Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes


Wasserstraßen- und Schifffahrtsamt Hamburg

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Inhalt: Beschreibung des Fächerecholotsystems EM 3000

Das Fächerecholot wird im WSA Hamburg als Doppelschwingersystem eingesetzt. Es ist am Bug des PS "Biene" mit einer hydraulisch absenkbaren Halterung installiert, an deren Ende sich zur Aufnahme der Schwinger eine V-förmige Konstruktion befindet.

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PS Biene

 Technische Daten  

 

Typenbezeichnung: Simrad EM3000 - Doppelschwingersystem
Kosten: ca. 300.000,00 Euro
Maße (für einen Kopf): ø 332 mm x 112 mm , 15 kg
Frequenzen: Schwingerkopf 1 (Bb) 293 kHz
  Schwingerkopf 2 (Sb) 307 kHz
  (getrennte Frequenzen zur Ermittlung der Schallquelle)
Max. Öffnungswinkel pro Schwinger: 120°
Max. Öffnungswinkel gesamt: 190° (in Schritten von 1°)
Max. Anzahl der Beams: 254 (127 pro Schwingerkopf)
Strahlöffnung eines Beams: 1,5° x 1,5°
Beamabstand (Abstand der Einzelstrahlen): 0,9°
Pingrate (Anzahl der Sendeimpulse):

abhängig von der Wassertiefe u. Fächerbreite, max. 15 Hz

  manuelle Reduzierung durch den Nutzer möglich

Bei einer mittleren Wassertiefe von zehn Metern ergeben sich aus den o. g. Werten bei 6facher Überdeckung 159 erfasste Tiefenpunkte. Der Punktabstand beträgt dabei maximal 1,50 m in den Außenbereichen und 0,16 m unterhalb des Schiffes.


Doppelschwinger und Vorauslot des Peilschiffes "Biene"

Im allgemeinen sind die Messparameter, also die Einstellungen während der Messung, abhängig vom Revier und der jeweiligen fachtechnischen Aufgabenstellung. Die Peilgeschwindigkeit im Fahrwasser beträgt in der Regel sechs Knoten (ca.11 km/h) über Grund. Höhere Peilgeschwindigkeiten sind aufgrund der Bugkonstruktion des Peilschiffes "Biene" nicht möglich, da es sonst zu Verwirbelungen vor den Schwingern und somit zu einer erhöhten Zahl von Fehlmessungen kommt. Die Fächerüberdeckung beträgt ca. 144° bei einer 15-20% igen Überlappung der einzelnen Fächerstreifen. Dieses entspricht in etwa der sechsfachen Wassertiefe.

Zur Vermeidung von Schäden am Schwingersystem bei Peilfahrt in flachen Gewässern ist an der Halterung ein Vorauslot angebracht. Dieses Lot misst die Wassertiefen in Fahrtrichtung. Bei Voraustiefen < 3 m warnt das Gerät je nach Einstellung akustisch oder optisch, bei Tiefen < 1,20 m wird der Schwinger automatisch hochgefahren.

  

Systemkomponenten eines Fächerecholotsystems
Systemkomponenten eines Fächerecholotsystems

Die Schiffsbewegungen Hub, Rollen und Stampfen werden durch einen Bewegungssensor kompensiert. Die Orientierung der Fächerrichtung (Heading) übernimmt ein Kreiselkompass.

Abbildung Systemkomponenten eines Fächerecholotsystems

- wird nachgeliefert -

 

Abbildung Lageskizze und ungefähre Reichweiten der im

WSA Hamburg genutzten GPS-Stationen (unmaßstäblich)

- wird nachgeliefert -

Die Ortung und Beschickung erfolgt seit der Indienststellung der verwaltungseigenen Referenzstationen mittels PDGPS (Precise Differential Global Positioning System) im RTK/OTF - Modus (Real Time Kinematic/On The Fly). Das WSA Hamburg verfügt über drei GPS-Referenzstationen, die auf dem Oberfeuer Tinsdal, dem Oberfeuer Kollmar und dem Oberfeuer Osterende fest installiert sind. Zusätzlich kommt in den Bereichen um Twielenfleth der SAPOS-Sender Stade zum Einsatz. Der Bezug aller Sensoren ist durch die Festlegung eines Schiffskoordinatensystems gegeben. Der Nullpunkt befindet sich dabei an der Haltekonstruktion ungefähr 1m über der Wasserlinie.

Vor und nach jeder Peilung wird mit einer Schallgeschwindigkeitssonde das aktuelle Schallprofil ermittelt. In der Praxis hat sich im Aufgabenbereich des WSA Hamburg gezeigt, dass sich während einer zeitlich und räumlich begrenzten Messung das Schallprofil nur geringfügig ändert.

Abbildung Steuerhaus des PS Biene

- wird nachgeliefert -

Im Steuerhaus des Peilschiffes "Biene" befinden sich die Prozessoreinheit sowie die UNIX-Workstation zur Steuerung des Systems. Als Navigationshilfe steht dem Schiffsführer ein Bildschirm in seinem unmittelbaren Sichtbereich zur Verfügung. Auf diesem sind für ihn alle wichtigen Informationen wie Stammdaten (Uferlinien, Fahrwassertonnen, Fahrrinnenbegrenzungen und Radarlinie), Öffnungswinkel, Pingrate und Fächerüberdeckung dargestellt. Da die Beschickung der Tiefendaten online über ein Geoidmodell erfolgt, kann sich die Peilmannschaft die bereits aufgenommenen Daten in einer sogenannten "Online-Karte" unter verschiedenen Betrachtungsweisen darstellen lassen. Somit findet eine erste Qualitätskontrolle der Messung bereits an Bord des Peilschiffes "Biene" statt. Der Datenaustausch zwischen Schiff und der Peilauswertung im Peilbüro findet über DAT-Bänder statt. 

Die Auswertung und kartographische Darstellung der Messdaten erfolgen mit der SIMRAD-Firmensoftware NEPTUNE (Postprocessing) und CFLOOR (DGM-Berechnung und Kartenerstellung). Aufgrund der bei Fächerecholotmessungen anfallenden Datenmengen erfolgt die Plausibilisierung, das heißt die Auswertung der Daten, nicht mehr linienhaft wie bei der herkömmlichen Single-Beam-Peilung, sondern in Kombination mit flächenhaften statistischen Algorithmen. Die Datenauswertung erfolgt im WSA Hamburg durch eine Diplom-Ingenieurin und eine Vermessungstechnikerin.

Einsatzgebiete des Fächerecholotes im Amtsbereich des WSA Hamburg

Das Fächerecholot wird für Peilungen der Fahrrinne und des Fahrwassers, für Peilungen im Bereich bundeseigener Schifffahrtsanlagen sowie von Bau- und Betriebshäfen, für Bauwerkspeilungen im Rahmen der Bauwerksinspektion und für Beweissicherungspeilungen eingesetzt. Bei allen Einsatzgebieten werden während der Messung die selben Vermessungsparameter wie Peilgeschwindigkeit, Fächeröffnung und Fächerüberdeckung verwendet.

Trackplot einer Steinpeilung mittels Fächerecholot.
Trackplot einer Steinpeilung mittels Fächerecholot.

Die Mindertiefen sind in rot dargestellt.

 

Verkehrssicherungspeilungen auf der Unterelbe

Bei der herkömmlichen Linienpeilung wird mit Abständen von 50m bei Fahrrinnenlängspeilungen bzw. 25 m bei Baggerpeilungen gepeilt. Die Problematik besteht darin, dass Hindernisse bei der Single-Beam-Peilung nur dann erfasst werden, wenn die gefahrene Linie direkt über das Hindernis führt. Daher kommt in einem Fahrrinnenteilbereich (nördliche Fahrrinne, Elbe-km 638,9 - km 641,9) das Fächerecholot zum Einsatz.

   



Vergleich der Pläne aus Linienpeilung

und Fächerecholotpeilung  

Die Bodenart in diesem Baggerabschnitt wird als grobsandiger, feinkiesiger Geschiebemergel mit großen Steinen (Findlingen) durchsetzt beschrieben. Aufgrund der Vertiefungsarbeiten im Rahmen der Fahrrinnenanpassung der Unter- und Außenelbe mit Eimerkettenbaggern wurden hier Steine mit Abmessungen von bis zu 1,5 m x 1,5 m aufgebaggert bzw. freigelegt.

 

Geborgener Stein aus der Fahrrinnenanpassung
Geborgener Stein aus der Fahrrinnenanpassung

Da diese Steine eine erhebliche Gefahr für die Schifffahrt darstellen, ist die geringste Tiefe und die genaue Lage des Objektes erforderlich.

Bauwerkspeilungen

Neben den Verkehrssicherungspeilungen kommt das Fächerecholot im Bereich der Bauwerksinspektion von Strombauwerken, Dükern und Leuchtfeuern zum Einsatz. Im folgenden wird der Einsatz anhand von praktischen Beispielen dargestellt.

3D-Darstellung des inneren Sperrwerkbereiches
Äußeres Este-Sperrwerk, 3D-Darstellung des inneren Sperrwerkbereiches (10fach überhöht)

Das WSA führt im Rahmen des Jahrespeilprogramms an drei Anlegern im Elberevier jährliche Kontrollpeilungen durch. Die abzufahrenden Profile werden bei Single-Beam-Peilungen senkrecht zum Bauwerk gefahren. Mit einem Peilschiff mit der Single-Beam-Technik ist es unter diesen Umständen nur schwer möglich, den Fuß des Bauwerkes zu peilen und somit eine Grundlage für die Bewertung der Standsicherheit zu erhalten. Bei der Fächerecholotpeilung werden die Profillinien parallel zum Bauwerk gefahren.

Da es an den Spund- und Betonwänden von Anlegern und Sperrwerken aufgrund der Hydroakustik vermehrt zu Fehlreflexionen kommt, beinhalten die Messwerte eine höhere Anzahl von Fehlmessungen. Diese werden bei der Auswertung manuell eliminiert. Da aber die Lage der Wände bekannt ist, können diese leicht identifiziert werden. Bei Sperrwerken kommt als zusätzliche Information die Drempel- und Sohlenhöhen hinzu. Um die Fehlmessungen zu reduzieren, wird der Öffnungswinkel des Fächers in unmittelbarer Nähe der Bauwerkswand deutlich reduziert. Die Wahl der Fächeröffnung richtet sich dabei nach dem Abstand des Peilschiffes zur Spundwand. Je näher das Schiff parallel zur Spundwand fährt, desto kleiner ist der Winkel zu wählen.

Ein weiteres Einsatzgebiet der Fächerecholottechnik stellen die Kolkpeilungen an den Strombauwerken der Unterelbe dar.

Darstellung der Morphologie
Auskolkung an der Nordspitze der Elbinsel Lühesand, Darstellung der Morphologie (10fach überhöht)

Zur Nutzung der vollen Fächerbreite werden die Peilungen parallel zu den Tiefenlinien parallel zum Ufer gefahren. Durch die flächenhafte Aufnahme und die daraus resultierende höhere Punktdichte sind eine genaue Lokalisierung und Bestimmung der Abmessungen des Kolkes möglich.

Begleitung von aktuellen Bauprojekten des WSA Hamburg

Fahrrinnenanpassung der Unter- und Außenelbe

Im Rahmen des Strombaus der Maßnahme "Fahrrinnenanpassung der Unter- und Außenelbe" wurden die Unterwasserablagerungsflächen Twielenfleth, Krautsand-Nord und Krautsand-Süd von 1998 bis 1999 errichtet und mit rolligem Material verfüllt.

Unterwasserablagerungsfläche Krautsand-Süd
Unterwasserablagerungsfläche Krautsand-Süd,
Bauwerksmessungen: ca. 1600 m x 400 m, Darstellung während der Verklapparbeiten 1999

Die Bauüberwachung und damit die Kontrolle der vertraglich geforderten Einbauhöhe erfolgte mit Hilfe von Fächerecholotaufnahmen. Die Lagestabilität der Unterwasserablagerungsflächen wird zur Zeit in einem sechsmonatigen Peilrhythmus kontrolliert.