Hydrometrische Messungen im Zusammenhang mit Eiserscheinungen auf der Oder

Inhaltsverzeichnis

Symbolverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung

2 Einteilung der Messmethoden

3 Bestimmung des Durchflusses unter Eis
3.1 Auswahl des Messstandortes für Wintermessungen
3.2 Geschwindigkeitsprofil unter einer Eisdecke
3.3 Geschwindigkeitsflächenmethode
3.4 Methode der repräsentativen Vertikalen
3.5 Durchflussbestimmung mittels Oberflächengeschwindigkeit
3.6 Verdünnungs- und Tracermethode
3.7 Korrekturverfahren zur Anpassung von Pegelschlüsseln und Ganglinien .13
3.7.1 ETA-Verfahren
3.7.2 ΔW-Verfahren
3.7.3 Methode des hydrografisch-klimatischen Vergleiches

4 Messtechniken zur Durchflussbestimmung unter Eis
4.1 Punktmessungen mit dem Messflügel
4.1.1 Flügeltypen
4.1.2 Vorgehensweise bei der Flügelmessung
4.1.3 Zusatzgeräte für die Flügelmessung
4.2 Akustische Messgeräte
4.2.1 Punkthafte Geschwindigkeitsmessung
4.2.2 Messung der mittleren Querschnittsgeschwindigkeit
4.3 Videogestützte Messung mit Oberflächenschwimmern
4.4 Messungen mittels Markierungsstoffen
4.4.1 Auswahl des Markierungsstoffes
4.4.2 Injektionstechnik und Positionierung der Geräte
4.4.3 Vorgehensweise bei der Tracermessung
4.5 Auswirkungen von Eis auf Abflussbeziehung und Pegelmessung
4.6 Messwehre und Venturigerinne

5 Gegenwärtig unter Eis verwendete Messsysteme
5.1 In Nordamerika, Europa und Russland eingesetzte Messtechniken
5.2 Einsatzbereich der Messtechnik in Abhängigkeit auftretender Eisarten ..46

6 Eiserscheinungen auf der Oder
6.1 Besonderheiten zur Eisproblematik
6.2 Charakteristik des Eiseinflusses
6.3 Aktuelle Situation zur Messung während Eisperioden
6.4 Vorschläge und Entwicklungsmöglichkeiten bei Wintermessungen

7 Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

Anhang

Symbolverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 3.1: Typische vertikale Geschwindigkeitsprofile in einem a) offenen Gerinne, b) Gerinne mit Eisdecke (nach RANTZ et al. 1982a)

Abbildung 3.2: Messprinzip der kontinuierlichen Tracerinjektion (nach PEGELVORSCHRIFT 1991)

Abbildung 3.3: Bestimmung des Durchflusses unter Eiseinfluss mithilfe des ETA-Verfahrens (nach PEGELVORSCHRIFT 1991)

Abbildung 3.4: Bestimmung des Durchflussverhältnisses aus dem W-Q-Diagramm (SZILÁGYI/MUSKALAY 1971)

Abbildung 4.1: Anwendungsbereich von Flügeltypen und Punktmessmethoden in Abhängigkeit der wirksamen Tiefe

Abbildung 4.2: Anwendungsbereich von Flügeltypen in Abhängigkeit der Fließgeschwindigkeit

Abbildung 4.3: Ultraschall-Doppler Messprinzip (nach TEUFEL 2004)

Abbildung 4.4: Messprinzip von horizontalen Ultraschall-Doppler-Sonden (MORGENSCHWEIS 2010)

Abbildung 4.5: Funktionsweise einer Mariotteschen Flasche (nach BOITEN 2008)

Abbildung 4.6: Aufbau und Vorgehensweise bei der Tracermessung unter Eis bei a) Injektion und b) Probenahme (nach KILPATRICK/COBB 1985)

Abbildung 4.7: Aufbau eines Pneumatikpegels (nach BOITEN 2008)

Abbildung 4.8: Exemplarischer Aufbau eisgeschützter Schwimmerpegel (nach ISO 9196 1992)

Abbildung 4.9: Erfasste Wasserstandsganglinien unter a) Einfluss von Grundeis und b) Bildung einer stabilen Eisdecke am Messstandort North Fork Beaver Creek bei Paulina, Oregon, U. S. A. (nach MOORE 1957)

Abbildung 6.1: Mittlere Zeitspannen des Auftretens verschiedener Eisformen und durchschnittlicher Eisperioden an ausgewählten Standorten im Bereich der unteren Oder

Abbildung A.1: Auflistung konventioneller Messgeräte und ihre Eignung unter Eisbedingungen

Abbildung A.2: Vorgehensweise zur Bestimmung der Abflusshemmung unter Verwendung des ETA-Verfahrens am Beispiel der Pegelmessstelle Bienenbüttel (nach BELLIN 1971)

Abbildung A.3: Änderung der Ganglinienverläufe in Anhängigkeit variabler Abflusshemmungen am Beispiel des Krautwachstums (nach PEGELVORSCHRIFT 1991)

Abbildung A.4: ETA-Ganglinie des Messpegels Bienenbüttel von 1956 bis 1969 (BELLIN 1971)

Abbildung A.5: Vergleich des Abflusshemmfaktors vom Pegel Bienenbüttel mit Strahlungssummen, Wasser- und Lufttemperaturen im Raum Lüneburg aus Ganglinien der Monatsmittelwerte, Jahresreihen 1956-1969 (BELLIN 1971)

Abbildung A.6: Schematische Darstellung zur Vorgehensweise bei der Ganglinienkorrektur des ΔW-Verfahrens während der Eisperiode

Abbildung A.7: Korrektur der eisbeeinflussten Durchflussganglinie des Missouri Rivers bei Wolf Point, Montana, U. S. A. mithilfe der „Discharge-ratio method“ (nach WMO 2010)

Abbildung A.8: Korrektur der eisbeeinflussten Durchflussganglinie des Missouri Rivers bei Wolf Point, Montana, U. S. A. anhand der „Shifting-control method“ (nach WMO 2010)

Abbildung A.9: Schematische Darstellung eines Propellerflügels (MORGENSCHWEIS 2010)

Abbildung A.10: Aufbau eines Becherradflügels (nach BUCHANAN/SOMERS 1969)

Abbildung A.11: Becherradflügel als Ausführung eines „Price type AA“ (oben) im Vergleich zu einem „Price pygmy meter“ (unten) (RANTZ et al. 1982a)

Abbildung A.12: Flügelrad-Durchflussmesser für Messungen unter Auftreten von Eisbrei (HERSCHY 2009)

Abbildung A.13: Sondenkopf mit zwei Ultraschallwandlern von OTT Hydromet aus Kempten, Gerätetyp ADC (MORGENSCHWEIS 2010)

Abbildung A.14: Acoustic Doppler Velocimeter von Nortek AS aus Norwegen (MORGENSCHWEIS 2010)

Abbildung A.15: Sondenkopf des Aquaprofiler von Seba Hydrometrie aus Kaufbeuren (links), an Seilkrananlage angebrachter Sensor (rechts) (MORGENSCHWEIS 2010)

Abbildung A.16: Schema einer ADCP-Messung mit fahrendem Boot verglichen mit der punkthaften Geschwindigkeitsbestimmung durch Flügelgeräte (nach BOITEN 2008)

Abbildung A.17: Mobile akustische Durchflussmessung mit dem Gerätetyp SonTek ADCP River Surveyor unter geschlossener Eisdecke (HERSCHY 2009)

Abbildung A.18: Schematischer Aufbau der LSPIV-Technik zur Messung der Bewegungsgeschwindigkeit von Eisschollen an der Gewässeroberfläche (nach FUJITA/MUSTE/KRUGE 1998)

Abbildung A.19: Auswertung einer PIV-Messung mittels Kreuzkorrelation (LOHMANN 2004)

Abbildung A.20: Akustischer „Side Looking-Dopplersensor“ der Firma OTT (OTT HYDROMET 2009)

Abbildung A.21: Gerätplattform des OTT SLD und LogoSens2 (OTT HYDROMET 2009)

Abbildung A.22: Montage der Geräteplattform des OTT SLD und LogoSens2 (OTT HYDROMET 2009)

Abbildung A.23: Modell- und Vorhersagegebiet von WAVOS für die Grenzoder (RADEMACHER 2004)

Abbildung A.24: Gewässerkarte der Oder ab Strom-km 662 (WASSER- UND SCHIFFFAHRTSAMT EBERSWALDE 2009)

Abbildung A.25: Gewässerkarte der Oder zwischen Strom-km 635 und 682 (WASSER- UND SCHIFFFAHRTSAMT EBERSWALDE 2009)

Abbildung A.26: Gewässerkarte der Oder zwischen Strom-km 542 und 645 (WASSER- UND SCHIFFFAHRTSAMT EBERSWALDE 2009)

Tabellenverzeichnis

Tabelle 3.1: Übersicht der Gleichungen zur Bestimmung von mittleren Geschwindigkeiten in einer Lotrechten durch Punktmessverfahren nach RANTZ et al. (1982a), WALKER (1994)

Tabelle 3.2: Korrekturfaktoren für Oberflächenschwimmer in Abhängigkeit der Gerinnerauheit nach BOITEN (2008) für hydraulische Radien im Bereich von 0,5 m bis 2,5 m

Tabelle 3.3: Koeffizient der Mischlänge in Abhängigkeit von der Injektionsmethode und den Gewässereigenschaften (BARNES/KILPATRICK 1971)

Tabelle 4.1: Zusatzgeräte für die Flügelmessung unter Eisbedingungen

Tabelle 5.1: Einsatzbereiche unter Eisbedingungen anwendbarer Messtechniken in Abhängigkeit der im Gewässer auftretenden Eisformen (Abbildungen nach LTV SACHSEN 2009)

1 Einleitung

Die Oder ist eines der in Deutschland am stärksten von Eis betroffenen Gewässer. Das äußert sich im zumeist jährlichen Auftreten unterschiedlichster Eisformen. Ausgehend vom anfänglichen Schollentrieb bilden sich Eisversetzungen durch das Zusammenschieben an Engpässen oder Störstellen, welche gleichzeitig die Voraussetzung für die Bildung stabiler Eisdecken auf Flüssen darstellen. Unter den häufigen Kaltlufteinflüssen an der Oder können sich teils langanhaltende Frosttemperaturen ausbilden, die zu mehrwöchigen Eisperioden führen. Diese Strömungshindernisse bewirken vor allem eine Reduktion des Abflussvermögens sowie einen Aufstau des Flusswassers.

In diesem Zusammenhang verwenden die zuständigen Behörden entsprechende Ergebnisse aus hydrometrischen Messungen als Grundlage zur Einschätzung und Bewertung der Gewässersituation. Während des Winters werden zuverlässige Informationen über Wasserstände oder Durchflüsse benötigt, um neben den wasserwirtschaftlichen sowie industriellen Anforderungen auch der Schiffbarkeit und dem Hochwasserschutz durch gezielte Eisbrechereinsätze nachzukommen. Anhand der weitreichenden Folgen und der Vielzahl von Extremereignissen, wie die an der Oder typischen Winterhochwasser, zeigt sich die Notwendigkeit von umfangreichen und detaillierten Messungen unter Eisbedingungen.

Im Gegensatz zu offenen Gerinnen ist die Erfassung hydrometrischer Daten im Winterzeitraum nur unter erschwerten Bedingungen möglich. Einen weiteren negativen Faktor bilden die unbeständigen klimatischen Verhältnisse an der Oder, welche sich in Form häufig instabiler Eisbedingungen äußern. Sowohl das Vorgehen als auch die messtechnischen Möglichkeiten unter diesen Voraussetzungen unterliegen keinen nationalen Bestimmungen und wurden bisher noch nicht umfassend untersucht.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, auf der Basis intensiver Literaturrecherchen derzeitig unter Eiseinfluss verwendete Messgeräte und Verfahrensweisen näher zu beleuchten und die daraus gewonnenen Ergebnisse mit der an der Oder vorhandenen Situation in Beziehung zu setzen. Im Rahmen der Auswertung dienen neben der einschlägigen Literatur insbesondere auch weiterführende Informationen des Wasser- und Schifffahrtsamtes Eberswalde.

Zunächst werden die in offenen Gerinnen eingesetzten Techniken kategorisiert und bezüglich ihrer Eignung unter Eis eingegrenzt. Darauf aufbauend sollen weitere Kapitel sowohl die Methodik als auch die dafür erforderlichen Gerätschaften genauer behandeln. Das anschließende Resümee umfasst den internationalen Verbreitungsbereich und die Anwendbarkeit gegenwärtig im Einsatz befindlicher Messsysteme in Abhängigkeit der vorhandenen Eisformen. Die daraus gewonnenen Ergebnisse werden abschließend direkt auf die Oder angewendet. Nach einer kurzen Einführung in die Besonderheiten der Eisproblematik befassen sich die weiteren Abschnitte mit der ausführlichen Analyse der dort vorzufindenden Charakteristik des Eiseinflusses und des aktuellen Standes von Wintermessungen. Abschließend sollen in einem Fazit die zukünftigen Entwicklungsmöglichkeiten sowie entsprechende Vorschläge zur Verbesserung des Messnetzes an der Oder während Eisperioden aufgezeigt werden.

Ich möchte besonders meinem Betreuer Herrn Dr.-Ing. habil. Dirk Carstensen und Frau Lauschke vom Wasser- und Schifffahrtsamt Eberswalde danken, die mit ihrer Unterstützung diese Bachelorarbeit ermöglicht haben und mir mit Rat und Tat beiseite standen.

2 Einteilung der Messmethoden

Bevor die verschiedenen Durchflussmessverfahren unter Eisbedingungen untersucht werden, ist es zweckmäßig sich einen Überblick über die unterschiedlichen Verfahrensweisen in offenen Gerinnen zu verschaffen und diese hinsichtlich ihrer Eignung unter den gegebenen Bedingungen zu untersuchen. Für eine übersichtliche Darstellung ist es günstig die vielfältigen Messsysteme zu klassifizieren. MORGENSCHWEIS (2010) gibt solch eine Zusammenfassung der Methoden und verweist bei den Gliederungsansätzen auf die Literatur von SCHAFFERNAK (1935) in Verbindung mit LUFT/MORGENSCHWEIS (1979).

Zunächst kann zwischen den direkten, z. B. volumetrische Messung mittels Gefäßen, und indirekten Verfahren, bspw. der Geschwindigkeitsbestimmung mithilfe hydrometrischer Flügel, unterschieden werden. Der Großteil der Messung erfolgt jedoch durch indirekte Methoden. Vorteilhaft hingegen ist die Trennung in diskontinuierlich und kontinuierlich arbeitende Geräte (s. Abbildung A.1). Vereinzelte Durchflussmessungen unter Verwendung mobiler Messsysteme werden als diskontinuierliche Verfahren bezeichnet und dienen häufig Kontroll- oder Kalibrierungszwecken. Die kontinuierliche Bestimmung erfolgt mithilfe fest installierter Messtechnik und dient zur Aufzeichnung von Durchfluss- oder Wasserstandsganglinien an einem Standort.

Die Messung unter Eiseinfluss zählt zu den schwierigsten Aufgaben, da hohe Anforderungen an die Gerätschaften gestellt werden müssen. Unter den gegebenen Voraussetzungen minimiert sich die Anzahl der anwendbaren Messtechnik beträchtlich. In diesem Zusammenhang können weitere Ausführungen zur Vorauswahl aus den Kapiteln A.1 und A.2 (s. ausgelagerte Kapitel ) entnommen werden. Eine Übersicht mit allen Messmethoden und ihre Eignung hinsichtlich Eis ist zusammenfassend in Abbildung A.1 im Anhang dargestellt.

Grundsätzlich stehen laut ISO 9196 (1992) für die Erfassung des Durchflusses unter Eis das Geschwindigkeitsflächen-Verfahren, die Methode der repräsentativen Vertikalen, Verdünnungs- oder Tracermessungen sowie die Durchflussbestimmung mittels Wehre und Messgerinne zur Verfügung.

3 Bestimmung des Durchflusses unter Eis

In diesem Abschnitt sollen zunächst die Grundlagen zur Berechnung und Ermittlung von Durchflüssen vorgestellt werden. Ausführungen zu den Auswahlkriterien des Messstandortes und die Geschwindigkeitsverteilung unter Eisdecken bilden in diesen Zusammenhang die Basis für die Datenerfassung während der Winterperiode. Darauf aufbauend finden sich Erläuterungen zur Durchflussabschätzung mithilfe von Geschwindigkeitsmessungen im Gerinne.

Abschließend werden alternative Bestimmungsverfahren einschließlich Verdünnungs- oder Tracermethoden und verschiedene Anpassungsmaßnahmen von Pegelschlüsseln sowie Ganglinien näher betrachtet.

3.1 Auswahl des Messstandortes für Wintermessungen

Internationale Kriterien zur Auswahl eines geeigneten Messstandortes für Messungen unter Eisbedingung sind in der ISO 9196 (1992) angeführt. Weiterhin finden sich nationale Bestimmungen für offene Gerinne in der PEGELVORSCHRIFT (1991).

Gewöhnlich werden Messungen unter Eis an denselben Standorten wie Messungen für offene Gerinne durchgeführt. Unter den folgenden Umständen können diese aber ungeeignet sein, wenn (ISO 9196 1992): mehr als 25% des Querschnittsfläche mit Eisbrei gefüllt sind und dieser unregelmäßig über den betrachteten Gewässerbereich verteilt ist, Totzonen, Orte an denen kein erkennbarer Wasserfluss vorhanden ist, mehr als 10% des Querschnitts einnehmen, große Bereiche mit niedrigen Fließgeschwindigkeiten, geringer als 0,3 mΤs, auftreten, die vom Strömungsmessen nicht erfasst werden können, diese Stelle im Staubereich eines stromabwärts gelegenen Eisengpasses oder -staus liegt, es große Wasserbereiche gibt, welche im Laufe des Winters nicht zufrieren und somit teilweise eisbedeckte Verhältnisse vorherrschen, die Eisoberfläche dazu neigt Risse zu bilden, was einen möglichen Eisaufbruch anzeigt.

Zusätzliche Messstandorte sollten während der eisfreien Periode ausgewählt und markiert werden. Nachdem sich eine stabile Eisdecke an den gekennzeichneten Stellen gebildet hat, wird zunächst eine Erkundungsmessung durchgeführt. Erst erfolgt die Auswahl mehrerer Querschnitte, wobei über die gesamte Breite des Flussabschnittes etwa 4 oder 5 regelmäßig verteilte Löcher gebohrt werden. An diesen Positionen werden die Eisdicke und das Ausmaß von Eisbrei bestimmt. Bei übermäßigen Auftreten ist eine Verlagerung des Standortes zu empfehlen, andernfalls sind die Messungen an einem Bereich mit regelmäßigem Querschnitt durchzuführen. Danach erfolgt eine Erstbestimmung der Geschwindigkeitsprofile, welche die typische Form unter Eis aufweisen sollten (s. Kapitel 3.2). Zusätzlich ist anzubringen, dass sich besonders verzweigte Flussläufe, auch verwilderte Flüsse genannt, für die Datenerfassung in der Winterperiode eignen können. Die vorhandenen seichteren Kanäle füllen sich oftmals mit Eisbrei oder -stücken, sodass im Mittelwasserbett weiterhin freie Durchflüsse vorzufinden sind.

3.2 Geschwindigkeitsprofil unter einer Eisdecke

Die parabolische Geschwindigkeitsverteilung unter eisbedeckten Flüssen unterscheidet sich erheblich von dem charakteristisch Verlauf in offenen Gerinnen (s. Abbildung 3.1). Unter Eis ähnelt das Profil der Geschwindigkeit der in geschlossenen Stromröhren anzutreffenden Verteilung. Verantwortlich hierfür ist die Vergrößerung des Reibungswiderstandes an der Grenzfläche von Wasser und Eis.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1: Typische vertikale Geschwindigkeitsprofile in einem a) offenen Gerinne, b) Gerinne mit Eisdecke (nach RANTZ et al. 1982a)

Folglich kann durch die Deckschicht eine signifikante Zunahme des benetzten Umfangs beobachtet werden, welcher zu einer Reduktion des hydraulischen Radius führt. Zusätzlich tritt eine Verringerung der abflusswirksamen Querschnittsfläche des Gerinnes in Abhängigkeit des Eisdickenwachstums ein (ASHTON 1986, RANTZ et al. 1982b), welche durch weitere Ansammlungen von Treibeis und Eisbrei verstärkt werden kann. In der Summe schränken diese Faktoren das Abflussvermögen im Vergleich zu offenen Gerinnen beträchtlich ein.

Die Verteilung der Geschwindigkeit wird dabei maßgeblich von der Fließtiefe †, der mittleren Geschwindigkeit ˜ und der Rauheit der Eisdecke • sowie der Sohle ‹ bestimmt (ENGEL/LAU 1996). Während der Initialphase der Eisdeckenbildung können besonders hohe Rauheiten, durch Unregelmäßigkeiten von zusammengeschobenem Treibeis oder auch Ansammlungen von Eisbrei an der Unterseite der Deckschicht, beobachtet werden (vgl. Engel/Lau 1996, NEZHIKHOVSKIY 1964). In der sich anschließenden Stabilisierungsperiode tritt eine Glättung der Eisfläche ein, welche eine Verringerung der Rauheit hervorruft. Der frühlingshafte Temperaturanstieg des Wassers in Verbindung mit dem späteren Aufbrechen der Eisdecke wird durch einen erneuten Anstieg der Rauheit begleitet. Ein ähnlicher Effekt kann bei der Bildung von Grundeis an der Gewässersohle beobachtet werden. Während des Bildungsstadiums erhöht sich die Rauheit an der Sohle, bis diese in der anschließenden Phase der Grundeisglättung wieder absinkt und sich einem Minimalwert annähert (vgl. KERR/SHEN/DALY 1997, 2002).

3.3 Geschwindigkeitsflächenmethode

Für Messungen unter Eis werden häufig punkthafte Geschwindigkeitsmessungen zur Bestimmung des Abflusses durchgeführt. Anhand der gesammelten Daten erfolgt zunächst eine Mittelung der Geschwindigkeit innerhalb einer Vertikalen, auch Messlotrechte genannt. Auf Grundlage dieser Ergebnisse kann die Berechnung des Gesamtdurchflusses mittels Integration über die Tiefe und Breite des Gewässers vorgenommen werden. Bezeichnet wird diese Methode mit dem Begriff der Geschwindigkeitsflächenmethode (engl. „velocity area method“) oder auch „Messflügelverfahren“ (vgl. MORGENSCHWEIS 2010). Die folgenden Ausführungen zur Vorgehensweise stützen sich auf Festlegungen der Norm DIN EN ISO 748 (2008), PEGELVORSCHRIFT (1991) sowie weiterer Literatur von MORGENSCHWEIS (2010), HERSCHY 2009 und BOITEN (2008).

Die Möglichkeiten zur Auswertung der mittleren Geschwindigkeit einer Lotrechten ˜ ǡ‹ und der anschließenden Bestimmung des Gesamtdurchflusses lassen sich wie folgt einteilen (MORGENSCHWEIS 2010, PEGELVORSCHRIFT 1991):

-grafisch;
-arithmetisch, rechnerisch;
-numerisch-rechnergestützt;
-Ablaufmessung oder Integrationsverfahren.

Das arithmetische oder rechnerische Verfahren wird verwendet, wenn nur eine reduzierte Anzahl von Geschwindigkeiten aufgenommen wurde. Die Beurteilung des Geschwindigkeitsprofils unter Eis kann aufgrund der Widrigkeiten der Messvoraussetzungen unter Winterbedingungen in Verbindung mit der Verringerung des Kosten- und Zeitaufwandes nur auf der Basis von abgekürzten Punktmessverfahren ermittelt werden. Neben den ausführlichen Vielpunktverfahren, mit einer Messwerterfassung an mehr als fünf unterschiedlichen Wassertiefen, können unter den gegebenen Bedingungen oftmals nur Drei-, Zwei- oder Einpunktverfahren verwendet werden.

Eine Vielzahl von Untersuchungen (vgl. ENGEL/LAU 1996, TEAL/ETTEMA/WALKER 1994, WALKER 1994, WALKER/WANG 1997) wurde durchgeführt, um eine zufriedenstellende Abschätzung der mittleren Geschwindigkeit treffen zu können. Die geeigneten Verfahren bei Messungen unter Eisdecken sind in Tabelle 3.1 aufgeführt. Es muss jedoch beachtet werden, dass die Genauigkeit mit sinkender Anzahl von Messpunkten zwangsläufig abnimmt.

Tabelle 3.1: Übersicht der Gleichungen zur Bestimmung von mittleren Geschwindigkeiten in einer Lotrechten durch Punktmessverfahren nach RANTZ et al. (1982a), WALKER (1994)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die aufgeführten Korrekturfaktoren (s. Tabelle 3.1) ergeben sich aus der

Abweichung der Messwerte von der mittleren Geschwindigkeit durch das veränderte Profil der Geschwindigkeitsverteilung. Dieser Faktor kann laut ENGEL/LAU (1996) besonders für die Messung an 0,5 † in Abhängigkeit der Sohl- und Eisrauheit im Bereich von 0,83 bis 0,93 schwanken. Während bei geringen Rauheiten der beiden Grenzflächen ein Wert von 0,91 praktikabel ist, wird bei rauen Grenzflächen ein Faktor von 0,84 angegeben. Besonders stark variieren die Koeffizienten der Einpunktmethoden aufgrund von Änderungen der Eisdeckenrauheit in Gerinnen mit rauen Sohlen. Daher empfiehlt WALKER (1994) bei diesem

Messverfahren eine einmalige und vollständige Erfassung der

Geschwindigkeitsverteilung zur Ermittlung des Korrekturwertes für jede Eisperiode.

Die Lage der Messpunkte orientiert sich an der Definition der effektiven oder abflusswirksamen Tiefe †, welche den Abstand ausgehend von der Eisunterseite der Deckschicht in Richtung der Gewässersohle beschreibt (vgl. Abbildung 3.1). Wenn Ansammlungen von Eisbrei unter der Eisdecke zu beobachten sind, verringert sich die wirksame Tiefe entsprechend um den Betrag der Ausdehnung der angelagerten Schicht. Der Nullpunkt der senkrechten Distanz liegt folglich an der Grenzfläche zwischen schwimmenden Eisbrei und frei fließendem Wasser (RANTZ et al. 1982a).

Aufgrund einer höheren Messgenauigkeit empfiehlt die ISO 9196 (1992) das Sechspunktverfahren, alternativ ist auch das Fünfpunktverfahren praktikabel. Die Ermittlung kann entweder grafisch erfolgen, wobei die gemessene Geschwindigkeit in Abhängigkeit der Tiefe aufgetragen und die resultierende Verteilung mittels Planimeter ausgezählt wird. Mit der angegebenen Gleichung (3.5) erfolgt die Berechnung der mittleren Geschwindigkeit. Der oberste und unterste Messpunkt liegt dabei unmittelbar an der Unterseite des Eises, beziehungsweise am Gewässergrund.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die leicht vereinfachte Form des Fünfpunktverfahrens berechnet sich wie folgt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Quantifizierung des Gesamtdurchflusses erfolgt durch Einteilung in Teildurchflüsse “‹, welche den dazugehörigen Messlotrechten zugeordnet werden.

Die Abgrenzung der Segmente erfolgt auf zwei unterschiedlichen Wegen (DIN EN ISO 748 2008) nach dem:

- mittleren Querschnittsverfahren oder
- Querschnittsmittenverfahren.

In der Regel dient zur Ermittlung des Durchflusses unter Eis das Querschnittsmittenverfahren (engl. „mid-section method). Dabei wird ein Segment durch den halben Abstand zur links- und rechtsseitigen Vertikalen der

Geschwindigkeitsmessung begrenzt (PELLETIER 1990). Die Berechnung der Teildurchflüsse erfolgt mit:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die folgende Summation der anteiligen Abflüsse aller Gewässersegmente nach Formel (3.8) ergibt schließlich den Gesamtdurchfluss im Messquerschnitt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.4 Methode der repräsentativen Vertikalen

Grundsätzlich werden Berechnungen auf Grundlage der zuvor erläuterten Methode durchgeführt. Jedoch nennt die Norm ISO 9196 (1992) auch explizit den Ansatz mit repräsentativen Vertikalen. Da keine weiteren Ausführungen aus der einschlägigen Literatur zu entnehmen sind, wird dieses Verfahren nur kurz umrissen. Die Berechnung beruht auf der engen Beziehung zwischen der mittleren [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] und der durchschnittlichen Geschwindigkeit einer repräsentativen Vertikalen ˜ [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]. Die Berechnung erfolgt durch die Beziehung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

und stellt eine modifizierte Form der Kontinuitätsgleichung dar.

Die Wahl der repräsentativen Vertikalen erfolgt auf Grundlage von 40 bis 50 Durchflussmessungen unter Verwendung von Zwei- oder Mehrpunktverfahren, die den Gesamtbereich gleichförmig abdecken. Im nächsten Schritt werden die gesammelten Daten in einem Diagramm dargestellt, wobei die gemessenen Durchflüsse gegen das Produkt der Querschnittsfläche mit der Geschwindigkeit aufzutragen sind. Bei der verwendeten Geschwindigkeit kann entweder die durchschnittliche Geschwindigkeit ˜ oder der Messwert in einer Tiefe von 0,2 † ([Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]) verwendet werden. An diese Punkte wird ein Graph angenähert und der Korrekturfaktor aus der Tangente durch den Koordinatenursprung und der Kurve bestimmt.

Die Position der repräsentativen Vertikalen soll im Laufe eine Jahres innerhalb der Gesamtreihe der Wasserstände stabil sein, das heißt, die mittlere quadratische Abweichung zwischen dem Graph und den Punkten im Diagramm beträgt maximal 10%. Darüber hinaus ist diese Methode nicht anwendbar, wenn sich Ansammlungen von Eisbrei im Gewässer befinden, die Messung in einer Schräge durchgeführt wird oder wechselnde Stauwasserbereiche vorhanden sind. Die Bedingungen am Standort erfüllen jedoch nur in seltensten Fällen all diese Messvoraussetzungen.

3.5 Durchflussbestimmung mittels Oberflächengeschwindigkeit

Die Ermittlung des Durchflusses mithilfe der Oberflächengeschwindigkeit betrachtet hingegen nur einen kleinen Ausschnitt der Gewässerströmung. Das Grundprinzip dieses Verfahrens beruht auf der Beobachtung, dass in einem gleichförmig strömenden Gerinne die Geschwindigkeitsverteilung anhand der Gewässeroberfläche abschätzbar ist. Im Allgemeinen beträgt die Abweichung zwischen Oberflächen- und mittlerer Querschnittsgeschwindigkeit weniger als 10%. Zur Berechnung des Durchflusses wird, ähnlich wie bei der Methode des repräsentativen Querschnittes, ein Korrekturfaktur eingeführt. Dieser spiegelt das Verhältnis der mittleren Querschnitts- zur durchschnittlichen Oberflächengeschwindigkeit wider (s. Gleichung (3.10)). Die Abschätzung erfolgt auf Grundlage mehrerer Erhebungen von Geschwindigkeitsprofilen im Messquerschnitt mittels:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zur Bestimmung des Gesamtdurchflusses dient eine modifizierte Form der

Kontinuitätsgleichung mit:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Generell ist der Korrekturfaktor abhängig vom Wasserstand, der

Messquerschnittsform, Gerinnerauheit und der Reynoldszahl (vgl. MORGENSCHWEIS 2010). Konkrete Werte für diesen Faktor finden sich in der DIN EN ISO 748 (2008) sowie der Literatur von BOITEN (2008). Die Bandbreite erstreckt sich gewöhnlich von 0,84 bis 0,90, wobei sich die Werte in glatten Gerinnen im oberen Bereich ansiedeln. Für eine grobe Abschätzung befindet sich in Tabelle 3.2 eine Aufschlüsselung von Korrekturfaktoren für Oberflächenschwimmer in Abhängigkeit der Gerinnerauheit.

Tabelle 3.2: Korrekturfaktoren für Oberflächenschwimmer in Abhängigkeit der Gerinnerauheit nach BOITEN (2008) für hydraulische Radien im Bereich von 0,5 m bis 2,5 m

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.6 Verdünnungs- und Tracermethode

An Standorten mit schwierigen Messbedingungen wie bspw. Schollentrieb oder übermäßige Anhäufungen von Eisbrei können keine klassischen Durchflussbestimmungsmethoden angewendet werden. In diesen Fällen wird auf die Messung mittels Markierungsstoffen, sogenannte Tracer, zurückgegriffen, welche sich besonders bei kleinen bis mittelgroßen Gewässern eignen. Vorteilhaft ist die vergleichsweise einfache Berechnung ohne weitere Vorkenntnisse bezüglich Durchflussquerschnitt oder Fließgeschwindigkeit. Das Messprinzip beruht auf der Erfassung des Verdünnungsgrades in einem Fließgewässer nach Zugabe von Markierungsstoffen (vgl. KILPATRICK/COBB 1985). Eine Unterscheidung der Verfahrensweisen erfolgt nach der Art der Einspeisung in (PEGELVORSCHRIFT 1991): konstante Zugabe des Tracers und Integrationsmethode mit Momentaninjektion.

Beim zweitgenannten Verfahren wird eine definierte Menge von konzentriertem Markierungsstoff kurzzeitig, punktuell ins Gewässer injiziert und am Entnahmepunkt der vollständige Durchgang der Tracerwolke aufgezeichnet. Aufgrund des damit verbundenen messtechnischen Aufwandes beim Beproben finden Messungen unter Eisbedingungen ausschließlich mittels konstanter Einspeisung statt. Hierbei zeichnet sich ein typischer Kurvenverlauf an der Probenahmestelle ab. Zu Beginn des kontinuierlichen Tracereintrags mit der Rate “୘ und der Konzentration ୘ steigt

zunächst die Konzentration [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] im Probennahmequerschnitt an, bis diese auf einem gleichbleibenden Niveau stagniert (s. Abbildung 3.2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.2: Messprinzip der kontinuierlichen Tracerinjektion (nach PEGELVORSCHRIFT 1991)

Das Beproben für die Berechnung erfolgt stets zum Zeitpunk der Plateauphase unter Berücksichtigung der zuvor ermittelten, meist sehr geringen Hintergrundkonzentration des Markierungsstoffes ୆ im Gewässer. Unter den Voraussetzungen einer vollständigen Durchmischung der injizierten Lösung, sowie der Massenerhaltung des Tracers wird der Durchfluss folgendermaßen ermittelt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Lage des Entnahmestandortes orientiert sich an der minimalen Durchmischungsstrecke. Für die Abschätzung dieser Entfernung gelten für gewöhnlich die Gleichung von Rimar (BOITEN 2008) für Chézy-Koeffizienten im Bereich von 15 m¹ Τ² Τ s bis 50 m¹ Τ² Τ s:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

und der von der USGS verwendete Berechnungsansatz (BARNES/KILPATRICK 1971):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Entsprechende Angaben zum Koeffizienten der Mischstrecke aus Gleichung (3.14) befinden sich in Tabelle 3.3.

Tabelle 3.3: Koeffizient der Mischlänge in Abhängigkeit von der Injektionsmethode und den Gewässereigenschaften (BARNES/KILPATRICK 1971)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.7 Korrekturverfahren zur Anpassung von Pegelschlüsseln und Ganglinien

Zur Abschätzung des Durchflusses werden häufig Pegelschlüssel verwendet, welche auf Grundlage von vorausgegangen Messungen abgeleitet werden. Diese verdeutlichen den Zusammenhang zwischen dem Wasserstand und Durchfluss . Generell sind diese W-Q-Beziehungen zeitlich variabel, sodass Veränderungen in der Gewässermorphologie sowie ein wechselndes Fließverhalten, durch bspw. jahreszeitliche Änderung des Bewuchses oder Eisaufkommen, Abweichungen bei der Abflussbestimmung hervorrufen. Somit besitzt jede W-Q-Beziehung einen Gültigkeitsbereich, in welchem zuverlässige Abschätzungen möglich sind. Um das Anwendungsgebiet bis hin zu eisbeeinflussten Gewässern auszudehnen, werden Anpassungen in Form von Korrekturverfahren an den Pegelschlüsseln und Ganglinien vorgenommen (vgl. MORGENSCHWEIS 2010, WMO 2010).

Dazu zählen insbesondere:

- das η- bzw. ETA-Verfahren,
- das ΔW-Verfahren und
- die Methode des hydrografisch-klimatischen Vergleiches.

Aufgrund der vielfältigen Korrekturansätze, welche jedoch auf denselben Grundprinzipien basieren, werden die genannten Verfahren vordergründig auf Basis nationaler Bestimmungen der PEGELVORSCHRIFT (1991) näher beleuchtet.

3.7.1 ETA-Verfahren

Die Anpassung der W-Q-Beziehung für eissbeeinflusste Gewässer wird in Europa häufig unter Verwendung des ETA-Verfahren, oftmals auch ΔQ-Verfahren genannt, durchgeführt. Es beruht auf der Reduktion des unbeeinflussten Durchflusses bei einem gegebenen Wasserstand mithilfe des Abflusshemmfaktors η. Dieser Korrekturwert wurde ursprünglich zur Anpassung von Durchflusskurven bei Verkrautung verwendet, beschreibt aber allgemein das Ausmaß jeglicher Abflusshemmung an einer Pegelmessstelle. Somit kann das Verfahren für jedmögliche Änderung des Abflussgeschehens verwendet werden, bspw. umfasst der Anwendungsbereich Sohl- und Querschnittsänderungen, Rückstau, Verkrautung, sowie periodische Abflussveränderungen (BELLIN 1971). Richtlinien zum Vorgehen bei der Durchflussbestimmung mittels ETA-Verfahren enthält die PEGELVORSCHRIFT (1991).

Hierfür werden zunächst alle gemessenen Durchflüsse in einem W-Q-Diagramm eingetragen. Die daraus resultierende Punktwolke wird umhüllt von zwei Abflusskurven, welche durch grafische Anpassungen ermittelt werden (s. Abbildung 3.3). Die untere Hüllkurve entspricht dem Pegelschlüssel für den unbehinderten Durchfluss Ͳሺ ሻ mit η = 0. Entsprechend wird die größte Abflusshemmung für η = 1 durch den Graph ୸ሺ ሻ dargestellt. Folglich ist für einen bestimmten Wasserstand eine entsprechende Durchflussdifferenz mit:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

berechenbar. Das Verhältnis:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

beschreibt die Abflusshemmung hinsichtlich eines gemessenen Durchflusses ‰.

Nunmehr ist in einem eisbeeinflussten Gewässer durch Wasserstandsmessungen und Abschätzung des Abflusshemmfaktors der Durchfluss Ʉ mit Gleichung (3.17) ermittelbar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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Abbildung 3.3: Bestimmung des Durchflusses unter Eiseinfluss mithilfe des ETA-Verfahrens (nach PEGELVORSCHRIFT 1991)

Das Vorgehen unter Verwendung des ETA-Verfahrens ist beispielhaft für den Pegel Bienenbüttel in Abbildung A.2 dargestellt.

Zur Erstellung von Abflussganglinien, welche auch unter Eis gültig sind, ist es nötig einen lückenlosen Verlauf des Hemmfaktors zu bestimmen (vgl. Abbildung A.3). Eine sogenannte ETA-Gangline kann durch Kontrollmessungen und anschließender linearer Interpolation erstellt werden, wobei die Untersuchungen zeitlich eng beieinander liegen sollten.

Weiterführende Untersuchungen zur Abschätzung des Abflusshemmfaktors finden sich in der Studie von BELLIN (1971). Darin wurden anhand der mehrjährigen Messreihen eine ETA-Gangline erstellt (vgl. Abbildung A.4) und anschließend die Verläufe im Zeitraum eines Jahres in Abhängigkeit der Strahlungssumme, Luft- und Wassertemperatur aufgetragen (vgl. Abbildung A.5). Dadurch können Abschätzungen für die Abflusshemmung in Abhängigkeit der Witterung getroffen werden, die es ermöglichen, auch bei fehlenden Kontrollmessungen relativ genaue Durchflüsse zu bestimmen.

3.7.2 ΔW-Verfahren

Das ΔW-Verfahren beruht auf der Konstruktion einer Reduktionsganglinie, die sich aus den Differenzen der Wasserstände ergibt. Zunächst wird anhand der gemessenen Wasserstände [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] bei Eis eine Ganglinie nach der W-Q-Beziehung für die theoretischen Durchflüsse [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] im offenen Gerinne erstellt und weitere Vermerke von Eisstand, Lufttemperatur sowie Niederschlag hinzugefügt. Zusätzlich sind ebenso während der Eisperiode durchgeführte Durchflussmessungen [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] einzutragen. Aus den Differenzen der Abflüsse können unter Verwendung des Pegelschlüssels Rückschlüsse auf den Wasserspiegelanstieg [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] (s. Gleichung (3.18)) infolge des Eisaufkommens im Gerinne gezogen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Mithilfe der Werte von ο in Verbindung mit den Zusatznotizen kann somit eine korrigierte Reduktionsganglinie für die Wasserstände unter Eis ermittelt werden (vgl. MORGENSCHWEIS 2010). Die schematische Darstellung aus Abbildung A.6 im Anhang verdeutlicht dabei die Vorgehensweise bei diesem Verfahren.

Im englischsprachigen Raum ist diese Form der Anpassung mit dem Ziel der Korrektur von Ganglinien bekannt als:

„Discharge-ratio method“ und „Shifting-control method“.

Die „Discharge-ratio method“ entspricht dem ersten Abschnitt des ΔW-Verfahrens und beinhaltet die Erfassung des theoretischen sowie unter Eis gemessenen Abflusses unter Verwendung der W-Q-Beziehung. Zusätzlich wird ein Verhältnis der Durchflüsse in Form von:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

gebildet. Ausgehend vom Pegelschlüssel in offenen Gerinnen [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] wird der korrigierte Durchfluss für einen bestimmten eisbeeinflussten Wasserstand mit:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

berechnet. Nach genügend vielen Messungen unter Eis ist es möglich eine zusätzlichen Abflusskurve im W-Q-Diagramm festzulegen und aus den Differenzen der Durchflüsse entsprechend die Verhältniswerte zu bestimmen (s. Abbildung 3.4). Beispielhaft ist eine Anpassung der Abflussganglinie mittels „Discharge-ratio method“ in Abbildung A.7 dargestellt.

Die englische Bezeichnung „Shifting-control method“ entspricht dem zweiten Schritt des ΔW-Verfahrens. Mithilfe der durchgeführten Durchflussmessungen unter Eis und der W-Q-Beziehung für offene Gerinne können die reduzierten Wasserstände direkt als neue Ganglinie dargestellt werden. Die Werte für ο spiegeln sich hierbei in der Verschiebung der beiden Wasserstandsganglinien wider. Zum Vergleich zeigt Abbildung A.8 exemplarisch Resultate dieses Korrekturverfahrens.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.4: Bestimmung des Durchflussverhältnisses aus dem W-Q-Diagramm (SZILÁGYI/MUSKALAY 1971)

3.7.3 Methode des hydrografisch-klimatischen Vergleiches

Die Methode des hydrografisch-klimatischen Vergleiches ist das in den U. S. A. bevorzugte Verfahren zur Anpassung des Abflusses unter Eis. Zunächst ist dafür eine Durchflussganglinie für eine bestimmte Messstation nötig, wobei keine Berücksichtigung des Eiseinflusses vorgenommen wird. Mithilfe der W-Q-Beziehung für offene Gerinne erfolgt eine Zuordnung der entsprechenden unbehinderten Abflüsse anhand der unter Eis ermittelten Wasserstände. Weitere Messungen unter Winterbedingungen liefern Informationen zum tatsächlichen Durchfluss sowie den Eisverhältnissen am Standort. Zur Korrektur dienen zusätzlich Ganglinien von Nachbarstationen, Wetteraufzeichnungen und Niederschlagsdaten. Als Grundlage zur Anpassungen werden Ganglinien nahegelegener Messstationen verwendet, die zuverlässige Winterdurchflussaufzeichnungen aufweisen. Diese Beobachtungsstationen zeichnen sich durch geringfügige sowie kurzzeitige Beeinflussungen durch Eis aus oder verfügen über sehr genaue Durchflussdaten anhand einer Vielzahl von Wintermessungen. Die teilweise unvollständigen oder fehlerhaften Ganglinien des betrachteten Standortes und der Verlauf der Durchflüsse der Bezugsstation werden anschließend übereinandergelegt. Die Daten über Beginn und Ende des Eisaufkommens sowie weitere Messdaten von Abflüssen unter Eis fungieren als Fixpunkte. Durch Verschiebungen der beiden Kurven zwischen den Bezugsstellen kann ein Verlauf der Durchflüsse abgeschätzt werden. Unter Betrachtung der Temperaturunterschiede an beiden Messstationen in Verbindung mit zusätzlichen Niederschlagsdaten können weitere Angleichungen durch einen erfahrenen Hydrologen erfolgen. Beispielsweise bewirken größere Temperaturrückgänge innerhalb der beiden Standorte deutlich ausgeprägtere Verschiebungen der Durchflüsse (vgl. RANTZ et al. 1982b).

Schlussendlich ist die Aussagekraft der mittels hydrografisch-klimatischen Vergleiches korrigierten Ganglinien immer abhängig von der Erfahrung und Sorgfalt des dafür zuständigen Personals.

4 Messtechniken zur Durchflussbestimmung unter Eis

Nachdem die Grundlagen zur Durchflussbestimmung unter Eiseinfluss erläutert wurden, soll in diesem Kapitel näher auf die dafür nötige Messapparatur sowie Zusatzausrüstung eingegangen werden. Neben Schilderungen zum Aufbau der verwendeten Gerätschaften und Vorgehen bei der Messung finden sich in diesem Zusammenhang auch Ausführungen zur Anwendbarkeit während unterschiedlichster Eisbedingungen.

4.1 Punktmessungen mit dem Messflügel

Messflügel sind eines der ältesten Instrumente zur Durchflussmessung, welche auch heute noch vielerorts und ebenso unter schwierigsten Bedingungen eingesetzt werden. Der Vorteil dieser Geräte liegt in den vielfältigen Anpassungsmöglichkeiten, durch bspw. verschiedene Flügeltypen oder Zusatzgeräte. Im Folgenden werden die Vorgehensweisen bei der Messung, verschiedene Arten von Flügeln und eine Auswahl von Peripheriegerätschaften näher vorgestellt.

4.1.1 Flügeltypen

Grundsätzlich erfolgt eine Unterscheidung nach der Lagerung des Rotors (MORGENSCHWEIS 2010). Unterteilt werden diese nach Flügel mit: horizontaler Achse, sogenannte Propellerflügel (vgl. Abbildung A.9), und vertikaler Achse, mit der Bezeichnung Becherradflügel (vgl. Abbildung A.10). Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt durch die Erfassung der Umdrehungen des Rotors pro Zeiteinheit. Hierbei befindet sich die Achse des gesamten Messflügels parallel zur Strömungsrichtung.

Der Einsatzbereich von Propellerflügelgeräten (engl. „Propeller-type current meter) erstreckt sich weitestgehend auf Europa, wobei in Nordamerika und Asien fast ausschließlich Becherradflügel zum Einsatz kommen. Im Gegensatz zu den propellerartigen Schaufeln der europäischen Flügel dienten die Becher der Windmessgeräte dem Entwickler W. G. Price als Vorbild für den Becherradflügel, der im englischsprachigen Raum auch als „Price cup-type“ bezeichnet wird. Der Vorteil von Propellerflügeln liegt vor allem in der verminderten Störung des Strömungsfeldes aufgrund des axialsymmetrischen Aufbaus in Fließrichtung und der geringeren Anfälligkeit gegenüber Anlagerungen von Treibgut. Im Unterschied dazu arbeitet der Becherradflügel bereits bei kleinen Fließgeschwindigkeiten und besitzt zudem ein besser gegen Schwimmstoffe geschütztes Lager.

Als Standardmessgerät für die Durchflussbestimmung unter Eis dient in Nordamerika das „Price type AA meter“. Dies schließt vor allem Gewässer ein, die mittlere Geschwindigkeiten im Messquerschnitt von weniger als 0,3 mΤs aufweisen. Für geringere Gewässertiefen kommt eine speziell dafür entwickelte kleinere Ausführung des „Price cup-type“ mit der Bezeichnung „Price pygmy meter“ zum Einsatz. Die Größe des Gerätes beträgt nur etwa zwei Fünftel des Originals (vgl. Abbildung A.11). Ist Eisbrei im betrachteten Messabschnitt vorhanden, dann lagert sich dieser bevorzugt in den Bechern des „Price cup-type“ ab. Um auch diesen Widrigkeiten begegnen zu können, wurde ein weiterer Flügeltyp entwickelt.

Der sogenannte Flügelrad-Durchflussmesser (vgl. Abbildung A.12) (engl. „vane meter“) zeichnet sich durch vier geschwungene Flügel aus, die ebenso eine vertikale Drehachse besitzen. Die veränderte Form des Rotors hat jedoch nachteilige Auswirkungen auf Messungen bei geringen Geschwindigkeiten. Im Gegensatz zum „Price type AA meter“ spricht der Flügelrad-Durchflussmesser nicht auf Strömungsgeschwindigkeiten kleiner als 0,15 mΤs an (RANTZ et al. 1982a). Speziell angepasste Ausführungen zum Propellerflügel für Wintermessungen werden in der Literatur nicht explizit genannt.

Zusammenfassend sind in Abbildung 4.1 und 4.2 die von RANTZ et al. (1982a) angeführten Anwendungsbereiche der verschiedenen in Nordamerika verwendeten Flügel und die entsprechenden Punktmessmethoden dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.1: Anwendungsbereich von Flügeltypen und Punktmessmethoden in Abhängigkeit der wirksamen Tiefe

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.2: Anwendungsbereich von Flügeltypen in Abhängigkeit der Fließgeschwindigkeit

4.1.2 Vorgehensweise bei der Flügelmessung

Bestimmungen zum Ablauf von Flügelmessungen unter Eisbedingungen finden sich in den Richtlinien der World Meteorological Organization (WMO 1994) sowie der ISO 9196 (1992).

Für Wintermessungen geeignete Standorte (vgl. Kapitel 3.1) sollten bereits vor der Frostperiode ausgewählt und hinsichtlich ihres Gerinneprofils vermessen werden. Zu Beginn der Messung erfolgt die Festlegung der Vertikalen im Fließquerschnitt. Um eine genügend hohe Genauigkeit für die Abschätzung der mittleren Geschwindigkeit zu erreichen, sollten mindestens 20 Lotrechte ausgewählt werden. Es ist darauf zu achten, dass im Bereich zweier Messabschnitte schätzungsweise weniger als 10% des Gesamtdurchflusses hindurchströmt. An diesen Stellen werden genügend große Löcher durch die Eisdecke gebohrt und mit geeigneter Messausrüstung sowohl die Eisdicke als auch die wirksame Tiefe ermittelt. Anhand der Bedingungen, wie Tiefe, Fließgeschwindigkeit und Eisverhältnisse, wird mit einem geeigneten Messflügel unter Betrachtung einer optimalen Anzahl von Messpunkten das Geschwindigkeitsprofil jeder Vertikalen bestimmt (vgl. Abbildung 4.1 und 4.2). Mithilfe der vorgestellten Gleichungen aus Kapitel 3.3 kann folglich der Durchfluss im Messquerschnitt berechnet werden.

Bei teilweise eisbedeckten Verhältnissen bietet sich die Möglichkeit an den offenen Stellen des Gewässers Durchflussmessungen entsprechend der Verfahren in offenen Gerinnen unter der Zuhilfenahme von Messbrücken, Seilkrananlagen oder Booten durchzuführen. Besondere Vorsicht ist bei schnell wechselnden Messbedingungen geboten. Aufbrechendes Eis mit resultierendem Schollentrieb kann Messpersonal und -technik gefährden. Unter diesen Bedingungen werden

speziell die indirekten Messmethoden empfohlen, bei denen kein unmittelbarer Kontakt zum Gewässer notwendig ist.

Besondere Sicherheitsvorkehrungen sollten bei der Messung auf einer Eisdecke getroffen werden (vgl. ISO 9196 1992). Die Belastbarkeit des Eises muss vor dem Betreten mit Meißeln geprüft werden. Beim Überqueren des Flusses ist auf eine geeignete Geschwindigkeit zu achten, sodass Wellenbildungen unter der Decke und damit verbundene Druckerhöhungen auf das Eis verhindert werden. Im Allgemeinen sind Durchflussmessungen von Eisdecken erst ab einer Dicke von mehr als 0,1 m und bei Lufttemperaturen unter 0 °C durchzuführen. An diesen Gegebenheiten orientiert sich schließlich auch die Häufigkeit der empfohlenen Durchflussmessungen, welche jedoch durch den Kostenaufwand und die Erreichbarkeit der Messpunkte eingeschränkt werden. Bei einer stabilen Eisdecke ist die Anzahl der Messungen so zu wählen, dass eine zuverlässige Abschätzung des Durchflusses gewährleistet werden kann. Unter schwierigen Messbedingungen, wie instabiler Eisdeckenverhältnisse, sind stattdessen Daten so oft wie möglich zu erfassen.

4.1.3 Zusatzgeräte für die Flügelmessung

Eine Reihe von Peripheriegeräten steht dem Personal bei Flügelmessungen unter Eis zur Verfügung. Eigens für diese Zusatzkomponenten wurde die ergänzende Richtlinie ISO TR 11328 (1994) verfasst. Weiterhin beschäftigen sich auch die Veröffentlichungen der WMO (1994) und von RANTZ et al. (1982a) intensiv mit diesem Thema. Ein Überblick der wichtigsten Zusatzgeräte für die Messung unter Eis findet sich in der Tabelle 4.1. Weitere Spezialgeräte sowie Darstellungen können aus der oben genannten Literatur entnommen werden.

Für den Zugang zu Tiefen- und Geschwindigkeitsmessungen müssen Löcher mit entsprechenden Schneidegeräten in die Eisdecke gebohrt werden. Manuell oder motorbetriebene Bohrmaschinen werden bevorzugt für dickes Eis verwendet. Bei dünneren Deckschichten sind hingegen Eismeißel zu empfehlen. Diese dienen jedoch auch zur Prüfung der Tragfähigkeit der Eisdecke. Kleine Ausführungen in Form von Hobeln werden zur Freilegung von Lattenpegeln zur Wasserstandsmessung verwendet. Zur selteneren großflächigen Entfernung von dickem Eis sind sogar Kettensägen im Einsatz.

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