Surrogate Technologies for Suspended Solid Dynamics Assessment in Surface Waters

Feststofftransport im Wasser bezieht sich im Allgemeinen auf gelöste oder suspendierte Stoffe. Diese können aus erosiven Prozessen des Einzugsgebiets stammen, von Ufererosion oder auch aus dem Flussbett. Es handelt sich hierbei um mineralische, organische Partikel oder eine Kombination aus beiden. Die Feststoffdynamik in Oberflächengewässern ist an natürliche und anthropogene Prozesse innerhalb des Einzugsgebiets, wie Verwitterung oder Landnutzung gebunden. Neben den Umweltaspekten ist das Wissen über die Feststoffdynamik ein grundlegendes Instrument für die Beurteilung der Wirtschaftlichkeit mehrerer Projekte, z. ... mehrB. der Errichtung und Instandhaltung einer Wasserstraße, eines Hafens, eines Bewässerungskanals oder des Baus eines Damms, zur Energie- oder Wasserversorgung. Herkömmliche Methoden zur Bestimmung der Konzentrationen und deren Verteilung entsprechen jedoch oft nicht den Erfordernissen in zeitlicher und räumlicher Auflösung. Eine vielversprechende Alternative basierend auf akustischen Methoden wurde in dieser Arbeit untersucht. Akustische Messungen können eine indirekte Quantifizierung suspendierter Feststoffe in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung ermöglichen. Daher zielt die vorgeschlagene Forschung darauf ab, die vorhandenen Methoden, die auf den von \ citeonline {urick1975} vorgeschlagenen Formulierungen der modifizierten Schallausbreitungsgleichung basierend, anzuwenden. Ziel ist es Feststoffkonzentrationen flächig im Feldmaßstab zu erfassen. Hierfür wurde Messungen mit einem akustischen ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) durchgeführt. Zur Validierung wurden konventionelle Messungen zur Feststoffkonzentrationsbestimmung durchgeführt. Untersuchungen wurden in Fliessgewässern und einem Stausee, somit unter unterschiedlichen Strömungsbedingungen durchgeführt. Die Untersuchungsgebiete waren im Taquari-Fluss (Pantanal, Brasilien) und Passauna Fluss (Curitiba, Brasilien), sowie dem Passauna Stausee (Curitiba, Brasilien). Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Methoden, die auf Fließgewässer mit größtenteils nicht kohäsivem Material und hohen Feststoffkonzentrationen angewendet wurden, auch auf ein stehendes Gewässer mit größtenteils kohäsivem Material und niedrigeren Feststoffkonzentrationen ausgedehnt werden können. Die angewandte Methodik wurde dann herangezogen, um die Messergebnisse hochaufgelöst über Fließquerschnitte darzustellen, oder über Transekte im Falle der Stauhaltung. Diese gaben Aufschluss über Transportwege und Bereiche mit höherer und niedriger Konzentration.

In general, solids refer to the matter that is suspended or dissolved in water. It can result from the erosive processes in the watershed, such as runoff, bank erosion or from the riverbed, it can be formed by mineral, organic particles or a combination of both. Its dynamics in surface waters is bound to natural and anthropic processes within the watershed, as weathering or land use. Besides the environmental issues, the knowledge about solid dynamics is a fundamental tool in the assessment of the economic viability of several projects, such as the establishment and/or maintenance of a hydro way, a harbor, an irrigation canal or even the construction of a dam, for energy or water supply. ... mehrHowever, despite all efforts and investments to obtain solid information through a robust sedimentometric network, conventional methods still do not always supply the needed information, either by operational, analytical or safety issues and because of it, the use of alternative technologies to obtain solid information in surface waters has been encouraged. Among them, it has been rising the use of acoustic methods, which are a non-intrusive technique that allows indirect quantification of suspended solids in high temporal and spatial resolution. Therefore, the proposed research aims to apply the existent methods based on the formulations proposed by \citeonline{urick1975}, of the modified SONAR equation and validate a field-scale solid mapping technology using acoustic measurements with an ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) to obtain sedimentometric data in lotic and lentic systems. The main idea was to apply the solid-acoustic correlation methodology in two rivers (Taquari River in Mato Grosso do Sul State and at Passauna River, in Parana) and then apply the established settings first developed for the lotic environment, in a lentic environment: Passauna Reservoir (in the same watershed as Passauna River). Results have shown that the methods applied to lotic environments, with mostly non-cohesive content and high solid concentration, can be extended to a lentic environment, with mostly cohesive content and low solid concentration. Also, the results shown that the methodology applied has accomplished the objectives and it was possible to measure and identify solid variation throughout the water column, in all study sites, and longitudinal measurements at the lentic environment.