Hydrometrie

Theorie und Praxis der Durchflussmessung in offenen Gerinnen

verfasst von: Gerd Morgenschweis

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Buchreihe : VDI-Buch

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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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 rationale 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

Kapitel 1. Aufgaben und Bedeutung der Hydrometrie

Zusammenfassung

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 u. 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

Kapitel 2. Grundbegriffe

Zusammenfassung

Nach Dyck (1980, Teil 1) gehört der Abfluss neben Niederschlag und Verdunstung zu den drei wesentlichen Elementen des Wasserkreislaufs und Wasserhaushalts. Abbildung 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

Kapitel 3. Messung des Wasserstands

Zusammenfassung

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.

Gerd Morgenschweis

Kapitel 4. Messung des Durchflusses

Zusammenfassung

Wie in Kap. 1.2 ausführlich dargestellt, sind für eine rationale Bewirtschaftung der Wasserressourcen zuverlässige hydrologische Daten erforderlich. Dabei ist der Abfluss aus einem Einzugsgebiet eines der wichtigsten Elemente des Wasserhaushalts. Daher sind Kenntnisse über das Abflussgeschehen eine wichtige Voraussetzung für Wasserbewirtschaftung und wasserbauliche Maßnahmen, wie z. B. die Planung und Bemessung von Schutzmaßnahmen im Hoch- und Niedrigwasserbereich. Um diese Basisinformationen zu erhalten, sind Durchflussmessungen an ausgewählten Gewässerquerschnitten in Verbindung mit Messungen des Wasserstands an einem Pegel (vgl. Kap. 3) notwendig.

Gerd Morgenschweis

Kapitel 5. Kontinuierliche Erfassung des Durchflusses

Zusammenfassung

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.

Gerd Morgenschweis

Kapitel 6. Datenerfassung und -fernübertragung

Zusammenfassung

Grundsätzlich sollten 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 Kap. 3.5.8 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

Kapitel 7. Primärstatistische Auswertung von Wasserstands- und Durchflussdaten

Zusammenfassung

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. Kap. 7.2), weitergehende Überprüfungen mit primärstatistischen Verfahren (s. Kap. 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

Kapitel 8. Messnetze zur Durchflusserfassung

Zusammenfassung

Hydrometrische Messnetze haben die Aufgabe, mit Hilfe hydrologischer Daten Informationen über die Wasserressourcen eines Einzugsgebiets für

die praktische Wasserbewirtschaftung (Planung, Bemessung und Steuerung von Wasserversorgungssystemen, Wasser- und Umweltschutz etc.) und
die hydrologische Forschung (Wasserhaushaltsstudien, mathematische Einzugsgebiets-Modelle, Ermittlung des Einflusses anthropogener Maßnahmen, gewässerökologische Fragestellungen etc.)

Gerd Morgenschweis

Kapitel 9. Organisation von hydrologischen Messdiensten

Zusammenfassung

Die Messung, Sammlung, Aufbereitung und Veröffentlichung hydrologischer Daten erfolgt durch die gewässerkundlichen Dienste der Landeswasserverwaltungen, der Wasserverbände und Organisationen, die für die Wasserwirtschaft eines Flussgebietes verantwortlich sind. Auch wenn die Organisationsstrukturen von Land zu Land verschieden sind – in den USA z. B. obliegt das Pegel- und Durchflussmesswesen dem US Geological Survey (USGS), in vielen europäischen und außereuropäischen Staaten ist die Durchflusserfassung neben der Erfassung von Wasserhaltshaltsgrößen wie Niederschlag und Verdunstung der Meteorologie zugeordnet, in Deutschland sind gewässerkundliche Dienste auf Länderebene staatlich oder halbstaatlich/privat eingerichtet – so sind sie alle im Grundsatz zuständig für

die Messnetzkonzeption und das Festlegen der Messstandorte,
den Bau, Betrieb und die Unterhaltung von Messstellen,
die Durchführung und Auswertung von Wasserstands- und Durchflussmessungen,
die Datenverarbeitung und -archivierung sowie für
die Qualitätssicherung der Informationen.

Gerd Morgenschweis

Backmatter

Titel: Hydrometrie
verfasst von: Gerd Morgenschweis
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-642-05390-0
Print ISBN: 978-3-642-05389-4
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-05390-0