DE3234283A1

DE3234283A1 - Verfahren zur dichtebestimmung von sedimenten auf gewaesserboeden

Info

Publication number: DE3234283A1
Application number: DE19823234283
Authority: DE
Inventors: Rolf Ing.(grad) 2800 Bremen Ziese
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1982-09-16
Filing date: 1982-09-16
Publication date: 1984-03-22
Also published as: DE3234283C2

Description

Verfahren zur Dichtebestimmung
von Sedimenten auf Gewässerböden Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dichtebestimmung von Sedimenten auf Gewässerböden, insbesondere von Schlickschichten in Hafenbecken, Fahrrinnen od. dgl..
In Hafenbecken und Fahrrinnen ist es von Zeit zu Zeit notwendig, auf dem Meeresgrund sich ablagernde Schlickschichten abzubaggern, um die für den Schiffsverkehr erforderliche freie Wassertiefe zu garantieren. Dabei müssen im wesentlichen nur solche Schlickschichten entfernt werden, deren Dichte so groß ist, daß der dem in die Schlickschicht eintauchenden Schiffskiel entgegengesetzte Fahrwiderstand ein zulässiges Maß überschreitet. Schlickschichten nur geringer Dichte hingegen sind, da sie vom Schiffskiel ungehemmt durchdrungen werden können, ungefährlich und müssen erst bei zunehmender Dichte beseitigt werden.
Aus Kostengründen wäre es daher vorteilhaft, Baggerarbeiten zum Schlickabbau erst dann vorzunehmen, wenn die Schlickdichte einen bestimmten Wert erreicht hat. Dies setzt jedoch ein einfaches, praktikables und rentables Verfahren zur Dichtebestimmung der Schlickschichten voraus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem auf Echolotbasis eine Dichtebestimmung von Sediment ten durchführbar ist.
Die Aufgabe ist bei einem Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß es auf dem Prinzip der Echolotung mit einem Schallsender und Schallempfänger beruht und damit vom fahrennen Schiff oder schwimmenden Arbeitsgerät aus ohne aufwendige Installations- und Vorbereitungsarbeiten an beliebigen Orten im Hafenbecken oder in der Fahrrinne eingesetzt werden kann. Die. Genauigkeit der Dichtebestimmung ist zumindest für den beschriebenen Einsatzzweck des Schlickabbaus in Schiffahrtsstraßen überaus ausreichend.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Dichtebestimmung im nachfolgenden näher beschrieben. Dabei zeigt die Zeichnung ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des Dichtebestimmungsverfahrens.
Die Vorrichtung, in welche im wesentlichen ein Echolot integriert ist, weist einen an einem Sendegenerator 10 angeschlossenen Unterwasser-Schallsender 11 zum Aussenden gerichteter Schallimpulse (z. B. kurze CW-Schallimpulse) und einen Unterwasser-Schallempfänger 12 für die aus dem Lotbereich zurückkehrenden Echos auf. Schallsender 11 und Schallempfänger 12 sind an einem meeresbodenfernen Meßort 20 angeordnet, z. B.
auf einem Schiff oder schwimmenden Arbeitsgerät wie Saugbagger od. dgl.. Der Sendegenerator 10 erzeugt zwei unterschiedlich hohe Frequenzen, sog. Primärfrequenzen, von welchen mindestens eine variierbar ist, die gleichzeitig über den Schallsender 11 von dem Meßort 20 aus nach unten ins Wasser abgestrahlt werden. In einem Beispiel beträgt die eine Primärfrequenz konstant 50 kHz, während die andere in einem Frequenzbereich zwischen 38 bis 47 kHz verändert werden kann. Der Schallempfänger 12 empfängt Echos mit wenigstens einer der Primärfrequenzen und infolge der bekannten nicht linearen Übertragungseigenschaft des Wassers eine Differenzfrequenz, auch parametrische Frequenz genannt, welche der Differenz zwischen den Primärfrequenzen entspricht, im Beispiel also je nach Wahl der variablen Primärfrequenz zwischen 12 und 3 kHz beträgt.
Mit den vom Schallsender 11 zum Meeresboden hin abgestrahlten beiden Primärfrequenzen und der im Wasser sich ausbildenden Differenz - oder parametrischen Frequenz wird ein den Meeresboden überdeckendes Sediment beschallt und damit Grenzschichten an oder in dem Sediment akustisch geortet, so z. B. die obere und untere Grenzschicht einer Schlickschicht mit im wesentlichen konstanter Dichte. Die obere Grenzschicht liegt dabei an der Grenzstelle Wasser/Schlick und die untere Grenzschicht an einer Trennstelle im Schlick, bei welcher ein Dichtesprung auftritt, z. B. zwischen einer stark verfestigten Schlickschicht und mehr wäßrigen Schlickschicht, sog. Mud, oder zwischen einer Schlickschicht und dem Meeresboden. Die vom Schallsender 11 abgestrahlten Schallimpulse werden dabei an den Grenzschichten reflektiert und als Grenzschicht-Echos von dem Schall empfänger 12 erfaßt. Während dabei die hohen Primärfrequenzen an der oberen Grenzschicht weitgehend vollständig reflektiert werden, dringt die tiefe Differenzfrequenz in die Schlickschicht ein und wird erst an der unteren Grenzschicht aufgrund des Dichtesprungs reflektiert. Die Eindringtiefe ist dabei abhängig von der gewählten Differenzfrequenz.
Die an den Grenzschichten erzeugten und vom Schallempfänger 12 aufgenommenen Echos werden über Frequenzfilter 13, 14, die auf eine der Primärfrequenz, vorzugsweise der konstanten Primärfrequenz von 50 kHz, bzw.
auf die Differenzfrequenz abgestimmt sind, Jeweils einem Echodetektor 15 bzw. 16 zugeführt. In bekannter Weise bestimmt jeder Echodetektor 15, 16 aus der Schalllaufzeit die Entfernung r und r der Grenzschichten zu 0 u dem Schallempfäng-er 12, also zum Meßort 20. Ein Ausführungsbeispiel eines Echodetektors, wie er auch hier verwendet werden kann, ist in der DE-PS 15 66 852 beschrieben. Die Echodetektoren 15, 16 bestimmen weiterhin aus den Amplituden der detektierten Echos die Echopegel.
Die in den Echodetektoren 15, 16 ermittelten Bestimmungsgrößen Entfernung rO der oberen Grenzschicht und Echopegel ELo der an der oberen Grenzschicht erzeugten Echos (Echodetektor 15) und die Entfernung ru der unteren Grenzschicht und der Echopegel EL der an der unteren u Grenzschicht erzeugten Echos (Echodetektor 16), werden einem Rechner 17 zugeführt, der aus den Bestimmungsgrößen die Dichte g der Schlickschicht berechnet und mittels eines Anzeigegerätes 18 ausgibt.
Aus den von dem Echodetektor 15 gelieferten Bestimmungsgrößen berechnet der Rechner 17 zunächst die an der oberen Grenzschicht auftretenden Reflexionsverluste BL o gemäß G1. (1) und (2).
TLo = 20 lg 2ro - a.2ro -BLo (1) TLo = SL-ELo (2), wobei: SL = Sendepegel ELo = Echopegel obere Grenzschicht TLo = Ubertragungsverlust im Bereich Meßort/obere Grenzschicht rO = Entfernung Meßort/obere Grenzschicht a = Dämpfungskoeffizient in Wasser sind.
Der Dämpfungskoeffizient a ist frequenzabhängig (Frequenz f) und z. B. für 100 C Wassertemperatur zu berechnen mit Mit den berechneten Reflexionsverlusten BLo an der oberen Grenzschicht berechnet der Rechner 17 den Dämpfungskoeffizienten a' in der Schlickschicht gemäß G1. (4) und (5) und aus diesen die Dichte # nach Gel.(6).
TLu = 20 lg 2ru-a.2ro-a' . (2ru-2ro)-2 BLo-BLu (4) TL = SL-EL (5) u u a' = (9,67.10-4 # -0.875)f. dB (6) m wobei: SL = Sendepegel EL = Echopegel untere Grenzschicht u TL = Ubertragungsverluste im Bereich u Meßort/untere Grenzschicht rO = Entfernung Meßort/obere Grenzschicht ru = Entfernung Meßort/untere Grenzschicht a = Dämpfungskoeffizient Wasser a' = Dämpfungskoeffizient Schlick BL = Reflexionsverluste an der oberen o Grenzschicht BLu = Reflexionsverluste an der unteren Grenzschicht sind.
Da die Reflexionsverluste BLu an der unteren Grenzschicht unbekannt sind, wird die Ortung der unteren Grenzschicht mit einer Differenzfrequenz wiederholt, die vorzugsweise um eine Oktave höher oder niedriger liegt als die bei der vorangehenden Ortung der unteren Grenzschicht verwendete Differenzfrequenz. Im Beispiel ist die Differenzfrequenz für die erste akustische Ortung der unteren Grenzschicht mit 6 kHz und die Differenzfrequenz zur zweiten Ortung der unteren Grenzschicht mit 3 kHz gewählt. Bei den zeitlich aufeinanderfolgenden Ortungen der unteren Grenzschicht wird daher die variable Primärfrequenz des Sendegenerators auf 44 kHz bzw. 47 kHz eingestellt.
Der von dem Echodetektor 16 bei der zweiten Ortung bestimmte Echopegel wird ebenfalls dem Rechner 17 zugeführt. Unter Einbeziehung der ermittelten bzw. berechneten Bestimmungsgröße BLo, ro, ru stehen mit den bei den beiden Ortungen der unteren Grenzschicht erhaltenen Echopegeln ELUl und EL im Rechner 17 ein Gleichungssystem aus zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten, der frequenzunabhängigen Größe BL und der frequenzabhängiu gen Größe a', zur Verfügung, das ohne weiteres lösbar ist. Aus G1. (6) bestimmt sich dann die Dichte g der Schlickschicht, die mittels des Anzeigegerätes 18 sichtbar gemacht wird.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist es nicht zwingend, die obere Grenzschicht des Sediments mit einer hohen Primärfrequenz zu orten. Theoretisch ist auch die Ortung der oberen Grenzschicht mit der gleichen Differenzfrequenz möglich, mit welcher auch die untere Grenzschicht beschallt wird. Die Verwendung der hohen Primärfrequenz ermöglicht jedoch eine wesentlich bessere Echo erkennung an der oberen Grenzschicht und eine genauere Echoauswertung, als dies mit der tiefen Differenzfrequenz möglich wäre.
Auch kann auf die Bestimmung des Echopegels der oberen Grenzschichtechos verzichtet werden, wenn ein entsprechender, aus den G1. (4) und (5) unter Berücksichtigung der Ortung mit zwei verschiedenen tiefen Frequenzen sich ergebender Algorithmus im Rechner 1/ verwendet wird. Wenn man davon ausgeht, daß die Reflexionsverluste an der oberen Grenzschicht frequenzunabhängig sind, so entfällt die Unbekannte BLo in dem Gleichungssystem. Die Auswertung der oberen Grenzschichtechos dient dann nur noch der Bestimmung der Entfernung rO.
Weiterhin ist es nicht notwendig,für Schallsender und Schallempfänger jeweils einen gesonderten elektroakustischen Wandler zu verwenden, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Für Sender und Empfänger kann in bekannter Weise ein einziger elektroakustischer Wandler benutzt werden. Anstelle der Echopegel können auch die Echoamplituden zur Dichteberechnung herangezogen werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE < Verfahren zur Dichtebestimmung von Sedimenten auf Gewässerböden, insbesondere von Schlickschichten in Hafenbecken, Fahrrinnen od. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß von einem außerhalb des Sediments liegenden Meßort (20), vorzugsweise von oder nahe der Gewässeroberfläche, aus eine obere und eine untere Grenzschicht eides Sediments akustisch aktiv geortet werden, daß die Ortung der unteren Grenzschicht mit zwei unterschiedlichen Schallfrequenzen durchgeführt wird, daß mit den am Meßort (20) empfangenen Grenzschicht-Echos die Grenzschichtentfernungen (rO, ru) zum Meßort (20) und zumindest die Echopegel (EL) der unteren Grenzschicht-Echos bestimmt werden und daß mit den Echopegeln (EL) und den Grenzschichtentfernungen (r01 ru) die Dichte (Q ) des zwischen den Grenzschichten befindlichen Sediments berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich der Echopegel (EL) der oberen Grenzschicht-Echos bestimmt und in die Dichterechnung einbezogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ortung der unteren Grenzschicht das Sediment jeweils mit Schallimpulsen niedriger, in das Sediment eindringender Frequenz beschallt wird, die vorzugsweise im Wasser als parametrische Frequenz aus der Abstrahlung von Schallimpulsen mit um die parametrische Frequenz differierenden hohen Primärfrequenzen gewonnen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Ortung der unteren Grenzschicht verwendeten beiden Schallfrequenzen um eine Oktave auseinanderliegen und vorzugsweise durch Ändern mindestens einer der Primärfrequenzen gewonnen werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ortung der unteren Grenzschicht mit zwei unterschiedlichen Schallfrequenzen zeitlich nacheinander mit jeweils einer Schallfrequenz durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß zur Ortung der oberen Grenzschicht das Sediment mit Schallimpulsen hoher Frequenz, vorzugsweise einer zur Erzeugung der parametrischen Frequenzen verwendeten Primärfrequenz, beschallt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Schallimpulse mit um eine niedrige Differenzfrequenz sich unterscheidenden hohen Primärfrequenzen ausgesandt und empfangene Echos frequenzselektiert werden und daß nur Echos mit einer der Differenzfrequenz und mit einer einer der Primärfrequenzen entsprechenden Frequenz ausgewertet werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschichtentfer nungen (rO, ru) in bekannter Weise aus der Laufzeit der zur Ortung der Grenzschichten ausgesandten Schallimpulse bestimmt werden.