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Über dieses Buch

Die Kenntnis der in einem Gewässer (Fluss, Kanal) fließenden Wassermenge und ihrer räumlichen und zeitlichen Varianz ist eine wesentliche Grundlage für die Bemessung von Wasserbauwerken sowie die nachhaltige Bewirtschaftung der Ressource Wasser. Um das pro Zeiteinheit durchfließende Wasservolumen, den Durchfluss, messtechnisch zu erfassen, gibt es seit Jahrhunderten eingesetzte traditionelle Verfahren, aber auch in den letzten Jahren vermehrt „neue" Messverfahren, die aufgrund des zunehmenden Einsatzes von Elektronik in der Mess- und Regeltechnik möglich geworden sind. Aufbauend auf den physikalischen Grundlagen behandelt der Autor die Möglichkeiten und Grenzen der einzelnen Messverfahren, bei ihrem Einsatz unter den rauen Umweltbedingungen von Feldmessungen in kleinen und großen Flüssen sowie in Zu- und Abläufen von Kläranlagen. Anhand von Beispielen aus der nationalen und internationalen Messpraxis sowie mit ausgeführten Berechnungsbeispielen werden Kriterien für die Wahl der geeigneten Messtechnik aufgezeigt. Der Leser findet viele Lösungsmöglichkeiten für konkrete Fragestellungen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Aufgaben und Bedeutung der Hydrometrie

Hydrometrie wird im Wissenschaftsgebäude der Hydrologie allgemein als die „Lehre vom Messen hydrologischer Größen“ definiert. Je nach Autor kann dies ein großes Spektrum an Messgrößen vom Wasserstand und Durchfluss oberirdischer Gewässer über Grundwasser, Bodenfeuchte, Sedimente bis hin zu Güteparametern umfassen (Dyck und Peschke 1995). Im englischsprachigen Raum beschränkt sich dagegen die Hydrometrie im Allgemeinen auf die Durchfluss- und Strömungserfassung oberirdischer Gewässer (Herschy 1978, 2009; Boiten 2008). Da die heutige Informations- und Kommunikationstechnik zunehmend die angewandten Messverfahren beeinflusst, erscheint es unabdingbar, digitale Datenspeicherung und Datenfernübertragung sowie elektronische Datenverarbeitung in die umfassende Behandlung der Hydrometrie einzubeziehen.
Gerd Morgenschweis

2. Grundbegriffe

Nach Dyck (1980, Teil 1) gehört der Abfluss neben Niederschlag und Verdunstung zu den drei wesentlichen Elementen des Wasserkreislaufs und Wasserhaushalts. Abb. 2.1 gibt eine vereinfachte schematische Übersicht über den Wasserkreislauf und die Prozesse, die zur Abflussbildung in einem Einzugsgebiet führen. Danach fließt ein Teil des auf ein Einzugsgebiet fallenden Niederschlags unter dem Einfluss der Schwerkraft auf und unter der Erdoberfläche ab. In Abb. 2.2 wird dieser Prozess der Abflussbildung mit seinen verschiedenen Komponenten anschaulich dargestellt. Der aus dem Niederschlag gebildete Abfluss konzentriert sich danach im Gewässernetz. Die sich dort sammelnde und linienhaft im Gewässernetz abfließende Wassermenge setzt sich nach Abb. 2.2 aus Landoberflächenabfluss, oberflächennahem Bodenwasser (hypodermischem Abfluss) und unterirdischem Abfluss (Grundwasserabfluss) zusammen.
Gerd Morgenschweis

3. Messung des Wasserstands

Der Wasserstand h ist nach DIN 4049-3 (1994) der lotrechte Abstand eines Punktes des Wasserspiegels über oder unter einem Bezugshorizont, z. B. durch einen Pegelnullpunkt PNP festgelegt (s. Abb. 3.1). Der Wasserstand wird üblicherweise in Meter oder Zentimeter angegeben. Die Kenntnis der Wasserstände eines Gewässers wird u. a. benötigt, umden Durchfluss Q mittels W-Q-Beziehung zu ermitteln (s. Abschn. 5.4),die hydrologischen Verhältnisse eines Einzugsgebietes, insbesondere den Wasserkreislauf und seine wasserwirtschaftlichen Nutzungen bzw. Nutzungsmöglichkeiten, beurteilen zu können,die Nutzung von Gewässern für den Schriftverkehr zu ermöglichen und zu sichern,Melde- und Warndienste, z. B. für Hochwasser, aufzubauen und zu betreiben,den Wasserstand von Gewässern in Hochwasser- und Niedrigwasserzeit zu regulieren,morphologische Veränderungen z. B. des Gewässerbetts, zu erfassen und zu beurteilen,den aktuellen Füllungsstand von Speichersystemen (z. B. Talsperren) als Grundlage für ihre Bewirtschaftung zu erfassen und zu nutzen.
Gerd Morgenschweis

4. Messung des Durchflusses

Der Wasserstand h ist nach DIN 4049-3 (1994) der lotrechte Abstand eines Punktes des Wasserspiegels über oder unter einem Bezugshorizont, z. B. durch einen Pegelnullpunkt PNP festgelegt (s. Abb. 3.1). Der Wasserstand wird üblicherweise in Meter oder Zentimeter angegeben. Die Kenntnis der Wasserstände eines Gewässers wird u. a. benötigt, um den Durchfluss Q mittels W-Q-Beziehung zu ermitteln (s. Abschn. 5.4), die hydrologischen Verhältnisse eines Einzugsgebietes, insbesondere den Wasserkreislauf und seine wasserwirtschaftlichen Nutzungen bzw. Nutzungsmöglichkeiten, beurteilen zu können,die Nutzung von Gewässern für den Schriftverkehr zu ermöglichen und zu sichern, Melde- und Warndienste, z. B. für Hochwasser, aufzubauen und zu betreiben, den Wasserstand von Gewässern in Hochwasser- und Niedrigwasserzeit zu regulieren, morphologische Veränderungen z. B. des Gewässerbetts, zu erfassen und zu beurteilen, den aktuellen Füllungsstand von Speichersystemen (z. B. Talsperren) als Grundlage für ihre Bewirtschaftung zu erfassen und zu nutzen.
Gerd Morgenschweis

5. Kontinuierliche Erfassung des Durchflusses

Nachdem in Kap. 4 das Spektrum der mobilen Durchflussmesstechnik detailliert behandelt wurde, soll in diesem Kapitel die gesamte Bandbreite der kontinuierlich den Durchfluss erfassenden Systeme vorgestellt werden. Sie liefern Durchflusswerte in hoher zeitlicher Auflösung, wie sie für die Steuerung von Wasserwirtschaftssystemen sowohl aus wassermengenwirtschaftlicher als auch aus ökologisch-gewässergütewirtschaftlicher Sicht zwingende Voraussetzung sind.
Tab. 5.14 gibt einen Überblick über die Fülle der möglichen kontinuierlichen Durchflussmessverfahren, die im einzelnen ausführlich vorgestellt werden.
Eine ganz aktuelle und äußerst innovative Entwicklungslinie verbirgt sich hinter dem Sammelbegriff „Messung der Oberflächengeschwindigkeit“ (Nr. 8 in Tab. 5.14). Hierbei wird die oberflächennahe Fließgeschwindigkeit entweder durch hochauflösende Aufnahme und Analyse der Oberflächenrauheit eines Gewässers mit Hilfe von Radarsensoren (Nr. 8a in Tab. 5.14) oder mit kamerabasierten optischen Verfahren (Nr. 8b in Tab. 5.14) abgeleitet. Die Verfahren setzen eine Mindestoberflächenrauheit voraus. Dies bedeutet, dass sie nicht universell einsetzbar sind. Dennoch sind sie als Ergänzung zu einem der übrigen installierten Systeme, auf jeden Fall bei Hochwasser, sehr nützlich. Die bisherigen Erfahrungen im Mittel- und Niedrigwasserbereich sind so vielversprechend, dass diesen relativ preiswerten Messsystemen durchaus eine gute Zukunftsperspektive zugetraut werden kann.
Gerd Morgenschweis

6. Datenerfassung und -fernübertragung

Grundsätzlich sollten Datenerfassung die in der Natur ablaufenden kontinuierlichen Prozesse nach Möglichkeit auch kontinuierlich gemessen werden. Diese Erfordernis führte in der Hydrometrie schon frühzeitig zur Entwicklung selbstregistrierender Messgeräte für Wasserstand und Durchfluss (und auch Niederschlag). In Abschn. 3.5.9 wurden im Zusammenhang mit der kontinuierlichen Erfassung von Wasserständen die mechanischen und elektrischen Datenerfassungssysteme eingehend behandelt und ihre Vor- und Nachteile diskutiert. Da diese Informationen uneingeschränkt auf Durchflussmessdaten übertragen werden können, soll dieser Teil hier nur kurz angerissen werden.
Gerd Morgenschweis

7. Auswertung von Wasserstands- und Durchflussdaten

In Anbetracht ihrer Bedeutung für Planung und Betrieb wasserwirtschaftlicher Anlagen müssen die gemessenen Wasserstände und Durchflüsse sorgfältig überprüft werden (Unbehauen 1974; Marsh 1978). Dies kann durch einfache Vollständigkeits- und Plausibilitätsprüfungen (s. Abschn. 7.2), weitergehende Überprüfungen mit primärstatistischen Verfahren (s. Abschn. 7.3) oder im Vorfeld von besonders bedeutsamen Auswertungen durch vertiefte statistische Untersuchungen mit Konsistenz- und Homogenitätsprüfungen, wie sie bei Zeitreihenanalysen verwendet werden, erfolgen.
Gerd Morgenschweis

8. Messnetze zur Durchflusserfassung

Hydrometrische Messnetze haben die Aufgabe, mithilfe hydrologischer Daten Informationen über die Wasserressourcen eines Einzugsgebiets für
• die praktische Wasserbewirtschaftung (Planung, Bemessung und Steuerung von Wasserversorgungs- und entwässerungssystemen, Wasser- und Umweltschutz etc.) und
• die hydrologische Forschung (Wasserhaushaltsstudien, mathematische Einzugsgebiets-Modelle, Ermittlung des Einflusses anthropogener Maßnahmen, gewässerökologische Fragestellungen etc.)
zur Verfügung zu stellen.
Gerd Morgenschweis

9. Organisation von hydrologischen Messdiensten

Die Messung, Sammlunghydrologische Messdienste, Aufbereitung und Veröffentlichung hydrologischer Daten erfolgt durch die gewässerkundlichen Dienste der Landeswasserverwaltungen, der Wasserverbände und Organisationen, die für die Wasserwirtschaft eines Flussgebietes verantwortlich sind.
Gerd Morgenschweis

Backmatter

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