7.4 Messung von Wasserstand und Durchfluss

7.4.1 Messung über Pegel und Messwehre
7.4.1.1 Wasserstandsmessungen mit Pegeln
7.4.1.2 Überfallmessung (Messwehre)
7.4.1.3 Das Venturi-Messgerinne
7.4.2 Geschwindigkeitsmessungen
7.4.3 Verdünnungsmethode
7.4.3.1 Einsatz von Markierungsstoffen (Tracern)
7.4.3.2 Abflussmessung mit kontinuierlicher Tracereinspeisung
7.4.3.3 Abflussmessung mit momentaner Tracereinspeisung
7.4.4 Ultraschall-Messung

Die Hydrometrie ist ein Teilgebiet der experimentellen Hydrologie. Diese ist in der Wissenschaft nötig, um theoretische Zusammenhänge experimentell zu bestätigen. Es kann auch umgekeht ein experimentell gefundenes Phänomen eine theoretische Erklärung erfordern. Die Weiterentwicklung des hydrologischen Messwesens ist eher im ingenieurwissenschaftlichen Bereich angesiedelt, praktische Anwendungen erfolgen z.B. im Wasserbau.

Der Abfluss aus einem Einzugsgebiet ist eine wichtige Wasserhaushaltsgröße, deren Messung als integrierte Größe an einem Punkt bzw. einem Gewässerquerprofil mit einer relativ guten Genauigkeit erfolgen kann. Wird der Abfluss eines Gewässers an einer Stelle bestimmt, spricht man genauer vom Durchfluss an dieser Stelle (wenngleich der gemessene Wert in der Regel für den Abfluss des dazugehörigen Einzugsgebietes der Messstelle verwendet wird).

Abb. 7.9: Lattenpegel (Pegel Lichtenwalde 1, Zschopau, Sachsen)

Eine sehr exakte Messung des Durchflusses kann direkt mit Gefäßen erfolgen, in denen das Wasser vollständig aufgefangen und dessen Volumen bestimmt wird. Die Füllzeit wird aufgezeichnet und der Durchfluss ergibt sich als Quotient aus Volumen und Zeit. Um den Fehler zu reduzieren, kann man mehrere zeitnahe Einzelmessungen vornehmen und das Ergebnis mitteln. Es ist leicht zu verstehen, dass diese Methode am Unterrhein nicht anwendbar ist, sondern nur in sehr kleinen Gewässern für einzelne Aufnahmen. Meist werden indirekte Verfahren zur Abflussmessung angewendet, z.B. Wasserstandsmessungen an Pegeln und in Messwehren und -gerinnen, Geschwindigkeitsmessungen mit einem Messflügel oder Verdünnungsversuche mit Markierungsstoffen (Tracern).

7.4.1 Messung über Pegel und Messwehre

7.4.1.1 Wasserstandsmessungen mit Pegeln

Die Wasserstandsbeobachtung erfolgt durch Pegel. Der Pegelnullpunkt (PNP) gibt die Höhenlage des Nullpunktes der Pegellatte bezogen auf eine amtlich festgelegte Bezugsfläche für Höhenmessungen. Als Bezugsfläche wurde bei uns die waagerecht durch den mittleren Wasserstand (Nullpunkt) des Pegels Amsterdam verlaufende Ebene als Normalnull (NN) festgesetzt.

Mittels einer für den jeweiligen Querschnitt geltenden Eichkurve (Abflusskurve Q(W)) kann der Wasserstand W(t) in den Durchfluss Q(t) umgerechnet werden. Dies gilt sowohl für diskrete als auch für kontinuierliche Messungen. Dabei wird die durch Messung gewonnene Beziehung zwischen Wasserstand und Durchfluss in der Regel durch eine mathematische Funktion angenähert. Bei hydraulischen Veränderungen im Bereich der Messstelle muss die Beziehung neu ermittelt werden.

Abb. 7.10: Pegelstelle, Abflusskurve und Schreibpegelaufzeichnung (Wochenumlauf) (aus Schröder et al. 1994).

Abb. 7.11: Ermittlung der Abflussganglinie Q(t) aus der Wasserstandsganglinie W(t) über die Abflusskurve Q(W) (aus Schröder et al. 1994).

Abflussdauerlinie: stellt die Häufigkeit der Über- und Unterschreitungen des Normalabflusses dar. Eingetragen wird in ein Häufigkeitsdiagramm:

7.4.1.2 Überfallmessung (Messwehre)

Die Höhe des vollkommenen (freien), nicht vom Unterwasser rückgestauten Überfalls über ein Wehr ist von der Abflussmenge abhängig und kann damit zur Messung des Abflusses herangezogen werden. Häufig als Messwehr eingesetzt wird das Thomson-Messwehr.

Der Thomson-Überfall ist dreiecksförmig. Er dient zur Messung kleinerer Durchflüsse bis zu rund 250 l/s.

7.4.1.3 Das Venturi-Messgerinne

Mit dem Venturi-Messgerinne (bzw. Venturi-Kanal) kann der Durchfluss berechnet werden, da bei Einengung eine Änderung der Fließhöhe erfolgt. Der ideale Messbereich liegt bei 10 l/s bis 5 m3/s.

Das Gerinne besteht aus drei Teilen:

Abb. 7.12: Prinzip des Messüberfalls und des Venturikanals (aus Schröder et al. 1994).

7.4.2 Geschwindigkeitsmessungen

Der Durchfluss ist das Produkt aus dem durchströmten Querschnitt und der Geschwindigkeit. Die Durchflussmessung kann daher über die Messung der Fließgeschwindigkeit und der Durchflussfläche erfolgen. An verschiedenen Stellen wird die Fließgeschwindigkeit in n unterschiedlichen Tiefen gemessen. Computerprogramme rechnen dann mit numerischen Methoden den gesamten Durchfluss aus.

Dieses Verfahren wird im hydrometrischen Praktikum näher besprochen.

Abb. 7.12b: Messflügel (aus einem Katalog der Firma Ott Messtechnik, Kempten).

7.4.3 Verdünnungsmethode

7.4.3.1 Einsatz von Markierungsstoffen (Tracern)

Bei turbulentem Fließen und wenn der Fließquerschnitt nicht bekannt ist, wird die Verdünnungsmethode zur Abflussmessung verwendet. Ein Markierungsstoff (Tracer) wird in Wasser verdünnt, die Konzentration weiter unten gemessen => Volumen/Zeit-Berechnung möglich. Ober- und unterirdische Zuflüsse behindern die Durchmischung!

Tracer sind meist anionische Markierstoffe, die sich in Wasser nachweisen lassen (z.B. floureszierende Stoffe, Salze). Tracer sollten konservativ sein, d.h. keine Reaktion mit dem Träger eingehen.

Abb. 7.13: Eingabe eines Tracers

Die Eingabe des Tracers ("Impfung") kann momentan oder kontinuierlich mit konstanter Rate erfolgen.

Die Auswertung der am Ende der Messstrecke genommenen Wasserproben erfolgt im Labor, z.B mit einem Fluorometer.

Die quantitative Bestimmung des Volumenstromes eines Fließgewässers bietet gegenüber anderen Methoden bedeutende Vorteile, weil eine integrale Erfassung des Abflusses über dem gesamten Fließgewässerquerschnitt möglich ist.

Formeln zur Abschätzung eines Mindestfließweges (L) von Markiermitteleingabe bis zur Entnahme für kleine und mittlere Fließgewässer:

Abschätzung des Mindestfließweges

L = 50 · Q1/2 (Hull 1958)

= 100 · W²/d (Fischer 1966)

= U³/d (Wood 1973)

= 25 · W (Day 1977)

Q: geschätzter Abfluss
W: Breite
d: Tiefe
U: Querschnitt des Fließgewässers

Zwischen der Einspeisungsstelle und dem Profil, an dem vollständige Durchmischung eingetreten ist, dürfen keine Abflüsse (Versickerungen) liegen, in welche ein Teil des Tracers abfließen könnte.

7.4.3.2 Abflussmessung mit kontinuierlicher Tracereinspeisung

Abb. 7.14: Zeitlicher Verlauf der Tracer-Ausbreitung und der Tracer-Durchgangskurve bei kontinuierlicher Eingabe.

Ein Tracer liegt in wäßriger Lösung mit Konzentration c0 vor und wird mit konstanter Rate q (Volumen/Zeit) in das Gerinne, dessen Abfluss Q beträgt, eingespeist:

c0 · q = c1 · (Q + q)

Da q normalerweise vernachlässigbar klein gegenüber Q ist, ergibt sich der Abfluss vereinfacht zu:

Q = c0 · q / c1

Abb. 7.15: Kontinuierliche Abflussmessung bei instationärer Wasserführung
a) Zeitlicher Verlauf der Tracerkonzentration c an der Messstelle (in willkürlichen Einheiten): 1) kontinuierliche Einspeisung, 2) momentane
b) Aus a) (Kurve 2) ermittelte Korrekturfaktoren F;
c) Abfluss Q (in willkürlichen Einheiten): 3)aus a) (Kurve 1) berechnet, 4) mit F (Kurve b) korrigiert

7.4.3.3 Abflussmessung mit momentaner Tracereinspeisung

Abb. 7.16: Zeitlicher Verlauf der Tracer-Ausbreitung und der Tracer-Durchgangskurve bei momentaner Eingabe.

Abflussmessung mit momentaner Einspeisung
A: Menge des eingespeisten Tracers
(entspricht bei Injektion einer Tracerlösung dem Produkt aus deren Konzentrationen und Volumen)
c: momentane Konzentration des Tracers an der Messstelle

7.4.4 Ultraschall-Messung

Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Abflusshöhe ist das sogenannte Ultraschall-System der Fa. Ott-Hydrometrie, Kempten (Ultraschall-System zur Abflussmessung für Fließgewässer nach dem Laufzeitdifferenz- und Dopplerverfahren (Backup)).


Abb. 7.58: Sonicflow der Ott Messtechnik, zur kontinuierlichen Erfassung der Fließgeschwindigkeit in offenen Fließgewässern mit der sogenannten Einzelpfad-Anordnung (oben: Profil, unten: Draufsicht).

Die Basis für das Verfahren, - Techniken zur Signalverarbeitung und der Berechnung der Fliessgeschwindigkeiten - , bildet ein digitaler Signalprozessor.

Laufzeitdifferenz-Verfahren: Ein akustisches Signal wird zeitgleich in einem bestimmten Winkel sowohl in die Hauptströmungsrichtung als auch gegen die Hauptströmungsrichtung gesendet. Die Zeitdifferenzen der Laufzeiten ist direkt proportional zur Fliessgeschwindigkeit v im Messpfad.