Abflüsse und Fließgeschwindigkeiten in Fließgewässern

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1 Amt der Kärntner Landesregierung Abteilung 8 - Kompetenzzentrum Umwelt, Wasser und Naturschutz Wasserwirtschaft Hydrographie Analysen Abflüsse und Fließgeschwindigkeiten in Fließgewässern Zusammenhänge der maßgebenden Komponenten bei Hochwasser Honsig-Erlenburg, Moser (2012) Analysen von mittleren Fließgeschwindigkeiten und max. Oberflächenfließgeschwindigkeiten auf Basis von Abflussmessungen an Pegeln. HYDRO grafie Kärnten am Puls des Wassers.

2 Impressum DI Johannes Moser Amt der Kärntner Landesregierung Abteilung 8 - Kompetenzzentrum Umwelt, Wasser und Naturschutz Unterabteilung Wasserwirtschaft, Sachgebiet Hydrographie Flatschacher Straße Klagenfurt Tel.: +43 (0) johannes.moser@ktn.gv.at Homepage: Analyse und Zusammenstellung der Grafiken: Bakk. techn. Gabriel Honsig-Erlenburg Copyright: Amt der Kärntner Landesregierung Klagenfurt, im August 2012

3 Kurzbeschreibung: Große Hochwasserereignisse an Fließgewässern sind in der Praxis schwierig zu messen, da sie selten auftreten, rasch verlaufen und nicht genau vorhergesagt werden können. Zumeist herrschen sehr turbulente und gefährliche Verhältnisse vor, sodass eine Flügelmessung nur unter eingeschränkten Bedingungen durchgeführt werden kann. Geschiebe und mitgeführte Treibgüter (Baumstämme, ganze Bäume und Siloballen,.) machen Standard Zweipunkt-Abflussmessungen nahezu unmöglich. Das Messen von max. Oberflächenfließgeschwindigkeiten mit dem Messflügel oder mit einer Radarsonde von der Brücke aus ist durchaus möglich und sinnvoll, denn es bestehen zwischen den gemessenen mittleren Fließgeschwindigkeiten und den max. Oberflächenfließgeschwindigkeiten Zusammenhänge, die aus Analysen von Abflussmessungen quantifiziert werden können. Es wurde daher an 22 Pegeln in Kärnten eine Analyse der bisher gemessenen Hochwasserereignisse durchgeführt und grafisch ausgewertet. Das Ziel ist es, über eine einfache Messung der maximalen Oberflächengeschwindigkeit v omax vor Ort bei einem Hochwasserereignis über einen Faktor auf die mittlere Geschwindigkeit v m im Messprofil zu kommen. Durch Multiplikation von v m mit der Querschnittsfläche A im Profil erhält man so eine relativ schnelle und gute Aussage über den aktuellen Hochwasserabfluss Q. Dieser Verhältnisfaktor v m /v omax ist je nach Flusseinzugsgebiet und Pegel verschieden. Er hatte an allen untersuchten Pegeln einen Wert von 0,50 bis 0,75. Die mittlere Geschwindigkeit v m im gesamten Messprofil entspricht also im Regelfall 50 bis 75 % der maximalen Oberflächengeschwindigkeit. Bei breiteren Gerinnen, Flussunterläufen und größeren Hochwasserereignissen nimmt dieser Faktor tendenziell zu, da die Rauigkeiten und die Geschwindigkeitsunterschiede im Messprofil in der Regel abnehmen. Da jedoch nur maximale Messwerte bis zu einem HQ 10 (10-jährliches Hochwasserereignis in einem Fluss) vorhanden waren, wurde dieser Faktor bis zu einem 100-jährlichen Hochwasser je Pegel extrapoliert. Somit können Werte bis 0,8 bei großen Gewässern (Flüssen) angenommen werden. Je kleiner die Gewässer sind umso, kleiner ist zumeist auch der Verhältniswert (siehe Tabelle 1). Grundsätzlich ist die Extrapolation des Verhältnisfaktors v m /v omax nur im Gerinnequerschnitt "brauchbar" möglich. Bei Ausuferungen oder Querschittsaufweitungen kann das Verhältnis wieder abnehmen, da die Vorlandabflussfließgeschwindigkeiten das v m verringern. Für große Hochwässer (HQ 30, HQ 100 ) wurden zusätzlich die Ergebnisse von hydraulischen 1D-Spiegellagenberechnungen mitberücksichtigt. 3

4 Die Umlegung der statistischen Jährlichkeiten der Abflüsse (zb. HQ 30 ) auf die entsprechenden entsprechenden Wasserstände (W 30 ) bzw. Abflussquerschnittsflächen (A 30 ) wurde auf Basis der aktuellen Pegelschlüssel pro Messstelle und Messprofilen vollzogen. Nachstehend sind die errechneten Geschwindigkeitsverhältnisfaktoren der einzelnen Pegel tabellarisch zusammengefasst. Ergebnistabelle 1: Abflüsse der Jährlichkeiten HQ 1 und HQ 100, Wasserstände (HW 1 und HW 100 ) und Flächen (A 1 und A 100) der ausgewerteten Messpegel und ermittelte Geschwindigkeitsverhältnisfaktoren v m /v omax, sowie die Einzugsgebietsgröße und Profilbreite: Pegel EZG (km^2) Profilbreite (m) HQ1 (m^3/s) HW1 (cm) A1 (m^2) vm/vomax HQ100 (m^3/s) HW100 (cm) A100 (m^2) vm/vomax Drau - Oberdrauburg 2112,00 62, , ,72 Drau - Sachsenburg 2561, , ,72 Drau - Amlach-Spittal 4789, , ,79 Möll - Winklern 412,10 27, , ,66 Möll - Flattach 705, , ,72 Möll - Möllbrücke 1096, , ,76 Malta - Pflüglhof 71, , ,61 Malta - Sandriesen 267, , ,66 Lieser - Gries 56, , ,62 Lieser - Gmünd 360, , ,60 Gail - Mauthen 348, , ,72 Gail - Rattendorf 592, , ,65 Gail - Federaun 1307, , ,67 Metnitz - Grades 144, , ,69 Metnitz - Hirt 469, , ,73 Gurk - Maitratten 201, , ,63 Gurk - Weitensfeld 431, , ,68 Gurk - Gumisch 2555, , ,74 Lavant - Bad St. Leonhard 200, , ,65 Lavant - St. Gertraud 380,20 13, , ,65 Lavant - Fischering 715, , ,71 Lavant - Krottendorf 954, , ,69 Die Bandbreite des Faktors v m /v omax liegt zwischen 0,56 und 0,74 bei 1-jährlichen Ereignissen und zwischen 0,60 und 0,79 bei 100-jährlichen Ereignissen. Der Mittelwert des Faktors aller 22 untersuchten Pegel beträgt bei einem 1-jährlichen Hochwasserereignis 0,65 und bei einem 100-jährlichen Ereignis 0,69. Es wird jedoch empfohlen, flussgebietsspezifisch die entsprechenden Werte zu wählen, da eine genauere Festlegung anhand der Analyseergebnisse durchaus möglich ist. Die weiteren grafischen Auswertungen der Pegel sind im Anhang zu finden. 4

5 Pegelspezifische Analyse: Diese wird anhand des Pegels Gumisch an der Gurk erklärt. Die erste Grafik zeigt das Querprofil des Pegels Gumisch, welches Aufschlüsse über die Breite und Fläche des Gerinnes gibt. Auf der Abszisse ist die Profillänge (Breite) in Meter aufgetragen, auf der Ordinate die Höhe des Wasserstandes (der Pegelwasserstand). Auf der rechten Seite sind die Abflussmengen bestimmter Jährlichkeiten (Jährlichkeitskategorien) durch farbliche Balken dargestellt. Bei einem z.b. 100-jährlichem Hochwasser in Gumisch mit einem Abfluss von 300 m 3 /s würde sich entsprechend dem berechneten Pegelschlüssel ein Pegelwasserstand von 374 cm einstellen. Eine Ausuferung auf die umliegenden Wiesen tritt in diesem Profil ab einem Wasserstand von 4 m ein, dabei ist zu beachten, dass es schon flussauf zu früheren Ausuferungen kommt. Das RHHW stellt den rechnerisch höchsten Hochwasserwert dar, MW ist der Mittelwasserstand. Ab hier beginnt in der Regel die Ufervegetation (dunkelgrüne Linie in der Grafik). MJNW ist der mittlere jährliche Niederwasserstand. Abb. 1: Pegelprofil mit Pegelwasserständen und entsprechenden Abflussmengen 5

6 In der nächsten Grafik ist die Beziehung des Wasserstandes W in (cm) mit dem Abfluss Q in (m 3 /s) dargestellt, welche man als Pegelschlüssel bezeichnet. Entsprechend dem Pegelschlüssel kann jedem Wasserstand in einem Messprofil ein Abfluss zugeordnet werden. Pegelschlüssel müssen von Zeit zu Zeit neu definiert werden, da sich z.b. bei hervorgerufene Sohleintiefungen oder Anlandungen durch Hochwässer das Profil ändern kann, und somit der gleiche Abfluss einen anderen Wasserstand ergibt. In der Grafik sind die "Abflussmessungen" durch blaue Punkte dargestellt, die hydraulisch berechneten Werte zur Extrapolation sind mit roten Punkten eingetragen. Ebenfalls eingetragen sind die verschiedenen Jährlichkeiten von Hochwasserereignissen (blau = 1- jährliches Hochwasser, gelb = 5-jährlich, orange = 10 jährlich, rot = 30-jährlich, braun = 100 jährlich). Diese Linien finden sich auch in den nachfolgenden Grafiken, je nachdem welcher Parameter dargestellt wird. Abfluss Q in (m 3 /s), Wasserstand W in (cm) oder Fläche A in (m 2 ). Abb. 2: Pegelschlüssel In der dritten Grafik werden die mittleren Fließgeschwindigkeiten v m in (m/s) und max. Oberflächenfließgeschwindigkeiten (v omax ) im Bezug zum Abflussquerschnitt A in (m 2 ) dargestellt. Bei den Messwerten sind die mittleren Geschwindigkeiten v m durch blaue Punkte und die maximal gemessenen Oberflächengeschwindigkeiten v omax durch grüne Punkte eingezeichnet. Die Jährlichkeiten der Querschnittsflächen entsprechend der Abflussstatistik und dem geltenden Hochwasserpegelschlüssel sind wieder durch die farblichen Linien eingezeichnet. 6

7 In der Grafik vom Pegel Gumisch kann man erkennen, dass der höchste Messwert knapp unter einem 10-jährlichen Hochwasserereignis lag (A 10 = 80 m 2, die Messung lag bei 78,11 m 2 ). Die Geschwindigkeiten betrugen bei dieser Messung 1,98 m/s (v m ) und 2,91 m/s (v omax ), woraus sich der Faktor v m /v omax = 0,68 ergibt. Abb. 3: mittlere und maximale Fließgeschwindigkeiten im Bezug zum Fließquerschnitt Die vierte Grafik stellt die Beziehung zwischen dem Wasserstand W in (cm) und der entsprechenden Querschnittsfläche A in (m 2) dar. Hier kann man schön den exponentiellen, gleichmässigen Verlauf der Punktwolke erkennen, wenn das Profil trapezartig gestaltet ist.. 7

8 Abb. 4: Pegelwasserstand und entsprechende Fließquerschnittsfläche Die nächste und übernächste Grafik geht auf den Geschwindigkeitsfaktor v m /v omax der einzelnen Messungen im Pegel ein. Dabei wird in der ersten Grafik der Bezug zum Abfluss Q in (m 3 /s) und in der zweiten Grafik zur Querschnittsfläche A in (m 2 ) dargestellt. Auch die Jährlichkeitslinien im Bezug zu Q bzw. A sind hier wieder eingetragen. Abb. 4: Abfluss Q und Geschwindigkeitsfaktor v m /v omax 8

9 Abb. 5: Fließquerschnitt A und Geschwindigkeitsfaktor v m /v omax 9

10 Flussgebietsspezifische Analyse: Zusammenfassend ist die flussgebietsbezogene Ermittlung des Geschwindigkeitsverhältnisfaktors v m /v omax eine praktische Hilfe um bei größeren Hochwasserereignissen vor Ort auf Basis der gemessenen maximalen Oberflächengeschwindigkeit (z.b. mittels hydrometrischem Flügel, Radarsonde, Kamera oder Zeit eines Schwimmkörpers pro bestimmter Fließlänge gemessen) die mittlere Fließgeschwindigkeit des gesamten Querschnittprofils abschätzen zu können. Bei bekannter Fläche (z.b. über Wasserstand / Flächenbeziehung des Querprofils) kann dann schnell ein Aussage über den Hochwasserabflussmenge und über die Jährlichkeit getroffen werden. 1. Schritt: Messung der max. Oberflächenfließgeschwindigkeit im Gerinne 2. Schritt: Wasserstand und entsprechende Querschnittsfläche ermitteln. 3. Schritt: Verhältnisfaktor in Abhängigkeit des Abflussquerschnittes Gewässertyp bzw. Gewässerbreite) Faktor v m /v omax wählen. v m = Faktor. v omax 4. Schritt: Q (m 3 /s) = v m (m/s). A (m 2 ) Das Gesamtergebnis stellt selbstverständlich nur einen Richtwert zur Optimierung der vorhandenen Daten dar. Abb. 6: Fließquerschnitt A und Geschwindigkeitsfaktor v m /v omax aller Messungen 10

11 Die anschließenden Grafiken zeigen den Faktor v m /v omax bezogen auf den Fließquerschnitt mit flussgebietsbezogener Einteilung. Neben den Messwerten wurden farbliche Trendlinien pro Pegel festgelegt bzw. eingezeichnet, die den Bereich zwischen einer 1-jährlichen Abflussquerschnittsfläche A 1 und einer 100-jährlichen Abflussquerschnittsfläche A 100 abdecken, damit der Faktor leichter ermittelt werden kann. Abb. 7: Fließquerschnitt A und Geschwindigkeitsfaktor v m /v omax für die obere Drau 11

12 Abb. 8: Fließquerschnitt A und Geschwindigkeitsfaktor v m /v omax für die Möll Abb. 9: Fließquerschnitt A und Geschwindigkeitsfaktor v m /v omax für die Malta 12

13 Abb. 10: Fließquerschnitt A und Geschwindigkeitsfaktor v m /v omax für die Lieser Abb. 11: Fließquerschnitt A und Geschwindigkeitsfaktor v m /v omax für die Gail 13

14 Abb. 12: Fließquerschnitt A und Geschwindigkeitsfaktor v m /v omax für die Metnitz Abb. 13: Fließquerschnitt A und Geschwindigkeitsfaktor v m /v omax für die Gurk 14

15 Abb. 14: Fließquerschnitt A und Geschwindigkeitsfaktor v m /v omax für die Lavant 15

16 Anhang Grafische Analyseergebnisse 16

17 Drau / Pegel Oberdrauburg Derzeit gültiger Hochwasserpegelschlüssel: 17

18 Mittlere und maximale Fließgeschwindigkeit und Fließquerschnitt: Wasserstand und Abflussquerschnitt: 18

19 Abflussmenge und Faktor der mittleren Fließgeschwindigkeit zur maximalen Abflussquerschnitt und Faktor der mittleren Fließgeschwindigkeit zur maximalen 19

20 Drau / Pegel Sachsenburg Derzeit gültiger Hochwasserpegelschlüssel: 20