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Abschlussbericht „Adaption, Test und Betrieb des MERMAID-Systems für tropische Umwelt-Überwachungsprogramme1 Abschlussbericht 1 gemäß den Nebenbestimmungen NKBF 98 des Bundesministeriums für Bildung und Forschung Verbundprojekt: Weiterentwicklung der MERMAID-Technologie für den Einsatz in tropischen Gewässern am Beispiel des Brantas River Ästuars (Indonesien) – Teil 1: Adaption, Test und Betrieb des MERMAID-Systems für tropische Umwelt-Überwachungsprogramme Förderkennzeichen: 02WU0056 -4H- JENA engineering GmbH (4HJE) Laufzeit des Vorhabens: 01.09.2000 - 30.06.2006 1 Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 02WU0056 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.

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Abschlussbericht „Adaption, Test und Betrieb des MERMAID-Systems für tropische Umwelt-Überwachungsprogramme“

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Abschlussbericht1 gemäß den Nebenbestimmungen NKBF 98 des Bundesministeriums für Bildung und Forschung

Verbundprojekt:

Weiterentwicklung der MERMAID-Technologie für den Einsatz in tropischen Gewässern am Beispiel des Brantas

River Ästuars (Indonesien) – Teil 1: Adaption, Test und Betrieb des MERMAID-Systems für

tropische Umwelt-Überwachungsprogramme

Förderkennzeichen: 02WU0056

-4H- JENA engineering GmbH (4HJE)

Laufzeit des Vorhabens: 01.09.2000 - 30.06.2006

1 Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 02WU0056 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.

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Abkürzungsverzeichnis API Application Programing Interface

Software Schnittstelle von Programmen zu einer Funktionsbibliothek

APP

Automatische Pump Photometer (Analyseautomat für Nährstoffe)

ARGOS Polar fliegender Satellit für einfache unidirektionale weltweite Kommunikation

BSH

Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (Bundesoberbehörde des Verkehrsministeriums)

CAN Bus Multimasterfähige Feldbusverbindung zwischen Modulen aus dem Bereich Automobilelektronik

CANVAS

Contaminants and Nutrients in variable Sea Areas (Anwendung automatisierter MERMAID-Module im BSH-Messnetz)

CRC Cyclic Redundancy Check International verwendete Checksummenverfahren zur Kommunikationskontrolle

DBS Databank Service Mode Datenaufnahme im operationellen Betrieb

EXP Mode Experimental Mode Zusätzliche Datenerfassung, die den operationellen Betrieb DBS nicht beeinflusst

FTP File Transfer Protocol, Standardisiertes Datenübertragungsformat für Dateien

GKSS GKSS Forschungszentrum Geesthacht GmbH GSM Global System for Mobile Communication

Internationales funkgebundenes Telefonnetz HDLC High Level Data Link Control

IEEE Protokollrahmen für Kommunikationsprozesse (Binärprotokoll)HTML Untermenge einer allgemeinen Beschreibungssprache für

Dokumente, allgemein im Internet als Quellcode für Bildschirmseiten verwendet

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers US Normungsorganisation mit weltweiten Standards

IP Internet Protocol Standardisiertes Protokoll mit weltweit eindeutig vergebenen IP-Adressen

LCD Liquid Crystal Display Stromsparende nicht selbstleuchtende Anzeigeeinheit

MAPONET

MArine Pollution monitoring Network, (fernsteuerbares Umweltbeobachtungs- und Überwachungssystem, Teilprojekt in MERMAID)

MERMAID

Marine Environmental Remote controlled Measuring And Integrated Detection (automatische und fernsteuerbare Messstation, BMBF-Projekt)

METEOSAT Satellit für meteorologische Beobachtungen und Datenverkehr MSC Measurement Station Controller, (Stationsrechner)

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PC/104 Standardisierte PC-Platinen im Maß 90cm x 96cm mit einem zum AT-Bus (IEEE-P996) kompatiblen steckbaren Bussystem

PCMCIA Personal Computer Memory Card International Association, neuer allgemeiner Begriff ist PC-CARD

RAS Remote Access Service Microsoft Definition für Fernsteuerungen von PC’s über eine PPP Verbindung

RS-232 IEEE Normung des physical layers (Layer 1) des ISO-Kommunikationsmodells, serielle Punkt-zu-Punkt Schnittstelle, abgelöst durch eine EIA Normung.

RS-485 IEEE Normung des physical layers (Layer 1) des ISO-Kommunikationsmodells, serielle Multiuser-Schnittstelle, abgelöst durch eine EIA Normung.

SQL Standardisiertes Datenbankprotokoll zur Anbindung von beliebigen Datenbanken

PCS Portable Control Station, (Notebook-Bedienstation für Seestationen)UNESCO United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization

Organisation der Vereinten Nationen für Bildung, Wissenschaft und Kultur. Setzt u.a. Standardformeln zur Messung von Parametern in Seewasser fest.

VHF/UHF Very High Frequency/Ultra High Frequency Frequenzbänder für Kommunikation (TV, Radio, Funk, Daten usw.)

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Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis............................................................................................................................ 2

1 Aufgabenstellung ............................................................................................................................ 5

2 Vorraussetzungen unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde............................................... 6

3 Planung und Ablauf des Vorhabens ............................................................................................... 6

4 Wissenschaftlicher Stand an den angeknüpft wurde...................................................................... 9

5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen........................................................................................... 11

6 Erzielte Ergebnisse....................................................................................................................... 11

6.1 Projektleitung .............................................................................................................................11 6.2 Aufbau Durchflussmessstrecke .................................................................................................12 6.3 Technische Realisierung der Durchflussmessstrecke ...............................................................13 6.4 Erprobung Durchflussmessstrecke ............................................................................................19

6.4.1 Erprobung in Kiel – „Schwentine“ – Kieler Förde, 07.05.2002 – 07.06.2002....................19 6.4.2 Erprobung in Geesthacht – „Elbe-Wehr“, 08.06.2002 – 06.10.2002.................................20 6.4.3 Anpassung des MERMAID-Datensystems .......................................................................22

6.5 Erstellung und Erprobung einer in situ-Flussmessstelle............................................................25 6.6 Erprobung des Gesamtsystems auf META-1 ............................................................................26 6.7 Schulungen und Aufbau einer Wartungsinfrastruktur ................................................................26 6.8 Aufbau und Inbetriebnahme von einem Messsystem in Indonesien .........................................27 6.9 Externe Landstationen ...............................................................................................................29 6.10 Beispielhafte Daten-Zeitreihen im Testbetrieb 26.11.2002 – 06.12.2002 .................................32 6.11 Beispielhafte Daten-Zeitreihen im operationellen Betrieb 24.03.2003 – 31.03.2003 ...............33 6.12 Offizielle Übergabe des MERMAID-BRANTAS Systems am 24.03.2002 .................................34 6.13 Dokumentation ...........................................................................................................................35 6.14 Einhaltung des Zeitplanes..........................................................................................................35

7 Vorraussichtlicher Nutzen und Verwertbarkeit der Ergebnisse .................................................... 36

8 Während der Durchführung des Vorhabens bekannt gewordener Fortschritt auf dem Gebiet des

Vorhabens bei anderen Stellen .................................................................................................... 36

9 Realisierte und geplante Veröffentlichungen................................................................................ 37

10 Literaturverzeichnis....................................................................................................................... 37

11 Danksagung.................................................................................................................................. 39

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1 Aufgabenstellung Die Aufgabenstellung des im Berichtszeitraum realisierten Projektes war es, durch Anwendung einer erweiterten MERMAID-Technologie die Gewässerqualität in einem tropischen Ästuar in Abhängigkeit von der Hydrologie und von anderen äußeren Faktoren automatisch zu erfassen und anschließend zu bewerten. Dabei sollte der Nachweis erbracht werden, dass die im nationalen Einsatz erfolgreich erprobte und in Routine überführte Technologie ereignisgesteuerter autonomer Messstationen auch auf landgestützte Messstationen in tropischen Regionen am Brantas River erweitert werden kann. Der Brantas River mit seinen Nebenflüssen im südöstlichen Teil Javas / Indonesien versorgt etwa 14 Millionen Einwohner mit Trinkwasser und Brauchwasser zur Bewässerung von Feldern. Da der Fluss als Vorfluter für verschiedene Industrien sowie für kommunale Abwässer großer Städte dient, kommt es insbesondere in der Trockenzeit immer wieder zu kritischen Belastungen. Um die große Variabilität des Abflusses zu regulieren, wurden im Flussverlauf eine Reihe von Staustufen errichtet. Die indonesische Umweltbehörde JASA TIRTA ist sowohl für die Wasserregulierung als auch für die Überwachung der Gewässerqualität zuständig. Im Gegensatz zu wöchentlichen Messungen im Oberlauf des Flusses, wurden Messungen zur Ermittlung der Gewässerqualität im Flussmündungsgebiet kaum durchgeführt. Eine Beurteilung der Auswirkungen der Flussbelastung bezüglich Eutrophierung und Verschmutzung des Küstengewässers war deswegen nicht möglich. Infolge der Bedeutung dieser Region für Fischfang, Fischzucht (Aquakultur) und Biodiversität (Korallenriffe) war eine Beurteilung der Belastung in Abhängigkeit von der Hydrologie (Jahreszeit) jedoch dringend erforderlich. Der inhaltliche Ansatz war, dass die in MERMAID entwickelte Technik sich hervorragend für die oben skizzierten Überwachungsaufgaben eignet. Durch Überführung der erprobten Technik von marinen Geräteträgern (Bojen, Plattformen, Feuerschiffen) auf landgestützte Systeme (Pumpsysteme vom Ufer aus) sowie durch erfolgreiche Demonstration, sowohl der Funktionalität als auch der Langzeitstabilität des Systems, sollte der Einsatzbereich der MERMAID-Technologie wesentlich erweitert und damit die Vermarktbarkeit verbessert werden. Eine technologische Herausforderung lag im Einsatzbereich der im Projekt realisierten Messstation, d.h. dem Einsatz unter tropischen Bedingungen an einem Fluss. In tropischen Gewässern kann infolge des starken biologischen Bewuchses kein länger als eine Woche dauernder wartungsfreier operationeller Betrieb von in situ-Sensoren garantiert werden. Um einen wartungsfreien, operationellen Betrieb zu erreichen, war im Rahmen des Projektes eine Weiterentwicklung der MERMAID-Technologie vorgesehen. Durch Verwendung eines Durchflusssystems könnten, so die Überlegungen der Projektteilnehmer, die Sensoren mittels geeigneter Anti-Bewuchsmaßnahmen vergleichsweise einfach geschützt werden. Eine erfolgreiche Demonstration dieser Technik sollte die Akzeptanz von modifizierten MERMAID-Systemen in Ländern der dritten Welt erheblich erhöhen und damit die Vermarktungschancen steigern und für die Firma -4H- JENA engineering GmbH, als

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Finalproduzent autonomer Messstationen, sollte darüber hinaus mit dem Projekt ein wirtschaftlicher Einstieg in den asiatischen Markt realisiert werden.

2 Vorraussetzungen unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde MERMAID-Brantas wurde als gemeinsames Projekt zwischen indonesischen und deutschen Partnern durchgeführt. Aufgabenstellungen und zu erbringende Leistungen der einzelnen Partner wurden in dem von indonesischen und deutschen Partnern gemeinsam erstellten "Agreement on Scientific Technical Cooperation" dokumentiert. Partner des Projektkonsortiums kamen aus Wissenschaft, Behörden und Industrie. Auf deutscher Seite waren zwei Industriepartner (-4H- JENA engineering, HYDROMOD), eine staatliche Überwachungsbehörde (BSH) und eine Forschungsinstitution (GKSS), auf indonesischer Seite die staatliche Technologiebehörde (BPPT), regionale Überwachungsbehörden (BAPEDAL, JASA TIRTA, PU Pengairan) sowie die Technische Universität Surabaya (ITS) beteiligt. Um das MERMAID-Messsystem wie geplant in tropischen Gewässern einsetzen zu können, musste es zuvor den neuen Bedingungen entsprechend adaptiert und qualifiziert werden. Probenahmen und Laboranalysen sollten die automatischen Messungen ergänzen. Zur Bewertung der Gewässerqualität wurden zusätzlich Ergebnisse numerischer Modellrechnungen einbezogen (HYDROMOD).

3 Planung und Ablauf des Vorhabens In den Jahren 2001-2002 wurde das für die Messungen in Indonesien vorgesehene MERMAID-System detailspezifiziert, in Deutschland (Geesthacht / Jena) aufgebaut und im Labor funktionell erprobt. Im Rahmen der ergänzenden Maßnahmen besuchten zwei deutsche Projektpartner (Herr Koch, 4HJE, Dr. F. Schroeder, GKSS) die indonesischen Partnerinstitutionen (März 01). Sie klärten die Standortfrage der MERMAID-Station, vereinbarten für den Stationsaufbau notwendige Schnittstellen und zugehörige Verantwortlichkeiten und detaillierten Konzept sowie Anordnung der technischen Installationen und Geräte. Die im Oktober 2001 durchgeführte erste gemeinsame Messkampagne zur Ermittlung von Nährstoffkonzentrationen und von toxischen organischen Spurenstoffen in Proben aus den Flussmündungsbereichen des Kali Wonokromo, Kali Porong und der Madura Straße (zusätzliche Screening-Proben wurden im Brantas-Oberlauf genommen) wurde im Juni 01 durch den Besuch von drei deutschen Wissenschaftlern (Frau Dr. Biselli, BSH, Dr. F. Schroeder, GKSS und Prof. Dr. H.-D. Knauth, GKSS / HydroConsult) bei den indonesischen Partnerinstitutionen vorbereitet. Vom Projektpartner Hydromod durchgeführte Modellrechnungen lieferten erste Ergebnisse zur Dynamik von Wasserständen und Strömungsgeschwindigkeiten in der Madura Strasse. Im Rahmen des Trainings- / Schulungsprogramms für indonesische

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Wissenschaftler / Techniker besuchte Herr Wardoyo von der technischen Universität Surabaya im Nov. 01 einen von Hydromod veranstalteten Modellrechnungskursus. Mit den Besuchen und Aktivitäten wurden folgende Arbeitsrichtungen abgeleitet und festgelegt: - Detailabstimmungen zum Aufbau und Betrieb der MERMAID-Station und zum

Abschluss des wissenschaftlich-technischen Rahmenprogramm. - Aufbau einer Automatischen MERMAID-Station in Deutschland und deren

funktionelle Testung. - Durchführung gemeinsamer Messkampagnen im Rahmen des Projektplans - Durchführung von Modellrechnungen und Bewertung erster Ergebnisse. - Das Trainings- / Schulungsprogramm wurde abgestimmt und mit dem Besuch eines

indonesischen Wissenschaftlers gestartet. Im Jahr 2002 wurde das System in einem für Indonesien vorgesehenen Container integriert und im Feld (Wehr Geesthacht) erprobt. Nach Abschluss dieser Arbeiten wurde das System Anfang Oktober 2002 nach Indonesien verschifft. Aufbau und erste Erprobungen wurden an der vorgesehenen Brantas-Station in Surabaya Ende November 2002 durchgeführt. Von deutscher Seite waren 4 Personen am Aufbau des Systems in Surabaya und zur Einweisung der indonesischen Partner beteiligt: Herr M. Koch und Herr S. Marx (4HJE), Dr. F. Schroeder und Herr M. Unruh (GKSS). Im April 2002 waren drei indonesische Wissenschaftler / Techniker für vier Wochen in Deutschland: Mr. Mohammed Sutriyanto (BAPEDAL) (anstelle von Mrs. Diah Susilowati), Mrs. Vonny Setiawati (JASA TIRTA) und Mr. Didik Agus (Lab. PU. Pengairan). Sie wurden programmgemäß mit den Funktionen des MERMAID-Systems vertraut gemacht und in die Bedienung des Systems eingewiesen. Im September 2002 war der indonesische Projektkoordinator - wie im Ergänzungsprojekt vorgesehen - für 10 Tage in Deutschland. In Absprache mit den indonesischen Partnern wurde im Juni 2002 ein Seminar in Surabaya bei BAPEDAL durchgeführt. Ein wesentliches Ziel des Seminars lag darin, Informationen über verschiedene Messprogramme zur Ermittlung der Belastung von Oberflächengewässern auszutauschen und Monitoring-Konzepte / -Strategien zu diskutieren, die durch Einbindung der MERMAID-Technologie sowie angepasster Modellsysteme ein verbessertes Gewässer-Qualitätsmanagement für das Brantas-Flusssystem ermöglichen. An dem zweitägigem Seminar nahmen von indonesischer Seite 30 Personen teil, die zuvor von der regionalen Überwachungsbehörde BAPEDAL eingeladen worden waren. Vertreten waren die Institutionen: BPPT, BAPEDAL, JASA TIRTA, Universität Surabaya und Universität Bogor. Von deutscher Seite waren fünf Wissenschaftler beteiligt: Frau Ingeborg Nöhren (HYDROMOD), Dr. Ursula Fittschen (BSH), Dr. Hartmut Nies (BSH), Dr. F. Schroeder (GKSS), Prof. Dr. Knauth (HydroConsult). In den Diskussionen konnte aufgezeigt werden, dass die bei dem Abbau der eingetragenen organischen Substanzen freigesetzten Nährstoffe durch

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Primärproduktion in flussabwärts gelegenen Bereichen zu erheblicher Neubildung organischer Materie führen können (Planktonblüten, Bildung von Makroalgen und Wasserhyazinthen), die durch Sekundärzerfall den Sauerstoffhaushalt des Gewässers erneut belasten. Ein wesentliches Fazit des gemeinsamen Workshops war, dass die am Brantas-Flusssystem erhobenen Daten künftig genutzt werden sollen, um unter Einbeziehung der automatischen MERMAID-Messstation und mit Hilfe geeigneter Modellbeschreibungen realistische Belastungsszenarien aufzeigen und der betroffenen Öffentlichkeit präsentieren zu können. Auf dieser Basis erscheint es möglich, eine Akzeptanz dafür zu erreichen, auch vergleichsweise kostspielige Abwasserbehandlungsmethoden einführen zu können. Nachdem die MERMAID-Brantas-Station Ende 2002 aufgebaut und erfolgreich erprobt worden war, wurden im Berichtsjahr 2003 – 2006 Messreihen u.a. für die Variablen Temperatur, Leitfähigkeit, pH, Trübung, Chlorophyll, Nitrat, Ammonium, Phosphat und TOC (Total Organic Carbon, Gesamter Organischer Kohlenstoff) im Langzeitbetrieb aufgenommen (Ergebnisse in der Anlage). Nach über vier Jahren aktiven Betrieb der Messstation lässt sich aber feststellen, dass qualitätsgesicherte Daten nur dann erhalten werden können, wenn die Messstation insgesamt zumindest einmal wöchentlich gewartet wird. Dieser Wartungszyklus konnte im MERMAID-Betrieb oft nicht eingehalten werden, da der zuständige, durch Training geschulte indonesische Mitarbeiter, Herr Didik Agus (PU. Pengairan), zusätzlich zur Projektarbeit an der MERMAID-Station mit der Abwicklung anderer Aufgaben betraut war. Nachdem Mitte März die Herren Koch, Unruh (4HJE), Dr. Schroeder und Mnich (GKSS) die Messstation gewartet und das Datenmanagementsystem vervollständigt hatten - verbunden mit "on the job"-Einweisungen und Training für die indonesischen Partner - wurde die Station in Anwesenheit des deutschen Botschafters, Dr. Fulda, des Wissenschaftsattachés, Dr. Rottmann und hochrangigen Vertretern der beteiligten indonesischen Institutionen "offiziell in Betrieb genommen". Vorträge und Gespräche im Rahmen dieser Veranstaltung hatten u.a. zum Ziel, anwesenden indonesischen Entscheidungsträgern unsere Technologie vorzustellen und Möglichkeiten für weitere Projekte / Aufträge zu erkunden. Dabei wurde aufgezeigt, dass das MERMAID-System sowohl zur stationären Überwachung von Flüssen und Trinkwasserreservoiren als auch zur Überwachung von Küstengewässern (Messstationen und FerryBoxen) eingesetzt werden kann. Zur Wartung der Station, zur Beseitigung aufgetretener Fehler und zur Einweisung des indonesischen Personals fuhren im August 03 und im Dezember 03 die Herren Unruh und Ernst (4HJE) für jeweils zwei Wochen nach Surabaya. Anfang Oktober 2003 besuchten die Herren Dr. Schroeder und Prof. Knauth die indonesischen Partner. Während des einwöchigen Besuches wurden mit den indonesischen Projektpartnern der aktuelle Projektstand und die weitere Vorgehensweise für die geplante Projektphase 2 (2004 und 2005) diskutiert. Zusätzlich

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wurde eine 48-stündige Messkampagne durchgeführt, bei der neben den stündlichen automatischen Analysen an der Messstation selbst - parallel und nahezu zeitgleich - stündliche Proben an mehreren Orten in unmittelbarer Nachbarschaft der Station und an der Station selbst gezogen und anschließend im Labor analysiert wurden (Untersuchung zur Qualitätssicherung der automatisch durchgeführten Messstationsanalysen). Mit dem Projektträger wurde vereinbart, dass der Betrieb der Brantas-Messstation in den Jahren 2004 und 2005 weitergeführt werden soll. Um dieses Ziel realisieren zu können, wurde für den Zeitrahmen 2004 und 2005 eine Projektförderung ausschließlich zur Aufrechterhaltung des Messbetriebes beantragt und auch genehmigt. Darüber hinaus haben die Projektpartner GKSS und -4H- JENA engineering GmbH 2004-2006 umfangreiche eigene Mittel zur Weiterführung der Messstation am Brantas bereitgestellt.

4 Wissenschaftlicher Stand an den angeknüpft wurde Die Überwachung von Flüssen und Ästuaren wurde und wird in Westeuropa und den USA routinemäßig durchgeführt. Neben Probenahmepunkten, die regelmäßig von Land oder vom Boot oder Hubschrauber beprobt werden, existieren eine Reihe von automatischen Messstationen. In der Praxis handelt es sich bei den automatisch erfassten Messgrößen überwiegend um physikalische Parameter wie Leitfähigkeit, Temperatur und Sauerstoffgehalt. Selbst in Deutschland werden, auch im Jahr 2006, nur auf wenigen Messstationen chemisch-biologische Größen wie Chlorophyllgehalt, Nährstoffkonzentrationen und pH-Wert in einem engem Zeitraster (Stunden) kontinuierlich erfasst. Während eine monatliche Beprobung in vielen Fällen zur Erfassung von Frachten und zur Beurteilung der Gewässerqualität ausreicht - nämlich immer dann, wenn keine Extremereignisse (starke Änderung des Abflusses, explosionsartige Algenblüten, extreme Sauerstoffdefizite, Sturmereignisse) auftreten – sind im Falle von Extremereignissen jedoch entweder sehr kurze Probenahmeintervalle (Stunden) oder aber ereignisgesteuerte Probenahmen notwendig, um beispielsweise Frachten auch nur annähernd zuverlässig zu ermitteln (Knauth et al. 1993). Eine zuverlässige automatische Messung von chemisch-biologischen Parametern in Kombination mit ereignisgesteuerten Probenahmen ist beispielsweise mit dem unter EUREKA entwickelten MERMAID System möglich (Knauth & Schroeder 1993, 1994). Das MERMAID-System, auf das das im Projekt entwickelte tropentaugliche System aufsetzt, besteht aus einer oder mehreren "marinen" Stationen, einer Telemetrieeinheit (Funk, Telefon, GSM, Satellit, Kabel) und einer Landstation. Auf der marinen Station befinden sich Sensoren, chemische Analysatoren und Probenehmer. Wesentlicher Bestandteil einer marinen MERMAID-Station ist der zentrale Stationsrechner, der die gesamte Organisation von der Datenerfassung über die Ereignissteuerung bis hin zur Datenübertragung durchführt. Dieser wesentliche

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Bestandteil wurde in das Konzept des Brantas River Messsystems übernommen und optimiert. Bis zur Projektrealisierung wurde das MERMAID-System aus zwei Gründen nicht für die Überwachung von Flüssen und Seen eingesetzt: 1. Wegen der leichten Zugänglichkeit der Stationen an Land war die große

Langzeitbeständigkeit nicht unbedingt erforderlich; das System war hierfür zu teuer und

2. Die verwendeten Sensoren waren für den Einsatz im Meer optimiert; sie ließen

sich nicht in Durchflussmessstrecken integrieren und waren ebenfalls wegen der marinen Anforderungen zu teuer.

Das modernisierte MERMAID-System, welches durch die Firma 4HJE gemeinsam mit der GKSS mit neuen Hard- und Softwaremodulen entwickelt wurde, ist wesentlich kleiner, flexibler und preisgünstiger, so dass ein Einsatz in Seen und Flüssen sinnvoll wurde. Infolge der neuen Softwarestruktur wurde die im Projekt vorgesehene Einbindung einer Durchlaufstrecke mit Standard-Industriesensorik möglich. Wegen des günstigen Preis/Leistungsverhältnisses des modernisierten MERMAID-Systems und durch längere Wartungsintervalle (u.a. bedingt durch die im Projekt realisierten Antifoulingeinrichtungen) wurden die laufenden Betriebskosten deutlich reduziert. Bei der Konzipierung und Realisierung stützte sich der Projektpartner 4HJE im Wesentlichen auf die nachfolgend genannten Publikationen: Pfeiffer, K., Knauth, H.-D., Schroeder, F., Nies, H., Grisard, K., (1999): "The MERMAID-OPMOD System for Integrated Marine and Coastal Monitoring". EEZ Technology, ICG Publishing Ltd., London, Edition 3, 183-188. Hoekstra, P. (1989): River outflow, depositional processes and coastal morphodynamics in a monsoon-dominated deltaic environment, East Java, Indonesia. Geografisch Instituut, Rijksuniversiteit Utrecht, Nederland. Tanaka, S., Ogihara, K., Fukui, Y., Hiki, S., Anwar, N., Hariyanto, B. and B. Muljosukojo (1977): Characteristics in flow pattern near Surabaya Rivermouth. Journal of the Japanese Association of Coastal Zone Studies, Vol. 9, pp.9-15. Anonymous (1974): Survey and study for development of Solo river basin, PBS-OCTA (Indonesia). Water Quality Management for Optimization of the System of the Citarum River Basin. (1993). Final Report of Proj. No. BMBF 02 WT 8851. Research Institute for Water Resources Development, Indonesia & Forschungsinstitut für Wasser- und Abfallwirtschaft an der RWTH Aachen.

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Zölitz-Möller und M. Nachbar (1996) Katalog über ökologische Daten, DV-Strukturen und Modelle. BFG-Mitteilung. Bericht der Projekt-Gruppe "Elbe-Ökologie", Berlin 1996.

5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen Die Zusammenarbeit der im Projekt beteiligten deutschen Partner war unkompliziert und stets zielorientiert und hat wesentlichen Anteil an der sehr erfolgreichen Realisierung der angestrebten Projektziele. Die Zusammenarbeit mit den indonesischen Projektpartnern war insgesamt sehr konstruktiv. Es war deutlich zu erkennen, dass die Partnerinstitutionen großes Interesse haben, die von uns entwickelte Technologie auch einzusetzen. Die konstruktive Zusammenarbeit zeigte sich auch in verschiedenen gemeinsamen Messkampagnen und einem gemeinsam durchgeführten Seminar. Es lässt sich allerdings auch nicht verhehlen, dass die Unterstützung bei der Realisierung der Langzeitmessungen zu verbessern ist. Dies betrifft in erster Linie die Betreuung der Station, für die die Wartungen häufiger als bisher durchgeführt werden müssen. Außerordentlich positiv war die Zusammenarbeit mit dem internationalen Büro des BMBF. Neben der Unterstützung der Vorbereitung von Workshops und Seminaren ist auch die Hilfe und Unterstützung bei der Anbahnung von Kontakten zu wissenschaftlichen Einrichtungen aber auch zu wirtschaftlichen Institutionen hervorzuheben.

6 Erzielte Ergebnisse

6.1 Projektleitung • Zur Kontrolle des Arbeitsfortschrittes, Diskussion von Problemen und Koordinierung

der Arbeiten wurden regelmäßige Projekt- und Arbeitsberatungen organisiert • Die im Arbeitsplan gesetzten Termine und Inhalte wurden kontrolliert und

protokolliert. • Protokolle, aufgestellte Arbeitspläne, sonstiges Informationsmaterial wurden an alle

Projektpartner weitergeleitet. • Der Arbeitsstand wurde stetig über E-Mail mitgeteilt, Informationen wurden durch die

fortschreitende Dokumentation über einen WWW-Server und offline über den Kieler FTP-Server bereitgestellt.

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Bild 1: Ausschnitt MERMAID-Datasystem ONLINE-DOKU Homepage, Stand 03/2003

6.2 Aufbau Durchflussmessstrecke Nach Erarbeitung Pflichtenheft und Entwicklung des Durchflussmesssystems bis 6/2002 wurden ab 7/2002 umfangreiche Tests durchgeführt. Dazu gehörte auch das Zusammenwirken der angepassten Rechnersysteme an die Durchflussmessstrecke. Außer der Datenerfassung musste die Ablaufsteuerung den sicheren Betrieb von Wassersystem (Pumpen und Ventile) und Sensorik [Analogsensoren und Analysatoren für Nährstoffe (SYSTEA) und organische Kohlenstoffverbindungen (BIOTECTOR)] gewährleisten. Komponenten:

• Sensoren: Temperatur, Leitfähigkeit, Sauerstoff, Trübung, Chlorophyllfluoreszenz

• Housekeeping: Druck, Durchfluss, Füllstand

• Analysatoren: Nährstoffanalysatoren für Nitrat, Phosphat, Silikat (SYSTEA) und Analysator für TOC und TIC (BIOTECTOR)

• Filtration

• mechanische Spüleinrichtungen

• chemische Reinigung (Chlorierung und Säurezugabe)

• Gehäuse für Betriebsgeräte und Rechner

Nach dem Aufbau der Messstrecke in einem Messcontainer in Jena wurde das System ab 6/2002 in Kiel erfolgreich an der „Schwentine“ (Brackwasser mit Einflüssen aus der Landwirtschaft) erprobt. Nach einem weiteren Test an der Elbe bei Geesthacht erfolgte

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der Transport nach Indonesien (10/2002) und 11/2002 die Inbetriebnahme des Systems.

6.3 Technische Realisierung der Durchflussmessstrecke

Bild 2: Innenausbau des Messcontainers.

Hauptkomponenten:

• Analysator für TOC, TIC (BIOTECTOR) • Analysator für Nährstoffe (SYSTEA µMac) • Meteorologie Wind und Globalstrahlung (Lambrecht) • Standardsensorik für Wasser (Endress+Hauser, MeCoTec) • Flussmessstelle für Pegel, Temperatur und Strömung (4HJE) • Durchflussmesssystem (4HJE, MeCoTec) • SPS Steuerung (Siemens, 4HJE) • Datenmanagement Messsystem MSC (4HJE) • Datenmanagement Auswertung LANDSTATION (GKSS, 4HJE)

Weitere eingebaute Komponenten:

• Sicherungskästen • Spüle mit Frischwasserzulauf • Klimagerät 2,2 kW • Alarmanlage mit Bewegungsmeldern und Türkontakt • Sauerstoffflasche für BIOTECTOR • Peltier Kühlgeräte für Chemikalien SYSTEA • Bandfilter für SYSTEA • Housekeeping-Sensorik (Temperatur, Schalter)

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Abschlussbericht „Adaption, Test und Betrieb des MERMAID-Systems für tropische Umwelt-Überwachungsprogramme“

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Bild 3: Schema des komplexen Wassersystems, Stand: 03.02.03

Herzstück der Anlage ist das Glasgefäß (mittig) mit der Funktion eines Debubblers und der Hauptstrecke mit einem Großteil der Sensorik:

Sauerstoff, Trübung, pH-Wert, Temperatur (Fa. Endress + Hauser, D) Leitfähigkeit (Fa. MeCoTec, D) Systemrelevante Sensoren wie:

o Druck o Durchfluss o Niveaumelder

Darüber hinaus gibt es den Nebenkreis für:

weitere Sensorik (rechts oben) o Chlorophyll-a (Fa. WetLabs, USA – Option, nicht eingebaut)

chemische Analysegeräte (links unten) o TOC/TIC (Fa. Analytical Specialties, IRE) o Nährstoffe (Fa. SYSTEA, IT)

Chlorierungsmodul inklusive Sensor und eigenem Controller (rechts, Fa. MeCoTec, D)

Reinigungsmodul zur Reinigung einzelner Sensoren und zum Befüllen der Strecke mit Frischwasser (oben links, 4HJE).

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Abschlussbericht „Adaption, Test und Betrieb des MERMAID-Systems für tropische Umwelt-Überwachungsprogramme“

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Bild 4: Bedienung der Rechentechnik im Messcontainers und Arbeitsplatz.

Anschlüsse MSC und Telefon

Monitor MSC

Rauchmelder

Monitor Landstation

Klimagerät

Vorratsbehälter Frischwasser mit Schwimmer-schalter und UV-Lampe

Netzteil Alarmanlage

USV Pumpen mit Zusatz-Akku

USV Rechner

Landstation mit Modem

Sauerstoffflasche BIOTECTOR

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Bild 5: BIOTECTOR und Durchlaufmessstrecke. Der SYSTEA Nährstoffanalystor ist hinter der Messstrecke verdeckt.

Reagenzien BIOTECTOR

Durchflussstrecke

BIOTECTOR mit Steuertafel

Versorgung Meteorologie

E+H Messverstärker

SPS Steuergerät

Steuergerät Chlorierung

Vorfilter

NOT-AUS

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Bild 6: Oberer Teil der Durchflussmessstrecke. Oben links MSC als 19“ AT96 Industrie-PC-Version, oben rechts Siemens S7-SPS-Steuerung, unten (geschlossene Klappe) das Antifouling-Chlorierungsmodul Fa. MeCoTec.

MSC

Messmodule und Konverter

Steuermodul Frequenzumrichter Kreislaufpumpe

SPS

Modem MSC

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Bild 7: Übersicht Durchflussstrecke ohne Verkabelung und Sensoren.

Motorventil

Kontrolle Durchfluss

Handregler

Spüldüsen Verteilung

Halterung Sonden

Druckgeber

Spülwasser Pumpe P

Durchfluss

Zulauf Säurepumpe

Kreis SYSTEA

Zulauf

Durchfluss

Debubbler Glasgefäß

Überlauf

Ablauf

Durchfluss

Dosier-pumpe Chlor P

Durchfluss

Dosier-pumpe Säure P

Umwälz-pumpe P Handregler

Motorventil (verdeckt)

Motor-ventil

Nebenkreis (opt. Sonden)

Hauptkreis (Sonden)

Kreis (Chlorierung)

Kreis BIOTECTOR

Handregler

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6.4 Erprobung Durchflussmessstrecke 6.4.1 Erprobung in Kiel – „Schwentine“ – Kieler Förde, 07.05.2002 – 07.06.2002

Bild 8: Blick vom GEOMAR Hauptgebäude auf den BRANTAS Messcontainer an der Schwentinemündung zur Kieler Förde

im Hintergrund.

Für die Erprobung in Kiel wurde ein neues Telemetriekonzept zur Anbindung der Messstelle an die Landstation entwickelt. Dafür wurde eine Funktelemetrie auf DECT-Basis zwischen dem Container und dem Dach des GEOMAR Forschungszentrums eingerichtet. Von dieser Relaisstation wurden die Daten über Ethernet zum Kieler Büro von 4HJE übertragen und in die Landstation eingespielt. Damit wurden zwei Vorteile erreicht:

1. online Überwachung der in situ-Messung vom 4H-Office aus 2. Autonomer Messbetrieb

Im Verlauf der Erprobung wurde der zunächst als eigenständiger „Slave“ Landstations-PC durch einen kommerziellen so genannten „ComServer“ ersetzt. Dieser „ComServer“ in Größe einer Zigarettenschachtel stellt eine transparente serielle RS232 Verbindung über TCP/IP auf Ethernet zur Verfügung und ersetzt den PC.

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Bild 9: Relaisstation auf dem GEOMAR-Dach. Oben rechts steht auf den Rohren das DECT Funkmodem zum Container.

Ziel der Erprobungsphase in Kiel war die Implementierung und der Test der gesamten Steuersoftware auf dem Messstellenrechner MSC. Der zur Verfügung stehende Zeitraum von ca. 4 Wochen reichte dabei für eine grundlegende Entwicklung und Testung aus, der kontinuierliche Dauerbetrieb erfolgte im Anschluss am GKSS Elbe-Wehr. 6.4.2 Erprobung in Geesthacht – „Elbe-Wehr“, 08.06.2002 – 06.10.2002

Bild 10: Brantas-Messcontainer neben dem existierenden GKSS-Messsystem „Elbe-Wehr“.

In der zweiten Erprobungsphase am GKSS „Elbe-Wehr“ wurde der Messcontainer in den Dauermessbetrieb überführt. Das Software-Handling wurde dabei überprüft und weiter optimiert.

DECT Funkmodem zum Container

USV

Relaisstation zum 4HJE Büro

NT-Rechner als „Slave“-Landstation

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In dieser Erprobungsphase wurde insbesondere der automatische Messbetrieb zusammen mit den täglichen, ebenfalls automatischen Antifouling-Reinigungszyklen getestet und dabei kontinuierlich Daten aufgezeichnet. (Die Datenbewertung liegt im Aufgabenbereich der GKSS und wird hier nur zur Vollständigkeit kurz beschrieben). Die Telemetrieanbindung zur Landstation im GKSS-Büro erfolgte hier über eine ISDN-Leitung und ein Analogmodem an einem a/b-Adapter der Telekom.

Bild 11: Auszug von TIC Messdaten des BIOTECTOR-Analysators am „Elbe-Wehr“, die automatisch gewonnen wurden.

Bild 12: Auszug von NH4 und PO4 Messdaten des SYSTEA-Analysators am „Elbe-Wehr“, die ebenfalls wie die BIOTECTOR-Daten automatisch gewonnen wurden.

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Bild 13: Auszug von hydrographischen Messdaten des Durchflusssystems am „Elbe-Wehr“. Die täglichen automatischen

Reinigungszyklen sind durch die Peaks in den Daten gekennzeichnet.

6.4.3 Anpassung des MERMAID-Datensystems Das „Advanced MERMAID Datasystem“ besteht aus den Komponenten Messstellenrechner MSC, Landstation und einer Telemetrieverbindung zwischen den Rechnersystemen. Das existierende „Advanced MERMAID Datasystem“ wurde um Komponenten erweitert, die den Betrieb einer Durchflussmessstrecke unter tropischen Bedingungen gestattet. Hier werden nur die für 4HJE relevanten Arbeitspakete aufgeführt:

• Aufbau des Rechnersystems (Messstellenrechner MSC) • Entwicklung neuer und Adaption bestehender Software-Komponenten für die

Messstation • Adaption von Probennehmer an das Datensystem

Auf Basis eines Industrie-PC’s (iPC) wurde ein Rechnersystem aufgebaut, welches über Datenerfassung, Datenspeicherung, Fehlermanagement, Telemetrie und Menüsteuerung verfügt.

Reinigungszyklen

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Dieses Arbeitspaket beinhaltete:

• Aufbau eines iPC mit Real-Time Multitasking Betriebssystem Komponenten. • Visualisierungs-Option mit einem LCD-Monitor • Integration einer analogen Datenerfassung und -konditionierung. • Integration von Steuersignalen für das Wassersystem • Integration von digitalen (seriellen) Schnittstellen • Option für ein Power-Management mit Solarzellen oder Windgeneratoren für

künftige Messstationen ohne geeignete Infrastruktur • Telemetriemodul mit den Optionen für:

o Telefon Festnetz o Funktelefon (GSM) o Datenfunk (Betriebsfunk, Paket Radio, Seefunk usw.) o Drahtanbindung o Satellit (ARGOS, ORBCOMM)

Als vollständig neue Komponenten wurden erstellt:

• SPS Siemens S7 Steuergerät zum autonomen Betrieb des Wassersystems mit Bedienung aller notwendigen Pumpen und Motorventile.

• Ansteuerung der SPS durch den MSC mit Datenerfassung aller Housekeeping-Parameter.

• Programmierbarer Autostart-Mechanismus der SPS durch den MSC mit Optionen für Spülung mit Frischwasser, Reinigung mit Säure, Reinigung mit Chlorierung

• Ansteuermodul des BIOTECTORS durch den MSC mit programmierbarem Autostart-Mechanismus und Datenerfassung

• Ansteuermodul der SYSTEA-Geräte durch den MSC mit programmierbarem Autostart-Mechanismus und Datenerfassung

• RS485 Devicemodul am MSC zur Datenaufzeichnung der Flussmessstelle • Analog Devicemodul am MSC zur Datenaufzeichnung der Meteorologiedaten

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Bild 14: Baumstruktur aller Brantas-Messparameter mit Sensor (Parameter), Device (Gerätetreiber) und Id’s für die Brantas-Station.

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6.5 Erstellung und Erprobung einer in situ-Flussmessstelle Zur Erfassung der Gewässergüte ist es notwendig, zusätzlich zu den Parametern der Durchflussmessstrecke bereits in situ Sonden einzusetzen. Insbesondere Wasserströmung, -temperatur und -pegel müssen mit einer separaten Messstelle erfasst werden. Dieses Arbeitspaket beinhaltet:

• Aufbau einer Wassermessstelle am Einlauf des Wassersystems mit den Parametern:

• Wassertemperatur mit dem präzisen 4HJE Temperaturmesssystem • Pegelsonde zur Erfassung des Wasserstandes • Entwicklung eines geeigneten Trägersystems für die Gegebenheiten vor Ort • Anbindung der Messstelle an das Datensystem mit einem RS485-Interface. • Erprobung der Wassermessstelle mit neuen Software-Komponenten

Bild 15: Die Ansaugstelle mit Zu- und Ablauf.

Ablauf

UW-Pumpe

Zulauf

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Bild 16: Die Unterwasserpumpe mit Schwimmerschalter. Die Kombisonde für Pegel und Temperatur liegt seitlich unterhalb

des Gestells auf dem Grund.

6.6 Erprobung des Gesamtsystems auf META-1 Die Erprobung auf der GKSS-Boje META-1 wurde in Absprache mit allen Projektpartnern zugunsten der Erprobung in Kiel geändert, s. „AP4 – Erprobung“. Die META-1 wurde zwischenzeitlich außer Betrieb genommen. Die Erprobung in Kiel ist aufgrund der geringen Entfernung sehr viel umfassender möglich gewesen als es auf der Elbe möglich gewesen wäre.

6.7 Schulungen und Aufbau einer Wartungsinfrastruktur Die Schulung von drei indonesischen Technikern bzw. Wissenschaftlern Mr. Mohammed Sutriyanto (BAPEDAL), Mrs. Vonny Setiawati (JASA TIRTA) und Mr. Didik Agus (Lab. PU. Bina Marga) wurde unter der Regie der GKSS für 4 Wochen durchgeführt. 4HJE hat die entsprechenden Schulungen durchgeführt: (weiteres s. Bericht GKSS).

• Konzept und Technik des „Advanced MERMAID Datasystem“ • Aufbau und Anschluss der Daten- und Rechnertechnik im Messcontainer • Betrieb und Wartung des Messstellenrechners MSC • Arbeitsschritte zur Einrichtung / Löschung / Änderung von Konfigurations-

einstellungen • Vorgehensweise bei Problemen, Hilfsmittel wie Debug-Optionen und Auswertung

der Logfiles. • Mögliche Einbindung künftiger neuer Sensoren und Devices (Geräte)

Haltekette

Schwimmerschalter

UW-Pumpe mit Grobfilter

-4H- Strömungssonde

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6.8 Aufbau und Inbetriebnahme von einem Messsystem in Indonesien Inbetriebnahme in Surabaya: 08.11.2002 – 08.12.2002 Wartung Surabaya 24.02.2002 – 07.03.2003 Übergabe Surabaya 19.03.2003 – 30.03.2003 Dieses Arbeitspaket beinhaltet u.a.:

• Mechanischer Aufbau • Anschluss an das Wassersystem • Elektrische Installation • Inbetriebnahme der beiden Messstationen • Inbetriebnahme der Landstationen • Einweisung / Schulung des Personals vor Ort ("Training on the Job")

Der Aufbau des Messcontainers in Surabaya fand in der Zeit 08.11.2002 – 08.12.2002 statt. Der Messcontainer wurde erst am 22.11.2002 nach Abwicklung verschiedener Formalitäten aus dem Zollverschluss freigegeben, so dass für die Inbetriebnahme eine Woche weniger als geplant zur Verfügung stand. Der tatsächliche Aufbau (Carport, Klimaanlage etc.) und die Installation (Wasseranschlüsse, Elektrik, Telefonanlage etc.) haben aufgrund der guten Vorbereitung aber nur 3 Tage beansprucht, so dass für den Endtest ausreichend Zeit zur Verfügung stand. Der gesamte Aufbau wurde bis auf wenige Ausnahmen (z.B. Hauptstromanschluss bereitstellen oder Schutzzaun montieren) von den Mitarbeitern von 4HJE und GKSS in Eigenleistung erledigt. Am 06.12.2002 wurde der Testbetrieb beendet und der operationelle Betrieb begonnen.

Bild 17: Nächtliche Ankunft des Messcontainers in Surabaya am 22.11.2002.

Bild 18: Aufbau.

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Bild 19: Außenansicht vom Gelände aus.

Bild 20: Außenansicht von der Hauptstraße aus.

Messcontainer Ansaugstelle

Vordach

Schutzdach

4 St. Bewegungsmelder + 500W Strahler

Schutzzaun

Frischwasser Wasserzulauf

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Bild 21: Das Team der ersten Stunde (v.l.n.r.): Unruh (GKSS), Dr. Schroeder (GKSS), Dr. Agus (DINAS PENGAIRAN), Koch

(4HJE), Marx (4HJE)

6.9 Externe Landstationen Das Datenkonzept sieht vor, das die „Master“ Landstation direkt im Messcontainer steht und mit einer RS232 115200bps Drahtverbindung an den MSC angeschlossen ist. Die Daten werden zyklisch von den „Slave“ Landstationen per Telefon abgeholt und dort jeweils mit identischen Programmen visualisiert bzw. in eigenen Datenbanken offline gespeichert. Alle Landstationen bestehen aus den Komponenten:

• Landstationsrechner auf PC-Basis mit Windows-2000 prof.™ Betriebssystem • 19“ Monitor, Mouse, Keyboard • USV mit Abschaltautomatik und Datenaufzeichnung • Modemanschluss (i.d.R. 9.6 kbps bis 28 kbps)

Als „Slave“ Landstationen wurden eingerichtet:

• DINAS PENGAIRAN office, Dr. Agus, Surabaya, November 2002 • JASA TIRTA headquarter, Malang, Dezember 2002 • BAPEDALDA headquarter, Surabaya, März 2003

Bild 22: Primäre „Slave“ Landstation bei DINAS PENGAIRAN, Dr. Didik Agus, Surabaya

Bild 23: Weitere „Slave“ Landstation bei JASA TIRTA, Malang

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Bild 24: Weitere „Slave“ Landstation bei BAPEDALDA, Surabaya

Das im Dauerbetrieb arbeitende Messsystem wird bis zum gegenwärtigen Zeitraum von ITS und JASA TIRTA betrieben. 4HJE und GKSS holen sich die Daten über Telefon und beraten ITS/JASA TIRTA über die jeweilige Vorgehensweise. Arbeiten vor Ort wurden mit Unterstützung von 4HJE und GKSS durchgeführt. Dazu gehörte u.a.:

• 14-tägige Routinewartung / Reinigung / Kalibrierung von Sensoren (JASA TIRTA)

• Monatliche Routinewartung / Reinigung / Kalibrierung der Nährstoffanalysatoren (JASA TIRTA)

• Vierteljährliche vorbeugende Wartung und Überprüfung aller Funktionen vor Ort (4HJE)

• Beratung / Ferndiagnose beim Auftreten von Fehlern (4HJE, GKSS)

• Schicken von Ersatzteilen (Sensoren, Rechnerteile) (4HJE, GKSS) Als besondere Erschwernisse und Herausforderungen an den Aufbau und Betrieb des Messsystems können genannt werden:

• Langwieriger Formalismus im Umgang mit Behörden • Keine Standardersatzteile verfügbar • Stromausfälle zwischen Sekunden und Tagen sowie Störungen (EMV-Schläge),

z.B. während Gewitter • Extreme Belastung des Flusses auch mit mechanischer Fracht bis hin zu

Baumstämmen • Starke Sedimentation an Filtern • Sporadische industrielle ölbelastete Abwässer

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Bild 25: Mechanische Reinigung des Außenfilters von Sedimenten, Tüten usw.

Bild 26: Innenfilter mit Kokosöl-Benetzung und zusätzlichem Fäkalienbelag.

Bild 27: Mechanische Reinigung des Außenfilters von Sedimenten, Tüten usw.

Bild 28: Defekt im Frischwasserzulauf durch Steinchen in den Wasserleitungen, verursacht durch Lecks der örtlichen Leitungen.

Bild 29: Lilienpflanzen vor der Pumpe der Messstation. Bild 30: Palmölverschmutzung im Debubbler.

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6.10 Beispielhafte Daten-Zeitreihen im Testbetrieb 26.11.2002 – 06.12.2002 Während des Testbetriebes wurden kontinuierlich Daten gesammelt, soweit es die Arbeiten am System zuließen. Aus der Bewertung der Daten zusammen mit den Beobachtungen wie z.B. Verschmutzungsgrad konnten Arbeitsvorschriften für Wartung und Betrieb ausgearbeitet werden. In dem ersten Testbetrieb über 2 Wochen erwies sich das Antifoulingkonzept als zuverlässig.

Bild 31: Alle wichtigen Parameter über 2 Wochen, skaliert auf den effektiven Messbereich.

In den beiden Zeitreihen lassen sich die Reinigungszyklen deutlich anhand der Peaks in den Daten erkennen. Insbesondere bei den kritischen Parametern Trübung, Sauerstoff und Chlorophyll lassen sich Foulingeffekte durch den zyklischen stetigen Anstieg der Werte nachweisen. Nach der Reinigung sind die Werte wieder im erwarteten Bereich.

In den Bildern ist zu beachten, dass die Zeitachsen der einzelnen Parameter nicht deckungsgleich, sondern gegeneinander verschoben sind. In neueren Programmversionen (s. Zeitreihe 03/2003 unten) wurde dies geändert.

Im Testbetrieb laufen die Geräte nicht kontinuierlich, sondern werden immer wieder für neue Einbauten, Wartung usw. ausgeschaltet. Aus diesem Grund sind die Zyklen teilweise unterbrochen.

Fouling

Reinigung

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6.11 Beispielhafte Daten-Zeitreihen im operationellen Betrieb 24.03.2003 – 31.03.2003

Bild 32: Alle relevanten Parameter skaliert mit den Werten der Standard-Reinigungszyklen.

In den der Zeitreihe oben lassen sich die Reinigungszyklen deutlich anhand der Peaks in den Daten erkennen. Das Antifoulingkonzept hat sich auch hier nach 4 Monaten Dauerbetrieb bewährt. Die Daten wurden seit der Inbetriebnahme am 06.12.2002 wöchentlich dem GKSS Forschungszentrum über Internet / eMail zur Verfügung gestellt und dort bewertet. Zusätzlich wurde eine Qualitätsbeurteilung ebenfalls wöchentlich durch DINAS PENGAIRAN durchgeführt und an die GKSS übermittelt. (Die Zeitreihen liegen bis 11-2006 vor und befinden sich in einer Gesamtauswertung die dem Abschlussbericht beigefügt wird)

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6.12 Offizielle Übergabe des MERMAID-BRANTAS Systems am 24.03.2002

Bild 33: Offizielle Inbetriebnahme durch den Deutschen Botschafter in Indonesien.

Bild 34: Zeremonielle Ausstattung des Geländes um den Messcontainer.

Bild 35: Fernsehinterview durch Prof Colijn, GKSS.

Bild 36: Übergabeprogramm im Novotel Surabaya an Regierungsstellen.

Bild 37: Präsentation der BRANTAS MERMAID Technologie in Jakarta.

Bild 38: Übergabeteam (v.l.n.r.): Unruh (GKSS), Koch (4HJE), Dr. Krohn (GKSS), Dr. Schroeder (GKSS), Mnich (GKSS), Prof. Colijn (GKSS)

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6.13 Dokumentation Für die gesamte Projektlaufzeit wurde eine ausführliche Dokumentation erarbeitet. Über die Dokumentation hinausgehend wurden Arbeitsanweisungen für Wartungen und Bedienung erstellt:

• Dokumentation des Gesamtsystems mit eindeutiger Beschreibung aller Hard- und Softwareschnittstellen sowie die Funktionalität der einzelnen Module (Rechnersystem, Sensoren, Datenerfassung, Telemetriesystem u.a.)

• Arbeitsanweisungen für Wartungsarbeiten und Fehlerkontrollen. • Beschreibung von Arbeitsabläufen zur Erfassung qualitätsbewerteter

Messwerte und Probenahmen. • Arbeitsanweisungen zur Wartung und Service der Messstationen

Der aktuelle Arbeitsstand umfasst eine vollständige Dokumentation aller Handbücher zu den Geräten. Arbeitsabläufe wurden im Abschnitt QS erfasst und dargestellt. Die deutsche Fassung der Handbücher kann vom Kieler FTP-Server heruntergeladen werden.

6.14 Einhaltung des Zeitplanes In Anpassung an den aktuellen Erkenntnis- und Entwicklungsstand, vor allem in Auswertung der Wartungsfahrten nach Indonesien, wurde unter Verantwortlichkeit von -4H- JENA engineering GmbH, nach Abstimmung mit den Projektpartnern das Pflichtenheft mit entsprechend neuen terminlichen Festlegungen fortgeschrieben. Die Verzögerungen haben sich durch Anlaufschwierigkeiten bei Erstellung und Zeichnung der gemeinsamen Projektvereinbarung (Joint Agreement), bei den Vereinbarungen über Stationsaufbau und Schnittstellen-Verantwortlichkeiten, bei der Spezifizierung des Messkonzeptes sowie auch durch Verzögerungen bei der Lieferung von MERMAID-Komponenten ergeben. Eine Konsequenz der Verzögerungen ist, dass die MERMAID-Station erst Ende November 2002 in Indonesien aufgebaut und Anfang Dezember 2002 in Betrieb genommen werden konnte. Da das Messsystem in Indonesien zumindest ein Jahr in Betrieb sein und Daten liefern sollte, hat diese Randbedingung zur Folge, dass alle Folgearbeiten eine Verzögerung von ca. 6 Monaten hatten. Aus diesem Grund wurde 2004 ein Antrag auf Projektverlängerung bis 6-2006 gestellt und vom Projektträger befürwortet und genehmigt.

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7 Voraussichtlicher Nutzen und Verwertbarkeit der Ergebnisse

Bei dem vom BMBF geförderten Projekt handelt es sich - neben wissenschaftlichen Aspekten, die im wesentlichen auf Verbesserungen des Gewässermanagements zielen - um die Einführung deutscher Technologie in den asiatischen Bereich. Nach den bisherigen Erfahrungen mit der Station in Surabaya sind die Partner aus Wissenschaft und Industrie davon überzeugt, eine innovative Technologie entwickelt zu haben, die sowohl vom Kosten- / Nutzenverhältnis als auch auf Grund ihrer Tropentauglichkeit allen anderen konkurrierenden Systemen überlegen ist. Während der Projektlaufzeit waren zahlreiche Delegationen aus Indonesien aber auch aus China, Vietnam, Australien und Malaysia in Surabaya und haben sich das Messsystem erläutern lassen. Über konkrete Verkäufe dieser Technologie kann allerdings noch nicht berichtet werden. Zusätzlich zur Anwendung am Brantas-River wird die gleiche Technologie allerdings erfolgreich auf Fähren zur kostengünstigen Überwachung von Küstengewässern eingesetzt. Bisher sind 4 Forschungsschiffe, 5 Fährschiffe , 2 Meeresmessbojen in der Nordsee und die Biologische Anstalt Helgoland mit ähnlichen Systemen ausgerüstet worden. Mit dem Verkauf dieser Systeme konnte ein Umsatz von ca. 2,5 Millionen € realisiert werden. Weitere bereits gesicherte Einsatzfälle sind im Jahr 2007 in Brasilien, Deutschland und Indonesien geplant. Die -4H- JENA engineering GmbH wird die Flussmessstation in Surabaya, als Demonstrationsanlage für in den Tropen funktionierende deutsche Technologie, gemeinsam mit den indonesischen Partnern, weitere 3 Jahre betreiben.

8 Während der Durchführung des Vorhabens bekannt gewordener Fortschritt auf dem Gebiet des Vorhabens bei anderen Stellen

Von 2002 bis 2006 wurden in einem EU-Projekt die Möglichkeiten und Grenzen der Meeresforschung mit auf Schiffen installierten Durchflussmesssystemen untersucht. Die Leitung und Koordinierung diese EU-Projektes lag in den Händen von Prof. Colijn vom Institut für Küstenforschung der GKSS. In dem Projekt wurde der Nachweis erbracht, dass FerryBox-Systeme in der Lage sind, wichtige Ergebnisse für die Zustandsüberwachung der Meere und Küstengewässer zur Verfügung zu stellen. Der Firma -4H- JENA engineering ist es gelungen, bei 4 Projektpartnern (Griechenland, Lettland, Niederlande und Deutschland) die Messsysteme und Zubehörkomponenten zu liefern. Vier weitere Partner des Projektes haben Ihre Messtechnik selbst gefertigt. Ein Projektteilnehmer (Chelsea Instruments) hat eine eigene Fertigung von Durchflussmesssystemen aufgebaut.

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Während der Projektlaufzeit konnten wir unsere Durchflusssysteme umfangreich testen und verbessern. Nach unseren Erkenntnissen sind wir, zu mindestens in Europa, die einzige Firma die solche Systeme kommerziell herstellt und verkauft.

9 Realisierte und geplante Veröffentlichungen Schroeder, F., Knauth, H.-D., (2003): "MERMAID - Automated Water Quality Monitoring in the Brantas River Estuary, East Java, Indonesia". a) Proceedings PACON 2003, Ocean Capital Year, Nov. 30-Dec. 3, Kaohsiung, Taiwan and b) Voice of the Pacific, Vol 19, No 2, 3-6, PACON International, Honolulu. Schroeder, F., Petersen, W., Petschatnikow, M., Colijn, F. (2003): "A New Monitoring Tool: Automatic Measurements From Ferryboats". In Recent Advances in Marine Science and Technology, 2002, N.K. Saxena, Editor. Published by Japan International Marine Science and Technology Federation, Akasaha, Minato-ku, Tokyo, Japan. Schroeder, F., Knauth, H.-D., Pfeiffer, K., Nöhren, I., Duwe, K., Jennerjahn, T., Adi, S., Agus, D.: „Water Quality Monitoring of the Brantas Estuary, Indonesia“. Proceedings for OCEANS’04 MTS/IEE/Techno-Ocean in Kobe/Japan November 2004.

10 Literaturverzeichnis Pfeiffer, K., Knauth, H.-D., Schroeder, F., Nies, H., Grisard, K., 1999: "The MERMAID-OPMOD System for Integrated Marine and Coastal Monitoring". EEZ Technology, ICG Publishing Ltd., London, Edition 3, 183-188 Heinrich, H., 1994: Optimierung des Nordsee-Monitoring: TUVAS-Ergebnisse. In: Deutsche Hydrographische Zeitschrift, Supplement 1 , S. 78-83. Knauth, H.-D.; Schroeder, F., 1991: MERMAID: Ein automatisches, fernsteuerbares Messsystem zur effektiven Überwachung europäischer Küstengewässer In: Wirtschaft und Umwelt 1991 7/8 S. 19-24 Zugl.: GKSS 92/E/3Auch in: BremTec und Transferstelle Meeres-technik (Hrsg.:): BremTec Materialien - Maritimer Umweltschutz - Handlungsbedarf in Forschung und Entwicklung; Fachtagung am 21. Juni 1991 in Bremen, S. 43-70. Knauth, H.-D.; Schroeder, F., 1991: Sensoren, automatische Probenahme- und Analysegeräte In: Tagungsband des Symposiums: Sensor- und Messtechnologie in Meeresforschung und Meerestechnik Hamburg 1991. Zugl.: GKSS 91/E/49, 34 Seiten. Knauth, H.-D.; Schroeder, F., 1993: MERMAID, A Remote-Controlled Measuring System for the Determination of Contaminants in Estuaries and Coastal Waters In: Marine science and technologies: Tagungsband der Fachtagung MAST Days and Euromar Market Luxembourg 1993 3 pp. 577-585, ISBN 92-826-5626-8

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Abschlussbericht „Adaption, Test und Betrieb des MERMAID-Systems für tropische Umwelt-Überwachungsprogramme“

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Knauth, H.-D.; Schroeder, F., 1994: Automatic monitoring and sampling of harmful sub-stances in estuaries and coastal waters In: OCEANS 94 held in conjunction with OSATES 94: Proceedings; Oceans Engineering for Today's Technology and Tomorrow's Preserva-tions St. Thonan 1994 III pp. III-303 - III-307, ISBN 0-7803-2056-5 Knauth, H.-D.; Schroeder, F.; Schulz-Baldes, M., 1991: MERMAID: Marine environmental remote controlled measuring and integrated detection system In: OCEANOLOGY INTERNA-TIONAL '92: Conference Proceedings 1992 2 14 Seiten,. Knauth, H.-D.; Schroeder, F.; Kohnke, D.; Holzkamm, F., 1996: The German Operational Coastal Monitoring Network: Present State and New Technologies. In: Oceanology 96, Brighton, Conference Proceedings. Spearhead Exhibition Ltd., New Malden, Vol 3, pp.21-43. Nies, H., 1990: The Contamination of the North Sea by Artificial Radionuclides During the Year 1987. J. Environm. Radioactivity, 11 , 55-70. Schulz-Baldes, M.; Knauth, H.-D.; Schroeder, F., 1991: Sensor technologies related to automated measurement of chemical parameters In: Proceedings of the Seminar on Measurement and Monitoring Technology: The 1st INTERNATIONAL Environment Northern Seas Conference and Exhibition 1991 pp. 81-90 Theobald, N., A.Rave and K. Jerzycki-Brandes, 1995: Input of hydrocarbons into the North Sea by the river Elbe. Fresenius J. Anal. Chem. 1995, 353, 83-87. Knauth, H.-D., Schroeder,F.; Menzel,R.; Gebhart, E.; Marx, S.; Kohnke,D.; Holzkamm,F.; Nies,H.; Theobald. N.: Marine Pollution Network EUROMAR-MERMAID: Results of the Experimental Operation. Dt. Hydr. Zt., Vol 49 (1997), No. 2/3. Petersen, W., Geisler, C.D., Schroeder, F. Knauth, H.-D.: AISIT-a new device for remote-controlled sampling of dissolved and particle-bound trace elements in surface waters. J. Sea Res. 40 (1998) 179-191. Gebhart, E., Mnich, U., Schroeder, F., Knauth, H.-D.:Applicationm of a new automatic event-controlled sampler for heavy metals: studies on the behaviour of particle-bound heavy metals in the Elbe estuary. Anal.Chim. Acta 377 (1998) 263-273. Krüger, S.: Messstation DARSSER SCHWELLE "Auf Sendung", Kurzartikel: Mitteilungen der Deutschen Gesellschaft für Meeresforschung (DGM) e.V., Heft 4/93, S. 18 Druck:(Druck-Dienst-Abendroth) Krüger, S., Roeder, W., Wlost, K.-P Monitoring Station "DARSS SILL", Vortrag auf dem "Second International Workshop on Fixed Monitoring Networks" in Hamburg, 2.-3.Dez. 1993 Krüger, Siegfried; WLOST, Klaus-Peter; ROEDER, Wolfgang Die neuen automatischen Messstationen des IOW als Bestandteil des Stationären Umweltmessnetzes Nord- und Ostsee - Proceedings - Technik zur Nutzung und Erhaltung aquatischer Lebensräume, 3.Interdisziplinäres Kolloquium, Der Ingenieur und seine Umwelt, anlässlich der 575 Jahrfeier der Universität Rostock, 10. November 1994, ISBN 3-860019-105-0, S. 53 - 62 Krüger, S.; Roeder, W.; Wlost, K.-P.: The IOW - Baltic Stations DARSS SILL & ODER-BANK - part of the German Marine Monitoring Network – MARNET Proceedings - Baltic Marine Science Conference 21-26 October 1996 - Ronne, Denmark

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Abschlussbericht „Adaption, Test und Betrieb des MERMAID-Systems für tropische Umwelt-Überwachungsprogramme“

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Siegfried Krüger, Meeresmesstechnik im Institut für Ostseeforschung Warnemünde, Deutsche Gesellschaft für Meeresforschung (DGM) e.V., Mitteilungen, Heft 3/97, S. 23 ff., Druck: (Druck-Dienst-Abendroth) Krüger, S: Entwicklung neuer Geräteträger mit optimiertem Seegangsverhalten für automatische Messstationen in der Ostsee. Jahresseminar zur Verwaltungsvereinbarung zwischen BSH und IOW über die Durchführung meereskundlicher Aufgaben in der Ostsee, 24.06.1997, BSH Rostock. Krüger, S: Weiterer Aufbau und Betrieb des IOW-MARNET-Ostseemessnetzteils und Autonomer Flachwasser-CTD-Profiler als IOW-Begleitprojekt. Jahresseminar zur Verwaltungsvereinbarung zwischen BSH und IOW über die Durchführung meereskundlicher Aufgaben in der Ostsee, 22.06.1998, BSH Hamburg. Autonomous Instrumentation Carrier (APIC) with acoustic transmission for shallow water profiling Siegfried Krueger, Wolfgang Roeder, Klaus-Peter Wlost, Physical Oceanography, Instrumentation Dept., Baltic Sea Research Institute Rostock-Warnemuende (IOW), Manfred Koch, Heinz Kaemmerer, -4H- JENA engineering GmbH, Thorsten Knutz, Institute for Applied Physics Kiel (IAP), Germany Oceanlogy International 98 - The Global Ocean- 10 - 13 March 1998, Brighton, UK Conference Proceedings Vol. 2, pp. 149 - 158 Basic shipboard instrumentation and fixed automatic stations for the monitoring in the Baltic Sea presented on the workshop on a "Co-ordinated Adriatic Observing System" in Trieste, Italy in October 1998, by Siegfried Krueger IOW CAOS Proceedings

11 Danksagung Für die Unterstützung bei der Realisierung dieses Verbundvorhabens bedanken wir uns bei folgenden Institutionen:

• Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF

• Projektträger für Wassertechnologie und Entsorgung im Forschungszentrum Karlsruhe, Außenstelle Dresden

• Internationales Büro des BMBF in Bonn

• Unseren Projektpartnern GKSS, BSH, Hydromod GbR