Untersuchung zur Korrelation von Trübung, Schwebstoffkonzentration und -korngrößenverteilung am Beispiel alpiner Flüsse

Abstract

Die Schwebstoffkonzentration (SSC) ist eine wichtige Messgröße, um das Verhalten von Flüssen beschreiben zu können. Um kontinuierliche Messungen der SSC zu erhalten, werden Trübemessungen (NTU) eingesetzt, aus welchen die SSC abgeleitet wird. Diese Werte führen jedoch teilweise zu einer Fehleinschätzung der Schwebstoffkonzentration. Ein Ziel dieser Arbeit war es, die NTU-SSC-Korrelation durch die Anpassung der NTU-Werte zu verbessern. Hierfür wurden Schwebstoffproben aus drei Flüssen in der Schweiz (Aare, Rhein, Rhône) mittels Laserbeugungs-Partikelgrößenanalyse auf ihre Korngrößenverteilungen (Anzahl- und Volumendichte) untersucht. Über Verteilungsunterschiede wurden anschließend Korrekturfaktoren berechnet. Zusätzlich wurden die zugrundeliegenden Annahmen dieser Verbesserung überprüft. Das zweite Ziel dieser Arbeit war es, mittels Korrelations- und Abhängigkeitsanalyse die Variabilität der Korngrößenverteilungen der Schwebstoffproben in Abhängigkeit vom Abfluss zu untersuchen. Die Verbesserung der NTU-Werte über die Korrekturfaktoren war in 21 % der Fälle erfolgreich. Die erwarteten Verteilungsunterschiede zwischen den Vergleichsklassen konnten bei 50 % der Ausreißer visuell nachgewiesen werden. Die Annahmen der Korrektur konnten für die Aare und den Rhein weitgehend nachgewiesen werden, bei der Rhône nur schwach. Ob es sich dabei jedoch um kausale Zusammenhänge oder Scheinkorrelationen handelt, konnte nicht eindeutig geklärt werden. Ein eindeutiger Zusammenhang der Verteilungen in Abhängigkeit vom Abfluss konnte mittels Verteilungsvariablen nicht identifiziert werden. Eine Aufteilung der Datensätze in Untergruppen basierend auf Verteilungsunterschieden der Anzahldichte verbesserte die Korrelationsergebnisse deutlich. Aufgrund dessen wäre eine erneute NTU Anpassung innerhalb dieser Untergruppen ein nächster Schritt, wofür jedoch eine größere Datengrundlage notwendig wäre. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Verbesserung der NTU-Werte auf Basis von Korngrößenverteilungsunterschieden nur begrenzt erfolgreich war. Zudem können einzelne Verteilungsvariablen die Variabilität der Korngrößenverteilungen von Schwebstoffproben nicht ausreichend beschreiben.

Suspended Sediment Concentration (SSC) is an important parameter to describe river behavior. To obtain continuous SSC measurements, turbidity measurements (NTU) are used, from which SSC is derived. However, these values sometimes lead to a misestimation of the suspended sediment concentration. One objective of this study was to improve the NTU-SSC correlation through the adjustment of NTU values. For this purpose, suspended sediment samples from three rivers in Switzerland (Aare, Rhine, Rhône) were analyzed using laser diffraction analysis for their particle size distributions (number and volume density). Based on distribution differences, correction factors were calculated. Additionally, the underlying assumptions of this improvement were verified. The second objective was to investigate the variability of particle size distributions of suspended sediment samples as a function of discharge using correlation and dependency analysis. The improvement of NTU values through correction factors was successful in 21 % of cases. Expected distribution differences between the compared classes could be visually verified in 50 % of the outliers. The correction assumptions could be confirmed for the Aare and the Rhine, but only weakly for the Rhône. However, whether these represent causal relationships or spurious correlations could not be clearly determined. A clear relationship between the distributions and discharge could not be identified using distribution variables. Subdividing the datasets into subgroups based on particle number distribution differences, significantly improved the correlation results. Therefore, re-adjustment of NTU values within these subgroups would be a logical next step, for which a larger dataset would be necessary. In summary, the improvement of NTU values based on particle size distribution differences had only limited success. Furthermore, individual distribution variables cannot adequately describe the variability of particle size distributions of suspended sediment samples.