Hydrologie: Versuch E ABFLUSSMESSUNG I: Messung mit dem hydrometrischenFlügel und dem Tauchstab1. Grundlagen (Versuche E und F)

Hydrologie: Versuch E ABFLUSSMESSUNG I:

Messung mit dem hydrometrischen Flügel und dem Tauchstab

1. Grundlagen (Versuche E und F)

Unter dem Abfluss versteht man das Wasservolumen, das pro Zeiteinheit ein Gebiet durch einen oberirdischen Abflussquerschnitt oder unterirdisch verlässt. Die Einheit des Abflusses ist im Allgemeinen m³/s oder l/s. Der Ausdruck Abfluss wird nicht nur für den Volumenfluss im oben genannten Sinn verwendet, sondern auch für die entsprechende Grösse in Wasserhaushaltsbetrachtungen (neben Niederschlag, Verdunstung und Speicheränderung). Auf einen durchflossenen oberirdischen Gewässerquerschnitt bezogen spricht man zwecks Unterscheidung der Begriffe oft von Durchfluss.

Das durch einen Abflussquerschnitt fliessende Wasser entstammt einem dieser Stelle zuzuordnenden Gebiet, dem Einzugsgebiet. Dabei wird zwischen ober- und unterirdischem Einzugsgebiet unterschieden. Das oberirdische Einzugsgebiet wird durch kartographisch erfasste Wasserscheiden, wie Bergkämme oder Hügelzüge, begrenzt. Die Grösse des oberirdischen Einzugsgebietes entspricht der Fläche der Horizontalprojektion des von der Wasserscheide umschlossenen Gebietes. Das unterirdische Einzugsgebiet dagegen wird durch die geologischen Verhältnisse geprägt. Die Verläufe der geologischen Schichten, Verwerfungen, Klüfte und unterirdische Hohlräume können so ausgebildet sein, dass im Untergrund Wasser nicht beobachtbar fliesst oder gespeichert wird oder dass Wasserflüsse zwischen dem oberirdischen und dem unterirdischen Einzugsgebiet stattfinden.

Der Abfluss kann im Rahmen der Abflussbildung in 3 Komponenten aufgeteilt werden, welche den Abflussquerschnitt mit unterschiedlicher Verzögerung erreichen:

 Oberflächenabfluss

 Zwischenabfluss (Interflow)

 Grundwasserabfluss

Ist die Kapazität der Oberflächenspeicher (Interzeptions-, Mulden- und evtl. Schneedeckenspeicher) erreicht und die Niederschlagsintensität grösser als die Infiltrationsintensität oder ist der Bodenspeicher gefüllt, so entsteht der Oberflächenabfluss. Ein Teil des in den Boden infiltrierten Wassers fliesst bei geschichteten Böden und Bodensättigung als lateraler, bodeninnerer Abfluss (Zwischenabfluss, Interflow) dem Gewässernetz zu. Aus dem Boden sickert das Wasser ins Grundwasser, von wo aus es mit entsprechender Verzögerung als Grundwasserabfluss in die Oberflächengewässer gelangt. Oberflächenabfluss und Interflow werden zusammen als schneller Abfluss oder Direktabfluss bezeichnet. Der Grundwasserabfluss bildet den langsamen Abfluss, der auch Basisabfluss genannt wird. Während die Ausdrücke Oberflächen-, Zwischen- und Grundwasserabfluss die Herkunft des Wassers charakterisieren, kennzeichnen die Begriffe Direkt- und Basisabfluss Teile der Abflussganglinie. Sie geben Auskunft über die zeitliche Verschiebung, mit der das Wasser im Betrachtungsquerschnitt erscheint.

Abb. 1: Aufteilung einer Abflussganglinie in Direkt- und Basisabfluss. QD = Direktabfluss, QB = Basisabfluss

Abb. 1 zeigt die Ganglinie eines Gebietsabflusses nach einem Starkniederschlag, aufgeteilt in Direkt- und Basisabfluss. Man spricht hier auch von Ganglinienseparation. Der Direktabfluss ist das Wasservolumen, das

Abflussmaximum, Scheitel

Hochwasserdauer Q [m³/s]

t [Std.]

QB

QD

2

zusätzlich zu der schon vor dem Niederschlagsereignis vorhandenen Wasserführung abfliesst. Er erreicht den Abflussquerschnitt mit geringer Verzögerung und kann bereits während des Ereignisses einen raschen, starken Anstieg des Abflusses verursachen. In niederschlagsfreien Perioden und bei aufnahmefähigen Grundwasserleitern und –speichern erfolgt der Abfluss als Grundwasserabfluss oder Basisabfluss.

Allgemein widerspiegelt der Abfluss in hohem Mass den hydrologischen Charakter des zugehörigen Einzugsgebietes und zwar mit Bezug auf einzelne Niederschlagsereignisse und niederschlagsfreie Perioden, aber auch als langjähriges Mittel in der Form des Abflussregimes über ein Jahr. Der Abfluss ist zudem eine Wasserhaushaltsgrösse von hoher praktischer Bedeutung für die wasserwirtschaftliche Nutzung des Wasserdargebots (Wasserversorgung, Bewässerung, Grundwasseranreicherung, Schiffahrt, Wasserkraftnutzung, Eignung des Gewässers als Vorfluter von Abwasserreinigungsanlagen) und für den Hochwasserschutz.

Die Messung und Kenntnis des Abflusses ist deshalb unerlässliche Bedingung für eine fruchtbare hydrologische Forschung und eine erfolgreiche Wasserwirtschaft.

Im Feldkurs befassen sich die Projekte E und F mit insgesamt vier Methoden der Abflussmessung.

2. Abflussmessung mit dem hydrometrischen Flügel

Diese Methode basiert auf der grundlegenden Formulierung der Abflussermittlung in einem Fliessgewässer:

 ^

 v dF Q

das heisst der Integration der Fliessgeschwindigkeit (v) über den ganzen durchflossenen Gewässerquerschnitt (F). Q bedeutet den gesamten Abfluss im betrachteten Querschnitt. Die Messung von v erfolgt mittels des hydrometrischen Flügels, dessen propellerähnlicher Teil entsprechend der Fliessgeschwindigkeit sich schneller oder langsamer dreht. Registriert wird die Anzahl Umdrehungen pro Zeiteinheit. Sie wird über eine Eichbeziehung transformiert in die Geschwindigkeit der den Flügel bewegenden Strömung.

Die Fliessgeschwindigkeit v wird in dieser Weise für viele, über den ganzen Messquerschnitt verteilte Punkte ermittelt, sodass die anschliessende Integration auf vielen Stützwerten basieren kann. Dadurch wird der ungleichmässigen Geschwindigkeitsverteilung über den Messquerschnitt Rechnung getragen.

In der Praxis muss wegen der Optimierung des Messaufwandes die Anzahl Messpunkte im Gewässerquerschnitt beschränkt werden. Normalerweise werden über die Wasserspiegelbreite mehrere (bis etwa 20) Messvertikalen festgelegt und auf diesen einige (bis etwa 5) Messpunkte. Bei der Festlegung der Messvertikalen und der Messpunkte sind die geometrischen und strömungsdynamischen Gegebenheiten im Messquerschnitt zu berücksichtigen.

Abb. 2 zeigt schematisch die Anordnung der Messvertikalen im Messquerschnitt eines kleineren Fliessgewässers sowie die ungleichmässigen Geschwindigkeitsprofile entlang den Messvertikalen. Die Integration von v erfolgt grundsätzlich in zwei Schritten: zunächst entlang jeder Messvertikalen und anschliessend über die Wasserspiegelbreite. Somit gilt:

     ^{ }    ^





 



 







F

b b

v x

h

dx x f dx dy v dF

v Q

0 0

) (

0

Verwendete Grössen:

Q = gesamter Abfluss im Messquerschnitt [m³/s]

v = Fliessgeschwindigkeit [m/s]

F = durchflossene Fläche [m²]

b = Wasserspiegelbreite [m]

b

= Abstand der Messvertikalen i-1 und i [m]

h = Wassertiefe [m]

h

= Wassertiefe in der Messvertikalen i [m]

f

= Geschwindigkeitsfläche [m²/s] (in einer Messvertikalen)

Abb. 2: Anordnung der Messvertikalen in einem Messquerschnitt (schematisch). Bezeichnungen siehe Text.

3. Praktische Auswertung

Die Integration der Fliessgeschwindigkeit v über die Fläche F wird entsprechend der Position der Messpunkte diskretisiert. Die Integration entlang einer Messvertikalen i liefert die sogenannte Geschwindigkeitsfläche f

. Dieser Wert kann vereinfacht mit Hilfe der graphisch bestimmten, mittleren Geschwindigkeit in der Messvertikalen, v

, gefunden werden:

 ^{  }



h

i mi

vi v dy v h

f

0

[m²/s]

Verwendete Grössen:

v

= mittlere Geschwindigkeit in der Messvertikalen i [m/s]

h

= Wassertiefe in der Messvertikalen i [m]

i = 1,..., n-1

Messvertikale

4

Mit Hilfe der Geschwindigkeitsflächen f

kann der Abfluss Q näherungsweise wie folgt berechnet werden:

2 ....

2 ²

2 1 1

1

0    

 f f b

f b

Q f ^{v v v v}

 

 f v  b  f v  f v  b   f v

 b n 



 ....

2 1

2 2 1 1

1 [m³/s]

Die numerische Berechnung erfolgt in tabellarischer Form.

4. Durchführung einer Flügelmessung (grundsätzlich)

1. Einrichten einer Wasserstands-Messstation in der Nähe des Messquerschnitts. Periodisches Ablesen des Wasserstandes P.

2. Festlegen des Messquerschnitts.

3. Vermessen des Messquerschnitts: Profil aufnehmen und graphisch darstellen.

4. Flügelmessung planen: festlegen der Messvertikalen und der Messpunkte, Messprotokoll vorbereiten.

5. Flügelmessung durchführen, Messprotokoll ausfüllen. N.B.: Unmittelbar vor und nach der Messung den Wasserstand P ablesen.

6. Messung auswerten: Abfluss Q ermitteln.

7. P-Q-Beziehung (graphisch) nachführen.

5. Abflussmessung mit dem Tauchstab nach Jens

Der Tauchstab (nach Jens) ist nach dem Prinzip einer Drehmomentwaage gebaut.

Die auf den in die Strömung eingetauchten Messstab wirkenden Kräfte erzeugen ein Drehmoment. Dieses bewirkt eine Auslenkung des Messstabs.

Mit einem verschiebbaren Gewichtsstab wird ein Gegendrehmoment erzeugt. Dadurch wird der Messstab wieder in die Lotrechte gebracht.

Die Ablesung auf der Skala am Gewichtsstab liefert einen dem Gegendrehmoment proportionalen Wert.

Auf einer Rechenscheibe kann die der jeweiligen Eintauchtiefe entsprechende mittlere Fliessgeschwindigkeit v

[cm/s] abgelesen werden. Für das Ablesen der mittleren Fliessgeschwindigkeit steht auch ein Diagramm mit einer Kurvenschar der Eintauchtiefen zur Verfügung.

Die Berechnung der Geschwindigkeitsflächen f

und schliesslich des Abflusses Q wird wie bei der Flügelmessung durchgeführt.

6. Aufgabenstellung zum Versuch E

Für den Gonzenbach oder für den Erbach soll der Abfluss mit dem hydrometrischen Flügel und mit dem Tauchstab ermittelt werden. Das Vorgehen und die Ergebnisse sind im Bericht darzulegen.

Angetroffene Besonderheiten, Probleme und Erfahrungen sollen festgehalten werden.