Technischer Aufbau der FSA

Die Fließ- und Stillgewässer-Simulationsanlage besteht aus folgenden zentralen Elementen:

• Arbeitsplattform Teiche
• Leitwarte
• Messbühne
• Messtechnik
• Rinnen
• Schneckenpumpe
• Teiche

Die einzelnen Teile werden in den folgenden Abschnitten des Artikels vorgestellt.

Arbeitsplattformen

Arbeitsplattform über den Rinnen

Die auf der Arbeitsplattform stationierten Messgeräte zur Bestimmung des Gesamtstickstoffs (TNb) und des organischen Kohlenstoffs (TOC) sind sowohl für Einzelmessungen als auch für Online-Messungen nutzbar. Von hier erfolgen Wartungsarbeiten (z. B. an Messtechnikn) und die manuelle Bedienung der Schneckenpumpen, sowie der Grob- und Feindosiersysteme. Die Grobdosiersysteme dienen der Zugabe größerer Wassermengen, die individuell vorgemischt werden können. Über die Feindosierung können kleine Mengen an Substanzen variabel (z. B. kontinuierlich über einen längeren Zeitraum) zugegeben werden.

Arbeitsplattform über den Teichen

Für Wartungsarbeiten, zur Probenahme, zum Bedienen der Messbühne.

Arbeitsplattform mit TNb-Geräten, TOC-Geräten und Feindosiersystem
Quelle: UBA

Laufsteg mit Grobdosiersystem (grüner Behälter)
Quelle: UBA

Arbeitsplattform über den Teichen
Quelle: UBA

Leitwarte

Die Leitwarte ist mit Computersystemen zur vollständigen Steuerung und Messdatenerfassung ausgestattet.

Mess- und Arbeitsbühne

Die bewegliche Messbühne ist mit einem computergestützten Positionierungssystem ausgestattet, dass eine hochauflösende und reproduzierbare Profilmessung im Wasser und Sediment der Teiche ermöglicht.

Ausstattung:

• Mikrosonde (Optode) zur Sauerstoffmessung
• Mikrosonde zur pH-Messung
• Videosystem
• Beleuchtung
• Laserpointer zur Positionierung
• Computersystem zur Steuerung, Datenerfassung und Übertragung

Die Arbeitsbühne erleichtert unter anderem die Beprobung von Sediment und Wasserpflanzen im Teichmesokosmos.

Messbühne mit Computersteuerung
Quelle: UBA

Messarm mit installierten Mikrosonden
Quelle: UBA

Arbeitsbühne
Quelle: UBA

Messtechnik

Jedes Rinnensegment ist mit Online-Messtechnik ausgestattet. Folgende Parameter können kontinuierlich gemessen werden:

• Leitfähigkeit
• Sauerstoffgehalt
• ⁠pH-Wert⁠
• Trübung
• Fließgeschwindigkeit
• Füllstand
• TOC (gesamter organischer Kohlenstoff)

Weiterhin werden in den Teichen die Parameter Sauerstoff, Leitfähigkeit, pH, Temperatur und Wasserstand online erfasst. Diese Messwerte werden kontinuierlich an die Leitwarte übermittelt. Zusätzlich werden je nach Fragestellung untersucht:

• Schadstoffe in Wasser, Sediment und Biota mit stoffspezifischer Analytik wie z.B. Gaschromatographie mit Massenspektroskopie, Flüssigchromatographie
• Biochemischer Sauerstoff Bedarf (BSB) mit Respiromat
• Kohlenstofffraktionen (IC: anorganisch, DOC: gelöst organisch, TOC: Gesamter Kohlenstoff)
• Alkalinität (automatische Titration)
• Hauptsalzkomponenten (Anionen, Kationen) mit Ionenchromatographie
• Gelöste Nährstoffe (u.a. Phosphat, Nitrat, Nitrit) mit Continous Flow Analyser (CFA)
• Gesamtstickstoff (TN) und Gesamt-Phosphor (TP) mit Druckaufschluss und CFA
• Chlorophyll und Phäophytin (photometrisch)
• Biologische Parameter von Plankton, Benthos, Aufwuchs
• Trockensubstanzgehalt
• Beleuchtungsstärke, photosynthetisch aktive Strahlung (PhAR) über und unter Wasser
• Redoxpotential

Online-Messtechnik an den Rinnen
Quelle: UBA

Online-Messtechnik an den Teichen
Quelle: UBA

Sapromat zur Bestimmung des BSB oder des biologischen Abbaus von Chemikalien
Quelle: UBA

Rinnen

Jeweils maximal 8 Rinnensysteme in der Innen- und Außenanlage können in einer Art „Baukastensystem″ aus Rinnensegementen und Beruhigungsbecken beliebig zusammengestellt werden. Die Länge ist variabel z. B. können 16 unabhängige Rinnen mit max. 106 m Länge (je 8 innen und außen) oder 2 Rinnen mit ca. 800 m Länge zusammengestellt werden. Bei 106 m Länge beträgt das Füllvolumen ca. 36.000 l pro Rinne.

Seit 2008 wurden 8 Rinnenmikrokosmen in der Halle etabliert, die aus 2 Rinnensegmenten zusammengesetzt sind und durch den Einbau einer Mittelschiene eine Fließstrecke von 12 m haben.

Rinnen der Außenanlage
Quelle: UBA

Rinnen der Hallenanlage
Quelle: UBA

Rinnen- Segmente
Quelle: UBA

Strömungsversuch in den Rinnen mit Uranin als Tracer
Quelle: UBA

Aufsicht auf einen Rinnenmikrokosmos
Quelle: UBA

Schneckenpumpe

Zum Wassertransport im Durchfluss oder Kreislauf steht je Rinnensystem eine speziell angefertigte Schneckenpumpe zur Verfügung, die Lebensgemeinschaften (⁠Biozönose⁠) inkl. Fische nicht schädigt. Die maximale einstellbare Geschwindigkeit beträgt 0,6 m/s (schnell fließender Tieflandfluss).

Max. Förderleistung: ca. 290 l/s

Einstellbare Fließgeschwindigkeit: 0,05 - 0,6 m/s

Teiche

Teiche können als „durchströmte Teiche″ mit den Rinnen gekoppelt werden oder als Einzelsystem zur Simulation stehender Gewässer verwendet werden. Ein unter der Teichsohle abgesenkter Gang erlaubt die Steuerung der Drainage und die Entnahme von Uferfiltratproben. Das max. Füllvolumen beträgt ca. 55.000 l.

Eine Durchmischung des Wasserkörpers durch Windsimulation (Ventilatoren) ist möglich.

Seit 2010 wurden 16 Teichmikrokosmen etabliert, die aus jeweils einem Rinnensegment bestehen und ein Wasservolumen von 1 m³ fassen können.

Hallenteiche
Quelle: UBA

Teichimpressionen mit Ufervegetation
Quelle: UBA

Schema eines Teiches der FSA
Quelle: UBA

Unterwasseraufnahme durch die offenen Verbindungsschotts fotografiert
Quelle: UBA

Teichmikrokosmos aus einem Rinnensegment
Quelle: UBA

Datenbank

Alle Messdaten der ⁠FSA⁠ werden in einer zentralen relationalen Datenbank (FSA-DB) gesammelt und zur Auswertung bereitgestellt.

Der Import von Messdaten, insbesondere der chemisch-physikalischen sowie biologischen Analyseergebnisse erfolgt automatisch aus definierten Analyseprotokollen im Open Document Format (ODF) oder als MS Excel-Datenblatt (*.XLS).  

Die FSA ist mit einer umfangreichen Online-Messtechnik ausgestattet, hierzu zählt auch die ⁠UBA⁠-eigene Wetterstation. Alle 10s werden bis zu 400 Messwerte erhoben und temporär in einer Round Robin Datenbank (RRDB) gespeichert. Entsprechend den jeweiligen Projektanforderungen werden Teilmengen dieser Daten entweder als Einzelmesswerte halbautomatisch oder als aggregierte Werte (z. B. Stundenmittelwerte) vollautomatisch in die FSA-DB überführt. Es können für jedes Messgerät individuell verschiedene Grenzwerte z. B. für automatische Benachrichtigungen per E-Mail (Alarmsystem) definiert werden.

Die Datenbank-Anwendungsprogramme setzen auf eine modulare, mehrschichtige Architektur auf Basis von J2EE auf. Die Java-Programme sind damit weitgehend betriebssystemunabhängig und über das Internet nutzbar. Die für die FSA-DB entwickelten Komponenten werden vorzugsweise mittels OpenSource Software erstellt.

Datenrecherche und -auswertung

Für die Recherche und Auswertung der Daten steht innerhalb des Umweltbundesamtes ein komplexes, datensensitives Auswerte- und Reporttool zur Verfügung.

Für externe Arbeitsgruppen (siehe externe Nutzung) und die interessierte Öffentlichkeit besteht die Möglichkeit über das Internet in freigegebenen Projekten Messdaten zu recherchieren. Hierzu steht eine Browseranwendung zur Verfügung, die kontextsensitive Recherchen in der FSA-DB ermöglicht.

Software-Architektur FSA-DB
Quelle: UBA

Datenauswahl im Recherche-Tool
Quelle: UBA

Graphische Ergebnisaufbereitung
Quelle: UBA