Oberflächengewässer - Nitratmessung in Oberflächengewässern - TriOS Mess- und Datentechnik

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Feldeinsatz der NICO

Nitrat Messung in Oberflächengewässern

Applikationsbeschreibung
Zwei renommierte wissenschaftliche Institutionen in den USA, das U.S. Geological Survey (USGS) Virginia und West Virginia und das Kansas Water Science Center, untersuchten von Oktober 2017 bis April 2018 in Zusammenarbeit mit der Fa. OTT hydromet die Eignung des NICO Nitrat Sensors für den Feldeinsatz in Oberflächengewässern.
Dazu wurde je ein NICO Sensor in zwei unterschiedlichen Fließgewässern eingesetzt: im James River bei Cartersville (Virginia) und im Mill Creek am Johnson Drive in Shawnee (Kansas).
Aufgabenstellung
Die beiden Teststellungen dienten zur Bewertung der NICO Leistungsfähigkeit unter unterschiedlichen Bedingungen bezüglich Strömung, Nitrat-Konzentration und Art der Installation. Zum Vergleich wurden Referenzsonden zweier Wettbewerberfirmen herangezogen.
Installationen
Die Installation am James River fand mittels eines Schienen-Systems statt, welches an einer Bank befestigt wurde. Die TriOS NICO mit Wischerreinigung wurde dazu neben einer SUNA Sonde der Firma Seabird mit Bürstenreinigung auf einem fahrbaren Schlitten montiert.
Am Mill Creek wurde die NICO Sonde neben einer NITRATAX plus sc der Firma HACH von einer Brücke hängend intstalliert. Beide Sensoren waren mit einer Wischerreinigung ausgestattet.
Die Sensoren wurden an einen Datenlogger SatLink3 der Firma Sutron angeschlossen. Die Kommunikation der NICO Sonde erfolgte dabei direkt über deren RS485 Schnittstelle mittels MODBUS RTU.
Über den SatLink3 Logger wurde folgender Messablauf für die NICO Sonde programmiert:

  • 90 s vor der Messung wird die Stromversorgung für die NICO Sonde und den Wischer angeschaltet und der Wischvorgang ausgelöst.
  • 15 s nach Einschalten wird die Stromversorgung des Wischers wieder abgeschaltet.
  • Nach 75 s wird eine Nitratmessung ausgelöst, Nitrat und der spektrale Qualitätsindex werden ausgelesen.
  • Falls eine Messung kein Ergebnis liefert, wird eine Fehlermeldung ausgegeben.
  • Nach 90 s wird die Stromversorgung der NICO abgeschaltet.
Testergebnisse James River
Die Teststellung am James River verlief anfangs etwas problematisch. Verschmutzung durch Blätterrückstände im Messspalt bzw. durch ein gelockertes Wischerblatt ließ die Messwerte stark verfälschen und nach oben wegdriften (s. Grafik). Nach manueller Reinigung und Reparatur des Wischers fielen die Messwerte wieder steil auf das reale Niveau zurück. Durch eine Drehung der Sonde in der Halterung, so dass der Messspalt entgegen der Strömung zeigt, konnte dieses Problem dauerhaft behoben werden.
Ein weiteres Manko waren auch die häufigeren Messwertausfälle in der ersten Phase der Teststellung. Eine Analyse der Softwareversion des ersten NICO Prototyps zeigte, dass einzelne Messwerte durch Feststoffe im Spalt häufiger zu Messwertausreißern oder Fehlermeldungen führten. Die Software wurde daraufhin von TriOS so angepasst, dass der ausgegebene Messwert aus dem Mittelwert mehrerer Einzelmessungen unter Ausreißereliminierung gebildet wird.  

Nitrat Ganglinien des NICO Sensors mit Rohdaten (grün) und bearbeiteten Daten (blau) im Vergleich zum SUNA Sensor (gelb) und Laborwerten (rotes Dreieck).
Als violette Punkte sind die abgelesenen Messwerte der NICO vor und nach einer manuellen Reinigung dargestellt.
Nach der Behebung dieser beiden Fehlerquellen lief die Messung stabil im Messbereich zwischen 0,05 und 0,80 mg/l NO3-N. Der Vergleich zur Seabird SUNA Sonde zeigte in der ersten Hälfte des Testzeitraums noch eine kleine Abweichung, welche allerdings nach einer gründlichen Reinigung der Messfenster im Januar nicht mehr beobachtet werden konnte.
Ab diesem Zeitpunkt lieferten beide Sensoren kontinuierlich bis zum Ende des Tests nahezu identische Messwerte. Besondere Beachtung verdient das Sturm-
ereignis mit Hochwasser vom 9.-14. Februar mit einer Trübung von fast 500 FNU. Die NICO lieferte trotz schwerster Bedingungen (Verbindung zum Verlängerungskabel unter Wasser, starke Strömung und Trübung) dennoch verlässliche Werte, während der Wischer der SUNA Sonde blockierte und keine Daten in diesem Zeitraum aufgezeichnet werden konnten.
Laborvergleichsmessungen einzelner Stichproben erzielten etwas niedrigere Ergebnisse. Dies wurde allerdings aufgrund der Messwertabhängigkeit vom Querprofil dieses Gewässers als typisch bewertet.

Testergebnisse Mill Creek
Die Teststellung der NICO am Mill Creek verlief ohne weitere besondere Ereignisse zuverlässig über einen längeren Zeitraum von November 2017 bis April 2018. Die Nitrat-Konzentrationen lagen dabei in einem Bereich zwischen 0,2 und 9,0 mg/l NO3-N.
Eine Ausnahme am 5. März stellte ein gelockertes Wischerblatt dar, welches den Messspalt teilweise blockierte. Alle anderen Messwertausschläge wurden durch Wartungsarbeiten verursacht.
Der Vergleich der NICO Ganglinie mit der der NITRATAX plus sc Sonde zeigt am Anfang der Testphase noch eine gute Übereinstimmung. Im November jedoch trat bei der Nitratax Sonde eine Störung auf und am 20. Dezember musste diese gegen ein Leihgerät ausgetauscht werden. Ab diesem Zeitpunkt lagen die Nitratax Messwerte tendenziell höher als die NICO Daten.
Die Laborvergleichsmessungen aus einzelnen Stichproben bestätigten überwiegend die Daten der NICO Sonde. Die etwas größere Abweichung am 8. Januar konnte durch die Überschreitung des Messbereiches der NICO erklärt werden, der Messpalt war mit 10 mm zu groß gewählt für diese Applikation.

Nitrat Ganglinien des NICO Sensors mit Rohdaten (grün) und bearbeiteten Daten (blau) im Vergleich zum NITRATAX Sensor (gelb) und Laborwerten (rotes Dreieck).
Fazit
Die Bewertung der beteiligten Forschungsinstitute fiel durchgehend positiv aus.  
Zusammengefasst wurde die NICO Sonde als zuverlässig und leicht zu bedienen eingestuft. Die Messdaten korrelierten mit wenigen erklärbaren Ausnahmen gut mit den Tagesganglinien der Referenzgeräte und den Laborwerten. Der Wartungsaufwand erwies sich als gering. Vergleichbar zu den Referenzgeräten musste gelegentlich eine manuelle Reinigung erfolgen, um eine starke Verschmutzung durch Fremdkörper oder Sedimente zu beseitigen.
Lediglich die Konstruktion des Wischers, welche häufiger Probleme durch Lockern oder Verlieren des Wischerblattes verursachte, ließ den Wunsch nach einer Verbesserung offen. Dieser wurde von der Firma TriOS bereits umgesetzt.


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