Massenvariationen in der Schleusenanlage Bolzum: Vergleich von Modellierungen mit Gravimetrischen Messungen

Ziel des Projektes

Ein Ziel von gravimetrischen Messungen ist, den Schwereeinfluss von Massenvariationen in der direkten Umgebung zu ermitteln. Zur Modellierung des Schwereeinflusses einer Masse gibt es mehrere Verfahren, die im Rahmen eines einjährigen Projektes getestet wurden.  

Durchführung des Projektes

Die Schleuse in Bolzum bei Hannover verbindet den Mittellandkanal mit dem Stichkanal nach Hildesheim und bietetoptimale Bedingungen, Modellierungen desSchwereeinflusses mit gravimetrischen Messungen zu überprüfen. Diese Schleuse ist unmittelbar vor Projektbeginn als Ersatz für die bestehende Schleuse neu gebaut worden und hat erst im Dezember 2012 den Betrieb aufgenommen. Das Becken ist 157 m lang und 12,5 mbreit. Durch den Schleusenbetrieb variieren die Wassermassen zwischen voll und leer in einer stabilen und zugleich einfachen Geometrie. Diese Geometrie wurde aus Bauplänen der Schleuse, die das Wasser- und Schifffahrtsamt Braunschweig zur Verfügung gestellt hat, digitalisiert. Aus der ermittelten Geometrie der Schleuse wurde das Volumen bestimmt und, zusammen mit der Dichte des Wassers, die Masse ermittelt. Mit den Modellierungsmethoden, die sich in den Formbeschreibungen der Massenkörper und den Berechnungsansätzen unterscheiden, wurde die Attraktionswirkung der Wasseränderung bestimmt. Dafür wurden vier Methoden zur Beschreibung der Geometrie des Körpers implementiert: Quader, n-seitiges Prisma, Schichten/Lamina, Triangulierte Körper. Zur Verifizierung der Modellierungsergebnisse wurdenmikrogravimetrische Messungen verwendet. Im Vorfeld der gravimetrischen Messungen wurde im Rahmen der Planung eine Genauigkeitsabschätzung anhand eines vereinfachten Modells durchgeführt. Ziel der Voruntersuchungen war sowohl der Entwurf eines Schwerenetzes, das geeignet ist, die Massenvariationen der Wasserstandsänderung von etwa 8 m zwischen voller und leerer Schleuse zu erfassen, als auch das Ermitteln der erforderlichen Genauigkeiten der gravimetrischen und geometrischen Messungen. Ziel sollte die Bestimmung der Massenvariationen auf dem Genauigkeitsniveau der eingesetzten Gravimeter sein. Zur Überprüfung der Baupläne und Bestimmung der Standpunktkoordinaten der Gravimeter wurde infolgedessen ein Tachymeter eingesetzt um die Lage besser als 3 cm zu bestimmen. Die 103 Standpunkthöhen wurden mittels Nivellement bestimmt. Das Schwerenetz besteht aus 6 Punkten direkt an der Schleuse. Dabei liegen 2 Punkte direkt auf der Oberkante der Schleuse und vier weitere Punkte in einem Treppenhaus, das die gesamte Höhe der Schleusenkammer abdeckt. Ein weiterer Punkt liegt 200 m von der Schleuse entfernt. Dieser Punkt ist von den Massenvariationen unbeeinflusst und verbindet die beiden Zustände der Schleuse. Zusätzlich zu den Schweredifferenzen zwischen den Gravimeterstandpunkten wurden die vertikalen Schweregradienten gemessen. Insgesamt erstreckten sich die Messungen über 6 Tage in denen mehr als 250 Verbindungen zwischen den Gravimeterstandpunkten gemessen wurden.  

Messungen

Bei den Messungen wurden die Relativgravimeter Scintrex CG3-4492 und ZLS Burris Gravity Meter B-64 eingesetzt. Der Schwereeinfluss variiert je nach Berechnungs- bzw. Messpunkt zwischen 65 μGal und -95 μGal und wurde mit einer Genauigkeit von 2 μGal gemessen.

Die Differenzen zwischen den gravimetrischen Messungen und den Modellierungenliegen unter einem μGal und befinden sich innerhalb der Messgenauigkeit. DieErgebnisse aus den vier Modellierungsmethoden passen im Mittel auf 0,2 μGal zusammen. Die Abbildung zeigt die Abweichungen zwischen den modellierten Schwereeinflüssen mit den vier Methoden und den gemessenen Einflüssen für sechs Punkte. Die Modellierungen wurden mit den gravimetrischen Messungen

erfolgreich überprüft. Die Methode, bei der der Körper trianguliert wird, ist im Vergleich zu den anderen drei Methoden am flexibelsten einsetzbar.