Durchflussmessungen durch indirekte Messverfahren an der Mangfall

Durchflussmessungen durch indirekte
Messverfahren an der Mangfall

Wissenschaftliche Arbeit zur Erlangung des Grades
B.Sc.
an der Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt der Technischen Universität
München.

Betreut von Dr. phil. Jorge Eduardo Teixeira Leandro
 Lehrstuhl für Hydrologie und Flussgebietsmanagement

Eingereicht von Friedrich Seidl
 Ritterland 13
 85570 Ottenhofen
 0152 25993910
Eingereicht am München, den 27.04.2017

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung ......................................................................................................................... 4
2. Grundlagen der Durchflussmessung ................................................................................. 7
 2.1. Der Durchfluss ............................................................................................................ 7
 2.2. Direkte Durchflussmessung ........................................................................................ 8
 2.2.1. Volumetrische Messung ....................................................................................... 8
 2.2.2. Messwehre ........................................................................................................... 9
 2.2.3. Messrinnen ..........................................................................................................10
 2.3. Indirekte Durchflussmessung .....................................................................................12
 2.3.1. Messung der Fließgeschwindigkeit nach dem Lotrechtverfahren .........................12
 2.3.1.1. Messsysteme ............................................................................................14
 2.3.1.1.1. Mechanische Durchflussmessung .......................................................14
 2.3.1.1.2. Magnetisch induktive Durchflussmessung ...........................................16
 2.3.1.1.3. Akustische Durchflussmessung...........................................................17
 2.3.1.2. Durchführung einer punktuellen Messung .................................................19
 2.3.1.2.1. Stangenmessung ................................................................................20
 2.3.1.2.2. Schwimmkörper ..................................................................................20
 2.3.1.3. Ermittlung des Gesamtdurchflusses ..........................................................22
 2.3.2. Messung der mittleren Querschnittsgeschwindigkeit ...........................................22
 2.3.2.1. Messschirm ...............................................................................................22
 2.3.2.2. Tracerverfahren .........................................................................................23
 2.3.2.2.1. Bestimmung der Durchmischungsstrecke ...........................................24
 2.3.2.2.2. Einspeisung des Tracers .....................................................................25
 2.4. Messung des Wasserstands ......................................................................................25
 2.4.1. Der Lattenpegel ...................................................................................................26
 2.4.2. Der Schwimmschreibpegel ..................................................................................26
 2.4.3. Der Druckpegel ...................................................................................................27
 2.4.4. Das Wasserstandsradar ......................................................................................27
 2.4.5. Mobile Pegelmessung .........................................................................................28
 2.5. Berücksichtigung der Messunsicherheiten .................................................................28
 2.5.1. Systematische Fehler ..........................................................................................28
 2.5.2. Zufällige Fehler ....................................................................................................29
 2.5.3. Ausgleich der Messfehler ....................................................................................29
3. Messungen an der Mangfall .............................................................................................31
 3.1. Die Mangfall ...............................................................................................................31
 3.2. Ablauf der Messungen ...............................................................................................34
 3.2.1. Messungen mit dem ADCP-Boot .........................................................................34

 2

3.2.2. Messungen mit der Magnetisch-induktiven Sonde ...............................................39
 3.3. Probleme während der Messung ...............................................................................42
4. Messergebnisse ...............................................................................................................45
 4.1. Tag 1 – 30.11.2016 ....................................................................................................46
 4.2. Tag 2 – 22.02.2017 ....................................................................................................48
 4.3. Tag 3 – 03.04.2017 ....................................................................................................50
5. Auswertung der Messergebnisse......................................................................................52
 5.1. Genauigkeit der ADCP-Messungen ...........................................................................52
 5.2. Vergleich der zwei angewandten Verfahren ...............................................................55
 5.2.1. Analyse der mittleren Fließgeschwindigkeiten .....................................................56
 5.2.2. Vergleich der gemessenen Durchflüsse ..............................................................58
 5.3. Durchfluss-Wasserstand-Diagramm...........................................................................59
6. Schlussfolgerung und Ausblick .........................................................................................62
Literaturverzeichnis ..............................................................................................................64
 Sonstige Unterlagen .........................................................................................................67
 Bildquellen ........................................................................................................................69
Abbildungsverzeichnis ..........................................................................................................71
Tabellenverzeichnis ..............................................................................................................73
Symbolverzeichnis ...............................................................................................................74
Anhang I ...............................................................................................................................77
 Vorlage Matlab-Code ........................................................................................................77
Anhang II ..............................................................................................................................79
 Erklärung ..........................................................................................................................79

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1. Einführung

„Diese Klimaveränderung wird mit erheblichen
Auswirkungen auf den Wasserhaushalt verbunden sein.“ (Kliwa 2005, S.1)

So prognostizierte das Bayerische Landesamt für Wasserwirtschaft bereits 2005 die
Auswirkungen steigender Temperaturen auf den hydrologischen Kreislauf in Bayern
(Kliwa 2005). Im Zuge dieser „Intensivierung des hydrologischen Kreislaufs“ (Kliwa
2005, S.1) ist mittelfristig mit einer Verschärfung der Hochwasserlage in Bayern zu
rechnen (Kliwa 2005).

Der Freistaat sieht sich daher mit immer häufiger drohenden Extremwetterereignissen
konfrontiert, so dass immer größere Anstrengungen im Bereich des Hochwasser-
schutzes von Nöten sind. Bereits im Jahre 2001 reagierte die bayerische Staatsre-
gierung mit dem Aktionsprogramm 2020 (AP 2020) auf mehrere Hochwasserer-
eignisse in Bayern (StMUV 2014, S.12). Ziel des Programms war die Modernisierung
des Hochwasserschutzes auf den damaligen Stand der Forschung, sowie der Entwick-
lung von Langzeitstrategien zum Schutze der Bevölkerung und Infrastruktur.
Der moderne Hochwasserschutz basiert dabei auf einem Drei-Säulen-Modell, dem
technischen Hochwasserschutz, der Hochwasservorsorge und der Stärkung des
natürlichen Wasserrückhalts in der Fläche (Fuchs Seminar, S.1).
Die seit 2001 aufgetretenen Hochwasserereignisse zeigten jedoch, dass diese strikte
Einteilung keinesfalls die effektivste Herangehensweise an den Hochwasserschutz ist.
So konnte festgestellt werden, dass jede Verzögerung im Prozess der Abflusskon-
zentration zu einer Abschwächung der Hochwasserspitze führte und dadurch die be-
reits getroffenen Schutzmaßnahmen im akuten Fall entlastet werden konnten. Rück-
haltemaßnahmen können daher im Falle starker Hochwasser unterstützend neben die
Mittel des technischen Hochwasserschutzes treten (LfU AP2020).

Um eben jener Synergie zwischen technischem Hochwasserschutz und der Stärkung
des natürlichen Wasserrückhalts in der Fläche Rechnung zu tragen, wurde im Zuge

 4

der Aufarbeitung des Junihochwasser 2013 das AP 2020 zum Aktionsprogramm
2020plus (AP 2020plus) erweitert. Ziel dieser Erweiterung war es, das Forschungsfeld
des natürlichen Wasserrückhalts zu stärken und noch enger mit dem technischen
Hochwasserschutz zu kombinieren (StMUV 2014, S.16).

Im Rahmen der Stärkung des natürlichen Wasserrückhalts in der Fläche stehen grund-
sätzlich mehrere geeignete Maßnahmen zur Verfügung. So können beispielsweise
Retentionsflächen entlang von Gewässern wiedergewonnen, Gewässerläufe sowie
umliegende Moore renaturiert oder die gewässernahen Flächenversiegelungen redu-
ziert werden (Spiekermann et al. 2014, S.85). Problematisch dabei ist, dass die
Wirkung der unterschiedlichen Rückhaltemaßnahmen von vielen verschiedenen
Faktoren beeinflusst wird (LfU AP2020).

Ein Projekt der Technischen Universität München beschäftigt sich daher mit der
prozessbasierten Modellierung natürlicher sowie dezentraler Hochwasserrückhalte-
maßnahmen zur Analyse der ereignis- und gebietsabhängigen Wirksamkeit
(ProNaHo). Ziel ist es eine bayernweite gültige Aussage über die Wirksamkeit von
natürlichen und dezentralen Hochwasserrückhaltemaßnahmen treffen zu können.
Im Rahmen dieses Projekts soll dabei eine bisher weitestgehend vernachlässigte
Rückhaltemöglichkeit näher untersucht werden. Lag der Schwerpunkt von natürlichen
Rückhaltemaßnahmen in der Vergangenheit in dem Bereich der bewährten Gewäs-
serrenaturierung und der Auenreaktivierung, so tragen diese doch den Makel der
Kostenintensität (Spiekermann et al. 2014, S.85)

Eine bloß auf „menschliche“ Renaturierung fixierte Herangehensweise verkennt
gerade, dass der Mensch nicht als einziges Lebewesen in der Lage ist, aktiv seine
Umwelt zu gestalten. Wie keine andere Tierart prägt der Biber als „Baumeister der
Natur“ (BN Bericht) seinen Lebensraum (Nater 2012, S.67). Trotz der gut erforschten
positiven Auswirkungen des Bibers auf die Flora und Fauna im Einzugsgebiet seiner
Bauwerke (Meßlinger 2014, S69f.), mangelt es in Deutschland an Studien über den
Einfluss der Biberdämme auf die natürliche Wasserrückhaltefähigkeit eines Gewäs-
sers (Nater 2012, S.69). So wird lediglich „davon ausgegangen“ (Nater 2012, S.69),
dass der durch den Biberdammbau hervorgerufene Rückstaueffekt oder die durch
Biberseen geschaffene Retention zu einer Einflussnahme auf die Hydraulik eines

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Fließgewässers führt (Nater 2012, S.69). Ein endgültiger Beweis, dass es tatsächlich
zu behauptetem Rückstaueffekt oder eines andersgearteten Effekts des Bibers auf die
Gewässerhydraulik kommt, fehlt jedoch bisher.

Um ebendiesen Beweis zu erbringen, wird im Rahmen des ProNaHo-Projektes eine
Methodik zur Ermittlung der ereignisabhängigen Retentionseigenschaften von Biber-
dämmen entwickelt. Im ersten Schritt wird mit Hilfe von photogrammetrischen Aufnah-
men und terrestrischen Vermessungen eine 3D-Rekonstruktion des Biberdammes
samt Flussschlauch erstellt. Anschließend soll mit Hilfe von indirekten Durchfluss-
messmethoden ein Durchfluss-Wasserstand-Diagramm aus Messungen bei drei
verschiedenen Wasserständen erstellt werden. Der nächste Schritt sieht eine Verwer-
tung der gesammelten Daten in Form eines 2D-hydraulischen Modells vor, welches im
letzten Arbeitsschritt der Methodik für verschiedene Hochwasserszenarien ange-
wendet wird, um so eine Aussage über die Beziehung zwischen Abfluss, Wasserstand
und Rückhalt eines Flussabschnitts mit Biberdamm zu treffen.

Ziel dieser Arbeit ist eine Darstellung der heutigen Möglichkeiten im Bereich der
Durchflussmessung mit ihren Vor- und Nachteilen und anschließender Überprüfung
des zweiten Schrittes der Methodik. Hierzu wurden zwei Verfahren aus dem darge-
stellten Spektrum ausgewählt, mit Hilfe derer der Durchfluss hinter einem Biberdamm
in einem Seitenarm der Mangfall gemessen wurde.

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2. Grundlagen der Durchflussmessung

Dieses Kapitel vermittelt die Grundlagen der Messung benötigter Daten eines
Durchfluss-Wasserstand-Diagramms. Eines der Hauptziele in der Hydrometrie ist die
Bestimmung des Oberflächenwasserdargebots für einen betrachteten Flussquer-
schnitt. Eine von der Zeit abhängige Funktion des Durchflusses nennt man Durchfluss-
ganglinie. Da kontinuierliche Messungen des Durchflusses bisher schwer zu
verwirklichen sind, nähert man eine sogenannte Durchflusskurve mittels vieler
einzelner Durchflussmessungen und den zugehörigen Wasserständen an (Dyck et al.
1995, S.92).
Sofern keine andere Quelle angegeben wird, ist der Inhalt der folgenden Kapitel an die
Bücher von Gerd Morgenschweis, Siegfried Dyck und Gerd Peschke angelehnt.

2.1. Der Durchfluss

In der Hydrologie unterscheidet man nach der DIN 4049-3 (1994) zwei Definitionen
des Abflusses. Allgemein versteht man unter dem Abfluss die Wassermenge, die sich
über- und unterhalb der Landoberfläche unter den Einflüssen der Schwerkraft bewegt.
Quantitativ beschreibt man den Abfluss als das Wasservolumen, welches in einer be-
stimmten Zeit einen Gewässerquerschnitt durchfließt (LS Hydrologie 2014, S.123).
Diese quantitative Betrachtung wird weitläufig auch als Durchfluss bezeichnet
(Baumgartner et al. 1996, S.519). Beide werden mit dem Symbol Q abgekürzt und
geben einen Volumenstrom der Einheit m³/s an (LS Hydrologie 2014, S.123). Während
des Vorgangs der Abflusskonzentration sammeln sich die Ströme des Oberflächenab-
flusses, des Zwischenabflusses und des Grundwasserabflusses in dem Vorfluter des
Einzugsgebiets und bilden so den Durchfluss (Baumgartner et al. 1996, S.491). In der
Wasserbilanzgleichung dient der Durchfluss der indirekten Bestimmung der
Wassermenge, welche das Einzugsgebiet verlässt (Maniak 2005, S. 57).

Berechnet wird der Durchfluss mit Hilfe folgender Formel:

 = ∗ 

 7

Bei der Verwendung dieser Formel geht man von laminaren Strömungsverhältnissen
aus. Laminare Strömungen werden als stationäre, gleichförmige Strömung definiert,
bei denen die Geschwindigkeit konstant ist. In Hinsicht auf die Bedingungen in einem
natürlichen Fließgewässer können diese nicht vorliegen. Deshalb überwiegen dort
turbulente Verhältnisse, welche starke Schwankungen der Fließgeschwindigkeit und
somit des Durchflusses zur Folge haben. Turbulente Strömungen charakterisieren sich
durch Verwirbelungen der Strömungsrichtung, welche instationäre Bedingungen zur
Folge haben (Hering et al. 1995, S.123).

 2.1. Strömungsarten (Quelle: Chemieplanet)

Grundsätzlich unterscheidet man zwei Arten der Durchflussmessung, die direkten und
die indirekten Methoden. Bei folgender Einteilung der Verfahren ist zu berücksichtigen,
dass in der Fachliteratur voneinander abweichende Klassifizierungen zu finden sind
(statt vieler Bonfig 2002).

2.2. Direkte Durchflussmessung

Bei direkten Messverfahren wird der Durchfluss mit Hilfe von Abflussbauwerken mit
bekannter Durchfluss-Wasserstand-Beziehung bestimmt. Derartige Messungen sind
nur für kleine Durchflüsse geeignet (Maniak 2005, S. 59).

2.2.1. Volumetrische Messung

Eine selten verwendete Art der direkten Messung ist die volumetrische Messung
(Maniak 2005, S. 59). Hier werden entweder speziell angefertigte Messbehälter oder
vorab kalibrierte Alltagsgegenstände wie Eimer oder Tonnen verwendet. Zu beachten

 8

ist eine möglichst geringe Oberfläche im Vergleich zu dem bekannten Volumen. Ein
scharfkantiger Überfall und ein vollständiges Auffangen des Wasserstroms aus dem
Querschnitt sind für die Genauigkeit der Messung unumgänglich. Während der in das
Behältnis umgeleitete Durchfluss das selbige füllt, wird die Zeit bis zur vollständigen
Füllung gestoppt. Bei der Auswahl des Messgefäßes ist darauf zu achten, dass
mindestens fünf Sekunden für das Befüllen benötigt werden.

Anschließend wird der Durchfluss wie folgt berechnet (Pertl 2004, S.20).

 =
 
Aufgrund der Beschränkung auf kleine Volumenströme sind Quellschüttungen ein
typisches Einsatzgebiet der volumetrischen Messung (Morgenschweis 2010, S.117).

2.2.2. Messwehre

Messwehre fungieren in dem Flussquerschnitt als Stauanlagen und führen, bis sie
überströmt werden, zu einer Anhebung des Wasserspiegels. Dies nennt sich dann
Überfall. Messwehre werden häufig in kleinen natürlichen Wasserläufen eingesetzt
(Dyck et al. 1995, S.100). Im Fall eines überströmten Wehres berechnet sich der
Durchfluss mittels der Formel nach Poleni.

 2 3
 = ∗ ∗ ∗ √2 ∗ ℎü 2
 3

Der Überfallbeiwert μ wird in der Praxis für bestimmte Überfallgeometrien als konstant
angesetzt. Er resultiert aus dem Verhältnis der Überfallhöhe und der Wehrform (LfU
2001, S.19). In der Bauweise von Messwehren unterscheidet man Wehre mit und ohne
Seitenkontraktion (vgl. Abbildung 2.2 und 2.3.) und nach der Form des Überfallquer-
schnittes.

 9

2.2 Rehbock- Wehr ohne Seitenkontraktion (Quelle: Dyck 1995, 2.3. Thomson-Wehr mit Seitenkontraktion (Quelle: Dyck 1995,
S.99.) S.99.)

Obwohl mehrere Formen realisiert werden können, haben sich die Rechtecküberfälle
nach Rehbock und Poncelet und der Dreiecküberfall nach Thomson durchgesetzt.
Messwehre mit scharfkantigen Überfällen werden aufgrund der guten Kenntnisse über
deren Überfallbeiwerte bevorzugt.
Vor Errichtung eines Wehrs sollte die Breite und Tiefe des Gewässers erfasst werden,
um spätere Veränderungen besser nachvollziehen zu können. Beim anschließenden
Einbau sollte eine Stelle mit mindestens drei Meter langem, geradem Flussverlauf
verwendet werden, welcher genug Stauraum für den folgenden Einstau durch das
Wehr aufweist. Auch größere Strömungshindernisse, welche einen geregelten Abfluss
verhindern könnten, sollten vermieden werden (Coldewey et al. 2014, S.44). Probleme
bei Messwehren treten bei zu hoher Geschiebefracht auf, die zu einer Verlandung des
Stauraums führt und dadurch die Überfallhöhe verfälscht. Ein Einbau von Messwehren
ist aufgrund der benötigten Zeit nur bei Messungen über einen längeren Zeitraum
sinnvoll (Coldewey et al. 2014, S.44).

2.2.3. Messrinnen

Messrinnen basieren auf dem Prinzip der Durchflussbestimmung mittels Wasserspie-
geldifferenzen an Verengungen im Querschnitt des Gewässers. Es gibt sie in verschie-
denen Ausführungen wie z.B. den Parshall-, den Palmer Bowlus-, den Khafagi-und
den Venturi-Messrinnen, wobei letztere in Europa am weitesten verbreitet sind (Pertl
2004, S.20).

Der Venturi-Kanal ist ein dreigeteiltes Gerinne, bestehend aus Einlaufs-,
Einschnürungs- und Nachlaufstrecke.

 10

hOW

 2.4. Venturi-Kanal (Quelle: Pertl 2004, S.25, bearbeitet)

In der Einschnürung des Kanals steigt die Strömungsgeschwindigkeit und die Wasser-
höhe sinkt. Wichtig ist, dass die Verengung so gewählt wird, dass ein Übergang vom
Strömen ins Schießen geschieht. Setzt man nun die Geschwindigkeit an der
Verengung in die Bernoulli-Gleichung, so erhält man eine Formel für die Wassertiefe
hE an der Einschnürung abhängig von hOW (Fiedler, O. 1992, S.94). In der Regel wird
der Gewässerquerschnitt seitlich eingeschnürt, eine Verwendung von Sohlschwellen
kann bei entsprechender Dimensionierung jedoch dieselben Effekte haben (ABB 2011,
S.160). Da nun eine Messung der Oberwassertiefe ausreicht, kann die Beziehung
zwischen dem Durchfluss Q und der Oberwassertiefe hOW durch die allgemein gültige
Berechnungsformel für Venturikanäle beschrieben werden:

 3
 = ∗ ∗ √ ∗ ∗ ℎ 2

Bei einem Kanal dieser Art folgt aufgrund des geringen Energiehöhenverlustes nur ein
geringer Aufstau. Ein Vorteil dieser Kanäle ist, dass sie auch bei stark schwankenden
Durchflüssen verwendet werden können und sich bei Verwendung einer
durchgehenden Gerinnesohle auch für Messungen in besonders feststoffhaltigem
Wasser (z.B. Abwasser) eignen (Dreyhaupt 1994, S.1271).

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2.3. Indirekte Durchflussmessung

Die indirekte Durchflussmessung bedient sich der Messung der
Fließgeschwindigkeiten und des Gewässerquerschnittes zur Bestimmung des Durch-
flusses (LfÖ, LfB 1997, S.148). Für die Bestimmung der hierzu benötigten
Geschwindigkeiten unterscheidet man zum einen die Messung mit Hilfe einzelner
Messlotrechten und zum anderen die Messung der mittleren Querschnittsfließge-
schwindigkeit.

2.3.1. Messung der Fließgeschwindigkeit nach dem Lotrechtverfahren

Zunächst wird bei derartigen Messungen der Gewässerquerschnitt mit Hilfe von
Messvertikalen unterteilt und anschließend die Fläche A des Querschnittes durch die
Wassertiefen an den Lotrechten bestimmt. Zu beachten ist eine möglichst genaue
Abbildung des Flussquerschnittes durch mehrere Lamellen (Abbildung 2.2).

 2.5. Räumliche Darstellung des Durchflussquerschnittes und der Geschwindigkeitsverteilung (Quelle: Dyck 1995, S.95.)

In der Mitte jeder Lamelle befindet sich eine der festgelegten Messlotrechten. Dies ist
auch die Stelle an der die repräsentative Geschwindigkeit für die jeweilige Lamelle
bestimmt wird. Mit zunehmender Anzahl an Messstellen steigt die Messgenauigkeit.
Je nach Querschnittsbreite schwankt die Anzahl der Messlotrechten zwischen 5-15
(Morgenschweis 2010, S.118). In der Regel sollten bei nicht zu unregelmäßigen
Profilen zehn Messstellen verwendet werden, um eine vertretbare Genauigkeit zu
erhalten (Dyck et al. 1995, S.93).

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Hat man nun den Querschnitt entsprechend unterteilt stehen drei unterschiedliche
Vorgehensweisen zur Verfügung.
 a) Vielpunktverfahren
 Hier werden auf jeder Lotrechten mindestens zwei Messpunkte in
 unterschiedlicher Tiefe gewählt. Abhängig von der Wassertiefe kann man
 folgende Verfahren anwenden:
 - Dreipunktverfahren
 = 0,25 ∗ 0,2 + 0,5 ∗ 0,6 + 0,25 ∗ 0,8
 Messpunkte in 20% - 60% - 80% der Wassertiefe
 - Fünfpunktverfahren
 = 0,1 ∗ ( 0 + 3 ∗ 0,2 + 2 ∗ 0,6 + 3 ∗ 0,8 + )
 Messpunkte in 0% - 20% - 60% - 80% - 100% der Wassertiefe
 - Sechspunktverfahren
 = 0,1( 0 + 2 ∗ 0,2 + 2 ∗ 0,4 + 2 ∗ 0,6 + 2 ∗ 0,8 + )
 Messpunkte in 0% - 20% - 40% - 60% - 80% - 100% der Wassertiefe
 b) Integrationsverfahren
 Durch Absenken des Messinstruments mit konstanter Geschwindigkeit wird die
 mittlere Geschwindigkeit auf der gesamten Tiefe der Messlotrechten bestimmt.
 Dabei kann beispielsweise auf eine Kabelwinde oder Ähnliches zurückgegriffen
 werden. Möglich ist eine vertikale oder horizontale Integration. Vorgesehen ist
 diese Methode im insbesonderen für breite und tiefe Gewässer (wie z.B. Rhein,
 Donau und Elbe).
 c) Abgekürzte Punktmessverfahren
 Erlauben die äußeren Umstände nur eine kurze Messung, so erwiesen sich die
 abgekürzten Punktmessverfahren als sinnvoll.
 - Zweipunktmessmethode nach Kreps (1954)
 Messpunkte an der Oberfläche und 0,38 * h über der Sohle (Barsch et
 al. 1994, S.215).
 = 0,31 ∗ 0 + 0,634 ∗ 0,38
 - Zweipunktmethode für geringe Tiefen
 Messpunkte in 20% und 80% der Wassertiefe
 = 0,5 ∗ ( 0,2 + 0,8 )

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- Einpunktmessverfahren
 Messung in einer Tiefe von 0,32 * h über der Sohle (Pertl 2004, S.33).

Jede der drei geschilderten Messverfahren kann dazu verwendet werden, die
Fließgeschwindigkeit vor Ort zu bestimmen. Eine hohe Anzahl an Messpunkten führt
jedoch auch zu einer hohen Genauigkeit bei den späteren Ergebnissen. Die
abgekürzten Punktmessverfahren sollten daher die Ausnahme darstellen und lediglich
dort zum Einsatz kommen, wo eine Vielpunktmessung nicht möglich ist.

2.3.1.1. Messsysteme

Jedes der oben beschriebenen Verfahren kann mit einer Vielzahl von Messsystemen
durchgeführt werden. Unterschieden werden dabei drei grundlegende
Messtechnologien, welche in verschiedensten Formen zum Einsatz kommen (Vgl.
Produktkatalog OTT). Jede Technologie wird anhand eines charakteristischen
Beispiels erklärt.

2.3.1.1.1. Mechanische Durchflussmessung

„Ein Werkzeug, welches geschickt ist, die Geschwindigkeit der strömenden Gewässer
und des Windes genau damit zu beobachten, kann hauptsächlich folgenden Nutzen
haben: Es kann dazu dienen, die Theorie oder die Gesetze, wie Stoß und
Geschwindigkeit flüßiger Massen von einander abhängen, zu untersuchen…“
( Woltman 1790, Vorrede).

So erkannte bereits Richard Woltmann im Jahr 1790 die Notwendigkeit und den
Nutzen der mechanischen Durchflussmessung für den Menschen. Das von Woltmann
beschriebene Messprinzip des hydrometrischen Flügels zählt noch heute zu den
Standards der Fließgeschwindigkeitsmessung in Flüssen und offenen Gerinnen (OTT
C31, S.3).

Der moderne Messflügel besteht aus einem drehbaren Aufsatz in Form eines
Propellers, einem stromlinienförmigen, wasserdichten Körper und einem
Zählmechanismus (Maniak 2005, S.62). Nachdem das Schaufelrad des Flügels durch

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das Wasser in Bewegung versetzt wurde, leitet der Kontaktgeber der Zählmechanik
ein Signal pro Umdrehung an ein seperates Zählgerät weiter.

 2.6. Hydrometrischer Flügel in seiner heutigen Form (Quelle: Morgenschweis (2010), S. 128.)

Der Zusammenhang zwischen Umdrehungszahl und Fließgeschwindigkeit wird durch
folgende Formel beschrieben (OTT C31, S.2).

 = ∗ +∆

Die Konstanten k und Δ müssen für jeden Flügel individuell und exakt vom Hersteller
bestimmt werden (OTT C31, S.2). Die Messdauer ist stets so zu wählen, dass kleinere
Strömungsschwankungen das Ergebnis nicht verfälschen; empfohlen werden hier 30
Sekunden (Kraus 2009, S.3).

Messungen mit dem hydrometrischen Flügel können nahezu überall zum Einsatz
kommen, da dem Flügel nur wenig Grenzen gesetzt sind. Probleme ergeben sich
jedoch bei zu seichtem Gewässer, bei denen der Flügel nicht komplett unter Wasser
liegt. Außerdem muss die Fließgeschwindigkeit größer als die Anlaufgeschwindigkeit
des Flügels (in der Regel 2 cm/s) sein. Zuletzt können auch vorhandene
Wasserpflanzen die Messung mit dem Flügel unmöglich machen. Bei zu starker
Verkrautung kann sich der Flügel nicht mehr drehen und verhakt sich in den Pflanzen
(zustimmend Siedschlag 2015, S.236). Diese Einschränkungen beim Einsatz des
Flügels führten letztlich dazu, dass sich neben den mechanischen
Durchflussmessungen noch alternative Systeme zur Messung der
Fließgeschwindigkeit entwickelten.

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2.3.1.1.2. Magnetisch induktive Durchflussmessung

Eines dieser alternativen Systeme ist das seit über 60 Jahren in der Industrie
angewandte Magnetisch-induktive Verfahren. Es basiert auf dem Faraday‘schen
Induktionsgesetz, welches besagt, dass durch die Bewegung eines elektrisch
leitenden Körpers im Magnetfeld, diesem eine Spannung induziert wird, welche
proportional zu seiner Geschwindigkeit v, der Magnetfeldstärke B und dem Elektro-
denabstand L ist. (Vgl. Hering et al. 1995, S.315).

 = ∗ ∗ 

Die Magnetisch-induktive Sonde (MID-Sonde) ist eines der auf diesem Verfahren
basierenden Messinstrumente. Da bei ihr die Größen B und L feste bekannte Werte
sind, vereinfacht sich die Gleichung wie folgt:

 = ∗ 

Das Messinstrument selbst besteht aus einem Messkopf, der die Messelektronik und
die Magnetspulen, die ein Magnetfeld erzeugen, enthält. Des Weiteren enthält er zwei
isolierte Elektroden, welche senkrecht zum Magnetfeld und der Fließrichtung
angebracht sind und dazu dienen die Fließgeschwindigkeit zu messen. Ein tragbares
Anzeigegerät gibt die gemessenen Geschwindigkeiten an. Während der Messung ist
die Sonde stets parallel zur Strömung auszurichten, sowie ein ausreichend langes
Messintervall zu wählen (Kraus 2009, S.3).

Der Vorteil der Magnetisch-induktiven-Strömungssonde ist die Unabhängigkeit von
Druck, Dichte, Temperatur und Viskosität (Tecmara GmbH). Ein weiterer Vorteil ist die
Einsatzmöglichkeit in verkrauteten Gewässern (OTT MF Pro, S.2). Messungen können
nicht nur näher am Ufer oder anderen Hindernissen durchgeführt werden, sondern
auch bei sehr geringen Strömungen, da anders als beim hydrometrischen Flügel keine
Anlaufgeschwindigkeit überwunden werden muss. Dennoch unterliegt auch die MID-
Sonde Mindestabständen Dmin in Hinblick auf Ufer, Sohle und Wasseroberfläche
(Morgenschweis 2010, S.141).

 16

Messpunkt Dmin in cm

Wasseroberfläche 5 - 10

 Sohle 2,5

 Ufer 2,5 bei v > 10 cm/s
 5 bei v < 5 cm/s
 Tabelle 2.1. Minimal einzuhaltende Abstände beim 2.7. Magnetisch induktiver MF-Pro Sensor der Firma OTT
 Einsatz der MID-Sonde (Quelle: Morgenschweis (2010), (Quelle: OTT MID)
 S.141.)

Magnetisch-induktive Sonden kommen daher meist dort zum Einsatz, wo der hydro-
metrische Flügel aufgrund der Fließgeschwindigkeit, der Verkrautung oder sonstigen
Begrenzungen nicht verwendet werden kann (Pertl 2004, S.41). Der Vergleich von
Messergebnissen zeigt eine sehr hohe Übereinstimmung zwischen magnetisch-
induktiver und der mechanischen Messung mit Flügel (Pertl 2004, S.64). Die MID-
Sonde stellt damit eine optimale Ergänzung zur mechanischen Durchflussmessung
dar, wobei die einzuhaltenden Mindestabstände der praktischen Anwendung Grenzen
setzen.

2.3.1.1.3. Akustische Durchflussmessung

Eine weitere alternative Methode ist die akustische Durchflussmessung. Derartige
Verfahren basieren auf der Messung der Fließgeschwindigkeit durch den Frequenz-
unterschied von ausgesandten und reflektierten Ultraschall-Impulsen. Der Acoustic-
Doppler-Profiler genannt ADP (ADP SonTek) bedient sich des Phänomens der
Doppler-Verschiebung. Dieses beschreibt die Frequenzverschiebung eines Signals,
bei dem sich das Signal zwischen Senden und Empfangen verändert (Fiedler, K.,
S.22). Je größer die Bewegungsgeschwindigkeit des Senders bzw. des Empfängers,
umso größer die Doppler-Verschiebung. Vereinfacht lässt sich die Frequenzverschie-
bung im Allgemeinen aus der ausgesandten Frequenz, der Schallgeschwindigkeit im
betrachteten Medium und der Relativgeschwindigkeit berechnen (Fiedler, K., S.36).

 ∆ = ∗
 
 17

Mit Hilfe des weiterentwickelten Ultraschall-Puls-Dopplerverfahren lässt sich die zuge-
hörige Entfernung vom Sender bis zum reflektierenden Partikel bestimmen. Hierbei
fungieren die Sensoren in der Regel als Sender und Empfänger, um so eine minimale
Auflösung zu erreichen (Teufel 2006, S.384). Die Ultraschallstrahlen werden in
Frequenzbündeln definierter Länge in kurzen Pulsen (einige hundert Signale pro
Sekunde) ausgestrahlt. Notwendig ist das Vorhandensein von Partikeln im Wasser
welche die Ultraschallsignale reflektieren können (Fiedler, K., S.3).

Ein wesentlicher Bestandteil der heutigen Systeme ist eine Kombination des Puls-
Dopplerverfahren mit dem Korrelationsverfahren, einem mathematischen Hilfsmittel im
Bereich der Datenauswertung und Signalgewinnung (Teufel 2006, S.385). Mit jedem
Echo des Pulsverfahrens wird ein Bild der Streukörper im Wasser abgespeichert. Aus
dem Vergleich der Bilder kann die Zeitverschiebung bestimmt werden, welche propor-
tional zur Geschwindigkeit der Partikel und somit zur Strömungsgeschwindigkeit ist.
Diese Korrelation ergibt die mittlere Geschwindigkeit des Pulsbündels (Teufel 2006,
S.385). Zusammen mit der Zeitdifferenz zweier Pulse wird die
Transportgeschwindigkeit ermittelt.

 ( ∗ )
 =
 ( 4 ∗ )

Die Ultraschall-Doppler-Messtechnik steht in zwei verschiedenen mobilen
Ausführungen zur Verfügung (Vgl. Produktkatalog SEBA). Für das Vielpunkt- oder das
abgekürzte Punktmessverfahren steht ein der MID-Sonde ähnliches Gerät zur Verfü-
gung. Dieses arbeitet mit Frequenzen um die 6 MHz und kann Geschwindigkeiten
zwischen 0 und 3 m/s messen, jedoch keine Aussage über die Strömungsrichtung
treffen (AquaProfiler-M, S.2). Sollte diese Information wichtig für die Messung sein,
besteht die Möglichkeit auf den zweiten Typen zurückzugreifen. Hier werden zwei
ADP-Sensoren mit einem Wasserstandssensor kombiniert und ermöglichen so eine
gleichzeitige Messung der Wassertiefe, wobei zu beachten ist, dass diese Sensoren
nur in Verbindung mit der Integrationsmethode zum Einsatz kommen (AquaProfiler M-
Pro, S.2). Durch die zwei Sensoren ist außerdem eine Bestimmung der Strömungs-
richtung möglich. Ein Nachteil dieser Messsysteme ist der tote Bereich vor der Sonde,
welcher in der Regel 10 – 15 cm groß ist.

 18

2.8. Ultraschall-Doppler-Strömungssonde (Quelle: OTT 2.9. Ultraschall-Doppler-Profiler mit Stange (Quelle: SEBA
ADC) M-Pro)

Ein zusätzlich erwähnenswertes Messsystem auf Basis der akustischen Durchfluss-
messung ist der Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP), dessen Technik sich in den
letzten Jahren deutlich weiterentwickelt hat (HD Steiermark 2004, S.5). An einem Boot
montierte ADCPs erwiesen sich als ein hilfreiches Werkzeug bei der Reduzierung der
Dauer von Durchflussmessungen und ermöglichen die Messung von
Geschwindigkeiten auf innovative Art (Vgl. USGS 2013, S.1f.). Die Sensoren werden
so an einem Messboot angebracht, dass sie während der Überquerung des
Gewässers zur Sohle ausgerichtet sind (USGS 2013, S.2). Diese Systeme messen die
Geschwindigkeit des Wassers relativ zur Geschwindigkeit des Bootes, welche mit Hilfe
des sogenannten Bottom Track aus der Reflektion der Schallwellen an der Sohle
bestimmt werden kann (USGS 2013, S.2). Hohe Partikelkonzentrationen nahe der
Sohle durch Geschiebeabtrieb oder Ähnlichem führen zu einer Verfälschung der
Reflektion und können in einer falschen Messung der Wassertiefe oder der
Bootsgeschwindigkeit resultieren (USGS 2013, S.2). Das ADCP unterteilt den
Gewässerquerschnitt anhand der Reflektionszeiten in Tiefenzellen und weist jeder
eine gemessene Geschwindigkeit zu (USGS 2013, S.6). Die bei diesem Verfahren
verwendeten Boote können sowohl bemannt als auch unbemannt sein (USGS 2013,
S.14).

2.3.1.2. Durchführung einer punktuellen Messung

Mit Hilfe der dargestellten Messsysteme kann nun eine punktuelle Messung vorge-
nommen werden. Bei der Durchführung in der Praxis haben sich grundsätzlich zwei
Verfahren bewährt, die Messung an der Stange oder am Schwimmflügel (LfU, Krämer
2002, S.15).

 19

2.3.1.2.1. Stangenmessung

Im Falle der Stangenmessung werden zusammen-
schraubbare Metallstangen mit einem Durchmesser
von 10 – 40 mm (i.d.R. nur 20 mm) und
Markierungen in Zentimeter-Abständen verwendet.
Abbildung 2.10. zeigt wie das Gestänge mit einem
Messinstrument verbunden wird. Je nach benötigter
Tiefe kann man um zusätzliche Abschnitte
erweitern. Mit Hilfe dieser Konstruktion wird das
gesamte Messgerät an den einzelnen Punkten jeder
Lotrechten für die festgelegte Messdauer ins
Wasser eingesetzt. Dies ist ein sehr langwieriger
Vorgang, da nach jeder Messung die Sonde wieder
aus dem Wasser gezogen werden muss, um in der
Höhe verstellt zu werden. Bei modernen Geräten
gibt es bereits Konstruktionen mit denen die Höhen-
verstellung durchgeführt werden kann, ohne das
System aus dem Wasser zu holen (OTT ADC, S.6). 2.10. Montierte MID-Sonde am Messgestänge
 (Quelle: Füller 2016)
Zu beachten ist bei dieser Art der Messung, dass die
Strömungsverhältnisse durch den Messenden nicht beeinträchtigt werden und das
Gestänge während des gesamten Messvorgangs senkrecht gehalten wird. So weit
möglich wird die Messung von einer Brücke oder alternativ einem transportablen
Messsteg zur Vermeidung von Strömungsänderungen bevorzugt (LfU, Krämer 2002,
S.16).

2.3.1.2.2. Schwimmkörper

Steht kein Gestänge oder eine geeignete Brücke zur Verfügung, bietet sich eine
Messung am Seil an. Die Messsonde wird zusammen mit einem fischkörperartigen
Ballastgewicht an einem Seil ins Wasser gelassen (Maniak 2005, S.63). Die Flügel-
achse orientiert sich automatisch in Richtung der Fließgeschwindigkeit (LfU, Krämer
2002, S.17). Die Eintauchtiefe des Messkörpers wird über die Länge des abgespulten

 20

Seiles ermittelt. Bei starker Strömung driftet der Schwimmkörper ab und verfälscht so
die Werte der Eintauchtiefe. Beträgt der Abdriftwinkel mehr als 5° muss eine Korrektur
mit Hilfe folgender Formel vorgenommen werden.

 ℎ = ℎ – ( ℎ1 + ℎ2 )

Die beiden Werte Δh1 und Δh2 ermittelt man mit Hilfe des Abstandes a zwischen
Wasser und Seilaufhängung, sowie dem Winkel α welcher die Ablenkung des Seiles
aus der Senkrechten beschreibt während der Schwimmkörper sich auf der
Wasseroberfläche befindet und dem Winkel β welcher sich aus der Ablenkung ergibt,
wenn der Schwimmkörper auf der Sohle aufsetzt. In der Pegelvorschrift von 1961
finden sich Tabellen in denen die entsprechenden Werte für Δh1 und Δh2
nachgeschlagen werden können. Heutzutage kann durch Tiefenmesssonden unab-
hängig von der Seillänge die Eintauchtiefe bestimmt und somit dieser Fehler minimiert
werden (Vgl. LfU, Krämer 2002, S.17). Verwendet werden derartige Schwimmflügel in
Kombination mit mobilen Messauslegern an Brücken oder Seilkrananlagen.

2.11. Mobiler Brückenausleger (Quelle: SEBA Brückenausleger) 2.12. Stationäre Seilkrananlage SKA-H der Firma SEBA
 Hydrometrie (Quelle: SEBA SKA-S)

Stationäre Seilkrananlagen bieten einen hohen Schutz des Personals an Stellen, an
denen eine Durchflussmessung von einer Brücke oder Ähnlichem nicht möglich wäre.
Die Laufkatze der Anlage kann von einem sicheren Standpunkt am Ufer mit Hilfe eines
tragbaren Steuergerätes bedient werden. Sie können Querschnitte mit einer Breite von
bis zu 160 Metern abdecken (OTT Seilkrananlage, S.1ff).

 21

2.3.1.3. Ermittlung des Gesamtdurchflusses

Nachdem die Fließgeschwindigkeiten jeder Messstelle in verschiedenen Tiefen
ermittelt wurden, kann die mittlere Geschwindigkeit entsprechend der verwendeten
Anzahl an Messpunkten berechnet und daraus der Durchfluss für jede Lamelle
bestimmt werden. Den Gesamtdurchfluss des Gewässerquerschnitts erhält man durch
aufsummieren der Einzeldurchflüsse (Pertl 2004, S.36).

 = ∑ 

2.3.2. Messung der mittleren Querschnittsgeschwindigkeit

Alle beschriebenen Messverfahren zur Ermittlung des Durchflusses mittels punktueller
Messungen liefern eine detaillierte Abbildung der Strömungssituation im Messquer-
schnitt. Kann auf derartige Informationen verzichtet werden, da es sich zum Beispiel
um eine reine Ermittlung der Durchflussganglinie handelt, bietet sich die Messung der
mittleren Fließgeschwindigkeit vmit des Gewässers im Bereich der Messstelle an.

2.3.2.1. Messschirm

Die integrierende Durchflussmessung mittels Messschirm ist ein einfaches Verfahren,
welches sich jedoch auf kleinere Gewässer mit einem regelmäßigen Querschnitt auf
einer längeren Strecke beschränkt. Trotz der hohen Genauigkeit von +/- 2% wird diese
Methode heutzutage nur noch selten angewandt und dies meist nur im Versuchswesen
(Morgenschweis 2010, S.219).

Auf beiden Seiten des Ufers müssen für die Anwendung Schienen befestigt werden,
auf welchen sich anschließend der Messschirm mit der Form des Gerinnequerschnitts
mittels einer Laufkatze bewegt. Angetrieben wird die Konstruktion durch das fließende
Wasser, weshalb die Geschwindigkeit, mit welcher sich der Schirm bewegt, der
mittleren Fließgeschwindigkeit des Gewässers entspricht. Gemessen wird die Zeit, die
der Schirm benötigt um eine bestimmte Strecke zurückzulegen (Büttig 2015, S.6).

 22

Nach der allgemein gültigen Formel bestimmt sich die Geschwindigkeit aus der
benötigten Zeit für die zurückgelegte Strecke (Vgl. Hering et al. 1995, S.20).

 =
 
Um die tatsächliche mittlere Fließgeschwindigkeit des Querschnittes zu erfassen, ist
es dringend erforderlich, dass der Messschirm den kompletten Querschnitt ausfüllt und
keine Spaltwasserverluste auftreten. Ein gewisser Abstand zwischen Messschirm und
Kanalwand muss jedoch gegeben sein, damit sich die Konstruktion fortbewegen kann.
Zwangsläufig auftretende Spaltwasserverluste beeinträchtigen erheblich die
Messgenauigkeit. Ebenfalls zu beachten ist, dass das System keine hohe Trägheit
aufweist und der Fahrtwiderstand des Systems schnell vom Wasserdruck überwunden
werden kann.

 2.13. Anordnung eines Messschirms (Quelle: Morgenschweis 2010, S.218.)

2.3.2.2. Tracerverfahren

Unter dem Tracerverfahren versteht man den Einsatz von geeigneten
Markierungsstoffen zur Verdeutlichung der Strömungen im Gewässer mit der grundle-
genden Zielsetzung, Fließwege nachzuvollziehen sowie der Ableitung quantitativer
Aussagen über Fließgeschwindigkeit und Stoffverlagerung (TU Cottbus 2006, S.1).
Die seit dem Jahre 1923 bekannten Versuche mit Tracern finden Anwendung in
Gewässern in denen klassische Methoden scheitern. Als Markierungsstoffe für die
Geschwindigkeitsmessung eignen sich Elektrolyte, radioaktive Stoffe und Farbstoffe.
Bei der Wahl des Tracers ist die Umweltverträglichkeit und ein unbedenklicher Einsatz

 23

stets zu berücksichtigen. Außerdem sollte er kaum in dem zu untersuchenden
Gewässer vorhanden und ausreichend nachweisbar sein, sowie ein repräsentatives
Verhalten für Wasserbewegungen besitzen. Elektrolyte können später mittels
Messung der Leitfähigkeit, Farbstoffe mit Hilfe von kolorimetrischen Messungen und
radioaktive Stoffe durch Messung der Aktivität nachgewiesen werden. Üblich ist eine
Messung direkt vor Ort, allerdings ist auch eine regelmäßige Probenentnahme
möglich, welche später im Labor ausgewertet werden.

Unter der Messstelle bei einem Tracerversuch versteht man einen längeren Gewäs-
serabschnitt, welcher die Eingabe- und Entnahmestelle sowie die Durchmischungs-
strecke umfasst und dessen Länge die vollständige Vermischung des Tracers mit dem
Wasser ermöglicht, ohne dass jedoch große Teile des Markierungsstoffes verloren
gehen (TU Cottbus 2006, S.3).

2.3.2.2.1. Bestimmung der Durchmischungsstrecke

Die Länge der Durchmischungsstrecke hängt von vielen Parametern ab und variiert
daher von Gewässer zu Gewässer. Wie schnell eine vollständige Durchmischung
eintritt hängt maßgeblich von der Art des Gewässers und der Fließgeschwindigkeit ab.
Vielzählige Versuche zeigten daher, dass jede theoretisch ermittelte Länge mit der
Praxis nur selten übereinstimmt und daher die Formeln für die Berechnung der Strecke
lediglich als grobe Abschätzung dienen (TU Cottbus 2006, S.4). Es gibt viele
verschiedene Ansätze, jedoch kann als Faustformel für die Länge der Durchmi-
schungsstrecke die Formel von Day verwendet werden.

 = 25 ∗ 

Vor der eigentlichen Versuchsdurchführung sollte die theoretisch ermittelte Strecke
stets durch Versuche bestätigt werden, wobei sich vor allem optische Tracer wie Farb-
stoffe eignen.

 24

2.3.2.2.2. Einspeisung des Tracers

Bei der Zugabe des Markierungsstoffes in das Gewässer unterscheidet man die
Momentan Injektion und die Kontinuierliche Injektion.
 - Momentan Injektion: In einem kurzen Zeitintervall wird die gesamte Tracer-
 menge in das Gewässer eingespeist. Nach der Durchmischungsstrecke wird die
 Konzentration des Markierungsstoffes gemessen, welche beim Eintreffen der
 Welle stark ansteigt und anschließend langsam abfällt. Unter der
 Voraussetzung, dass der Durchfluss Q konstant ist, kann folgende Formel zur
 Berechnung verwendet werden (TU Cottbus 2006, S.6).

 = 
 ∫0 ( ( ) − 0 ) 

 - Kontinuierliche Injektion: Bei der in der Praxis häufiger vorkommenden kontinu-
 ierlichen Injektion wird der Markierungsstoff über eine längere Zeit mit
 konstanter Konzentration zugegeben, bis an der Messstelle eine stationäre
 Verdünnung vorliegt (TU Cottbus 2006, S.5).

 ( 1 − 2 )
 = ∗
 ( 2 − 0 )

Während die Kontinuierliche Injektion einfacher zu messen ist, gestaltet sich die
Einspeisung deutlich aufwändiger und der Bedarf an Tracer deutlich höher. Im
Gegensatz gestaltet sich die Messung bei der Momentan Injektion deutlich
komplizierter, während die Einspeisung hier sehr einfach abläuft. Bei der Momentan
Injektion werden im Vergleich zu der Kontinuierlichen Injektion deutlich geringere
Mengen an Tracerstoffen benötigt (TU Cottbus 2006, S.7).

2.4. Messung des Wasserstands

Ziel jeder Durchflussmessung ist eine Aussage über die Durchfluss-Wasserstand-
Beziehung des Gewässerquerschnittes zu treffen. Daher ist es elementar bei jeder
Durchflussmessung den zugehörigen Wasserstand (Pegel) zu bestimmen. Der Pegel
gibt an wie hoch der Wasserspiegel über einem festgelegten Bezugspunkt liegt.

 25

Um diesen zu bestimmen stehen vier Methoden zur Verfügung (LfU Wasserstands-
messung).

2.4.1. Der Lattenpegel

Der Lattenpegel ist im übertragenen Sinne ein großer Meterstab, welcher an
Bauwerken, in Pegelnischen oder bei kleinen Gewässern an einem Pfahl befestigt
wird. Oftmals ist der Pegel auch schräg an Treppen angebracht. Sein Nullpunkt
befindet sich meist unterhalb der Pegelsohle, eingemessen auf das deutsche Höhen-
festnetz (LfU Wasserstandsmessung).

 2.15. Schrägpegel (Quelle: Vlotho)

 2.14. Lattenpegel (Quelle: WSV)

2.4.2. Der Schwimmschreibpegel

Schwimmschreibpegel werden schon seit Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt, wobei
insbesondere ihre Langlebigkeit, sowie die kostengünstige Wartung den Einsatz dieser
Methode immer noch sinnvoll erscheinen lässt. (Pertl 2004, S.16). Bei diesen
Pegelmessern wird ein Schwimmer verwendet, der durch ein über Rollen geführtes
Stahlseil verbunden wird. Über eine Umlenkrolle werden die Bewegungen des
Schwimmers an ein Schreibwerk weitergeleitet (Maniak 2005, S.55). Der Zulauf zum
Schwimmerschacht wird so gelegt, dass der Pegel bei Höchst- und
Niedrigstwasserständen immer noch in der Lage ist die Veränderungen zu messen
(Vgl. Pegeldeutschland).

 26

2.16. Schreibpegelstation (Dyck (1995), S. 91.)

2.4.3. Der Druckpegel

Druckpegel werden in Bayern nun seit über zwei Jahrzehnten verwendet. Ihr Vorteil
liegt in der freien Wahl des Gerätestandorts, welcher bis zu 200 Meter weit vom
betrachteten Gewässer entfernt sein kann. Sie basieren auf dem sogenannten
Einperlverfahren, bei welchem Druckluft durch eine dünne Leitung in das Wasser
eingespeist wird. Der benötigte Druck entspricht dem Wasserdruck über der Öffnung
der Leitung (LfU Wasserstandsmessung). Mit sinkendem oder steigendem Wasser-
stand verändert sich der Wasserdruck und führt zu einer Veränderung im benötigten
Druck. Diese Druckänderungen werden an eine Schreibfeder übertragen. Alternativ
zum Einperlverfahren können Drucksonden verwendet werden welche mittels einer
Druckmembran den Wasserdruck messen und in einem Datensammler speichern (LfU
Wasserstandsmessung).

2.4.4. Das Wasserstandsradar

Der Wasserstandsradar, auch Pulsradar genannt, verwendet Mikrowellen-Impulse und
misst die Laufzeit zwischen Senden und Empfangen der Pulse, welche an der
Wasseroberfläche reflektiert werden. Die Laufzeit ist proportional zur Entfernung
zwischen Sender und Wasseroberfläche. Der Messbereich solcher Pegel liegt
zwischen 0 und 35 Meter. Die Impulse im Bereich von 5,8 GHz werden von
Temperatur, Wind, Regen und Schnee nicht beeinflusst (Wyder 1998, S.61).

 27

2.4.5. Mobile Pegelmessung

Da die oben beschriebenen Methoden der Wasserstandsbestimmung stationär und
mit hohem Einrichtungsaufwand verbunden sind, bieten sie sich lediglich bei kontinu-
ierlichen Durchflussmessungen an. Im Falle der einmaligen Messung lohnt sich derar-
tiger Aufwand nicht und nur sehr selten steht ein nichtregistrierender Pegel an genau
der benötigten Stelle zur Verfügung. Hier kann man auf den Einsatz von Systemen der
Fernerkundung mit Satelliten zurückgreifen. Mit Hilfe dieser Geräte können die Koor-
dinaten der beiden Ufer an der Wasserkante ermittelt und daraus auf den Wasserstand
des Gewässers geschlossen werden. Leider kann selbst bei idealen Bedingungen nur
eine maximale Messgenauigkeit von ±10 cm erreicht werden (Morgenschweis 2010,
S.85). Bereits bei bewölktem Himmel oder Messungen unter Bäumen kann diese
Genauigkeit aufgrund der gestörten Verbindung zu den Satelliten drastisch sinken.

2.5. Berücksichtigung der Messunsicherheiten

Grundsätzlich weicht jeder gemessene Wert von dem tatsächlich untersuchten
Zustand ab, sodass es Aufgabe des Messpersonals ist, diese Fehler so gering wie
möglich zu halten (LfU, Krämer 2002, S.34).

2.5.1. Systematische Fehler

Unter systematischen Abweichungen versteht man alle Abweichungen, die aus der
„angewandten Messmethode, dem Messgerät oder der Vorgehensweise des
Personals“ (LfU, Krämer 2002, S.34) resultieren. Diese können auch durch mehrere
Messungen nicht beseitigt werden. Bei einwandfrei funktionierenden Geräten und
einer sorgfältigen Bedienung sollten derartige Abweichungen unter 1% liegen (LfU,
Krämer 2002, S.34). Ein Wert wird durch systematische Fehler unrichtig (Gräber TUD,
S.185).

 28

2.5.2. Zufällige Fehler

Zufällige Abweichungen entstehen durch unvermeidbare Einflüsse technischen oder
natürlichen Ursprungs auf die Messung (LfU, Krämer 2002, S.34). Da diese sich stetig
verändern, kann man durch mehrfache Durchführung der Messung und anschließende
Mittelung der Ergebnisse diese Fehler möglichst geringhalten (LfU, Krämer 2002,
S.34). Durch zufällige Fehler wird die Messung unsicher (Gräber TUD, S.185).

2.5.3. Ausgleich der Messfehler

Systematische Fehler lassen sich nur durch ausreichend geschultes Personal,
Vergleichsmessungen mit anderen Geräten und Personen sowie regelmäßiger Kalib-
rierung der Messgeräte weitestgehend geringhalten (LfU, Krämer 2002, S.34).

Anders verhält es sich bei den zufälligen Fehlern. Diese oftmals als statistische Fehler
bezeichneten Abweichungen werden in der Regel als normalverteilt angenommen und
mit den Mitteln der Statistik behandelt. Hierzu werden mehrere Messungen benötigt,
aus denen anschließend das arithmetische Mittel gebildet wird (Gräber TUD, S.195).

 1
 ̅ = ∗ ∑ 
 
 =1

Dies liefert die beste Schätzung für den gesuchten Wert xwahr. Um eine Aussage über
die Wahrscheinlichkeit treffen zu können, mit welcher ein Messwert dem arithmeti-
schen Mittel entspricht, bestimmt man aus der Streuung der Ergebnisse die Stan-
dardabweichung und den Variationskoeffizienten.

 1
 =√ ∗ ∑( − ̅ )2
 −1
 =1

 = ∗ 100%
 ̅

 29

Liegt eine endliche Zahl an Messergebnissen vor, so kann der wahre Wert in einem
Bereich xwahr = x̅ ± Δx angenommen werden.

 ∆ =
 √ 

Zusätzlich muss die Streuung aus den Unsicherheiten der Messfehler berücksichtigt
werden, welche man mit Hilfe der t- / Student-Verteilung annimmt. Durch die
Verknüpfung der Standard-Abweichung mit dieser Verteilung erhält man die Wahr-
scheinlichkeit, mit welcher xwahr in dem Vertrauensbereich x̅ ± t * Δx liegt. Die Werte
für die t-Verteilung werden mittels der Anzahl der Messungen aus Tabelle 2.1. für die
gewünschte Sicherheit P bestimmt (Gräber TUD, S.197ff).

2.17. t-Werte der Student-Verteilung in Abhängigkeit der Genauigkeit (Quelle: TU Ilmenau, S.3.)

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