Direkte Abflußmessung
Bei der direkten Abflußmessung werden reguläre Abflußmeßbauwerke, wie Meßwehre oder Meßgerinne eingesetzt, bei denen eine feste Abhängigkeit zwischen Wasserstand und Abfluß besteht. Sehr kleinen Wassermengen werden auch volumetrisch mit
einem Meßbehälter ermittelt
Unmittelbare Messung mit Auffanggefäßen:
Die Abflußmessung erfolgt bei dieser Methode über ein volumetrisch kalibriertes Meßgefäß oder Meßbehältern. Sie eignet sich besonders zur Messung kleinerer Abflüsse und kleinerer Quellschüttungen. Die in einer bestimmten Zeit in ein Gefäß bekannten Inhalts eingelaufene Wassermenge wird durch die dazu benötigte Zeit dividiert.
Q = V / t in l/s
V = Volumen des Meßbehälters in Liter [l]
t = Zeit, die zur Füllung des Behälters erforderlich ist [s]
Messung an Meßwehren und eingebauten Kontrollquerschnitten:
Mit Hilfe von Meßwehren und künstlichen Kontrollquerschnitten kann der Abfluß in kleinen Bächen, Flüssen und künstlichen Kanälen durch Bestimmung der Durchflußhöhe ermittelt werden. Aus der Überschlagshöhe und den Abmessungen des Wehres kann der Durchfluß berechnet werden. Bei Meßverfahren, die mit Hilfe einer Verengung des Durchflußquerschnittes eine Wassermengenmessung ermöglichen, kann der Durchfluß aus der sich ergebenden Wasserstandshebung berrechnet werden.
Der angestaute Wasserstand (Überfallhöhe) wird in einer bestimmten Entfernung (2 bis 4 × hmax) oberhalb des Meßwehres gemessen;
1. Überfallsformel für das Platten-Meßwehr (Rechteckquerschnitt) nach Abbildung a)
Q = 2/3 µ · b √ ( 2 · g ) · h3/2
in m³/s
b = Wehrbreite in m
h = Überfallhöhe in m
g = Erdbeschleunigung 9,81 m/s²
µ = ein von den Abmessungen des Wehres abhängiger Beiwert
(Beiwert nach Poleni: µ = 0,60 ... 0,63)
w = Wehrhöhe
Die Beziehung zwischen µ und h wird vom Hersteller oft zeichnerisch oder zahlenmäßig angegeben; ansonsten muß das Meßwehr geeicht werden, indem man Flügelmessungen unterhalb des Wehres bei verschiedenen Überfallhöhen vornimmt;
2. Überfallsformel für das Thomson-Meßwehr nach Abbildung b)
Für die Überfallformel für das Thomsonwehr gilt:
Q = 0,0146 · h5/2 in l/s (h in cm)
Das Meßwehr nach Thompson hat einen Ausschnitt in Form eines gleichschenkligen rechtwinkligen Dreiecks mit der Spitze nach unten. Die Kante ist scharfkantig und das Meßwehr hinterlüftet.
3. Überfallsformel für das Cipoletti-Meßwehr nach Abbildung c)
Für die Überfallformel für das Meßwehr nach Cipoletti gilt:
Q = 1,86 · h3/2
Das Meßwehr nach Cipoletti hat einen trapezförmigen Ausschnitt. Auch bei diesem Meßwehr ist die Kante scharfkantig und das Meßwehr hinterlüftet.
Bei Meßbauwerken mit künstlichen Kontrollquerschnitten wird der Querschnitt durch Hebung der Sohle, durch seitliche Einschnürung der Breite (Venturi-Kanal) oder durch beide Maßnahmen verengt. Durch die Einschnürung des Querschnittes ergibt sich eine Aufstauhöhe aus der der Durchsatz berechnet werden kann. Wegen des hohen Aufwandes wird jedoch diese Art der Wassermessung kaum an Bächen und Flüssen eingesetzt, sondern vielmehr in Labors für Strömungstechnik.
Indirekte Abflußmessungen
Die indirekte Abflußmessungen erfolgen über Messung der Durchflußgeschwindigkeit und der dazugehörigen Durchflußfläche. Die Fließgeschwindigkeit wird dabei mit Meßflügeln, Staurohren, Schwimmern , Tracern, etc. gemessen.
Der Meßflügel
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Der Grundgedanke ist der, daß der Flügel die mittlere Strömungsgeschwindigkeit erfaßt und im Idealfall (ohne Energieverlust) die in der Strömungsrichtung gemessene Komponente exakte mißt. In Wirklichkeit tritt jedoch Reibung (Lagerreibung) auf und durch den Einfluß der Zähigkeit der Flüssigkeit entstehen Widerstände, so daß der Flügel etwas zurückbleibt; |
Die ideale theoretische Flügelgleichung lautet:
v = a · n + b
v = Fließgeschwindigkeit in m/s
a = Ganghöhe des Flügels (durch Laboreichung bestimmt)
n = Flügelumdrehungen je s
b = Anlaufgeschwindigkeit (durch Laboreichung bestimmt)
Die ermittelte Geschwindigkeit wird dann jeweils mit der dazugehörigen Durchflußfläche multipliziert und für alle Abschnitte aufaddiert. Die Methode liefert sehr genaue Abflußmessungen für offene Kanäle oder auch für geschlossene Rohrleitungen bei kleinen und großen Geschwindigkeiten und reinem oder unreinem Wasser.
Durchführung der Messungen:
a.) Punktmessung
b.) Pendelpunktmessung (Abbildung)
Rechnerische Auswertung: Beim Ablaufverfahren läßt man den Flügel mit gleichmäßiger Geschwindigkeit zur Sohle ablaufen. Das Zählwerk der Umdrehungen schaltet sich beim Aufsetzen eines Grundtasters auf die Sohle selbsttätig aus, die Zeit des Ablaufs wird gestoppt. Auf diese Weise erhält man mittlere Geschwindigkeit einer
Meßlotrechten vml. Die mittlere Geschwindigkeit in einer Meßlotrechten läßt sich auch aus dem arithmetischen Mittel aus den gemessenen Fließgeschwindigkeiten in einzelnen Meßpunkten bestimmen.
Daraus läßt sich rechnerisch die Gesamtabflußmenge in m³/s oder in l/s errechnen:
Q = vm· F
Q = Abflußmenge in m³/s oder l/s
vm = mittlere Fließgeschwindigkeit im Querschnitt
F = Abflußquerschnitt in m² oder dcm²
Aus der mittleren Geschwindigkeiten der einzelnen Meßlotrechten wird das arithmetische Mittel gebildet, die die mittlere Fließgeschwindigkeit vm des Flußquerschnitts ist.
F ergibt sich durch folgende Rechnung (Abbildung):
F = F1 + F2 + F3 + F4 + F5 + F6
F1 = x1· y1 / 2 F2 = (y1+y2) · x2 / 2 usw.
Durch Einsetzen in die oben genannte Formel erhält man den Gesamtabfluß im Flußquerschnitt!
Literatur
Andreae, Horst: Neue hydrometrische Verfahren, Berlin, 1963
Baumgartner, A. und H.J. Liebscher: Allgemeine Hydrologie, Quantitative Hydrologie In: Liebscher, H.J.(Hrsg.): Lehrbuch der Hydrologie, Band 1, Allgemeine Hydrologie, Berlin, Stuttgart, 1990
Böhler, J. und H. Rathke (Hrsg): Handbuch der Wassermessung, München, Wien, 1965
Dyck, S. und G. Peschke: Grundlagen der Hydrologie, Berlin, 1995
Franke, P.-G.: Abfluß über Wehre und Überfälle, Technische Hochschule München, 1970
Herrmann, R.: Einführung in die Hydrologie, Stuttgart, 1977
Keller, R.: Gewässer und Wasserhaushalt des Festlandes - Eine Einführung in die Hydrogeographie, Leipzig, 1962
Keller, R.: Hydrologie, Darmstadt, 1980
Maniak, U.: Hydrologie und Wasserwirtschaft - Eine Einführung für Ingenieure, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokyo, 1988
Matthess, G. und K. Ubell: Allgemeine Hydrogeologie - Grundwasserhaushalt, In: Matthess, G. (Hrsg.): Lehrbuch der Hydrogeologie, Band 1, Berlin, Stuttgart, 1983
Press, Prof. Dr. Ing. Heinrich (Hrsg.): Taschenbuch der Wasserwirtschaft, Verlag Wasser und Boden, Hamburg, 1960
Wechmann, A.: Hydrologie - Überirdisches Wasser, Unterirdisches Wasser, München, Wien, 1964
Wilhelm, F.: Hydrogeographie, In: Leser, H. und K. Rother (Hrsg.): Das geographische Seminar, Braunschweig, 1993
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