Über die Windverhältnisse im Bereich gestaff eher Windschutzstreifen

Oxf. 266: 111.5 - - 015

Über die Windverhältnisse

im Bereich gestaff eher Windschutzstreifen

(Modellversuche mit Schilfrohrwänden im Freiland)

Von Werner Nägeli

HERAUSGEBjER

PROF. DR. A. KURTH, DIREKTOR DER EIDGENÖSSISCHEN ANSTALT FÜR DAS FORSTLICHE VERSUCHSWESEN

Bd. /Vol. 41 Heft/Fase. 5 1965

16 Bd. 41. füft 5, 196;

Einleitung 1 Problemstellung 2 Versuchsgrundlagen

21 Versuchsgelände 22 Windverhältnisse 23 Windschutzwände 24 Meßinstrumente .

241 Anemometer

l NHALTSVE RZEICHNIS

242 Windrichtungsschreiber 25 Versuchsanordnung

251 Meßintervall

252 Anordnung der Wände . 253 Aufstellung der Anemometer 3 Versuchsergebnisse

31 Allgemeines .

32 Windverhältnisse auf der Luvseite

33 Messungen im Bereich einer einzelnen Wand 331 Vergleich mit früheren Messungen im Furthtal 332 Einfluß der Freilandwindstärke .

333 Einfluß der Anströmrichtung

Seite

223 223 225 225 226 229 230 230 232 234 234 236 236 237 237 241 243 243 24,5 246 34 Messungen im Bereich zweier Wände im Abstand von 30 X h 249 35 Vergleich der Messungen im Bereich von Schilfrohrwänden mit Mcssm,g.;n

im Bereich natürlicher Schutzstreifen . 250

36 Messungen im Bereich gestaffelter Wände in Abständen von 20 X h, 15 X h und

10 x h bei verschiedenen Windrichtungen . 252

361 Allgemeines 252

362 Messungen bei WSW-Wind . 25 7

363 Messungen bei SW-Wind 259

364 Messungen bei SSW-Wind . 262

365 Vergleich der Windkurven zwischen der ersten und zweiten Wand für alie

drei Staffelungen 262

37 Versuche über die praktische Anwendung der Windkurven 264

371 Allgemeines 264

372 Berechnung der Windkurve entsprechend der Winter-Windrose von Kloten 266 373 Berechnung der Windkurve bei allseitig gleichmäßiger Bewindung . 268 374 Berechnung der Windkurve entsprechend der Windrose für alle 201 Messungen

der Staffelung von 15 x h 269

38 Einfluß der Entfernung alternierender Schutzstreifen, bei Staiielungen in Abständen

von 15 x h und 10 x h, auf die Schutzwirkung 270

39 Flächenmäßige Windmessung zwischen zwei Schilfwänden im Abstand von 15 x h 275

391 Allgemeines 275

392 Isotachendarstellung 279

4 Schlußbetrachtungen .

Zusammenfassung - Resume - Riassunto - Summary . Verzeichnis der Figuren

Zitierte Literatur .

283 289 297 298

221

Einleitung

Die vorliegenden Untersuchungen wurden ausgeführt im Januar bis April 1956, im Februar bis März und Dezember 1957 sowie im Januar bis März 1958. Es handelt sich um insgesamt 1090 an 93 Tagen und Halbtagen vorgenommene Messungen mit rund 45 000 Einzelablesungen. Zufolge anderweitiger Inanspruchnahme konnte die- ses umfangreiche Zahlenmaterial erst jetzt publikationsreif verarbeitet werden. Eine erste Auslese wurde zwar bereits für einen Vortrag «On the most favourable shelter- belt spacing» zusammengestellt, den der Verfasser im August 1963 anläßlich des

«Annual Meeting of the British Association for the Advancement of Science» in Aber- deen hielt (Nägel i 1964).

Ein geeignetes Versuchsfeld für diese Freilandversuche fand sich auf dem Gebiet des Waffenplatzes Kloten-Bülach, und es sei hiemit auch an dieser Stelle Herrn Waf- fenplatzverwalter E. W e t t s t e i n für die Bewilligung und tatkräftige Unterstützung unserer Untersuchungen der herzlichste Dank ausgesprochen. Auch den Unterförstern E. Zehn der, P. Roch a t und J. Werner unserer Versuchsanstalt, welche die Feldmessungen, oft bei recht grimmiger Kälte, durchführten, gebührt unser Dank, wobei noch besonders erwähnt werden darf, daß P. R o c h a t die benötigten Instru- mente in mühsamer Kleinarbeit selber entwickelte und baute. Verdankenswerte Ver- dienste um das Zustandekommen der vorliegenden Publikation erwarb sich auch unser langjähriger Mitarbeiter, J. Steinemann, welcher die Messungen laufend ver- arbeitete, bei der Auswertung verständnisvoll mitwirkte und auch die zahlreichen gra- phischen Darstellungen zeichnete. Wertvolle Ratschläge durfte der Verfasser während der Verarbeitung von unserem Mathematiker, Dr. P. Schmid, empfangen.

1 Problemstellung

Während man heute recht gut über die Veränderung des natürlichen Windfeldes durch einzelne Windschutzstreifen orientiert ist, liegen für die gemeinsame Wirkung mehrerer solcher Objekte, in paralleler Staffelung, noch wenig Unterlagen vor. Mit dieser sogenannten «Rückkopplung» haben sich, an Modellen im Windkanal, z. B.

B 1 e n k und Tri e n es (1956), Jens e n (1954), Ca b o r n (1957) und Wo o d ruf f (1956) befaßt, während in der Natur N 0 k k e n t v e d (1940), Bring man n und Kaiser (1955), Kaiser (1959a), Kreut z (1950), Kar - schon (1958) und der Verfasser (Nägel i 1943) solche Messungen an sehr ver- schiedenartigen Schutzstreifen vorgenommen haben.

Das Problem dieser gekoppelten Schutzwirkung ist natürlich beim Aufbau von größeren Windschutzanlagen äußerst aktuell, und die Frage nach dem günstigsten gegenseitigen Streifenabstand drängt sich immer wieder auf. Ohne systematische Un-

223

tersuchungen im Gelände selbst ist jedoch keine befriedigende Antwort zu erwarten.

Es darf dabei auch nicht übersehen werden, daß der optimale Abstand hinsichtlich der Windabschwächung sich keineswegs auch für die übrigen mikroklimatischen Verhält- nisse am günstigsten auswirken muß. Auch bei diesem Problem wird letzten Endes die praktische Erfahrung das entscheidende Wort sprechen. Stets werden dabei auch betriebswirtschaftliche Gesichtspunkte mitberücksichtigt werden müssen. Man ver- gleiche hierüber die Ausführungen von Kaiser (1959a), Rasch k e (1957) und Kreut z {1958).

Kreut z stellte bei seinen Untersuchungen im Windkanal fest, daß bei Staffelun- gen unter dem 1 0fachen Abstand der Objekthöhe keine nennenswerte Steigerung der Schutzwirkung zu erwarten sei, daß vielmehr, zufolge erhöhter Turbulenz, eher eine Ab- schwächung derselben befürchtet werden müsse. R a s c h k e fordert daher weitere Untersuchungen mit größeren Zwischenräumen. Er äußert dabei die vielfach anzutref- fende, aber mehr gefühlsmäßige Vermutung, daß der optimale Abstand gestaffelter Schutzstreifen etwa der 15fachen Objekthöhe entsprechen dürfte. Diese weitverbrei- tete Ansicht basiert auf Überlegungen, denen zur Hauptsache die an Einzelobjekten gewonnenen Erkenntnisse zugrunde liegen. Ein allgemein gültiger, optimaler Abstand existiert aber sicher nicht, denn je nach dem anzustrebenden Schutzzweck - Ertrags- steigerung, Winderosionsverhütung, Regulierung der Schneeablagerung - wird man unter «optimal» etwas anderes zu verstehen haben.

R a s c h k e möchte nun die Versuche bis zu einem gegenseitigen, der 30fachen Objekthöhe entsprechenden Abstand ausgedehnt wissen. Seine diesbezügliche Über- legung geht dahin zu erfahren, wie sich die Verhältnisse gestalten würden, wenn in einem System von Windschutzstreifen im 15fachen Abstand jeder zweite Streifen zwecks Regeneration geschlagen würde.

Di~ in der vorliegenden Arbeit untersuchten Staffelungen in 10-, 15-, 20- und 30- fachen Objekthöhenabständen kommen diesem von seiten der Praxis geäußerten Wunsch entgegen.

Zu beachten ist ferner, daß die meisten der bisher gewonnenen Erkenntnisse über die Strömungsverhältnisse an Windschutzstreifen sich auf eine senkrecht zu den Objekten gerichtete Windströmung beziehen. Dem Einfluß schiefer Anströmung auf die Schutzwirkung wurde daher in der vorliegenden Untersuchung große Aufmerk- samkeit geschenkt.

Ursprünglich war beabsichtigt, die Versuche analog den im Freiland getroffenen Anordnungen auch im Windkanal des aerodynamischen Instituts der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich maßstabgetreu zu wiederholen, um auf diese Weise weitere Unterlagen über die Vergleichbarkeit der unter Windkanalbedingungen er- zielten Resultate mit denjenigen im natürlichen Windfeld zu erlangen. Leider mußte dieses Vorhaben wegen ständiger Überlastung der Installationen des genannten Insti- tuts fallengelassen werden.

Anfänglich war ferner geplant, die Freilanduntersuchungen mit Objekten ver- schiedener Durchlässigkeit vorzunehmen, doch mußten diese Doppelmessungen, als zeitlich undurchführbar, schon bald eingestellt werden,

Ebenso war es nicht angezeigt, auch andere meteorologische Elemente, wie etwa Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Verdunstung usw., in die Untersuchung einzube- ziehen, da dies unter winterlichen Bedingungen wenig Sinn gehabt hätte. Gleichartige Messungen im Sommer waren leider nicht möglich; dies sowohl wegen anderweitiger Beanspruchung als auch wegen der Unmöglichkeit, während der Anbauzeit ein geeig- netes Versuchsgelände zu finden.

Die Versuchsergebnisse beziehen sich daher nur auf die rein aerodynamische Frage der Windabschwächung, doch hofft der Verfasser, trotz dieser Einschränkung einen weiteren bescheidenen Baustein zum Fragenkomplex « Windschutz» beitragen zu können.

Bewußt wurde in der vorliegenden Publikation der Beschreibung der Versuchs- grundlagen ein breiter Raum zugewiesen, da es bei allen solchen Einzeluntersuchun- gen äußerst wertvoll ist, sie mit ähnlichen Fällen vergleichen zu können, um schließlich auch für gestaffelte Windschutzanlagen allgemein gültige Erkenntnisse zu erlangen.

Für eine solche Synthese ist aber die Kenntnis aller Begleitumstände erste Voraus- setzung.

2 Versuchsgrundlagen

21 Versuchsgelände

Leider war es nicht möglich, auch diese Versuche im Furthtal, d. h. am gleichen Ort wie die früheren Messungen an Schilfrohrwänden {Nägel i 1953), durchzu- führen. Ein den gestellten Anforderungen einigermaßen entsprechender Ersatz fand sich, wie bereits erwähnt, auf dem Gebiet des Waffenplatzes Kloten-Bülach im Tal der Glatt. Das weithin ebene Versuchsgelände liegt südwestlich des Höhragenwaldes beim sogenannten «Langen Zinggen». {Neue Landeskarte, Blatt Bülach, Nr. 1071, Koordinaten: 68198/26096). Für die WindrichtungenSSE bis WNW ist ein Einfluß des genannten Waldes praktisch ausgeschlossen; für die übrigen Winde aus dem nord- westlichen und nordöstlichen Sektor liegt das Meßgelände in dessen Leeschutzzone.

Das ganze Gelände ist mit einer lockeren Grasnarbe bedeckt, welche zeitweise von durchziehenden Schafherden beweidet wird. Die mittlere Höhe dieser sehr einheitli- chen Vegetationsdecke beträgt zirka 6 cm.

Zu Beginn der Untersuchungen wurde während mehrerer Tage die Windgeschwin- digkeit gleichzeitig in der Höhe von 2,20 m und 0,55 m über Boden gemessen, um den sogenannten Rauhigkeitsparameter zu ermitteln, d. h. diejenige Höhe Z_0, von wel- cher an das logarithmische Gesetz der Windzunahme mit der Höhe gilt.

Im Mittel betrug die Windgeschwindigkeit in 2,20 m Höhe 129

%

derjenigen in 0,55m.

Die Bestimmung der Rauhigkeitslänge ergab nach dem Vorgehen von P a e s c h - k e (1937) im Mittel: Z₀ = 2,36 cm. Für verschiedene Meßpunkte kann diese Zahl

225

natürlich je nach der Dichte und Höhe des Bewuchses ziemlich variieren. So ergaben sich auf sechs in der Richtung der vorgesehenen Meßstrecke in Abständen von 40 m errichteten Meßpunkten und für die gleichen Zeitintervalle folgende Werte für Z₀ (bei Paeschke als k bezeichnet) : 1,35 cm, 4,89 cm, 3,39 cm, 1,01 cm, 2,28 cm und 2,55 cm. Diese Unterschiede sind aber gegenüber der einheitlich eingehaltenen Meß- höhe von 55 cm so klein, daß sie bei der Auswertung vernachlässigt werden durften.

Als weiterer Test, die Eignung des Versuchsgeländes betreffend, wurden 35 Wind- messer in regelmäßigen Abständen von 4,4 m längs der Meßstrecke aufgestellt, und zwar ebenfalls in 55 cm über Boden. Die während dreier Tage durchgeführten Mes- sungen ergaben eine mittlere quadratische Abweichung von

±

2,30 % zwischen den einzelnen Meßpunkten. Diese mittlere Streuung war von Messung zu Messung etwas verschieden; es ergab sich jedoch keine eindeutige Beziehung, weder zur Windge- schwindigkeit im Rahmen von 1,4 bis 7,3 m/sec noch zu der von WNW bis SW wech- selnden Windrichtung. (Die größte Streuung mit 4,,14

%

trat bei einem WNW-lichen Wind von 1,43 m/sec auf, die kleinste Streuung mit 0,92 % bei einem W-Wind von 1,67 m/sec.)

Auf eine Korrektur dieser Unterschiede für die einzelnen Meßpunkte wurde ver- zichtet, dies um so mehr, als eine versuchsweise Berücksichtigung derselben eine weni- ger ausgeglichene, d. h. zackigere Windkurve ergab als bei deren Vernachlässigung.

22 Windverhältnisse

Zu Beginn der Versuche mußte die Richtung der Meßstrecke festgelegt werden, und zwar sollte diese möglichst mit der häufigsten Windrichtung übereinstimmen.

Es wurden zu diesem Zwecke die Windbeobachtungen des Flughafens Kloten heran- gezogen, welcher in südöstlicher Richtung nur 5½ km vom Versuchsgelände entfernt liegt. Für die allein in Frage kommenden Wintermonate ergab sich für den Flughafen die in Figur 1 dargestellte Windrose. (Diese Darstellung entspricht der nachträglich aus den Windregistrierungen von 1949 bis 1958 errechneten Windrose, die sich im we- sentlichen mit der ursprünglich benutzten von 1949 bis 1955 deckt.) Figur 1 zeigt ein deutliches Vorherrschen westlicher bis westsüdwestlicher Winde und auch besonders hohe Windgeschwindigkeiten in diesem Sektor. Das ebenfalls ziemlich ausgeprägte Auf- treten starker nordöstlicher Winde ist für die vorliegenden Untersuchungen belanglos, da Messungen bei dieser Situation wegen der damit verbundenen Schutzwirkung des Waldes nicht verwertbar waren.

Die Meßstrecke wurde daher von WSW nach ENE festgelegt, was sich in der Folge als durchaus zweckmäßig erwies, wie die nachstehende Häufigkeitszusammenstellung für 73 Meßtage mit 957 Einzelmessungen auf dem Versuchsareal zeigt:

N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW

1,3 2,2 2,3 2,3 2,3 1,6 1,0 2,9 3,9 8,4 18,8 25,1 14,4 9,3 2,6 1,6 100,0 % 76,0%

Figur l

Windrose der Flugwetterwarte Zürich-Kloten für die Wintermonate 1949-1958, mit Richtung der Meßstrecke sowie der Windwände

- - - Windrichtung{%) ==t> Richtung

der

Messlinie - - - - - Windgeschwindigke!I m/.sec • • • • •

^{II II}

Windwand

Daß dabei volle 76

%

auf die Richtungen SSW-WNW entfielen, hängt mit der Auswahl der Meßtage zusammen, indem man auf die nicht auswertbaren Tage mit vorwiegendem Wind aus dem Nordostsektor möglichst verzichtete.

Außer der Windrichtung und der Windgeschwindigkeit sind bei Windschutzunter- suchungen ferner die Austauschvorgänge in der b(?dennahen Luftschicht zu beachten.

Van Eimern (1955, 1957) zeigte nämlich, daß bereits bei Messungen am Tage mit wenig stabiler Schichtung der Luft eine anders geartete und namentlich geringere Schutzwirkung erzielt wird als bei den weit stabileren Verhältnissen während Nacht- messungen.Sc u 1 t et u s (1958, 1959) fand seinerseits, daß' auch die verschiedenen Luftmassen, resp. deren unterschiedliche Temperaturgradienten, nicht ohne Einfluß auf die Wirkung von Windschutzstreifen sind. So zeigt sich z. B., daß bei der in Europa im allgemeinen weniger stabilen Polarluft die Reichweite der Schutzwirkung wesent- lich geringer ist als bei der stabileren Tropikluft. Es dürfte daher angezeigt sein, bei allen Windschutzuntersuchungen auch das vertikale Windgeschwindigkeitsprofil und womöglich auch die bodennahe Temperaturschichtung während der Messung laufend zu ermitteln. Nach B a 1 taxe (1962) ist das letztere zwar nicht absolut notwendig, da sich nach seinen Erfahrungen bereits aus der vertikalen Windgeschwindigkeits- änderung ein guter Turbulenzindex errechnen läßt.

227

Leider war uns im Zeitpunkt unserer Messungen die große Bedeutung dieser Frage noch nicht bekannt, so daß diese Zusatzmessungen, die an sich leicht zu bewerkstelli- gen gewesen wären, unterblieben. Glücklicherweise sind aber diese Veränderungen der Turbulenz im Winter, d. h. zur Zeit unserer Messungen, zufolge der geringeren Aufheizung der Bodenoberfläche während des Tages wesentlich kleiner als im Sommer.

Dies geht schon aus den im Winter geringeren Unterschieden der mittleren stündli- chen Windgeschwindigkeit im Tagesverlauf hervor, besonders aber aus den gegen- über dem Sommer wesentlich kleineren Schwankungen des mittleren stündlichen Tem- peralurgradienlen in Bodennähe. Als Beispiel hiefür sind in Figur 2 diese Verhält- nisse auf Grund der Messungen von Frankenberg er (1955) für Quickborn in Holstein dargestellt. Analoge Messungen aus der Nähe unseres Versuchsortes waren leider nicht erhältlich, doch zeigen auch die Messungen des Flughafens Kloten im Win- ter eine merklich geringere Schwankung der stündlichen Windgeschwindigkeiten als im Sommer.

Figur 2

Tagesverlauf der gemittelten Windgeschwindigkeit aus 2 m und 13 m über Boden (links) und des Temperaturgradienten zwischen diesen beiden Meßstellen (rechts). Nach Messungen von

Frankenberger (1955) bei Quickborn.

m/sec

5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5

1,0

z4h 03 06 09 12h 15 18

_...,._...,._ Sommer 21

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24h ' z4h 03 06 og 12h 15 1a 21 z4h

--• - ... - Winter·

Da unsere eigenen Messungen oft nur vormittags, oft nur nachmittags erfolgten, stehen für eine vergleichbare Ermittlung der Stundenmittel der Windgeschwindigkeit nur 23 Tage zur Verfügung. Die folgende diesbezügliche Zusammenstellung zeigt aber deutlich, daß diese Unterschiede von Stunde zu Stunde sehr gering waren und daß wir dies wohl auch hinsichtlich der Turbulenzverhältnisse annehmen dürfen:

Tageszeit:

m/sec:

Richtung:

9-IOh

3,19 241

10-11 h

3,33 242

ll-12h

3,35 242

12-13h

3,59 243

13-1.Jh

3,56 246

l4-15h

3,60 247

15-16h

3,32 249

16-17 h

3,JO 248

Die mittlere Windgeschwindigkeit nahm also von 9-10 Uhr bis zum Maximal- wert um 14-15 Uhr nur um 0,4 m/sec zu, und auch die mittlere Windrichtung, ange- geben in Grad alter Teilung, zeigte die im Sommer zu beobachtende Rechtsdrehung

während des Tages nur andeutungsweise. Die erwähnten Einflüsse von Luftmassen- wechsel und Änderung des Windprofils auf die Schutzwirkung dürften daher nicht stark ins Gewicht fallen. Dies ist einerseits bedauerlich, da die Messergebnisse nur für die gegebenen Verhältnisse volle Gültigkeit besitzen; andererseits wird damit aber auch eine gute Vergleichbarkeit der zeitlich verschiedenen Wandaufstellungen gewähr- leistet, so daß sich die prinzipiellen Gesetzmäßigkeiten klarer erfassen lassen.

23 Windschutzwände

Die guten Erfahrungen, welche sich bei unseren im Furthtal durchgeführten Unter- suchungen (N ä g e 1 i 1953) ergaben, ließen auch im vorliegenden Falle die Wahl von Schilfrohrwänden als angezeigt erscheinen. Dies um so mehr, als die damals in verschiedener Höhe über Boden vorgenommenen Messungen auch für die theoretische Bearbeitung der Strömungsverhältnisse an Windschutzstreifen benutzt werden konn- ten (Kaiserl959b).

Wie damals handelt es sich um Decken oder Matten aus Schilfrohr mit einer ein- heitlichen Höhe von 2,2 m. Mit Dachlatten wurde ein Rahmen von 5 m Länge und 2 m Höhe erstellt, in welchen diese Decken eingespannt wurden. Zu beachten ist also, daß die obere Abgrenzung nicht durch-die Latte gebildet wird, sondern durch das lockere Gewebe der Schilfmatte, was für die Überströmung der Wand nicht ohne Einfluß ist.

Während im Furthtal mit zwei verschiedenen Durchlässigkeitsgraden gearbeitet wurde, mußten wir uns bei der vorliegenden Untersuchung auf die durchlässigere und aerodynamisch günstigere Variante beschränken.

Die Durchlässigkeit der Matten ließ sich leicht durch die zur Wandlänge in Be- ziehung gesetzte Summe der Durchmesser der einzelnen Schilfrohre errechnen. Da- bei stellte sich heraus, daß zwar die verschiedenen Matten der gleichen Fertigungs- serie sehr einheitliche Durchlässigkeitsgrade aufwiesen, daß es aber leider nicht mög- lich war, bei einer späteren Serie das gleiche Durchlässigkeitsprozent zu erreichen.

Im Mittel betrug dieses 47

%,

mit einer Streuung von

±

5,5

%.

Um trotzdem alle benötigten Wände möglichst gleichartig zu gestalten, wurden die verschieden durch- lässigen Wandelemente abwechslungsweise zusammengebaut, wobei aber in Wand- mitte stets solche standen, die dem Mittel von 4 7

%

möglichst entsprachen ( vgl.

Figur 3).

Die Messung der Einzeldurchmesser der Schilfrohre wurde bei jedem Wandele- ment im oberen, mittleren und unteren Teil vorgenommen, wobei sich für diese drei Höhen praktisch kein Unterschied im Durchlässigkeitsgrad ergab, da die Rohre wech- selweise mit dem grundständigen, dickeren Teil nach unten oder nach oben eingewo- ben waren. Für die rund 7300 Einzelmessungen ergab sich folgende prozentuale Ver- teilung der Rohrdurchmesser:

6mm 7mm 8mm 9mm 10mm 11mm 12mm 13mm

7% . 21 % 35% 19%

11% 2%

1%

229

Bei der Beurteilung der Durchlässigkeit muß ferner beachtet werden, daß sich, rein geometrisch gesehen, bei einer einreihigen, geradlinigen Wand das größte Durch- lässigkeitsprozent bei einer senkrechten Anströmrichtung ergibt. Je schiefer der Wind auf die Wand zuweht, um so geringer wird ihre Durchlässigkeit.

Für eine Schilfwand mit 40 % Durchlässigkeit ergibt sich beispielsweise bei zu- nehmender Abweichung der Windrichtung von der senkrechten Anströmung folgende Abnahme der geometrischen Durchlässigkeit:

Abweichung (g) : Durchlässigkei ts-%

0 10 20 25 30 35 40 45 40 39 37 35 32 29 26 21

50 55 60g 14 7 0%

Bei einer Abweichung von 60g von der Senkrechten zur Wand wirkt diese also geo- metrisch vollkommen dicht. Sehr kompliziert gestalten sich die Verhältnisse, wenn die einzelnen Schilfrohre nicht mehr in einer geraden Linie liegen. Wird z.B. jedes zweite Rohr um den Betrag seines 1 ½fachen Durchmessers seitlich verschoben, so gilt, wie zeichnerisch ermittelt wurde, die obige Durchlässigkeitsabnahme nur bis zu einer Ab- weichung von 26g. In diesem Moment setzt ganz plötzlich eine Zunahme der Durch- lässigkeit ein, die bei einer Abweichung von zirka 53g mit 52 % ein Maximum erreicht, das also wesentlich höher liegt als die Durchlässigkeit bei senkrechter Anströmung.

Bei etwa 70g wird aber auch hier die Durchlässigkeit gleich Null. Diese auch für an- dere Verschiebungen gezeichneten Verhältnisse sind zweifellos bei Doppelalleen mit alternierend gepflanzten Bäumen von Bedeutung, doch erübrigt sich ein näheres Ein- gehen auf diese Fragen, da wir damit keineswegs beurteilen können, wie solche Objekte tatsächlich durchströmt werden.

24 Mefiinstrumente

Die bisherigen Windschutzuntersuchungen haben eindeutig gezeigt, daß nur mit einer Vielzahl von Meßpunkten und unter Beachtung der während der Messung herr- schenden Windverhältnisse, besonders nach Richtung und Stärke, brauchbare Resul- tate erzielt werden können. Für die vorliegenden Untersuchungen wurden durch unse- ren Mitarbeiter P. Roch a t spezielle Anemometer und ein spezieller Windrichtungs- schreiber entwickelt und gebaut, welche nachstehend beschrieben sind.

241 Anemometer

Die benötigten Windmesser mußten vor allem drei Bedingungen erfüllen, nämlich eine möglichst niedrige Anlaufgeschwindigkeit besitzen, richtungsunempfindlich sein und alle gleichzeitig in Betrieb gesetzt und ausgeschaltet werden können.

Das auf Grund dieser Anforderungen entwickelte Modell ist in Figur 6 dargestellt, und zwar links in gebrauchsfertigem Zustand, rechts mit geöffnetem Gehäuse.

Es handelt sich um ein sogenanntes Schalenanemometer, bei dem gewöhnlich 3 oder 4 halbkugelige Schalen symmetrisch in einer Ebene senkrecht zur Achse ange- ordnet sind. In unserem Fall wurden dagegen je 3 Schalen in einer Ebene, symmetrisch

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Figur 3

Ausschnitt aus einer Schilfrohrwand

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Gesamtansicht einer Schilfrohrwand mit Anemometer-Aufstellung

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Figur 5

Ablesezentrale für die Anemometer

a b

Telefonzähler Akkumulator c = Benzinmotor d = Dynamo

e = Zuleitungskabel f = Alarm

g = Chronometer

Figur 6

Anemometer Modell «Rochat». Links Gesamtansicht, rechts Gehäuseteil geöffnet, Mitte Demonstrationsmodell der Kontaktvorrichtung

C

g

Gesamtansicht des Anemometers a = Obere Ebene des Schalensterns b = Untere Ebene des Schalensterns c = Geschlossenes Gehäuse

d = Holzschraube für die Montierung e Zuleitungskabel

f = Dachlatte

a

Gehäuseteil des Anemometers geöf /net a = Vertikalachse des Schalensterns b = Übersetzungszahnrad 1 : 5 c = Quecksilbertropfen d = Platindraht

e = Regulierschraube für Quecksilber- tropfen

f = Zuleitungskabel

\ a

um 60° gegeneinander versetzt, angeordnet. Der Schwerpunkt der unteren Ebene liegt dabei unter der lnsertionsstelle der Tragarme an die senkrechte Achse, was wesentlich zu einem ruhigen Lauf des Rotationssystems beiträgt. Nach Patte r so n (1926) ergab dieses Zweiebenensystem, über alle Winkelstellungen zur Anströmrichtung ge- mittelt, ein fast doppelt so großes Drehmoment wie für einen einfachen, dreiteiligen Schalenstern. Dieses ist bei verschiedenen Winkelstellungen auch viel ausgeglichener, als dies z.B. bei einem vierschaligen Instrument der Fall ist. Das versetzte sechs- schalige Modell dürfte sich daher überall da empfehlen, wo eine möglichst geringe Anlaufgeschwindigkeit gefordert wird. Für die serienmäßige Herstellung empfiehlt sich die Anfertigung eines Modellblocks, mit dessen Hilfe die einzelnen Schalen rasch und genau orientiert werden können.

Der günstige Effekt des sechsteiligen Systems auf das Drehmoment kann aller- dings durch sein größeres Gewicht wieder weitgehend aufgehoben werden. Es galt da- her, dieses letztere so niedrig wie möglich zu halten, was hier durch die Verwendung halbierter Tischtennisbälle erreicht wurde. Dieses Material ist zudem korrosionsfrei und erleidet dank seiner Elastizität keine bleibenden Deformationen, was bei Leicht- metallschalen gleicher Dünnwandigkeit fast unvermeidlich ist. Es empfiehlt sich übri- gens, nur die eine Hälfte eines Balles zu verwenden und an dieser die Klebenaht als Randverstärkung zu belassen. Die Halbkugeln haben einen Durchmesser von zirka 37 mm, und der Abstand von der Schalenmitte zur Vertikalachse mißt 160 mm. Als Träger der Schalen wird Klaviersaitenstahl von 1,3 mm Dicke verwendet. Für die Be- festigung der Halbkugel wird am Träger ein dünnes, gefaltetes Messingblechstreifchen angelötet, das an die Schale geschoben und mit einer feinen Schraube festgemacht wird.

Neuere Versuche haben gezeigt, daß auch eine gute Halterung erzielt wird, wenn die Trägerachse lediglich etwas in die Schale hineingestoßen und mit dem Klebemittel

«Eastman 910 Adhesive» fixiert wird.

Das ganze Schalensternsystem inkl. Aufsetzstutzen wiegt nur 15 Gramm. Der Stutzen wird auf einer Vertikalachse festgeschraubt, welche aus 1,5 mm starkem Tamponstahl besteht und auf einem Steinlager aufsitzt. Sowohl oben wie unten wird diese Achse im Innern eines Führungsrohres durch ein kleines Radialkugellager ohne Innenring gehalten. Der Achse sitzt ferner eine kleine Kappe auf, welche so weit über das Füh- rungsrohr hinuntergreift, daß kein Regenwasser eindringen kann.

Das äußere Bild des einsatzbereiten Anemometers ist aus Figur 6, links, zu er- sehen, während rechts der Gehäuseteil geöffnet ist. Man erkennt bei dieser letzteren Aufnahme, daß der Schalensternachse a ein Zahnrad aufgesetzt ist, welches in ein zwei- tes, größeres Zahnrad b eingreift, das auf einer zweiten, parallelen Achse rotiert. Das Übersetzungsverhältnis der beiden Räder ist so gewählt, daß 5 Umdrehungen des

Oben: Figur 7: Windrichtungsschreiber Modell «Rochat», Gesamtansicht

Unten: Figur 8: Windrichtungsschreiber Modell «Rochat», Detailansicht der Registriervorrichtung:

a = Äußeres Rohr der Windfahne, b = Übersetzungszahnrad, c = Hammer in Ruhe- stellung, d = Uhrwerk zur Betätigung des Hammers, e = Stahlbandstern, f = Elek- tromotor.

231

Schalensterns eine Umdrehung der Sekundärachse entspricht. (Diese Übersetzung er- wies sich als notwendig, da die verwendeten Zählerwerke maximal 10 Impulse pro Sekunde aufnehmen können. Diese Leistungsgrenze entspricht aber, ohne Übersetzung, einer Windgeschwindigkeit von zirka 15 m/sec, d. h. einem Wert, der bei Böenspitzen recht häufig sein dürfte.) Am großen Übersetzungszahnrad entspringt ein feiner, unten abgewinkelter Platindraht, welcher bei jeder Umdrehung über einen Quecksilbertropfen schleift und dabei einen elektrischen Kontakt auslöst. (Vgl. die Demonstrationsmontage in der Mitte von Figur 6.) Das Quecksilber ist in einem mit zwei Kerben versehenen Kunststoffrohr untergebracht, und die Höhe des Tropfens kann mit einer Regulier- schraube (Figur 6, rechts, e) so eingestellt werden, daß dieser Schleifkontakt möglichst reibungslos funktioniert. Ein Herausfließen des Quecksilbertropfens tritt auch bei einer Neigung des Anemometers um etwa 45° nicht ein, wohl aber besteht die Gefahr, daß er herausgeschleudert wird, wenn das Instrument einen harten Schlag erhält.

Die Registrierung der Umdrehungskontakte erfolgt durch einen gewöhnlichen 4stelligen Telefonzähler, wobei als Stromquelle ein Akkumulator dient, welcher je nach dem verwendeten Zählermodell mit 8 V/ 100 Q oder 16 V/ 350 Q arbeitet. Für die Aufladung des Akkumulators wird im Felde ein mit einem Dynamo gekuppelter Benzinmotor eingesetzt. Die Zähler der einzelnen Anemometer werden in einer ge- meinsamen Zentrale vereinigt, an welche sie mit beliebig langen Zuleitungen angeschlos- sen werden können. Wichtig ist dabei, daß sämtliche Zähler miteinander ein- und aus- geschaltet werden können, so daß die Zeitintervalle für eine Messung auf allen Meß- stellen absolut synchron sind. (Vgl. Figur 5)

Das geringe Gewicht des Schalensterns und die außerordentlich geringe Reibung des ganzen Systems bewirken, daß die Anlaufgeschwindigkeit des Instrumentes bei etwa 0,1 m/sec liegt, also ganz bedeutend tiefer als bei den meisten der handelsübli- chen Modelle. Natürlich ist die Konstruktion weniger robust als bei den letzteren, doch wurden Windgeschwindigkeiten von 15 m/sec, auch über längere Zeit, ohne Schaden ausgehalten. Die Abweichungen in der Anzeige der einzelnen Anemometer betrugen bei Vergleichsmessungen im natürlichen Freilandwind nur etwa

±

1

% ,

weshalb auf die Erstellungen von individuellen Eichkurven für jedes einzelne Instrument verzichtet wurde. Voraussetzung ist dabei allerdings eine häufige und gewissenhafte Wartung.

Insbesondere ist darauf zu achten, daß der Platindraht immer sauber ist, da sonst die Gefahr von Doppelkontakten besteht. In der Regel genügt hierzu ein gelegentliches Ausglühen mit einem Streichholz. Auch die richtige Höhe des Quecksilbertropfens muß häufig kontrolliert werden.

Schon im Jahre 1951 wurden die ersten derartigen Anemometer ausprobiert, und deren Bestand ist heute auf zirka 60 Stück angewachsen, welche der Versuchsanstalt auch bei anderweitigen, mikroklimatischen Untersuchungen gute Dienste leisten.

242 Windrichtungsschreiber

Wie wir im Abschnitt über die Versuchsergebnisse erfahren werden, übt die Wind- richtung einen sehr beachtlichen Einfluß auf die Schutzwirkung aus. Es war daher von

Anfang an klar, daß eine möglichst genaue Charakterisierung der Windrichtungs- schwankungen notwendig sein würde, was am besten durch die Erstellung von Wind- rosen für jede einzelne Messung erreicht werden konnte. Der zu diesem Zwecke ge- baute Windrichtungsschreiber ist in Figur 7 als Gesamtansicht abgebildet, während Figur 8 das geöffnete Gehäuse mit der Registriervorrichtung zeigt. Wie aus letzterer hervorgeht, wird die Bewegung der senkrechten Windfahnenachse, welche im Innern des Rohres a montiert ist, durch ein Zahnradgetriebe so auf eine zweite, parallele Achse im Gehäuse übertragen, daß diese bei einer vollen Umdrehung der Windfahne nur eine Achteisdrehung ausführt. Am unteren Ende dieser zweiten Achse ist ein horizontal orientierter Stern von 8 Stahlbandfedern e (gestreckte Uhrfedern) angebracht, von denen jede am äußeren Ende mit einer feinen, kurzen Stahlnadel versehen ist. Knapp unter diesem Nadelkranz läuft ein Schreibband mit einem Vorschub von 300 mm/h über ein käufliches Transportwerk ab. Der Aufdruck dieses Schreibbandes ist aus Figur 9 zu ersehen. Diese verkleinert gezeichnete Wiedergabe des Originalstreifens zeigt, daß jede der parallelen Linien einer Richtung der 16teiligen Windrose entspricht.

Dabei ist zu beachten, daß infolge der Zahnradübersetzung die einzelnen Windrichtun- gen in gegenläufiger Reihenfolge auftreten. Jede elfte Sekunde wird nun durch die gerade über dem Schreibband stehende Stahlnadel ein feines Loch in das Papier ge- schlagen, dessen Lage die momentane Windrichtung anzeigt. Die Kreisbogen des Registrierstreifens entsprechen dabei der Kreisbewegung der Stahlnadeln. Der Stahl- bandstern kann von der Achse gelöst und bei entsprechender Drehung der Windfahne in die vermutete Hauptwindrichtung so blockiert werden, daß eine Nadel genau über die Mitte der Lineatur zu stehen kommt. So ist in Figur 9 diese Orientierung auf WSW- Wind ausgerichtet worden.

Figur 9

Beispiele der Windrichtungsregistrierung

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I I 1 / I

- SSE ~-

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_{~ •• .!..~} ..

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wsw .. .. ....

NNW

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Beginn: 153717

N

t,., 1

\1 \i

~ _i\

s ~

233

Später wurde die Registrierung insofern verbessert, als die Lineatur des Schreib- streifens nicht mehr für die Windrichtung selbst, sondern als Trennlinie zwischen zwei Windrichtungen gilt. Dabei ist unter dem Nadelkranz ein feiner Rechen aus dünnen Stahldrähten angebracht, welche genau über diesen Trennlinien liegen. Die Nadeln müssen infolgedessen im Grenzbereich zweier Windrichtungen nach der einen oder der anderen Seite ausweichen, so daß keine Löcher auf die Linien selbst fallen können. Auf diese Weise werden Zweifel über die Zuordnung zur einen oder andernf Windrichtung, wie sie bei der in Figur 9 dargestellten Methode immerhin möglich sind, praktisch ausgeschlossen, was die mühsame Auswertung ungemein erleichtert.

• Für die Lochung selbst ist ein leichter Schlag auf die Stahlbandfeder erforderlich, welcher durch den Hammer c erzeugt wird. Dieser besteht aus einer leichten Messing- platte, die seitlich so weit aufgebogen ist, daß innerhalb der Lineatur nur ein Punkt geschlagen werden kann. Der Hammer ist mit einem Uhrwerk d und einem Elektro- motor

f

gekoppelt, und zwar so, daß das erstere jede elfte Sekunde einen Stromkontakt einschaltet, welcher, auf den Motor übertragen, eine Hebung des Hammers bewirkt, und zwar in die in Figur 8 dargestellte Lage. Nach dem Aufhören der kurzfristigen Stromzufuhr fällt der Hammer durch sein eigenes Gewicht wieder herab. Nach dem Schlag werden sowohl Hammer wie Nadelkranz sofort wieder vom Papier abgehoben;

der erstere durch eine federnde Aufhängevorrichtung, der letztere durch die Elastizität seines Trägers. Der ganze Stahlbandstern ist also unmittelbar nach dem Schlag wie- der frei beweglich. Um ein einwandfreies Loch zu erhalten, muß der ablaufende Schreib- streifen über eine dünne Gummiunterlage geführt werden.

25 Versuchsanordnung

251 M eßintervall

Um Untersuchungsergebnisse für eindeutig vorherrschende Windrichtungen zu erhalten, muß der Zeitraum für eine Einzelmessung möglichst kurz gehalten werden.

Mit dem beschriebenen Windrichtungsschreiber ist es möglich, schon für kurze Meß- intervalle instruktive Windrosen zu zeichnen. Eine untere Grenze für diese zeitliche Be- schränkung ist aber dadurch gegeben, daß sich die kurzfristige Folge von Böen und Flauten des Freilandwindes über die ganze Versuchsstrecke hin gleichmäßig auswirken muß.

Ein Beispiel dafür, wie verschieden die Richtungsverhältnisse sich bei zwei aufein- anderfolgenden Messungen von je 1000 Sekunden Dauer auswirken können, zeigt Figur 9. Die erste, obere Messung begann um 15h 37', endete also um 15h 53' 40".

Die zweite, untere Messung setzte um 16 h 00' ein, also nach einem Unterbruch von 6' 20", welcher für die Notierung der Ablesungen benötigt wurde. Die Auszählung der Richtungspunkte und die Berechnung der prozentualen Häufigkeit der verschiedenen Windrichtungen ergaben die rechts für jede Messung dargestellten Windrosen. Diese zeigen, daß wir es bei der zweiten Messung mit ausgesprochenem WSW-Wind zu tun

hatten. Bei der ersten Messung trat dagegen während der Messung ein Windsprung ein, so daß in der entsprechenden Windrose zwei Hauptwindrichtungen, nämlich W und SW, vorliegen. Für Analysen der Messungsergebnisse, bei denen der Einfluß der An- strömrichtung von großer Bedeutung ist, wäre also nur die zweite Messung brauchbar.

Auf Grund der Vorversuche wurde dieses Meßintervall von 1000 Sekunden allge- mein für die ganze Untersuchung festgelegt, wobei es sich als äußerst vorteilhaft erwies, daß bei der Berechnung der Windgeschwindigkeit eine Rechenoperation wegfiel, indem.

die Division des Windweges durch die Zeit lediglich eine Kommaverschiebung um drei Stellen benötigte.

Mit diesem Intervall ergaben sich auf dem Windrichtungsschreibband rund 90 Rich- tungspunkte pro Messung, so daß eine Umrechnung in Prozente durchaus statthaft war.

Prinzipiell wurde für jede einzelne der zirka 1100 Messungen die entsprechende Windrose gezeichnet, wofür als Beispiel in Figur 10 sämtliche Windrosen des 8. Fe- bruar 1957 und 21. Februar 1958 dargestellt sind. Die Gegenüberstellung dieser bei- den Tage zeigt deutlich, wie verschieden die Auswertbarkeit einzelner Tage ausfal- len kann.

Figur 10

Windrosen der e.inzelnen Messungen für den 8. Februar 1957 und 21. Februar 1958

8.rebruar 1957 2 f. Februar f §58

17 Bd.41.HeftS, 1965 235

Gleich wie die Anemometer wurde auch der Windrichtungsschreiber an die Zentrale angeschlossen, und zwar so, daß sein Mechanismus synchron mit den Windmessern ein- und ausgeschaltet werden konnte. Da das Schreibband auch in der Zwischenzeit weiterlief, ergab sich als Abgrenzung zweier aufeinanderfolgender Messungen ein deut- licher Zwischenraum.

252 Anordnung der Wände

Die Richtung der Schilfrohrwände wurde während der ganzen Untersuchung ein- heitlich, von NNW nach SSE verlaufend, beibehalten. Auch die Länge der einzelnen Wände blieb sich immer gleich, indem 11 der in Abschnitt 23 erwähnten Wandele- mente zusammengesetzt wurden. Damit ergab sich für jede Wand eine Höhe von 2,2 m und eine Länge von 55 m, was einem Verhältnis von 1 : 25 entspricht. Bei gleicher Höhe waren die Wände hier also mehr als doppelt so lang wie seinerzeit im Furthtal.

Für den gegenseitigen Abstand der gestaffelten Wände wurden ganze Vielfache der Höhe gewählt, nämlich 30 X h, 20 X h, 15 X h und 10 X h. Zu Beginn der Untersuchun- gen wurde außerdem nur eine einzelne Wand getestet.

Die senkrecht zu den Wänden verlaufende Versuchsstrecke konnte, von der ersten Wand an gerechnet, nicht über 121 m hinaus verlängert werden, da sonst zu befürch- ten war, daß man in den luvseitigen Einflußbereich des Höhragenwaldes geraten könnte. Diese Strecke entspricht der 55fachen Höhe der Wände, und es ist klar, daß man zufolge dieser Beschränkung für die verschiedenen Abstände der Staffelung nicht gleich viele Wände errichten konnte. Deren Zahl belief sich vielmehr bei 30 X h auf 2, bei 20 ^X h auf 3, bei 15 ^X h auf 4 und bei 10 ^X h auf 5. Die erste, luvseitige Wand ver- blieb bei allen Aufstellungen an der gleichen Stelle.

253 Aufstellung der Anemometer

Die Anemometer wurden prinzipiell längs der Mittelachse senkrecht zu den Wän- den aufgestellt, und zwar, wie schon erwähnt, in 0,55 m, d. h. in¼ der Wandhöhe über dem Boden. Vergleichen wir dieses Verhältnis mit dem für natürliche Windschutz- streifen, so würde sich für eine Baumhöhe von 10 m eine Meßhöhe von 2,5 m erge- ben, für eine Baumhöhe von 20 m bereits eine Meßhöhe von 5 m. In diesen Höhen wird man bei der Untersuchung natürlicher Windschutzobjekte normalerweise nicht messen, doch verbot uns leider der Graswuchs, unsere Meßhöhen noch weiter zu redu- zieren. Es ist aber anzunehmen, daß sich die Schutzwirkung bei tieferer Aufstellung, wie sie bei natürlichen Objekten etwa dem Niveau der landwirtschaftlichen Kulturen entspräche, eher noch verstärken würde. (Siehe auch Abschnitt 4.)

Auf der Meßstrecke wurden die Windmesser in dem Vielfachen der Wandhöhe entsprechenden Abständen aufgestellt; gelegentlich, namentlich in Wandnähe und in den Windminimumgebieten, auch in Abständen von nur halber Wandhöhe. Die Lage der einzelnen Instrumente wurde entsprechend diesen Vielfachen von der ersten Wand aus bezeichnet, und zwar auf der Leeseite positiv, auf der Luvseite negativ. Der Ver- gleichspunkt mit der vollen Windstärke befand sich stets im 15fachen Abstand vor der

ersten Wand, und seine Bezeichnung lautet daher -15h oder gelegentlich auch P0•

Die wandnächsten Punkte für die erste Wand sind dementsprechend - 1 h auf der Luv-, 1 h auf der Leeseite. Der letzte Punkt der ganzen Meßstrecke ist 55 h, im 55- fachen Wandhöhenabstand von der ersten Wand. Zwar wurden stets noch einige Punkte weiter leewärts in die Messung einbezogen, jedoch aus dem im vorhergehenden Ab- schnitt erwähnten Grunde nicht ausgewertet; dies mit Ausnahme des Abschnittes 365, in welchem sich eine Erweiterung der Meßstrecken auf 60 h als notwendig erwies^{1 .}

Figur 4 zeigt die Anordnung der Windmesser auf der Leeseite der ersten Wand, wobei von der letzteren vier Einzelelemente zu erkennen sind. Das ganz am Anfang der Untersuchung aufgenommene Photo weist insofern einen Schönheitsfehler auf, als es sich hier nicht um die später ausschließlich verwendete lockere Wand handelt, son- dern um eine solche von nur 22

%

Durchlässigkeit. Das richtige Verhältnis von Lumen z.u fester Masse geht aus dem Wandausschnitt von Figur 3 hervor.

3 Versuchsergebnisse

31 Allgemeines

Im folgenden werden die Ergebnisse meist als sogenannte « Windkurve» darge- stellt. Diese ergibt sich aus den längs der ganzen Meßstrecke festgestellten Windge- schwindigkeiten, welche in Beziehung gesetzt werden zu der gleichzeitig ermittelten Freilandgeschwindigkeit. Entweder kann, man dabei die «Schutzwirkung» als Kurve auftragen, d. h. die prozentualen Beträge, um die sich die Geschwindigkeit gegenüber dem Freiland verringert, oder aber die gemessenen Beträge selbst, d. h. die tatsäch- lich vorhandenen Windgeschwindigkeiten umgerechnet in Prozente des Freilandwin- des. In der Windschutzliteratur begegnet man beiden Methoden. Im folgenden werden wir aber durchwegs die zweite, anschaulichere Darstellungsart anwenden, aus welcher sich die Schutzwirkung ja leicht durch Differenzbildung zu 100 errechnen läßt.

Wir erhalten so für jeden Meßpunkt und jede Einzelmessung ein entsprechendes

«Windprozent». Naturgemäß treten auch auf jedem Meßpunkt gewisse Schwankungen dieses Wertes auf, und bei einer genügenden Anzahl von Messungen wurde hierfür die

· l d · h Ab · h h d F l ² ;E x

2

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n _ 1 erec net. 1e Streuung s wur~e, wo von Interesse, in den graphischen Darstellungen über der Abszisse aufgetragen, und zwar im gleichen Maßstab wie die Windprozente der betref- fenden Darstellungen selbst.

1 Um Unklarheiten zu vermeiden, soll im folgenden h ohne Multiplikationszeichen gebraucht werden, wenn es sich um die Lagebezeichnung eines Punktes der Meßstrecke handelt, während für eine beliebige, in Vielfachen der Wandhöhe ausgedrückte Distanz der Ausdruck x h verwendet wird.

237

Die Windkurven sind stets etwas ausgeglichen, wobei aber in der Regel auch die tatsächlich gemessenen, mittleren Windprozente als kleine Kreise aufgetragen sind.

Wie wir sehen werden, spielt die Richtung, aus welcher der Wind auf das Hinder- nis zuströmt, eine beachtliche Rolle. Dabei hat sich gezeigt, daß es in unserem Falle praktisch belanglos war, ob eine Abweichung von der senkrechten Anströmrichtung nach der einen oder anderen Seite erfolgte. Da die letztere dem WSW-Wind entspricht, wurden daher die Anströmrichtungen SW und W, SSW und WNW, S und NW bei der Ausarbeitung gleichwertig behandelt. Um die Beschriftung der Darstellungen nicht un- nütz zu überlasten, wurde jeweils nur die gegen Süden abweichende Richtung ange- schrieben. Gelegentlich wird auch der Winkel a zwischen senkrechter und wirklicher Anströmung angegeben, und zwar in Graden neuer Teilung.

Da man immer noch sehr häufig der Ansicht begegnet, daß nur Windschutzstrei- fen von einer gewissen Tiefe eine namhafte Schutzwirkung besäßen, dürfte es ange- zeigt sein, auch hier kurz auf das Problem der Streifenbreite einzutreten.

Für eine Schilfrohrwand, die praktisch überhaupt keine Tiefe resp. Breite besitzt, geht die Luvseite unmittelbar in die Leeseite über. Die Windkurve kann daher ohne irgendwelche Unterbrechung gezeichnet werden. Solange es sich um eine Einzeldar- stellung für einen einzigen Schutzstreifen handelt, ist dies auch bei breiteren Objekten möglich, sofern man zwischen Luv und Lee die Streifenbreite im Vielfachen der Höhe einschiebt. Will man dagegen die Windkurven verschiedener Objekte von unterschied- licher Streifenbreite miteinander vergleichen, so wurde bisher meist ein Kompromiß geschlossen, indem man bei der Zeichnung der einzelnen Windkurven eine mittlere Streifenbreite von 1 bis 2 h annahm und den luv- und leeseitigen Kurventeil möglichst zwangslos miteinander verband (vergleiche z.B. Pan f i l o w 1939, N ä g e 1 i 1946, Ca b o r n 1957).

Da das Hauptinteresse stets der leeseitigen Schutzwirkung über dem offenen Ge- lände galt, wurde dabei der Beginn der leeseitigen Schutzzone an den leeseitigen Schutz- streifenrand verlegt, und die Abstände auf der Meßstrecke wurden auch von hier an gezählt, unbekümmert darum, wie breit der vorgelagerte Schutzstreifen war. Wie die nachstehenden Ausführungen zeigen, erhält man aber eine weit bessere Vergleichs- möglichkeit, wenn man den luvseitigen Streifenrand als Ausgangsbasis wählt.

Im folgenden werden fünf Windschutzobjekte miteinander verglichen, welche un- gefähr den gleichen Durchlässigkeitsgrad aufweisen, hinsichtlich Höhe, Breite und Zusammensetzung aber sehr verschieden sind, wie folgende Zusammenstellung zeigt:

Nr. Objekt ^Höhe m ^Brrite 111 ^Breite Höhe ^Länge m

1 Schilfrohrwand 2,2 0 0 40

2 alter Fichtenstreifen 16,5 17 1 150

3 Föhrenstreifen Shothead Nr. 1 13 32 2,5

4 Laubholzstreifen Epinette 21,5 90 4 600

5 Laubholzstreifen Orhe Nr. 39 5,5 28 5 150

Für die Windkurve der Schilfwand wurden die alten Messungen aus dem Furthtal und die Messungen im Höhragen bei WNW- bis SSW-Wind gemittelt. Nr. 2 entspricht

Figur 11

Vergleich der Windkurven von fünf Objekten mit ähnlicher Durchlässigkeit, aber verschiedener relativer Breite

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Ausgangspunkf=Leerand

Wi^nd¾

100 .,,,..-:;:=-:---r-.---r--..----Y---,---,---~--~--~100

80t----';-~-~----+---+----t---:-l--'~~-+=.--=---I 80

60t---+~---'.---.---\f-~--+---,:---i-,1~---7'-~---I---~

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- - - Schi!f'wände

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o

^{15 20 25 h}

%Wi^nd

Ausnann.snunkf=Luvrand

^{Wi nd}%

100 .:f' .::,•, 100

....

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80

60

- - - Schilfwände - - - alter Fi-Slf'eilen - · - · - SholheadNPt

20 t - - - + - - - + - - - + " - - . _ _ - - - + - - - 1 • - - - • - - Epinelte 20

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0 _ _ _ __. _ _ _ __,___.___,____.,_.._ _ _ _ _.__ _ _ _ ~ _ _ _ .,__ _ _ ^{_ _ , J} 0

-1 O -5

o

^{5 1 O 15 20 25 h}

der Windkurve des alten Fichtenschutzstreifens Riedhof im Furthtal {N ä g e 1 i 1946) . Nr. 3 ist der Publikation von Ca b o r n (1957) entnommen. Es handelt sich hier um die Windkurve für den Föhrenschutzstreifen «Shothead Nr. l», welche auf Seite 116 der genannten Veröffentlichung aufgezeichnet ist. Nr. 4 betrifft den Laubholzschutz- streifen «Epinette» im schweizerischen Rhonetal, an welchem unsere ersten Wind- untersuchungen durchgeführt wurden {N ä g e 1 i 1943). Bei Nr. 5 handelt es sich um

239

noch nicht publizierte Windmessungen aus dem Jahre 1954 im Meliorationsgebiet der Orbeebene am Jurafuß. Der Schutzstreifen Nr. 39 ist noch sehr jung und besteht vorwiegend aus Weißerlen und Birken, welche von dr-eireihig gepflanzten Pappeln überragt werden.

In Figur 11 werden diese Windkurven derart miteinander verglichen, daß oben die leeseitigen, unten die luvseitigen Schutzstreifenränder übereinander zu liegen kom- men. Die wirkliche Breite der verschiedenen Objekte wurde dabei berücksichtigt und wird in beiden Darstellungen am oberen und am unteren Rand mit den entsprechen- den Signaturen angedeutet.

Das obere Bild zeigt eine starke Verschiebung der einzelnen Windkurven, so nament- lich hinsichtlich der relativen Lage des Minimums und vor allem auch, was die luv- seitige Windabschwächung betrifft. Im unteren Bild, wo also die luvseitigen Streifen- ränder zur Deckung gebracht sind, ergeben die gleichen Windkurven einen viel ein- heitlicheren Verlauf. Die luvseitige Windabschwächung zeigt nur geringe Abweichun- gen, und die leeseitigen Windminima liegen praktisch alle im gleichen Bereich.

Diese Gegenüberstellung zeigt also, wenigstens für Objekte mittlerer Durchlässig- keit, eindeutig, daß die Trennung von Luv- und Leeseite am luvseitigen Streifenrand zu suchen ist und daß die Breite des Schutzstreifens von geringerer Bedeutung für die Weiterentwicklung der Windkurve ist. Schmale Objekte sind daher, sofern sie dauernd in optimalem Zustand erhalten werden können, unbedingt vorzuziehen, denn mit wach- sender Breite rückt lediglich das Minimum, und damit die bestgeschützte Zone, näher an den Schutzstreifen heran. Bei sehr breiten Objekten, vor allem bei a·usgedehnten Waldkomplexen, kommt die windschwächste Zone schließlich in diese selbst zu liegen

(vgl. N ä g e 1 i 1954).

Leider war es nicht möglich, natürliche Schutzstreifen von mehr als 5facher Breite in den Vergleich einzubeziehen. In Figur 12 zeigt sich dagegen bei Windkanalmes- sungen bis zu einer Breite von 15 X h die gleiche Erscheinung. Es handelt sich dabei um Messungen von Ca b o r n (1957) mit Modellen von 5-, 7-, 10- und 15facher Breite.

Ohne näher auf die Verschiedenheit der Darstellung und das Auftreten negativer, d. h.

rückläufiger Windströmungen im objektnäheren Leegebiet einzutreten, sei hier auf Figur 26 der zitierten Publikation hingewiesen. Die linke Seite unserer Figur 12 stellt eine genaue Kopie dieser Messungen in einem Fünftel der Modellhöhe dar, und für alle fünf Windkurven gilt die leeseitige Begrenzung als Ausgangspunkt. Auf der rech- ten Seite von Figur 12 wird dagegen wiederum die Objektbreite mitberücksichtigt, d. h. die leeseitige Distanz vom Luvrand an gezählt. Dabei ergibt sich auch hier eine viel bessere Deckung der einzelnen Windkurven.

Für die Untersuchungen an gestaffelten Windschutzstreifen wird man als gegen- seitige Abstän?e logischerweise die Distanzen von Luvrand zu Luvrand betrachten und nicht nur die Zwischenräume zwischen zwei Streifen. Selbstverständlich wird der Landbenützer nur an der Schutzwirkung im offenen Gelände interessiert sein, worüber ihm die bisherige Methode genügend Aufschluß gibt. Für Vergleichszwecke sollte man sich aber unbedingt auch der zweiten Methode bedienen.

Figur 12

Windkurven der Messungen von Caborn (1957) im Windkanal, mit verschieden breiten Modellen.

%Wind 100

80 60 40 20

0

-20 -40

-60 t:o~.""!.

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Links: Ausgangspunkt

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Leerand; Rechts: Ausgangspunkt

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60

0 4 8 12 16 20 24 28 h o 4 12 16 20 24 28 32 36 h

32 Windverhältnisse auf der Luvseite

Wenn die Windverhältnisse auf der Luvseite hier einer besonderen Betrachtung unterzogen werden, geschieht dies nicht ohne Grund. Hierfür steht uns nämlich ein sehr großes Zahlenmaterial zur Verfügung, denn es ist anzunehmen, daß die unter- schiedliche Staffelung der Windwände im Vorfeld der ersten Wand noch keinen nen- nenswerten Einfluß ausübt, weshalb die luvseitigen Messungen aller Aufstellungsarten zusammengeworfen werden dürfen.

Untersucht wurde speziell der Einfluß der Anströmrichtung auf die luvseitige Re- duktion der Geschwindigkeit des Freilandwindes, und zwar mit Ausgangspunkt in - 15 h für di_e Meßstellen - 10 h, - 6 h, - 3 h und - 1 h. Anhand der errechneten Mit- telwerte ließ sich zwangslos für jede Anströmrichtung eine luvseitige Windkurve zeich- nen. Die erhaltenen Windprozente sind in Tabelle 1 zusammengestellt. In Figur 13 sind die entsprechenden Windkurven sowie die zugehörigen Windrosen dargestellt.

Prozentuale Windgeschwindigkeit auf der Luvseite einer Schilfwand bei verschiedenen Anströmrich tungen

Windrichtung Mittl. Wind- Zahl der Windprozent auf Punkt geschwindig- Messungen

a= keit m/sec

1 1 1

-15 h -10 b -6b -3b

0g (WSW) 4,67 56 100 98,1 94,2 86,1

25g (SW=W) 3,13 52 100 98,2 94,5 88,5

sog (SSW = WNW) 2,96 28 100 98,3 95,3 91,2 75g (S = NW) 2,27 8 100 98,4 96,9 94,9

Tabelle 1

1 -lh

73,4 76,8 81,4 90,8

241

Figur 13

Windkurven auf der Luvseite der Schilfwände bei verschiedener Anströmrichtung Wind%

100

.... 1:

i

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^{SW-Wind \}

90 ,..,,.,

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c.,,.

80 .,,."'

70

60 SSW-Wind \ S-Wind

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50 ^//

11

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l'i f

40

-15 h -10 -8 -6 -4 -2 0

Die Windkurven lassen erkennen, daß bis etwa - 6 h kein tiefgreifender Unterschied zwischen den verschiedenen Anströmrichtungen zu erkennen ist. Mit weiterer An- näherung an die Wand macht sich aber ein solcher immer stärker bemerkbar, und zwar in dem Sinne, daß mit zunehmender Abdrehung der Windrichtung von der senkrech- ten Anströmung weg, eine Verminderung der luvseitigen Schutzwirkung eintritt. {Siehe auch Abschnitt 4.)

Für Wind aus Süden ist die Zahl der Messungen leider gering, doch zeigen diese unter sich nur sehr geringe Abweichungen, so daß der aus Figur 13 ersichtliche Unter- schied gegenüber den anderen Windrichtungen durchaus real sein dürfte.

Wie schon früher festgestellt wurde (N ä g e 1 i 1946, 1953) , besteht auch bei senkrechter Anströmung eines Windschutzobjektes eine deutliche Tendenz des Windes, in eine mehr oder weniger wand parallele Richtung einzuschwenken. Je spitzer der Winkel zwischen Anströmrichtung und Wandebene ist, um so ausgesprochener dürfte dies zutreffen. Bei den vorliegenden Untersuchungen war dies häufig nicht nur am eigenen Leibe spürbar, sondern auch an der Streichrichtung des bewegten Graswuch- ses festzustellen. Damit wird aber automatisch die Stauwirkung der Wand verringert, und um so kleiner wird auch die luvseitige Windreduktion ausfallen. (Man verglei- chehiezu: Wo elf l e 1936, S. 329.)

Selbstverständlich wird sich bei gestaffelten Windschutzobjekten diese Umlenkung des Freilandwindes auch zwischen . den Schutzstreifen bemerkbar machen, wie dies z.B. von Bring man n und Kaiser (1955) zwischen Maisstreifen beobachtet wurde.