AT14676U1 - Einrichtung zur Überwachung landschaftsverändernder Tätigkeit von Flüssigkeiten auf einer Modellbasis - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung der landschaftsverändernden Tätigkeit von Flüssigkeiten auf einer Modellbasis, enthaltend einen um mindestens zwei quer zueinander verlaufende Achsen (T1, T2) verdrehbaren Sandkasten (1), der mittels Endplatten (9a, 9b), einer Flächenebene (2) und Längsseiten (4, 8) begrenzt zur Aufnahme von Bodenproben (5) geeignet ist und über eine Flüssigkeitsquelle (F) und einen Ablassstutzen (6) verfügt dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenebene (2) des Sandkastens (1) mit Bereichen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f) ausgebildet ist, die senkrecht zur Flächenebene (2) bewegbar sind, die Längsseiten (4, 8) des Sandkastens (1) mit zu den Längsseiten (4, 8) senkrecht bewegbaren Schiebeplatten (4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g, 4h) versehen sind, ein Konsolensystem (K) über dem Sandkasten (1) angeordnet ist, an dem mindestens eine, einem Rechner (C1 ,C2) angeschlossene Kamera (F1, F2, F3, F4, F5, F6, F7, F8) sowie eine Wärmebildkamera (H) befestigt ist, und der Sandkasten (1) mit einer Flüssigkeitsquelle (F) versehen ist, die eine Flüssigkeit mit einer von der Temperatur der Bodenprobe (5) abweichenden Temperatur auf die Bodenprobe (5) leitet.

Description

Beschreibung

EINRICHTUNG ZUR ÜBERWACHUNG LANDSCHAFTSVERÄNDERNDER TÄTIGKEIT VONFLÜSSIGKEITEN AUF EINER MODELLBASIS

[0001] Die Gebrauchsmusteranmeldung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung der land¬schaftsverändernden Tätigkeit von Flüssigkeiten auf einer Modellbasis, enthaltend einen ummindestens zwei quer zueinander verlaufende Achsen verdrehbaren Sandkasten, der mittelsEndplatten, einer Flächenebene und Längsseiten begrenzt zur Aufnahme von Bodenprobengeeignet ist und über eine Flüssigkeitsquelle und einen Ablassstutzen verfügt.

[0002] Im Laufe von rauminformatischer-hydrologischer Modellierung von Hochwassern inGebirgs- und Hügellandschaften wird im Allgemeinen ein Monitoring-Netzwerk in einem außer¬ordentlich beschränkten Einzugsgebiet oder zum Beispiel in dem Wassersystem irgendeinerSiedlung ausgestaltet. Zugleich kann ein solches Warnsystem errichtet werden, welches für dieBestimmung von bei der Erfüllung von vorgegebenen Randbedingungen plötzlich herantreten¬den Überschwemmungen geeignet ist.

[0003] Ähnliche Untersuchungen haben aber von dem Aspekt der Modellierung auf eine Reihevon Problemen hingewiesen. Es ist beinahe unmöglich, ein derart detailliertes Monitoring-Netzwerk aufzubauen, das die auf eine Modellierungsperspektive bezogenen Kenngrößen desbetroffenen Einzugsgebiets fehlerfrei darstellt. Die in Wassersystemen von großem Flächen¬ausmaß verwendeten Konstanten und empirischen Zusammenhänge können mit in Wassersys¬temen kleines Flächenausmaßes verwendeten Modellen nicht korrelieren. In den Vorankündi¬gungen kann kein stochastisches Verhalten programmiert werden.

[0004] Deshalb hat man ein solches physisches Kleinproben-Modellsystem entwickelt, in demHochwasservorgänge, Bodenfeuchtigkeitsvorgänge, Deckungsvorgänge, längerfristig Vorgängeder Flussbettveränderung und tektonische Vorgänge unter kontrollierten Umständen, vonRechnern unterstützt modelliert werden können. US 5,653,592 stellt zum Beispiel eine Einrich¬tung zur Modellierung der Bewegungen des Schwemmwassers eines Flusses oder ähnlicherWasserströmung dar, wobei auf einem angehobenen und geneigten Boden einer Probe einemaßstäbliche Kopie des zu studierenden Flussabschnitts und eine Wasserquelle angeordnetsind, und aus letzterer Probeablagerungen enthaltendes Wasser dem Modell zugeführt werdenkann. Die Einrichtung enthält ferner einen Funktionsgenerator, der ermöglicht, das Wasser demModell zuzuführen, und weist ein digitales mikrometrisches Gleitmesssystem auf, das genaueMessungen mit einer gewählten Probeentnahmefrequenz das Modell entlang ermöglicht.

[0005] Die Firma Little River Forschung & Design, LLC. (514 East Main Street Carbondale,Illinois 62901 - emriver.com) vertreibt eine geomorphologische Modellierungseinrichtung, diezur Simulation von Prozessen mit breitem Ausmaß, z. B. in Überschwemmungsgebieten, Küs¬tengebieten, Schichtenwassern geeignet ist. Auf einem hochkantigen Modellierungstisch, derum drei, voneinander unabhängige Achsen verdrehbar ist, sind eine pro Fraktion gefärbte Bo¬densimulation mit bestimmter Partikelverteilung sowie eine Quelle zum Einführen von Wasserangeordnet.

[0006] Ein Nachteil der erwähnten Lösungen besteht darin, dass sie weder zur kontinuierlichenModellierung der Abläufe noch zu deren vollständiger computerisierten Verarbeitung geeignetsind, vor allem deshalb, weil die - meistens mittels eines kostspieligen Flachbettscannersdurchgeführte - Aufnahme des Flächenprofils, das durch die in das Modell eingeleitete Flüssig¬keit ausgebildet wurde, nur nach der Abführung der Flüssigkeit, gewöhnlich Wasser durchge¬führt werden kann, d. h. die Beobachtung und Dokumentierung der landschaftsveränderndenTätigkeit der Flüssigkeit auf einer Modellbasis nur periodisch ermöglicht ist.

[0007] Ziel des Gebrauchsmusters ist es, eine solche physische Modelleinrichtung (Sandkas¬ten, Modellierungstisch, Geomodell, Schalenkanal, usw.) zu schaffen, die zur kontinuierlichenBeobachtung und Dokumentierung der landschaftsverändernden Tätigkeit der Flüssigkeit aufeiner Modellbasis fähig, ferner nicht nur zu der Modellierung, sondern auch zur rechnergestütz- ten Bearbeitung der Abläufe geeignet ist.

[0008] Die Zielsetzung wurde durch die Herstellung einer Einrichtung zur Überwachung derlandschaftsverändernden Tätigkeit von Flüssigkeiten auf einer Modellbasis verwirklicht, enthal¬tend einen um mindestens zwei quer zueinander verlaufende Achsen verdrehbaren Sandkas¬ten, der mittels Endplatten, einer Flächenebene und Längsseiten begrenzt zur Aufnahme vonBodenproben geeignet ist und über eine Flüssigkeitsquelle und einen Ablassstutzen verfügt,ferner die Flächenebene des Sandkastens mit Bereichen ausgebildet ist, die senkrecht zurFlächenebene bewegbar sind, die Längsseiten des Sandkastens mit zu den Längsseiten senk¬recht bewegbaren Schiebeplatten versehen sind, ferner ein Konsolensystem über dem Sand¬kasten angeordnet ist, an dem mindestens eine, einem Rechner angeschlossene Kamera sowieeine Wärmebildkamera befestigt ist, und der Sandkasten mit einer Flüssigkeitsquelle versehenist, die eine Flüssigkeit mit einer von der Temperatur der Bodenprobe abweichenden Tempera¬tur auf die Bodenprobe leitet.

[0009] Die Einrichtung ist vorzugsweise mit Laser-Entfernungsmessern versehen, die demRechner angeschlossen sind und den Ausmaß der Bewegungen des Sandkastens kontrollie¬ren.

[0010] An dem Konsolensystem sind zahlreiche Kameras in voneinander variierbaren Abstän¬den angeordnet.

[0011] Die Flüssigkeitsquelle ist einem Flüssigkeitsheizgerät angeschlossen.

[0012] Die Flüssigkeitsquelle ist einem Flüssigkeitskühlgerät angeschlossen.

[0013] Die Flüssigkeitsquelle wird vorzugsweise durch eine sich mit dem Sandkasten mitbewe¬gende statische Wassersäule gebildet.

[0014] Das Gebrauchsmuster wird nachstehend anhand einer zweckmäßigen Ausführungs¬form, mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung dargestellt. In der Zeichnung zeigen [0015] Figur 1 einen Sandkasten gemäß des Gebrauchsmusters in perspektivischer Ansicht; [0016] Figur 2 einen Sandkasten gemäß des Gebrauchsmusters in Seitenansicht; [0017] Figur 3 den Anfangszustand und den Endzustand eines Grundbetts, das sich wäh¬ rend der Ausführung eines Tests des Sandkastens gemäß des Gebrauchs¬musters ausgeformt hat; [0018] Figur 4 eine Wärmebildaufnahme zur Bestimmung von tatsächlichen Grundbettform und Wassergeschwindigkeiten; [0019] Figur 5 eine 3D-Darstellung des Endzustands des Tests; [0020] Figur 6 einen Anfangs- und Endstromquerschnitt; und [0021] Figur 7 die Verfolgung der Muster geflochtener Grundbetten.

[0022] Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Einrichtung zur Überwachung,zugleich Dokumentierung der landschaftsverändernden Tätigkeit von Flüssigkeiten auf einerModellbasis in einer schematischen und perspektivischen Darstellung. Die Einrichtung verfügt indieser Ausführungsform einen Sandkasten 1 mit einer Fläche von 4,2 m x 2,5 m und einerentsprechenden Tragfähigkeit für das Tragen einer Bodenprobe 5 von wässriger Konsistenzund einer Dicke von 150 mm, bis zu einer Gesamtmassengrenze von 2,5 t. Der Sandkasten 1kann ±7,5 Grad um seine Längsachse T1 und +10 Grad um seine Querachse T2 in program¬mierter Weise gekippt, geneigt werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kannder Sandkasten 1 auch um eine weitere Achse T3 verdreht werden. Bestimmte Bereiche derFlächenebene 2 des Sandkastens 1, bevorzugt dessen sechs Bereiche 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3fkönnen senkrecht zu der Flächenebene 2 des Sandkastens 1, bevorzugt mit einer program¬mierten Geschwindigkeit von 10 bis 200 mm/Tag um ±120 mm bewegt werden. Die Bodenpro¬be 5 kann aus seitlicher Richtung, senkrecht zu der Längsseite 4 mittels vier Schiebeplatten 4a,4b, 4c, 4d verformt und mindestens zwei Schiebeplatten 4a, 4b, 4c, 4d können mit einer pro¬ grammierten Geschwindigkeit und einer Mindestweglänge von 100 mm pro Schiebeplatte be¬wegt werden. Die Schiebeplatten 4a, 4b, 4c, 4d werden mittels Schrittmotoren M10 bis M13 unddie an der gegenüber der Längsseite 4 des Sandkastens 1 liegenden Längsseite 8 angeordne¬ten Schiebeplatten 4e, 4f, 4g, 4h mittels Schrittmotoren M14 bis M17 bewegt. Der Sandkasten 1ist bezüglich Wasser und Bodenprobe 5 undurchlässig, diese können nur über einen Ablass¬stutzen 6 aus der Anlage entfernt werden.

[0023] Alle Bewegungen des Sandkastens 1, so seine Bewegung um die Achsen T1, T2, T3 istprogramgesteuert und mittels eines Rechners und elektrischen Schrittmotoren M1, M2, M3durchgeführt. Das ermöglicht die Modellierung von sehr langsamen sowie sehr raschen Verän¬derungen. Die bewegbaren Elemente können Hebungen, Senkungen oder Wirkungen vonScherkräften hervorrufen. Die Kontrolle des Ausmaßes der Bewegung wird in einer zweckmäßi¬gen Ausführungsform mittels Laser-Entfernungsmessern 7 (z. B. Leica Disto D3aBT) mit auto¬matischer Rückkopplung und bevorzugt über eine Bluetooth Verbindung durchgeführt.

[0024] Der Sandkasten 1 gemäß dem Gebrauchsmuster kann in der Figur 2 in Seitenansichtbeobachtet werden, und es ist sichtbar, dass das Bewegen der Bereiche 3a, 3d, 3e mittelsSchrittmotoren M4, M5, M6 realisiert werden kann. Die Bereiche 3b, 3c, 3f können auf ähnlicherWeise bewegt werden. Zur Detektierung der sich während der Modellierung abspielendenAbläufe werden zwei Näherungen verwendet. Einerseits werden alle Bildinformationen sowiedie physischen Kenngrößen der sich in dem Modellraum, über der Flächenebene 2 abspielen¬den Abläufe aufgenommen. Der Ablauf des Experiments ist mittels Fotokameras, in dieserAusführungsform mittels acht Fotokameras F1 bis F8 (z. B. CANON 1110 D) dokumentiert. DieKameras sind an einem Konsolensystem K, voneinander in Entfernungen t1 bis t7 angeordnet,wobei in einer Grundeinstellung diese Entfernungen t1 bis t7 30 cm betragen, und die Kamerassind in einer Höhe von 1,2 m über der Flächenebene 2 angeordnet. Die Überdeckung der Bilderbeträgt 80% bei einer Brennweite von 18, wodurch eine 3D-Bildgebung ermöglicht wird. DieFotokameras F1 bis F8 sind über ihre USB Verbindung mittels eines Rechners C1 gesteuert.

[0025] Die tatsächliche Position der in dem Experiment verwendeten Flüssigkeit, zweckmäßigWasser, die Lage des/der jeweiligen aktiven Grundbetts/Grundbetten in der Bodenprobe 5, dieWassergeschwindigkeiten sowie der horizontale Trend der Bodenfeuchtigkeit werden mittelseiner an dem Konsolensystem K befestigten Wärmebildkamera H (z.B. Varioscan 3021 ST)derart bestimmt, dass eine Flüssigkeit F, bevorzugt Wasser, mit einer von der Temperatur derBodenprobe 5 abweichenden Temperatur aus einer Flüssigkeitsquelle auf die Bodenprobe 5gegeben wird, wobei die Flüssigkeitsquelle F in diesem Fall an ein in der Zeichnung nicht dar¬gestelltes Flüssigkeitsheizgerät angeschlossen ist. Das Experiment kann auch mit einer Flüs¬sigkeit durchgeführt werden, die eine niedrigere Temperatur als die Temperatur der Bodenpro¬be 5 aufweist, indem die Flüssigkeitsquelle F einem in der Zeichnung nicht dargestellten Flüs¬sigkeitskühlgerät angeschlossen ist. Der Erfassungsbereich der Wärmebildkamera H fälltzweckmäßig zwischen 8 bis 12 pm und die Temperaturauflösung der Wärmebildkamera Hbeträgt ±0.003 K.

[0026] Durch die Anwendung einer Flüssigkeit mit einer von der Temperatur der Bodenprobe 5abweichenden Temperatur wird es möglich, dass die Flüssigkeit nach der wesentlichen Umla¬gerung der Bodenprobe 5 nicht zuerst über den Ablassstutzen 6 aus dem Sandkasten 1 ent¬fernt, dann wieder eingeführt, dann wieder entfernt werden muss, um die weiteren wesentlichenUmlagerungen der Bodenprobe 5 zu beobachten und die Daten, z.B. mit einem Flachbettscan¬ner, zu erfassen, da die Umlagerung der Bodenprobe 5 mittels der Wärmebildkamera H durch¬gehend beobachtet und über die Zeit aufgenommen werden kann.

[0027] Die Veränderung der Bodenfeuchtigkeit entlang der Tiefe wird mittels an dem Konsolen¬system K angeordneten und von dort in die Bodenprobe 5 eingeleiteten Sensoren (z.B. FabrikatDecagon, Decagon Devices Inc., Pullman, WA, USA) gemessen und die Daten in elektroni¬schen Datenspeichern (z.B. Decagon EM50) gespeichert.

[0028] Die z.B. einzeln gefertigte, nach Farbe und Dichte sowie Partikelgröße sortierte Boden¬probe 5 für die Modellexperimente wird auf der Flächenebene 2 angesammelt. Z.B. graue und schwarze Partikel 1, oder Basalt- und Andesitschrott mit einer Partikelgröße von 0,8 mm. In der0,6 mm-Klasse wird roter Marmorstein und in der 0,2 mm-Klasse beigefarbener Kalkstein an¬gewendet.

[0029] Die Steuerung des Sandkastens 1 sowie die Bildformung und die Datenerfassung wer¬den in zwei Rechnern C1, C2 durchgeführt, die miteinander sowie mit den Schrittmotoren M1bis M7, den Fotokameras F1 bis F6, der Wärmebildkamera H, den Laser-Entfernungsmessern 7sowie dem Strömungsmesser (nicht dargestellt) der Flüssigkeitsquelle F in elektronischer Ver¬bindung stehen. Die Flüssigkeitsquelle F ist zweckmäßig z.B. eine statische Wassersäule miteiner Höhe von 1 m, die sich mit dem Sandkasten mitbewegt, und der Nachschub des Wasserswird mit Wasser vorgenommen, das über ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Flüssigkeits¬heizgerät oder Flüssigkeitskühlgerät eingeleitet wird.

[0030] Der Sandkasten 1 gemäß dem Gebrauchsmuster wurde im Laufe eines grundlegendenExperiments in einem Lauf mit einfach gewählten Kenngrößen getestet. Der durch ebene End¬platten 9a, 9b und Längsseiten 4, 8 der Flächenebene 2 begrenzte Modellraum war um 4 Gradum die Achse T1 geneigt. Als Ausgangsinstallation wurde eine Bodenprobe 5 von 8 cm ver¬wendet. Die Fotoaufnahmen sowie Wärmebildaufnahmen wurden im 30-Sekundentakt angefer¬tigt.

[0031] Die ganze Bodenprobe 5 wurde mit feinem Wassernebel bis einem Feuchtigkeitsniveauvon 40% einheitlich vorbefeuchtet. Um einen schnelleren Prozessablauf zu erreichen, wurde einGrundbett mit einer Tiefe von 2 cm und einem Dreieckquerschnitt die Achse T2 entlang ausge¬formt, da gemäß unseren vorherigen Erfahrungen mangels eines vorgeformten Tals es nicht zueiner Ansammlung in dem Grundbett und die Grundbettausformung kommt, die in den Figuren3 und 3a sichtbar ist.

[0032] Für die Bestimmung der Wassergeschwindigkeiten sowie der aktiven Grundbetten wur¬den Wärmebildaufnahmen verwendet, die mit einer Wärmebildkamera H aufgenommen wurden,da in den Wärmebildaufnahmen die Bewegungsfronten des eingespeisten Heißwassers gutwahrnehmbar sind und die Geschwindigkeit der Bewegung gut abgeleitet werden kann. Füreine genauere Erfassung wird siedendes Wasser periodisch in das System eingespeist (sieheFigur 4 bzw. 4a).

[0033] Aus den im Halbminutentakt gemachten Aufnahmen wurden 3D-Modelle erstellt (sieheFiguren 5 und 5a). Die Veränderung der Querschnitte (siehe Figur 6) sowie der Takt der Materi-al-umlagerungen wurden anhand dieser Aufnahmen studiert.

[0034] Nach der Analyse des Musters, das als Ergebnis des Experiments zustande gekommenist, kann die Folgerung gezogen werden, dass dieses Muster die Eigenartigkeiten geflochtenerFlussbetten (siehe Figuren 7 und 7a) in einer typischen Art darstellt. In dem nicht kohäsivenSediment werden mit steigender Flusswassermenge sich allmählich weitende Flussbettenausgeformt. Das ermöglicht die Flussbettbifurkationen und die Entstehung der verschiedenstenUntiefen, die Bedingungen der geflochtenen Flussbettentwicklung darstellen.

[0035] Die mit die Wirklichkeit unmittelbar beschreibenden Randbedingungen gestarteten Expe¬rimente, sowie deren quantifizierte Ergebnisse bieten die Möglichkeiten zur: [0036] - Präzisierung der räumlichen (nicht auf in diskreten Punkten durchgeführten Messun¬ gen beruhenden) Parametrisierung; [0037] - langfristigen, eventuell durch tektonische Ereignisse beeinflussten Modellierung von sich in Flussbetten und Überschwemmungsgebieten stattfindenden Abläufen; [0038] - durch Messungen unterstützten Verfolgung von Massen- und Volumenveränderungen; [0039] - Modellierung und Planung der Rehabilitation von Überschwemmungsgebieten; [0040] - vollständigen und hoch aufgelösten Quantifizierung der Abläufe.

[0041] Der Vorteil des Sandkastens 1 gemäß dem Gebrauchsmuster verglichen mit den physi¬schen Kleinprobensystemen besteht also darin, dass dieser für durchgehende Modellierungender Abläufe und für deren vollständige rechnerunterstützte Verarbeitung restlos geeignet ist.

Claims (6)

1. Ansprüche 1. Einrichtung zur Überwachung der landschaftsverändernden Tätigkeit von Flüssigkeiten aufeiner Modellbasis, enthaltend einen um mindestens zwei quer zueinander verlaufendeAchsen (T1, T2) verdrehbaren Sandkasten (1), der mittels Endplatten (9a, 9b), einer Flä¬chenebene (2) und Längsseiten (4, 8) begrenzt zur Aufnahme von Bodenproben (5) geeig¬net ist und über eine Flüssigkeitsquelle (F) und einen Ablassstutzen (6) verfügt, dadurchgekennzeichnet, dass die Flächenebene (2) des Sandkastens (1) mit Bereichen (3a, 3b,3c, 3d, 3e, 3f) ausgebildet ist, die senkrecht zur Flächenebene (2) bewegbar sind, dieLängsseiten (4, 8) des Sandkastens (1) mit zu den Längsseiten (4, 8) senkrecht bewegba¬ren Schiebeplatten (4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g, 4h) versehen sind, ein Konsolensystem (K)über dem Sandkasten (1) angeordnet ist, an dem mindestens eine, einem Rechner(C1,C2) angeschlossene Kamera (F1, F2, F3, F4, F5, F6, F7, F8) sowie eine Wärmebild¬kamera (H) befestigt ist, und der Sandkasten (1) mit einer Flüssigkeitsquelle (F) versehenist, die eine Flüssigkeit mit einer von der Temperatur der Bodenprobe (5) abweichendenTemperatur auf die Bodenprobe (5) leitet.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung mit Laser-Entfernungsmessern (7) versehen ist, die dem Rechner (C1, C2) angeschlossen sind undden Ausmaß der Bewegungen des Sandkastens (1) kontrollieren.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zahlreiche Kameras(F1, F2, F3, F4, F5, F6, F7, F8) in voneinander variierbaren Abständen (t1 bis t7) an demKonsolensystem (K) angeordnet sind.
4. 4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüs¬sigkeitsquelle (F) an einem Flüssigkeitsheizgerät angeschlossen ist.
5. 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüs¬sigkeitsquelle (F) an einem Flüssigkeitskühlgerät angeschlossen ist.
6. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine sichmit dem Sandkasten (1) mitbewegende statische Wassersäule die Flüssigkeitsquelle (F)bildet. Hierzu 6 Blatt Zeichnungen