Jahresbericht 2006 - Departement Bau, Umwelt und Geomatik - ETH ...

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Abb. 28: Rezente vertikaleKrustenbewegungen entlangden Linien des Landeshöhennetzes.Deutlich zu erkennenist die Hebung der Alpen mitbis zu 1.5 mm/a, relativ zurReferenzstation Aarburg.Senkungstendenzen sind vorallem im Schweizer Jura zusehen, bis zu -0.4 mm/a.Abb. 29:Übersicht über dieDifferenz zwischen denneuen potentialtheoretischstrengenLandeshöhen LHN95 undden GebrauchshöhenLN02. Die Unterschiedereichen von -20 bis 50 cm.Das neue Landeshöhennetz derSchweiz LHN95A. Schlatter, A. Geiger, H.-G. Kahle / IGPIn Zusammenarbeit mit dem Bundesamt fürLandestopografie (swisstopo) wurden amGeodäsie und Geodynamik Labor (GGL) dieüber 100-jährigen Höhengrundlagen derSchweiz erneuert. Diese Arbeiten erwiesensich als notwendig, um die Landesvermessungden modernen satellitengeodätischen Messmethodenanzupassen und sie praxistauglichzu gestalten. Die Gebrauchshöhen LN02 wurdendurch die neuen orthometrischen HöhenLHN95 abgelöst, welche einen strengenSchwerefeldbezug aufweisen. Sie bilden zusammenmit den Geoidundulationen und denellipsoidischen Höhen, wie sie aus GPS-Messungenresultieren, das konsistente Höhensystemder neuen Landesvermessung der Schweiz(LV95). Dies ermöglicht, mit satellitengeodätischenMessungen auf direktem Wege Landeshöhenmit cm-Genauigkeit zu bestimmen.Die Berechnung dieses potentialtheoretischstrengen Höhenrahmens beruht in erster Linieauf den Präzisionsnivellements der Landesvermessungseit 1902. Diese wiederholten Beobachtungender Höhenfixpunkte liefern zudemwichtige Erkenntnisse über die rezenten vertikalenBewegungen der Erdkruste (Abb. 28).LHN95 wurde bereits erfolgreich für die Absteckungder beiden AlpTransit-TunnelbauwerkeLötschberg und Gotthard eingesetzt. Basierendauf der Analyse der Differenzen zwischenLHN95 und LN02 (Abb. 29) auf ca. 1‘400 Punktendes Landeshöhennetzes ist die SoftwareHTRANS entwickelt worden. Dieses Software-Tool ermöglicht die Transformation zwischenden beiden Höhenrahmen. HTRANS wird in derVermessungspraxis vor allem für die Umrechnungder GPS-Messungen in den GebrauchshöhenrahmenLN02 Anwendung finden.Präzise Navigation für UmweltmonitoringPh. Kehl, A. Geiger, H.-G. Kahle / IGPJ. Staehelin, Institut für Atmosphäre undKlima (IAC)In der interdisziplinären Machbarkeitsstudie«Dynamic Environmental Monitoring» desD-BAUG wurden in diesem und im vergangenenJahr Luftschadstoffmessungen aufeinem Tram der Verkehrsbetriebe Zürich ausgeführt(Abb.30). Als Positions- und Zeitreferenzwurde GPS gewählt. In städtischen Gebietenergeben sich insbesondere für einedynamische, präzise und zuverlässige Positionierungdiverse Herausforderungen.Diese resultieren aus GPS-Ausfällen oderreduzierter Genauigkeit in Folge von Abschattungendurch Häuser, Bäume oder ungünstigeSatellitenkonstellationen. Es wurden Technikenentwickelt, um die nötige Genauigkeit undeine stetige Positionierung des Trams und somitder Luftmesswerte zu garantieren.Auf dem GPS-Empfänger wurde ein Kalman-Filter für die zu erwartenden Bewegungen desTrams konfiguriert. Die gefilterten Navigationslösungenwurden unter Berücksichtigungder eingeschränkten Bewegungsfreiheit desTrams und der bekannten Streckengeometriemit einem projektiven Map-Matching-Verfahrenin präzise Positionen überführt.Fehlende Positionen wurden mit einem eigensentwickelten Verfahren interpoliert. Währendoft nur einzelne Sekundenmessungen fehlten,wurden regelmässig längere Ausfälle im Bereichvon bis zu einigen Dutzend Sekunden be-obachtet. Da das Tram einem bestimmten Fahplanfolgt, zeigen sich charakteristischeWeg-Zeit-Beziehungen für einzelne Streckenabschnitte.Diese Standardkurven wurden alsGrundlage für die Interpolation verwendet,mit dem Resultat, dass nun alle Luftmessungenpräzise georeferenziert werden können.Erste Resultate aus den Auswertungender Luftmessungen bestätigen die Machbarkeitvon operationellen dynamischen Schadstoffmessungen(Abb.31).Abb. 31: Durchschnittliche Tagesgänge derStickoxidkonzentrationen (NO) bei Schönwetterlage.Deutlich zu sehen sind die ganztägig hohenKonzentrationen am Hauptbahnhof (HB) und amBellevue (B).Abb. 30:Wartungsarbeiten amMesssystem auf dem Dachdes Trams.Quelle: TA-Bild/Sophie Stieger26
HighlightsRessourcenbewirtschaftungAbb. 33: Vergleich von Überflutungsmustern aus der Radarsatellitenbeobachtungund dem hydrologischen Modell (Topographie aus der Shuttle Topography Mission).Relevanz von Umwelttracern für dieGrundwassermodellierungG. A. Onnis, W. Kinzelbach / IfUNukleare Bombenversuche und die Wiederaufarbeitungvon Kernbrennstoffen führtenzur Freisetzung von Radionukliden in die Atmosphäreund über den Regen zu einem Eintragin den Wasserkreislauf. Die Studie dieserUmwelttracer kann wertvolle Informationüber die Dynamik des unterirdischen Wasserflussesliefern. Gut messbare Gehalte von 85Kr,3H (Tritium) und 3He werden in Grundwassermit einem Alter von weniger als 50 Jahren gefunden.Während Kr und He Edelgase sind, diein die Bodenluft diffundieren und sich dort inGrund- bzw. Bodenwasser lösen, ist das Tritiumatoman das Wassermolekül gebunden undbewegt sich von Anfang an mit dem Wasserdurch die ungesättigte Bodenzone. Die Bodenpassageführt in diesen beiden Fällen zu einerunterschiedlichen Verzögerung und zeitlichenVerschmierung. Ein Modell, das den Transportdurch die ungesättigte und die gesättigteZone beschreibt, erlaubt die Dynamik der Tracerkonzentrationenan Beobachtungspunktenzu berechnen. Im Anwendungsfall, dem Einzugsgebieteiner Wasserfassung in Baltenswil,zeigt sich, dass die Variationen der Tracerkonzentrationensehr gut mit den Variationen derGrundwasserneubildung korrelieren. Insbesonderewird im heissen Sommer von 2003altes Grundwasser mobilisiert und vom Brunnengefördert. Die Korrelation zwischen Neubildungund Tracerkonzentration kann zur Eichungder Neubildung im Grundwassermodellverwendet werden. Diese stellt bis heute denam schwierigsten zu bestimmenden Modellparameterdar. Neue Bestimmungsmethoden fürdie Grundwasserneubildung sind die Grundlagefür eine verbesserte Bewirtschaftung von erneuerbarenGrundwasserressourcen (Abb. 32).Überflutungsmuster des OkavangoCh. Milzow, P. Meier, W. Kinzelbach / IfUDas Delta des Okavango bildet ein grossesFeuchtgebiet in Botswana im südlichen Afrikamit einer einzigartigen und artenreichen Faunaund Flora. Es ist durch geplante Wasserentnahmenfür Landwirtschaft und Haushalte inallen Anliegerstaaten bedroht. Ausserdem istzu erwarten, dass der Klimawandel zu erhöhtenTemperaturen und weniger Niederschlagführen wird. Ein hydrologisches Modell mit1km Auflösung wurde mit dem Ziel entwickelt,den Einfluss wasserwirtschaftlicher Massnahmenunter verschiedenen Klimaszenarien zuerforschen. Ein wichtiger Modelloutput sinddie Überflutungsmuster und Wassertiefen(Abb. 33, rechts). Diese Muster sind abhängigvom gegenwärtigen und vergangenen Zuflusssowie von den Wetterbedingungen. Die resultierendensaisonalen und jährlichen Variationensind bedeutend und erlauben eineÜberprüfung des Modells anhand von Überflutungsmustern,die aus Satellitenbildern bestimmtwurden. Aktive Radarsensoren(ENVISAT-ASAR, Abb. 33, links) ermöglichenüberflutete Vegetation und offene Wasserflächenseparat zu erkennen, und zwar mit einerAuflösung von 150m. Aktive Sensoren sindnicht auf Sonnenlicht angewiesen. Ihr grossesPotential erklärt sich jedoch vor allem durchden Radar-Wellenlängenbereich (6cm). Das Signalwird im Gegensatz zum sichtbaren undinfraroten Licht, das die optischen Sensorennutzen, in Wolken nicht gedämpft. Ein Vergleichder Ausdehnungen und Verteilungender verschiedenen Finger des Deltas zeigt einegute Übereinstimmung zwischen Modell undBeobachtung. Ein quantitativer Vergleich derFlächen bleibt aufgrund von Auflösungsfrageneine Herausforderung.Untersuchung der turbulentenDurchmischung mit 3D-SPTVM. Holzner, W. Kinzelbach / IfUViele turbulente Strömungen sind durchscharfe Grenzflächen gekennzeichnet, die sichzwischen turbulenten und angrenzendenlaminaren Strömungsregionen ausbilden. Beispieledafür sind freie Scherströmungen(in Strahl, Rauchfahne, Nachlauf oder Scherschichten),Konvektionsströmungen in derAtmosphäre und im Ozean, Dichteströmungen,Lawinen und Klar-Luft Turbulenz.Eine besondere Eigenheit dieser Strömungen,ist der Einmischprozess von Flüssigkeit von derlaminaren in die turbulente Region durch dieGrenzfläche zwischen beiden. Ein wichtigerphysikalischer Unterschied zwischen turbulentenund nicht-turbulenten Strömungsregionenist unter anderem, dass die turbulentenRegionen rotationsbehaftet sind, währendnicht-turbulente Bereiche praktisch rotationsfreisind. Die Mechanik solcher Grenzflächenist bis heute nur unzureichend geklärt.Eine tiefere Erforschung ist von besondererWichtigkeit, beispielsweise für das Verständnisvon turbulenter Mischung. Für diese Arbeitwird 3D-Scanning Particle Tracking Velocimetry(3D-SPTV) benutzt, eine Messtechnik, die kürzlichim IfU entwickelt wurde. Die Technik basiertauf einer optischen Methode zur Messungeiner Vielzahl von Tracer-Partikelbahnenin der Strömung. Sie erlaubt die Bestimmungdes Tensors der Geschwindigkeitsableitungenentlang dieser Bahnen. Zuerst wird durch zeitaufgelösteMessungen von Wirbelstärke dieturbulente Grenzschicht bestimmt. Dann werdenPartikelbahnen ausgewählt, welche diescharfe Grenzfläche zwischen nicht-turbulentenund turbulenten Regionen durchlaufen.Sie geben Auskunft über die Rolle der Wirbelstreckungim Vergleich zur viskosen Diffusionals Ursache für die Zunahme von Wirbelstärke.Als Beispiel zeigt die Abbildung 34 die durch3D-SPTV bestimmte Grenzfläche zwischen turbulentenund nicht-turbulenten Strömungs-regionen für 2 verschiedene Zeitpunkte.Abb. 32: Neubildung im Vergleich zur Konzentration dessimulierten Umwelttracers im Pumpwerk Baltenswil.Abb. 34: Grenze zwischen turbulentem undlaminarem Bereich, bestimmt mit 3D-SPTV für 2Zeitpunkte.27
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