DE19737448C2 - Sedimentationsfalle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sedimentationsfalle.

Die genaue Kenntnis der Sedimentationsraten von organischem und anorganischem partikulärem Material in Seen und Flüssen ist eine wesentliche Voraussetzung für die Klärung einer Vielzahl ökologischer Fragestellungen. So ist die Kenntnis des Stoffrückhaltes notwendig, um z. B. Vorhersagen für Verlandungserscheinungen aufzustellen, die Entwicklung verschiedener Habitate einzuschätzen und Schadstoffbelastungen zu prognostizieren. Die Kenntnis der Sedimentation ist im Bereich der Gewässerökologie weiterhin wichtig, um die Funktionsweise aquatischer Ökosysteme zu verstehen und Prognosen für die Entwicklung planktischer Organismen unter Einwirkung natürlicher und antropogener Faktoren geben zu können.

Bei Verwendung von flachen Sedimentationsfallen, die meistens bündig in den Gewässergrund "eingebaut" werden und mit natürlichem Sohlmaterial gefüllt oder belegt sind, wird das sich unmittelbar am Gewässerboden bewegende Material eingefangen. Zwar wirken bei derartigen flachen Fallen die Schubspannungen ähnlich wie auf dem Gewässerboden und verfälschen dadurch die Fangrate nicht, aber es ergaben sich Probleme durch Zusatzfänge in den Interstitialräumen und bei der Materialentnahme. Auch der Versuch, mit Steinen belegte Flächen zu verwenden, um so den Grund nachzubilden, führten zu Ergebnissen, die mit Modellbetrachtungen im Widerspruch standen.

Weiterhin sind zylinderförmige Sedimentationsfallen bekannt, die zur Zeit als Standardgerät zur Bestimmung der Partikelsedimentation gebräuchlich sind.

Beispielsweise sind in "Aquatic Sciences", 58/4, 1996, S. 283 bis 296 verschiedenartige Sedimentationsfallen beschrieben, die eine als Meßwertaufnehmer ausgebildete Sedimentationsfalle sowie Mittel zur Messung und Auswertung von Sedimentationsraten aufweisen.

Zylinderförmige Sedimentationsfallen haben aber den Nachteil, daß sie - bedingt durch ihre Gestaltung - im turbulenten Wasser ein Mehrfaches an Sediment "fangen", als auf der darunterliegenden Fläche am Gewässerboden sedimentiert. Dies wird dadurch erklärt, daß die am Gewässerboden vorherrschenden Grenzschicht- und Schubspannungsverhältnisse durch die bisher bekannten Sedimentationsfallen nicht nachgebildet werden, und damit die Fangraten um ein Mehrfaches höher liegen. Somit ist der sinnvolle Einsatz der bekannten zylinderförmigen Sedimentationsfallen auf schwach bewegte und ruhende Gewässer begrenzt. Außerdem gestatten die bisher dem Stand der Technik nach bekannten flachen Sedimentationsfallen nicht die sichere und verlustarme Bergung des eingefangenen Sediments für eine spätere Auswertung.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Sedimentationsfalle anzugeben, die eine unverfälschte Fangrate garantiert und auch ein Einfangen der sedimentierenden Partikel in bewegten Gewässern ermöglicht, leicht handhabbar ist und die das eingefangene Sediment für folgende Auswertungen bis zur Bergung sicher fixiert.

Erfindungsgemäß besteht die Sedimentationsfalle aus einem zwischen einer oberen Stellung und einer unteren Stellung in einer Führung vertikal beweglichen Kolben, dessen obere Deckfläche die Sammelfläche ist, die in der oberen Stellung des vertikal beweglichen Kolbens von einem unbeweglichen Anlaufrand umgeben ist, wobei die Oberfläche des Anlaufrandes und die obere Deckfläche des Kolbens in einer Ebene liegen, einer Platte, die die Sammelfläche überdacht und in der unteren Stellung des Kolbens die Öffnung des Anlaufrandes abschließt, wobei die Platte einen solchen Abstand zur Sammelfläche hat, bei dem sich eine ungestörte Sedimentation einstellt, und einem Hohlkörper, der die unterhalb des Anlaufrandes angeordneten Bestandteile der Sedimentationsfalle umschließt.

In der erfindungsgemäßen Lösung besteht die eigentliche Sedimentationsfläche aus einer ebenen Sammelfläche, der ein Anlaufrand vorgelagert ist. Dieser Anlaufrand hat die Aufgabe, durch seine Größe und durch die Gestaltung seiner Oberfläche (Welligkeit und Rauhigkeit) sicherzustellen, daß sich die für den Sedimentationsprozeß auf dem Gewässerboden maßgeblichen Grenzschicht- und Schubspannungsverhältnisse an der Sammelfläche einstellen können. Überstreicht das mit sedimentierbaren Partikeln beladene Fluid den Anlaufrand, so stellt sich bis zur Sedimentationsfläche, je nach Strömungsgeschwindigkeit eine laminare oder turbulente Grenzschicht ein, in dessen zähen Unterschicht die Partikel sinken und sedimentieren können. Durch eine entsprechende Gestaltung von Anlaufrand und Sammelfläche (z. B. Belegung mit Steinen oder Muscheln) lassen sich auf der vorgeschlagenen Sedimentationsfalle Grenzschicht- und Schubspannungs­ verhältnisse erzeugen, die adäquat zum Gewässerboden sind.

Zu Beginn der Expositionszeit befindet sich der Kolben am oberen Anschlag der Führung, so daß er in einer Ebene mit dem Anlaufrand ist. Oberhalb der Sedimentationsfläche (Kolben) befindet sich im Abstand von mehreren Zentimetern ein Dach, welches über Dachhalterungen mit der Sedimentationsfläche starr verbunden ist.

Am Ende der Expositionszeit senkt sich die Sammelfläche mit dem darauf "gefangenen" Sediment in ihrer Führung ab, wodurch das Sediment in das Innere der Sedimentationsfalle transportiert wird. In der unteren Stellung des Kolbens verschließt das Dach die Sedimentationsfalle, so daß gewährleistet ist, daß kein Sediment bei der Bergung der Falle verloren gehen kann.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Partikelsedimentation in stehenden und bewegten Flüssigkeiten, vornehmlich im Wasser von Flüssen, Flachseen, Meeresbuchten, Kanälen, Hafenbecken und technischen Behälter (z. B. Absetzbecken von Kläranlagen) gemessen werden. Die Vorrichtung ermöglicht im bewegten Wasser die Bestimmung der Sedimentationsraten, die den realen Sedimentationsraten am Gewässerboden entsprechen.

In einer Ausführungsformen der Erfindung ist vorgesehen, daß die Oberfläche des Anlaufrandes und der Sammelfläche mit einer solchen Welligkeit und Rauhigkeit ausgebildet ist, daß sie in ihren hydrodynamischen Eigenschaften den konkreten Bedingungen des Gewässerbodens am Meßort entsprechen und somit den Gewässerboden bezüglich des Sedimentationsverhaltens nachbilden.

In einer anderen Ausführungsform ist die Breite des Anlaufrandes in Abhängigkeit des Gewässers so groß, daß sich auf der Sammelfläche vergleichbare Grenzschicht- und Schubspannungsverhältnisse wie auf dem Gewässerboden einstellen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung und ihrer vorteilhaften Ausführungsformen werden im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Figuren näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1: schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Sedimentationsfalle;

Fig. 2: eine Sedimentationsfalle gem. Fig. 1 während der Meßwertaufnahme;

Fig. 3: eine Sedimentationsfalle gem. Fig. 1 nach Abschluß der Messung. In dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Aufbau einer erfindungsgemäßen Sedimentationsfalle ist die Sammelfläche, auf der sich das Sediment ablagert, einem Gewässergrundabschnitt, für den mit der Sedimentationsfalle die Sedimentationsraten bestimmt werden sollen, in ihren Welligkeits- und Rauhigkeitseigenschaften nachgebildet.

So ist in einem Hohlzylinder 1, der in diesem Ausführungsbeispiel gleichzeitig die Führung bildet, ein zylindrischer Kolben 2 beweglich angeordnet, dessen obere Kreisfläche die eigentliche Sammelfläche 3 bildet. Der Sammelfläche 3 vorgelagert ist ein Anlaufrand 4. Dieser Anlaufrand 4 hat die Aufgabe, durch seine Größe und durch die Gestaltung seiner Oberfläche (Welligkeit und Rauhigkeit) sicherzustellen, daß sich die für den Sedimentationsprozeß auf dem Gewässerboden maßgeblichen Grenzschicht- und Schubspannungsverhältnisse an der Sammelfläche 3 einstellen. Überstreicht das partikelbeladene Fluid 5 die Sedimentationsfalle, so stellt sich durch den Anlaufrand 4 bis zur Sammelfläche 3, je nach Strömungsgeschwindigkeit eine laminare oder turbulente Grenzschicht ein, in deren zähen Unterschicht die Partikel sinken und sedimentieren können. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, daß ein Durchmesser der Sammelfläche 3 von 150 mm zweckmäßig ist. Bei diesen Dimensionen ist die Falle noch gut handhabbar und bei durchschnittlichen Partikelbelastungen der Gewässers erhält man bei vertretbaren Meßzeiten ausreichend sedimentiertes Material für weitere Auswertungen und Untersuchungen. Für den Anlaufrand 4 erwies sich für Strömungsgeschwindigkeiten bis 0,2 m/s eine Breite von 75 mm als ausreichend, um auf der Sammelfläche 3 ungestörte Sedimentationsbedingungen zu erzeugen. Für höhere Strömungsgeschwindigkeiten ist ein breiterer Anlaufrand erforderlich.

Oberhalb der Sammelfläche 3 befindet sich im Abstand von mehreren Zentimetern ein Dach 6, welches über Dachhalterungen 7 mit der Sammelfläche 3 starr verbunden ist. Dieses Dach 6 beeinträchtigt den Sedimentationsprozeß auf der Sammelfläche 3 nicht. Da die horizontale Fließgeschwindigkeit in den zu untersuchenden Gewässern gewöhnlich um mehr als den Faktor 100 größer als die Partikelsinkgeschwindigkeit ist, werden Partikel, die in einer Höhe von mehreren Millimetern durch die Strömung an den Rand der Sammelfläche 3 getragen werden, aufgrund ihrer geringen Sinkgeschwindigkeit ohnehin nicht auf dieser Fläche sedimentieren. Wenn also sichergestellt ist, daß der Bereich bis maximal einem Zentimeter über der Sammelfläche 3 von den anderen Aufbauten nicht beeinflußt wird, kann man von einem ungestörten Sedimentationsprozeß ausgehen. Diese Bedingungen sind in dem in Fig. 1 vorgestellten Ausführungsbeispiel erfüllt. Hier beträgt der Abstand zwischen der Sammelfläche 3 und dem Dach 6 33 mm.

Das Dach 6 erfüllt zwei wichtige Funktionen. Zum ersten schützt es die Sedimentationsfläche vor groben Störungen, wie z. B. Abweiden des Sedimentes durch Fische. Zum zweiten dient es als Verschluß für das "gefangene" Sediment am Ende der Expositionszeit.

Während der Exposition der Vorrichtung im Gewässer bilden der Anlaufrand 4 und die Sammelfläche 3 eine ebene Fläche. Um diese Position einzustellen, wird der Kolben 2 über den Hydraulikanschluß 8 hydraulisch im Hohlzylinder 1 in die entsprechende Position bewegt, wie in Fig. 2 dargestellt.

Am Ende der Expositionszeit wird der Kolben 2 hydraulisch nach unten bewegt. Dadurch bewegt sich das "gefangene" Sediment in das Innere der Sedimentationsfalle. Am Ende dieser Phase verschließt das Dach 6 den Hohlzylinder 1, wie in Fig. 3 gezeigt, so daß das Sediment für eine sofortige oder spätere Bergung sicher fixiert ist.

Wird die Vorrichtung nach Fig. 1 oberhalb des Gewässerbodens exponiert, so muß das Fangergebnis mit dem Verhältnis der vorherrschenden Partikelkonzentrationen von Gewässerboden und Meßort korrigiert werden.

Nach dem Bergen der Vorrichtung am Ende der Expositionszeit, kann das eingeschlossene Sediment resuspendiert und die Trockenmasse des Sedimentes nach Filtration bestimmt werden.

Claims (3)

1. Sedimentationsfalle, bestehend aus einem zwischen einer oberen Stellung und einer unteren Stellung in einer Führung vertikal beweglichen Kolben (2), dessen obere Deckfläche die Sammelfläche (3) ist, die in der oberen Stellung des vertikal beweglichen Kolbens (2) von einem unbeweglichen Anlaufrand (4) umgeben ist, wobei die Oberfläche des Anlaufrandes (4) und die obere Deckfläche des Kolbens (2) in einer Ebene liegen, einer Platte (6), die die Sammelfläche (3) überdacht und in der unteren Stellung des Kolbens (2) die Öffnung des Anlaufrandes (4) abschließt, wobei die Platte (6) einen solchen Abstand zur Sammelfläche (3) hat, bei dem sich eine ungestörte Sedimentation einstellt, und einem Hohlkörper (1), der die unterhalb des Anlaufrandes (4) angeordneten Bestandteile der Sedimentationsfalle umschließt.

2. Sedimentationsfalle nach Anspruch 1, bei der die Oberfläche des Anlaufrandes (4) und der Sammelfläche (3) mit einer solchen Welligkeit und Rauhigkeit ausgebildet ist, daß sie in ihren hydrodynamischen Eigenschaften den konkreten Bedingungen des Gewässerbodens am Meßort entsprechen und somit den Gewässerboden bezüglich des Sedimentationsverhaltens nachbilden.

3. Sedimentationsfalle nach Anspruch 1, bei der die Breite des Anlaufrandes (4) in Abhängigkeit des Gewässers so groß ist, daß sich auf der Sammelfläche (3) vergleichbare Grenzschicht- und Schubspannungs­ verhältnisse wie auf dem Gewässerboden einstellen.