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Durchflussmessungen durch indirekte
Messverfahren an der Mangfall
Wissenschaftliche Arbeit zur Erlangung des Grades
B.Sc.
an der Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt der Technischen Universität
München.
Betreut von Dr. phil. Jorge Eduardo Teixeira Leandro
Lehrstuhl für Hydrologie und Flussgebietsmanagement
Eingereicht von Friedrich Seidl
Ritterland 13
85570 Ottenhofen
0152 25993910
Eingereicht am München, den 27.04.2017
2
Inhaltsverzeichnis 1. Einführung ......................................................................................................................... 4
2. Grundlagen der Durchflussmessung ................................................................................. 7
2.1. Der Durchfluss ............................................................................................................ 7
2.2. Direkte Durchflussmessung ........................................................................................ 8
2.2.1. Volumetrische Messung ....................................................................................... 8
2.2.2. Messwehre ........................................................................................................... 9
2.2.3. Messrinnen ..........................................................................................................10
2.3. Indirekte Durchflussmessung .....................................................................................12
2.3.1. Messung der Fließgeschwindigkeit nach dem Lotrechtverfahren .........................12
2.3.1.1. Messsysteme ............................................................................................14
2.3.1.1.1. Mechanische Durchflussmessung .......................................................14
2.3.1.1.2. Magnetisch induktive Durchflussmessung ...........................................16
2.3.1.1.3. Akustische Durchflussmessung...........................................................17
2.3.1.2. Durchführung einer punktuellen Messung .................................................19
2.3.1.2.1. Stangenmessung ................................................................................20
2.3.1.2.2. Schwimmkörper ..................................................................................20
2.3.1.3. Ermittlung des Gesamtdurchflusses ..........................................................22
2.3.2. Messung der mittleren Querschnittsgeschwindigkeit ...........................................22
2.3.2.1. Messschirm ...............................................................................................22
2.3.2.2. Tracerverfahren .........................................................................................23
2.3.2.2.1. Bestimmung der Durchmischungsstrecke ...........................................24
2.3.2.2.2. Einspeisung des Tracers .....................................................................25
2.4. Messung des Wasserstands ......................................................................................25
2.4.1. Der Lattenpegel ...................................................................................................26
2.4.2. Der Schwimmschreibpegel ..................................................................................26
2.4.3. Der Druckpegel ...................................................................................................27
2.4.4. Das Wasserstandsradar ......................................................................................27
2.4.5. Mobile Pegelmessung .........................................................................................28
2.5. Berücksichtigung der Messunsicherheiten .................................................................28
2.5.1. Systematische Fehler ..........................................................................................28
2.5.2. Zufällige Fehler ....................................................................................................29
2.5.3. Ausgleich der Messfehler ....................................................................................29
3. Messungen an der Mangfall .............................................................................................31
3.1. Die Mangfall ...............................................................................................................31
3.2. Ablauf der Messungen ...............................................................................................34
3.2.1. Messungen mit dem ADCP-Boot .........................................................................34
3
3.2.2. Messungen mit der Magnetisch-induktiven Sonde ...............................................39
3.3. Probleme während der Messung ...............................................................................42
4. Messergebnisse ...............................................................................................................45
4.1. Tag 1 – 30.11.2016 ....................................................................................................46
4.2. Tag 2 – 22.02.2017 ....................................................................................................48
4.3. Tag 3 – 03.04.2017 ....................................................................................................50
5. Auswertung der Messergebnisse ......................................................................................52
5.1. Genauigkeit der ADCP-Messungen ...........................................................................52
5.2. Vergleich der zwei angewandten Verfahren ...............................................................55
5.2.1. Analyse der mittleren Fließgeschwindigkeiten .....................................................56
5.2.2. Vergleich der gemessenen Durchflüsse ..............................................................58
5.3. Durchfluss-Wasserstand-Diagramm ...........................................................................59
6. Schlussfolgerung und Ausblick .........................................................................................62
Literaturverzeichnis ..............................................................................................................64
Sonstige Unterlagen .........................................................................................................67
Bildquellen ........................................................................................................................69
Abbildungsverzeichnis ..........................................................................................................71
Tabellenverzeichnis ..............................................................................................................73
Symbolverzeichnis ...............................................................................................................74
Anhang I ...............................................................................................................................77
Vorlage Matlab-Code ........................................................................................................77
Anhang II ..............................................................................................................................79
Erklärung ..........................................................................................................................79
4
1. Einführung
„Diese Klimaveränderung wird mit erheblichen
Auswirkungen auf den Wasserhaushalt verbunden sein.“ (Kliwa 2005, S.1)
So prognostizierte das Bayerische Landesamt für Wasserwirtschaft bereits 2005 die
Auswirkungen steigender Temperaturen auf den hydrologischen Kreislauf in Bayern
(Kliwa 2005). Im Zuge dieser „Intensivierung des hydrologischen Kreislaufs“ (Kliwa
2005, S.1) ist mittelfristig mit einer Verschärfung der Hochwasserlage in Bayern zu
rechnen (Kliwa 2005).
Der Freistaat sieht sich daher mit immer häufiger drohenden Extremwetterereignissen
konfrontiert, so dass immer größere Anstrengungen im Bereich des Hochwasser-
schutzes von Nöten sind. Bereits im Jahre 2001 reagierte die bayerische Staatsre-
gierung mit dem Aktionsprogramm 2020 (AP 2020) auf mehrere Hochwasserer-
eignisse in Bayern (StMUV 2014, S.12). Ziel des Programms war die Modernisierung
des Hochwasserschutzes auf den damaligen Stand der Forschung, sowie der Entwick-
lung von Langzeitstrategien zum Schutze der Bevölkerung und Infrastruktur.
Der moderne Hochwasserschutz basiert dabei auf einem Drei-Säulen-Modell, dem
technischen Hochwasserschutz, der Hochwasservorsorge und der Stärkung des
natürlichen Wasserrückhalts in der Fläche (Fuchs Seminar, S.1).
Die seit 2001 aufgetretenen Hochwasserereignisse zeigten jedoch, dass diese strikte
Einteilung keinesfalls die effektivste Herangehensweise an den Hochwasserschutz ist.
So konnte festgestellt werden, dass jede Verzögerung im Prozess der Abflusskon-
zentration zu einer Abschwächung der Hochwasserspitze führte und dadurch die be-
reits getroffenen Schutzmaßnahmen im akuten Fall entlastet werden konnten. Rück-
haltemaßnahmen können daher im Falle starker Hochwasser unterstützend neben die
Mittel des technischen Hochwasserschutzes treten (LfU AP2020).
Um eben jener Synergie zwischen technischem Hochwasserschutz und der Stärkung
des natürlichen Wasserrückhalts in der Fläche Rechnung zu tragen, wurde im Zuge
5
der Aufarbeitung des Junihochwasser 2013 das AP 2020 zum Aktionsprogramm
2020plus (AP 2020plus) erweitert. Ziel dieser Erweiterung war es, das Forschungsfeld
des natürlichen Wasserrückhalts zu stärken und noch enger mit dem technischen
Hochwasserschutz zu kombinieren (StMUV 2014, S.16).
Im Rahmen der Stärkung des natürlichen Wasserrückhalts in der Fläche stehen grund-
sätzlich mehrere geeignete Maßnahmen zur Verfügung. So können beispielsweise
Retentionsflächen entlang von Gewässern wiedergewonnen, Gewässerläufe sowie
umliegende Moore renaturiert oder die gewässernahen Flächenversiegelungen redu-
ziert werden (Spiekermann et al. 2014, S.85). Problematisch dabei ist, dass die
Wirkung der unterschiedlichen Rückhaltemaßnahmen von vielen verschiedenen
Faktoren beeinflusst wird (LfU AP2020).
Ein Projekt der Technischen Universität München beschäftigt sich daher mit der
prozessbasierten Modellierung natürlicher sowie dezentraler Hochwasserrückhalte-
maßnahmen zur Analyse der ereignis- und gebietsabhängigen Wirksamkeit
(ProNaHo). Ziel ist es eine bayernweite gültige Aussage über die Wirksamkeit von
natürlichen und dezentralen Hochwasserrückhaltemaßnahmen treffen zu können.
Im Rahmen dieses Projekts soll dabei eine bisher weitestgehend vernachlässigte
Rückhaltemöglichkeit näher untersucht werden. Lag der Schwerpunkt von natürlichen
Rückhaltemaßnahmen in der Vergangenheit in dem Bereich der bewährten Gewäs-
serrenaturierung und der Auenreaktivierung, so tragen diese doch den Makel der
Kostenintensität (Spiekermann et al. 2014, S.85)
Eine bloß auf „menschliche“ Renaturierung fixierte Herangehensweise verkennt
gerade, dass der Mensch nicht als einziges Lebewesen in der Lage ist, aktiv seine
Umwelt zu gestalten. Wie keine andere Tierart prägt der Biber als „Baumeister der
Natur“ (BN Bericht) seinen Lebensraum (Nater 2012, S.67). Trotz der gut erforschten
positiven Auswirkungen des Bibers auf die Flora und Fauna im Einzugsgebiet seiner
Bauwerke (Meßlinger 2014, S69f.), mangelt es in Deutschland an Studien über den
Einfluss der Biberdämme auf die natürliche Wasserrückhaltefähigkeit eines Gewäs-
sers (Nater 2012, S.69). So wird lediglich „davon ausgegangen“ (Nater 2012, S.69),
dass der durch den Biberdammbau hervorgerufene Rückstaueffekt oder die durch
Biberseen geschaffene Retention zu einer Einflussnahme auf die Hydraulik eines
6
Fließgewässers führt (Nater 2012, S.69). Ein endgültiger Beweis, dass es tatsächlich
zu behauptetem Rückstaueffekt oder eines andersgearteten Effekts des Bibers auf die
Gewässerhydraulik kommt, fehlt jedoch bisher.
Um ebendiesen Beweis zu erbringen, wird im Rahmen des ProNaHo-Projektes eine
Methodik zur Ermittlung der ereignisabhängigen Retentionseigenschaften von Biber-
dämmen entwickelt. Im ersten Schritt wird mit Hilfe von photogrammetrischen Aufnah-
men und terrestrischen Vermessungen eine 3D-Rekonstruktion des Biberdammes
samt Flussschlauch erstellt. Anschließend soll mit Hilfe von indirekten Durchfluss-
messmethoden ein Durchfluss-Wasserstand-Diagramm aus Messungen bei drei
verschiedenen Wasserständen erstellt werden. Der nächste Schritt sieht eine Verwer-
tung der gesammelten Daten in Form eines 2D-hydraulischen Modells vor, welches im
letzten Arbeitsschritt der Methodik für verschiedene Hochwasserszenarien ange-
wendet wird, um so eine Aussage über die Beziehung zwischen Abfluss, Wasserstand
und Rückhalt eines Flussabschnitts mit Biberdamm zu treffen.
Ziel dieser Arbeit ist eine Darstellung der heutigen Möglichkeiten im Bereich der
Durchflussmessung mit ihren Vor- und Nachteilen und anschließender Überprüfung
des zweiten Schrittes der Methodik. Hierzu wurden zwei Verfahren aus dem darge-
stellten Spektrum ausgewählt, mit Hilfe derer der Durchfluss hinter einem Biberdamm
in einem Seitenarm der Mangfall gemessen wurde.
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2. Grundlagen der Durchflussmessung
Dieses Kapitel vermittelt die Grundlagen der Messung benötigter Daten eines
Durchfluss-Wasserstand-Diagramms. Eines der Hauptziele in der Hydrometrie ist die
Bestimmung des Oberflächenwasserdargebots für einen betrachteten Flussquer-
schnitt. Eine von der Zeit abhängige Funktion des Durchflusses nennt man Durchfluss-
ganglinie. Da kontinuierliche Messungen des Durchflusses bisher schwer zu
verwirklichen sind, nähert man eine sogenannte Durchflusskurve mittels vieler
einzelner Durchflussmessungen und den zugehörigen Wasserständen an (Dyck et al.
1995, S.92).
Sofern keine andere Quelle angegeben wird, ist der Inhalt der folgenden Kapitel an die
Bücher von Gerd Morgenschweis, Siegfried Dyck und Gerd Peschke angelehnt.
2.1. Der Durchfluss
In der Hydrologie unterscheidet man nach der DIN 4049-3 (1994) zwei Definitionen
des Abflusses. Allgemein versteht man unter dem Abfluss die Wassermenge, die sich
über- und unterhalb der Landoberfläche unter den Einflüssen der Schwerkraft bewegt.
Quantitativ beschreibt man den Abfluss als das Wasservolumen, welches in einer be-
stimmten Zeit einen Gewässerquerschnitt durchfließt (LS Hydrologie 2014, S.123).
Diese quantitative Betrachtung wird weitläufig auch als Durchfluss bezeichnet
(Baumgartner et al. 1996, S.519). Beide werden mit dem Symbol Q abgekürzt und
geben einen Volumenstrom der Einheit m³/s an (LS Hydrologie 2014, S.123). Während
des Vorgangs der Abflusskonzentration sammeln sich die Ströme des Oberflächenab-
flusses, des Zwischenabflusses und des Grundwasserabflusses in dem Vorfluter des
Einzugsgebiets und bilden so den Durchfluss (Baumgartner et al. 1996, S.491). In der
Wasserbilanzgleichung dient der Durchfluss der indirekten Bestimmung der
Wassermenge, welche das Einzugsgebiet verlässt (Maniak 2005, S. 57).
Berechnet wird der Durchfluss mit Hilfe folgender Formel:
𝑄 = 𝑣 ∗ 𝐴
8
Bei der Verwendung dieser Formel geht man von laminaren Strömungsverhältnissen
aus. Laminare Strömungen werden als stationäre, gleichförmige Strömung definiert,
bei denen die Geschwindigkeit konstant ist. In Hinsicht auf die Bedingungen in einem
natürlichen Fließgewässer können diese nicht vorliegen. Deshalb überwiegen dort
turbulente Verhältnisse, welche starke Schwankungen der Fließgeschwindigkeit und
somit des Durchflusses zur Folge haben. Turbulente Strömungen charakterisieren sich
durch Verwirbelungen der Strömungsrichtung, welche instationäre Bedingungen zur
Folge haben (Hering et al. 1995, S.123).
Grundsätzlich unterscheidet man zwei Arten der Durchflussmessung, die direkten und
die indirekten Methoden. Bei folgender Einteilung der Verfahren ist zu berücksichtigen,
dass in der Fachliteratur voneinander abweichende Klassifizierungen zu finden sind
(statt vieler Bonfig 2002).
2.2. Direkte Durchflussmessung
Bei direkten Messverfahren wird der Durchfluss mit Hilfe von Abflussbauwerken mit
bekannter Durchfluss-Wasserstand-Beziehung bestimmt. Derartige Messungen sind
nur für kleine Durchflüsse geeignet (Maniak 2005, S. 59).
2.2.1. Volumetrische Messung
Eine selten verwendete Art der direkten Messung ist die volumetrische Messung
(Maniak 2005, S. 59). Hier werden entweder speziell angefertigte Messbehälter oder
vorab kalibrierte Alltagsgegenstände wie Eimer oder Tonnen verwendet. Zu beachten
2.1. Strömungsarten (Quelle: Chemieplanet)
9
ist eine möglichst geringe Oberfläche im Vergleich zu dem bekannten Volumen. Ein
scharfkantiger Überfall und ein vollständiges Auffangen des Wasserstroms aus dem
Querschnitt sind für die Genauigkeit der Messung unumgänglich. Während der in das
Behältnis umgeleitete Durchfluss das selbige füllt, wird die Zeit bis zur vollständigen
Füllung gestoppt. Bei der Auswahl des Messgefäßes ist darauf zu achten, dass
mindestens fünf Sekunden für das Befüllen benötigt werden.
Anschließend wird der Durchfluss wie folgt berechnet (Pertl 2004, S.20).
𝑄 = 𝑉
𝑡
Aufgrund der Beschränkung auf kleine Volumenströme sind Quellschüttungen ein
typisches Einsatzgebiet der volumetrischen Messung (Morgenschweis 2010, S.117).
2.2.2. Messwehre
Messwehre fungieren in dem Flussquerschnitt als Stauanlagen und führen, bis sie
überströmt werden, zu einer Anhebung des Wasserspiegels. Dies nennt sich dann
Überfall. Messwehre werden häufig in kleinen natürlichen Wasserläufen eingesetzt
(Dyck et al. 1995, S.100). Im Fall eines überströmten Wehres berechnet sich der
Durchfluss mittels der Formel nach Poleni.
𝑄 =2
3∗ 𝜇 ∗ 𝑏 ∗ √2𝑔 ∗ ℎü
32
Der Überfallbeiwert μ wird in der Praxis für bestimmte Überfallgeometrien als konstant
angesetzt. Er resultiert aus dem Verhältnis der Überfallhöhe und der Wehrform (LfU
2001, S.19). In der Bauweise von Messwehren unterscheidet man Wehre mit und ohne
Seitenkontraktion (vgl. Abbildung 2.2 und 2.3.) und nach der Form des Überfallquer-
schnittes.
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Obwohl mehrere Formen realisiert werden können, haben sich die Rechtecküberfälle
nach Rehbock und Poncelet und der Dreiecküberfall nach Thomson durchgesetzt.
Messwehre mit scharfkantigen Überfällen werden aufgrund der guten Kenntnisse über
deren Überfallbeiwerte bevorzugt.
Vor Errichtung eines Wehrs sollte die Breite und Tiefe des Gewässers erfasst werden,
um spätere Veränderungen besser nachvollziehen zu können. Beim anschließenden
Einbau sollte eine Stelle mit mindestens drei Meter langem, geradem Flussverlauf
verwendet werden, welcher genug Stauraum für den folgenden Einstau durch das
Wehr aufweist. Auch größere Strömungshindernisse, welche einen geregelten Abfluss
verhindern könnten, sollten vermieden werden (Coldewey et al. 2014, S.44). Probleme
bei Messwehren treten bei zu hoher Geschiebefracht auf, die zu einer Verlandung des
Stauraums führt und dadurch die Überfallhöhe verfälscht. Ein Einbau von Messwehren
ist aufgrund der benötigten Zeit nur bei Messungen über einen längeren Zeitraum
sinnvoll (Coldewey et al. 2014, S.44).
2.2.3. Messrinnen
Messrinnen basieren auf dem Prinzip der Durchflussbestimmung mittels Wasserspie-
geldifferenzen an Verengungen im Querschnitt des Gewässers. Es gibt sie in verschie-
denen Ausführungen wie z.B. den Parshall-, den Palmer Bowlus-, den Khafagi-und
den Venturi-Messrinnen, wobei letztere in Europa am weitesten verbreitet sind (Pertl
2004, S.20).
Der Venturi-Kanal ist ein dreigeteiltes Gerinne, bestehend aus Einlaufs-,
Einschnürungs- und Nachlaufstrecke.
2.3. Thomson-Wehr mit Seitenkontraktion (Quelle: Dyck 1995,
S.99.) 2.2 Rehbock- Wehr ohne Seitenkontraktion (Quelle: Dyck 1995,
S.99.)
11
In der Einschnürung des Kanals steigt die Strömungsgeschwindigkeit und die Wasser-
höhe sinkt. Wichtig ist, dass die Verengung so gewählt wird, dass ein Übergang vom
Strömen ins Schießen geschieht. Setzt man nun die Geschwindigkeit an der
Verengung in die Bernoulli-Gleichung, so erhält man eine Formel für die Wassertiefe
hE an der Einschnürung abhängig von hOW (Fiedler, O. 1992, S.94). In der Regel wird
der Gewässerquerschnitt seitlich eingeschnürt, eine Verwendung von Sohlschwellen
kann bei entsprechender Dimensionierung jedoch dieselben Effekte haben (ABB 2011,
S.160). Da nun eine Messung der Oberwassertiefe ausreicht, kann die Beziehung
zwischen dem Durchfluss Q und der Oberwassertiefe hOW durch die allgemein gültige
Berechnungsformel für Venturikanäle beschrieben werden:
𝑄 = 𝐶 ∗ 𝐶𝑣 ∗ √𝑔 ∗ 𝑏𝐸 ∗ ℎ𝑂𝑊
32
Bei einem Kanal dieser Art folgt aufgrund des geringen Energiehöhenverlustes nur ein
geringer Aufstau. Ein Vorteil dieser Kanäle ist, dass sie auch bei stark schwankenden
Durchflüssen verwendet werden können und sich bei Verwendung einer
durchgehenden Gerinnesohle auch für Messungen in besonders feststoffhaltigem
Wasser (z.B. Abwasser) eignen (Dreyhaupt 1994, S.1271).
2.4. Venturi-Kanal (Quelle: Pertl 2004, S.25, bearbeitet)
hOW
12
2.3. Indirekte Durchflussmessung
Die indirekte Durchflussmessung bedient sich der Messung der
Fließgeschwindigkeiten und des Gewässerquerschnittes zur Bestimmung des Durch-
flusses (LfÖ, LfB 1997, S.148). Für die Bestimmung der hierzu benötigten
Geschwindigkeiten unterscheidet man zum einen die Messung mit Hilfe einzelner
Messlotrechten und zum anderen die Messung der mittleren Querschnittsfließge-
schwindigkeit.
2.3.1. Messung der Fließgeschwindigkeit nach dem Lotrechtverfahren
Zunächst wird bei derartigen Messungen der Gewässerquerschnitt mit Hilfe von
Messvertikalen unterteilt und anschließend die Fläche A des Querschnittes durch die
Wassertiefen an den Lotrechten bestimmt. Zu beachten ist eine möglichst genaue
Abbildung des Flussquerschnittes durch mehrere Lamellen (Abbildung 2.2).
In der Mitte jeder Lamelle befindet sich eine der festgelegten Messlotrechten. Dies ist
auch die Stelle an der die repräsentative Geschwindigkeit für die jeweilige Lamelle
bestimmt wird. Mit zunehmender Anzahl an Messstellen steigt die Messgenauigkeit.
Je nach Querschnittsbreite schwankt die Anzahl der Messlotrechten zwischen 5-15
(Morgenschweis 2010, S.118). In der Regel sollten bei nicht zu unregelmäßigen
Profilen zehn Messstellen verwendet werden, um eine vertretbare Genauigkeit zu
erhalten (Dyck et al. 1995, S.93).
2.5. Räumliche Darstellung des Durchflussquerschnittes und der Geschwindigkeitsverteilung (Quelle: Dyck 1995, S.95.)
13
Hat man nun den Querschnitt entsprechend unterteilt stehen drei unterschiedliche
Vorgehensweisen zur Verfügung.
a) Vielpunktverfahren
Hier werden auf jeder Lotrechten mindestens zwei Messpunkte in
unterschiedlicher Tiefe gewählt. Abhängig von der Wassertiefe kann man
folgende Verfahren anwenden:
- Dreipunktverfahren
𝑣𝑚𝑖𝑡 = 0,25 ∗ 𝑣0,2 + 0,5 ∗ 𝑣0,6 + 0,25 ∗ 𝑣0,8
Messpunkte in 20% - 60% - 80% der Wassertiefe
- Fünfpunktverfahren
𝑣𝑚𝑖𝑡 = 0,1 ∗ (𝑣0 + 3 ∗ 𝑣0,2 + 2 ∗ 𝑣0,6 + 3 ∗ 𝑣0,8 + 𝑣𝑠)
Messpunkte in 0% - 20% - 60% - 80% - 100% der Wassertiefe
- Sechspunktverfahren
𝑣𝑚𝑖𝑡 = 0,1(𝑣0 + 2 ∗ 𝑣0,2 + 2 ∗ 𝑣0,4 + 2 ∗ 𝑣0,6 + 2 ∗ 𝑣0,8 + 𝑣𝑠)
Messpunkte in 0% - 20% - 40% - 60% - 80% - 100% der Wassertiefe
b) Integrationsverfahren
Durch Absenken des Messinstruments mit konstanter Geschwindigkeit wird die
mittlere Geschwindigkeit auf der gesamten Tiefe der Messlotrechten bestimmt.
Dabei kann beispielsweise auf eine Kabelwinde oder Ähnliches zurückgegriffen
werden. Möglich ist eine vertikale oder horizontale Integration. Vorgesehen ist
diese Methode im insbesonderen für breite und tiefe Gewässer (wie z.B. Rhein,
Donau und Elbe).
c) Abgekürzte Punktmessverfahren
Erlauben die äußeren Umstände nur eine kurze Messung, so erwiesen sich die
abgekürzten Punktmessverfahren als sinnvoll.
- Zweipunktmessmethode nach Kreps (1954)
Messpunkte an der Oberfläche und 0,38 * h über der Sohle (Barsch et
al. 1994, S.215).
𝑣𝑚𝑖𝑡 = 0,31 ∗ 𝑣0 + 0,634 ∗ 𝑣0,38
- Zweipunktmethode für geringe Tiefen
Messpunkte in 20% und 80% der Wassertiefe
𝑣𝑚𝑖𝑡 = 0,5 ∗ (𝑣0,2 + 𝑣0,8)
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- Einpunktmessverfahren
Messung in einer Tiefe von 0,32 * h über der Sohle (Pertl 2004, S.33).
Jede der drei geschilderten Messverfahren kann dazu verwendet werden, die
Fließgeschwindigkeit vor Ort zu bestimmen. Eine hohe Anzahl an Messpunkten führt
jedoch auch zu einer hohen Genauigkeit bei den späteren Ergebnissen. Die
abgekürzten Punktmessverfahren sollten daher die Ausnahme darstellen und lediglich
dort zum Einsatz kommen, wo eine Vielpunktmessung nicht möglich ist.
2.3.1.1. Messsysteme
Jedes der oben beschriebenen Verfahren kann mit einer Vielzahl von Messsystemen
durchgeführt werden. Unterschieden werden dabei drei grundlegende
Messtechnologien, welche in verschiedensten Formen zum Einsatz kommen (Vgl.
Produktkatalog OTT). Jede Technologie wird anhand eines charakteristischen
Beispiels erklärt.
2.3.1.1.1. Mechanische Durchflussmessung
„Ein Werkzeug, welches geschickt ist, die Geschwindigkeit der strömenden Gewässer
und des Windes genau damit zu beobachten, kann hauptsächlich folgenden Nutzen
haben: Es kann dazu dienen, die Theorie oder die Gesetze, wie Stoß und
Geschwindigkeit flüßiger Massen von einander abhängen, zu untersuchen…“
( Woltman 1790, Vorrede).
So erkannte bereits Richard Woltmann im Jahr 1790 die Notwendigkeit und den
Nutzen der mechanischen Durchflussmessung für den Menschen. Das von Woltmann
beschriebene Messprinzip des hydrometrischen Flügels zählt noch heute zu den
Standards der Fließgeschwindigkeitsmessung in Flüssen und offenen Gerinnen (OTT
C31, S.3).
Der moderne Messflügel besteht aus einem drehbaren Aufsatz in Form eines
Propellers, einem stromlinienförmigen, wasserdichten Körper und einem
Zählmechanismus (Maniak 2005, S.62). Nachdem das Schaufelrad des Flügels durch
15
das Wasser in Bewegung versetzt wurde, leitet der Kontaktgeber der Zählmechanik
ein Signal pro Umdrehung an ein seperates Zählgerät weiter.
Der Zusammenhang zwischen Umdrehungszahl und Fließgeschwindigkeit wird durch
folgende Formel beschrieben (OTT C31, S.2).
𝑣 = 𝑘 ∗ 𝑛 + ∆
Die Konstanten k und Δ müssen für jeden Flügel individuell und exakt vom Hersteller
bestimmt werden (OTT C31, S.2). Die Messdauer ist stets so zu wählen, dass kleinere
Strömungsschwankungen das Ergebnis nicht verfälschen; empfohlen werden hier 30
Sekunden (Kraus 2009, S.3).
Messungen mit dem hydrometrischen Flügel können nahezu überall zum Einsatz
kommen, da dem Flügel nur wenig Grenzen gesetzt sind. Probleme ergeben sich
jedoch bei zu seichtem Gewässer, bei denen der Flügel nicht komplett unter Wasser
liegt. Außerdem muss die Fließgeschwindigkeit größer als die Anlaufgeschwindigkeit
des Flügels (in der Regel 2 cm/s) sein. Zuletzt können auch vorhandene
Wasserpflanzen die Messung mit dem Flügel unmöglich machen. Bei zu starker
Verkrautung kann sich der Flügel nicht mehr drehen und verhakt sich in den Pflanzen
(zustimmend Siedschlag 2015, S.236). Diese Einschränkungen beim Einsatz des
Flügels führten letztlich dazu, dass sich neben den mechanischen
Durchflussmessungen noch alternative Systeme zur Messung der
Fließgeschwindigkeit entwickelten.
2.6. Hydrometrischer Flügel in seiner heutigen Form (Quelle: Morgenschweis (2010), S. 128.)
16
2.3.1.1.2. Magnetisch induktive Durchflussmessung
Eines dieser alternativen Systeme ist das seit über 60 Jahren in der Industrie
angewandte Magnetisch-induktive Verfahren. Es basiert auf dem Faraday‘schen
Induktionsgesetz, welches besagt, dass durch die Bewegung eines elektrisch
leitenden Körpers im Magnetfeld, diesem eine Spannung induziert wird, welche
proportional zu seiner Geschwindigkeit v, der Magnetfeldstärke B und dem Elektro-
denabstand L ist. (Vgl. Hering et al. 1995, S.315).
𝑈 = 𝐵 ∗ 𝐿 ∗ 𝑣𝑚𝑖𝑡
Die Magnetisch-induktive Sonde (MID-Sonde) ist eines der auf diesem Verfahren
basierenden Messinstrumente. Da bei ihr die Größen B und L feste bekannte Werte
sind, vereinfacht sich die Gleichung wie folgt:
𝑈 = 𝑘𝑆 ∗ 𝑣𝑚𝑖𝑡
Das Messinstrument selbst besteht aus einem Messkopf, der die Messelektronik und
die Magnetspulen, die ein Magnetfeld erzeugen, enthält. Des Weiteren enthält er zwei
isolierte Elektroden, welche senkrecht zum Magnetfeld und der Fließrichtung
angebracht sind und dazu dienen die Fließgeschwindigkeit zu messen. Ein tragbares
Anzeigegerät gibt die gemessenen Geschwindigkeiten an. Während der Messung ist
die Sonde stets parallel zur Strömung auszurichten, sowie ein ausreichend langes
Messintervall zu wählen (Kraus 2009, S.3).
Der Vorteil der Magnetisch-induktiven-Strömungssonde ist die Unabhängigkeit von
Druck, Dichte, Temperatur und Viskosität (Tecmara GmbH). Ein weiterer Vorteil ist die
Einsatzmöglichkeit in verkrauteten Gewässern (OTT MF Pro, S.2). Messungen können
nicht nur näher am Ufer oder anderen Hindernissen durchgeführt werden, sondern
auch bei sehr geringen Strömungen, da anders als beim hydrometrischen Flügel keine
Anlaufgeschwindigkeit überwunden werden muss. Dennoch unterliegt auch die MID-
Sonde Mindestabständen Dmin in Hinblick auf Ufer, Sohle und Wasseroberfläche
(Morgenschweis 2010, S.141).
17
Magnetisch-induktive Sonden kommen daher meist dort zum Einsatz, wo der hydro-
metrische Flügel aufgrund der Fließgeschwindigkeit, der Verkrautung oder sonstigen
Begrenzungen nicht verwendet werden kann (Pertl 2004, S.41). Der Vergleich von
Messergebnissen zeigt eine sehr hohe Übereinstimmung zwischen magnetisch-
induktiver und der mechanischen Messung mit Flügel (Pertl 2004, S.64). Die MID-
Sonde stellt damit eine optimale Ergänzung zur mechanischen Durchflussmessung
dar, wobei die einzuhaltenden Mindestabstände der praktischen Anwendung Grenzen
setzen.
2.3.1.1.3. Akustische Durchflussmessung
Eine weitere alternative Methode ist die akustische Durchflussmessung. Derartige
Verfahren basieren auf der Messung der Fließgeschwindigkeit durch den Frequenz-
unterschied von ausgesandten und reflektierten Ultraschall-Impulsen. Der Acoustic-
Doppler-Profiler genannt ADP (ADP SonTek) bedient sich des Phänomens der
Doppler-Verschiebung. Dieses beschreibt die Frequenzverschiebung eines Signals,
bei dem sich das Signal zwischen Senden und Empfangen verändert (Fiedler, K.,
S.22). Je größer die Bewegungsgeschwindigkeit des Senders bzw. des Empfängers,
umso größer die Doppler-Verschiebung. Vereinfacht lässt sich die Frequenzverschie-
bung im Allgemeinen aus der ausgesandten Frequenz, der Schallgeschwindigkeit im
betrachteten Medium und der Relativgeschwindigkeit berechnen (Fiedler, K., S.36).
∆𝑓 = 𝑓 ∗𝑣
𝑐
Messpunkt Dmin in cm
Wasseroberfläche 5 - 10
Sohle 2,5
Ufer 2,5 bei v > 10 cm/s
5 bei v < 5 cm/s
2.7. Magnetisch induktiver MF-Pro Sensor der Firma OTT
(Quelle: OTT MID) Tabelle 2.1. Minimal einzuhaltende Abstände beim Einsatz der MID-Sonde (Quelle: Morgenschweis (2010), S.141.)
18
Mit Hilfe des weiterentwickelten Ultraschall-Puls-Dopplerverfahren lässt sich die zuge-
hörige Entfernung vom Sender bis zum reflektierenden Partikel bestimmen. Hierbei
fungieren die Sensoren in der Regel als Sender und Empfänger, um so eine minimale
Auflösung zu erreichen (Teufel 2006, S.384). Die Ultraschallstrahlen werden in
Frequenzbündeln definierter Länge in kurzen Pulsen (einige hundert Signale pro
Sekunde) ausgestrahlt. Notwendig ist das Vorhandensein von Partikeln im Wasser
welche die Ultraschallsignale reflektieren können (Fiedler, K., S.3).
Ein wesentlicher Bestandteil der heutigen Systeme ist eine Kombination des Puls-
Dopplerverfahren mit dem Korrelationsverfahren, einem mathematischen Hilfsmittel im
Bereich der Datenauswertung und Signalgewinnung (Teufel 2006, S.385). Mit jedem
Echo des Pulsverfahrens wird ein Bild der Streukörper im Wasser abgespeichert. Aus
dem Vergleich der Bilder kann die Zeitverschiebung bestimmt werden, welche propor-
tional zur Geschwindigkeit der Partikel und somit zur Strömungsgeschwindigkeit ist.
Diese Korrelation ergibt die mittlere Geschwindigkeit des Pulsbündels (Teufel 2006,
S.385). Zusammen mit der Zeitdifferenz zweier Pulse wird die
Transportgeschwindigkeit ermittelt.
𝑣 = (𝑐 ∗ 𝛥𝛷)
( 4𝜋 ∗ 𝜏)
Die Ultraschall-Doppler-Messtechnik steht in zwei verschiedenen mobilen
Ausführungen zur Verfügung (Vgl. Produktkatalog SEBA). Für das Vielpunkt- oder das
abgekürzte Punktmessverfahren steht ein der MID-Sonde ähnliches Gerät zur Verfü-
gung. Dieses arbeitet mit Frequenzen um die 6 MHz und kann Geschwindigkeiten
zwischen 0 und 3 m/s messen, jedoch keine Aussage über die Strömungsrichtung
treffen (AquaProfiler-M, S.2). Sollte diese Information wichtig für die Messung sein,
besteht die Möglichkeit auf den zweiten Typen zurückzugreifen. Hier werden zwei
ADP-Sensoren mit einem Wasserstandssensor kombiniert und ermöglichen so eine
gleichzeitige Messung der Wassertiefe, wobei zu beachten ist, dass diese Sensoren
nur in Verbindung mit der Integrationsmethode zum Einsatz kommen (AquaProfiler M-
Pro, S.2). Durch die zwei Sensoren ist außerdem eine Bestimmung der Strömungs-
richtung möglich. Ein Nachteil dieser Messsysteme ist der tote Bereich vor der Sonde,
welcher in der Regel 10 – 15 cm groß ist.
19
Ein zusätzlich erwähnenswertes Messsystem auf Basis der akustischen Durchfluss-
messung ist der Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP), dessen Technik sich in den
letzten Jahren deutlich weiterentwickelt hat (HD Steiermark 2004, S.5). An einem Boot
montierte ADCPs erwiesen sich als ein hilfreiches Werkzeug bei der Reduzierung der
Dauer von Durchflussmessungen und ermöglichen die Messung von
Geschwindigkeiten auf innovative Art (Vgl. USGS 2013, S.1f.). Die Sensoren werden
so an einem Messboot angebracht, dass sie während der Überquerung des
Gewässers zur Sohle ausgerichtet sind (USGS 2013, S.2). Diese Systeme messen die
Geschwindigkeit des Wassers relativ zur Geschwindigkeit des Bootes, welche mit Hilfe
des sogenannten Bottom Track aus der Reflektion der Schallwellen an der Sohle
bestimmt werden kann (USGS 2013, S.2). Hohe Partikelkonzentrationen nahe der
Sohle durch Geschiebeabtrieb oder Ähnlichem führen zu einer Verfälschung der
Reflektion und können in einer falschen Messung der Wassertiefe oder der
Bootsgeschwindigkeit resultieren (USGS 2013, S.2). Das ADCP unterteilt den
Gewässerquerschnitt anhand der Reflektionszeiten in Tiefenzellen und weist jeder
eine gemessene Geschwindigkeit zu (USGS 2013, S.6). Die bei diesem Verfahren
verwendeten Boote können sowohl bemannt als auch unbemannt sein (USGS 2013,
S.14).
2.3.1.2. Durchführung einer punktuellen Messung
Mit Hilfe der dargestellten Messsysteme kann nun eine punktuelle Messung vorge-
nommen werden. Bei der Durchführung in der Praxis haben sich grundsätzlich zwei
Verfahren bewährt, die Messung an der Stange oder am Schwimmflügel (LfU, Krämer
2002, S.15).
2.8. Ultraschall-Doppler-Strömungssonde (Quelle: OTT
ADC)
2.9. Ultraschall-Doppler-Profiler mit Stange (Quelle: SEBA
M-Pro)
20
2.3.1.2.1. Stangenmessung
Im Falle der Stangenmessung werden zusammen-
schraubbare Metallstangen mit einem Durchmesser
von 10 – 40 mm (i.d.R. nur 20 mm) und
Markierungen in Zentimeter-Abständen verwendet.
Abbildung 2.10. zeigt wie das Gestänge mit einem
Messinstrument verbunden wird. Je nach benötigter
Tiefe kann man um zusätzliche Abschnitte
erweitern. Mit Hilfe dieser Konstruktion wird das
gesamte Messgerät an den einzelnen Punkten jeder
Lotrechten für die festgelegte Messdauer ins
Wasser eingesetzt. Dies ist ein sehr langwieriger
Vorgang, da nach jeder Messung die Sonde wieder
aus dem Wasser gezogen werden muss, um in der
Höhe verstellt zu werden. Bei modernen Geräten
gibt es bereits Konstruktionen mit denen die Höhen-
verstellung durchgeführt werden kann, ohne das
System aus dem Wasser zu holen (OTT ADC, S.6).
Zu beachten ist bei dieser Art der Messung, dass die
Strömungsverhältnisse durch den Messenden nicht beeinträchtigt werden und das
Gestänge während des gesamten Messvorgangs senkrecht gehalten wird. So weit
möglich wird die Messung von einer Brücke oder alternativ einem transportablen
Messsteg zur Vermeidung von Strömungsänderungen bevorzugt (LfU, Krämer 2002,
S.16).
2.3.1.2.2. Schwimmkörper
Steht kein Gestänge oder eine geeignete Brücke zur Verfügung, bietet sich eine
Messung am Seil an. Die Messsonde wird zusammen mit einem fischkörperartigen
Ballastgewicht an einem Seil ins Wasser gelassen (Maniak 2005, S.63). Die Flügel-
achse orientiert sich automatisch in Richtung der Fließgeschwindigkeit (LfU, Krämer
2002, S.17). Die Eintauchtiefe des Messkörpers wird über die Länge des abgespulten
2.10. Montierte MID-Sonde am Messgestänge (Quelle: Füller 2016)
21
Seiles ermittelt. Bei starker Strömung driftet der Schwimmkörper ab und verfälscht so
die Werte der Eintauchtiefe. Beträgt der Abdriftwinkel mehr als 5° muss eine Korrektur
mit Hilfe folgender Formel vorgenommen werden.
ℎ𝑘 = ℎ𝑔 – (𝛥ℎ1 + 𝛥ℎ2)
Die beiden Werte Δh1 und Δh2 ermittelt man mit Hilfe des Abstandes a zwischen
Wasser und Seilaufhängung, sowie dem Winkel α welcher die Ablenkung des Seiles
aus der Senkrechten beschreibt während der Schwimmkörper sich auf der
Wasseroberfläche befindet und dem Winkel β welcher sich aus der Ablenkung ergibt,
wenn der Schwimmkörper auf der Sohle aufsetzt. In der Pegelvorschrift von 1961
finden sich Tabellen in denen die entsprechenden Werte für Δh1 und Δh2
nachgeschlagen werden können. Heutzutage kann durch Tiefenmesssonden unab-
hängig von der Seillänge die Eintauchtiefe bestimmt und somit dieser Fehler minimiert
werden (Vgl. LfU, Krämer 2002, S.17). Verwendet werden derartige Schwimmflügel in
Kombination mit mobilen Messauslegern an Brücken oder Seilkrananlagen.
Stationäre Seilkrananlagen bieten einen hohen Schutz des Personals an Stellen, an
denen eine Durchflussmessung von einer Brücke oder Ähnlichem nicht möglich wäre.
Die Laufkatze der Anlage kann von einem sicheren Standpunkt am Ufer mit Hilfe eines
tragbaren Steuergerätes bedient werden. Sie können Querschnitte mit einer Breite von
bis zu 160 Metern abdecken (OTT Seilkrananlage, S.1ff).
2.11. Mobiler Brückenausleger (Quelle: SEBA Brückenausleger) 2.12. Stationäre Seilkrananlage SKA-H der Firma SEBA Hydrometrie (Quelle: SEBA SKA-S)
22
2.3.1.3. Ermittlung des Gesamtdurchflusses
Nachdem die Fließgeschwindigkeiten jeder Messstelle in verschiedenen Tiefen
ermittelt wurden, kann die mittlere Geschwindigkeit entsprechend der verwendeten
Anzahl an Messpunkten berechnet und daraus der Durchfluss für jede Lamelle
bestimmt werden. Den Gesamtdurchfluss des Gewässerquerschnitts erhält man durch
aufsummieren der Einzeldurchflüsse (Pertl 2004, S.36).
𝑄 = ∑𝑄𝑖
2.3.2. Messung der mittleren Querschnittsgeschwindigkeit
Alle beschriebenen Messverfahren zur Ermittlung des Durchflusses mittels punktueller
Messungen liefern eine detaillierte Abbildung der Strömungssituation im Messquer-
schnitt. Kann auf derartige Informationen verzichtet werden, da es sich zum Beispiel
um eine reine Ermittlung der Durchflussganglinie handelt, bietet sich die Messung der
mittleren Fließgeschwindigkeit vmit des Gewässers im Bereich der Messstelle an.
2.3.2.1. Messschirm
Die integrierende Durchflussmessung mittels Messschirm ist ein einfaches Verfahren,
welches sich jedoch auf kleinere Gewässer mit einem regelmäßigen Querschnitt auf
einer längeren Strecke beschränkt. Trotz der hohen Genauigkeit von +/- 2% wird diese
Methode heutzutage nur noch selten angewandt und dies meist nur im Versuchswesen
(Morgenschweis 2010, S.219).
Auf beiden Seiten des Ufers müssen für die Anwendung Schienen befestigt werden,
auf welchen sich anschließend der Messschirm mit der Form des Gerinnequerschnitts
mittels einer Laufkatze bewegt. Angetrieben wird die Konstruktion durch das fließende
Wasser, weshalb die Geschwindigkeit, mit welcher sich der Schirm bewegt, der
mittleren Fließgeschwindigkeit des Gewässers entspricht. Gemessen wird die Zeit, die
der Schirm benötigt um eine bestimmte Strecke zurückzulegen (Büttig 2015, S.6).
23
Nach der allgemein gültigen Formel bestimmt sich die Geschwindigkeit aus der
benötigten Zeit für die zurückgelegte Strecke (Vgl. Hering et al. 1995, S.20).
𝑣 = 𝑠
𝑡
Um die tatsächliche mittlere Fließgeschwindigkeit des Querschnittes zu erfassen, ist
es dringend erforderlich, dass der Messschirm den kompletten Querschnitt ausfüllt und
keine Spaltwasserverluste auftreten. Ein gewisser Abstand zwischen Messschirm und
Kanalwand muss jedoch gegeben sein, damit sich die Konstruktion fortbewegen kann.
Zwangsläufig auftretende Spaltwasserverluste beeinträchtigen erheblich die
Messgenauigkeit. Ebenfalls zu beachten ist, dass das System keine hohe Trägheit
aufweist und der Fahrtwiderstand des Systems schnell vom Wasserdruck überwunden
werden kann.
2.3.2.2. Tracerverfahren
Unter dem Tracerverfahren versteht man den Einsatz von geeigneten
Markierungsstoffen zur Verdeutlichung der Strömungen im Gewässer mit der grundle-
genden Zielsetzung, Fließwege nachzuvollziehen sowie der Ableitung quantitativer
Aussagen über Fließgeschwindigkeit und Stoffverlagerung (TU Cottbus 2006, S.1).
Die seit dem Jahre 1923 bekannten Versuche mit Tracern finden Anwendung in
Gewässern in denen klassische Methoden scheitern. Als Markierungsstoffe für die
Geschwindigkeitsmessung eignen sich Elektrolyte, radioaktive Stoffe und Farbstoffe.
Bei der Wahl des Tracers ist die Umweltverträglichkeit und ein unbedenklicher Einsatz
2.13. Anordnung eines Messschirms (Quelle: Morgenschweis 2010, S.218.)
24
stets zu berücksichtigen. Außerdem sollte er kaum in dem zu untersuchenden
Gewässer vorhanden und ausreichend nachweisbar sein, sowie ein repräsentatives
Verhalten für Wasserbewegungen besitzen. Elektrolyte können später mittels
Messung der Leitfähigkeit, Farbstoffe mit Hilfe von kolorimetrischen Messungen und
radioaktive Stoffe durch Messung der Aktivität nachgewiesen werden. Üblich ist eine
Messung direkt vor Ort, allerdings ist auch eine regelmäßige Probenentnahme
möglich, welche später im Labor ausgewertet werden.
Unter der Messstelle bei einem Tracerversuch versteht man einen längeren Gewäs-
serabschnitt, welcher die Eingabe- und Entnahmestelle sowie die Durchmischungs-
strecke umfasst und dessen Länge die vollständige Vermischung des Tracers mit dem
Wasser ermöglicht, ohne dass jedoch große Teile des Markierungsstoffes verloren
gehen (TU Cottbus 2006, S.3).
2.3.2.2.1. Bestimmung der Durchmischungsstrecke
Die Länge der Durchmischungsstrecke hängt von vielen Parametern ab und variiert
daher von Gewässer zu Gewässer. Wie schnell eine vollständige Durchmischung
eintritt hängt maßgeblich von der Art des Gewässers und der Fließgeschwindigkeit ab.
Vielzählige Versuche zeigten daher, dass jede theoretisch ermittelte Länge mit der
Praxis nur selten übereinstimmt und daher die Formeln für die Berechnung der Strecke
lediglich als grobe Abschätzung dienen (TU Cottbus 2006, S.4). Es gibt viele
verschiedene Ansätze, jedoch kann als Faustformel für die Länge der Durchmi-
schungsstrecke die Formel von Day verwendet werden.
𝐿 = 25 ∗ 𝑏𝐹
Vor der eigentlichen Versuchsdurchführung sollte die theoretisch ermittelte Strecke
stets durch Versuche bestätigt werden, wobei sich vor allem optische Tracer wie Farb-
stoffe eignen.
25
2.3.2.2.2. Einspeisung des Tracers
Bei der Zugabe des Markierungsstoffes in das Gewässer unterscheidet man die
Momentan Injektion und die Kontinuierliche Injektion.
- Momentan Injektion: In einem kurzen Zeitintervall wird die gesamte Tracer-
menge in das Gewässer eingespeist. Nach der Durchmischungsstrecke wird die
Konzentration des Markierungsstoffes gemessen, welche beim Eintreffen der
Welle stark ansteigt und anschließend langsam abfällt. Unter der
Voraussetzung, dass der Durchfluss Q konstant ist, kann folgende Formel zur
Berechnung verwendet werden (TU Cottbus 2006, S.6).
𝑄 = 𝑀
∫ (𝑐(𝑡) − 𝑐0)𝑑𝑡𝑡
0
- Kontinuierliche Injektion: Bei der in der Praxis häufiger vorkommenden kontinu-
ierlichen Injektion wird der Markierungsstoff über eine längere Zeit mit
konstanter Konzentration zugegeben, bis an der Messstelle eine stationäre
Verdünnung vorliegt (TU Cottbus 2006, S.5).
𝑄 = 𝑞 ∗(𝑐1 − 𝑐2)
(𝑐2 − 𝑐0)
Während die Kontinuierliche Injektion einfacher zu messen ist, gestaltet sich die
Einspeisung deutlich aufwändiger und der Bedarf an Tracer deutlich höher. Im
Gegensatz gestaltet sich die Messung bei der Momentan Injektion deutlich
komplizierter, während die Einspeisung hier sehr einfach abläuft. Bei der Momentan
Injektion werden im Vergleich zu der Kontinuierlichen Injektion deutlich geringere
Mengen an Tracerstoffen benötigt (TU Cottbus 2006, S.7).
2.4. Messung des Wasserstands
Ziel jeder Durchflussmessung ist eine Aussage über die Durchfluss-Wasserstand-
Beziehung des Gewässerquerschnittes zu treffen. Daher ist es elementar bei jeder
Durchflussmessung den zugehörigen Wasserstand (Pegel) zu bestimmen. Der Pegel
gibt an wie hoch der Wasserspiegel über einem festgelegten Bezugspunkt liegt.
26
Um diesen zu bestimmen stehen vier Methoden zur Verfügung (LfU Wasserstands-
messung).
2.4.1. Der Lattenpegel
Der Lattenpegel ist im übertragenen Sinne ein großer Meterstab, welcher an
Bauwerken, in Pegelnischen oder bei kleinen Gewässern an einem Pfahl befestigt
wird. Oftmals ist der Pegel auch schräg an Treppen angebracht. Sein Nullpunkt
befindet sich meist unterhalb der Pegelsohle, eingemessen auf das deutsche Höhen-
festnetz (LfU Wasserstandsmessung).
2.4.2. Der Schwimmschreibpegel
Schwimmschreibpegel werden schon seit Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt, wobei
insbesondere ihre Langlebigkeit, sowie die kostengünstige Wartung den Einsatz dieser
Methode immer noch sinnvoll erscheinen lässt. (Pertl 2004, S.16). Bei diesen
Pegelmessern wird ein Schwimmer verwendet, der durch ein über Rollen geführtes
Stahlseil verbunden wird. Über eine Umlenkrolle werden die Bewegungen des
Schwimmers an ein Schreibwerk weitergeleitet (Maniak 2005, S.55). Der Zulauf zum
Schwimmerschacht wird so gelegt, dass der Pegel bei Höchst- und
Niedrigstwasserständen immer noch in der Lage ist die Veränderungen zu messen
(Vgl. Pegeldeutschland).
2.15. Schrägpegel (Quelle: Vlotho)
2.14. Lattenpegel (Quelle: WSV)
27
2.4.3. Der Druckpegel
Druckpegel werden in Bayern nun seit über zwei Jahrzehnten verwendet. Ihr Vorteil
liegt in der freien Wahl des Gerätestandorts, welcher bis zu 200 Meter weit vom
betrachteten Gewässer entfernt sein kann. Sie basieren auf dem sogenannten
Einperlverfahren, bei welchem Druckluft durch eine dünne Leitung in das Wasser
eingespeist wird. Der benötigte Druck entspricht dem Wasserdruck über der Öffnung
der Leitung (LfU Wasserstandsmessung). Mit sinkendem oder steigendem Wasser-
stand verändert sich der Wasserdruck und führt zu einer Veränderung im benötigten
Druck. Diese Druckänderungen werden an eine Schreibfeder übertragen. Alternativ
zum Einperlverfahren können Drucksonden verwendet werden welche mittels einer
Druckmembran den Wasserdruck messen und in einem Datensammler speichern (LfU
Wasserstandsmessung).
2.4.4. Das Wasserstandsradar
Der Wasserstandsradar, auch Pulsradar genannt, verwendet Mikrowellen-Impulse und
misst die Laufzeit zwischen Senden und Empfangen der Pulse, welche an der
Wasseroberfläche reflektiert werden. Die Laufzeit ist proportional zur Entfernung
zwischen Sender und Wasseroberfläche. Der Messbereich solcher Pegel liegt
zwischen 0 und 35 Meter. Die Impulse im Bereich von 5,8 GHz werden von
Temperatur, Wind, Regen und Schnee nicht beeinflusst (Wyder 1998, S.61).
2.16. Schreibpegelstation (Dyck (1995), S. 91.)
28
2.4.5. Mobile Pegelmessung
Da die oben beschriebenen Methoden der Wasserstandsbestimmung stationär und
mit hohem Einrichtungsaufwand verbunden sind, bieten sie sich lediglich bei kontinu-
ierlichen Durchflussmessungen an. Im Falle der einmaligen Messung lohnt sich derar-
tiger Aufwand nicht und nur sehr selten steht ein nichtregistrierender Pegel an genau
der benötigten Stelle zur Verfügung. Hier kann man auf den Einsatz von Systemen der
Fernerkundung mit Satelliten zurückgreifen. Mit Hilfe dieser Geräte können die Koor-
dinaten der beiden Ufer an der Wasserkante ermittelt und daraus auf den Wasserstand
des Gewässers geschlossen werden. Leider kann selbst bei idealen Bedingungen nur
eine maximale Messgenauigkeit von ±10 cm erreicht werden (Morgenschweis 2010,
S.85). Bereits bei bewölktem Himmel oder Messungen unter Bäumen kann diese
Genauigkeit aufgrund der gestörten Verbindung zu den Satelliten drastisch sinken.
2.5. Berücksichtigung der Messunsicherheiten
Grundsätzlich weicht jeder gemessene Wert von dem tatsächlich untersuchten
Zustand ab, sodass es Aufgabe des Messpersonals ist, diese Fehler so gering wie
möglich zu halten (LfU, Krämer 2002, S.34).
2.5.1. Systematische Fehler
Unter systematischen Abweichungen versteht man alle Abweichungen, die aus der
„angewandten Messmethode, dem Messgerät oder der Vorgehensweise des
Personals“ (LfU, Krämer 2002, S.34) resultieren. Diese können auch durch mehrere
Messungen nicht beseitigt werden. Bei einwandfrei funktionierenden Geräten und
einer sorgfältigen Bedienung sollten derartige Abweichungen unter 1% liegen (LfU,
Krämer 2002, S.34). Ein Wert wird durch systematische Fehler unrichtig (Gräber TUD,
S.185).
29
2.5.2. Zufällige Fehler
Zufällige Abweichungen entstehen durch unvermeidbare Einflüsse technischen oder
natürlichen Ursprungs auf die Messung (LfU, Krämer 2002, S.34). Da diese sich stetig
verändern, kann man durch mehrfache Durchführung der Messung und anschließende
Mittelung der Ergebnisse diese Fehler möglichst geringhalten (LfU, Krämer 2002,
S.34). Durch zufällige Fehler wird die Messung unsicher (Gräber TUD, S.185).
2.5.3. Ausgleich der Messfehler
Systematische Fehler lassen sich nur durch ausreichend geschultes Personal,
Vergleichsmessungen mit anderen Geräten und Personen sowie regelmäßiger Kalib-
rierung der Messgeräte weitestgehend geringhalten (LfU, Krämer 2002, S.34).
Anders verhält es sich bei den zufälligen Fehlern. Diese oftmals als statistische Fehler
bezeichneten Abweichungen werden in der Regel als normalverteilt angenommen und
mit den Mitteln der Statistik behandelt. Hierzu werden mehrere Messungen benötigt,
aus denen anschließend das arithmetische Mittel gebildet wird (Gräber TUD, S.195).
�̅� =1
𝑛∗ ∑ 𝑥𝑖
𝑛𝑚
𝑖=1
Dies liefert die beste Schätzung für den gesuchten Wert xwahr. Um eine Aussage über
die Wahrscheinlichkeit treffen zu können, mit welcher ein Messwert dem arithmeti-
schen Mittel entspricht, bestimmt man aus der Streuung der Ergebnisse die Stan-
dardabweichung und den Variationskoeffizienten.
𝑠 = √1
𝑛 − 1∗ ∑(𝑥𝑖 − �̅�)2
𝑛
𝑖=1
𝑣 =𝑠
�̅�∗ 100%
30
Liegt eine endliche Zahl an Messergebnissen vor, so kann der wahre Wert in einem
Bereich xwahr = x̅ ± Δx angenommen werden.
∆𝑥 = 𝑠
√𝑛
Zusätzlich muss die Streuung aus den Unsicherheiten der Messfehler berücksichtigt
werden, welche man mit Hilfe der t- / Student-Verteilung annimmt. Durch die
Verknüpfung der Standard-Abweichung mit dieser Verteilung erhält man die Wahr-
scheinlichkeit, mit welcher xwahr in dem Vertrauensbereich x̅ ± t * Δx liegt. Die Werte
für die t-Verteilung werden mittels der Anzahl der Messungen aus Tabelle 2.1. für die
gewünschte Sicherheit P bestimmt (Gräber TUD, S.197ff).
2.17. t-Werte der Student-Verteilung in Abhängigkeit der Genauigkeit (Quelle: TU Ilmenau, S.3.)
31
3. Messungen an der Mangfall
In diesem Kapitel wird die praktische Durchführung zweier der oben beschriebenen
Messmethoden anhand mehrerer Messungen an einem Nebenarm der Mangfall näher
dargestellt.
3.1. Die Mangfall
Die Mangfall entspringt am Tegernsee als dessen Abfluss und zieht sich anschließend
auf einer Länge von 58 km durch das bayerische Alpenvorland. Hierbei überwindet der
Fluss einen Höhenunterschied von 282 Höhenmetern, erschließt ein Einzugsgebiet
von rund 1102 km² und mündet zuletzt bei Rosenheim in den Inn. Ihr landschaftliches
Bild wurde maßgeblich durch die zunehmende Industrialisierung und die ihr folgende
Verbauung des Flussbetts geprägt. Die künstliche Begradigung führte zusammen mit
den zahlreichen Ausleitungen mittels kleiner Kanäle, um das Wasser der Mangfall für
Wasserkraftnutzung zu gewinnen, zu einem erheblichen Wasserverlust. Da dieser
Verlust zu einer gravierenden Beeinträchtigung der heimischen Tierwelt führte, wurde
in den letzten Jahren mit der Renaturierung des Flusses begonnen (Mangfall-Allianz).
Der bemessene Nebenarm der Mangfall liegt innerhalb des Flussteilstückes
Mangfall_Valley, welches Aufnahme in den Katalog der ProNaHo-Gebiete fand (Vgl.
ProNaHo AP1). Konkret befindet sich der Nebenarm auf Höhe der Gemeinde Weyarn,
im Landkreis Miesbach.
Als Messort eignete sich dieser Nebenarm der Mangfall daher bereits aufgrund seiner
Lage innerhalb eines ProNaHo-Gebiets. Entscheidende Voraussetzung war jedoch
auch, dass der bemessene Flussteil einen Biberdamm aufweisen konnte, da nur so
die vorzunehmenden Messungen auch als Grundlage zur Beurteilung der Einflüsse
des Biberdamms auf den Durchfluss eines Gewässers dienen könnten.
Generell treten Biber in dem Bereich der Voralpen und Alpen noch selten auf
(ProNaHo AP1, S.5), jedoch bietet das Einzugsgebiet Mangfall_Valley im Vergleich zu
den alternativen Gebieten des ProNaHo noch vereinzelte Vorkommen (ProNaHo AP1,
S.12). Die Biberpopulation ist jedoch auch innerhalb dieses Gebiets nicht stark
ausgeprägt (ProNaHo AP1, S.12), so dass die Auswahl der geeigneten Messorte auch
32
innerhalb des Einzugsgebiets beschränkt war. Da jedoch an diesem Nebenarm der
Mangfall ein Biberdamm vorhanden ist, fiel die Wahl auf das Flussteilstück.
Geprägt war der Messbereich von einem unebenen Flussbett mit wenig Geschiebe-
abtrieb und stark wechselhafter Verkrautung auf der orographisch rechten Flussseite.
Auf der in Fließrichtung rechten Seite ist der Fluss begrenzt durch einen flachen
versumpften Morast, wohingegen die linke Seite von einer steilen Geländekante
eingefasst wird. Das durch den Biberdamm aufgestaute Wasser trat entlang des
rechten Ufers über und umströmte den Damm. Um den gesamten Abfluss zu messen,
musste dies bei der Wahl der Messstelle berücksichtigt werden. Auffällig an dem
Biberdamm war, dass er trotz seiner durchlässigen Bauweise sehr viel Wasser staute,
der Fluss erreicht Tiefen von über einem Meter vor dem Biberdamm. Der Höhen-
unterschied der Wasserpegel von Oberwasser zu Unterwasser betrug ca. 63 cm.
3.1. Lage des Messortes (Quelle: Google Maps, bearbeitet)
33
3.2. Umfeld des Biberdammes
3.3. Der Biberdamm (Quelle: Füller 2016, bearbeitet)
34
3.2. Ablauf der Messungen
Für die geplante Durchflussmessung am Damm wurde von der Technische Universität
München ein hydrologischer Flügel, eine Magnetisch-induktive Sonde und ein ADCP-
Boot zur Verfügung gestellt. Vor Ort fiel die Wahl auf die Sonde und das ADCP-Boot,
da im orographisch rechten Flussquerschnitt eine Messung mit dem Flügel aufgrund
von starker Verkrautung nicht möglich gewesen wäre. Aufgrund der hohen Überein-
stimmung der Messwerte zwischen Sonde und Flügel, konnte ohne Probleme auf die
Flügelmessung verzichtet werden (vgl. Kapitel 2.3.1.1.2.). Eine Messung mittels
ADCP-Boot sollte die Ergebnisse der Messung mit der MID-Sonde evaluieren. Vor
Beginn der Messungen, wurde die Fahrtstrecke des Bootes durch ein Maßband
markiert. Dieses diente der Orientierung bei der Sonden-Messung und stellte sicher,
dass derselbe Querschnitt verwendet wurde. Bei der Wahl des Messquerschnittes
waren die umströmenden Wassermengen einzubeziehen, um einen repräsentativen
Durchfluss zu ermitteln. Durch markante End- und Anfangspunkte konnte sicher-
gestellt werden, bei allen drei Messtagen den selben Querschnitt zu bemessen.
3.2.1. Messungen mit dem ADCP-Boot
Begonnen wurde mit der ADCP-Messung um einen Überblick über die Strömungs-
situation vor Ort zu erlangen und gegebenenfalls die Lamellen der Sonden-Messung
anpassen zu können.
Hierzu wurde der RiverSurveyor S5 der Firma SonTek verwendet. Das Gerät verfügt
über 4 Sensoren mit einer Frequenz von 3 MHz und einen Vertical Beam mit einer
Frequenz von 1,2 MHz. Der Messbereich für Tiefenmessung liegt bei 0,20 bis 15
Meter, der Bereich für Geschwindigkeitsmessungen mit Bottom Tracking liegt in einem
Messbereich von 0,3 bis 5 Metern (SonTek Manual, S.3).
Um die Messung beginnen zu können, mussten zunächst die Messgeräte an dem
Transportboot montiert werden; Abbildung 3.4. zeigt das einsatzbereite Messboot.
35
1. GPS-Antenne
2. Befestigungen für Zugseile
3. Batterien und Funkantenne zur Datenübertragung
4. Keramik Ultraschall-Sensoren
Anschließend wurde über die Funkantenne des Bootes und eine USB-Antenne das
ADCP mit einem Laptop verbunden. Sind die beiden Geräte miteinander verbunden,
öffnet die zugehörige Software „RiverSurveyor Live“ von SonTek eine sogenannte
Smart Page, welche ermöglicht, nähere Informationen zu der Messung anzugeben,
sowie Systemeinstellungen anzupassen und Tests vor der Messung durchzuführen
(SonTek Manual, S.34). Dies erleichtert die Handhabung des Systems und verhindert
systematische Messungenauigkeiten durch Fehler in den Einstellungen.
Anschließend wird vom Messpersonal die Kalibrierung des eingebauten Kompasses
vorgenommen. Hierzu dreht sich eine Person mit dem Boot in der Hand innerhalb von
zwei Minuten zweimal um die eigene Achse, während sie gleichzeitig die Pitch und
Roll Bewegungen der Wellen imitiert. Die im Programm dargestellte Grünfärbung des
Kalibrierungskreises zeigt den Fortschritt an und ermöglicht es, an fehlerhaften Stellen
nachzukalibrieren. Dabei ist darauf zu achten, dass bei Gewässern mit stärkerem
Wellengang, höhere Pitch und Roll Werte erreicht werden müssen, da nur so Mess-
fehler durch Wellen vermieden werden können (SonTek Manual, S.25).
3.4. Fertigmontiertes ADCP-Boot
1
3
2
4
36
Für die Lokalisierung des Standortes wird im nächsten Schritt die magnetische
Deklination der Messstelle eingegeben und das zu verwendende Koordinatensystem
festgelegt, in welchem die Geschwindigkeit später angezeigt wird. In diesem Fall
wurde an allen Tagen das ENU-Koordinatensystem (East North Up) verwendet.
Die Eintauchtiefe, auch Transducer Depth genannt, gibt an wie tief die Sensoren unter
Wasser liegen und wird von der Wasserkante des Bootes bis zur Spitze der Keramik-
Sensoren gemessen. Hieraus resultiert später das obere Blanking, der Bereich in dem
keine Werte aufgrund von zu kurzen Reflektionszeiten gemessen werden können.
3.5. Screenshots von der Kompass-Kalibrierung des ADCP-Bootes
37
Die sogenannten Edge Settings geben den linken sowie rechten Abstand der
Sensoren zu der Bootskante an. Die spätere Messung erfordert, dass das Boot
zwischen den Ufern entlanggezogen wird. Erreicht das Boot das Ufer, so befindet sich
der mittig angebrachte Sensor jedoch noch immer im Gewässer. Dieser nicht
messbare Bereich kann später mittels einer Extrapolation überbrückt werden. Mit Hilfe
der einstellbaren Ufertypen kann die Software diesen Vorgang auf den jeweiligen
Messort anpassen. Zur Verfügung stehen dabei drei Ufertypen, Sloped Bank, Vertical
Bank und User Input für spezifische Ufer (SonTek Manual, S.71). Für die Berechnung
der Uferbereiche empfiehlt die Firma SonTek zehn Samples je Seite (SonTek Manual,
S.48). Pro Sekunde nimmt der RiverSurveyor S5 ein Sample auf (SonTek Manual,
S.143).
Abschließend gibt man der Software noch ein Startufer vor. Üblicherweise wird bei
einer Durchflussmessung das orographisch linke Ufer als Startpunkt gewählt. In
diesem Fall wurde jedoch das in Fließrichtung rechtsliegende Ufer verwendet. Dieser
Uferwechsel ermöglichte eine bessere Reaktion auf die natürlichen Umstände des
Messortes. So fanden sich bei den ersten Messungen auf der rechten Seite bessere
Verankerungsmöglichkeiten für das zu verlegende Maßband vor, weshalb sich dort
auch dessen Nullpunkt befand. Aus Gründen der Einheitlichkeit wurde im Folgenden
daher das rechte Ufer als Startpunkt für alle Messungen gewählt.
Ist nun auf der Smart Page jeder Schritt abgearbeitet, kann mit der eigentlichen
Messung begonnen werden. Wurde das Boot zu Wasser gelassen und am Startufer
mit der Spitze gegen die Stromrichtung in Position gebracht, kann an dem
verwendeten Laptop die Messung gestartet werden. Zu beachten ist dabei, dass die
3.6. Ufertypen
38
Flanke des ADCP-Bootes direkt am Ufer anliegt, um keinen zusätzlichen Raumverlust
zu erhalten, welcher nicht extrapoliert wird.
Soweit die örtlichen Gegebenheiten dies zulassen, sollten sich keine Personen
während der Messung im Wasser befinden, um eine Beeinflussung der Strömungs-
verhältnisse zu vermeiden. Bei der konkreten Messung wurden zwei lange Seile links
und rechts an dem Boot befestigt, damit es von den Ufern aus über das Wasser
gezogen werden konnte.
Während der ersten 10 Sekunden nach dem Start der Messung muss das Boot erst
einmal unbewegt am Startufer verharren damit die Starting Edge extrapoliert werden
kann. Erst dann kann das Boot langsam mit konstanter Geschwindigkeit über das
Wasser gezogen werden. Dabei entscheidet die Zuggeschwindigkeit über die Auflö-
sung des Geschwindigkeitsrasters; je schneller das Boot sich bewegt, umso gröber
fällt das Raster aus. Möchte man neben dem Durchfluss auch die Strömungs-
verhältnisse und zugehörige Geschwindigkeitsverteilungen des Querschnitts
betrachten, empfiehlt es sich ein feines Raster mittels langsamer Bootsgeschwin-
digkeit zu erzeugen.
Während sich das Boot über die Wasseroberfläche bewegt, messen zeitgleich die in
der Mitte montierten Sensoren des RiverSurveyor S5 die Geschwindigkeit der mitge-
führten Partikel aus der Korrelation der Echobilder und ermittelt daraus die Fließge-
schwindigkeiten des Wassers in den einzelnen Tiefenzellen. Messergebnisse dieses
Vorgangs findet man später in der Software unter dem Abschnitt In Transect.
Am anderen Ufer angekommen wird entsprechend dem Start Edge die sogenannte
End Edge extrapoliert. Ein einzelner Messdurchlauf besteht aus den drei Bereichen
Start Edge, In Transect und End Edge und wird am Ende automatisch gespeichert.
Beginnt man nun eine neue Messung, gibt das Programm automatisch das gegen-
überliegende Ufer als Startufer an und dreht die X-Achse um, sodass später alle
Querschnitte der Messreihe aus derselben Perspektive gezeigt werden. Insgesamt
wurden an jedem Tag zehn solcher Messungen vorgenommen, wodurch ein
durchschnittlicher Durchfluss bestimmt werden konnte und einzelne verfälschte
Messungen auffielen und dementsprechend berücksichtigt wurden.
39
Zusammenfassend zeigte besonders eine Funktion der ADCP Messung ihre Stärken
in der praktischen Anwendung. Das System ermöglicht es, die Messergebnisse sofort
auf dem Laptop zu begutachten. Bereits vor Ort können fehlerhafte oder ausschla-
gende Messungen erkannt und neu durchgeführt werden.
3.2.2. Messungen mit der Magnetisch-induktiven Sonde
Das zweite Verfahren, die Magnetisch-induktive Sonde, erwies sich als das zeitinten-
sivere der beiden Messungen. Reicht bei der ADCP Messung eine Person an jedem
Ufer aus, empfiehlt sich bei MID-Messungen mit dem Messgestänge die Ausführung
mittels dreier Personen. Eine Person hält die Messstange samt Sonde in die Höhe und
justiert diese, während die übrigen Personen das Anzeigegerät bedienen und die
gemessenen Werte notieren. Die Vorbereitung der Instrumente erfordert keine
Kalibrierung. Nach Montage der Sonde an dem untersten Element des Messgestänges
und der Verkabelung mit dem Bedienelement, welches durch eine externe Batterie
3.7. Messablauf mit dem ADCP-Boot (Quelle: Füller 2016)
40
betrieben wird, ist das Gerät Einsatz
bereit. Je nach Wassertiefe kann die
Länge des Gestänges gewählt werden.
Im ersten Schritt der Messung wurde mit
Hilfe des gespannten Maßbandes die
Breite des Querschnittes bestimmt und
daraus die Anzahl der Lamellen ermittelt.
In den dieser Arbeit zu Grunde liegenden
Messungen wurde der 9 m breite Mess-
querschnitt in 10 Lamellen mit einer Breite
von je 0,9 m unterteilt. Die Stellen an
denen anschließend die Messungen
durchgeführt wurden befanden sich
jeweils in der Mitte der Lamellen. Um
einen besseren Überblick während der
Messung zu behalten, wurden diese
vorab ermittelten Daten auf dem Messformular eingetragen. Zuerst wurde mittels dem
Messgestänge, welches eine Skalierung in cm-Schritten aufgedruckt hatte, die Tiefe
des Gewässers bestimmt. Der Schreiber am Ufer ermittelte nun jeweils die Messtiefen
entsprechend 0%/20%/40%/60%/80%/100% der Wassertiefe.
Zu beachten war, dass bei den Messungen an der Oberfläche die Sonde komplett im
Wasser eingetaucht sein musste, um eine korrekte Messung zu liefern. Aufgrund der
baulichen Dicke der Sonde von 3 cm, fand folglich die erste Messung stets 1,5 cm
unter der Wasseroberfläche statt. Bei der Justierung der Sonde musste darauf
geachtet werden, dass sich die Mitte des Magnetfeldes auf der exakten Höhe befand.
Ähnlich verhielt es sich an der Sohle. Hinzu kam hier, dass sich die Sonde auch auf
der tiefsten Einstellung noch 3 cm über der Sohle befand.
War die Sonde passend eingestellt, wurde eine 30 Sekunden lang dauernde Messung
gestartet, welche die durchschnittliche Geschwindigkeit in der entsprechenden Tiefe
in diesem Zeitraum lieferte. Während die Messung lief war mit besonderer Sorgfalt zu
beachten, dass keine der Personen im Wasser Einfluss auf die Strömung nahm und
die Sonde stets senkrecht, sowie entgegengesetzt der Fließrichtung gehalten wurde.
Anschließend konnte die Sonde aus dem Wasser gehoben werden, um die neue Tiefe
einzustellen und bei allen weiteren Messpunkten den Vorgang zu wiederholen. Da die
3.8. Durchführung der MID-Messung (Quelle: Füller 2016)
41
Sonde nach jeder Messung neu eingestellt werden musste, dauerte es erheblich
länger den kompletten Querschnitt zu erfassen als mit dem ADCP-Boot. Bei diesem
Verfahren reichte ein Durchgang jedoch aus, da mit jeder Messung bereits ein Mittel
der Geschwindigkeiten bestimmt wurde.
Pegel:
Datum: Uhrzeit:
Schaufelgröße:
Messflügel: Wasserstand Wasserstand
(Beginn): (Ende):
Behelfspegel Behelfspegel (Beginn): (Ende):
Breitenmessung von links Zeitdauer einer Messung: sec.
Lamelle 1 Abstand Ufer in m
Tiefe in m
mittlere Tiefe in m
MP (in %)
Höhe über Sohle am MP in cm
v in m/s Abfluss
Begrenzung 1 O
QL
0,2
Messlotrechte 0,4
0,6
Begrenzung 2 m 0,8
Sohle
m³/s
Breite = m Fläche = m² vmittel = m/s
3.11. Auszug des MID-Messprotokolls (Quelle: Dr. Jorge Leandro)
3.9. Bestandteile der MID-Sonde 3.10. Niedrigste Einstellung der MID-Sonde
42
3.3. Probleme während der Messung
Während der Messungen musste auf zahlreiche Besonderheiten des Flusses einge-
gangen werden. Besonders schwierig gestaltete sich die Erlangung einer
zuverlässigen und genauen GPS-Messung der Höhe des Wasserpegels. Der Fluss
wurde vor dem Biberdamm auf der orographisch linken Seite von einer steilen
Geländekannte eingefasst, welche obenauf stark bewaldet war. Das Gebiet rechts von
dem Fluss war sehr flach und teilweise überschwemmt. Jedoch reicht der Bewuchs bis
an das Ufer und sorgte zusammen mit den Bäumen der linken Uferseite für einen
sogenannten „Schattenwurf“, welcher eine gute Verbindung zu den Satelliten
unmöglich machte. Selbst in einer Höhe von vier Metern schwankten die Messwerte
um bis zu zwei Meter. Diese Schwankungen wurden mit Hilfe eines Satellitenbildes,
einer Orthokopter Befliegung und der gemessenen GPS-Daten gemittelt und in ein
digitales Geländemodell mit der Höhe des Wasserstandes am zweiten Messtag
(22.02.2017) eingepflegt (Vorabzug Stefan Bäumler 06.04.2017). Mit Hilfe dieses
Modells konnten die Wasserstände der anderen beiden Messungen bestimmt werden.
3.12 Bewaldung links und rechts des Flusses
43
Die nächsten Schwierigkeiten entstanden durch die sehr unterschiedliche Zusammen-
setzung der Sohle. Auf der in Fließrichtung rechten Seite des Flussbetts lagerten sich
vor allem sehr feine Sedimente ab, welche einen guten Nährboden für
Unterwasserpflanzen boten. So prägte bei der ersten Messung eine starke
Verkrautung den Querschnitt, welche es unmöglich machte den hydrometrischen
Flügel zu verwenden. Auch verfälschten die Bewegungen der Wasserpflanzen die
Messwerte des ADCPs, da dieses einen falschen Referenzwert für die
Bootsgeschwindigkeit ermittelte. Zur Mitte nahm die Flora des Flusses ab und wich
einem steinigen und kiesigen Flussbett. Die Sohle links war sehr hart und geprägt von
angespülten Steinen. Eine mögliche Erklärung für den Uferunterschied könnte die von
rechts drückende Strömung des kleinen Ablaufs sein, welcher den Damm umströmt
und Erdreich aus den Ufergebieten in den Fluss einträgt. Abbildung 3.13. zeigt sowohl
den farblichen Verlauf der Flusssohle von dunkel (orographisch rechts) zu hell
(orographisch links), als auch die fehlende starke Verkrautung am rechten Ufer.
3.13. Flussbett hinter dem Biberdamm (22.02.2017)
44
Des Weiteren zeigte ein Vergleich der gemessenen Wassertiefen während der MID
Messungen einen erheblich seichteren Querschnitt bei der letzten Messung trotz
höheren Durchflusses. Dies könnte ein Resultat aus schwankenden Volumenströmen
im Seitenarm sein.
3.15. Vergleich der gemessenen Wassertiefen
3.14. Veränderung der Verkrautung am rechten Ufer
45
4. Messergebnisse
Im Folgenden werden die Messergebnisse der beiden Verfahren an den jeweiligen
Tagen dargestellt. Um eine einheitliche Form zu erhalten, wurden die ADCP Daten aus
dem Programm RiverSurveyor Live in Matlab exportiert und dann mit Hilfe der in
Anlage I beigefügten Code-Vorlage in Grafiken umgewandelt. Da jede zweite Messung
des ADCPs von einem anderen Ufer aus startete und somit einen anderen Nullpunkt
hatte, wurde in diesen Scripten die fliplr(x) Funktion von Matlab verwendet um
einen einheitlichen Blickwinkel flussaufwärts zu erhalten.
Im Falle der Sonden Messungen wurden die Messergebnisse von dem Protokoll
lediglich in drei Vektoren x, y und v übertragen, wobei die Lamellen in eine linke und
eine rechte Hälfte aufgeteilt wurden, um die Rechtecke der pcolor Darstellung in
Matlab besser an den Boden anzupassen. Da der Nullpunkt der Messung mit der
Sonde am orographisch rechten Ufer lag, wurden auch die Grafiken der ADCP
Messung entsprechend angepasst. Der Blickwinkel auf den Gewässerquerschnitt ist
dementsprechend flussaufwärts. Verwendet wurde das Sechspunktverfahren (Vgl.
Kapitel 2.3.1.).
46
4.1. Tag 1 – 30.11.2016
Am Mittwoch den 30.11.2016 fand die erste Messung bei sonnigem, trockenem und
kühlem Wetter statt. Die Temperaturen fielen nachts unter 0°C, Schneefall trat noch
keiner ein. Die Mangfall hatte an der Messstation in Valley bis auf einen kleinen
Ausreißer durch einen kurzen Niederschlag im November einen konstanten Pegel von
579,05 m ü. NN (HND Bayern). Diese Daten konnten auch dem Messort zugrunde
gelegt werden, da die Messstation flussabwärts liegt und es sich zudem um am
nähesten befindliche Station handelt.
Abbildung 4.1. zeigt das am 30.11.2016 mit der MID-Sonde gemessene Geschwindig-
keitsprofil aus welchem sich ein Durchfluss von Q = 0,239 m³/s ergab.
Auffällig ist, dass die Fließgeschwindigkeiten an den Rändern nahe 0 m/s betragen,
obwohl auf der Höhe von x = 0 m der Seitenarm einmündet.
Dies bestätigte sich ebenfalls bei den ADCP-Messungen. Da diese Methode nur
Momentaufnahmen liefert, wurden zehn einzelne Messungen durchgeführt. Die
oftmals sehr hohen Geschwindigkeiten nahe x = 0 m resultieren aus den Bewegungen
der Pflanzen in der Strömung.
4.1. Geschwindigkeitsprofil gemessen mit MID-Sonde 30.11.16
47
4.2. Geschwindigkeitsprofile der ADCP-Messung am 30.11.2016
48
4.2. Tag 2 – 22.02.2017
Am Mittwoch den 22.02.2017 fand die zweite Messung statt. Während des gesamten
Dezembers und Januars konnten witterungsbedingt keine Messungen stattfinden. Erst
Ende Februar ergab sich ein Wasserstand der sich deutlich von der ersten Messung
unterschied. Wieder fanden die Messungen bei trockenem und kühlem Wetter statt. In
der ersten Hälfte des Februars lag der Wasserstand der Mangfall gemessen in Valley
wieder relativ konstant bei 579.05 m ü. NN. und stieg erst aufgrund eines Nieder-
schlagsereignisses ein paar Tage vor der Messung deutlich auf 579.45 m ü. NN. (HND
Bayern).
Abbildung 4.3. zeigt das mit Hilfe der Sonde gemessene Geschwindigkeitsprofil am
22.02.2017 aus welchem sich ein Durchfluss Q = 0,337 m³/s ergab. Wieder fällt auf,
dass der Hauptdurchfluss in der Mitte des Flusses abfließt.
Auch an diesem Tag wurden zehn Vergleichsmessungen mit dem ADCP-Boot durch-
geführt, um das Ergebnis der MID-Sonde zu validieren. Sofort ersichtlich sind die
höheren Fließgeschwindigkeiten in der Flussmitte und am orographisch linken Ufer (x
= 9 m). Letzteres ist ungewöhnlich, da der Seitenarm somit keinen Einfluss auf die
Strömung am rechten Ufer hätte.
4.3. Geschwindigkeitsprofil gemessen mit MID-Sonde 22.02.2017
49
4.4. Geschwindigkeitsprofile der ADCP-Messung am 22.02.2017
50
4.3. Tag 3 – 03.04.2017
Am Montag den 03.04.2017 erfolgte die dritte und letzte Messung. Der große Zeitraum
zwischen zweiter und dritter Messung ergab sich aus dem durch zwei Nieder-
schlagsereignisse geprägten März. In diesem Monat war es schwer einen Wasser-
pegel der Mangfall anzutreffen, welcher sich nicht nur von den ersten beiden
Messungen unterschied, sondern auch konstant genug war um mehrere Stunden den
selben Abfluss zu generieren. Am Tag der dritten Messung lag der Wasserstand der
Mangfall in Valley nur knapp unter dem des ersten Tages bei 578,95 m ü. NN (HND
Bayern). Wie auch in den Tagen vor der Messung herrschten Temperaturen zwischen
7 und 14°C ohne Regen.
Abbildung 4.5. zeigt das Geschwindigkeitsprofil vom 03.04.2017 mit einem Durchfluss
Q = 0,274 m³/s, welches sich in der Tiefe deutlich von den ersten beiden unterscheidet.
Auffällig sind die hohen Fließgeschwindigkeiten vor allem an der Oberfläche trotz eines
niedrigeren Wasserstandes. Die außergewöhnlich niedrigen Fließgeschwindigkeiten
in der Nähe des Nullpunktes lassen sich hier wieder beobachten.
Auch die darauffolgenden ADCP Messungen zeigten hohe Fließgeschwindigkeiten in
den Gewässerquerschnitten.
4.5. Geschwindigkeitsprofil gemessen mit MID-Sonde 03.04.2017
51
4.6. Geschwindigkeitsprofile der ADCP-Messung am 22.02.2017
52
5. Auswertung der Messergebnisse
Nun sollen die erlangten Messergebnisse ausgewertet werden, um die Grundlage für
die Ermittlung eines Durchfluss-Wasserstand-Diagramms bilden zu können. Um aus
den verschiedenen Messungen eine möglichst genaue Aussage über die Beziehung
zwischen Wasserstand und Durchfluss vor Ort treffen zu können, wurden zunächst die
einzelnen Messungen untereinander verglichen, um eventuelle Ungenauigkeiten elimi-
nieren zu können. Im Folgenden werden zunächst die Rohdaten der Messungen und
die daraus resultierenden Durchflüsse verglichen. Anschließend wird der für den
jeweiligen Tag repräsentativen Durchfluss ermittelt.
5.1. Genauigkeit der ADCP-Messungen
Messungen mit der Acoustic-Doppler-Current-Profiler Technologie stellen eine sehr
detaillierte Momentaufnahme der Strömungsverhältnisse in dem Gewässerquerschnitt
dar. Da jedoch in der Natur selten laminare Strömungen vorliegen, vielmehr Zuläufe,
Steine oder ähnliche Hindernisse Turbulenzen verursachen, benötigt man mehrere
Messungen, um dies so gut wie möglich ausgleichen zu können. Dies geschieht durch
Bildung eines Mittelwerts aus den mehrfachen Messungen.
Die Abbildungen 5.1. bis 5.3. zeigen die mittleren Fließgeschwindigkeiten von den
jeweiligen zehn Messungen des ADCP-Bootes und wie diese Messungen unter
denselben Bedingungen voneinander abweichen. Deutlich zu sehen sind die einzelnen
Ausreißer bei den Geschwindigkeiten infolge der vorhandenen Turbulenzen. Die
besonders hohen Geschwindigkeiten in dem Bereich x = [0;2] in Abbildung 5.1. resul-
tieren aus den Bewegungen der Pflanzen in der Strömung welche zu falschen
Messungen des ADCPs führten.
53
5.1. Mittlere Fließgeschwindigkeiten des ADCP-Verfahrens am 30.11.2016
5.2. Mittlere Fließgeschwindigkeiten des ADCP-Verfahrens am 22.02.2017
5.3. Mittlere Fließgeschwindigkeiten des ADCP-Verfahrens am 03.04.2017
54
Auffällig sind auch die, im Vergleich zu den ersten beiden Messungen, besonders
starken Schwankungen in Abbildung 5.3. welche sich auch in den
Standardabweichungen der Messung widerspiegelten.
Messung 1 (30.11.2016)
Messung 2 (22.02.2017)
Messung 3 (03.04.2017)
6,9% 6,4% 9,6% Tabelle 5.1. Standardabweichungen der gemessenen Fließgeschwindigkeiten
Eine ähnlich bedingte Streuung erhält man bei den gemessenen Durchflüssen des
ADCPs. Tabelle 5.2. zeigt die durchschnittlichen Durchflüsse und die Genauigkeit der
jeweiligen Messung.
Messung Durchschnittlicher Durchfluss [m³/s]
Standardabweichung
1 0.233 6,9% 2 0.326 2,9% 3 0.246 4,1%
Tabelle 5.2. Durchschnittliche gemessene Durchflüsse
Vergleicht man diese mit der Streuung der Geschwindigkeiten, so fällt auf, dass trotz
einer hohen Schwankung bei der Fließgeschwindigkeit mit einer Standardabweichung
von 9,6%, die Durchflüsse der dritten Messung mit einer Abweichung von ca. 4% in
einem vertretbaren Bereich liegen. So weist die erste Messung bei einer einheit-
licheren Messung der Fließgeschwindigkeiten im Vergleich dazu ein deutlich breiter
gefächertes Spektrum an Durchflusswerten auf. Zurückzuführen ist dies auf die
ausgeprägte Verkrautung am orographisch rechten Ufer zu dem Zeitpunkt der ersten
Messung, welche nicht nur die Strömungsgeschwindigkeiten verfälschten, sondern
auch zu einer unstetigen Wassertiefe an diesem Ufer führte. Deutlich zu sehen ist dies
in den Abbildung 4.2. sowie an den Geschwindigkeiten in Abbildung 5.1. Da der
Durchfluss sich aus der Formel 𝑄 = 𝑣 ∗ 𝐴 zusammensetzt, beeinflussen derartige
Schwankungen auf den ersten zwei Metern der Messstrecke das Ergebnis deutlich.
Bild 5.4. zeigt alle Abflüsse der ADCP-Messung und deren Mittelwert an den einzelnen
Tagen. Hier fallen im Vergleich zu den anderen Messungen die großen Abstände
zwischen den Punkten der ersten Messung auf.
55
5.2. Vergleich der zwei angewandten Verfahren
Da mehrere Messungen mit der RiverSurveyor S5 nicht alle negativen Einflüsse auf
die Messungen beseitigen können, verwendete man die Magnetisch-induktive-Sonde
für Vergleichswerte.
Zwar dauert die Messung mittels der Sonde erheblich länger als die Messung mit dem
Boot, jedoch führt die Dauer der einzelnen Messungen zu einer erhöhten Genauigkeit.
Durch die verwendeten Zeitintervalle von 30 Sekunden konnten die mittleren
Geschwindigkeiten auf den jeweiligen Messhöhen ermittelt werden. Die Messung
mittels Boot erlaubt hingegen nur eine Momentaufnahme. Da dies jedoch zu einer
Mehrung des Zeitaufwands führte und einzelne Messdauern von mindestens zwei bis
drei Stunden erforderte, war es für die eindeutige Zuordnung eines Wasserstandes zu
dem gemessenen Durchfluss notwendig, einen konstanten Wasserspiegel an den
Messtagen anzutreffen. Eine Veränderung in der Wasserhöhe würde auch eine
Veränderung in der Durchflussmenge bedeuten, wodurch die ersten Messwerte keinen
Bezug zu den letzten hätten. Bei keiner der erfolgten Messungen änderte sich jedoch
die Wassertiefe während der Durchführung.
5.4. Abflüsse der drei ADCP-Messungen
56
5.2.1. Analyse der mittleren Fließgeschwindigkeiten
Aufgrund der hohen Auflösung an Messpunkten des ADCPs, muss zu Beginn eine
gemeinsame Basis zwischen dem groben Gitter der MID-Sonde und dem feinen des
RiverSurveyor gefunden werden. In diesem Kapitel werden zwei verschiedene
Ansätze betrachtet, um dadurch eine fundierte Aussage über die Abweichungen
zwischen den Ergebnissen treffen zu können.
Im ersten Verfahren wurde aus den verschiedenen Profilen eine Durchschnittskurve
interpoliert, welche anschließend an den einzelnen Messpunkten der Sonde x = 0,45m
/ 1,35m / 2,25m / 3,15m / 4,05m / 4,95m / 5,85m / 6,75m / 8,55m mit deren Ergebnissen
verglichen wurde.
Bereits hier sind deutliche Abweichungen der beiden Messungen voneinander
erkennbar. Erst ab x = 4 m nähern sich die Ergebnisse der ersten beiden Messungen
an und bewegen sich in einem vertretbaren Rahmen zueinander. In Abbildung 5.7.
bestätigen sich die Schwankungen vom 03.04.2017. Während an den ersten zwei
Tagen sich eine deutliche Konzentration des Durchflusses in der Mitte des Gewässers
zeigt, scheint diese sich am dritten Tag auf einen breiteren Teil des Flusses zu
erstrecken. Grund hierfür können mehrere Ursachen sein. Der umströmende Seiten-
arm führte am Tag der dritten Messung deutlich mehr Wasser als sonst. Ein Versuch
5.5. Fließgeschwindigkeiten vom 30.11.2016 5.6. Fließgeschwindigkeiten vom 22.02.2017
5.7. Fließgeschwindigkeiten vom 03.04.2017
57
mit leichtem Treibgut wie z.B. Blättern ergab einen deutlichen Verlauf der Oberflächen-
strömung zur Flussmitte hin.
Eine derartige Strömung könnte sowohl für die niedrigen Geschwindigkeiten am
rechten Flussufer, als auch für den Ausschlag bei der dritten Messung auf der Höhe
von x = 3m als Erklärung dienen. Hinzukommt eine deutlich verminderte
Durchlässigkeit des Biberdammes auf der flussabwärts gesehen rechten Seite, was
eine Ablenkung des einmündenden Wassers aus dem Nebenarm verhindert und die
Konzentration des Durchflusses in der Flussmitte verstärkte.
Betrachtet man die Abbildungen 4.3. und 4.5. fällt auf, dass die Messungen der MID-
Sonde die höchsten Geschwindigkeiten nur wenig unterhalb der Wasseroberfläche
ergaben, was ein weiteres Indiz für den Fließweg der Wassermengen aus dem
Seitenarm ist.
Um die oben gezeigten Schwankungen zwischen den beiden Verfahren nun besser
beurteilen zu können, erstellt man aus den mittleren Geschwindigkeiten der ADCP
Messungen ein Konfidenzintervall mit α = 5% an den Messstellen der Sonde.
5.8. Unterschiedliche Unterströmung des Biberdamms
58
Hier spiegeln sich die starken Schwankungen der ADCP Messungen wieder, es zeigt
sich aber dennoch eine sehr hohe Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen. Die
ermittelten Durchflüsse basieren daher auf einer glaubwürdigen Geschwindigkeits-
messung.
5.2.2. Vergleich der gemessenen Durchflüsse
Um schlussendlich ein aussagekräftiges Durchfluss-Wasserstand-Diagramm erstellen
zu können, müssen die aus den Geschwindigkeiten ermittelten Durchflüsse der
einzelnen Tage gegenübergestellt werden. Tabelle 5.3. zeigt die gemessenen Durch-
flüsse der MID-Sonde und jeweils gemittelten Werte der ADCP-Messung sowie deren
Abweichung von den Werten der Sonde.
Messung QADCP [m³/s] QMID [m³/s] Abweichung
1 0,233 0,239 -2,5%
2 0,326 0.337 -3,3%
3 0,246 0,274 -10,2%
Tabelle 5.3. Vergleich der gemessenen Durchflüsse
Lieferten die ersten beiden Messungen noch außerordentlich gute Ergebnisse, so
machten sich doch bei den Durchflüssen der dritten Messung die starken Turbulenzen
wieder bemerkbar. In Abbildung 5.12. wird die Verteilung der Durchflüsse mit Hilfe
5.9. Konfidenzintervalle der Messung am 30.11.2016 5.10. Konfidenzintervalle der Messung am 22.02.2017
5.11. Konfidenzintervalle der Messung am 03.04.2017
59
eines Boxplot dargestellt. Die Kreise stehen hierbei für die Messwerte der MID-Sonde.
Erneut sieht man die gute Übereinstimmung an den ersten zwei Tagen. Markant ist
der zunehmende Durchfluss bei geringerem Wasserstand.
Da die GPS-Daten aufgrund des starken Baumbewuchses nicht genau genug waren,
wurde wie beschrieben ein digitales Geländemodell (DGM) für den zweiten Messtag
erstellt, in welchem der Wasserpegel auf einer Höhe von 615.536 m ü. NN lag. Mit
Hilfe des DGM und den Wassertiefen konnte die Lage der Sohle über Normalnull an
der Stelle x = 5,4 m ermittelt werden. Von dort aus ließen sich die Wasserstände der
anderen beiden Messungen aus den jeweiligen Wassertiefen an dieser Stelle
errechnen.
5.3. Durchfluss-Wasserstand-Diagramm
Durchfluss-Wasserstands-Beziehungen stellen auch heute noch eine der bewähr-
testen Methoden der Durchflussbestimmung dar, denn sie ermöglichen eine vertretbar
genaue Bestimmung des Durchflusses ohne komplizierte und aufwändige kontinuier-
liche Messung (Dyck et al. 1995, S.92). Eine Messung des Wasserstands reicht aus,
um den Durchfluss eines Flusses mit Hilfe eines vorher validierten Durchfluss-
Wasserstand-Diagramms zu bestimmen. Grundsätzlich lässt sich die Kurve als eine
Potenzfunktion darstellen (Dyck et al. 1995, S.105):
5.12. Boxplot der Durchflüsse
60
𝑄 = 𝑎 ∗ (𝑤 − 𝑏0)𝑝
Zusätzlich ist zu beachten, dass diese Beziehung in den meisten natürlichen Fließ-
gewässern nicht konstant ist. Durch die jahreszeitlichen Veränderungen schwankt der
Rauheitswert durch Pflanzen oder es erhöht sich die Flusssohle durch Erosion. Des
Weiteren gilt die Beziehung nur bei konstantem Abfluss, da sich bei Hochwasserfällen
die Strömungsbedingungen im Gewässerquerschnitt drastisch ändern. Eine Aussage
über die Genauigkeit der ermittelten Beziehung kann mit Hilfe des mittleren
quadratischen Fehlers mQ(W) getroffen werden (Dyck et al. 1995, S.104).
𝑚𝑄(𝑊) = 100 ∗ √1
𝑛 − 1∗ ∑(
𝑄𝑗 − �̅�𝑗
�̅�𝑗
𝑛𝑚
𝑖=1
)
Durch regelmäßige Messungen muss mit Hilfe dieser Formel die Genauigkeit der
Durchfluss-Wasserstand-Beziehung überprüft werden.
In den vorangegangenen Kapiteln wurden die Daten verglichen, analysiert und auf
etwaige Ungenauigkeiten untersucht. Ergebnis der Analysen war eine Legitimierung
der Durchflüsse, da sie in einem vertretbaren Rahmen voneinander abwichen. Zum
Schluss wurden aus den Mittelwerten der Durchflüsse das Durchfluss-Wasserstand-
Diagramm mittels der oben genannten Potenzfunktion erstellt. Da aufgrund der wider-
sprüchlichen Messungen an Tag 1 und Tag 3 ein normales Vorgehen nicht möglich
war, wurden zunächst zwei Kurven bestimmt. Für die erste Durchflusskurve ermittelte
man die Werte a und p durch Einsetzen der Werte der ersten und zweiten Messung,
für die zweite Kurve wurde die zweite und dritte Messung verwendet. Hieraus ergaben
sich Randparameter für die beiden Variablen. Im nächsten Schritt wurde in Matlab eine
Matrix mit den mittleren Fehlern für jede Kombination aus den Intervallen der Variablen
a und p und dem zugehörigen Wertepaar gefüllt.
𝑀 = [
𝑚𝑄(𝑊)1 𝑎1 𝑝1
⋮ ⋮ ⋮𝑚𝑄(𝑊)𝑖 𝑎𝑖 𝑝𝑖
]
61
Die Matrix M wurde anschließend durch den Befehl m = sortrows(M,1) nach der
Größe der mittleren Fehler sortiert. Mit m(1,:) erhielt man nun die beste Interpolation
der Durchflusskurve. Der mittlere quadratische Fehler der ermittelten Durchfluss-
Wasserstand-Beziehung wurde auf mQ(W) = 4,77% bestimmt. Unter Berücksichtigung
der schwankenden Durchflussbedingungen erreicht die ermittelte Durchflusskurve
eine vertretbare Genauigkeit.
𝑄 = 0,56 ∗ (𝑤 − (−0,03 𝑚))1.7 𝑄 = 0,56 ∗ (𝑊 − 614,796 𝑚 ü. 𝑁𝑁)1.7
5.13. Durchfluss-Wasserstand-Diagramm für den Nebenfluss der Mangfall
62
6. Schlussfolgerung und Ausblick
Der aktuelle Stand der Technik zeigt, dass zur Erfassung der Durchfluss-Wasserstand-
Beziehung eines durch einen Biberdamm beeinflussten Gewässers eine Bandbreite
verschiedenster Messmethoden und -verfahren zur Verfügung stehen. Die an dem
Nebenfluss der Mangfall durchgeführten Messungen ließen jedoch zu Tage treten,
dass eine derartige Bandbreite nicht immer alle örtlichen und natürlichen Gegeben-
heiten zu überwinden vermag. Während sich das Wasser immer neue Wege sucht,
um die vom Biber als „natürlicher Wasserbauer“ (Nater 2012, S.69) gestalteten
Hindernisse zu umgehen, versucht dieser mit neuen Bauwerken das Abfließen zu
verhindern. Der hieraus entstehende dynamische Entwicklungsprozess des Biber-
damms hat zur Folge, dass jede aufgestellte Durchflusskurve nur eine beschränkte
Gültigkeit besitzt. Hinzu tritt, dass jeder Bau anders und jeder Messort verschieden ist.
Eine generelle Empfehlung für die Durchflussmessung innerhalb der Peripherie eines
Biberdamms gestaltet sich daher schwierig, auch wenn sich die Kombination von
ADCP-Boot und MID-Sonde als äußerst praktisch erwiesen hat.
Die durchgeführten Messungen konnten dennoch dazu dienen, eine Aussage über den
untersuchten Teil der Methodik des ProNaHo zu treffen.
Es zeigte sich, dass eine Auswahl mehrerer Messmethoden und Verfahren, sowie eine
Kombination dieser, am ehesten den natürlichen und örtlichen Gegebenheiten entge-
genwirken kann.
Die gefundenen und dargestellten Ergebnisse ließen jedoch auch erkennen, dass
schwankende Einflüsse auf die Messung einen erhöhten Messaufwand erfordern, um
diese ausgleichen zu können. Die durchgeführten drei Messungen konnten daher zwar
Ergebnisse vertretbarer Genauigkeit produzieren, jedoch könnten andere Orte mit
größeren Einflussfaktoren mehr Messungen erforderlich machen, da bereits bei dieser
Messkampagne mehrere Messungen die Kenntnisse über die vorherrschende
Beziehung deutlich gefördert hätten. Ebenfalls kann anhand der Messungen am
63
30.11.2016 und 03.04.2017 gezeigt werden, dass eine einzelne Messung pro Wasser-
stand nicht ausreicht. Es empfiehlt sich daher mehrere Durchflusswerte bei ähnlichen
oder sogar demselben Wasserstand zu sammeln, um etwaige Schwankungen in der
Dynamik des Dammes zu erfassen.
Ebenfalls zeigte der Messort an der Mangfall, dass auch Wetterbedingungen eine
große Rolle in der Durchführung spielen. So waren die möglichen Messtage innerhalb
der Bearbeitungszeit dieser Arbeit deutlich begrenzt; zu achten war auf vergangenes,
wie gegenwärtiges Wetter, denn nur so konnten Stand und Konsistenz des Wasser-
pegels sicher abgeschätzt werden, um jedes Mal einen neuen Wasserstand
anzutreffen.
Die durchgeführten Messungen und die Darstellung der unterschiedlichen Durchfluss-
messmethoden führt daher vor Augen, dass zwar die Technik eine immer detailliertere
Erfassung des Flussverhaltens ermöglicht, jedoch bei Untersuchung eines natürlichen
Stoffes wie Wasser die Umwelt und ihre Auswirkungen dennoch nicht gänzlich ausge-
schaltet werden können. Eine Messung an einem mit einem Biberdamm versehenen
Fluss setzt daher auch bei dem modernen Stand der Technik einen erhöhten
Messaufwand voraus, so dass es empfehlenswert ist, zur Erstellung eines Durchfluss-
Wasserstand-Diagramms mehr als drei Messungen zugrunde zu legen, um so
aussagekräftigere Daten sammeln zu können. Das diesen Daten zugrundeliegende
2D-hydraulische Modell kann so detailliertere Simulationsergebnisse liefern, so dass
eine genauere Aussage über die Beziehung zwischen den Auswirkungen eines Biber-
dammes und dem Abfluss, Wasserstand und Rückhalt eines Flusses getroffen werden
könnte.
64
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s_sebaproducts%5Baction%5D=list&tx_sebaproducts_sebaproducts%5Bcontr
oller%5D=Product&cHash=912de6a6524df2347ad26b311a03e937
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products_sebaproducts%5Bsecondarycategory%5D=&tx_sebaproducts_seba
products%5Baction%5D=show&tx_sebaproducts_sebaproducts%5Bcontroller
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products_sebaproducts%5Bsecondarycategory%5D=&tx_sebaproducts_seba
products%5Baction%5D=show&tx_sebaproducts_sebaproducts%5Bcontroller
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71
Abbildungsverzeichnis
Abb. 2.1. Strömungsarten .................................................................................................. 8
Abb. 2.2. Rehbock-Wehr ohne Seitenkontraktion ............................................................ 10
Abb. 2.3. Thomson-Wehr mit Seitenkontraktion............................................................... 10
Abb. 2.4. Venturi-Kanal ................................................................................................... 11
Abb. 2.5. Räumliche Darstellung des Durchflussquerschnittes und der
Geschwindigkeitsverteilung .............................................................................. 12
Abb. 2.6. Hydrometrischer Flügel in seiner heutigen Form .............................................. 15
Abb. 2.7. Magnetisch Induktiver MF-Pro Sensor der Firma Ott ........................................ 17
Abb. 2.8. Ultraschall-Doppler-Strömungssonde ............................................................... 19
Abb. 2.9. Ultraschall-Doppler-Profiler mit Stange ............................................................. 19
Abb. 2.10. Montierte MID-Sonde an Messgestänge ........................................................ 20
Abb. 2.11. Mobiler Brückenausleger ................................................................................ 21
Abb. 2.12. Stationäre Seilkrananlage SKA-H der Firma SEBA Hydrometrie .................... 21
Abb. 2.13. Anordnung eines Messschirms ....................................................................... 23
Abb. 2.14. Lattenpegel .................................................................................................... 26
Abb. 2.15. Schrägpegel .................................................................................................. 26
Abb. 2.16. Schreibpegelstation ........................................................................................ 27
Abb. 2.17. t-Werte der Student-Verteilung in Abhängigkeit der Genauigkeit .................... 30
Abb. 3.1. Lage des Messortes ......................................................................................... 32
Abb. 3.2. Umfeld des Biberdammes ................................................................................ 33
Abb. 3.3. Der Biberdamm ................................................................................................ 33
Abb. 3.4. Fertigmontiertes ADCP-Boot ............................................................................ 35
Abb. 3.5. Screenshots von der Kompass-Kalibrierung des ADCP-Bootes ....................... 36
Abb. 3.6. Ufertypen ......................................................................................................... 37
Abb. 3.7. Messablauf mit dem ADCP-Boot ...................................................................... 39
Abb. 3.8. Durchführung der MID-Messung ...................................................................... 40
Abb. 3.9. Bestandteile der MID-Sonde ............................................................................ 41
Abb. 3.10. Niedrigste Einstellung der MID-Sonde ............................................................ 41
Abb. 3.11. Auszug des MID-Protokolls ............................................................................ 41
Abb. 3.12 Bewaldung links und rechts des Flusses ......................................................... 42
Abb. 3.13. Flussbett hinter dem Biberdamm (22.02.2017) ............................................... 43
Abb. 3.14 Veränderung der Verkrautung am rechten Ufer ............................................... 44
Abb. 3.15. Vergleich der gemessenen Wassertiefen ....................................................... 44
Abb. 4.1. Geschwindigkeitsprofil gemessen mit MID-Sonde 30.11.16 ............................. 46
Abb. 4.2. Geschwindigkeitsprofile der ADCP-Messung am 30.11.2016 ........................... 47
72
Abb. 4.3. Geschwindigkeitsprofil gemessen mit MID-Sonde 22.02.2017 ......................... 48
Abb. 4.4. Geschwindigkeitsprofile der ADCP-Messung am 22.02.2017 ........................... 49
Abb. 4.5. Geschwindigkeitsprofil gemessen mit MID-Sonde 03.04.2017 ......................... 50
Abb. 4.6. Geschwindigkeitsprofile der ADCP-Messung am 03.04.2017 ........................... 51
Abb. 5.1. Mittlere Fließgeschwindigkeiten des ADCP-Verfahrens am 30.11.2016 ........... 53
Abb. 5.2. Mittlere Fließgeschwindigkeiten des ADCP-Verfahrens am 22.02.2017 ........... 53
Abb. 5.3. Mittlere Fließgeschwindigkeiten des ADCP-Verfahrens am 03.04.2017 ........... 53
Abb. 5.4. Abflüsse der drei ADCP-Messungen ................................................................ 55
Abb. 5.5. Fließgeschwindigkeiten vom 30.11.2016 .......................................................... 56
Abb. 5.6. Fließgeschwindigkeiten vom 22.02.2017 .......................................................... 56
Abb. 5.7. Fließgeschwindigkeiten vom 03.04.2017 .......................................................... 56
Abb. 5.8. Unterschiedliche Unterströmung des Biberdamms .......................................... 57
Abb. 5.9. Konfidenzintervalle der Messung am 30.11.2016 ............................................. 58
Abb. 5.10. Konfidenzintervalle der Messung am 22.02.2017 ........................................... 58
Abb. 5.11. Konfidenzintervalle der Messung am 03.04.2017 ........................................... 58
Abb. 5.12. Boxplot der Durchflüsse ................................................................................. 59
Abb. 5.13. Durchfluss-Wasserstand-Diagramm für den Nebenfluss der Mangfall ............ 61
73
Tabellenverzeichnis
Tabelle 2.1. Minimal einzuhaltende Abstände beim Einsatz der MID-Sonde ................... 17
Tabelle 5.1. Standardabweichungen der gemessenen Fließgeschwindigkeiten .............. 54
Tabelle 5.2. Durchschnittliche gemessene Durchflüsse ................................................... 54
Tabelle 5.3. Vergleich der gemessenen Durchflüsse ....................................................... 58
74
Symbolverzeichnis
Symbol Bezeichnung Einheit
Q Durchfluss [m³/s]
v Fließgeschwindigkeit [m/s]
𝐴 Gewässerquerschnitt [m²]
V Volumen (des Messbehälters) [m³]
t Zeit [s]
μ Überfallbeiwert [-]
b Überfallbreite [m]
g Erdbeschleunigung [m/s²]
h Überfallhöhe [m]
𝐶 Reibungsbeiwert [-]
𝐶𝑣 Geschwindigkeitsbeiwert [-]
𝑏𝐸 Breite der Querschnittsverengung [m]
ℎ𝑂𝑊 Oberwassertiefe [m]
𝑣𝑚𝑖𝑡 Mittlere Fließgeschwindigkeit [m/s]
𝑛 Umdrehungszahl [-]
𝑘 Hydraulische Steigung der Flügelschaufel [U/s]
𝛥 Flügelkonstante [m³/s]
𝑈 Induzierte Spannung [V]
75
𝐵 Magnetfeldstärke [A/m]
𝐿 Elektrodenabstand [m]
𝑘𝑆 Sonden spezifische Konstante [-]
𝐷𝑚𝑖𝑛 Mindestabstände der MID-Sonde [cm]
𝛥𝑓 Frequenzverschiebung [kHz]
𝑓 Ausgesendete Frequenz [kHz]
𝑐 Schallgeschwindigkeit [m/s]
𝛥𝛷 Zeitversatz [s]
𝜏 Zeitdifferenz zwischen zwei
Ultraschallpulsen
[s]
ℎ𝑘 Korrigierte Messtiefe [m]
ℎ𝑔 Messtiefe über Schwimmkörper ermittelt [m]
𝛥ℎ1 Verlängerung des über Wasser liegenden
Teilstücks des Führungskabels [m]
𝛥ℎ2 Verlängerung des unter Wasser liegenden
Teilstücks des Führungskabels [m]
𝑄𝑖 Einzeldurchfluss der Lamelle i [m³/s]
𝑠 Weg [m]
𝑏𝐹 Flussbreite [m]
𝑀 Eingespeiste Tracermenge [mg]
𝑐(𝑡) Gemessene Konzentration [mg/m³]
𝑐0 Konzentration vor Einspeisung [mg/m³]
76
𝑐1 Konzentration der Einspeisungslösung [mg/m³]
𝑐2 Konzentration im Messquerschnitt [mg/m³]
𝑞 Volumenstrom der Eingabemenge [m³/s]
�̅� Mittelwert [-]
𝑥𝑖 n-ter Messwert [-]
𝑛𝑀 Anzahl der Messwerte [-]
𝑠 Empirische Standardabweichung [-]
∆𝑥 Standardabweichung des Mittelwerts [-]
𝑎, 𝑝 Parameter der Potenzfunktion [-]
𝑏0 Höhendifferenz zwischen Sohlniveau und
Pegelnull
[m]
𝑤 Wasserstiefe [m]
𝑊 Wasserstand [m ü. NN]
𝑚𝑄(𝑊) Mittlere quadratische Fehler [-]
𝑄𝑗 Gemessener Durchfluss i [m³/s]
�̅�𝑗 Abgelesener Durchfluss i [m³/s]
77
Anhang I
Vorlage Matlab-Code
load('...r.mat') % Hier wird die Datei des RiverSurveyor Live geladen
Y = []; %Informationen aus System.Cell_Start und System.Cell_Size ergeben
die jeweiligen Tiefen der Zellen Y = -Y; bottom = -[]; right = zeros('CellAnzahl +1',1); %Für korrekte Darstellung in pcolor Y = [Y;bottom]; Y = [Y right];
Track=[]; %Größe Sample+1 X = [Track; ... ; Track]; % Matrix Größe am Ende Cell+1;Sample+1
L1 =
sqrt(WaterTrack.Velocity(:,1,:).^2+WaterTrack.Velocity(:,2,:).^2+WaterTrack
.Velocity(:,4,:).^2); L2 =
sqrt(WaterTrack.Velocity(:,1,:).^2+WaterTrack.Velocity(:,2,:).^2+WaterTrack
.Velocity(:,3,:).^2); L = (L1+L2)/2; D = [L(1,:,:);L(?,:,:);... ]; % bis L(Cell Anzahl,:,:) erreich ist F=squeeze(D(:,1,:)); v = flipud(F); b = zeros(1,'Sample'); Speed = [v;b]; Speed = [Speed right];
Trackb = []; %Festlegen X/Y Koordinaten für den Plot des Bodens Depthb = Summary.Depth; Depthb = -Depthb;
%Durchflussberechnung
ddx = []; %Breite der jeweiligen Spalten (Sample)
%Schleife für Gesamtdurchfluss
for c = 1:'Sample' %Durchlaufen aller Spalten horizontal Q = 0; for r = 'Cell':-1:1 %Durchlaufen aller Zellen vertikal if Speed(r,c) > 0 q = Speed(r,c)*(0.02*ddx(c)); Q = Q + q; % addiert den Durchfluss aller Zellen else totalQ(c,1) = Q; break end end end
78
totalQ;
QTotal=sum(totalQ) % Berechnung des Durchflusses zur Überprüfung der
Korrektheit der Geschwindigkeitsmatrix. Bedingt
durch die Extrapolation treten hier Abweichungen zu
den Tatsächlichen Werten der Software auf, weshalb
diese Werte später angegeben werden
%Graph
figure; hold on;
pcolor(X,Y,Speed); plot(Trackb,Depthb); xlabel('Track in [m]'); ylabel('Depth in [m]'); caxis([0.0 0.3]); set(gca,'FontSize',18) axc=colorbar('vert'); set(get(axc,'ylabel'),'string','Fließgeschwindigkeit v in
m/s]','fontsize',18); ax = gca; load('RiverSurveyor ColorSpectrum','mycmap') colormap(ax,mycmap);
%Textfeld für Gesamtdurchfluss descr = {'Total Q = XXX m³/s:'}; ax1 = axes('Position',[0 0 1 1],'Visible','off'); axes(ax1); text(0.4,0.85,descr,'fontsize',18);
hold off;
79
Anhang II
Erklärung
Ich versichere hiermit, dass ich die von mir eingereichte Abschlussarbeit selbstständig
verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe.
Ort, Datum, Unterschrift
![MaxxVision B IMAC Beleuchtungen.ppt [Kompatibilitätsmodus] · Indirekte Beleuchtungen Nahfeld FlächenbeleuchtungNahfeld Flächenbeleuchtung Indirekte Dombeleuchtung NhfldRi bl ht](https://img.pdfslide.org/doc/110x75/5c9e877688c993312d8bbb26/maxxvision-b-imac-kompatibilitaetsmodus-indirekte-beleuchtungen-nahfeld-flaechenbeleuchtungnahfeld.jpg)
