Elektronische Baggerfernüberwachung: erschienen in Hansa 6/2004

Veranlassung
Elektronische Baggerfernüberwachung
Dipl.-Ing. Ralph Hubert / Dipl.-Ing. Jörg Fräßdorf
Öffentliche Auftraggeber von Baggermaßnahmen überwachen die Ausführung i.d.R. durch eigenes
Bauaufsichtspersonal. Die Bauaufsicht stellt unter anderem die gebaggerten Mengen fest. Die Baggermengen
werden herkömmlich durch Handaufmaß erfasst. Möglichkeiten der modernen Technik
und Personaleinsparzwänge führen zur Frage nach automatischen Alternativen.
Die Firma HAHLBROCK MARINE TECHNOLOGIE (HMT) in Hamburg hat ein entsprechendes System entwickelt.
Im Folgenden wird über einen Test dieses Systems von Dezember 2001 bis März 2003 berichtet,
der im Rahmen der Unterhaltungsbaggerei im Auftrage der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung
des Bundes auf der Unter- und Außenelbe durchgeführt wurde.
Baggermengenerfassung
Das HMT-Verfahren enthält neben einer detaillierten Analyse des Baggerbetriebs, die insbesondere
Betriebszeiten, Baggertiefen, Kurse und Fahrstrecken ermittelt, auch ein Modul zur Ermittlung der
Feststoffmasse, die einerseits mit dem TDS-Verfahren (tons dry solid) und andererseits mit der
Dichte- und Durchflussmessanlage gemessen wird.
Das TDS-Verfahren ist im zitierten Schrifttum beschrieben.
Wie in Abb. 1 dargestellt, wird die gebaggerte Sedimentmasse aus folgenden Werten berechnet:
– der gebaggerten Ladungsmasse (Sediment und Wasser),
– dem gebaggerten Volumen (Sediment und Wasser) und
– der Dichte des Wassers und der Kornrohdichte des Sediments.
Die gebaggerte Ladungsmasse wird über die Tiefgangszunahme des Baggers gemessen. Hierzu erfolgen
Druckmessungen am Schiffsboden. Unter Verwendung der Carenentabelle des Baggers wird aus
der Tiefgangszunahme eine entsprechende Zunahme der Verdrängung errechnet. Die Füllstände der
Ballasttanks und des Brennstofftanks werden dabei berücksichtigt.
Das gebaggerte Volumen wird über den Füllstand im Laderaum gemessen. Die Messung erfolgt durch
Ultraschall. Unter Verwendung der Laderaumtabelle wird aus dem Füllstand das Füllvolumen errechnet.
Die Dichtewerte werden im Labor ermittelt. In der Praxis sind diese Dichten relativ konstant.
Abb.1: TDS-Prinzip (schematischer Baggerquerschnitt)
Zur Kontrolle des TDS-Wertes wird beim HMT-Verfahren die Massenzufuhr im Saugrohr des Baggers
erfasst. Die Bestimmung der Massenzufuhr erfolgt per Durchfluss- und Dichtemessung.
Die Ermittlung des Durchflusses erfolgt mit der induktiven Messung der mittleren Gemischgeschwindigkeit
in der Rohrleitung. Die Dichtemessung erfolgt radiometrisch, über die durch den Massenstrom
hervorgerufene Schwächung der Strahlung.
Durch die Erfassung der Massenzufuhr im Saugrohr werden Messfehler beim TDS-Wert leichter erkennbar.
Beide Messsysteme liefern voneinander unabhängige Ergebnisse.

Allerdings gibt es kein geeignetes Verfahren für die Messung des Laderaumüberlaufes. Die Kontrolle
des TDS-Wertes anhand der Sedimentzufuhr im Saugrohr ist deshalb nur bis zum Beginn des Laderaumüberlaufes
möglich.
In Abb. 2 ist der Vergleich des TDS-Wertes und der Massenzufuhr im Saugrohr für einen Baggerumlauf
dargestellt.
Abb. 2: Vergleich TDS - Massenzufuhr im Saugrohr
Während des Versuches hat sich überwiegend eine gute Übereinstimmung der beiden Massenwerte,
jeweils bis zum Beginn des Laderaumüberlaufes, gezeigt. Hieraus wird auf die Zuverlässigkeit des
TDS-Wertes im weiteren Baggerverlauf geschlossen.
Des Weiteren wurde der Zusammenhang zwischen der TDS-Messung und dem Ergebnis des Handaufmaßes
untersucht.
Da hierzu die Feststoffmasse in ein entsprechendes Sedimentvolumen umgerechnet werden muss,
gilt es, die wassergesättigte Sedimentdichte im Laderaum zu bestimmen.
Im Gegensatz zur Kornrohdichte kann sich dieser Wert von Baggerumlauf zu Baggerumlauf deutlich
ändern. Es liegt nahe, für jedes morphologisch einheitliche Baggerfeld eine gemittelte Dichte zu errechnen.
Hierfür wurden TDS- und Handaufmaßergebnisse für mehrere Baggerladungen gemittelt.
Die Vorgehensweise wird als Normierungsverfahren bezeichnet.
In Abb. 3 sind derart ermittelte wassergesättigte Sedimentdichten dargestellt. Es sind deutliche
Schwankungen im Bereich von ca. 1,7 bis 2,1 t/m 3 erkennbar. Diese Schwankungen der Sedimentdichte
sind der Grund dafür, dass mit der TDS-Messung kein realistisches Ergebnis für das Sedimentvolumen
erreicht werden kann. Entsprechend unterschiedlich sind die Ergebnisse der TDS- und
der Aufmaßmessungen. Hieraus wird geschlossen, dass das Normierungsverfahren für die Baggerung
der Unter- und Außenelbe nicht geeignet ist.
Abb. 3: Ermittelte wassergesättigte Sedimentdichte im Laderaum (Normierungsverfahren)
Neben dem HMT-System läuft auf vielen Baggern eine bordeigene TDS-Erfassung. Während des Versuches
wurden die Werte von der Bauaufsicht notiert, um sie mit den Werten des HMT-Systems zu
vergleichen. In Abb. 4 sind die notierten Werte sowie die prozentualen Abweichungen dargestellt.
Abb. 4 Vergleich der TDS-Ergebnisse des HMT-Systems und des bordeigenen TDS-Systems
In Abb. 4 sind teilweise beträchtliche Abweichungen zu erkennen. Da die unterschiedlich ermittelten
TDS-Werte auf identischen Messwerten und identischen Berechnungen beruhen, kann die Abweichung
nur durch unterschiedliche Ablesezeitpunkte erklärt werden.
Obwohl sich die Sedimentmasse im Laderaum zwischen Baggerende und Verklappung nicht ändern
dürfte, kommt es zu deutlichen Schwankungen des TDS-Signals. Hierfür gibt es unter anderem folgende
mögliche Gründe:
– Bei Fahrt durch Wasser ist die Tiefgangsmessung bei älteren Baggern oft ungenau (Strömung an
der Druckmessdose). Folge ist eine scheinbare Massenänderungen.

–Fahrtbedingte Schwingung des Ladungswassers oder Ausgleich des festen Ladungshorizontes
durch Vibration führen zu einer scheinbaren Volumenänderungen.
– Ladungsverluste durch Undichtigkeiten, Abgabe von Ladungswasser und Absenken des Überlaufes
führen zu echten Massenänderungen.
Für die Vertragsgestaltung ist zu entscheiden, ob Schwankungen und Ungenauigkeiten der TDS-
Berechnung relevant sind:
– Bei dem bisher üblichen Handaufmaß gibt es Messungenauigkeiten, die zufällig um den wahren
Wert schwanken. Das gemeinsame Aufmaß von Auftraggeber und Auftragnehmer soll die bestmögliche
Objektivität gewährleisten. Über eine ausreichende Zahl von Baggerumläufen wird deshalb
von einem Fehlerausgleich ausgegangen.
– Das TDS-System ist technisch komplex. Fehler können über mehrere Baggerumläufe unentdeckt
bleiben. Ein Fehlerausgleich durch die Vielzahl der Baggerumläufe kann nicht unterstellt werden.
Hieraus kann Konfliktpotential in der Vertragsabwicklung entstehen.
Baggerfernüberwachung
Die Aufnahme der Messdaten sowie die automatische Datenübertragung vom Bagger zum Büro
funktionierte während des Versuches zuverlässig. Bagger- und Saugkopfpositionen, Betriebszeiten
und Fahrstrecken wurden zuverlässig erfasst. Die technischen Abläufe an Bord des Baggers wurden
transparent gemacht. Die graphische Ergebnisdarstellung ermöglichte das Nachvollziehen des Baggervorgangs.
Zusammenfassung
Eine zuverlässige und aussagekräftige Überwachung der technischen Prozesse an Bord und der
Saugkopfpositionen ist mit dem getesteten System möglich. Die Baggermengenerfassung ist demgegenüber
weniger genau. Manipulationen der Mengenerfassung wären aufwendig, aber nicht unmöglich.
Die beiden letzten Gründe sprechen gegen das TDS-Verfahren als Abrechnungsgrundlage für
Baggerverträge.
Schrifttum
MACKE und TAMMINGA: Baggermassenermittlung mit elektronischer Datenerfassung im Hamburger
Hafen, HANSA Nr. 17/18, 1988
ROKOSCH: Measuring dry matter in trailing hopper dredgers, TERRA ET AQUA Nr. 41, 1989
ASTER: Aufmaßverfahren für Schlick/Sand-Gemische bei Unterhaltungsbaggerungen in Seeschifffahrtsstraßen,
HANSA Nr. 3/4, 1991
HAHLBROCK: Betriebssteuerung und Analyse mit DFÜ, HANSA Nr. 10, 1995
HAHLBROCK und FREESE: Hopper Load Measurement; Some recent experiences with a remoteoperated
data acquisition an analysing system, TERRA ET AQUA Nr. 72, 1998
HAHLBROCK und GERDAU: Hopperbagger-Fernüberwachung, HANSA Nr. 12, 1999
Großversuch HMT-Verfahren 2001 bis 2003, Abschlussbericht, WSA Cuxhaven 2004 (unveröffentlicht)

Autoren
Dipl.-Ing. Ralph Hubert und Dipl.-Ing. Jörg Fräßdorf
Wasser- und Schifffahrtsamt Cuxhaven
Am Alten Hafen 2
27472 Cuxhaven
Tel. 04721 / 567 – 402