Gewässerkunde und Hydrometrie. Abflussbestimmung in offenen Gerinnen
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- Inge Falk
- vor 7 Jahren
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2 (Skriptum: Kapitel 8) Messverfahren: Direkte Messung Gefäßmessung Indirekte Messungen Messflügel Staurohr Schwimmer Hitzdraht Messwehre Venturi Kanalmessung Salzverdünnung Pegelschlüssel Q=f(h)
3 Ziel der Abflussmengenmessung ist es, die in einem Zeitintervall von einer Sekunde durch einen ausgesuchten Querschnitt (Messquerschnitt) eines Fliessgewässers fließende Wassermenge Q zu bestimmen. Wasserkörper Wasserspiegelbreite B Messvertikale Messpunkte Abb.: Wassermenge, die pro Sekunde durch den Messquerschnitt fließt
4 Das Volumen des Wasserkörpers wird aufgrund von Messungen berechnet. Der Messquerschnitt wird ausgemessen und die durchflossene Fläche F (m 2 ) berechnet. durchflossene Fläche Wasserspiegelbreite B F Abb.: durchflossene Fläche F (m 2 )
5 WSP h i v 2 v j Um der ungleichmäßigen Verteilung der Fließgeschwindigkeiten im Messquerschnitt Rechnung zu tragen, wird die Strömungsgeschwindigkeit an definierten Punkten zwischen Sohle und Wasseroberfläche, für jede Messvertikale gemessen. Sohle v 1 Abb.: Geschwindigkeitspolygon in der Messvertikalen i Die gemessenen Geschwindigkeiten in einer Messvertikalen i definieren ein Geschwindigkeitspolygon. i
6 Durch Integration über die Wassertiefe h i wird der Abfluss q i, der zur Messvertikale i gehört, berechnet. q i = h i 0 v j dh (m 2 /s) Durch Integration der spezifischen Abflüsse über die Wasserspiegelbreite B wird die Abflusswassermenge im Messquerschnitt berechnet. Q B = 0 qdb (m 3 /s)
7 Wasserspiegelbreite B Abflussmenge Q q 2 Fläche des Messquerschnittes F q 1 Messpunkte Messvertikale Sohle Abb.: Grafische Darstellung des Messquerschnittes und der Abflusswassermenge
8 Aus der momentanen Abflusswassermenge Q und der Messquerschnittsfläche F kann die mittlere Fliessgeschwindigkeit berechnet werden: Q v = (m/s) m F
9 v (m m/s) q (m 2 s) Auswertung einer Flügelmessung: Brandgrabenbach Messung 2 Q = 9,07 m 3/ s L.U. h 1 =1,8 6 q 1 =0,6 q 2 =0,72 q 3 =0,9 q 4 =0,6 q 5 =0,2 5 v 1 =0,25 v 2 =0,31 WSP 3 v 3 =0,42 9 v 4 =0,32 5 v 5 =0,23 0,25 1,41 0,40 0,49 1,88 1,88 0,41 1,88 0,29 0,39 0,50 0,42 1,10 0,27 1,41 1,41 1,41 0,78 0,30 0,43 h 4 =2,19 0,31 0,20 h 2 =2,3 h 3 =2,1 0,31 0,78 0,78 0,78 0 0,21 9 0,38 0, ,31 0,31 0,39 h 5 =1,1 0 0,27 0,30 0,28 0,21 0,85 0,62 0,46 0,231 v (m/s) l (m) h (m m) B=14,51m Maßstab: Geometrie: l,h : 1cm :: 1m Geschwindigkeit: v,v : 1cm :: 0,5m/s Spez. Durchfluss: q : 1cm :: 0,2m 2 /s
10 Abflussfläche (v*h) Mittl. Fließgeschwindigkeit v der Messlotrechten v 12 h 12 b 2 b 3 b 4 v h 12 Messlotrechte Geschwindigkeitsfläche Abb.:Grafische Darstellung einer Abflussmessung mit Geschwindigkeits und Abflussfläche. Geschwindigkeitsprofil und Zweipunktmessung einer Messlotrechten
11 Aus praktischer Überlegung setzt man vielfach bei unterschiedlicher Wasserführung gemessene Abflussmengen in Beziehung zum jeweiligen an einem Pegel beobachteten b Wasserstand (Pegelstand). Diese Beziehung wird als Abflusskurve bezeichnet. Beziehung zwischen Abfluss und Pegelstand (Abflusskurve) Pegelstand h (m) Eingepasste Abflusskurve Q=f(h) Ergebnisse der Abflussmessungen Abflusswassermenge Q (m 3 /s 1 )
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13 Tracerverdünnungs Methoden Speziell im alpinen Raum stößt man bei der Verwendung des hydrometrischen Flügels in den häufig sehr rauen Gewässerabschnitten mit turbulenten Abflussverhältnissen an messtechnische Grenzen. Alternativ dazu bieten sich hier die sogenannte Tracerverdünnungs Methoden an. Alle Tracermethoden unterscheiden sich grundlegend in zwei Punkten: Durch die Art des verwendeten Markierstoffes Durch die Art der Zugabe des Markierstoffes in das Gewässer
14 Der Tracer muss folgenden Anforderungen entsprechen: gesundheitlich unbedenklich hohe Wasserlöslichkeit im natürlichen Gewässer nicht, oder nur in geringer Konzentration vorhanden Chemische und physikalische Stabilität in geringster Konzentration nachweisbar zeitsparende und einfache Messtechnik geringer Preis Die in der Praxis am Häufigsten verwendeten Tracer sind Natriumchlorid (Kochsalz) und die Flureszenzfarbstoffe.
15 Es gibt zwei Arten der Tracerzugabe: Kontinuierliche Zugabe einer Lösung in gleichbleibender Menge und Konzentration. Momentane Zugabe der gesamten Tracermenge an einem Punkt (Integrationsverfahren)..
16 Kontinuierliche Zugabe: Eine gleichbleibende Tracerdurchfluss [q] in bekannter Konzentration [C 1 ] wird so lange dem Fließgewässer zugegeben, bis sich nach vollkommener Mischung mit dem Gewässer eine konstante Konzentration [C 2 ] im Messquerschnitt einstellt. C Q = q C 1 2
17 Momentane Zugabe: Die gesamte Tracermenge m (m = Volumen mal Konzentration) wird in einem Guss dem Fließgewässer mit der Ausgangskonzentration [C 0 ] zugegeben. Nach vollkommener Durchmischung mit dem Gewässer ergibt sich die gesuchte Durchflussmenge durch das Integral der Konzentrationsänderung [C t C 0 ] über die Durchlaufzeit [t] der Tracerwolke durch den Messquerschnitt. Q = t 0 ( C t m C0) dt
18 40 Eichkurve Konz zentration (mg g/l) α E mg * cm = tg α l * μs Leitfähigkeit ( μ S/cm)
19 Leitfähigkeitsverlauf /cm) 170 tfähigkeit (us/ Leit L 0 I t 0 Zeit (s) t
20 250 Ganglinie i der Leitfähigkeit i i Leit tfähigkeit L (us/cm) :27:30 09:34:00 Uhrzeit (t)
21 t Leitfähigkeit L L t L 0 Δ t I ( μ S/cm) ( μ S/cm) (s) ( μ S/cm*s) 09:27: :27: :27: :28: :28: :28: :28: :28: :33: :33: :33: :33:
22 Q Q = t m ( C C ) t 0 dt t 0 = t E t 0 m ( L L0 ) dt t 6 m( kg) *10 ( mg * l * S * cm) Q μ = = mg * cm μs * s ( mg * cm * μs * s) = E( ) * I( ) lμs cm ( l ) s
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