Grundlagen zur Trendermittlung des Salzgehalts in Tide-Ästuarien

Zusammenfassung

Wenn man langfristige Änderungen des Salzgehalts an einer Stelle eines Tideästuars in Zusammenhang mit Baumaßnahmen oder Ausbaggerungen beurteilen möchte, benötigt man eine Methode, um klimatische und kurzfristige meteorologische Einflüsse auf den Salzgehalt zu eliminieren.

Anhand einjähriger Zeitserien stündlicher Werte von Salzgehalt und Wasserstand aus dem Tidebereich der Weser wird gezeigt, daß es für die Analyse von Salzgehaltsschwankungen im langperiodischen Zeitskalenbereich jenseits der eintägigen Partialtiden möglich ist, die mit den Gezeitenerscheinungen verbundene Gesamtbeit aller Vermischungsprozesse wie Rauschen zu behandeln. In diesem Zeitskalenbereich gilt dann eine einfache Mischungsgleichung, mit deren Hilfe man die Salzgehaltsänderungen aufgrund nicht-gezeitenbedingter Wasserstandsänderungen nach einer linearen Beziehung berechnen kann, um zu einer von externen Einflüssen unabhängigen Zeitserie zu kommen. Die so bereinigte Zeitserie kann dann zusammen mit dem Oberwasser in ein Oberwasser-Salzgehalts-Diagramm eingetragen werden, wobei sich alle Werte, die unter stationären Bedingungen gemessen wurden, auf einer Linie konstanten Salzgehaltsflusses anordnen müssen. Dieses Diagramm stellt ein einfaches Hilfsmittel zur Trendermittlung des Salzgehaltes dar, wobei der Einfluß veränderlichen Oberwassers eliminiert wird. Auf die Bedeutung der Ergebnisse für die Trendberechnung von Schadstoffen wird hingewiesen.

Summary

A yearly time series of hourly salinities (Fig. 3) measured in the Weser estuary is considered from the viewpoint of a long-term observer who wants to investigate the trend of salinity as a result of human activities in the area, such as dredging or engineering constructions. For this purpose it is necessary to eliminate climatic fluctuations caused by variable river discharge, and salinity variability as a result of external forcing mechanisms like wind set-up, surges, shelf waves and seiching.

It is shown that on time scales larger than diurnal tidal constituents the sum of all complicated mixing processes associated with the tides can be considered as turbulent fluctuations or noise. Separating noise from useful signals is done by filtering. Filtered data of salinity and water level (Fig. 4) show very good coherence, the phase shift is zero (Fig. 8), and there is a linear relationship between salinity and water level fluctuations (Fig. 7). This indicates that a simple mixing equation holds for the time scale of interest, and it confirms the assumption of tides to be regarded as noise. It also allows to compute salinity fluctuations from the filtered water level (Fig. 9) which is used to arrive at a salinity series free from externally generated events (Fig. 10). The reduced salinity series is then examined together with the river discharge based on the principle of a constant salinity flux. The concept of a river discharge-salinity diagram is introduced. Data plotted on such a diagram (Fig. 14) show to lie on a line of constant flux for stationary river discharge. This diagram is a simple tool to reveal stationary and nonstationary conditions, and can be used for trend analyses. The methods developed could also find application for trend analyses of dissolved pollutants.

Résumé

Si on veut étudier les variations de salinité à long terme en un point d'un estuaire à marée, en relation avec les travaux de construction et de dragage, on doit disposer d'une méthode pour éliminer les effets météorologiques à court terme et les effets climatiques sur la salinité.

A l'aide de séries chronologiques annuelles de valeurs horaires de la salinité et du niveau des eaux de la Weser, on montre qu'il est possible, pour analyser les variations de salinité sur une gamme étendue de longues périodes, supérieures à celle de la marée diurne, de traiter comme un bruit la totalité des processus de mélange liés au phénomène de la marée. En outre, dans cette gamme de périodes, une équation de mélange simple permet de calculer les variations de salinité en fonction des variations de niveau non liées à la marée à l'aide d'une relation linéaire, pour aboutir à une série chronologique débarassée des influences extérieures. Cette série peut alros être reportée sur un diagramme salinité — veine d'eau douce, sur lequel toutes les valeurs qui ont été mesurées dans des conditions identiques doivent s'aligner sur une courbe à flux de salinité constant. Ce diagramme fournit un moyen simple pour étudier la variation lente de la salinité, l'influence des fluctuations de la veine d'eau douce étant éliminée. On montre l'importance de ces résultats pour le calcul de l'évolution des polluants.