Messung des Wellenaufpralldrucks in Küstenregionen

Unter Druck

Immer wieder gibt es schwere Stürme in Küstenregionen. Diese Unwetter wirken sich auf die Küstenumwelt aus und starke Überschwemmungen können die Folge sein. Um solchen Katastrophen vorzubeugen, werden heutzutage viele Küstendeiche mit Drucksensoren ausgestattet. Diese erlauben es, kontinuierliche Feldmessungen durchzuführen und die Wellenbewegungen zu überwachen.

Eines dieser Projekte zur Küstenüberwachung wurde in Südfrankreich am Artha-Deich, in der Bucht von Saint-Jean de Luz, mit Sensoren des Schweizer Herstellers Keller realisiert. Der Artha-Deich ist ein isolierter Offshore-Standort, d.h. er verfügt über kein Stromnetz. Darüber hinaus sind die Wetterbedingungen während der Sturmperioden extrem. Für die energetische Stromversorgung musste somit ein autonomes System vor Ort installiert werden. Neben einer entsprechenden Robustheit sollte dieses künftig auch genügend Flexibilität gewährleisten, um bei extremen Wetterverhältnissen zuverlässige Felddatenmessungen zu erlauben.

Aufbau des Systems

Das installierte System besteht aus den drei Hauptteilen: Stromversorgung, Sensordatenerfassung und Datenübertragung. Für die Gewinnung der erforderlichen elektrischen Energie wurde auf der Ufermauer eine Photovoltaikanlage installiert. Ein zusätzlicher Laderegler für Solaranlagen und eine Hochleistungsbatterie ermöglichen eine drahtlose Kommunikation über einen 3G-Router und ein Virtual Private Network (VPN). Alle Messungen müssen unter sich ständig verändernden Umgebungsbedingungen ausgeführt werden. Zudem ist es notwendig, die Daten kontinuierlich – zeitlich wie räumlich – dicht zu erfassen. Durch die niedrige Zeitkonstante und hohe Frequenz ergeben sich die Vorteile des Einsatzes von piezoresistiven Drucksensoren von Keller, mit einer hohen Normalfrequenz von 1kHz.

In der Ufermauer wurden zwei Keller-Drucktransmitter PAA-25 eingebettet. Ihr vertikaler Abstand beträgt 1,90m. Der untere Sensor befindet sich 1,10m über dem unteren Niveau der Berme (einem Absatz in der Böschung des Deichs, der diesem zusätzliche Standsicherheit verleiht), in der höchsten Gezeit liegt er ca. 10 bis 20cm unter dem Meeresspiegel. Gemessen werden Druck, Höhe, Geschwindigkeit und Beschleunigung des Wassers sowie die Wellenlänge. Hierfür wurde eine Wellenboje für die Messung des Seegangs und ein Gezeitenmesser zur Meeresspiegelüberwachung installiert. Eine Wetterstation gibt Auskunft über die vorherrschenden Windgeschwindigkeiten.

Ergebnis der Messungen

All diese Umweltdaten werden gemeinsam mit dem Wellenschlag-korrelierten Druck an der Ufermauer registriert und ausgewertet. Beobachtungen und Auswertungen haben aufgezeigt, dass weniger als 20 Prozent der Daten signifikante Wellenauswirkungen auf den unteren Sensor haben und nur 20 Prozent dieser Datensätze Auswirkungen auf den oberen Sensor. Was bedeutet, dass in weniger als 4 Prozent der Fälle der obere Sensor reagiert und somit nur Fluten und Stürme tatsächlichen Einfluss auf beide Drucksensoren haben.

Ebenfalls zeigten entsprechende Experimente, dass vor dem Aufprall der Welle häufig ein kurzer Unterdruck in den Signalen erscheint. Dieser fällt unter den atmosphärischen Wert von 1bar. Die Entdeckung dieser Verzögerung beim Aufprall zwischen den beiden Sensoren hilft anschließend bei der Klassifizierung von Wirkungsprofilen (Wellen-Aufprallprofilen).

Ausblick

Das ideale Ergebnis wäre, anhand der maximalen Drücke die möglichen Auswirkungen und deren Folgen sicher vorhersagen zu können. Angedacht ist eine zusätzliche Installation von Kameras und 22 weiteren Sensoren. Diese Anpassung würde eine Visualisierung der Wellenformen und eine zusätzliche Aufzeichnung von Aufpralldrücken in 2D-Darstellung ermöglichen. Unter Berücksichtigung aller erhobenen Daten könnte auf diese Weise in Zukunft eine mögliche Wellenausbreitung berechnet und visualisiert werden. So wären Vorhersagen zum Schutz der Küstenlandschaft möglich und Warnungen an die Bewohner könnten rechtzeitig ausgesprochen werden.

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