. Untersuchungen
über die Windverhältnisse im Bereich von Schilfrohrwänden
Von Werner Nägeli, Forstingenieur
Einleitung
Die vorliegenden Untersuchungen bilden die Fortsetzung von Windmessungen, die in den Jahren 1942--43 in der waadtländischen Rhoneebene und im Roßboden bei Chur, ferner in den Jahren 1944-46 im Furthtal, im st.-gallischen Rheintal und in der Thur- ebene bei Wil an natürlichen Windschutzobjekten durchgeführt wurden (vgl. 11, 12).
Bei allen diesen früheren Messungen beschränkte man sich in der Hauptsache darau.f, die Windabschwächung in der willkürlich gewählten, einheitlichen Meßhöhe von 1,4 m über Boden zu untersuchen, und zwar auf einer senkrecht zum Schutzstreifen durch dessen Mitte verlaufenden Meßstrecke. Die Zusammenhänge zwischen Objekthöhe und Durchlässigkeitsgrad einerseits, und der Geschwindigkeitsverminderung anderseits . konnten dabei weitgehend abgeklärt werden. Sie kommen in einem charakteristischen Verlauf der sogenannten «Windkurven» zum Ausdruck, die sich ergeben, wenn man für alle Meßpunkte die, in Prozenten des gleichzeitig herrschenden Freilandwindes aus- gedrückten, Windstärken über den zugehörigen Abständen vom Schutzstreifen aufträgt.
Unbefriedigend war aber bei allen diesen Messungen der Umstand, daß sie weder über die Reichweite der Schutzzone in vertikaler Richtung noch über die Umströmungs- verhältnisse an den freien Enden der Windschutzstreifen etwas aussagten, obwohl gerade diese letztere Frage für die Praxis große Bedeutung besitzt. Auch über die Zone der Wirbelbildung, die hinter , dichten Schutzstreifen häufig Lagerfrucht zur Folge hat, konnte mit der bisherigen Methode kein näherer Aufschluß erlangt werden. Es wurde daher der begreifliche Wunsch rege, durch eine Spezialuntersuchung auch diese Pro- bleme nach Möglichkeit abzuklären. Dabei waren wir uns aber zum vorneherein darüber im klaren, daß dies nur an einem Objekt von beschränkter Ausdehnung möglich sein werde und daß insbesondere dessen Höhe einige wenige Meter nicht übersteigen dürfe
Da sich in der Natur kein Schutzstreifen finden ließ, der allen Anforderungen in be- friedigender Weise entsprochen hätte, entschlossen wir uns, diese Untersuchungen an einem künstlichen Objekt durchzuführen. Dabei stellte sich sofort die weitere Frage, ob es in diesem Falle zweckmäßiger sei, die Messungen im freien Gelände oder an Modellen im Windkanal vorzunehmen .
Solche Laboratoriumsversuche sind im Zusammenhang mit dem Windschutzproblem schon verschiedentlich, z. T. allerdings mit anderer Fragestellung , unternommen worden, so z.B. von Kreutz (9), N0kkentved (14, 15), Woelfle (24), Finney
(2), Pf e i ff er (18) und Wo o d r u ff (26). Die Resultate weichen aber oft stark voneinander ab.
Wenn man aber mit einer Schutzzone rechnen muß, die auf der Luvseite dem lüfachen, auf der Leeseite dem 30fachen Objekthöhenabstand entspricht, benötigt man schon bei 10 cm hohen Modellen eine nutzbare Windkanallänge von 4 m, d. h. eine Anlage, die für unsere Zwecke kaum für längere Zeit zur Verfügung stehen würde. Bei noch kleiner dimensionierten Modellen dagegen wären wohl die Messungen in verschie- denen Höhen ziemlich problematisch geworden. Ferner dürfte es schwer halten, im Windkanal die natürlichen Windverhältnisse, wie sie im Gelände in Bodennäh e auf- treten, nachzuahmen. Wir entschlossen uns daher zu Freilanduntersu chungen, denen zwar der Nachteil anhaftet, daß man dabei in hohem Maße von den Launen des Wetter- gottes abhängig ist. Anderseits bieten sie aber auch den· nicht zu unterschätzend en Vor- teil, daß man sich persönlich im zu untersuch enden Windfeld frei bewegen kann. Dabei steht ja immer noch die Möglichkeit offen, die im Feld gesammelten Erfahrung en nach- träglich durch ergänzende Versuche im Windkanal zu vervollständigen , ein W cg, den z.B. R. Gei g er, gestützt auf die reichen Erfahrungen von F. Ho eh n d o r f, als das geeignetste Vorgehen bezeichnet ( vgl. 5).
Im weiteren mußte die Wahl eines geeigneten Materials für die künstlichen Snhutz- wände getroffen werden. Nach einigen mißglückten Versuchen mit Rupfen ents~hieden wir uns für Schilfrohrdecken, die sehr wetterbeständig sind und die in trockenem und nassem Zustande den gleichen Durchlässigkeitsgrad beibehalten.
Als Versuchsgelände wurde das von Zürich aus leicht erreichbare Furtht a aus- ersehen, wo uns zwischen Buchs und Otelfingen, auf dem Gebiet der «Srhwe·zC'risnhen Gemüsebau-Genossenschaft», in einer großen Wiese ein sehr günstiges ArbeitsI0'd zm Verfügung stand. Für das in großzügiger Weise gewährte Gastrecht sei der SGG_ ins- besondere Herrn Verwalter T r o e s c h , auch an dieser Stelle der herzlichste Dank ausgesprochen.
Da während der Messungen die ganze Schutzzone dauernd begangen werden r1ußte, verlegten wir, um Kulturschaden zu vermeiden, die ganze Untersuchung auf c.i~ Win- termonate. Infolge häufiger anderweitiger Beanspruchung und ungünstiger Witterung erlitt diese aber stets wieder Unterbrechungen, so daß die 1948/4,9 begonnenen Ar- beiten erst 1953 zu einem einigermaßen befriedigenden Abschluß gebracht werden konnten. Dieser langfristige Untersuchungszeitraum bietet aber anderseits aurh die Gewähr, daß es sich bei den Resultaten nicht um Zufallsergebnisse handelt, sondern um solche, die den mittleren Windverhältnissen jener Gegend entsprechen.
Bis zu welchem Grade die im Furthtal an künstlichen Schilfrohrwänden festgestellten Strömungsverhältnisse direkt auf natürliche Schutzstreifen in anderen Gegenden über- tragen werden können, ist schwer abzuschätzen , doch dürften sie sich wenigstens im Prinzip überall gleich gestalten. Auch werden bei dem großen Interesse, das gegen- wärtig der Windschutzfrage entgegengebracht wird, zweifellos auch anderwärts ähnliche
Versuche zur Ausführung gelangen, so daß sich das Vergleichsmaterial mit der Zeit häu- fen wird. Dabei ist mit Wo e 1 f l e (22) zu wünschen, daß gegebenenfalls nicht nur die Ergebnisse, sondern auch die Versuchsanlage und die Durchführung genau beschrie- ben werden, da nur in diesem Falle einwandfreie Vergleiche möglich sind.
1. Die Versuchsanla~e
Daß sich das von Zürich aus leicht erreichbare Furthtal für die beabsichtigten Ver- suche besonders gut eignen werde, war nach unseren schon früher dort durchgeführten Windmessungen nicht zu bezweifeln ( vgl. 12).
Dieses 1-2 km breite Tal wird im Norden durch die zirka 850 m hohe Lägern, im Si,iden durch den rund 600 m hohen Altberg begrenzt. Der flache und auf weite Strecken baumfreie Talboden liegt dagegen nur etwa 400 m hoch.
Als Versuchsgelände wurde eine große, praktisch vollständig ebene und in weitem Umkreis baumlose Wiese gewählt. Da nur im Winter gemessen wurde, betrug die mitt- lere Höhe der lockeren Grasnarbe nur zirka 10 cm.
Wie bereits in der Einleitung erwähnt, wurden als Winds::::hirme Schilfrohrdecken verwendet, wie sie in der Gärtnerei überall zum Abschatten der Treibbeete in Gebrauch sind. Die Höhe des einzelnen Wandelements betrug 2,2 m, dessen Länge 5 m. Zur Sta- bilisierung wurden die Decken in einen Dachlattenrahmen gespannt, der ebenfaLs 5 m lang, dagegen nur 2 m hoch war. Damit wurde eine scharfkantige obere Abgrenzung vermieden.
Es wurden zwei Typen von Decken mit verschiedenem Rohrabstand und damit auch verschiedener Winddurchlässigkeit gewählt. Der eine Typ wies im Durchschnitt 43 bis 55
%
Lumen auf. Er soll im folgenden stets als lockere Wand bezeichnet werden. Der zweite Typ besaß dagegen nur 15-25%
Lumen und darf daher als dichte Wand be- zeichnet werden ( vgl. Bild 2).Von jedem Typus standen fünf Einheiten zur Verfügung, so daß sich für jeden der beiden Durchlässigkeitsgrade eine Schutzwand von 25 m Länge und 2,2 m Höhe ergab.
Eine solche entspricht also größenmäßig einem natürlichen Schutzstreifen von 250 m Länge und 22 m Höhe im Maßstab 1 : 10. Die einzelnen, leicht transportablen Elemente wurden jeweilen fest miteinander verbunden und die ganze Wand beidseitig mit wei- chem 1,5-mrn-Draht, in Abständen von 2,5 m, elastisch verspannt. Die beiden Wände wurden normalerweise in der gleichen Flucht aufgestellt, um eine gegenseitige Beein- flussung möglichst auszuschalten.
Für die Windmessung selbst wurden wiederum die 18 Schalenkreuz-Anemometer benutzt, die bereits bei den älteren Versuchen in Gebrauch standen ( vgl. 11, 12). Für die dauernde Kontrolle der Windrichtung verfügten wir über eine registrierende Wind- fahne.
Es galt nun zunächst zu untersuchen, bis zu welchem Grade die Schutzwirkung dieser Windschirme mit derjenigen von natürlichen Windschutzstrei~en vergleichbar sei.
Diese Messungen wurden in gewohnter Weise, auf einer senkrecht zur Wandrichtung durch die Wandmitte verlaufenden Meßstr~cke ausgeführt. Der geringen W andhöhc halber konnte aber die ursprüngliche Aufstellung in 1,4 m über Boden nicht beibehalten werden. Die Meßhöhe wurde vielmehr auf 55 cm herabgesetzt, was bei der geringen Be- wachsungshöhe noch ohne Bedenken gewagt werden durfte.
Die prozentualen Windabschwächungen sind für die beiden Wandtypen nachstehend zusammengestellt , und zwar für luv- und leeseitige Meßpunkte in vielfachen Wand- höhenabständen:
Luvseitiger Abstand Leeseitiger Abstand_
lOX 8X 6X 4X 5X lX lX 2X 4X 6X 8X lOX 12X 14X 20X 30X
Lockere Wand 100 99 97 93 84 78 Dichte Wand 100 98 94 88 73 61
65 56 38 32 37 46 54 62 82 95 31 23 36 45 49 60 71 78 90 95 Aus diesen beiden Zahlenreihen geht deutlich hervor, daß bereits auf der Luvseite eine merkliche Windgeschwindigkeitsverminderung eintritt und daß das Windminimum erst in einigem Abstand hinter der Wand erreicht wird. Erst im 30fachen Wandhöhen- abstand werden bei beiden Wänden wieder 95
%
der Freilandwindstärke erreicht, so daß die eigentliche Schutzzone durchaus den Verhältnissen bei natürlichen Schutz- streifen entspricht. Auch bezüglich des charakteristischen Kurvenverlaufes innerhalb der Schutzzone treten die Unterschiede zwischen leicht und schwer durchlässigen, natür- lichen Objekten klar in Erscheinung. Insbesondere liegt bei der dichten Wand das Minimum tiefer und näher beim Objekt als bei der lockeren Wand. Andererseits ist die Schutzwirkung der letzteren in größerem, leeseitigem Abstand ausgeprägter als bei der dichten Wand.Zusammenstellung der zont>nweisen Schutzwirkung bei natürlichen Schutzstreifen und Schilf wänden
Tab. I
Objekt
Schutzstreifen von mittlerer Durch- lässigkeit
Lockere Schilfwand Dichte Schutz- streifen
Dichte Schilfwand
Mittlere Windgeschwindigkeit in °lo des Freilandwindes Mefihöhe 0,55 m über Boden
Zone des
luvseitigen Zone des leeseitirrnn Abstandes Abstandes
10-0
I I
10-5I
5-0 0-21/2l
21/2-5l
5-10l
10-15I
15-20l
20-30II
0-5I
0-10fach fach fach I fach fach fach fach fach fach fach fach
93 99 87 45 35 48 72 85 94 40 44
92 98 85 62 41 37 56 74 90 51 45
92 99 85 29 33 58 80 90 97 31 4,4
85 97 74 30 33 49 71 85 93 32 41
1 0-20 1 0-30 fach fach
61 72 55 67 65 76 60 71
In der Zusammenstellung von Tab. 1 sollen auch noch die Mittelwerte der Wind- geschwindigkeit in verschiedenen, parallel zur Schutzwand verlaufenden Zonen mit den
Bild 1
Windmesser-Mast für Messungen bis in 8,8 m Höhe (Im Hintergrund ein Teil der dichten Schilfwand)
Bild 2
Detailansi chten der lockeren Schilfwand mit 45-55 % Durchlässigkeit (oben) und der dichten Schilfwand mit 15-20 % Durchlässigkeit ( unten)
entsprechenden Windstärken im Bereich natürlicher Schutzstreifen mittlerer Durch- lässigkeit einerseits und dichtem Vertikalschluß anderseits verglichen werden. Auch hier wird die Windgeschwindigkeit in Prozenten des Freilandwindes ausgedrückt ( vgl. hiezu 12,
s.
702 ff.).Wenn man zunächst die Windstärken auf der Luvseite betrachtet, stellt man eine fast vollständige Übereinstimmung der Werte für die lockere Schilfwand und den Schutz- streifen von mittlerer Durchlässigkeit fest. Die dichte Schilfwand übt dagegen, nament- lich im 0-Sfachen Abstand, eine deutlich größere Schutzwirkung aus al_s die dichten Windschutzstreifen. Auf der Leeseite liegen die Verhältnisse etwas komplizierter. Für die dichte Wand zeigt sich, daß in Wandnähe kein Unterschied gegenüber den natür- lichen, dichten Schutzstreifen besteht, wohl aber im Mittelteil der Schutzzone, in wel- chem die Wand merklich günstiger wirkt. Bei der lockeren Schilfwand ist die Schutz- wirkung dagegen in Wandnähe wesentlich ungünstiger als für natürliche Objekte von mittlerer Durchlässigkeit, doch kehrt sich das Verhältnis vom Sfachen Abstand an zu- gunsten der Schilfwand um. Man erkennt auch, daß hier das Windminimum auffallend weit von der Wand wegliegt.
Eine vollständige Deckung des Windkurvenverlaufes mit irgendeinem der bisher untersuchten Objekte ist weder für die lockere noch für die dichte Schilfwand festzu- stellen. Dies war auch keineswegs zu erwarten, denn jeder Schutzstreifen besitzt seine höchst individuellen Eigenschaften, die auch in seiner Windkurve zum Ausdruck kom- men. Im vorliegenden Falle ist besonders die vollständiKhomogene Durchlässigkeit im ganzen Wandprofil zu erwähnen, ein Umstand, der bei natürlichen Objekten nur als Idealfall denkbar, in Wirklichkeit aber wohl nie vorhanden ist. Wichtig ist aber, daß beide Wände in den· allgemeinen Rahmen der Windabschwächung bei natürlichen Schutzstreifen hineinpassen, was zweifellos in hohem Maße zutrifft.
2. Der Freilandwind
Da im folgenden die gemessenen Windgeschwindigkeiten stets zum außerhalb der Schutzzone herrschenden Freilandwind in Beziehung gesetzt werden, dürfte es ange- zeigt sein, zunächst kurz auf die Eigenschaften dieses letzteren einzutreten.
Die allgemeinen Winde aus dem westlichen und dem östlichen Sektor werden im zirka 11 km langen Furthtal weitgehend mit unveränderter Stärke kanalisiert, während der Talboden gegen alle übrigen Richtungen stark abgeschirmt ist. Die vorliegenden Messungen wurden daher hauptsächlich bei dem überaus häufigen Westwind, seltener bei Ostwind, ausgeführt. Der erstere ist im Furthtal meist leicht gegen Südwesten, der letztere gegen Nordosten abgedreht. ,Die Schilfwände wurden dementsprechend in der Regel nicht genau in nord-südlicher Richtung aufgestellt, sondern mit einer Abwei- chung von 10
°
a. T. gegen Nordwesten, bzw. Südosten.So ungeordnet nun auch ein über ein relativ ausgedehntes, baumloses Gelände we- hender Wind mit seinen Böenstößen, Geschwindigkeitsschwankungen und Richtungs- wechseln erscheinen mag, so wohnt doch allen diesen Eigentümlichkeiten eine gewisse
Gesetzmäßigkeit inne. Diese ist allerdings nur statistischer Natur, d. h. sie läßt sich erst aus einer großen Zahl von Messungen über einen längeren Zeitraum hin ermitteln.
Die Windstruktur in ihrer Gesamtheit ist das Resultat eines Zusammenspiels zahlreicher Faktoren; vor allem des Einflusses der allgemeinen Wetterlage, der mittleren Windge- schwindigkeit, der Temperaturschichtung, der Topographie und der durch die Vege- tationsverhältnisse bedingten Bodenreibung.
Eine gute Zusammenstellung unseres bisherigen Wissens über die Windstruktur fin- det sich bei_ No et z 1 in ( 13) . Hier sei nur kurz angedeutet, daß man dabei zwischen einer Grobstruktur (Windform) urid einer Feinstruktur (Textur) des Windes unterschei- den muß. Die erstere wird hauptsächlich durch meteorologische Einflüsse bestimmt und äussert sich meist in einem An- und Abschwellen der Windgeschwindigkeit in Inter- vallen von einigen Minuten Dauer. Die Feinstruktur dagegen beruht · auf turbulenten, hauptsächlich durch die Beschaffenheit der Bodenoberfläche bedingten Luftbewegun- gen, welche kurzfristige Pulsationen der Windgeschwindigkeit innerhalb der langwel- ligen Schwankungen erzeugen. Diese sogenannte Böigkeit besitzt in der Regel eine Schwingungsdauer von nur wenigen Sekunden und ist daher nicht leicht zu erfassen.
Wenn im Verlaufe unserer Untersuchungen im Furthtal auch dieser Windstruktur einige Aufmerksamkeit geschenkt wurde, so geschah dies keineswegs in der Absicht, damit neue Beiträge zur Böenforschung zu liefern, denn hiefür waren weder die nötigen Vorkenntnisse, noch das erforderliche Instrumentarium vorhanden. Es handelte sich vielmehr lediglich darum, uns mit dem dortigen Freilandwind, als der Grundlage der ganzen Untersuchung, auch in dieser Hinsicht etwas näher vertraut zu machen.
In Bild 3 ist eine solche Böigkeitsmessung dargestellt, die zwar nicht im Furthtal selbst, sondern östlich desselben bei Rümlang im Glatt-Tal, ausgeführt wurde. Das Bei- spiel wurde deshalb gewählt, weil es sich dabei um die längste Messung ( 1 ½ Stunden) handelt, die wir bei starkem Wind mit Ablesungsintervallen von 2½ Sekunden erfassen konnten. Als Meßinstrument diente eine Prandtl'sche Staudüse 1, die in 1,7 m über Bo- den auf einer großen, leicht beweglichen Windfahne schwenkbar montiert war.
Die drei oberen Darstellungen von Bild 3 enthalten sämtliche gemessenen Geschwin- digkeitswerte. Wenn man jede Geschwindigkeitsumkehr als Einzelböe betrachtet, so er- hält man für den gesamten Beobachtungszeitraum als mittlere Böendauer 12,6 Sekun- den und als mittlere Böe.namplitude 1,95 m/sec, das heißt
±
9%
der mittleren Windgeschwindigkeit von 11,0 m/sec. Dieses Verhältnis erfährt auch keine we- sentliche Veränderung, wenn man jede der drei Halbstunden für sich betrachtet.No et z 1 i n ( 13) kommt auf Grund aller bisherigen Untersuchungen zum Schluß,
«daß die Schwingungsdauer der Geschwindigkeitsböen bei stark böigem Wind etwa in der Größenordnung von 7-10 Sekunden und länger für die volle Periode liegen dürfte, und daß als Kleinstwerte etwa 2-5 Sekunden anzusehen sind, sofern man hierbei die Schwingungen mit kleinen und kleinsten Amplituden außer Betracht läßt». Wenn bei unseren Messungen die Böendauer über der oberen Grenze liegt, so dürfte dies dar- auf zurückzuführen sein, daß man bei einem Ablesungsintervall von 2½ Sekunden
1 Herstellerfirma: Haenni & Co., J egenstorf (Kt. Bern).
18 ms
f 6 14 12 10 8 6 4
18 ms
1 6 14 12 10 8 6 4
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16 14 12 10 8 6 4
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16 14 12 10 8 6 4
0 5
30 35
60 65
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Bild 3
18
1 1 ms
·--+-- - - f-- --·- ~ -- ---- _ 16
10 15 20
40 45 50
70 75 80
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8 6 4 30Min.
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16 14 12 10 8 6 4 60Min.
ms 18 16 14 12 10 8 6 4 90Min.
ms 18 16
N \f\J
14 1 2
1 10
1
8 6 4 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90Min.
Böigkeitsmessung vom 14. Januar 1948 bei Rümlang.
Beobachtungsdauer 90 Minuten, Ablesungsintervalle 2½ Sekunden (Unten: Für je 30 Sekunden gemittelte Werte)
nur Böen von 5 Sekunden und mehr erfaßt, alle kleineren Werte dagegen nicht. Dabei machen aber die Böen mit 5 Sekunden Schwingungsdauer im vorliegenden Falle rund
113
der registrierten Gesamtzahl aus, so daß zweifellos noch kurzfristigere Schwankungen vorhanden -waren. Hätten auch diese noch erfaßt werden können, so wäre damit dieBöenzahl erhöht und die mittlere Dauer entsprechend erniedrigt worden. Bei entspre- chenden Messungen im Furthtal, mit Ablesungsintervallen von knapp 2 Sekunden, wurde denn auch die mittlere Schwingungsdauer bereits auf 8-9 Sekunden herabgesetzt.
Bezüglich der mittleren Geschwindigkeitsamplitude für diese kurzwellige Böigkeit ergibt sich nach R o b i t z s c h (19), daß die Schwankung in einer einzelnen Böe im Durchschnitt etwa
±
15 % der mittleren Windgeschwindigkeit beträgt; also±
6%
mehr als im vorliegenden Fall gefunden wurde.
Diese Strukturverhältnisse des Windes sind in· forstlicher Hinsicht keineswegs be- langlos, beeinflussen sie doch den Massenaustausch, z.B. den Wärmeaustausch und die Verdunstung, in ausschlaggebender Weise. Gerade bei schwachen und schwächsten Winden kommt der Struktur des Windes in dieser Beziehung erhöhte Bedeutung zu.
Andererseits können die raschen Schwankungen der Windgeschwindigkeit und die zeit- liche Folge der Böen bei Sturmgefährdung zu entscheidenden Faktoren werden, dann nämlich, wenn der Rhythmus dieser Windstöße mit den Eigenschwingungen der ge- fährdeten Bäume übereinstimmt (vgl. Schmaus s [20], Wo e 1 f 1 e [22], Gei - g e r [ 4,, 3] ) .
Im untersten Teil von Bild 3 wurde versucht, auch die langwelligen Schwankungen der Windgeschwindigkeit deutlicher sichtbar zu machen. Zu diesem Zwecke wurden
<lie mittleren Windgeschwindigkeiten für je 30 Sekunden Dauer, d. h. also aus je 12 auf-
·einanderfolgenden Ablesungswerten, gebildet. Nachstehende Zusammenstellung enthält die für jede der drei Halbstunden und für die Gesamtdauer ermittelten Werte:
Zeit Vm V max V min V max V min Perioden·
Minuten rn/sec m/sec m/sec ~
JT;-
<lauer (Min.)0-30 9,76 15,1 4,,9 1,55 0,50 3,0
30-60 11,70 17,3 6,4 1,48 0,55 2,3
60-90 11,47 17,0 6,4 1,48 0,56 2,7
0-90 10,98 17,3 4,9 1,57 0,4,5 2,6
Für die größte ( V max) und für die kleinste ( V min) Geschwindigkeit müssen dabei natürlich nicht die gemittelten Werte, sondern die in der betrachteten Untersuchungs- periode tatsächlich gemessenen Maximal- und Minimalwerte eingesetzt werden. Die Zusammenstellung zeigt, daß die maximale gemessene Windgeschwindigkeit in allen Halbstunden ungefähr den 1 ½fachen Betrag der entsprechenden mittleren Geschwin- digkeit ( V m) erreicht. Der festgestellte Minimalwert dagegen beträgt nur etwa die Hälfte derselben. Auch hier liegen die Verhältnisse weniger extrem als bei den Messun-
gen von ·R ob i t z s c h (19), bei denen die Maximalwerte den l,9fachen, die Minimal-
werte nur den 0,2fachen Betrag der mittleren Windgeschwindigkeit erreichten. (Dabei darf allerdings nicht übersehen werden, daß die Maxima und Minima bei diesem Ver- hältnis ausgesprochene, einmalige Extremwerte sind, deren Größe natürlich von man- cherlei Zufälligkeiten abhängig ist.) Auch Böigkeitsmessungen im Furthtal selbst er- gaben ähnliche Werte wie in Rümlang, und nur bei einer einzigen Messung von 15 Mi- nuten Dauer erhielten wir für VVmax 1,8 und für VVmin 0,2, also die gleiche Größen-
m m
ordnung wie R o b i t z s c h.
Die mittlere Periodendauer für die einzelne langwellige Windgeschwindigkeitsände- rung betrug, unter Vernachlässigung der mehr zufälligen, unter 1 m/sec liegenden Rich- tungswechsel, 2-3 Minuten.
Mit dieser Geschwindigkeitsböigkeit ist stets auch eine Windrichtungshöigkeit ge- koppelt, deren Schwingungsdauer etwa in der gleichen Größenordnung liegen dürfte.
Wenn sich die Meteorologen bisher bedauerlicherweise verhältnismäßig wenig mit dieser Windstruktur befaßt haben, so dürfte dies einmal darauf zurückzuführen sein, daß die gebräuchlichsten, registrierenden Böenschreiher für Untersuchungen der Fein- struktur wenig geeignet sind, sodann aber auch darauf, daß sich, trotz zahlreicher Vor- schläge ( vgl. 8, S. 332 und 10, S. 151), bisher keine einheitlich angewendete Formel für das Böigkeitsmaß eingebürgert hat.
Vom Standpunkt des Windschutzes aus wäre es namentlich erwünscht, Näheres über die Böigkeit von Küsten- und Steppenwinden, im Vergleich zu unseren Talwinden, zu erfahren. Die, gegenüber unseren eigenen Messungen, auffallend größeren Schutzzonen bei jütländischen und ungarischen Untersuchungen stehen wahrscheinlich mit diesem Problem in Zusammenhang. Ich habe bereits früher (12, S. 701) auf diese Möglichkeit aufmerksam gemacht und in einer neueren, japanischen Publikation von I i zu k a (7), die leider nur eine ganz kurze englische Zusammenfassung enthält, findet sich folgende Feststellung: «Since the turbulence of wind is severer and the velocity is smaller in inland, the requirement of inland windhreak is quite different from that of seaside windhreak.»
Bei den folgenden Untersuchungen konnte dieser Windstruktur leider keine weitere Beachtung geschenkt werden. Wir legen denselben vielmehr lediglich die mittlere Wind- geschwindigkeit über einen längeren Zeitabschnitt zu Grunde. Dies in der stillschwei- genden Annahme, daß, bei der großen Zahl der Meßstunden und Meßtage, die mittlere allgemeine Windstruktur bei der Untersuchung ·jedes einzelnen Meßpunktes ungefähr die gleiche gewesen sei.
Einern anderen Umstand mußte dagegen gebührend Rechnung getragen werden, nämlich der Änderung der Windgeschwindigkeit mit zunehmender Entfernung vom Boden. Schon in einer früheren Mitteilung wurde, in einem speziellen Abschnitt, auf diese Tatsache hingewiesen ( 12, S. 710-715).
über der sogenannten Rauhigkeitshöhe, die für niedriges Grasland etwa gleich der mittleren Bewachsungshöhe gesetzt werden darf, nimmt die Windgeschwindigkeit zu- nächst rasch, dann immer langsamer zu. Die absolute Geschwindigkeitsänderung ist dabei hauptsächlich abhängig von der Windstärke, der Bodenreihung, welche ihrerseits das Ausmaß der Turbulenz bestimmt, und der Temperaturschichtung über dem Gelände.
Für eine längere Beobachtungszeit ergibt sich für die mittleren Windgeschwindigkeiten in verschiedener Höhe eine gewisse Gesetzmäßigkeit, die wiederholt durch mehr oder weniger einfache Formeln zu erfassen versucht wurde. Ein einfaches Potenzgesetz wurde z.B. von He 11 man n ( 6) aufgestellt, das aber nur in Bodennähe, nach Hell- mann bis in zirka 1 ½ m Höhe, ·gilt. Auch bei unseren Messungen im Furthtal reichte dessen Gültigkeit nur bis in 2 m Höhe hinauf. P a e s c h k e ( 17) hat bei ähnlichen
Untersuchungen mit einem loga~ithmischen Gesetz gearbeitet, dessen Geltungsbereich bei unseren Messungen aber auf die ersten 4--5 m Höhe beschränkt blieb. Sehr ein- gehende Untersuchungen der Windgeschwindigkeitsänderung mit der Höhe wurden in Amerika von Th o rn th w a i t e (21) durchgeführt, und dieser Autor entwickelte dabei eine Formel, in welcher Potenzgesetz und logarithmisches Geschwindigkeitsgesetz kom- biniert sind. Da aber auch diese Formel den im Furthtal durchgeführten Messungen nicht im ganzen Höhenbereiche völlig gerecht wird, kann hier von einer eingehenden Beschreibung derselben abgesehen werden.
Der Verzicht auf eine formelmäßige Erfassung der tatsächlichen Verhältnisse fällt um so leichter, als sich herausgestellt hat, daß das relative Verhältnis der in verschie- dener Höhe über Boden gemessenen Windgeschwindigkeiten praktisch konstant bleibt.
Setzt man z. B. die mittlere Windgeschwindigkeit in Wandhöhe, also in 2,2 m Höhe, gleich 100 Prozent, so erhält man im langfristigen Mittel folgende Verhältnisreihe:
Höhe über Boden (m) 0,55 Windgeschwindigkeit ( % ) 74,2
1,1 85,8
2,2 100
3,3 108,3
4,4 113,7
5,5 117,3
6,6 119,7
7,7 121,4
8,8 122,5
Diese Relation bleibt, wenigstens im Rahmen der untersuchten Windgeschwindigkei- ten von 2-10 m/sec in 2,2 m Höhe, fast durchwegs unverändert. Einzig bei Ostwind scheint, gegenüber dem vorherrschenden Westwind, eine leichte Verflachung des Ge- schwindigkeitsanstieges zu bestehen, was hauptsächlich durch die topographischen Ver- hältnisse bedingt sein dürfte.
3. Die Überströmung der Wände
a) Die Windgeschwindigkeit
Bereits bei früheren Versuchen im Bereich eines Fichtenschutzstreifens im Furthtal konnte 1946 festgestellt werden, daß die Einflußzone eines solchen Objektes nicht nur in horizontaler, sondern auch in vertikaler Richtung sehr beträchtliche Dimensionen aufweisen müsse. Die damalige Höhe, bis zu welcher Windmessungen vorgenommen wurden, betrug allerdings nur 5 m, nahm sich also, gegenüber dem 16-17 m hohen Schutzstreifen selbst, recht bescheiden aus. Schon damals ergab sich aber beim Auf - tragen der Windstärken für das Freiland einerseits und für einen Punkt im Gebiet des größten Windschutzes andererseits, im logarithmischen Koordinatensystem ein nur ganz allmähliches Konvergieren der beiden Kurven mit zunehmender Höhe ( vgl. 12!
S. 713, Bild 21, rechts, Kurven 4 und 5). Es wurde daraus der Schluß abgeleitet, daß die Schutzwirkung eines Windschutzstreifens erheblich über dessen Höhe hinaufreichen müsse.1
1 Sehr befriedigend ist dabei die Feststellung, daß die damals erhaltene Relation zwischen den Freilandgeschwindigkeiten über Boden, d. h. ebenfalls über einer winterlichen Wiese, sehr gut mit den neuesten, vorstehend mitgeteilten Verhältnissen übereinstimmt. Aus der damaligen Frei- landwindkurve 4 ergeben sich nämlich für die entsprechenden Höhen folgende prozentualen Windgeschwindigkeiten: Höhe (m) 0,55 1,1 2,2 3,3 4,4
Wind ( % ) 72 86 100 108 113
Auch
Kr
e u t z (9) hat versuchsweise, in verschiedenen Abständen von Mais- streifen, die relativen Windgeschwindigkeiten im Vertikalprofil gemessen, jedoch nur bis in Objekthöhe. Bezüglich der Auswertung der Ergebnisse drückt er sich sehr vor- sichtig aus, stellt aber unter anderem ebenfalls fest, daß der Windschutz in geringem Maße auch über die Höhe des Hindernisses hinaus wirksam gewesen sein dürfte.Im Furthtal führten wir zunächst Messungen bis in 4,4 m, d. h. bis in doppelte Ob- jekthöhe hinauf, aus. Es zeigte sich aber sehr bald, daß damit die vertikale Störungs- zone noch keineswegs vollständig erfaßt wurde. Man entschloß sich daher, auf vier- fache Wandhöhe hinaufzugehen. Als Meßpunkte in diesem Vertikalprofil wurden dabei einfache Bruchteile und Vielfache der Wandhöhe gewählt, nämlich:
Höhe über Boden (m) 0,55 Verhältnis zur Wandhöhe ¼
1,10
¼
2,20 1
3,30
!1/2 4,40
2
5,50 6,60 2¼ . 3
7,70 3½
8,80 4
Die Messung wurde nun allerdings durch diese Verlängerung nach oben wesentlich erschwert. Die Konstruktion des . hierbei verwendeten Windmessermastes, welcher in einfachster Weise aus Dachlatten erstellt wurde, ist aus Bild 1 ersichtlich, das im Hinter- grund auch einen Teil der dichten Wand erkennen läßt. Der gegabelte Fuß konnte auf jedem Meßpunkt rasch mittels Flügelschrauben, um vorbereitete Bodenpfähle kippbar, montiert werden. Eine leichte Verstrebung in zwei Höhen genügte, um auch bei Wind- geschwindigkeiten von 10 m/sec und mehr einen ruhigen Stand zu erzielen. Für jede Ablesung mußte der Mast umgelegt werden, was natürlich eine gewisse Verfälschung der Resultate verursacht. Da aber Kippen, Ablesen und Wiederaufrichten bei einiger Übung kaum z~ei Minuten beanspruchte, fällt dieser Umstand bei langfristigen Ab- lesungsintervallen nicht stark ins Gewicht. Dies um so weniger, als sich der Fehler ja auch beim Bezugspunkt im Freiland gleichsinnig auswirkte.
Da pro Mast 9 _Anemometer eingesetzt waren, im ganzen aber· nur 18 Instrumente zur Verfügung standen, konnte außer dem Freilandpunkt, welcher natürlich dauernd kontrolliert wurde, jeweilen nur ein einziger weiterer Punkt bearbeitet werden. Es han- delte sich also beim Abtasten der ganzen, senkrecht zur Wandrichtung verlaufenden Meßstrecke um ein Geduldspiel, das sich über viele Wochen hinzog. Weil sich das pro- zentuale Verhältnis .der Windabschwächung, innerhalb weiter Grenzen, bei wechseln- der Freiland geschwindigkeit nicht wesentlich verändert, wurden Schwankungen dieser letzteren nicht als störend empfunden. Hingegen mußten viele Messungen wegen allzu- viel Querwind ausgeschaltet werden. Ebenso wurden Messungen bei Freilandwindstär- ken unter 2 rn/sec in Wandhöhe nicht ausgewertet, da in diesem Falle die windschwäch- sten Punkte leewärts der Wand in den Bereich der Anlaufsgeschwindigkeit der Anemo- meter gerieten und daher unsichere Werte lieferten.
Während bei den früheren Untersuchungen nur für die Meßhöhe von 1,4 m der Verlauf der Windabschwächung im Bereich der Schutzzone dargestellt werden konnte, war es hier nun möglich, solche «Windkurven» für 9 verschiedene Höhen zu erhalten.
Dabei wurden für jede einzelne Höhe die entsprechenden Werte des Freilandpunktes zu 100
%
gesetzt. Die Resultate sind in Tab. 2, sowohl für die lockere wie für die dichte Wand, zusammengefaßt und in Bild 4 graphisch dargestellt. In letzterem wurdenProzentuale Windgeschwindigkeit in verschiedener Höhe über Boden im Bereich der lockeren und der dichten Schilf wand
Tab. 2 (Bezugswert
=
Freilandwindgeschwindigkeit in der betreffenden Höhe)Lockere Wand Dichte Wand
x-facher stand Ab- Prozentualer Windanteil in verschiedener Höhe über Boden Prozentualer Windanteil in verschiedener Höhe über Boden
0,55 1,10 2,20 3,30 4,40 5,50 6,60 7,70 8,80 0,55 1,10 2,20 3,30 4,40 5,50 6,60 7,70
m m m m m m m m m m m m m m m m m
10 luv 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 9 100 100 100 100 100 100 100 100 100 99 100 100 100 100 100 100 100 8 99 100 100 100 100 100 100 100 100 98 99 99 100 100 100 100 100 7 98 99 99 100 100 100 100 100 100 97 98 99 100 100 100 100 100 6 97 98 99 100 100 100 100 100 100 95 96 98 99 100 100 100 100 5 96 97 99 100 100 100 100 100 100 92 94 96 98 100 100 100 100 4 93 95 98 99 99 100 100 100 100 88 91 94 97 99 99 100 100 3 89 92 97 98 99 100 100 100 100 81 85 91 96 97 98 99 100 2 84 90 95 97 98 99 100 100 101 73 78 86 91 95 97 99 100 1 78 84 92 96 99 100 101 101 101 61 67 82 90 95 98 99 101
O=Wand (71) (68) (87) (99) (103) (104,) (105) (103) (102) (44) (38) (81) (96) (100) (102) (103) (103)
l lee 65 47 45 103 106 105 105 104 103 31 19 22 98 104 105 105 105 2 56 43 52 100 106 106 106 105 104 23 20 26 81 103 107 106 105 3 46 44 59 97 105 106 106 105 104 26 25 32 71 100 106 105 104 4 38 46 63 94 104 106 106 105 104 37 32 39 66 97 103 103 102 5 33 48 66 91 100 104 105 104 103 42 38 45 65 94 99 100 100 6 32 50 67 87 96 102 104 103 102 45 43 50 66 92 97 98 98 7 341 52 68 84 94, 99 102 102 101 46 48 I 55 69 90 95 97 97 8 37 54 69 82 92 98 101 100 100 49 52 60 72 89 94 96 97 9 42 55 70 81 90 96 99 99 99 54 57 63 74 88 93 94 96
10 46 57 71 80 89 95 98 99 99 60 61 66 76 88 92 94 96 11 50 59 72 79 88 94 97 98 99 66 65 69 77 87 92 93 96 12 54 63 73 79 88 93 96 97 98 71 69 72 78 87 92 93 95 13 58 65 74 79 87 92 95 96 98 75 72 73 79 87 91 93 95 14 62 69 75 80 87 91 95 96 97 78 74 75 81 87 91 94 96 15 66 72 77 81 87 91 94 96 97 80 77 77 82 88 92 94 96 16 70
751
79 82 87 92 94 96 97 83 79 79 83 88 92 94 97 17 73 78 81 83 87 92 94 96 98 85 82 81 85 88 92 95 9718 76 80 83 84 88 92 95 97 98 87 84 83 86 89 92 95 97 19 79 82 85 85 88 93 95 97 98 88 86 85 87 89 93 95 97 20 82 84 85 86 89 93 96 97 99 90 87 86 88 90 93 95 97 21 84 86 86 86 89 93 96 98 99 91 88 87 88 91 93 95 98 22 86 87 87 87 89 93 96 98 99 92 89 88 89 91 93 96 98 23 88 88 87 88 90 93 96 98 99 93 90 89 90 92 94 96 98 24 89 88 88 88 90 94 96 98 99 94 91 90 90 92 94 96 98 25 90 89 88 89 90 94 96 98 99 94 91 90 91 93 94 96 98 26 91 90 89 89 91 94 97 98 100 94 92 91 92 93 95 97 98 27 92 91 89 90 91 94 97 99 100 94 92 91 92 94, 95 97 98 28 93 92 90 90 91 95 97 99 100 94 93 92 93 94 95 97 99 29 94 93 90 91 92 95 97 99 100 95 93 93 94 95 96 98 99 30 95 93 91 91 92 95 97 99 100 95 94 94 95 95 96 98 99
8,80 m
100 100 100 100 100 100 100 100 100 101
(103)
104 104 103 101 100 99 98 98 98 98 97 97 97 97 97 98 98 98 98 99 99 99 99 99 100 100 100 100 100 100
aber, der besseren Übersichtlichkeit halber, die Windkurven aus 6,6 und 7,7 m Höhe, die beide sehr ähnlich sind und zwischen denjenigen aus 5,5 und 8,8 m liegen, weg- gelassen.
Wenn man die sehr geringe Höhe der Objekte gegenüber natürlichen Schutzstreifen berücksichtigt, dürfte, wie bereits erwähnt, die Meßhöhe von 0,55 m am ehesten mit unseren früheren Messungen vergleichbar sein. Daß der Einfluß der Schilfwände in dieser Höhe durchaus im Rahmen der Windabschwächung von Gehölzstreifen liegt, wurde schon im ersten Kapitel dargetan. Es sei deshalb hier lediglich noch auf eine Anomalie hingewiesen, die in dieser Meßhöhe bei der dichten Wand auftritt, nämlich auf eine Verlangsamung des leeseitigen Geschwindigkeitsanstieges, die etwa zwischen dem 4--8fachen Objekthöhenabstand festzustellen ist. Auf die Bedeutung dieser Er- scheinung werden wir später zurückkommen.
Faßt m~n nun die Windkurve in 1,1 m, d. h. in halber Wandhöhe, ins Auge, so zeigt sich zunächst bei der dichten Wand ein sehr ähnlicher Verlauf. Das leeseitige Wind- minimum ist hier, gegenüber dem in 0,55 m, sogar noch etwas tiefer und näher gegen die Wand hin verschoben und die erwähnte Unregelmäßigkeit ist weitgehend ausge- glichen. Im Gegensatz dazu erscheint die Schutzwirkung bei der lockeren Wand in 1,1 m Höhe bereits erheblich vermindert. Auch hier ist die windschwächste Zone näher gegen die Wand hingerückt, aber das Minimum liegt bedeutend höher als in 0,55 m. Im 5-lüfachen leeseitigen Abstand ist eine ähnliche Verzögerung der Windzunahme ange- deutet, wie sie bei der dichten Wand in 0,55 m auftritt.
Die beiden Kurven für 2,2 m, d. h. in Wandhöhe, zeigen immer noch eine ausgespro- chene Schutzzone an. Auf der Luvseite ist zwar, gegenüber den bisherigen Meßhöhen, sowohl bei der lockeren wie bei der dichten Wand eine unverkennbare Zunahme der relativen Windgeschwindigkeit festzustellen. Bei beiden Wänden weicht aber das Wind- minimum noch nicht wesentlich von demjenigen in 1,1 m Höhe ab. Bei der dichten Wand liegt dabei auch die Kurve des Wiederanstieges der Windgeschwindigkeit höch- stens etwa 10
%
über derjenigen in 1,1 m und in der Endphase sogar eher etwas dar- unter. Bei der lockeren Wand dagegen erfolgt die Windzunahme vom Minimumgebiet an bedeutend rascher, um aber auch hier gegen das Ende der Schutzzone hin wieder in die gleiche Größenordnung, wie die unteren Meßhöhen, einzumünden.Während nun aber die Windkurven bis in Wandhöhe, trotz der erwähnten Abwei- chungen, noch sehr deutlich einen gleichartigen Charakter erkennen lassen, ändert sich dieser bis in 3,3 m, d. h. bis zur 1 ½ fachen Wandhöhe, sprunghaft. Man bemerkt hier bereits kurz vor der Wand an Stelle des ursprünglichen, stetigen Absinkens der Wind- geschwindigkeit ein Wiederansteigen derselben. Diese Zunahme setzt sich unmittelbar hinter der dichten Wand noch bis zum Erreichen der Freilandwindstärke fort und führt hinter der lockeren Wand sogar zu einer leicht überhöhten Geschwindigkeit. An Stelle eines Windminimums tritt hier also ein sekundäres Maximum auf. Erst hinter diesem Punkt stößt man nochmals auf eine Zone mit starker Windabschwächung, in welcher der Freilandwind bei der lockeren Wand, im 10-15fachen leeseitigen Abstand, noch bis auf zirka 80
% ,
bei der dichten Wand, im zirka 5fachen Abstand, sogar bis auf 65%
reduziert wird.Dieser sprunghafte Wechsel des Kurvencharakters bewog uns, zusätzlich noch auf einigen Punkten Messungen in 2,2 m, 2, 75 m und 3,3 m Höhe gleichzeitig vorzunehmen , um die Umschlagshöhe noch etwas enger zu erfassen. Dabei ergaben sich folgende, leicht ausgeglichene Werte der prozentualen Windgeschwindigkeit:
Abstand Lockere Wand Dichte Wand
2,2 m 2,75 m 3,3 m 2,2 m 2,75 m 3,3 m
2 X luv 95 96 97 86 89 91
1 X luv 92 94, 96 82 86 90
0,5 X luv 90 95 96 81 87 92
Wand 87 97 99 81 92 96
0,5 X lee 47 98 102 25 93 99
1,0 X lee 45 94 103 22 65 98
2,0 X lee 52 85 100 26 53 81
3,0 X lee 59 80 97 32 51 71
4,0 X lee 63 78 94 39 52 66
5,0 X lee 66 77 91 45 54 65
6,0 X lee 67 76 87 50 57 66
8,0 X lee 69 76 82 60 64 72
10,0 X lee 71 76 80 66 69 76
Auf der Luvseite liegen die Werte aus 2,75 m Höhe also zwischen denen aus 2,2 m und 3,3 m, die ohnehin nicht wesentlich voneinander abweichen. Während aber die Werte bei 2,2 m ständig fallen, zeigen diejenigen von 2,75 m bereits das sekundäre Maximum über und hinter der Wand. Namentlich die Werte im 0,5fachen leeseitigen Abstand lassen erkennen, daß die Kurve aus 2,75 m bereits den Charakter derjenigen aus 3,3 m Hohe besitzt. Der sprunghafte Wechsel findet also innerhalb eines halben Meters Höhendifferenz statt. Im weiteren Verlauf fällt die Windkurve aus 2,75 m dan~1 wieder weit stärker ab und hält, schon vom 2-3fachen leeseitigen Abstand an, unge- fähr die Mitte zwischen der oberen und der unteren Kurve.
Die Windkurve in 4,4 m Höhe ist gegenüber derjenigen aus 3,3 m stärker verflacht, bei der dichten Wand sogar in auffallend starkem Ausmaße. Das sekundäre Maximum hat sich aber bei beiden Wänden verstärkt. Es ist auch nicht mehr so streng lokalisiert und etwas weiter leewärts verschoben.
Ähnliche, nur noch stärker verflachte Kurvenbilder ergeben sich auch für die noch
· höher gelegenen Meßpunkte, wobei die Geschwindigkeitsüberhöhung beim sekundären
Maximum zunächst noch zunimmt und erst in 7,7 m Höhe wieder zurückgeht.
Aber selbst in 8,8 m, d. h. im Vierfachen der Wandhöhe, ist die Grenze der verti- kalen Einflußzone der Schutzwände noch keineswegs erreicht. Daraus erklärt sich aber auch die verblüffend große Fernwirkung der Windschutzstreifen in horizontaler Richtung.
Es dürfte nun ziemlich schwer halten, aus dem in Bild 4 dargestellten Kurvenverlauf eine anschauliche Vorstellung über die wirkliche Windverteilung zu gewinnen, da ja jede einzelne Kurve wieder auf einer andern Bezugsgröße basiert.
Bild 4
% %
100 100
90 90
80 80
70 70
60 60
50 50
40 40
30 30
20 20
10 10
0 0
10 0 10 15 20 2 5 Fach 30
%
1
%
100 100
QO 90
80 80
70 70
60 60
50 50
40
-/Jic/2/e , Wand
4030 1 30
20 1 20
10 10
0 0
10 5 0 5 10 15 20 25 fach 30
Prozentuale Windgeschwindigkeit in verschiedenen Höhen über Boden im Bereich der lockeren und der dichten Schilfwand
(Bezugswert = Freilandgeschwindigkeit in der betreffend en Höhe)
Was wir kennen, ist einmal. das gegenseitige Verhältnis der Windgeschwindigkeiten in den Meß-Höhen über dem Freilandpunkt und sodann die prozentuale Abschwächun g des Freilandwindes in diesen Höhen im ganzen Schutzbereich. Diese beiden Relationen aber erlauben uns nun, sowohl für den Freilandpunkt als auch für jeden beliebigen Punkt der Meßstrecke, ein vertikales Geschwindigkeitsprofil für eine bestimmte Frei- landwindgeschwindigkeit aufzuzeichnen. ·
Bild 5 zeigt eine Auswahl solcher Vertikalprofile für einige charakteristische Punkte, und zwar bei Annahme einer Freilandwindstärke von 5 m/sec in 2,2 m Höhe.
Als erstes ist das Freiland-Windprofil im lüfachen luvseitigen Abstand dargestellt, das der bereits mitgeteilten, prozentualen Geschwindigkeit_szunahme mit der Höhe ent-
HÖhe Üb. Boden
12 o 1---t--1----+---t--+---r- n
10.0 t---t-- 1----+---t--+- --r-n ...
122.5 - 8 O ~---- 1-F'r1ilandpunkt +---+-o-12"!.4,tt-_
10.DX Luv 1/9.7 --
6.0 1-- -+---,- -.------;---;---tr -i 117.J I --
113.1 / ••
4.0 1-- -+---, - -+---;---;----,--;-- -i 2.0 F=---+----t ---+----+-1
, j r ~
, . . «r- ::
OOL...J.-...J-:a:,;:;.. ... _...i... ... ....,
6m.s 0
-- 01ch!e Wand Höhe Üb. Boden
12.0 l-- -+- --i l----+---t---t---;-,- 1
10 0 l---t- -l----+---+--+---r- :-1-1
801----t-- ~~---t---t---;:::1:J 2.5 X Lee
6.0 1--1--.~---+--+---+ -t-i
4.0 l- --t---,--t---;---t,--';7T
j_
-j_ 1--,--- -::-::::::-=- _-/
20 ~--~-~/--r'-~/,.,...-4--+--cci--f~
0.0 ,,, / '
6ms 0
Bild 5
I.S x Luv
} } : : 1 / f --
V/ ,·
~ _:_,;<--··
HÖhe üb. Boden 1- -1--1--- -+- --+ - -+---+ >rl 12 0
1-- -1--t----t---+--+- --+~ 10 0
60
.) -- 40
1---1.-ß' -- v-~-=-=-= --- _7 -- 2 O
::: (r--.. ~,
00 6ms ---L odere Wand
! ~ -
+- 6.5 X Let /,!,'--
Höhe üb. Boden
' 12.0 1----+--t----+---+---t--+ H 10.0
.JO.oxLee
,1/ -- ,-J /
6m~
20 0.0
Windgeschwindigkeit in verschiedener Höhe über Boden für einige Punkte im Bereich der lockeren und der dichten Schilfwand
(Freilandwindgeschwindigkeit in 2,2 m Höhe = 5 m/sec)
spricht. Dieses Profil wird bei allen übrigen Punkten als feingestri chelte Linie wieder- holt, um die Beurteilung des Wandeinflusses zu erleichtern.
Die Windprofile im l,5fachen luvseitigen Abstand bleiben erwartungsgemäß im unteren Teil bereits etwas gegenüber dem Freilandprofil zurück, dasjenige der dichten Wand etwas stärker als das der lockeren Wand. In etwa 8 m Höhe wird aber in beiden Fällen die Freilandwindstärk e wieder erreicht.
Im lfachen leeseitigen Abstand erhält man ein völlig anders geartetes Bild. Bei beiden Wänden nimmt die Windgeschwindigkeit hier in Bodennähe zunächst bis in halbe Wandhöhe ab. Von hier an erfolgt eine ganz allmähliche Geschwindigkeits- zunahme, die dann, unmittelbar über der Wandhöhe, außerordentlich rasch anschwillt und in zirka 1 ½facher Wandhöhe die Freilandwindstärke erreicht. Von hier an liegen die Windgeschwindigkeiten für beide Wände merklich über denjenigen des Freilandes.
Irgendwo müssen die 3 Kurven natürlich wieder ineinander übergehen, doch scheint dies in 12 m Höhe, d. h. in mehr als 5facher Wandhöhe, noch nicht der Fall zu sein.
Da die erwähnte Windabnahme in Bodennähe nur mittels zweier Meßpunkte fest- gestellt werden konnte, führten wir sicherheitshalber noch eine Spezialmessung durch, deren Ergebnis in Bild 6 graphisch dargestellt ist. Es wurde dabei im lfachen leeseitigen Abstand bei beiden Wänden die Windgeschwindigkeit in 0,1, 0,3, 0,55, 0,8, 1,1, 1,65 und 2,2 m Höhe gleichzeitig gemessen. Für die dichte Wa~d tritt die Windabnahme deutlich in Erscheinung, für die lockere Wand ist sie dagegen nur noch als lokale Aus-
buchtung im Bereich der halben Wandhöhe festzustellen. Da sich dieser Verlauf durch wiederholte Messungen einwandfrei nachweisen ließ, wurde ihm das Windprofil der lockeren Wand entsprechend angeglichen. Sehr schön zeigt sich in Bild 6 bei der dichten Wand in 30 cm Höhe aber auch ein nochmaliges Umbiegen des Windprofils, das not- wendigerweise eintreten muß, da ja die Windgeschwindigkeit an der Bodenoberfläche selbst gleich Null wird.
m lföhe Uber 8at1en Hone über Boden m
,--- - -,,--- -,--- -.---.---,,-~ 2.20
Bild 6 Spezialmessung über die Windgeschwindigkeit in Bodennähe
(Im einfachen leeseitigen Abstand hinter der lockeren und der dichten
Schilfwand)
2.20
f,65
f./0
0,80
0.55
0.JO 0.10 0,0
I 1
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_/../
-
1-- - -+---t---:-->"F- - -'-+--- -+----i 0,30
1----/-.,,L::..----J.---+--- -+----; 0.10
'---'---~---~--~----' 0,0
4 Smjsec
W1ndgesd;windi'gkelt
Im 2,5fachen leeseitigen Abstand ist, wie aus Bild 5 ersichtlich, bei der lockeren Wand noch eine Geschwindigkeitsumkehr festzustellen, bei der dichten dagegen nur noch ein etwas verlangsamter Geschwindigkeitsanstieg. Ferner ist die unvermittelte Ge- schwindigkeitszunahme über der Wand hier bereits etwas gemildert. Die Zone der über0 höhten Geschwindigkeit tritt dagegen noch schärfer hervor.
Im 6½fachen leeseitigen Abstand liegt die Windgeschwindigkeit für die lockere Wand in ¼ Wandhöhe, im Gegensatz zu den vorigen Darstellungen, deutlich tiefer als für die dichte. Die letztere weist aber auch hier schon in halber Wandhöhe eine, wenn auch nur unbedeutend, höhere Geschwindigkeit auf. Noch weiter oben ist die Wind- abschwächung für die dichte Wand wiederum ganz eindeutig größer als für die lockere.
Erst vom 9fachen leeseitigen Abstand an ist auch in halber Wandhöhe die Wind- geschwindigkeit der lockeren Wand etwas geringer als bei-der dichten, doch handelt es sich dabei stets nur um eine Differenz von wenigen Prozenten (vgl.Tab. 2). '
In diesem Zusammenhang dürfte es von Interesse sein, uns kurz darüber zu orien- tieren, wie sich überhaupt die prozentualen Windgeschwindigkeiten der beiden Wände in verschiedenen Höhen gegenseitig verhalten. Die diesbezüglichen Prozente sind m folgender übersieht als Mittelwerte für wandparallele Zonen zusammengestellt:
Mefihöhe Objekt Zone des leeseitigen Abstandes
0- 5 X 5-lO X 10- 15 X 15-20 X 20-30 X
¼ Wandhöhe (0,55 m) Lockere Wand 51 37 56 74 90
1/4 Wandhöhe (0,55 m) Dichte Wand 32 49 71 85 93
½ Wandhöhe (1,1 m) Lockere Wand 48 53 64 79 89
½ Wandhöhe (1,1 m) Dichte Wand 27 50 70 83 91
1/1 Wandhöhe (2,2 m) Lockere Wand 59 68 74 82 88
1/1 Wandhöhe (212 m) Dichte Wand 36 57 72 82 90
Dieser Darstellung ist zunächst zu entnehmen, daß in ¼ Wandhöhe die dichte Wand in der ersten Zone vom 0-Sfachen leeseitigen Abstand eine wesentlich stärkere Wind- reduktion aufweist als die lockere. Bereits im 5-lüfachen Abstand tritt aber deutlich der umgekehrte Fall ein und die lockere Wand wirkt von hier weg bis zum Ende der Schutzzone günstiger, wobei allerdings der Unterschied zwischen den beiden Wänden immer geringer wird. In halber Wandhöhe ist die Windabschwächung in der wand- nächsten Zone, gegenüber ¼ Wandhöhe, nur um ein geringes größer und auch das Verhältnis von lockerer zu dichter Wand bleibt im wesentlichen unverändert. In den entfernteren Zonen ist die Windreduktion für die dichte Wand ungefähr gleich wie in
1 / 4 Wandhöhe, für die lockere Wand ist dagegen eine anfangs sehr beträchtliche Ge-
schwindigkeitszunahme festzustellen, so daß in dieser Höhe ein weiterer Unterschied zwischen den beiden Durchlässigkeitsgraden höchst problematisch erscheint. In Wand- höhe selbst ist die Schutzwirkung der dichten Wand nicht nur im 0-5fachen, sondern auch im 5-lüfachen Abstand aus.gesprochen größer als diejenige der lockeren Wand, während auch hier im weiteren Verlauf kein merklicher Unterschied mehr besteht.
Wenn man nur die Windreduktion in Betracht zieht, würden diese Verhältnisse darauf hindeuten, daß lockere Schutzstreifen, gegenüber dichten, dann den größten Vorteil bieten, wenn die Objekte möglichst hoch sind. Bei sehr niedrigen Hecken dage- gen, bei denen die zu schützenden Kulturpflanzen über die halbe Objekthöhe hinaus- wachsen, müßte man annehmen, daß sich die dichten Hecken eher günstiger auswirken würden.
Um wieder zu unseren vertikalen Windprofilen zurückzukehren, sei noch auf die letzte Darstellung von Bild 5 verwiesen, welche die Verhältnisse im 30fachen leeseitigen Abstand wiedergibt. Die Geschwindigkeitsprofile der beiden Schutzwände haben sich hier demjenigen des Freilandwindes im ganzen Höhenbereich wieder stark angeglichen und deuten damit das baldige Ende der Schutzzone an.
Die in Bild 5 dargestellten Vertikalprofile lassen sich natürlich für jeden beliebigen Punkt der Meßstrecke konstruieren. Dies immer unter der Voraussetzung, daß der Freilandwind in 2,2 m Höhe 5 m/sec betrage. Für jeden Punkt läßt sich nun aus den Profilen herauslesen, in welcher Höhe eine bestimmte Windgeschwindigkeit, z. B. 1, 2, 3 oder 4, m/sec auftritt. Damit sind wir aber auch in der Lage, für den ganzen Schutz- bereich sogenannte Isotachen aufzuzeichnen, d. h. Linien, welche die Orte mit gleicher Windgeschwindigkeit miteinander verbinden. Eine solche Darstellung zeigt Bild 7;
oben für die lockere, unten für die dichte Wand. Die Windgeschwindigkeiten sind darin von 0,5 zu 0,5 m/sec aufgetragen. Dabei ist zu beachten daß die beiden Zeichnungen 4.fach überhöht sind. Ferner wurden sie nur bis zum 20fachen leeseitigen Abstand und nur bis in 9 m Höhe dargestellt, um die Einzelheiten in Wandnähe möglichst groß wiedergeben zu können.
Betrachten wir vorerst an Hand von Bild 7 die Verhältnisse bei der lockeren Wand.
Links ist im lüfachen luvseitigen Abstand zunächst die Zunahme der Freilandgeschwin- digkeit mit der Höhe ersichtlich. Ohne Wand würden natürlich alle Isotachen parallel verlaufen. Man bemerkt nun aber, daß sie sich in Bodennähe bereits vor der Wanddeut- lich heben. Verfolgt man den Verlauf einer einzelnen Isotache, z. B. derjenigen von
m Höhe üb.Boden 9
Bild 7
8 7
6 5 4
3 2
Lodef'e Wand ... --~-!§ -·· / / /
0
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m Höhe üb. Boden
9 V
/
8 7 6
5 4
!Jlch!e Wand \'.C \_. 1,,§?
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6.oms
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soms
Höhe üb. Boden m 9 8 7 6 5
-r-- 4
3 2
Höhe üb. Boden m g 8 7
6 5 4
3 2
\.. -/ V-- ---- ---~---- ---
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0
Isotachenverlauf im Bereich der lockeren und der dichten Schilfwand (Freilandwindgeschwin .digkeit in 2,2 m Höhe = 5 m/sec)
4, m/sec, so stellt man fest, daß diese im ½fachen luvseitigen Abstand in etwa 1 ¼ m Höhe liegt, d. h. um rund 1 m höher als im Freiland . In unmittelbarer Nähe der Wand, wo die Verhältnisse äußerst kompliziert sein dürften, fehlen uns begreiflicherweise jeg- liche Messungen. Im ½fachen leeseitigen Abstand liegt die 4-m-Isotache schon um etwa ¼ Meter über der Wand und behält diese Höhe bis etwa zum 12fachen Abstand fast unverändert bei. Von hier an sinkt sie allmählich wieder gegen den Boden hin ab.
Für die 3-m-Isotache ist auf der Luvseite ein ähnliches Ansteigen zu beobachten. Ob- schon diese Isotac_he aber noch im ¼fachen luvseitigen Abstand um etwa 1 m tiefer liegt als diejenige für 4, m/sec, finden wir sie im gleichen leeseitigen Abstand fast in gleicher
