Die Oder ist eines der in Deutschland am stärksten von Eis betroffenen Fließgewässer. Das äußert sich im zumeist jährlichen Auftreten unterschiedlichster Eisformen. Zur genaueren Einschätzung der Gewässersituation benötigen die zuständigen Behörden allerdings zuverlässige Aufzeichnungen von Wasserständen sowie Durchflüssen. Vor diesem Hintergrund werden im vorliegenden Buch die messtechnischen Möglichkeiten zur Erfassung hydrometrischer Daten in Fließgewässern während Eiseinfluss untersucht und die an der Oder unter diesen Bedingungen verwendeten Messtechniken bewertet.

Textprobe: Kapitel 2.1, Eignung der Methoden hinsichtlich Eisbedingungen: Gegenwärtig stehen zwar eine Vielzahl von Messtechniken zur Erfassung des Durchflusses zur Verfügung, jedoch werden diese häufig in offenen Gerinnen ohne signifikante Beeinflussung der Abflussbedingungen angewendet. Für spezielle Messzwecke unter schwierigen Bedingungen wie Hochwasser oder eisbeeinflussten Fließverhältnissen reduziert sich die Menge der messtechnischen Möglichkeiten enorm. Die Einschränkungen bei den Instrumenten resultieren vor allem aus der physikalischen Arbeitsweise, der Durchführbarkeit der Messungen sowie der Qualität der Ergebnisse. In den folgenden Abschnitten soll zunächst eine Vorauswahl der potenziellen Messtechniken vorgenommen werden, welche anschließend näher beleuchtet werden. Umfangreiche Darstellungen verschiedenster Messapparaturen der Hydrometrie finden sich in der Literatur von MORGENSCHWEIS (2010), HERSCHY (2009) und BOITEN (2008). Auf detaillierte Ausführungen einzelner Techniken wird allerdings an dieser Stelle verzichtet und indes auf die zuvor genannten Werke verwiesen. 2.1.1, Diskontinuierliche Messverfahren: Die volumetrische Durchflussmessung basiert auf der Füllung definierter Gefäße innerhalb einer bestimmten Zeit. Ein Vorteil des direkten Messverfahrens ist die besonders hohe Genauigkeit der ermittelten Abflüsse. Jedoch muss der Standort für die Messung als festes Gerinne ausgebaut oder für Einzelmessungen künstlich aufgestaut werden. Diese Eingriffe verändern die Struktur des Flusses und verursachen hohe Investitionskosten. Weiterhin ist davon auszugehen, dass vorhandenes Eis im Gerinne eine Behinderung des Durchflusses verursacht und zu übermäßigen Messfehlern führt. Folglich ist dieses Verfahren unter den gegebenen Bedingungen nicht anwendbar. Mithilfe der Erfassung des Durchflussquerschnitts verbunden mit der Fließgeschwindigkeitsmessung in einzelnen Lotrechten ist es möglich den Durchfluss zu bestimmen. Die Berechnung erfolgt zumeist unter Verwendung der Geschwindigkeitsflächenmethode (s. Kapitel 3.3). Für die Messungen der verschiedenen Geschwindigkeiten in einer Senkrechten stehen diverse Geräte zur Verfügung. Eine entsprechende Aufschlüsselung ist in Abbildung A.2 des Anhangs zu finden. Mehrheitlich handelt sich es dabei um Punktmessungen, wobei aus der ermittelten Geschwindigkeitsverteilung in einer Lotrechten die mittlere Fließgeschwindigkeit abgeleitet wird. Ausnahmen bilden hierbei der Pendeldurchflussmesser und das Integrationsverfahren, mit denen es möglich ist die mittlere Geschwindigkeit in der Senkrechten direkt zu bestimmen. Die in Abbildung A.2 letztgenannten Apparaturen, welche Staurohre, thermische Verfahren und Laser-Doppler-Strömungsmesser einschließen, werden bevorzugt im wasserbaulichen Versuchswesen eingesetzt. Weiterhin kommen Pendeldurchflussmesser nur in kleinen Gewässern mit geringer Tiefe zum Einsatz und können zudem nicht unter Eisbedingungen angewendet werden. Messflügel (engl. ‘current meter’) sind eines der ältesten und vielfältig weiterentwickelten Geräte zur punkthaften Geschwindigkeitsmessung, welche sich durch eine große Auswahl von Flügeltypen sowie zusätzlichen Messausrüstungen auszeichnen. Das Anwendungsspektrum erstreckt sich über einen sehr großen Bereich und schließt auch schwierige Messbedingungen wie Hochwasser oder eisbeeinflusste Gewässer ein. Die magnetisch induktiven Sonden arbeiten auf Grundlage des faradayschen Induktionsgesetzes, wobei zur Messung elektrisch leitende Flüssigkeiten benötigt werden. Allerdings weist Eis einen hohen ohmschen Widerstand auf, welcher beträchtliche Messfehler verursacht. Vor allem bei einem Gemisch aus Wasser und Eis, auch Eisbrei (engl. ‘slush ice’) genannt, ist eine Verringerung der Leitfähigkeit zu erwarten. Somit kann dieses Messverfahren nicht unter den gegebenen Bedingungen eingesetzt werden. Die Ultraschall Doppler Strömungssonden zählen zu den akustischen Verfahren und verwenden bei der Messung den Dopplereffekt. Im Allgemeinen können diese diskontinuierlich arbeitenden Messgeräte für mobile Einsätze auch unter schwierigen Bedingungen eingesetzt werden, insofern keine übermäßig hohen Anteile an Schwebstoffen im Gewässer zu erwarten sind. Das Grundprinzip der Schwimmermethode entspricht einer Laufzeitmessung. Die Berechnung der Geschwindigkeit erfolgt aus dem Quotienten der Schwimmstrecke durch die dafür benötigte Zeit. Zur Anwendung kommen verschiedene, künstlich eingebrachte Schwimmertypen, dazu zählen Oberflächen-, Zylinder- und Tiefenschwimmer. Anhand der Ergebnisse durch die beiden letztgenannten Schwimmerarten können direkt Rückschlüsse auf die mittlere Fließgeschwindigkeit gezogen werden. Ausschließlich die Messung mittels Oberflächenschwimmer wurde bereits bei Versuchen unter schwierigen Bedingungen, wie Hochwasser, angewendet. Nachteilig wirkt sich in diesem Zusammenhang aber das Vorhandensein von Eisschollen aus, sodass mitunter bei speziellen Untersuchungen das an der Oberfläche schwimmende Eis selbst als natürlicher Markierungsstoff dient (vgl. Kapitel 2.1.2). Die mittlere Fließgeschwindigkeit kann auch als Integral über den gesamten Querschnitt gemessen werden. Als erstes sind in diesem Zusammenhang die Messschirme zu nennen, welche eine Weiterentwicklung des Stabschwimmers darstellen. Ein Schirm mit der Form des Kanalquerschnitts befindet sich im Wasser und wird zudem an einem Laufwagen befestigt, der uferseitig auf Schienen gelagert ist. Der Messschirm bewegt sich entlang einer definierten Strecke, wobei die dafür benötigte Zeit gemessen und anschließend die Fließgeschwindigkeit ermittelt wird. Die Anwendung beschränkt sich aufgrund des Messprinzips auf kleinere Gerinne mit regelmäßigen Querschnitten. Dieses Verfahren scheidet somit für großräumige Feldmessungen aus. Das modernste Messsystem zur akustischen Durchflussbestimmung stellt das ADCP (engl. ‘Acoustic Doppler Current Profiler’) dar, wobei die mittlere Querschnittsgeschwindigkeit integrativ erfasst wird. Aufgrund der guten Genauigkeit hat sich das Messsystem inzwischen als Standard für Feldmessungen unter verschiedensten Bedingungen etabliert. Dadurch konnte die notwendige Messzeit auf ein Minimum reduziert werden. Aus diesem Grund ist das Instrument optimal für die Datenerfassung bei Hochwasser geeignet. Es ist nahezu universell einsetzbar und eignet sich auch bei Abflussmessungen unter Eis. Die Durchflussbestimmung mittels Markierungsstoffen, sogenannte Tracer, werden verwendet, wenn besonders schwierige Messbedingungen vorherrschen. Dies betrifft besonders turbulente und rückgestaute Flussabschnitte. Das Messprinzip beruht hierbei auf der Bestimmung des Verdünnungsgrades des zuvor ins Gewässer eingebrachten Markierungsstoffes. Nach der Art des Eintrages kann zwischen der konstanten Zugabe des Tracers und der Integrationsmethode durch Momentaninjektion unterschieden werden (PEGELVORSCHRIFT 1991). Aufgrund des messtechnischen Aufwandes bei der Momentaninjektion, wobei die vollständige Durchgangskonzentration des Markierungsstoffes am Probenahmepunkt gemessen wird, befinden sich ausschließlich Methoden mit konstanter Injektion unter Eis im Einsatz (vgl. Kapitel 3.6). Weitere mobile Durchflussmessverfahren wurden bisher ausschließlich im kleinen Maßstab angewendet. Folglich liegen nur wenige Ergebnisse unter normalen Fließbedingungen vor, was ebenso einen Einsatz dieser Geräte unter Eisbedingungen ausschließt.

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Stephan Büttig, M.Sc., wurde 1987 in Freital geboren. Seinen ersten akademischen Grad erlangte der Autor im Jahre 2011 mit Abschluss des Bachelorstudiums der Wasserwirtschaft an der Technischen Universität Dresden. Nach dem konsekutiven Aufbaustudium an ebendieser Universität schloss er im Jahre 2014 sehr erfolgreich mit dem akademischen Grad des Master of Science ab. Beide Abschlussarbeiten verfasste der Autor an der Fakultät Bauingenieurwesen im Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik. Einen genaueren Einblick in sein erstes Werk, das sich genauer mit der hydrometrischen Messung unter Eiseinfluss befasst, erhalten Sie mit dem nun vorliegenden Buch.