Wasserstands- und Abflussmessung

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1 Wasserstands- und Abflussmessung Andreas Weiss 1. Einführung Die genaue und zuverlässige Wasserstands- und Abflussmessung ist die Grundlage für alle weiteren wasserwirtschaftlichen Maßnahmen. Während der Wasserstand direkt gemessen wird und auch sofort online zur Verfügung steht, erfolgt die Messung des Abflusses über die drei Messgrößen: Wasserstand, Fließgeschwindigkeit und der durchflossenen Fläche. Im operationellen Betrieb wird normaler Weise nur der Wasserstand gemessen. Die Ermittlung des Abflusses erfolgt über eine Wasserstands-Abfluss-Beziehung. Die Anwendung der W-Q-Beziehung ist nur zulässig unter bestimmten Voraussetzungen. Die Pegel des Landesmessnetzes wurden mit erheblichem Aufwand so gebaut, dass die Anwendung einer W-Q-Beziehung möglich ist. Im Projekt Hochwasserpegelmessnetz wurden alle Pegel systematisch auf ihre Hochwassertauglichkeit untersucht und gegebenenfalls wurden Mängel beseitigt. Wo die Voraussetzungen für die Anwendung einer W- Q-Beziehung nicht gegeben sind, müssen die Abflüsse mittels Ultraschall-Durchflussmessanlage gemessen werden. 2. Grundsätzlicher Vergleich von W- und Q-Messung Ein Pegel besteht zunächst einmal aus der Pegellatte, auf die sich die Messwerte aller Messgeräte beziehen. Bei der Messung von Wasserständen wird vom Messgerät eine Messgröße (falls erforderlich temperaturkompensiert) gemessen, aus der der Wasserstand direkt ermittelt wird und sofort zur Verfügung steht. Mittels redundanter Wasserstandsmessung mit einem zweiten Sensor lassen sich mit vertretbarem Aufwand auch operationell sehr zuverlässige Daten gewinnen. Abflüsse werden indirekt über mehrere Messgrößen ermittelt. Bei der Flügelmessung werden die Umdrehungen der Schaufel mittels Impulsgeber über eine Messzeit aufaddiert. Diese Punktmessungen werden in ausreichender Anzahl idealerweise gleichmäßig über die gesamte Querschnittsfläche verteilt und dadurch lässt sich über ein mathematisches Modell die mittlere Fließgeschwindigkeit ermitteln. Mit der dabei aufgenommenen Querschnittsfläche lässt sich der Abfluss zu diesem Zeitpunkt berechnen. In all diesen Messwerten und mathematischen Modellen stecken Messfehler und Unsicherheiten. Bedingung für die Anwendung der Berechnungsvorschrift sind u. a. stationäre Bedingungen während der gesamten Messzeit, durchgängig parallele Anströmung, keine Hindernisse im Messquerschnitt usw. Aus diesen Stichtagsmessungen lässt sich dann eine W-Q-Beziehung erstellen, sofern die Bedingungen am Pegel stabil sind. Während also die Messung des Wasserstandes für operationelle Anwendungen nur von einzelnen Einflussgrößen abhängt, die direkt bei der Messung erfasst und kompensiert werden können, wird beim Abfluss operationell nur der Wasserstand gemessen. Somit muss sichergestellt sein, dass alle anderen Einflussgrößen die gleichen sind, wie zum Zeitpunkt der Stichtagsmessungen. Änderungen im Gewässer, die Auswirkungen auf die Abflusskurve haben, können i. A. erst im Nachhinein festgestellt werden. Sichere Abflussdaten für operationelle Anwendungen lassen sich nur ermitteln mit regelmäßiger vorbeugender Gewässerunterhaltung insbesondere bei der Gehölzpflege. 3. Hochwassersicheres Pegelmessnetz Nach dem Elbehochwasser 2002 wurde bei der damaligen LfU das Projekt Hochwasserpegelmessnetz (HPM5) initiiert. Ziel war es, die Landespegel so zu auszubauen, dass bei einem 500-jährigen Hochwasser (HW500) die Bereitstellung von Wasserständen und Abflüssen für die Zwecke der Hochwasservorhersage, -information und -warnung sichergestellt ist. Das Projekt HPM5 wurde durch folgende Kernpunkte bestimmt: 1. Verfügbarkeit von Pegeldaten während extremer Hochwassersituationen a) Ausfallsicherheit durch redundante Ausstattung (Sensor, Datensammler, Datenübertragung, Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)) b) Wasserstand bis HW500 c) Überprüfung bzw. Aufstellen einer W-Q-Beziehung bis bordvoll 2. Generelle Verbesserung der Pegelanlagen und der Verfügbarkeit der Pegeldaten Dabei wurden folgende Grundsätze beachtet: a) Hauptsystem als Führungsgröße b) Redundanzsystem zur Plausibilisierung c) Zumindest ein Sensor misst direkt im Gewässer Für die Sicherstellung der Ausfallsicherheit ist insbesondere die überflutungssichere Installation der Messund Übertragungstechnik notwendig. Hierfür mussten an den Pegeln bisher abgelaufene Extremereignisse bis 40

2 hin zu HW500 extrapoliert werden. Im Einzelfall wurden Flussgebietsuntersuchungen durchgeführt, in aller Regel konnte anhand der Vor-Ort-Begehung abgeschätzt werden, wie hoch das Wasser beim HW500 stehen wird. Wie am Beispiel Pegel Ettlingen (Abb. 1) zu erkennen ist, ist die Leistungsfähigkeit im Unterwasserbereich des Pegels durch Bewuchs stark eingeschränkt. Stromversorgung hochwassersicher ausgeführt sind. Wie wichtig es ist, einen Sensor direkt im Gewässer zu haben zeigt der Pegel Altschweier/Bühlot (Abb. 3). Hier hat sich vor dem Schacht Sand abgelagert. Der Schwimmer hat keinen Kontakt mehr zum Gewässer. Der Radar als redundantes System misst weiterhin den Wasserstand direkt im Gewässer, nur wenig beeinflusst von der Sandbank. Abb. 1: Pegel Ettlingen/Alb Abb. 3: Pegel Altschweier/Bühlot Der Schwimmer wird bei HW500 am Boden des Pegelhauses anstoßen. Deswegen wurde eine Schachtverlängerung (Abb. 2) eingebaut, die ermöglicht, dass der Schwimmer den HW500-Wert noch korrekt übertragen kann. Hierbei wurde auch sichergestellt, dass Stromund Telefonanschluss sowie die unterbrechungsfreie Die Wasserstände beider Sensoren werden zur LUBW übertragen und stehen dort im Intranet zur weiteren Verfügung. Im Internet wird nur das Hauptsystem veröffentlicht. Zur Prüfung der Sensoren wird im Intranet folgende Darstellung zur Verfügung gestellt: Siehe Abbildung 4, Seite 42. Hier liegen im oberen Teil der Darstellung die beiden Wasserstände in einem Plot über das gesamte Jahr 2011 aufeinander. Im unteren Teil der Darstellung wird die Differenz geplottet mit einer festen Skalierung von +10 cm bis -10 cm. Hier lassen sich kleinste Abweichungen auch während Wasserstandsänderungen erkennen. Zu beachten ist, dass Sensoren unterschiedlich schnell auf Wasserstandsänderungen reagieren und selbst eine größere Differenz während eines schnellen Wasserstandsanstieges nicht zwingend ein Fehler eines Sensors ist. Außerdem sind diese Daten Rohdaten, d. h. sämtliche Eingriffe wegen Wartung der Pegelanlage oder die Durchführung eines Probealarms sind hier enthalten. 4. Wasserstandsmessung Abb. 2: Schachtverlängerung Ettlingen/Alb An den Landespegeln werden folgende Sensorsysteme eingesetzt: 41

3 Abb. 4: Differenzen-Plot Oberensingen/Aich Abb. 5: Plot Wasserstand Pegel Altschweier/Bühlot 42

4 Messgerät Vorteile Nachteile Drucksonde OTT ODS4 Radar OTT KALES- TO und RLS Langzeitstabil Sehr robuste Keramikmembran Bisher keine Defekte (seit Einbau 2004) Langzeitstabil Robust Kein Kontakt mit dem Medium Wasser Pneumatik Relativ einfache Verlegung der Druckleitung Schwimmer Einfaches klar erkennbares mechanisches Messprinzip Tab. 1: Wasserstandsmessgeräte Je nach Einbauort etwas aufwändige Installation Bei sehr kalkhaltigen Gewässern wartungsintensiv: bis zu ¼-jährliche Entkalkung kann notwendig sein Bei im Außenbereich längeren Leitungen blitzgefährdet Druckausgleichskapillare etwas empfindlich Stehende Wellen verfälschen das Messergebnis Bei im Außenbereich längeren Leitungen blitzgefährdet Je nach Einbauort etwas aufwändige Installation Kontroll-Abstichmessung bei Wind ungenau Höhenänderung der Brücke durch Temperatur geht in Messung ein Geschiebe kann Einperlöffnung blockieren Kontinuierliches Gefälle der Leitung ist notwendig, ansonsten kann Kondenswasser das Messergebnis verfälschen Bei nicht frostfrei verlegter Leitung kann im Winter Kondenswasser gefrieren und die Leitung blockieren Die Einperlöffnung kann bei kalkhaltigen Gewässern verkalken und blockiert werden Meist sehr aufwändige, teure Schwimmerschachtkonstruktion Häufig wartungsaufwändig: Vorschacht, Schachtzulauf und Schacht müssen dann regelmäßig nach HW von Geschwemmsel, Sand gereinigt werden. Bei der Begehung des Schachts sind die Arbeitsschutzbestimmungen zu beachten Es ist ein mechanisch-elektrischer Umformer notwendig (Winkelkodierer) Im Winter kann der Schacht bzw. Schachtzulauf einfrieren, bei HW kann es Tage dauern bis der Schwimmer wieder korrekte Werte liefern kann Die Auswahl erfolgt individuell für jeden Pegel siehe Tabelle 1, und der nötigen Betriebserfahrung Die Messwerte werden einmal täglich von der HVZ abgerufen und im Intranet und Internet dargestellt. In den Einzelplots der Sensoren (Abb. 5) werden auch die Kontrolleinträge dargestellt (Wasserstandsablesungen und Beobachternotizen). Bei Hochwasser werden die Daten halbstündlich abgerufen und veröffentlicht. Darüber hinaus wird auch der Differenzenplot erstellt (siehe Abb. 4). Beide Plots stellen wichtige Instrumente für die Fernkontrolle und Qualitätssicherung des Pegels dar. Probleme in Bezug auf die Sensoren können frühzeitig erkannt und beseitigt werden. 5. Abflussmessung Während der Wasserstand W direkt gemessen wird und auch sofort online zur Verfügung steht, erfolgt die Messung des Abflusses zumeist als Einzelmessung. Hierbei wird die Fließgeschwindigkeit in einzelnen Messzellen verteilt über den Messquerschnitt sowie die Fläche des Messquerschnittes gemessen. Daraus errechnet sich der Abfluss Q. Aus mehreren Abflussmessungen über den gesamten Wasserstandsbereich, evtl. in Verbindung mit einer Hydraulik, lässt sich dann eine Wasserstands-Abfluss-Beziehung konstruieren, mit der die Wasserstände online in Abflüsse umgerechnet werden können. Wichtigste Voraussetzung für die Aufstellung einer W-Q-Beziehung ist, dass am Pegel kein wechselnder Rückstau von Unterwasser her vorhanden ist. Natürliche Gewässer unterliegen stetigen Veränderungen. Bewuchs, Anlandungen und Erosion im Unterwasser verändern die Leistungsfähigkeit des Gewässers auch bei Hochwasser. Hieraus ergeben sich, sofern genügend Kontrollmessungen durchgeführt werden, u. U. mehrere W-Q-Beziehungen, deren zeitliche Abfolge anhand der Kurvengültigkeiten geregelt wird. Die Ermittlung des Abflusses für online Daten bzw. Zeitreihen erfolgt dann über die Wasserstandsmessung mit der W-Q-Beziehung und der zugehörigen Gültigkeit der W-Q-Beziehungen. 43

5 Einzelmessung Kontinuierliche Messung Messflügel ADC, IDM ADCP, Q-Liner Laufzeitverfahren Dopplerverfahren Tracer, Gefäßmessung,... Tab. 2: Übersicht über die Messverfahren für Abflussmessungen Abb. 6: Abflussmessung auf dem Rhein

6 Im Landesmessnetz wird für Einzelmessungen hauptsächlich der Messflügel eingesetzt. Wegen der über 100-jährigen Tradition (Abb. 6) mit dieser Art von Abflussmessung sind die Stärken und Schwächen bekannt. Neuerdings wird auch vermehrt mit ADCP (Advanced Doppler Current Profiler) gemessen. ADCP + optimal für große Gewässer geeignet + sehr schnelle Messung + robust gegenüber Quer- und Rückströmungen + schnelle Auswertung vor Ort + sehr große Anzahl an Messpunkten möglich. - Leichter Krautbewuchs am Boden oder schlammige Sohle kann zu Totalausfall der Lotrechten führen. - Bei geringen Wassertiefen und stark gegliederten Querschnitten wird nur ein Teil des Abflussquerschnitts gemessen, dadurch großer Extrapolationsbereich. - Messunsicherheit für den nicht gemessenen Bereich beträgt nach DIN ISO/TS 25377: 20 % - 40 %. - weitgehend Black Box System - relativ aufwändige Einarbeitung der Bediener - Ermittlung des Abflusses nicht nach Pegelvorschrift - teuer Die technische Entwicklung des ADCP lässt darauf hoffen, dass der Anwendungsbereich noch größer wird. Ist allerdings eine Messung der Fließgeschwindigkeit direkt auf der Gewässersohle, an senkrechten Wänden oder direkt unter der Wasseroberfläche erforderlich, muss weiterhin auf den Messflügel zurückgegriffen werden. 6. Abflüsse als online-daten für operationelle Anwendungen Direkt gemessen wird i. A. nur der Wasserstand, der Abfluss wird über eine W-Q-Beziehung ermittelt. Wichtig: online-daten sind Rohdaten Abb. 7: ADCP-Einsatz Die Vor- und Nachteile beider Messverfahren sind im Folgenden aufgelistet. Messflügel + für alle Gewässer geeignet + nachvollziehbares Messprinzip und Auswertevorschrift + Messprinzip wird seit über 100 Jahren optimiert. + Es können Fließgeschwindigkeiten auch direkt auf der Sohle oder an der Wasseroberfläche ermittelt werden. - benötigt einen ausgebauten Messquerschnitt - bei großen Gewässern sehr zeitaufwendig - bei höheren Fließgeschwindigkeiten Seilkrananlage notwendig - sehr geringe Fließgeschwindigkeiten nicht messbar - empfindlich gegenüber Quer- und Rückströmungen Früher: Abflussdaten wurden erst Monate nach dem Hochwasserereignis veröffentlicht. Für geprüfte Abflussdaten gilt das immer noch: Das Deutsche Gewässerkundliche Jahrbuch Rheingebiet Teil 1 wurde von der LUBW für die Jahre 2008 und 2009 Anfang 2012 veröffentlicht. Heute: Für operationelle Anwendungen (HVZ, FLIWAS, Steuerung von Rückhaltebecken,...) werden online zuverlässige Abflussdaten für das aktuelle Ereignis erwartet und das auch schon für die Vorhersage! Es werden also robuste Wasserstandsdaten und in allen Bereichen durch aktuelle Abflussmessungen gut belegte Abflusskurven benötigt. Dies erfordert einen erhöhten Aufwand bei der Erstellung und aktuellen Fortschreibung der Abflusskurven sowie beim Betrieb und Unterhaltung der Pegel und bei der Gewässerunterhaltung. Insbesondere muss bei der Gewässerunterhaltung darauf geachtet werden, dass der für den Pegel der Abflussquerschnitt des hochwasserrelevanten Teils der Gewässerstrecke unterhalb der Pegel frei von Bewuchs bleibt. Dies kann sich durchaus auf ei- 45

7 Abb. 8: Änderung der Abflusskurven am Pegel Möhringen-Espenbrücke Abb. 9: Altschweier Abflusskurve mit Messungen 46

8 Abb. 10: Pegel Ohrnberg (US) Ohrn nen Kilometer oder mehr erstrecken. Sofern diese Gewässerstrecke nicht frei von Bewuchs gehalten werden kann, müssen regelmäßig Abflussmessungen durchgeführt werden, die Gültigkeit der Abflusskurven muss mit Hilfe dieser Messungen geprüft werden und gegebenenfalls müssen Abflusskurven neu erstellt werden. Als Beispiel für die Beeinflussung des Wasserstandes durch Bewuchs wird der Pegel Möhringen-Espenbrücke/Donau gezeigt (Abb. 8).1973 ist die Gewässerstrecke unterhalb des Pegels völlig frei von Bewuchs. Es treten dabei erhebliche ökologische Defizite auf. 190 m³/s (ca. HQ 5 ) entsprachen 1973 einem Wasserstand von 300 cm. In 2011, mit Bewuchs sowohl an der Mittelwasserlinie, wie auch im Gewässer, entsprechen diese 190 m³/s mindestens einem Wasserstand von 350 cm. Beziehungsweise bei 300 cm fließen jetzt nur noch 120 m³/s ab. Dies bedeutet eine Änderung der aktuellen Abflusskurve bei Hochwasser um 30% - 40%. Zu beachten ist, dass bei vielen Pegeln die Abflusskurve bei Hochwasser nur an einem einzigen Ereignis hängt und über diese Abflussmessung hinaus die Abflusskurve bis zum höchsten möglichen Wasserstand extrapoliert ist. Am Pegel Altschweier/Bühlot ist die Abflusskurve bei Hochwasser nur bei einem Ereignis belegt (Abb. 9). Oberhalb 15 m³/s hängt die Abflusskurve an den Messungen vom Oberhalb 25 m³/s ist die Abflusskurve extrapoliert, wie sich Veränderungen, die sich im Laufe von Jahren einstellen, vom Gewässer unterstrom auf den Hochwasserabfluss auswirken, ist unbekannt. Seit 1998 gab es nur noch ein Ereignis über 20 m³/s und genau da wäre nur während drei Stunden nachts die Möglichkeit gewesen, bei mehr als 20 m³/s eine Abflussmessung durchzuführen. Bei Pegeln, an denen die Hochwasserwelle binnen Stunden abläuft, ist es fast unmöglich bei jedem relevanten Ereignis eine Abflussmessung durchzuführen. Dies ist einer der Gründe warum im Landesmessnetz Ultraschallanlagen zur online Messung des Abflusses zum Einsatz kommen. Bei einer Ultraschallanlage wird der Abfluss mittels einer Wasserstandsmessung, der hinterlegten Flächenbeziehung und der aus der gemessenen Fließgeschwindigkeit mit Hilfe eines mathematischen Modelles ermittelten mittleren Fließgeschwindigkeit berechnet. Für die Justierung der Anlage sind Kontrollmessungen über den gesamten Messbereich erforderlich. Bei Pegeln, die im Mündungsbereich liegen und nur zeitweise im 47

9 Abb. 11: Pegel Ohrnberg (US) W und Q Rückstau sind, liefern die Ultraschallanlagen fast durchgängig zuverlässige Abflüsse. Im Landesmessnetz wird bisher nur das Laufzeitverfahren eingesetzt. Der Pegel Ohrnberg liegt ca. 200 m entfernt von der Mündung der Ohrn in den Kocher. Zeitweise ist erheblicher Rückstau vorhanden. Der von der Ultraschallanlage berechnete Abfluss ist fast deckungsgleich mit dem vom Pegel Ohrnberg-1, der rückstaufrei ist. Die Vor- und Nachteile einer Ultraschallanlage sind: + online-messung der Fließgeschwindigkeit + Ausbauzustand des unterliegenden Gewässerprofils irrelevant + Es werden im Betrieb weniger Abflussmessungen als bei einem Standardpegel benötigt. + keine Aufstellung und Fortschreibung von Abfluss kurven erforderlich - Schon geringer Bewuchs oder Verkrautung können zu Totalausfall führen (k.o.-kriterium). - Abflussermittlung empfindlich gegenüber Veränderung der eigentlichen Messstrecke - hoher Aufwand bei Kalibrierung - Bei Niedrigwasser können Temperaturschichtungen zu zeitweiligem Ausfall führen. - Schwebstoffe und Geschwemmsel können bei Hochwasser zu Ausfall der Anlage führen. 48

10 In der Praxis hat sich gezeigt, dass an vielen Stellen der Bewuchs innerhalb der Messstrecke nicht zu allen Zeiten mit vertretbarem Aufwand in den Griff zu kriegen ist. Darüber hinaus fallen viele der im Landesmessnetz eingesetzten Ultraschallanlagen bei Hochwasser zeitweilig aus. Mit den gemessenen Daten lassen sich im Nachhinein zumeist vollständige Zeitreihen bilden. Für den operationellen Einsatz bei Hochwasser sind dann diese Daten im Allgemeinen nicht verwertbar. 7. Fazit Anschrift des Verfassers Andreas Weiss Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Griesbachstraße 1, Karlsruhe Alle Aufnahmen LUBW Wasserstandsmessung stehen diverse robuste Messsysteme zur Verfügung, die mit vertretbarem Aufwand zuverlässige Wasserstandsdaten online liefern. Abflussmessung wird auch künftig als Einzelmessung durchgeführt werden. Abflussdaten werden weiterhin online über W-Q- Beziehung ermittelt. - Hierfür darf sich der im Unterwasser der Pegel befindliche abflussrelevante Bereich nicht wesentlich verändern. - Regelmäßig durchgeführte Abflussmessungen sind als Nachweis der Gültigkeit der aktuellen Abflusskurve erforderlich. 49