischen Messeinsatz sind zuverlässige Geräte erforderlich. Für die Dateninterpretation muss die Messunsicherheit des Gerätes bekannt sein (wie genau kann man den Schwebstoffgehalt messen?). Ein gesicherter Vergleich von Messgeräten kann nur unter definierten Laborbedingungen erfolgen. Nur damit ist garantiert, dass für alle Messgeräte die gleichen Randbedingungen herrschen. Bei Bedarf ist es einfach möglich die Randbedingungen (zum Beispiel den Schwebstoffgehalt des Wassers mit einem bestimmten Material) zu reproduzieren. An einem Fließgewässer ist eine Vergleichsuntersuchung nur bedingt möglich, da die Schwebstoffkonzentration sowohl zeitlich als auch örtlich variabel ist. Eine Reproduktion der Messbedingungen ist praktisch ausgeschlossen.

Daraus ergaben sich die folgenden Projektziele:

  • Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Schwebstoffkonzentration und Messgeräteanzeige.
  • Vergleichbarkeit der Messergebnisse unterschiedlicher Anbieter von Messgeräten.
  • Identifikation des Einflusses der Korngröße.
  • Prüfung möglicher Störungen der Messergebnisse und Einfluss von instationären Bedingungen.

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Projektablauf

Die Untersuchungsmethodik orientierte sich an 2 Leitlinien

  • klar definierte Rahmenbedingungen (einheitlicher Ablauf und Analyse)
  • Reproduzierbarkeit (Laborbedingungen)


Behälter mit den Messgeräten.
Damit alle Messungen vergleichbar und bei Bedarf reproduzierbar sind, wird als Schwebstoff handelsübliches Kaolin mit definierten Korngrößenverteilungen verwendet. Die Suspension, bestehend aus Kaolin und Wasser wird in einem 400 l Behälter hergestellt, in dem die Messgeräte eingetaucht sind.


Darstellung der fünf verwendeten Sonden.
Die Sonden wurden für den Untersuchungszeitrahm von den Firmen dankenswerterweise gratis zur Verfügung gestellt.


Herstellen der Suspension mit natürlichem Schwebstoff.
Zum Vergleich werden auch Untersuchungen mit natürlichem Schwebstoff durchgeführt. Parallel zu diesem Projekt läuft ein weiteres, in dem die Messmethodik an Fließgewässern im Detail untersucht wird. Die Laboruntersuchungen bilden eine Grundlage für die Naturmessungen.


Einfluss von Luftblasen.
Störungen während der Messung können die Messergebnisse beeinflussen und verfälschen. Der Test mit Luftblasen, wie sie zum Beispiel nach einem Überfall (Wasserfall) in der Natur vorkommen können zeigt, dass Messgeräte Luftblasen als Trübung registrieren und damit auch bei klarem Wasser einen Schwebstoffgehalt anzeigen.

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Projektergebnisse

a) Korngrößenanalyse


Insgesamt wurden 6 verschiedene Schwebstoffe untersucht. 3 Proben wurden aus in den Flüssen Ill, Traisen und Traun sedimentiertem Material gewonnen.
Die Korngrößenanalysen mit dem MasterSizer 2000 (Methode „nass“) wurden dankenswerterweise von der Fa. Prager Elektronik zur Verfügung gestellt.


Ein Vergleich des gleichen Materials (hier Edelkaolin) mit verschiedenen Korngrößenanalysemethoden zeigte, dass das Ergebnis stark von der verwendeten Methode abhängig ist.

Schluss für die Praxis: Korngrößenangaben bei Schwebstoffen können nur dann verglichen werden, wenn die gleiche Analysemethode angewendet wurde oder zumindest die verwendeten Methoden bekannt sind.

b) Zusammenhang Schwebstoffgehalt im Wasser und Messgeräteanzeige

Nachfolgend sind die Beziehungen zwischen dem tatsächlichen Schwebstoffgehalt und den beobachteten Geräteanzeigen grafisch dargestellt. Die dünnen Linien geben das Band der Messunsicherheiten bei den Laborversuchen wieder. Deutlich zu erkennen ist die Abhängigkeit der Geräteanzeige vom verwendeten Material (Schwebstoff). Ursache dürfte sein, dass alle Verfahren auf optischen Grundlagen basieren, die die tatsächliche Kornform (zum Beispiel Kugel oder Plättchen) und damit das Kornvolumen nicht vollständig erfassen können.

Die Abweichungen von der Ideallinie (45°-Linie) ist nicht von Nachteil, solange ein funktionaler Zusammenhang zwischen Anzeige und Schwebstoffgehalt existiert, dieser durch eine Kalibrierung festgestellt und während des Betriebes regelmäßig überprüft und bei Bedarf angepasst wird. Bei Messpunkten, die auf auf der 45°-Linie liegen entspricht die Messgeräteanzeige genau dem tatsächlichen Schwebstoffgehalt. Eine Umrechnung der Messergebnisse unter Verwendung einer Kalibrierfunktion ist in diesem Fall nicht erforderlich.

Schluss für die Praxis: Die Messung von realen Schwebstoffmengen ist ohne einer Gerätekalibrierung nicht möglich. Das Messgerät muss einen funktionalen Zusammenhang zwischen Geräteanzeige und tatsächlichem Schwebstoffgehalt liefern. Zu bevorzugen sind Messgeräte mit möglichst kleiner Messunsicherheit.

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Folgende mögliche Störeinflüsse wurden untersucht:

  • Veränderung des Wassers: Es war kein Einfluss feststellbar.
  • Veränderung der Wassertemperatur: Im untersuchten Bereich von 8 bis 21°C war kein signifikanter Einfluss zu beobachten.
  • Luftblasen im Wasser: Luftblasen können bei reinem Wasser die Messgeräte irritieren und Schwebstoffmengen bis zur Größenordnung von 1 g/l vortäuschen.
  • Umgebungslicht: Die Simulation von Nacht oder sehr großer Helligkeit ergab keinen Einfluss auf die Messergebnisse.
  • Körper, die der Sonde nahe kommen: Nur wenn Körper dem Messsensor bis auf wenige Millimeter nahe kommen und dort über mehrere Sekunden verbleiben, werden die Ergebnisse beeinflusst.

Schluss für die Praxis: Luftblasen im Wasser können zu hohen Messergebnissen führen. Dies ist bei der Auswahl der Messstelle und beim Sondeneinbau zu berücksichtigen.

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c) Zusammenfassung

Trübungssonden sind für die Schwebstoffmessung grundsätzlich geeignet. Unerlässlich ist die, auf den jeweiligen Messeinsatz zugeschnittene Kalibrierung. Ohne Kalibrierung sind Schwebstoffmengenmessungen nicht möglich. Zwischen den verschiedenen Angeboten am Markt bestehen deutliche Unterschiede, die bei der Geräteauswahl individuell, in Abhängigkeit von den Messbedingungen, zu berücksichtigen sind. Zu beachten sind der funktionale Zusammenhang zwischen Geräteanzeige und tatsächlichem Schwebstoffgehalt sowie eine möglichst geringe Messunsicherheit.

Für den Dauerbetrieb im Gewässer ist ein zuverlässiges Reinigungssystem für den Messsensor, ergänzt um regelmäßige Wartung wichtig. Die praktische Erfahrung zeigte, dass ein schlecht gewartetes Reinigungssystem nicht nur nicht funktioniert, sondern den frisch gereinigten Messsensor rasch wieder verschmutzen kann (am Beispiel eines Wischers festgestellt). Mikroluftblasen am Sensor können ebenfalls zu Störungen führen.

Bei der Auswahl der Messstelle und der Anordnung der Trübungssonde im Gewässer sind neben der vollständigen Durchmischung (repräsentative Konzentration am Messpunkt für die Integration über den gesamten Abflussquerschnitt) noch die Faktoren Messwertverfälschung durch Luftblasen, Verschmutzungsrisiko (physikalisch, chemisch und biologisch), Wartungsmöglichkeit sowie Auswirkungen auf die Messstelle bei Hochwasser zu beachten.

Dank an alle Firmen, die Messgeräte für diese Untersuchung kostenlos zur Verfügung gestellt haben.

Bei Fragen zum Projekt beziehungsweise praktischen Einsatz von Trübungssonden wenden Sie sich bitte an uns.

Veröffentlicht am 30.05.2006, IWB - Institut für Wasserbau und hydrometrische Prüfung