Zu einer Besichtigung des Meßschiffes MS „Rheinland“ hatte der VDV-Bezirk Duisburg am 23. April 2009 seine Mitglieder nach Rheinberg-Orsoy (Niederrhein) eingeladen. Kollege Dipl.-Ing. Klaus Bender organisierte nach 1991 und 2000 eine weitere Besichtigung.
Einleitung
Gesetzliche Regelungen
Nach Art. 89 GG ist der Bund Eigentümer der früheren Reichswasserstraßen, die er durch eigene Behörden verwaltet. Die Zuständigkeit des Bundes für die Verwaltung der Bundeswasserstraßen und für die Regelung des Schiffsverkehrs ist im einzelnen durch das Bundeswasserstraßengesetz, das Binnenschifffahrtsaufgabengesetz, das Seeschifffahrtsaufgabengesetz sowie das Bundeswasserstraßenvermögensgesetz geregelt. Allgemeine Wasserwirtschaft, Gewässerreinhaltung und Wassergüte ist Aufgabe der Bundesländer.
Organisation der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung (WSV)
Die dem Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Stadtentwicklung (BMVBS) nachgeordnete Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) gliedert sich in eine Mittel- und Unterinstanz.
Die Mittelinstanz besteht aus 7 Wasser- und Schifffahrtsdirektionen (WSD), die Unterinstanz u.a. aus 39 Wasser- und Schifffahrtsämtern (WSÄ). Das Meßschiff MS „Rheinland“ ist dem WSA Duisburg-Rhein der WSD West Münster zugeordnet.
Im Weiteren gehören zur WSV 4 Oberbehörden: 2 Bundesanstalten, 1 Bundesamt und 1 Bundesstelle, darüberhinaus weitere Dienststellen mit zentralen Aufgaben für den Gesamtbereich der WSV.
Die Aufgabenerfüllung wird mit eigenem Personal und im Regiebetrieb teils mit Unternehmerhilfe bewältigt. Bauplanung, Bauüberwachung und Baudokumentation werden weitestgehend durch WSV-Personal ausgeführt.
Aufgaben der WSV
Unter den zahlreichen Aufgaben der WSV des Bundes fallen die Unterhaltung, der Ausbau und der Neubau von Bundeswasserstrassen einschließlich der behördlichen Genehmigungsverfahren für Planfeststellung und -geneh-migung. Die WSV ist für die Sicherheit und Leichtigkeit des Schiffsverkehrs auf dem Rhein verantwortlich.
Das Meßschiff MS „Rheinland“
Gegen 14 Uhr bei Sonnenschein und angenehmer Temperatur trafen die interessierten Kollegen des VDV-Bezirks Duisburg aus allen Richtungen zusammen, eben auch rheinübergreifend und zu aller Freude legte das Meßschiff stromauffahrend auf die Minute genau linksrheinisch an. Herzlich begrüßt wurde unsere kleine Gruppe (Bild 1) durch die 4 Mann starke Crew. Vorneweg der techn. Angestellte Markus Grütter, unser „Vermessungsmann“. Kaum an Bord, fühlten wir uns so richtig wohl - bei einem Tässchen Kaffee. Und so stellte Herr Grütter zunächst das Schiff vor:
1990 wurde die „Rheinland“, ein Doppelrumpfschiff (Katamaran), auf der Werft „Motorenwerke Bremerhaven“ fer-
tiggestellt. Technische Daten: Länge 31,24 m, Breite 9,95 m, Tiefgang 0,98 m, Antrieb 2 x 185 kW starke Deutz-Motoren. Die ermöglichen eine Anfahrtsgeschwindigkeit von 17-18 km/h bei ruhigem Wasser zu den Einsatzstellen. Besonderheiten: Der Ankerpfahl (dazu später mehr). Messgeräte- und Computerausstattung nach aktuellem Standard, nautische Ausrüstung. Selbstverständlich verfügt das Schiff auch über die vorgeschriebenen Unterkunfts- und Sozialräume. Das Schiff ist mit vielen techn. Details ausgerüstet, die die Wirtschaftlichkeit des Einsatzes noch optimieren. Heimathafen des Meßschiffes ist Wesel. Zu erwähnen seien noch die Kosten des Meßschiffes: Ca. 5,1 Mio DM (1990).
Einsatz und wesentlicher Aufgabenbereich der MS „Rheinland“
Das „Gewässerkundliche Laborschiff“ wird auf dem Rhein von Strom-km 639 (Königswinter) bis Strom-km 868 (niederländische Grenze) zu Vermessungs- und gewässerkundlichen Arbeiten eingesetzt, z.B.
- zur Durchführung von Längspeilungen, Querpeilungen (Rheingrundprofile)
- Abfluß- und Geschwindigkeitsmessungen
- Geschiebemessungen
- Wasserspiegelnivellements
- Strömungsmessungen (ADCP-Gerät)
- Dokumentation.
Der Unterhaltungsbereich über rd. 230 Strom-km ist weiterhin in Außenbezirke - eine Art Wasserstraßenmeisterei-en - unterteilt. Einer davon ist der ABz. Wesel. Wesel ist z.B. für die Strecke von Strom-km 795, Ortslage Orsoy bis km 833 Ortslage Vynen verantwortlich.
Längs- und Querprofile
Herr Grütter erklärt uns, dass zur Sicherstellung der Wassertiefen feste Profile angelaufen werden, wobei eine sehr genaue Einhaltung der Profilquerabweichung (ca. 3-4 m) durch eine Bugruderhilfe möglich ist. Eine praktische Querprofilmessung wurde uns von einem zum anderen Rheinufer vorgeführt. Die genaue Abweichung ließ sich auf dem Monitor (Bild 2) verfolgen. Dabei sind die Anforderungen an den Schiffsführer hoch, muß er dazu noch den gesamten Schiffsverkehr auf dem Strom im Auge behalten. Die Daten werden aufgezeichnet und dokumentiert.
Vor Beginn des Meßvorgangs wird der Pegel abgerufen. Die Positionierung geschieht mittels des Global Positioning System (GPS). Anmeldung beim Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Landesvermesssung SAPOS in Bonn (LVermA) mittels Mobilfunk. Referenzdaten für Lage und Höhe werden auf den SAPOS-Referenzstationen berechnet und für den „Standpunkt“ mit cm-Genauigkeit übermittelt. Diese Methode wird als differentielles GPS (DGPS) bezeichnet. Die geografischen Koordinaten des Meßschiffes werden in das GK-System umgeformt.
ETRS89/UTM-Koordinaten werden nicht verwendet (offizielle Einführung von ETRS89/UTM Europäisches Terre-strisches Referenz System 1989 in der Universalen Transversalen Mercatorabbildung in der Katastervermessung am 01.01.2009).
Die Daten der GNSS-Satellitenantenne werden mittels einer Konstanten zwischen Antenne und Eintauchtiefe des Schiffes auf den Wasserspiegel projiziert, die Wassertiefe (Sohlhöhe) wird mittels Echolot bestimmt. Im Querprofil werden dargestellt:
- der Aufnahmewasserstand NHN (Normalhöhennull im Deutschen Haupthöhennetz 1992)
- der Gewässerkundliche Bezugshorizont NHN
(Der Bezugshorizont ist der Gleichwertige Wasserstand GLW. Er wird alle 10 Jahre von der
Zentralkommission der Rheinanliegerstaaten festgelegt)
- die Querabweichung
- der Fahrrinnenkasten mit den Maßen 2,80 m für die Tiefe und 150 m für die Breite der Fahrrinne (unterer Niederrhein).
In der Regel werden im Profil die letzte und die aktuelle Messung dargestellt und farblich unterschieden, so dass Veränderungen gleich erkannt werden.
Die Abarbeitungszeit für die festen Profile (Emmerich bis Königswinter) dauert ca. 3 Wochen, erklärte uns Herr Grütter. Auf dem gesamten Rhein werden alle 2 Jahre durchgehende Querprofilmessungen ausgeführt. Nur bei extremem Hochwasser werden die regelmäßigen Messungen abgebrochen.
Abfluß- und Strömungsmessungen (ADCP-Gerät = Ultraschall-Doppler-Gerät)
Die dringend erforderlichen Durchfluß- und Strömungsmessungen werden mit einem Gerät ausgeführt, das mit der Ultraschall-Doppler-Technik arbeitet. Das vor gut 15 Jahren in den USA entwickelte Gerät hat die Bezeichnung Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP). Die Bauart ist auf das Meßschiff „Rheinland“ abgestimmt und hat die entsprechende Auswertesoftware. Das 1.200 kHz-Breitband-ADCP ist für die Wassertiefen des Rheinstromes ausreichend geeignet. Es wird vor dem Bug des Schiffes montiert. Vier Schallwandler in Form von Keramikplatten (tauchen ins Wasser) arbeiten in kurzzeitigem Wechsel als Sender und Empfänger von Ultraschallimpulsen. Ein angeschlossenes Kabel sorgt zum einen für die Stromversorgung des ADCP und zum anderen leitet es die Meßdaten an einen Rechner weiter.
Referenzpunkte am Ufer zur Positionsbestimmung sind für eine Strömungsmessung nicht erforderlich. Die Fahrt des Schiffes (so auch des ADCP) von Ufer zu Ufer könnte im Extremfall im Zick-Zack-Kurs und auch mit unterschiedlicher Geschwindigkeit erfolgen. Dabei wird das Wasser unter dem ADCP akustisch „abgetastet“. Zur Ermittlung eines Strömungsprofils wird das Echo in Zeitfenster zerlegt. Den sog. Zellen (Tiefenzellen) werden Reflektionszeiten zugeordnet, die sich aus den Entfernungen der Zellen zu den Wandlern und den Schallgeschwindigkeiten ergeben. Aus dem Echo einer Tiefenzelle wird die mittl. Strömungsgeschwindigkeit dieser Tiefenzelle ermittelt. Die ADCP-Geschwindigkeit über der Stromsohle wird ebenfalls durch Ausnutzung des Doppler-Effekts, also durch die unterschiedlichen Schallreflektionen (Dopplerverschiebungen) zur Stromsohle ermittelt. Bei der Wassertiefenmessung greift wieder das Prinzip des Echolotes. Die Tiefe T ergibt sich aus T = ½ x v x t , wobei v die Geschwindigkeit des Schalls im Wasser und t die doppelte Laufzeit bedeuten.
Die Rohdaten werden im Rechner gespeichert, weiter verarbeitet und je nach Wunsch grafisch auf dem Bildschirm dargestellt. Das Profil wird in einen Kernbereich und 2 Uferbereiche aufgeteilt. Ergebnisse (Durchflußanteile) für den Uferbereich müssen extrapoliert werden. Das Gerät hat seine Grenzen im Niedrigwasser! Während der Fahrt kann man natürlich auf dem Bildschirm u.a. den aktuellen Meßpfad sowie die Strömungsvektoren verfolgen (im Grundriß). Ebenso lassen sich im anderen Modus der Meßquerschnitt sowie das Strömungsprofil anzeigen (Sohltiefe in m, Breite des Profils in m und Strömungsgeschwindigkeit in cm/s).
Geschiebemessungen - Ankerpfahl
Durch das stetig wachsende Verkehrsaufkommen auf dem Rheinstrom, den immer größeren Schiffseinheiten, dem steigenden Anteil von Transporten mit gefährlichen Gütern zwischen dem Seehafen Rotterdam, dem Niederrhein (Binnenhafen Duisburg) und dem Mittel- und Oberrhein stellt die Freihaltung der Fahrrinne sehr hohe Anforderungen an die WSV. Da oberhalb Kölns die Akkumulation (Anlandung) überwiegt und unterhalb mehr die Erosions- (Auskolkungs-) kräfte wirken, sind entsprechende Maßnahmen zu ergreifen. Im Rahmen des Geschiebemanagements Niederrhein (Aufgabenbereich des WSA Duisburg -Rhein) sind ständige Geschiebemessungen unumgänglich. Ziel ist es, 3 Ausbaustrecken in den Griff zu bekommen. Zwischen Köln und Königswinter (bzw. Koblenz) wird die Fahrrinnentiefe auf 2,50 m unter GLW angestrebt. Von Krefeld bis zur niederländischen Grenze ist die Tieferlegung bereits auf 2,80 m unter GLW mittels stationärer Maßnahmen erfolgt. Zum Dritten soll dem defizitären Sohl-volumen, bedingt durch die anhaltende Erosion, durch Geschiebezugaben begegnet werden.
40 km oberhalb von Bingen werden jährlich 70.000 m³ und bei Koblenz jährlich 20.000 m³ Split und Steine dem Strom zugegeben, um die Sohlenerosion am Mittel- und Niederrhein einzugrenzen. Die kostenintensive Geschie-bebewirtschaftung ist ein hydraulisches und morphologisches Phänomen. Nur mit einer Fülle von Meßparametern lassen sich die dynamischen Maßnahmen in den Griff bekommen. Hier ist Fachwissen aus der Hydrologie, der Hydrografie, der Morphologie, der Sedimentologie sowie der Geologie gefragt. Mittels umfangreicher Meßprogramme werden Wasserabfluß und Wasserstand nicht nur durch Messungen am festen Pegel, wie oben bereits beschrieben, sondern auch über Wasserspiegelmessungen flächendeckend sowie den Längsschnitten ermittelt. Die Meßdaten verschiedener Zeiträume werden ins Verhältnis gesetzt. Alle diese Parameter führen schließlich zu den gewünschten Zielparametern bez. Geschiebeart und -menge.
Nach der Ausführung von Pegel- und Querprofilmessung, sowie Beantwortung zahlreicher Fragen zum Geschiebemanagement praktisch durch das ganze Team an Bord des Meßschiffes - man vergaß ja fast das Kaffeetrinken - wurde es noch einmal spannend. Zur Durchführung der Arbeiten mit dem Geschiebefänger, ein Gestänge aus nicht rostendem Stahl, ausgerüstet mit Videokamera und 2 starken Unterwasserscheinwerfern, ca. 300 kg schwer und wohl eine Erfindung des WSA Duisburg-Rhein, musste der 15 m lange Ankerpfahl (verwendbar bis 13 m Wassertiefe unter GLW) ausgefahren werden. Seine Lage hat er zwischen den beiden Schwimmkörpern des Schiffes und über dem Wasserspiegel. Der ca. 30 cm im Rheingrund einsinkende Stahlpfahl erlaubt durch das genaue Verankern des Schiffes ein präzises Abstellen des Geschiebefängers auf der Sohle. Über einen Monitor war das Schauspiel zu betrachten, wie die feinen Sedimente und Gerölle in den Fänger rutschten. Nach einer genau vorgegebenen Zeit wurde der Korb, in dem auch manchmal nicht fachlich Interessantes landet, über die Seilwinde aus dem Wasser gezogen (Bild 3). Alles wurde digital dokumentiert, Geschwindigkeit des Geschiebes, Geschwindigkeit der Strömung, etc., das Material in Plastikbeuteln abgepackt. So kann es zu wissenschaftlichen Auswertungen (Geschiebemanagement) später einem Labor zugeführt werden. Alle Daten summieren sich zu einem sog. Frachtlängsschnitt.
Der Experte verschafft sich so Aufschlüsse über Erosion oder Akkumulation der Rheinsohle. Alle erzielten Ergebnisse gehen wieder in die Grundlagen der Geschiebebewirtschaftung und somit in einen sich ständig wiederholenden Kreislauf.
Dokumentation und Datenaustausch mit den Niederlanden
Alle vor Ort gemessenen Daten und ermittelten Ergebnisse werden z. Z. noch auf DVD dem Büro des WSA zur weiteren Auswertung übergeben, entweder am gleichen Tag oder wenn man sich am „oberen“ Niederrhein befindet, ein paar Tage später.
Da die ermittelten Daten im Bereich der Bundesgrenze mit den Niederlanden auch für die niederländischen Was- ser- und Schifffahrtsverwaltungen von Nutzen sind, werden sie auch dorthin weitergegeben.
Größere neue Baumaßnahmen im Uferbereich, Veränderungen der Uferzonen, Veränderung des Rheinquerschnitts, etc. werden ebenfalls durch die MS „Rheinland“ erfasst.
Für den mit Sicherheit interessanten Nachmittag bedanken wir uns beim WSA Duisburg-Rhein, insbesondere bei Herrn Grütter und seinen Kollegen vom Meßschiff MS „Rheinland“, sowie bei Klaus Bender. Der Nachmittag endete zwar nicht feucht, dennnoch sind wir fröhlich unserer Wege gegangen, in Erinnerung an ein geodätisch interessantes Erlebnis.
Adalbert Nagel