Qualitätssicherung in der Gewässerkunde am Beispiel des Freistaates Bayern

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1 Bayerisches Landesamt Landesamt für für Koblenz; am Beispiel des Freistaates Bayern Franz-Klemens Holle LfU-Bayern, Ref. 87 Gewässerkunde und Messnetze Aktivitäten seit dem HW 1999 Ungenauigkeiten bei W Ungenauigkeiten bei Q Auswirkung der Ungenauigkeiten

2 Wasserwirtschaftliche Kernaufgabe der Gewässerkunde; Zielstellung hydrologischer Messnetze Die Kenntnis über Menge, Verteilung und Qualität des verfügbaren Wassers in Raum und Zeit sowie die Kenntnis der zugehörigen Stoffströme ist Grundlage allen wasserwirtschaftlichen Handelns und Voraussetzung für eine dauerhaft umweltgerechte und nachhaltige Entwicklung des Wasserhaushalts. Die Gewässerkunde widmet sich dieser Kernaufgabe und bedient sich dabei aller wissenschaftlichen Erkenntnisse der Hydrologie. Messnetze liefern die dazu notwendigen Daten und leisten einen Beitrag zur Verbesserung der qualität durch medienübergreifende Betrachtung des Wasserkreislaufs (Wasser - Boden - Luft). Mit Hilfe der Daten werden wasserwirtschaftliche Probleme erkannt (Analyse und Erfolgskontrolle); wasserwirtschaftlicher Ziele und Strategien können daraus entwickelt werden. 2

3 Aufgaben der Gewässerkunde Messen Menge und Qualität Niederschlag Flüsse und Seen Grundwasser Überwachen Kläranlagen Industriebetriebe Kraftwerke Deiche, Wehranlagen... Warndienste Lawinen Hochwasser Datendienst Prüfen Bewerten Daten bereit stellen Fachdienst Bilanzen Wirkungsanalysen Modellentwicklungen Gutachten Handeln Schutzfunktion Nutzfunktion Informieren Öffentlichkeit Politik Berichtspflichten (EU, Bund...) 3

4 Wer hat Informationsanforderungen an den GkD Wasserwirtschaftsverwaltung selbst (WWÄ) als Träger öffentlicher Belange und als amtlicher Sachverständiger in wasserrechtlichen und anderen Rechtsverfahren Fachkundige Stelle in der Kreisverwaltungsbehörde Andere Fachverwaltungen wie Straßenbauverwaltung, Landwirtschaftsund Forstverwaltung etc. Kommunen als Träger von Wasserversorgung und Abwasserbeseitigung Kreisverwaltung als Träger der Abfallbeseitigung Industrie, Handel und Gewerbe Energiewirtschaft Ingenieurbüros, Baufirmen Medien, wie Funk, Presse, Fernsehen Interessierte Öffentlichkeit, auch im Sinne der bildung jeder Bürger, ob als Bauherr, Grundeigentümer oder wissbegieriger Mensch 4

5 Messnetze in Bayern In Bayern führt die Wasserwirtschaftsverwaltung hydrologisch wasserwirtschaftliche (gewässerkundliche) Messungen im Landesgrundnetz durch an: 110 automatischen Niederschlagsmessstationen (und 220 DWD-Stationen) 600 Pegeln an oberirdischen Gewässern (Wasserstand und Abfluss) 42 Schwebstoffmessstellen 1953 Grundwasserstandsmessstellen 59 Quellschüttungsmessstellen 105 Hauptmessstellen zur Beschaffenheit der Fließgewässer 64 Wassertemperaturmessstellen an oberirdischen Gewässern 25 Hauptmessstellen zur Beschaffenheit der Seen 274 Hauptmessstellen zur Beschaffenheit des Grundwassers 32 Wassertemperaturmessstellen bei Grundwasser und an Quellen 7 Messgebieten für das integrierte Messnetz Stoffeintrag - Grundwasser Bezugsgröße: rd km 2 Landes-/Einzugsgebietsfläche 5

6 Definition Qualitätssicherung Qualitätssicherung ist der Sammelbegriff für alle Maßnahmen, die vorgenommen werden, um Fehler gering zu halten und Aussagen über Qualität und Fehler zu ermöglichen. In der Gewässerkunde beziehen sich diese Maßnahmen auf die Messnetze Messstationen Messdaten abgeleiteten Daten Kommunikation und Bereitstellung der Daten 6

7 Qualitätssicherung tssicherung nach den HW seit 1999 (1) Kurz zusammengefasst wurde auf Grund der Erfordernisse aus der Qualitätssicherung folgende Maßnahmen durchgeführt, begonnen oder initiiert: Ausstattung der A und B Pegel (ca. 600 in Bayern) mit redundanter Messwerterfassung und Messwertspeicherung, Ausstattung der A-Pegel (200) und einer großen Anzahl von B-Pegeln mit redundanter Messwertübertragung, Überprüfung der HND-Pegel auf ihre Hochwassersicherheit und Initiierung eines entsprechenden Ausbau-, bzw. Nachrüstprogramms, Ausstattung der Temperaturmessstellen mit automatisch erfassenden Sonden und deren elektronischer Übertragung (ca. 75 Stationen), Ausbau bzw. Neuausstattung des Niederschlagsmessnetzes in Zusammenarbeit mit dem DWD (ca. 110 Stationen Land und 230 Stationen DWD) und Redundantem (vom DWD unabhängigen) Abruf der meteorologischen Messgrößen, 7

8 Qualitätssicherung tssicherung nach den HW seit 1999 (2) Ausbau eines Schneemessnetzes mit manueller Messung und pilothaft mit automatischen Messstationen. Test und Empfehlung alternativer Geschwindigkeitsmessmethoden für die verkürzte zeitlich punktuelle Messung oder für kontinuierliche Messungen. Vereinfachung und Intensivierung der Tracermessung in alpinen Flüssen. Hydraulische Nachrechnung bzw. Berechnung der W/Q-Beziehungen im nicht (oder nur selten messbaren Abflussbereich (etwa über MHQ). Test und Empfehlung alternativer Übertragungswege für Messdaten z.b. D-Kanal, GPRS). Redundante Datensammlung und Überprüfung. Der Abruf aller Wasserstands, -abfluss, -temperatur und (bedingt) meteorologischen Daten erfolgt alternativ über eine oder mehrere an den WWÄ oder dem LfU vorhandenen Sodarechnern. 8

9 Qualitätssicherung tssicherung nach den HW seit 1999 (3) Redundante Datenhaltung. Die Sodarechner beliefern das Wiskisystem (Datenverwaltung und Kontrolle) und alternativ die MYSQL-Datenbank des HND. Die HND-Datenbank ist replikativ an 5 HVZ vorgehalten. Die Programmumgebung zur Datenprüfung, Vorhersageerstellung und Informationsbereitstellung wird an den 5 HVZ parallel vorgehalten. Serverfarmen zur Informationsbereitstellung. Im HND stehen nicht nur im Intranet sondern auch im Internetbereich Serverfarmen zur Verfügung. Das Internetangebot wird sowohl als statisches Angebot (schneller Zugriff aber eingeschränkter Umfang) als auch als dynamisches Angebot (langsamerer Zugriff aber umfassendes Angebot) zur Verfügung gestellt. 9

10 Qualitätssicherung tssicherung nach den HW seit 1999 (4) Technisch ist inzwischen ein hoher Standard in der Messtechnik und in der Datenerfassung erreicht worden. Dies zeigt auch das HW 2005 im alpinen und voralpinen Bereich: Die Pegel blieben -auch in extremen Lagen- überwiegend funktionsfähig. Die Datenqualität hat sich erheblich erheblich verbessert. Die Ausfälle in der Energieversorgung waren gering Die Ausfälle in der Datenübertragung über Festnetz und GSM waren sehr gering Die Pegelausstattung mit redundanten Messsystemen hat sich bewährt Defizite existieren noch besonders im personellen Bereich durch die starke Fluktuation auf Grund der Verwaltungsreform und dem Personalabbau. 10

11 Pegel in Insellage (HW 2005) Pegel Kempten/ Iller 11

12 Resümee nach dem HW August 2005 in Südbayern S Trotz des technisch hohen Standards fielen verschiedene Geber aus: 9 Schwimmerpegel wegen zu tiefer Schachtdeckel oder Geschiebe im Zulaufrohr 6 Einperlpegel wegen versandeter oder gequetschter Mundstücke oder gelöster Befestigungen 3 Radarpegel wegen zu tiefer Anbringung oder Ausfall der Stromversorgung 1 Drucksonde durch Verlust Verlust bzw. Beschädigung mehrerer Messflügel Zusätzlich kam es zu Datenverlusten und Datenfehlern durch Änderungen der Pegelprofile (Auskolkungen, Verlandungen und auch Verlagerungen von Bachläufen) 12

13 Beispiel einer Wasserstandsmessstelle Messung im Extrembereich? - Zugänglichkeit - Pegellatte - Messsteg 13

14 Messbereich eingeschränkt Pegel Fischach/ Schmutter 14

15 Messwertgeberdaten unterschiedlich Pegel Haunstetten/ Lech 15

16 Messwertgeberdaten unterschiedlich Pegel Oberstdorf/ Trettach 16

17 W/Q-Beziehung begrenzt 17

18 Pegelquerschnitt verändert (Ursprungszustand bei MQ) Pegel Birgsau/ Stillach 18

19 Pegelquerschnitt verändert (nach HW 2005) Pegel Birgsau/ Stillach 19

20 W/Q-Beziehung nicht mehr gültig 20

21 Abflussmessungen Die noch immer übliche Methode ist das Messen mit hydrometrischen Flügeln Grenzen des Einsatzes von Flügelmessungen werden erreicht: bei hoher Geschwindigkeit, verstärktem Treibzeug, bei Geschiebe oder beweglicher Sohle. Bei schnellem Anstieg der Wasserstände, abgelegenen Pegeln mit weiter Anfahrt, gleichzeitigem HW an mehreren Pegeln und nicht genügend Messpersonal kann besonders bei extremen Ereignissen oft nicht gemessen werden. 21

22 Treibzeug Pegel Sonthofen / Iller 22

23 Schneller Hochwasseranstieg und nicht nur Wasser 23

24 Schneller Hochwasseranstieg und nicht nur Wasser 24

25 Extreme Messbedingungen; turbulenter Abfluss Sylvensteinzufluss 25

26 Geschiebe bzw. bewegliche Sohle Pegel Eschenlohe /Loisach 26

27 Geschiebe bzw. bewegliche Sohle Pegel Eschenlohe /Loisach 27

28 Konsequenzen bei der Abflussbestimmung Intensivierte Messungen im Extrembereich sowohl Niedrigwasser als auch Hochwasser Anwendung alternativer Messmethoden Überprüfung der W/Q-Beziehung mit hydraulischen Berechnungen Verifizierung der W/Q-Beziehungen mit N-A-Modellen 28

29 Alternative Messmethoden bei der Abflussmessung 1. Messen einer Punktgeschwindigkeit (z.b v-radar) mit Berechnung des Abflusses über Verfahren wie z.b. SIMK-Verfahren 2. Messungen mit Tracer (Farbstoff oder Salz) an dafür geeigneten Gewässern 3. Ultraschall-Anlagen (US) 4. ADCP-Messung, bzw. vereinfacht Q-Liner 5. Zur Zeiteinsparung Flügelmessung mit weniger Messpunkten 29

30 Für Extremwerte ungeeignete Pegel Abflussmessungen bei nicht vollem Talgrund (z.b. am : 34,7 m³/s) unterscheiden sich deutlich von denen bei vollem Sinngrund (z.b : 66,4 m ³ /s). Die Unterschiede sind durch Vergleich von Pegel Mittelsinn und Hilfspegel Postbrücke in Burgsinn zu erkennen: Q 34,7 m³/s 66,4 m³/s W am Pegel Mittelsinn 384 cm und 385 cm W am Hilfspegel Postbrücke 166 cm und 225 cm Die Plausibilität dieser Wasserstände wurde von uns nochmal geprüft. Ebenso mögliche Auswirkungen von (anderen) Fehlern. Aus Schreiben des WWA... vom

31 Ungenaue W-Q-Beziehungen im Extrembereich..., dass die Abflusskurve für den Pegel nnn ab 29 m 3 /s zu niedrige Abflusswerte aufweist. Tatsache ist, dass durch 2D-hydraulische Berechnungen des Hochwasserereignisses 1994 mit dem Abfluss von 47 m 3 /s, der sich aufgrund von Wasserstandsmessungen aus der Abflusskurve ergibt, die Wasserspiegelfixierungen nicht nachgebildet werden können, sondern nur mit einem erheblich höheren Abfluss von ca. 82 m 3 /s. Das WWA NN führte dies auf Einflüsse durch die oberstrom des Pegels gelegene Brücke zurück. Dass die Abflusskurve ab 29 m 3 /s nicht stimmig ist,... Aus Besprechungsprotokoll zwischen Ing.-Büro, WWA und LfU vom

32 Konsequenz falscher W-Q-Beziehungen 32

33 Vermeintlicher Trend in den Abflussdaten 33

34 Vermeintlicher Trend in den Abflussdaten 34

35 Klimawandel, Zufällige Häufung, ungenaue Werte? 35

36 Klimawandel, Zufällige Häufung, ungenaue Werte? 36