Hydrologie: Versuch F ABFLUSSMESSUNG II:
Verdünnungs- und Gefässmessung Allgemeine Orientierung
Während im Versuch E die allgemeinen Grundlagen der Abfluss- bzw. Durchflussmessung in Verbindung mit der klassischen Messmethode des hydrometrischen Flügels und der weniger genauen Methode des Tauchstabes behandelt werden, befasst sich der Versuch F mit der Verdünnungsmessung und der Gefässmessung, mit denen der Abfluss auf direktem Wege bestimmt werden kann. Die Verdünnungsmessung setzt ein gut durchmischtes Gewässer voraus und kommt in kleinen bis mittleren Gewässern zur Anwendung, während die Gefässmessung nur in relativ kleinen Bächen mit begrenzter Wasserführung möglich ist.
Angaben zur Abflussmessung nach dem Verdünnungsverfahren mit der Integrationsmethode
Grundlagen
Das Messprinzip besteht darin, dass eine in ein Flussprofil eingegebene, genau bekannte Initiallösung bei grossen Abflüssen stark und bei kleinen Abflüssen schwach verdünnt wird.
Bei der Integrationsmethode wird dem zu messenden Fliessgewässer eine bestimmte Menge einer konzentrierten Markierlösung (Tracer) auf einmal eingegeben. An einem festen Entnahmepunkt unterhalb einer Fliessstrecke, die lang genug ist, um eine gute Durchmischung zu gewährleisten, werden während des ganzen Durchgangs der Tracerwolke in zeitlich möglichst kurzen Abständen Proben entnommen.
Anschliessend wird die Tracerkonzentration bestimmt.
Folgende Bedingungen müssen erfüllt sein:
- Der Abfluss ist während der ganzen Messung annähernd konstant.
- Die ganze Tracermenge fliesst beim Proben-Entnahmequerschnitt vorbei.
- Im Entnahmequerschnitt ist der Tracer gut vermischt, was bedeutet, dass an jedem Punkt des Entnahmequerschnitts die gleiche Tracermenge vorbeifliesst.
Als Messergebnis resultiert ein Konzentrations-Zeit-Diagramm für einen Stromfaden im Entnahmequerschnitt.
Sofern die Randbedingungen genügend eingehalten wurden, kann aufgrund dieses Diagramms der Abfluss mittels Integration bestimmt werden. Bei guter Durchmischung gilt: FA = FB. Folglich spielt es bei guter Durchmischung keine Rolle, an welcher Stelle im Entnahme- oder Messquerschnitt die Messung durchgeführt wird.
Die Berechnung beruht darauf, dass die Masse M des zugegebenen Tracers genau der Masse entspricht, die über die Zeit verteilt die Messstelle passiert. Die totale Masse Tracer, die an der Messstelle vorbei fliesst, erhält man durch Integration der gemessenen Konzentration multipliziert mit dem zu bestimmenden Durchfluss Q.
tA
A t Q dt
C M
Da der Abfluss bzw. Durchfluss Q zeitlich konstant ist, ergibt sich:
tA
A t dt
C Q M
oder in diskreter Form:
Q = Abfluss in l/sec
M = eingegebene Tracermenge in g
C = Konzentration des Tracers in g/l
t = Messintervall in s i = Index der Zeitschritte
Der Zeitabschnitt ta, über den integriert wird, bzw. die Anfangs- und Endzeitpunkte für die diskrete Formel müssen so gewählt werden, dass das Vorbeiziehen der ganzen Tracer-Wolke erfasst wird.
Salz-Tracer und Leitfähigkeitsmessung
Beim vorliegenden Abflussmessgerät wird handelsübliches Kochsalz als Tracer verwendet. Am Entnahmepunkt wird mit einer Leitfähigkeitsmessung indirekt die Salzkonzentration kontinuierlich festgestellt. Dies bedingt die Kenntnis des Zusammenhangs zwischen elektrischer Leitfähigkeit und Salzkonzentration. Durch eine Eichmessung kann man diesen Zusammenhang im Feld oder im Labor mit Hilfe der linearen Regressionsrechnung ermitteln.
Es gilt zu beachten, dass das Wasser schon eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, bevor man den Salz-Tracer eingibt. Diese Grundleitfähigkeit, die auf die Mineralisierung des Gerinnewassers zurückzuführen ist, muss in die Rechnung einbezogen werden. Dadurch modifizieren sich die oben dargestellten Zusammenhänge in der folgenden Weise:
Ende
Anfang
A i C i t Q M
) (
* ) (
tB
B t Q dt
C M
Die Grundgleichungen lauten:
t a L t L
0
C
t t
dt L t L a
M dt
t C Q M
0
0 0
C = Salzkonzentration
L = elektrische Leitfähigkeit in μS/cm L0 = Grundleitfähigkeit
Q = Abfluss in l/sec
M = eingegebene Salzmenge in g
a = Steigung der Eichgeraden (=Eichkoeffizient)
Die Messung mit dem SALINOMADD-Messgerät
Die Sonde des SALINOMADD wird bei der Messstelle ins Wasser getaucht. Stromaufwärts wird eine bestimmte Menge Kochsalz zuerst mit Bachwasser in einem Eimer gelöst und anschliessend in den Bach geschüttet (2 bis 12 Gramm pro l/s des geschätzten Abflusses). Eine ausreichende Distanz zwischen Eingabeort und Messstelle gewährleistet die gute Durchmischung des Tracers mit dem Bachwasser. Das Messgerät registriert den Salzgehalt des Wassers während dem Durchlauf der Salzwolke bei der Messstelle.
Am Ende des Messvorganges wird der Abfluss errechnet und sofort in Litern pro Sekunde angegeben.
Die Daten werden anschliessend mit einer speziellen Software bearbeitet. Die Parameter von 15 verschiedenen Messstandorten können vor den Abflussmessungen eingegeben werden und entweder im Büro oder vor Ort mit einem Laptop in das Messgerät übertragen werden. Die Parameter Gewässer, Messstandort und Bediener werden eingegeben. Weitere Parameter wie Messintervall, Wetter, Wasserstand, Salzmenge, Länge der Messstrecke können ebenfalls vorgängig eingegeben und falls nötig im Feld direkt mit der Tastatur des Messgeräts verändert werden. Zur Überprüfung der Messergebnisse können nach den Abflussmessungen die im SALINOMADD registrierten Daten auf einen Laptop oder PC übertragen werden. Mit der bereits erwähnten Software werden die registrierten Daten angezeigt und der Durchlauf der Salzwolke graphisch dargestellt. Verschiedene Werkzeuge stehen in der Software zur Verfügung. Der Abfluss kann mit veränderten
Parametern nachgerechnet und die Resultate sowie die Graphik ausgedruckt werden. Die Daten können ebenfalls zur späteren Verwendung im Tabellenrechner exportiert werden.
Gefässmessung
Das Prinzip der Gefässmessung besteht darin, dass der gesamte Abfluss eines Flussquerschnitts (Profils) in einem Gefäss mit bekanntem Volumen (in Litern) aufgefangen wird und mit einer Stoppuhr die Füllzeit (in Sekunden) gemessen wird. Wird das aufgefüllte Volumen des Gefässes durch die Füllzeit dividiert, dann erhält man den Abfluss in l/s. Die Messung ist mehrmals zu wiederholen, und ein Mittelwert des erhaltenen Abflusses ist zu bilden, wobei sich der Wasserstand bzw. die Abflussverhältnisse während der Messungen nicht verändern sollen. Bei ausreichend grossem Gefässvolumen im Verhältnis zur Grösse des Abflusses (d.h.
bei nicht zu kurzer Messzeit) gehört die Gefässmessung zu den genaueren Abflussmessverfahren.
Angaben zu den Messprofilen
Die im Feldkurs durchzuführenden Messungen werden für das Salzverdünnungsverfahren am bzw. vor dem Pegel des Oberen Rietholzbaches und die Gefässmessungen am Auslauf des Messwehres am Pegel des Huwilerbaches durchgeführt. Das Einzugsgebiet des Huwilerbaches hat eine Grösse von 0.12 km2 und das des Oberen Rietholzbaches von 0.94 km2. Während der Pegel des Huwilerbaches zur genaueren Erfassung des Wasserstandes und des Abflusses mit einem Thomson-Messwehr ausgerüstet ist und der Abfluss über die Wehrformel relativ genau bestimmt werden kann, ist das Pegelprofil des oberen Rietholzbaches so gestaltet, dass zur genaueren Erfassung der Niedrigwasserabflüsse mit kleineren Wasserständen das Abflussprofil verkleinert ist.
Die nachfolgenden Abbildungen enthalten die Angaben zu den beiden Profilquerschnitten und die entsprechenden Wasserstand-Durchfluss-Beziehungen. Während die W-Q-Beziehung des Huwilerbaches als relativ gut abgesichert angesehen werden kann, ist die W-Q-Beziehung des Oberen Rietholzbaches nur mit wenigen Messungen im unteren Abflussbereich belegt; sie muss als sehr unsicher eingeschätzt werden.
Aufgabenstellung
Mit dem SALINOMADD-Messgerät ist unter Anwendung des Salzverdünnungsverfahrens der Abfluss bzw.
Durchfluss am bzw. vor dem Pegel des Oberen Rietholzbaches für den jeweiligen Wasserstand mehrfach zu bestimmen und rechnerisch wie graphisch auszuwerten. Zum besseren Verständnis soll neben der automatischen Bestimmung des Durchflusses der manuell registrierte Leitfähigkeitsverlauf anhand der Eichkurve in einen Konzentrationsverlauf umgerechnet werden und dann mit der angegebenen Formel ausgewertet werden. Dies vorzugsweise am Computer.
Der Durchfluss am Messwehr des Huwilerbaches ist mittels mehrmaliger Gefässmessungen bei dem gerade vorhandenen Wasserstand zu bestimmen.
Die durchgeführten Messungen sind entsprechend auszuwerten und zu diskutieren, wobei die erhaltenen Ergebnisse in die bereits vorhandenen W-Q-Beziehungen einzutragen und ihre Einordnung einzuschätzen ist.
A r e a 1 A r e a 3
A r e a 2
5 0 c m 1 0 2 . 3 c m
6 2 . 5 c m
4 0 . 9 c m d H = 2 1 . 6 c m
3 4 . 0 c m d H = 6 . 9 c m
M e s s q u e r s c h n i t t a m O b e r e n R i e t h o l z b a c h , n a c h U m b a u v o n M a i 1 9 9 5
M Z , A u g . 9 7
W i n k e l : 3 . 8 6 °
1.
0 . 0 4 0 . 0 8 0 . 0 1 2 0 . 0
L ä n g e i m P r o f i l [ c m ] 0 . 0
2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 0
Wasserstand [cm]
2 5 . 6 3 c m 5 9 . 3 7 c m 5 9 . 3 7 c m
d H = 5 5 . 0 c m
2 2 . 0 c m
1 1 8 . 7 4 c m 1 0 . 0 c m
W i n k e l : 4 5 °
2 0 ° : W i n k e l
4 . 3 7 c m
d H = 4 . 3 7 c m d H = 1 2 c m
M e s s w e h r H u w i l e r b a c h ( T h o m s o n - W e h r ) : M e s s u n g : G u . 1 8 . 0 5 . 9 4 W e h r f o r m e l i m p l e m e n t i e r t i m S u b r o u t i n e 'A b h u k v 3 ':
Q = C M Y * ( 8 . 0 / 1 5 . 0 ) * S Q R T ( 2 . 0 / 9 . 8 1 ) * T A N ( ( A L F A * 3 . 1 4 ) / 1 8 0 ) * ( W A * * 2 . 5 ) C M Y = 0 . 6 7 W A = W a s s e r s t a n d - 1 0 . 0 [ c m ] A L F A = 2 0 ° , W A = 0 . 0 - 1 2 . 0 c m A L F A = 4 5 ° , W A > 1 2 . 0 c m
M Z , A u g . 9 7
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 D u r c h f l u s s [ l / s ]
1 1 . 0 1 2 . 0 1 3 . 0 1 4 . 0 1 6 . 0 1 7 . 0 1 8 . 0 1 9 . 0 2 1 . 0 2 2 . 0 2 3 . 0 2 4 . 0 2 6 . 0 2 7 . 0 2 8 . 0 2 9 . 0
1 0 . 0 1 5 . 0 2 0 . 0 2 5 . 0 3 0 . 0
Wasserstand [cm]
W a s s e r s t a n d - D u r c h f l u s s B e z i e h u n g a m P e g e l H u w i l e r b a c h
N a c h D r e i e c k m e s s w e h r f o r m e l ( T h o m s o n - W e h r ) M Z , J a n . 9 8
4 8 1 2 1 6 2 4 2 8 3 2 3 6 4 4 4 8 5 2 5 6 6 4 6 8 7 2 7 6 8 4 8 8 9 2 9 6
0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0
D u r c h f l u s s [ l / s ]
2 . 0 4 . 0 6 . 0 8 . 0 1 2 . 0 1 4 . 0 1 6 . 0 1 8 . 0
0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0
Wasserstand [cm]
W a s s e r s t a n d - D u r c h f l u s s B e z i e h u n g a m P e g e l O b e r e n R i e t h o l z b a c h
S t a n d n a c h U m b a u v o n 1 0 . 5 . 9 5 M Z , J a n . 9 8
