VL/UE/GP Hydrometrie

_____________________________
_____________________
___________ ___________ ___________ _______
Dozent:
Betreuuung
Wasserllabor:
Dipll.
Biol. Jolan nthe Bambynnek
J.Baambynek@tu
u-bs.de
1
Vor rlesungg
+ Ge elände etage
Hydr H rom metri ie
für
Geooökolo
ogen
(BBachelo
or)
Proff.
Dr. rer. na at. Hans Maatthias
Schön niger
Leicchtweiß
Insti itut für Wassserbau
Abt. . Hydrologie e, Wasserwiirtschaft
und d Gewässers schutz
Beetthovenstra.
51 5 a, 38106 Braunschweig
m.scchoeniger@t
tu-bs.de
SSS
201 11
Leichtweeiß-Institut
für Wasserbau
W
Abt. Hydrrologie,
Wasserwirtschaft
und Gewäs sserschutz
Prof. DDr.
rer. nat. H.M.
Schöniger
Beethoven nstraße 51a
38106 Bra aunschweig
Hydrometriie
Bachelor SS 2011 | PProf.
Dr. H.M M. Schöniger LWI TU Braunschweig

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_____________________
___________ ___________ ___________ _______
Hydrommetrie
SS 2011
Gliederuung
der Lehhrveranstalt
tung
2
1. EEinleitung
DDIN
EN ISOO
748 (ISO 748:2007 7 undd
EN ISO 74 48:2007)
PPegelvorschrrift
der LAW WA (1997): SStammtext
un nd …..
GGanglinien,
Zeitreihe en, Extremmwerte
(- analyse),
WWasserhaushhaltsgleichun
ng
2. BBestimmungg
des Gebiet tsniederschllags
3. WWasserstands-
Abflussm messungen
3.1 WWasserstanddsmessungen
n am Pegel | WWehre
| Pege elstationen
3.2 AAbfluss-/Durchflussmess
sungen mit
FFlügel)
3.3 SSchlüsselkurrve
| Abflusskurve
3.4 WWeitere
Verfahren
zur Bestimmung B dder
Fließgesc chwindigkeit ten
3.5 BBestimmungg
des Abfluss ses mit der Inntegrativen
Einspeisungs
E smethode (Veerdünnungsm
methode)
4. GGewässerkuundliche
Hauptzahlen
uund
Begriffe e
5. BBestimmungg
der Gebietsverdunstuung
6. ÜÜbungsaufggaben
und Geräte-Train
G ning im Wasserbaulabo
or (Gruppenn
(A B C))
TTermine
Waasserbauhalle
e: Training amm
Gerinne: 5. 5 u. 6. 05.
7. GGeländeexpperimente
im m Feld (Grupppen
(A B C)) C
TTermine
im Feld: 12., 13 3., 19., 20.05.
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hydrologiscche
Einzu ugsgebiet,
verschieden nen Verfahre en (Ultraschhall,
hydrom metrischer
Hydrometriie
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___________ ___________ ___________ _______
Tab. 1: LLehrveranstaltungsplan
n Hydromettrie
SS 2011 1
3
Terminne
Ortt
03.05.
11:30-113
Uhr
05.05. ( (GT)
13-17 UUhr
06.05. ( (GT)
13-17 UUhr
10.05.
11:30-113
Uhr
12.05. ( (GT)
13-17 UUhr
13.05. ( (GT)
13-17 UUhr
17.05.
11:30-113
Uhr
19.05. ( (GT)
13-17 UUhr
20.05. ( (GT)
13-17 UUhr
07.07.
N.N.
*) Beethhovenstasse
551a;
**) Kurzreferate
K s. Tab. 2;
Tab. 2: KKurzreferatte
Hydrome etrie SS 20111
entspreche end Tab. 3
Nr. TThema
Lk119c.1
LWWI-Wasserbau
u-Labor*
LWWI-Wasserbau
u-Labor
Lk119.c.1
Feld
| Wabe
Lk119c/
Feld | Wabe W
Lk119c.1
Feld
| Schunterb brücke, Querrum
Ström mungs- und Abflussmesssungen
Feld
| Pegel Har rxbüttel
1 AAbflussmessuungen
mit de em Tauchstaab
n. Jens
2 AAbflussmessuungen
mit de em Venturi-KKanal
3 MMeteorologissche
Messgrö ößen und Parrameter
für die d Anwendu ung der Penmman-
MMonteith-Gleeichung
B. 2
4 DDirekteinleiteerproblemati
ik: Präsentatiion
eines Fal llbeispiels
A. 2
5 EErläuterungen
zum Onli ine-Lehrpfadd
„Virtuel River“ R vom Geology G Lab abs On-
LLine/NSF
& CSU:
hhttp://www.ssciencecourse
eware.com/vvirtualriver/
B.3 3
6 DDarstellungsfform
von Flu usslängs- undd
Querprofilen
B. 1
7 AAufbau
der PPegelvorschri
ift
Inha alt
Vorl lesung: Theo orie Kap. 1-55,
Auswertes software
Gerä ätetraining
Gerä ätetraining
Vorl lesung: Theo orie u. Planunng
Tracerver rsuch
Trac cerversuch (V Verdünnunggsmethode)
Trac cerversuch (A Auswertung)
Kurz zreferate** | Übungen | AAuswertungen
Ström mungs- und Abflussmesssungen,
Was sserstands-
mess sungen, Aufs stellung Schllüsselkurve
Abgabe der d Feldproto okolle
Abschlussklausu
ur
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GT = Wass serlabor-/Geeländetag
8 EErstellung
einner
Dauerlin nie mit Hilfe eines Tabellenkalkulations-programmms
( (z.B. MS-Offfice)
C. 2
9 MManning-Striickler
Fließf formel
A. 3
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Gr ruppe
A. 1
C. 1
C. 3

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___________ ___________ ___________ _______
Tab. 3: Gruppeneinnteilung
Nr.
Name undd
Matrikel-N Nr.
Gru uppen-
zugeh hörigkeit
1
A.1
4
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
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Hydrometriie
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A.1
A.1
A.2
A.2
A.2
A.3
A.3
A.3
A.3
B.1
B.1
B.1
B.1
B.2
B.2
B.2
B.3
B.3
B.3
B.3
C.1
C.1
C.1
C.1
C.2
C.2
C.2
C.3
C.3
C.3

_____________________________
_____________________
___________ ___________ ___________ _______
Tab. 4: ZZeitplan
unnd
Gruppenz zuordnung ffür
die Term mine in der Wasserbauh
W halle und im m Feld
5
Datum
05.05.
06.05.
12.05.
13.05.
19.05.
20.05.
13:00 - 14:30 Uhr
A
B
C
B
C
A
14:30 - 16:000
Uhr
B
C
A
C
A
B
16:00 - 17:3 30 Uhr
Hydrometriie
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C
A
B
A
B
C
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1. Einfüührung
/ Lehhrinhalte
Unter der Voraussetzung
von Grrundkenntnissen
der Hydrologgie,
spezie ell der
Wasserhhaushaltskommponenten
sowie Grunndlagen
der Sensormes sstechnik soollen
praktis sche und
theoretissche
Kenntnnisse
über die
wichtigsteen
Verfahren n der Hydrom metrie vermiittelt
werden.
Neben
der Anwwendung
voon
Methoden
zur Waasserstands‐
Interpretation
der Messdaten im Vorderggrund
dieser
Lehreinhe eit. Gerätesppezifische
praktische
Tauchstaab
nach Jenss
runden das Hydrometrielehrangebo
ot ab. Die Hy ydrometrie isst
entsprech hend (von
griech.: hydros = Waasser;
Metron
= Maß) diee
Wissenschaft
und die Technik T von der Messun ng im und
am Waasser;
d.h.
messtechnischer
Veerfahren
un nd die amttlichen
(Peg gelvorschrift
„Meßgerräte“
(1996) ) und sich im m Applikationnsverfahren
befindlichen Messtechniiken
an.
„Hydrommetrie
wird iim
Wissensc chaftsgebäudde
der Hydro ologie allgem mein als die „Lehre vom m Messen
hydrologgischer
Größßen“
definier rt. Je nach Autor
kann di ies ein große es Spektrum an Messgrö ößen vom
Wassersstand
und Durchfluss
ob berirdischer Gewässer über
Grundwasser,
Bodenfeuchte,
Se edimente
bis hin
beschrännkt
sich ddagegen
die
Hydrommetrie
im
Strömunngserfassungg
oberirdischer
Gewässser
(Herschy
1978, 20 009; Boiten
Morgensschweis
20100].
Zur Kommmunikation
im Bereich der Hydrommetrie
z.B. bei
der Abfas ssung von teechnischen
Berichten B
oder Gutachten,
abeer
auch bei Protokollen P ssollten
die Begriffe B und Erläuterunggen
aus der DIN D 4049
und der DIN EN ISOO
748 (2008)
Verwendung
finden. Im
Anhang is st der entspprechende
Ausschnitt A
dieser geenannten
DIIN
beigefügt t. Die Pegelvvorschrift
sow wie das Lehr rbuch von HHerrn
Morgenschweis
werden.
Die Allgeemeine
Wassserhaushalt
tgleichung beeschreibt
die e Beziehung zwischen deen
Kompone enten des
Wasserkkreislaufes
in
einem definierten
LLandschaftsraum,
einem m Flussgebieet
z.B. Die
abgegrenztes
Gebiet
(oberirdisc che und/odeer
unterirdis sche Wasser rscheide) und
einen bes stimmten
Zeitraumm
bezogene GGleichung
lautet:
Niederscchlag
= Verddunstung
+ Abfluss A + (Rücklage
‐ Aufbrauch)
in [m mm/a].
6
die allgemeine
Messttechnik
im
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und Durchflussmessuung
steht auch a die
Übungenn
im Wasseerbaulabor
und im Feldd,
vom ADC C über die Verdünnungsmethode
bis zum
hydrologisc ch‐limnologisschen
Bereich.
Das
Lehrangeebot
stützt sich auf gä ängige, aktuuell
weit ve erbreitete Messmethode
M en, spricht aber die
Notwenddigkeit
zur Marktbeoba achtung derr
hydrometr rischen Indu ustrie, Applikationstests
neuster
von 19997,
hier An nhang //
zu Güteparametern
umfassen u (DDyck
u. Pes schke 1995) ). Im englisschsprachige
en Raum
Allgemeinen
auf diee
Durchfluss‐
und
(Hydrommetrie,
Springer
Verlag, 2010) könnnen
in der LWI‐Bibliothe
L ek eingeseheen
oder aus sgeliehen
Hydrometriie
Bachelor SS 2011 | PProf.
Dr. H.M M. Schöniger LWI TU Braunschweig
2008)“ [Zitat
aus:
auf ein

_____________________________
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___________ ___________ ___________ _______
Beim NNiederschlag
handelt es e sich nicht
um den n Stationsniederschlag,
, sondern um den
Gebietsnniederschlagg,
welcher aus a mehrereen
Stationen n mittel geostatistischer
r Verfahren ermittelt
werden
kann niccht
direkt geemessen
we erden, sondeern
muss be erechnet werden
und füür
einzelne Polygone
(quasi hhomogene
Gebietsvverdunstungg
oder auch Evapotransppiration
(Evaporation
und
Transpirattion,
hier akt tuelle ET)
setzt sichh
aus der Summe
flächen ngewichteter
Polygonen zusammen.
Der an eeinem
Pegel gemessene bzw. über diie
Abflusskurve
ermittelt te Abfluss inn
m 3 /s ist ber reits eine
Gebietskkomponentee.
Der Abfluss
kann,
Responssefunktion
auf
ein System minput (Gebietsniedersc
chlag) bezeichnet
werdenn.
Ländern hydrologiscche
Messnet tze, an deneen
u. a. die Wasserstände
kontinuieerlich
gemes ssen und
daraus ddie
Durchflüssse
ermittelt werden.
Unter TTranspirationn
(stomatäre
und cuticculäre)
wird d die Verdunstung
von
Wasser über ü die
von metteorologischeen
Größen abhängig, a zussätzlich
aber r auch von der d Wasserveerfügbarkeit
t und von
so genannnten
pflanzzenspezifisch
hen Faktorenn
bzw. Param metern (Wid derständen iim
Boden un nd in der
Pflanze, phänomenoologische
Pha ase der Vegeetation).
2. Bestimmmung
des GGebietsniederschlags
Vom „ Stationsniedderschlag“
Polygonmmethode
(TThiessen‐Polygone),
Geostatistische
e Verfahren n, Radarmesssung
(Bild
Messgrööße
heißt NNiederschlag
gshöhe (gemmittelt
über
Wasserhhöhe
über deer
horizontal len Fläche dees
Gebietes in einer Betr rachtungszeiitspanne
(DIN
4049)).
Die Niedderschlagshööhe
entsprich ht der Regennmenge
bzw.
Menge an Niederschlagg
umgerechn net in ein
Äquivaleent
"Höhe". Fällt 200 Lit ter Wasser ppro
Quadratm meter Boden n an Regen, dann entsp pricht das
einer Hööhe
von 200 mm (20 cm m). Die Niedeerschlagshöhe
hN = 1 mm m entspricht 1 Liter Was sser auf 1
m 2 Flächhe.
Jeder Nieederschlagsh
höhenangabe
hN bezieht t sich auf eine
Zeitspanne
TN, in de er hN sich
Pluviograph
(Niederrschlagsschre
eiber). Appaarat
zur Reg gistrierung der d Niedersschlagsmengen,
nach
7
muss. Dies
gilt auch fü ür die Wasseerhaushaltsk
komponente e Verdunstunng.
Die Verd dunstung
Flächen be ezüglich dess
Verdunstungsprozesses)
ausgewwiesen
werd den. Die
‐ kybernetisch
gesehe en, als einee
systemsp pezifische
Steuerunng
wasserwirtschaftliche
er Systeme, den Gewässerschutz
und u den Hoochwasserschutz
von
zentraler
Bedeutungg.
Deshalb unterhalten in Deutsch hland die Fa achverwaltunngen
von Bund B und
zur Gebiettsniederschlag
(s. Hy ydroskript):
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Der Abflluss
oberirdiischer
Gewä ässer ist für die wasserw wirtschaftlich he Planung, den Betrieb b und die
Spaltöffnnungen
in den
Blättern der Pflanzen
verstande en. Die Trans spiration ist wie die Eva aporation
ein bestim mmtes Gebiiet,
ausgedr rückt als
angesammmelt
hat, zz.B.
in einem m Niederschlagsmesser
n. Hellmann n oder einemm
Ombrogra aphen (=
Hydrometriie
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Isohyetenm methode,
1). Die

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___________ ___________ ___________ _______
verschiedenen
Prinzzipien
ausge eführt, s. HHydroskript).
Der Niederschlag
ist also eine zeit‐ z und
ortsvariaable
Messgrööße
(Bild 1 u.
2).
Bild 1: Verfahren
zurr
Ermittlung des Gebietsmmiederschlag
gs n. Hydroskript
mit derr
Grundformel:
Bild 2: SSchematische
Darstellun ng eines Niedderschlagsve
erlaufs mit Niederschlags
N sereignissen (N1, N2,
N3) unteerschiedlicheer
Niederschlagsdauer
(nnach
DIN 404 49‐3).
Niederscchlagshöhe
( mm) =
N‐intenssität
=
Gebietsnniederschlagg
hG (mm) =
8
h
1
∙h ∙∆A A
hydrrologische
Zielgröße
Quottient
aus Nie ederschlagshöhe
und Zeitt
(mm/min)
Gebietsmittel
de es Niederschlags,
bezogeen
auf eine Fläche A
währrend
der Zeit t t
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___________ ___________ ___________ _______
N‐spendde
=
Quottient
aus dem d Volum men des in einer bes stimmten
Einzugsggebiet
/ Wasser‐
AE (km2)
= in deer
Horizontalprojektion
gemessenes g Gebiet, aus dem das
Abflussbbildung
– Abflusskonzentration
– Weellenablauf
im i Fließgewässer
Für die rrechnerischee
Behandlun ng kann das Einzugsgebiet
ohne Gru undwassersppeicher
basie erend auf
der Konttinuitätsgleicchung
QZ(t) – QA (t) = dS(tt)/dt
[m3/s] wie folgt behandelt
werrden
(Bild 3): :
iNe(t) ∙AE = [iN(t) – iv(t)]
∙ AE = QD(t)
+dS(t)/dt
Bild 3: DDer
Niederscchlag-Abfluss-Prozess
auus
der klassischen
Hydrol logie Wasserrwirtschaft.
9
Zeitspanne
auf f eine bestimmte b
Niederschlags
un nd dem Produkt
aus dieeser
Zeitspa anne und
dieseer
Fläche (l/s s km2)
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Fläche ge efallenen
Wassser
dem Kontrollquerschnitt
(Abflussspegel)
zuflie eßt.
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___________ ___________ ___________ _______
Die hydrrologisch-waasserwirtscha
aftliche Zielgröße
DURC CHFLUSS bzw. b ABFLUUSS
(Q(t,x,y y) bezieht
sich immmer
auf einenn
Bilanzierun ngsraum, alsoo
ein Flussei inzugsgebiet (Bild 4), abeer
welches ?
Bild 4: UUnterirdischhes
und oberirdisches
Einnzugsgebiet.
Unterirdische
(hydrogeeologisch
beg gründete)
Wasserscheide,
obeerirdische
Wasserscheide
W e oder auch h topograph hische WS (aus dem Digitalen
Geländemodell,
AE). .
10
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Hydromettrie
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_____________________
___________ ___________ ___________ _______
3. Wasseerstands-
unnd
Abflussm messungen
Der Abffluss
Q wird quantitativ als a das Wassservolumen
definiert, d das s pro Zeiteinh nheit einen de efinierten
oberirdisschen
Fließqquerschnitt
(z z.B. einen FFlussquerschn
nitt) durchfli ießt und eineem
Einzugsg
zugeordnnet
ist. Wennn
das den Fließquersch
F hnitt passiere ende Wasser rvolumen unnabhängig
vo on einem
Einzugsggebiet
betracchtet
wird, wird w oft die BBezeichnung
Durchfluss R verwendett.
Vereinfach hend wird
nachfolggend
nur der Begriff Abf fluss verwenddet.
Der Abf fluss wird für r gewöhnlichh
in der Einh heit m³ s -1
oder l s -
häufig ddie
Abflusssppende
q hera angezogen. DDie
Abflusss spende ist de er Quotient aaus
dem Abfluss
und
der Größße
des zugehhörigen
Einzu ugsgebietes:
Die graffische
Darsteellung
des Abflusses A einnes
bestimm mten Fließquerschnitts
übber
die Zeit wird als
Abflussgganglinie
bezzeichnet
(Bild
5). Ein TTeil
des auf ein e Einzugsg gebiet fallennden
Nieders schlags N
wird durrch
Interzepttion
(die Zwi ischenspeichherung
von gefallenem g oder
abgesetzzten
Niederschlag
auf
Pflanzennoberflächen),
Versickeru ung in den UUntergrund
und u Verduns stung zurückkgehalten
und d gelangt
nicht odder
nur verzöögert
zum Abfluss. A Derr
Niederschla ag, der einen
Hochwassserabfluss
ve erursacht,
wird als effektiver NNiederschlag
Neff bezeichhnet.
In Folge e des Nieder rschlagereignnisses
ist das s typische
zeitverzöögerte
Ansteeigen,
und na ach Erreichenn
des Scheite elpunktes, da as sanftere AAbfallen
der Ganglinie G
zu erkeennen.
Eine Abflussgan nglinie setztt
sich aus drei Abflu usskomponennten
zusamm men, die
unterschhiedlich
langge
Reaktions szeiten aufwweisen.
Der Oberflächen nabfluss ummfasst
alle Abflüssen A
oberhalbb
der Gelänndeoberfläche
e (z.B. vonn
versiegelte en oder gesä ättigten Fläcchen)
und weist w die
kürzeste Reaktionszeeit
auf. Der Zwischenabf
Z fluss (Interflow)
wird der
oberflächennnahen
Bode enschicht
zugeordnnet
und reaggiert
zeitlich h langsamer als der Obe erflächenabflu uss. Der Obberflächenabf
fluss und
der Zwisschenabflusss
bilden zusa ammen den DDirektabfluss
s QD. Sein Volumen V entsspricht
dem Volumen
des effeektiven
Niedderschlags.
Die häufig als „langsa amste“ Abf flusskomponeente
entspri icht dem
Basisabffluss
bzw. dem Grundwasserabflusss.
Das Verhältnis
vom m effektivenn
Niedersch hlag zum
gefalleneen
Niederschhlag
wird als Abflussbeiwwert
Ψ bezeichnet:
11
-1 angegeben
n. Um die Abflüsse A verrschiedener
Einzugsgebie
E ete vergleichhen
zu könn nen, wird
q
Q
A E
N
l s-1km-2
ψ
ψ Volu
N
Vol
mm
umen Q lumen N
m m m Leichtweeiß-Institut
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gebiet AE

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___________ ___________ ___________ _______
Bild 5: DDarstellung
eeiner
Abfluss sganglinie unnd
ihrer wich htigsten Kom mponenten. FFür
die Aufte eilung des
Gebietsnniederschlagss
NG in den effektiven NNiederschlag
g und in den n Versickeruungsanteil
wurde
hier
eine koonstante
Veerlustrate
(V Versickerunggsrate)
ange esetzt. Die Aufteilungg
in die einzelnen e
Komponnenten
stammmt
aus der DIN D 4049. Siie
gilt aber nicht n für alle Flusseinzuggsgebiete
(M Mattheß &
Ubell 20003).
Unten: Abflussgang glinien für ddie
Mittelgeb bietsbäche La ange Bramkee,
Dicke Bra amke und
Steile BBramke
(täggliche
mittle ere Abflüssse)
mit Ga anglinie des Gebietsnieederschlags
(tägliche
Niederscchlagssummeen).
Ca. 80% % vom Gesammtabfluss
sta ammen aus dem
Kluftgruundwasserleit
ter, somit
sind rd. 880%
der Stauuseewassers
Grundwasseer
(Schöniger
1998)!
12
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Bachelo or SS 2011 | Prof. Dr. H.M M. Schöniger r LWI TU Brraunschweig

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3.1 Wassserstandsmessungen
Der Wassserstand
einnes
Fließ- od der Standgewwässers
wird üblicherwei ise an festen n Stationen gemessen, g
welche aals
Pegel bezzeichnet
wer rden. Der WWasserstand
W(t) oder au uch h(t) gibt t für den Stan ndort des
Pegels ddie
Höhe des
Wasserspiegels,
bezoggen
auf einen
Bezugshor rizont, an (ffür
gewöhnli ich Höhe
über Norrmalnull,
m ü NN). Es werden w registtrierende
und d nichtregistr rierende Peggel
verwende et. Zu den
nichtreggistrierendenn
Pegeln geh hört der Latttenpegel
(Bil ld 6a und b).
Je nach Uferbeschafffenheit
wird d der Pegel llotrecht
oder r schrägliege end angebraccht.
Der Wa asserstand
wird am Lattenpegell
ein oder me ehrmals am TTag
abgelese en. Bei den registrierendeen
Pegeln erf folgt eine
kontinuierliche
Auffzeichnung
des Wasserrstandes
üb ber die Zei it (Wassersttandsganglin
nie). Die
kontinuierliche
Wassserstandaufz
zeichnung erffolgt
z.B. üb ber Schwimm mer und Druc ucksonden. Diese D sind
häufig inn
einem Peggelhäuschen
nahe dem GGewässer
an ngebracht. Das D Pegelhäuuschen
ist üb ber einen
Wasserschacht
mit dem Gewäs sser verbundden.
Nach dem d Prinzip der kommuunizierenden
n Röhren
herrscht in dem WWasserschach
ht derselbe Wasserstand
wie in dem d Gewässer.
Der re egistrierte
Wassersttand
wird annalog
auf ein nem Trommeelschreiber
und u zusätzlic ch häufig diggital
auf eine em Data-
Logger gespeichert. Es ist sehr wichtig, daass
an jedem m registrierendem
Pegel l ein Lattenp pegel zur
Kontrollle
angebrachtt
wird.
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Bild 6a:
Pegelstatioon,
Abflussk kurve und Schreibpege elaufzeichnun ngen (Wochhenumlauf)
(oben u.
Mitte),
Hydromettrie
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Bild 6bb:
Ermittlung
der Abfl lussgangliniee
Q(t) aus
Abflusskkurve
Q(W).
3.2 Abfllussmessungg
Im Rahmmen
dieser LLehrveranstal
ltung Hydrommetrie
SS 20 011 erfolgt die d Ermittlunng
von Abflü üssen mit
den folgenden
Messvverfahren:
Abflussmmessungen
üüber
die Str römungsgesschwindigke
eiten mit de em Hydromeetrischen
Flü ügel, der
IDM-Sonde
und demm
ADC in Form
von Puunktmessunge
en in einem Abflussquerrprofil
(Pege elstation).
Weiterhiin
wird die FFließgeschwindigkeit
übber
ein Vertik kalprofil mit t dem Tauchhstab
n. Jens ermittelt
und übber
den GGesamtquers
schnitt durrch
Messun ng des Volumenstro
V oms durch Tracer
(Verdünnungsmethode,
Salzmischverfahrenn).
Die Abfluss- A bzw w. Durchfluussberechnun
ng nach
hydraulischen
Fließßformeln
er rfordert diee
Kenntnis des Energ giehöhengefä fälles IE un nd eines
Rauheitssbeiwertes.
In der PPraxis
findeen
verschied dene Verfahrren
zur Me essung des Abflusses A AAnwendung.
Welches
Verfahreen
am geeignnetsten
ist, um m den Abfluuss
in dem zu u untersuchenden
Gewässser
zu bestim mmen, ist
stark vonn
den Eigensschaften
des Gewässers ( (Breite, Tiefe e, laminares oder o turbulenntes
Fließen) ) und den
zur Verffügung
stehennden
Mitteln n abhängig.
Sehr hääufig
wird der Abflu uss Q übeer
Verfahren n ermittelt, die auf der Messu ung der
Fließgesschwindigkeeit
v beruhe en. Vorausseetzung
für diese d Verfah hren ist, dasss
in dem Gewässer G
laminaree
Fließverhälltnisse
vorherrschen
und dass die Flä äche A des Fließquerschn
F nittes bekann nt ist. Zur
Bestimmmung
der Fließgeschwind
digkeit wird oft der hyd drometrische e Flügel verrwendet
(Bild
7). Die
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der Wasserstandsgangllinie
W(t)
Hydromettrie
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über die

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Umdrehuungszahl
des
Flügels ist proporrtional
zur Fließgeschwindigkeit.
Die Mess sung der
Fließgesschwindigkeiit
entlang ei ines Fließquuerschnittes
erfolgt e in de efinierten Ab Abständen, lo otrecht in
mehrerenn
Tiefen. Hääufig
wird die d Zweipunnktmethode
verwendet, bei der die FFließgeschw
windigkeit
an jederr
Messlotrechten
in 20 % und in 80
% der Wassertiefe
be estimmt wirdd.
Der Abfl luss kann
grundsättzlich
anhandd
des folgend den Zusammmenhanges
be estimmt werd den:
mit:
15
Q Moomentaner
Ab bfluss m
A durrchflossener
v mitttlere
Fließge
s
(benetzter) Q
eschwindigke
Querschnitt m
eit im durchf
flossenen Qu uerschnitt mm
s vm
Q vm ∙ A
Die Gleiichung
kannn
je nach Me essdichte derr
Einzelfließg geschwindig gkeiten unterrschiedlich
verwendet v
werden:
Wenn diie
Einzelmesssungen
der Fließgeschwwindigkeiten
n gleichmäßig
verteilt sinnd,
kann die e mittlere
Fließgesschwindigkeiit
vm als arith hmetisches MMittel
angese ehen werden.
Alternatiiv
können diie
Geschindig gkeitsprofilee
wie folgt au usgewertet werden: w Ermiittlung
einer mittleren
Geschwiindigkeit
prro
Profil, Zuordnen Z einner
repräsen ntativen Du urchflussflächhe
zu jeden
Profil,
Verwendden
der Gl. ppro
Profil, Au ufaddieren dder
Teilwasse ermengen zum m Gesamtabbfluss
Q.
Bild 7: HHydrometrisscher
Messflü ügel mit Eichhkurve
m 3 s -1
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Bild 8: Fließgeschwwindigkeitspr
keitsdiaggramm
v = ff(y,z)
[m 2 rofil in eineem
Durchflu ussquerschni itt (links), rrechts:
Gesc chwindig-
/s], n. Schröder r 1999.
Danebenn
gibt es Messgeräte
zur punktuellenn
Aufmessun ng der Fließg geschwindigkkeitsprofils
v = f(y,z)
im Durcchflussquersschnitt.
Das Volumen (Integral) des d Geschwi indigkeitsproofils
entspri icht dem
Abfluss bzw. Durchffluss
Q:
Dem hyddrometrischeen
Messflüge el (Bild m), eeinem
axial angeströmten
a n Propeller liiegt
eine aus s Eichung
im Schleeppkanal
bekkannte,
bereic chsweise lineeare
Charakt teristik vor der d Form:
mit v0, a = spezifischhe
Eichkonst tanten des MMessflügels,
N = Anzahl der d Flügelummdrehungen
in i t und T
= Messddauer
in s.
Die enttsprechendenn
Angaben für einer r der im Geräte-Train ning zum Einsatz ko ommende
hydromeetrische
Flüggel
lautet wie e folgt:
Bezeichnnung:
C31 `10.001`.
Prü üfmethode BAARGO*,
Sch haufeldurchm messer 125 mmm,
(Schauf fel 1 [Nr:
251943 mmit
den Gleiichungen
N =< 0,559
v = 0.24226
n + 0,015 5, 0,59 =< N =< 9,80 v = 0,2544 n
+ 0,008
Bei derr
Kalibrieruung
nach BARGO B (n. ISO-Norm m 3455) wi ird der Meessflügel
mit
einem
Schleppwwagen
über den gesamt ten Messbereeich
mit 8 oder o mehr verschiedenen
v n Geschwindigkeiten
durch steehendes
Wasser
gezogen n. Der ermitttelte
Zusamm menhang zw wischen der ggemessenen
Drehzahl
der Flüggelschaufel
und der Ge eschwindigkeeit
des Schl leppwagens kann dann in Form ei iner oder
mehrererr
Gleichungeen
angegeben n werden (Biild
7).
16
Q v y, zdz dy d ms
v v 0
a ∙ N
T
m s 1
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Entsprecchend
der BBilder
(7 bz zw. 8) kannn
wie folgt vorgegange en werden, hierzu ist auch ein
Messprootokoll
für eiine
2-Punktm messung im Kanal und im i Fluss dem m Skript beiigefügt
(Anlagenteil).
Zunächsst
werden in der Messlotreechten
yi an vers schiedenen Punkten zj die
Strömunngsgeschwinddigkeiten
v(yi,zj) v = vvij
gemesse en. Damit kann für jedes Lot yj das
Geschwiindigkeitsproofil
v(z) aufg getragen und die Geschw windigkeitsflä äche fvi berecchnet
werden n:
mit: hhi
= Wassertiiefe
in m im
17
z
= lotrechtter
Abstand in i m zwischeen
zwei Messpunkten
VVmi
= mittlerre
Fließgesch hwindigkeit iin
m/s im Me
N = Zahl derr
Messpunkte e (einschließßlich
Sohle)
ffvi
= vmi hi ( (m 2 /s).
h i
fvi vzdz v 0,55
vi,jvi 0
Der Durcchlfluss
bzww.
Abfluss Q errechnet sicch
aus diesen n Geschwind digkeitsflächeen
aus:
Q fy ydy 0,55
f f∆y,
Lot yi
n-1
j1
,j1∆z i,j1
esslot yi
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m 2 s 1
m s
Die Ausswertung
lässst
sich auch graphisch ddurchführen
oder o mit der r Berechnunggstabelle
im Anhang.
Es sind jjeweils
die FFläche
der v(z)-Verteilun
v ng in jedem Lot (ergibt fvi) und der fv(y)-Verteil lung über
die Spieggelbreite
b ( (ergibt Q) zu u ermitteln. FFür
die Ausw wertung steht t weiterhin eein
kleines Programm P
zur Verffügung
(GEERINNE).
Der
Fluss-/Kaanalquerschn
nitt A muss zur Bestimmmung
von Q durch
Nivellierren,
Peilen ooder
mit dem
Echolot aausgemessen
n werden (Q Querprofile = cross secti ion). Die
Messlotee
sind am QQuerprofil
zu u orientieren, , d.h. Knickp punkte sind zu erfassen. . Die Q-Bes stimmung
erfolgt wwie
oben bescchrieben.
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le/Pegel:
Gewässer: G
AE0:
km²
N+_________mm
Gebiet: ___ _______________________
______Abflussjahr_______________
Beginn: Uhr bbei
Wstd.:
cm a.P.
Ende: E
Uhr U bei Wstd.: :
cm a.P P.
ügel Nr.:
Schauufel
Nr.:
SStangen/Schwi
immflügel
ment- Tiefee
Segmen nt- Lage
ite h fläche e des Umdreh.
A = b·h h Flügelss
m] [m] [m²] 0,2 / 0,88
[s]
m
E0 =
l/s·km²
=
m/s m
tmessung in 0, ,6h (s. Abbild dung)
Abflussmesssung
(Zweipu unktmessung) )
VL+UE Hydrometrie
H
SS 2011 (Bac chelor) HM Schöniger
vm =
A=
Beme erkungen:
½ (v0,2 + v0,8) ) Mess sstellen-Nr.:__ __________________
Baua art (R, Sb, Qa ..):______
m²
h = A/B =
üsselkurve |Abflusskurve
ge des Verrfahrens
ist die Annahhme,
dass die d Wasserstände
nur vvon
der Gr röße des
usses abhänggen
und dass eindeutig jeedem
Durchf fluss ein Wasserstand
unnd
jedem Wa asserstand
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U/s
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v
Mess-
flügel
[m/s]
Q =
m³/s
W = cm c am
m
vmittel =
vmessfl. 02 +
vmessfl. 08/2
[m/s]
„Teilabfluuss“
des Segmments
QS = vmm·A
[m³/s] ]

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___________ ___________ ___________ _______
ein Durcchfluss
zugeeordnet
ist. Dieser D Zusammmenhang
wird w als Wa asserstands-DDurchfluss-B
Beziehung
einen Duurchflusswerrt
umzurechn nen.
Die W-QQ-Beziehungg
ist grundsät tzlich unbekaannt.
Sie hän ngt von den hydraulischen
h n Gegebenhe eiten
am Pegeel
und auf deer
Gewässers strecke ab, ddie
für die Wasserstände
W am Pegel maaßgebend
sin nd. Diese
Gegebennheiten
könnnen
sich ände ern und damiit
auch die W-Q-Beziehu
W ung veränderrn.
Zur Unte ersuchung
der W-QQ-Beziehungg
werden bei i verschiedennen
Wassers ständen die jeweils j vorhhandenen
Du urchflüsse
gemesseen
(Durchfluussmessung)
). Da sich diee
W-Q-Bezie ehung ändern n kann, sind derartige Messungen M
von Zeitt
zu Zeit zu wiederholen n. Werden ddie
Wertepaa are aus Durc chfluss und WWasserstand
d grafisch
aufgetraggen,
bilden ssie
eine Punk ktefolge, diee
mit einer gewissen
Stre euung dem VVerlauf
der gesuchten g
W-Q-Beeziehung
folggt.
Nun kann n der Verlauff
der Punktef folge durch eine e Ausgleicchskurve
bes schrieben
werden. Diese Ausggleichskurve
wird als Abbflusskurve
bezeichnet. Von ihr wirrd
angenomm men, dass
sie der ggesuchten
W--Q-Beziehun
ng entspricht. .
Da W-QQ-Beziehungeen
sich ände ern können, ist es notwe endig, jeweil ls festzulegen en, innerhalb welchen
Zeitraummes
eine Abfflusskurve
ge elten soll (GGültigkeitsze
eitraum, Gültigkeit).
Soomit
ist es no otwendig,
die neueen
Durchflusssmessungen
n darauf zu untersuchen n, ob die frü ühere, auf GGrund
unzure eichender
Informattionen
ermitttelte
Abflus sskurve korr rrigiert werd den muss od der ob sich die WQ-B Beziehung
geändertt
hat und nuun
eine ande ere Abflusskkurve
gültig ist (Fortsch hreiben der Abflusskur rven und
Gültigkeeiten).
Das PPrinzip
der Umrechnung
U von Wasserstandsdaten
in Durchflusssdaten
wird in Bild 9
dargestellt.
Bild 9: Umrechnunng
von Flus sswasserstännden
in Abf flussdaten. Beschreibung
B g der Wass serstands-
Durchfluuss-Beziehunng
über die Abflusskurve
A e und Gültigk keiten.
Konstruuktion
und ÜÜberprüfung
von Abfluusskurven
Anhand der Durchhflussmesswe
erte wird füür
jedes Da atenkollektiv v eine Abfllusskurve
ko onstruiert
(Abflussskurve
im ddurch
Messu ungen belegtten
Bereich, , Bild 10 und d 11).Diese KKurve
ist dan nn in den
Messberreich
zu extrrapolieren,
in n dem die ffür
ein Kons struieren der r Kurve notwwendigen
Messwerte M
fehlen (EExtrapolation
von Abf flusskurvenn).
Kommen im bislang durch Extrrapolation
er rmittelten
Bereich der Abflussskurve
durch h spätere Meessungen,
du urch hydraulische
Berecchnungen
od der durch
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(W-Q-BBeziehung)
bbezeichnet.
Sie S bietet ddie
Möglichk keit, jeden gemessenen g Wasserstand dswert in
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andere UUntersuchunngen
neue In nformationenn
zum Kurvenverlauf
hi inzu, muss ddie
bisher als
richtig
angenommmene
Abfluusskurve
erfo orderlichenfaalls
korrigiert
werden (Fo ortschreibenn
der Abflus sskurve).
Bemerkkungen:
Die Steigung de er Abflusskuurve
ist für die Zuverläs ssigkeit der Durchflussermittlung
von großßer
Bedeutunng.
Sie ist abhängig a vonn
der Form des hydrauli ischen Kontrrollquerschn
nittes. Bei
einer steeilen
Abflussskurve
(große
Steigungg)
hat eine Unsicherheit
U t der Wasseerstandsmess
sung eine
geringerre
Unsicherhheit
bei der Durchflusseermittlung
zur z Folge, als a bei einerr
flach verl laufenden
Abflusskkurve
(geringge
Steigung) ). Es werdenn
daher Eins schnürungsbauwerke
gebbaut,
um durch
diese
Querschnnittseinenguung
einen stei ileren Gradieenten
zu erha alten.
Bild 11:
Beispiel
Abflusskkurve
20
für eine
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Bild 10: : Einfluss dees
Gradiente en der Abfluusskurve
au uf die Unsich herheit der Durchflussermittlung
(LAWA 1991)
im gesamtten
Messbereich
durch h Durchflusssmessungen
n belegte
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3.4 Weittere
Verfahrren
zur Best timmung deer
Fließgesch hwindigkeit ten (Tauchsttab
nach Jen ns)
Mit diessem
Feldgerrät
(Bild 12) ) kann man Abfluss- un nd Strömung gsgeschwinddigkeitsmessungen
in
Fleißgewwässern
bis zzu
einer Tiefe fe von 60 cm m und maxima alen Geschw windigkeiten zwischen 80 0 und 150
cm/s sehhr
einfach duurchführen.
Hierbei H handdelt
es sich um u Einzelmessungen,
woobei
integrier rend über
die Verrtikale
(h) die Strömu ungsgeschwiindigkeit
er rmittelt wird d. Die Ströömung
bew wirkt ein
Drehmomment
auf denn
Messstab, welcher ausgeglichen
werden w kann durch d entsprrechendes
Dr rehen des
Handgrifffs,
welchees
wiederum m ein Auuslecken
ei iner Gewichtsscheibe
bewirkt (… … hohe
Geschwiindigkeit
– sstarke
Auslen nkung des MMessstabs
– starkes s Drehe en und somitt
weitere Au uslenkung
der Gewwichtsscheibee
notwendig, um Drehmooment
„zu neutralisieren
n n“, soll heißeen,
es wird somit
ein
so genannntes
Gegenndrehmomen
nt erzeugen (Zielvorgabe
liefert die e Libelle derr
Wasserwa aage, vgl.
Fotos). DDrei
Informaationen
werde en aus dem MMessverfahre
en mit dem Tauchstab T naach
Jens gew wonnen:
- QQuerprofillage
der Messu ung (cm vomm
Startufer) (A), (
21
- EEintauchtiefe
fe (cm) (B),
- LLänge
der AAuslenkung
des d Gewichtsstabs
(cm) (C C).
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Mit eineem
entsprechhend
program mmierten Tasschenrechner
Fließgesschwindigkeiit
ermittelt werden. w Die Drehscheib
Skalenwwert
des Geewichtsstabes
(C) einggestellt,
im
Eintauchhtiefe
(B) kaann
dann die e mittlere Fliießgeschwin
Integratiion
der Gescchwindigkeit
tsdiagrammee
((cm
von Meessungen
miit
dem hydr rometrischen
geometriisch
bekanntten
Fließquer rschnitt.
2 r oder einer
be der Reche
entsprechen
digkeit in cm
/s) bzw w (m
n Messflüge
2 Rechenscheiibe
(Foto 1) kann die
enscheibe nn.
Jens wird d auf den
nden Fensteer
für die jeweilige j
m/s abgeleseen
werden. Über Ü eine
/s)) er rhält man annalog
zur Au uswertung
el den Abfl luss bzw. DDurchfluss
für f einen
Bild 12: Messprinzipp
nach Jens mit m dem Tauuchstab;
Einz zelmessung und gleich‐zzeitig
h‐integ grierende
Methodee,
s. Fotos
1‐5 (K.‐P P. Schleicheer,
19.06.0 09) Foto: Rechenscheib
R be nach Jens
mit
Drehscheibenfunktioon.
Beispiel: : Eintauchtieefe
30 cm, Auslenkung gsbetrag 75 ergilt eine mittlere
Fließgeschwindigkeitt
an einer Meßlotrechtenn
von 82,1 cm m/s
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3.5 BBestimmungeen
des Abflusses mit de er Integr rativen EEinspeisungsmethode
(Verdünnnungsmethhode)
Momentane
M Einspeisung g = Integrative
Methodee
Im Gegeensatz
zur koonstanten
Einspeisung
wwird
bei diese er Methode in einem kur urzen Zeitinte ervall die
gesamte Tracermengge
in ein Ger rinne eingesspeist.
Nach einer ausreic chenden Durrchmischung
g wird an
der Messstelle
ein chharakteristisc
cher Konzenntrationsverla
auf registrier rt, der im Biild
13 wiede ergegeben
ist. Wähhrend
der TTracerpassage
e steigt die Tracerkonz zentration zu unächst rasch ch an und fällt f nach
Überschrreiten
eines Maximums s langsam wwieder
ab. Der D mittlere e Abfluss auus
einem de efinierten
Einzugsggebiet
oder dder
Durchflu uss während ddes
Tracerdu urchganges wird w aus demm
Verhältnis zwischen
eingegebbener
Traceermenge
un nd dem Inttegral
der Konzentratio onskurve übber
dem Wert W der
Hintergrrundkonzentrration
ermitt telt. Das Inteegral
kann dabei d auf zw weierlei Weiise
bestimmt t werden,
nach derr
numerischeen
oder der hydraulischeen
Integratio onsmethode. Die numerissche
Auswer rtung der
Messungg
bei einer MMomentantra
acereingabe erfolgt durch h Integration n der Durchggangskurve
(Bild 13,
14) nachh
folgender FFormel:
mit:
Q = mitttlerer
Durchffluss
bzw. Ab bfluss währeend
des Mess szeitraumes [l/s] [
M = einggegebene
Traacermenge
[m mg]
ci = Traccerkonzentraation
der Einz zelmessung [ [mg/l]
c0 = Hinttergrundkonzzentration
de es Flusswassers
[mg/l]
t0 = Anfaangszeitpunkkt
der Messu ung [t]
tE = Enddzeitpunkt
deer
Messung [t t]
dt = Messsintervall
[ss]
Es gibt nnatürlich
aucch
die Salzverdünnungsmmethode
mit kontinuierli icher Tracereeingabe.
Die e Eingabe
des Traacers
erfolgtt
bei der kontinuierlich
k hen und gl leichbleibend d über einee
hinreichen nd lange
Zeitspannne.
Das Meessprinzip
de er Verdünnun ungsmessung kann in An nlehnung an die Arbeitsanleitung
des LfU (2002) wie ffolgt
skizzier rt werden:
Vorausseetzungen,
diie
erfüllt sein
müssen: Massenkons stanz des Markierungsst
M toffes, also eben ein
hydrologgischer
Traccer!
Stationär rer Durchfluuss
und voll lständige Ve ermischung ddes
Tracers mit dem
fließendeen
Wasser!
Messprinnzip:
An eineer
Eingabesttelle
wird eine e genau definierte Menge M eines s geeignetenn
Markierun ngsstoffes
(Tracers)
in das Geewässer
eing gespeist. Diee
Konzentra ation des im m fließendenn
Wasser ve erdünnten
22
Q
M
tE ci-c0∙ dt
t 0
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38106 Bra aunschweig
Hydromettrie
Bachelo or SS 2011 | Prof. Dr. H.M M. Schöniger r LWI TU Brraunschweig

_____________________________
_____________________
___________ ___________ ___________ _______
Tracers wird an einem
strom mabwärts gellegenen
Gew wässerquersc chnitt gemeessen.
Die zwischen
Eingabe--
und Messstelle
liegen nde Strecke dient der vollständigen
v n Durchmiscchung
des in njizierten
Tracers mit dem Baachwasser.
Anhand A der an der Mess sstelle beoba achteten Konnzentration
bzw. des
Konzenttrationsdurchhgangs
ermittelt
man die Verdünnung g. Da die Ein ngabemenge bekannt ist, kann aus
der Verddünnung
der Durchfluss berechnet b weerden.
Bild 13: Typische Trracerdurchga
angskurve mmit
asymmetr rischem Verlauf
(LfU & GGrust
2002). .
23
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W
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___________ ___________ ___________ _______
Die Ermmittlung
der Salz-Eingabemenge,
diee
Herstellung g der Tracer rlösung und die Kalibrie erung der
Leitfähiggkeitssondenn
sind wichtige
Arbeitssschritte
im Vorfeld V eines
Tracertest. . Mit der in njizierten
Salzlösuung
wird einee
Erhöhung der elektriscchen
Leitfäh higkeit im Fl ließgewässerr
vor der Sal lzeingabe
(Hinterggrundleitfähiggkeit)
um 100
bis 200 μS/cm bzw w. um mind destens 20 bbis
30 % an ngestrebt.
Zusätzlicch
muss gewwährleistet
sein, dass AAnfang
und Ende der Tracerdurchg
T gangskurve eindeutig
bestimmmt
werden köönnen
(LfU & Grust 20002).
Bei flac chen Tracerd durchgangskuurven
mit ein nem sehr
langen TTailing
kannn
die Festl legung des Endpunktes des Tracer rdurchgangss
Probleme bereiten,
insbesonndere
wenn dder
Hintergru undwert schwwankt.
Durch h eine Erhöh hung der Sallzeingabe
kan nn dieses
Problemm
gemildert wwerden.
Die für die Durrchflussmess
sung benötig gte Salzmengge
ist in ers ster Linie
abhängigg
von der Hööhe
der Abfl luss- bzw. GGröße
des Durchmenge.
D Zur Messunng
eines Dur rchflusses
von Q = 1 m³/s wird i.a. eine Salz zmenge von 10 kg benötigt
(Käß 199 92).
Bild 14: Darstellungg
eines Trace erversuches mmit
momenta aner Einspeis sung (Quellee:
Skript Hyd drologie
I, Instituut
für Hydroloogie,
Univer rsität Freiburrg).
Vgl. auch h Bild 15.
Als Traccer
geeignet ist jedes her rkömmliche Haushaltssa alz. Es wird jedoch j empffohlen,
jodfr reies Salz
zu verweenden,
da deer
Jodzusatz die Trübungg
der Lösung g erhöht und d damit die KKontrolle,
ob b sich das
Salz volllständig
gelööst
hat, ersch hwert. Die Trracerlösung
wird vor der r Versuchsduurchführung
in einem
Gefäß mmit
Fluss- bzzw.
Bachwas sser angerühhrt.
Dabei mu uss gewährle eistet werdenn,
dass sich das Salz
vollständdig
auflöst. DDie
Löslichk keit von Salzz
in einem Li iter destillier rtem Wasser beträgt max ximal 358
g . Der Wert ist gerringfügig
tem mperaturabhhängig.
Wegen
der Vorb belastung dess
Bachwasse ers durch
dessen SSalzgehalt
voor
der Einlei itungsstelle wwird
ein Mischungsverh
hältnis von 1 kg NaCl Salz
auf 4
Litern Flluss-
bzw. Bachwasser
em mpfohlen.
24
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___________ ___________ ___________ _______
Bild 15: Tracerdurchhbruchskurve
en ermittelt mmit
drei Mes sssonden im Gerinne. Diee
Messsonde en sind so
im Fließßgewässer
zzu
positionie eren, dass deer
mittlere Salzgehalt des d Wasserss,
das die Messstelle M
durchströömt,
mit gröößtmöglicher
Genauigkeitt
erfasst wird d.
Bei der KKalibrierungg
der Leitfähi igkeitssondee
ist auf größ ßte Sorgfalt zu z achten! „WWie
die Bez zugskurve
zwischenn
Leitfähigkkeit
und Salz zgehalt in Biild
16 zeigt, ist der Zusa ammenhang zwischen Salzgehalt S
und Leittfähigkeit
inssbesondere
oberhalb o 10000
μS/cm nic cht exakt line ear. Bei hoheem
Salzgeha alt nimmt
die elekktrische
Leittfähigkeit
mit m dem Salzzgehalt
etwa as langsame er zu als beei
niedrigen Werten.
Betrachttet
man jedoch
nur ein nen kurzen Ausschnitt der Kurve, kann bei dder
Auswer rtung mit
ausreichender
Genauuigkeit
ein lin nearer Zusammmenhang
angenommen
a n werden (Beezugsgerade)
). Um die
Beziehunng
zwischenn
Salzgehalt und u Leitfähiggkeit
im frag glichen Konz zentrationsbeereich
zu erm mitteln, ist
es notwwendig,
vor einer Mes ssung die LLeitfähigkeit
tssonde im maßgebendden
Messbe ereich zu
kalibrierren.
Um bei
dieser Ka alibrierung aauch
Fehler in der Me esskette zu erkennen, muss m die
Kalibrierrung
mit demm
Messaufb bau erfolgen, , mit dem die d spätere Messung M durrchgeführt
wird. w Eine
Kalibrierrung
an derr
Messstelle sollte mit dem Wasse er des Gewä ässers durchhgeführt
wer rden, das
gemesseen
werden sooll.
Auf eine e Kalibrierunng
vor jeder einzelnen Messung M kannn
verzichtet t werden,
wenn imm
gleichen odder
in einem m Gewässer mmit
ähnlichem m Chemismus
gemessenn
wird. Zeigt t sich bei
der Messung,
dass ddie
Leitfähigkeitswerte
nnicht
in dem durch eine Kalibrierung
K g überprüften n Bereich
liegen odder
bestehenn
Bedenken bezüglich b deer
Zuverlässi igkeit der Messgeräte,
soollte
im Ansc chluss an
die Messsung
die KKalibrierung
nachgeholt werden. Die D Kalibrier rung muss mmit
größter Sorgfalt
erfolgen.
Fehler die
bei eine er Kalibrierrung
gemac cht werden, verfälschenn
systemati isch alle
Messerggebnisse,
die mit den falsc ch kalibrierteen
Geräten durchgeführt
d werden“ (LffU
& Grust 2002).
2
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___________ ___________ ___________ _______
Bild 16: Kalibrierunng
einer Sond de, Eichpunkkte
und Ausg gleichsgerad de (Kurve unnd
Daten aus s: LFU &
Grust 20002).
4. Gewässerkuundliche
Ha auptzahlen uund
Begriffe e
Das folggende
Kapiteel
beschäftig gt sich u.a. mmit
der Auf fbereitung vo on hydrologiischen
Zeitr reihen als
Summennlinie,
Häuffigkeitsvertei
ilung und Dauerlinie. Die diskre etisierte Beoobachtungsreihe
der
hydrologgischen
Größße
x (Variab ble), für die die statistis sche Untersu uchung durchhgeführt
we erden soll
(Analogiie
zur Regioonalisierung
von Punktmmessungen:
Geostatistik) ) bildet die Ganglinien bzw. die
Zeitreihee
mit m Elemmenten
xj. Je eder xj-Wert ist für ein bestimmtes, b konstantes k ZZeitintervall
t gültig.
Als Umffang
der Zeittreihe
wird die d Zeitspannne
m · t = te t – t0 und als s Ausdehnunng
R wird di ie Spanne
vom kleeinsten
bis zzum
größten n xj-Wert beezeichnet:
R = max x – min x. Soolche
hydrol logischen
Zeitreiheen
stellen wiillkürlich
oder
zufällig aausgewählte
Stichproben (STIP) aus der Grundge esamtheit
(GG) alller
jemals einngetretenen
und u eintretennden
gleicha artigen Ereign niswerte der r Variablen x dar. Die
GG umffasst
eine grooße
Zeitspann ne, ist aber fü für hydrologi ische Größen n nicht von uunendlichem
Umfang.
Die Fesstlegung
derr
Diskretisierungs-Zeitscchritte
t muss m sich an n den hydroologischen
Prozessen P
orientierren.
Im Alllgemeinen
muss m davonn
ausgegang gen werden, dass sich eine Zeitr reihe aus
verschiedenen
Kompponenten
zu usammensetzzt:
x = xT + xP + xA + xZ, mit xT = Trendante eil (z. B.
Flussbettteintiefung
an einem Pegel), xP = Periodiz zität (z.B. jahreszeitlichher
Einfluss s), xA =
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___________ ___________ ___________ _______
autokorrrelativer
Annteil,
Erhaltungstendennz
(Trägheit
des Sy ystems, z.BB.
bei monatlichen
Grundwaasserständenn)
und xZ
vorgegebbenem
Zeitsschritt
gemes ssenen Zeitrreihen
des Wasserstands
W oder Abfluusses
an eine em Pegel
werden aals
Gangliniie
(Englisch:
hydrograpph)
bezeichn net. Durch die
Aufbereituung
dieser Ganglinien
können wertvolle ZZusatzinforma
ationen erhaalten
werden n, mit denen n vielfältige Fragestellu ungen der
Wasserbbewirtschaftuung
beantwo ortet werden können. Hä äufig werden n Summen- und Dauerli inien aus
den Gannglinien
abgeleitet.
Die Summenliniie
ist die fo ortschreitende e Aufsummiierung
der Ganglinie G
über die Zeit:
Eine Summmenlinie
kkann
für alle Bilanzierunngsgrößen,
wie w Abfluss oder o Niederscchlag
erstellt t werden.
Die Summmenlinie
ist
von großer r Bedeutungg
bei der Bewirtschaftun
ng von Speicchern
und Talsperren T
(siehe KKapitel
Fehleer!
Verweisq quelle konntte
nicht gefu unden werd den.). Zum VVergleich
wir rd oft die
lineare VVerbindung
von Anfang gs und Endp dpunkt der Summenlinie
S e mit eingetrragen.
Diese e Gerade
entsprichht
dem aufinntegrierten
mittleren m Abfl fluss MQ. Fo olglich entspr richt die Steiigung
dieser r Geraden
dem mitttleren
Abfluuss.
Die Dau uerlinie (Engglisch:
dura ation curve) zeigt an, an n wie vielen Tagen T im
Jahr ein bestimmter Abfluss ode er Wasserstaand
über- bzw w. unterschr ritten wurde. . Die Dauerlinie
wird
erstellt, iindem
die zeeitliche
Folg ge der Tagesswerte
nicht mehr berück ksichtigt wird rd. Es findet nun eine
Ordnungg
anhand dder
Größe der d Werte statt. Wird z.B. eine Abflussgang nglinie mit mittleren
Tagesweerten
über ein Jahr betrachtett,
können die 365 Messwerte mit Hilf fe eines
Tabellennkalkulationssprogramms
(z.B. MS-OOffice,
Ope enOffice) de er Größe naach
sortiert werden.
Werden die sortierteen
Daten dan nn gegen 3655
Tage (fallen nd oder steig gend) aufgetr tragen, erhält t man die
Dauerlinnie
der Überrschreitungen
n (exceedencce)
oder Unt terschreitung g (non-exceeedence).
Eine e weitere
gröbere MMethode
zurr
Erstellung der d Dauerlinnie
verwende et einen Zwis schenschritt, in dem zunä ächst eine
Häufigkkeitsverteilung
der beoba achteten Wer erte aufgestel llt wird. Hier rzu werden KKlassen
des Abflusses A
oder Waasserstands
ggebildet.
Im Falle des WWasserstands
werden mei istens einheiitliche
Klassenbreiten
gewählt (z.B. 10 cmm),
im Falle e des Abflussses
werden oft variable e Klassenbreeiten
gewähl lt, da der
Abfluss über einen BBetrachtungs
szeitraum staark
schwank ken kann. An nschließend wird ausgez zählt, wie
viele Weerte
in den KKlassen
liege en. Dadurch h erhält man die absolute e Häufigkeiit
(Besetzung gszahlen)
jeder Klaasse.
Die rellative
Häufig gkeit hingeggen
ist die ab bsolute Häufi igkeit einer KKlasse
dividi iert durch
die Gesaamtzahl
der eeinzelnen
Werte
in Prozeent.
Die grafi fische Darstel llung der abssoluten
oder relativen
Häufigkeeiten
über deen
einzelnen Klassen wirrd
als Histog gramm bezeic chnet. Durchh
die Aufsum mmierung
der absooluten
Häuffigkeiten
erh hält man diie
Summen nhäufigkeit. Die grafische
Darstel llung der
Summennhäufigkeitenn
ist die Sum mmenhäufiggkeitslinie,
welche als Dauerlinie D bbezeichnet
wird w (vgl.
Bild 17) .
27
= Zufall-( (probabilistis scher)Anteil.
Q Qdt bbzw.
Q ∆t ∆ m
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Die konti tinuierlich oder o mit
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_____________________________
_____________________
___________ ___________ ___________ _______
a)
b)
Abflusssumme Q [m³ s ‐1 ]
Bild 17: Grafische DDarstellung
von Gang- uund
Summen nlinien, sow wie der Häufi figkeitsvertei ilung und
der Daueerlinie
der tääglichen
Abfl lüsse eines MMonats.
28
Abfluss Q [m³ s ‐1 ]
Abfluss Q [m³ s ‐1 ] C)
350
300
250
200
150
100
50
0
140000
120000
100000
80000
60000
40000
20000
325
300
275
250
225
200
175
150
125
100
75
50
25
0
0
0
0
0
20 40
Q MQ
50 1100
1150
2000
2550
3000
350
50
Häufigkeit
60 80 100
Summenlinie
Summe MQ
100 1150
2000
2550
30003500
Tage
120 140 1660
180 200
Häufiggkeiten
(Tage)
Dauerrlinie
der Unterschreitungen
Abflusssganglinie
Tage
220 240 260
Dauerrlinie
der Überschreeitungen
Unterrschreitungs‐
bzzw.
Überschreittungsdauer
[Tagge]
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280 300 320
340 360
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_____________________________
_____________________
___________ ___________ ___________ _______
Wird bbei
der AAufsummieru
ung mit dem größ ßten Wert begonnen, erhält man m die
Überschhreitungsdauuerlinie,
wird w mit dem kleinsten
Wert begonnen, , erhält man m die
Unterschreitungsdaauerlinie.
Wurde W eine DDauerlinie
z.B. z für ein Jahr aufgesstellt,
dann wird der
größte Wert an 364 Tagen unterschrittten.
Umge ekehrt gilt für den kkleinsten
Wert W die
Überschrreitungsdaueer
von 364 Tagen. T Für deen
größten Wert W gilt, dass s er im Beobbachtungszeit
traum nie
überschrritten
wurde, , für den kle einsten Wert,
dass er nie e unterschritt ten wurde. FFür
jeden dazwischen
liegendeen
Wert kaann
aus de em Rang, den dieser Wert in der Dauerllinie
einnim mmt, die
Unterschreitungsdaauer
bzw. die d Überschhreitungsdau
uer angegeb ben werden. Dauerlinien n werden
meistenss
aus Tagessmittelwerten
n erstellt unnd
beziehen n sich auf ein e hydroloogisches
Jah hr, bzw.
Halbjahhr
(Winterhaalbjahr:
1. November- N 330
April; So ommerhalbja ahr: 1. Mai - 31 Oktob ber). Eine
weitere ggrobe
Methoode
zur Erm mittlung der DDauerlinie
er rfolgt über Schwellenwe
S erte oder Stü ützpunkte.
Es wird eine beliebiige
Anzahl von v Abflüsseen
als Schw wellenwerte gewählt, g zu denen grafis sch, bzw.
durch AAuszählen
diee
Anzahl der r Über- bzww.
Unterschre eitungen bestimmt
wird. Die Dauerlinie
wird
durch NQQ
und HQ begrenzt.
Die Genauigkeiit
der Dauerli inie steigt mit
der Anzahhl
der Schwellenwerte
(5-7 Schhwellenwertee
sind meiste ens ausreicheend).
Anhand d der Über- und u Unterschhreitungsdau
uern kann
z.B. abgeschätzt
werrden,
wie oft im Jahr Schhiffe
mit eine em bestimmte en Tiefgang diesen Fluss sabschnitt
befahrenn
können, wwie
häufig sc chadenbringeende
Hochw wässer eintret ten oder wiee
häufig im Jahr ein
ausreichend
hoher WWasserstand
zur z ökonomisschen
Strom merzeugung vorliegt. v
Bild 188-1:
Bestimmmung
der Dauerlinie für das Winter- W und d Sommerhhalbjahr
anh hand der
Schwelleenwertmethoode.
Es wurd den 4 Schwelllenwerte
(blaue
Linien gewählt); g
29
Tage
9
45
97
Abfl Abfluss [m³/s] [ ³/ ]
NQQ
2100
2000
1900
1800
1700
1600
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
Du=1881 ‐ 5
0
1. Nov.
HQ
1Dez 1. Dez.
3 4
1. Jan.
AAbflussganglinie
Peggel
Cochem (Mosel) für das Wasserwirtsschaftsjahr
1998
WWinterhalbjjahr
Q=11000m³/s
wwird
an 9 TTagen
üüberschrittten
2
1. Feb.
1. Mrz.
1. Apr.
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1Mai 1. Mai.
1. Jun.
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Soommerhalbjahr
1. Jul.
1. Aug.
1. Sep.
1Okt 1. Okt.

_____________________________
_____________________
___________ ___________ ___________ _______
Bild 18-22:
Aus der Gannglinie
abgele eitete Dauerlinnien
für das So ommer- und das d Winterhalbbjahr
(vgl. Bil ld 18-1).
Erstellen Sie anhand diieser
Daten di ie Unterschreiitungsdauerlin
nie für das Jah hr 1993. Verwwenden
sie dafü für die drei
in diesemm
Kapitel geenannten
Me ethoden zur Erstellung ei iner Dauerlin nie (Sortierenn,
Klassenbild dung und
Stützstelllen).
Vergleichhen
Sie die Er rgebnisse.
Tab. 1: MMittlere
wöcheentliche
Abflü üsse des Pegelss
Köln am Rh hein aus dem Jahr J 1993.
30
NQ
Woche
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Q [m 3
/s] Wooche
Q [m 3 /s]
2,2
2,7
2,9
3,5
3,2
2,9
3,3
3,6
3,7
3,8
4
119
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
13,5
11,1
Hydromettrie
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9,9
6,6
5,6
5
6
8
7
6,9
5,8
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Woche
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
HQ
HQ
Q [m 3 /s]
5,2
4,6
4,2
3,8
3,5
3
2,5
2,4
2
4
3

_____________________________
_____________________
___________ ___________ ___________ _______
12 4,1 330
6,6 48 2,8
Hauptweerte
und gewäässerkundlich
hes Jahrbuchh
Aus den an Pegeln ggemessenen
Wasserständeen
W und Abflüssen A Q werden w über statistische Verfahren
sogenannnte
Hauptwerrte
abgeleitet (siehe ( Tab. 2) ). Die Hauptw werte beziehen n sich auf eineen
bestimmten n Zeitraum
(Monat, JJahr,
Jahrzehnnte).
Tab. 2: ZZusammenstelllung
der gewä ässerkundlicheen
Hauptwerte e.
Die Haupptwerte
werdeen
in sogenan nnten gewässeerkundlichen
n Jahrbücher rn für alle Peegel
zusamme engetragen
und veröffentlicht.
In den gewässer rkundlichen JJahrbüchern
werden w in eine er Tabelle diee
Tagesmittelwerte,
die
Hauptwerrte
-das bedeuutet
Extrem- und u Mittelwerrte
für jeden Monat- M für die e Halbjahre un und das Jahr angegeben.
Dabei wiird
zwischen Kalenderjahr (Januar bis DDezember)
un nd Wasserwir rtschaftjahr (NNovember
bis s Oktober)
31
13
14
15
16
17
18
4,4
3,4
3,5
5,1
7,5
9
Hauptwert
Q
NQ
HQ
NNQ
HHQ
MQ
MNQ
MHQ
W
NW
HW
NNW
HHW
MW
MNW
MNH
Abfluss
331
332
333
334
335
336
Niedrigsster
Abfluss im i Jahr
Höchsterr
Abfluss im m Jahr
Niedrigsster
jemals ge emessener Abfluss A
Höchsterr
jemals gem messener Abf fluss
Mittlererr
Abfluss im m Jahr
Mittlererr
Niedrigwas sserabfluss (m mehrere Jahrre)
Mittlererr
Hochwasse erabfluss ( mehrere
Jahre) e)
Wassersttand
Bez zeichnung
Niedrigsster
Wasserst tand im Jahr
Höchsterr
Wasserstan nd im Jahr
Niedrigsster
jemals ge emessener Wasserstand
W
Höchsterr
jemals gem messener Was sserstand
Mittlererr
Wasserstan nd im Jahr
Mittlererr
Niedrigwas sserstand (me ehrere Jahre) )
Mittlererr
Hochwasse erstand (mehrere
Jahre)
Hydromettrie
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6
4,4
4
3,8
6
5,8
Leichtweeiß-Institut
für Wasserbau
W
Abt. Hydrrologie,
Wasserwirtschaft
und Gewäs sserschutz
Prof. DDr.
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Schöniger
Beethoven nstraße 51a
38106 Bra aunschweig
49
50
51
52
2,7
2,2
2
2,5

_____________________________
_____________________
___________ ___________ ___________ _______
unterschieden.
Zum Veergleich
werden
die Hauptwwerte
nicht nu ur für das aktu uell angezeigtee
Jahr, sonder rn auch für
den gesammten
bisheriggen
Beobachtu ungszeitraum (Jahresreihe) ) an dem jeweiligen
Pegel dargestellt. Ergänzend E
werden aaus
dieser Jahrresreihe
jeweils
die 10 gröößten
und die 10 kleinsten Werte genannnt,
die bisher gemessen
wurden. AAußerdem
weerden
die Daue erlinien für daas
Kalenderjah hr und das Wa asserwirtschafftsjahr
als Dau uertabelle,
zusammeen
mit den mmittleren
Daue erlinien und dden
Hüllkurve en für die Wasserwirtscha
W aftsjahre des bisherigen b
Beobachttungszeitraumms
angegeben.
Die Tabbelle
auf deer
nächsten Seite dokummentiert
das Blatt Pege el Harxbüttell
aus dem Deutsche
Gewässerrkundlichen
Jahrbuch Weser- W und Emsgebiet 2006 1.11.2 2005 - 31. 12.2006, He erausgeber
Niedersäcchsischer
Laandesbetrieb
für Wasserw rwirtschaft, Küsten- K und Naturschutzz,
Norden 2010, In
Zusammeenarbeit
mit der Wasser-
und Schiff ffahrtsverwaltu ung des Bun ndes und deen
gewässerk kundlichen
Dienststeellen
der Lännder
Hessen, Nordrhein-WWestfalen,
Th hüringen, Sa achsen-Anhalt t und dem Deutschen
D
Wetterdieenst.
32
Leichtweeiß-Institut
für Wasserbau
W
Abt. Hydrrologie,
Wasserwirtschaft
und Gewäs sserschutz
Prof. DDr.
rer. nat. H.M.
Schöniger
Beethoven nstraße 51a
38106 Bra aunschweig
Hydromettrie
Bachelo or SS 2011 | Prof. Dr. H.M M. Schöniger r LWI TU Brraunschweig

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___________ ___________ ___________ _______
33
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_____________________
___________ ___________ ___________ _______
5. Bestimmung
der
Gebietsve erdunstungg
Verdunnstung
( … eeine
wichtig ge Wasserhhaushaltsko
omponente e)
Latentee
Wärme (n
daher, ddass
diejenig
anderenn
Phase verr
2,50E+006
Jkg
Transpi
Pflanzen
Transpi
Begriff
Differen
aller W
molekul
für die
(Grenzs
-1;
notwendig f. Phasenumwwandlung)
L ≡ ∂ Q = -l
ge Phase, der
Wärme zzugeführt
wird w (∂ Q >
ringert (dm < 0). Schmeelzwärme
(lg g): 0,33E06
Subblimationswärme
(ls): 2,83E+06
Jkg g
rationistdie aktive Ab bgabe von WWasserdamp
n.
iration einees
Laubblattes
(s. Nulttsch
1977):
der Widersstände,
Wid derstände bezüglich
de
nz eines Poteentials
/ Widerstand,
d. .h. Volumen
Widerstände der Trans sportwege des Trans
lare Diffusioonskoeffizie
ent von Wassserdampf
i
e Wegstrecke
von 1 cm gleeich
4 s/
chichtwiderrstand
Blatt t / Atmospphäre)
= 0,
-1;
l dm; das ne
0), ihre Mas
Jkg
ls = lg + l
pf durch Or
stomatäre u
er molekula
luss ist pro
pirationsstr
n Luft 0,25
/cm. Einig
,3 – 1 s/cm
-1; Verdu
lv.
rganismen, i
und kutikulä
aren Diffusio
oportional Δψ
romes (Einh
cm2/s, eg. Vorzeich hen rührt
sse zugunst ten einer
unstungswär rme (lv):
insbesondere
durch
äre Transpiration
->
on: Volume enfluss =
ψ / ∑r, ∑r .. .. Summe
heit s/m). Ist der
so iist
der ´Wid derstand`
ge Werte zum Mer rken: ra
m; zu ra paarallelgesch
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altete rk

_____________________________
_____________________
___________ ___________ ___________ _______
(kutikulläre
Widerstt.)
= 20 – 40 0 s/cm: Literratur:
u.a. Federer F 1979 9, Hoyningeen-Huene
et t al. 1986
(s. Hydrroskript).
Berechnnung
der VVerdunstung
g von Wassserflächen,
Dalton‐For rmel
Zur Ermmittlung
der Verdunstun ng von Wassser-
und La andflächen sind s zahlreiiche
empiris sche und
physikalisch
begrünndete
Ansät tze entwickkelt
worden. . Diefolgende Form deer
aerodyna amischen
oder Daaltonformel
hat sich zur r Bestimmunng
der Verd dunstung vo on Wasserfläächen
(am besten b in
mittlereen
Monatsweerten)
gut bewährt: b
E b ∙ v∙ es-e ea inn
mm/d
b Windfaktor
v mitttlere
Windge eschwindigkkeit
in m/s in i 2 m Höhe
es Sättiigungsdamp
pfdruck bei TTemperatur
r Tw der Wa asseroberflääche
in hPa
eaa
tatsäächlicher
Da ampfdruck bbei
Lufttemp peratur T
Daten ggemessen
inn
Landstationen
(Luvseite)
oder au uch vorEntstehung derr
Wasserfläche
(z.B.
Talsperrre).
Die Verdunstung
ist also eine Funkt tion des Sättigungsdeefizits
der Luft an
Wasserddampf
und der Windgeschwindigkkeit.
Die Ve erdunstung sinkt mit zzunehmender
Über-
streichläänge
x des Gewässers in Windrichhtung,
da di ie Luft sich auf dem Weege
zunehm mend mit
Wasserddampf
anreiichert.
Beispiell:
v2 = 3 m/s,
T = 20 °C C, Tw = 19 °CC,
rf = 50% (Monatsmit ttel)
es = 6.11
∙ 10 (7.48 ∙ 19/(237+19))
= 21.9 hPa
ea = 6.11
∙ 10 (7.48 ∙ 20 0/(237+20)) ∙ 0.550
= 11.7 hPa h
Ermittluung
der potentiellen
Evapotrans
E spiration
Potentielle
Evapootranspirati
ion istdefiniert als di ie maximale e Verdunstuungshöhe,
die d unter
gegebennen
Klimabeedingungen
erzielt wirrd,
unterde er Vorausse etzung, dasss
genügend d Wasser
verfügbar
ist. In dden
untersc chiedlichen
Klimapaarameter
verwendet:
Formeln und u Ansätze en werden u.a. diefo olgenden
T Luufttemperattur
in °C
v WWindgeschwiindigkeit
in m/s gemesssen
in 2 m Höhe H
ea Daampfdruck
iin
hPa oder rf relative LLuftfeuchte
in %
s Soonnenscheinndauer
in h/ /d
36
See, Überstreichlän
nge 1000 m b 0.135
E = 0.1135
∙ 3 ∙ (21. .3 - 11.7) =
3.9 mm/d
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_____________________________
RG Gloobalstrahlunng
in W/m2 _____________________
___________ ___________ ___________ _______
In den mmeisten
Anwwendungsfäl
llen werdenn
die Berechn nungen für Monatswert
M te ausgeführ rt.
Berechnnung
der potentiellen
n Evapotrannspiration
nach n Haude e
Dieses eeinfache
Verrfahren
wur rde in Deuttschland
ent twickelt und d benötigt nnur
Werte der d Luft-
temperaatur
und derr
relativen Luftfeuchte L uum
14 h, wie
sie in viele en Stationenn
der Welt gemessen
werden. . TrotzderEinfachheit sind in gemmäßigten
Kl limazonen recht r brauchhbare
Ergeb bnisse zu
erwarteen.
Die Haudde-Gleichung
g lautet:
ETp
∙ es14 4- ea14 37
in mmm/d
es14 Sät
ea14 Da
Folgendde
empirischhe
Monatsfak ktoren fmon iin
mm/(d hPa) h wurden n für kurzess
Gras ermit ttelt:
fmon
ttigungsdammpfdruck
der
Luftin hPa a um 14 h, es s = 6.11 × 10 0
mpfdruck dder
Luft in hP Pa um 14 h, ea = rf es
Jan Feb Mär Apr A Mai
0.22 0.222
0.22 0.29 0 0.29
Beispiell:
T14 = 20 ° C ; rf14 4 = 50 %
es14 =
Weiteree
Formeln im Hydros skript und im DVWK K-Merkblatt t 238/19966:
„Ermittlu ung der
Verdunsstung
von Laand-
und Wasserflächenn“.
Verfahrren
nach Peenman
(Wa asseroberfläächen)
Das Kommbinationsvverfahren
nach n Penmaan
(1948) verbindet v das d aerodynnamische
Verfahren
(rechterr
Term des ZZählers)
mit t der Berechhnung
über den d Strahlun ngshaushaltt
(linker Ter rm):
inn
mm/d
ETpHAUD
23.3 hPa ; ea14 e = 0.50
23.3 = 11.6 6 hPa
DE = 0.28
Jun Ju ul Aug
0.28 0.2 26 0.25
Monat: Jun ni, f = 0.28
(23.3 - 11.6)
= 3.5 mm m/d
ETp ∆∙EEH
γ ∙fv v∙esea
∆γ
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(7.48 × T/(237+TT))
Sep Oktt
Nov
0.23 0.222
0.22 0.22 0
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Dez

_____________________________
= es 4032/(2377
+ T)
= 0.655
hPa/K
2 _____________________
___________ ___________ ___________ _______
Steigung S derr
Sättigungs sdampfdruck kkurve in hPPa/K
Ps sychrometerrkonstante
EH = (RGG
(1- r) - I) )/28.3 Nettostrahlu
N ungsäquivalent
in mm/ d
Wenn GGlobalstrahlungsdaten
RG nicht vverfügbar
sind,
werden n dieWerteeausdermittleren m
täglichen
Sonnenschheindauer
s geschätzt:
38
RGG
= (0.19 + 0.55 · s/S) · RE in W
RE Exxtraterrestrische
Strah hlung (Sonnnenstrahlung
g, die die Atmosphäre
A e erreicht in i W/m
(TTafel
5.2)
S mmaximal
möggliche
Sonne enscheindauuer
in h/d in n diesem Monat
(Tafel 5.3)
r Refflektionskoeeffizient,
Alb bedo (Tafel 1)
2
f(v) WWindfunktionn
z.B. f(v) = 0.13 + 0.114
v
WWenn
v nichtt
in 2 m Höh he, sondernn
in x Meter
diie
Umrechnuung
nach Gl. . v2 = vx ∙ ( 2/x ) 1/7.
rn über dem m Bodengemmessen wird d, erfolgt
Die effekktive
Abstraahlung
I ist die d Differenzz
zwischen der Wärmea abstrahlungg
der Oberflä äche und
der Gegenstrahlungg
von Wolke en und Atmoosphäre
(lan ngwellige St trahlungsbillanz).
Sie ist t u.a. von
der Temmperatur,
deem
Wasserdampfgehalt
der Luft und
der Bewöl lkung abhänngig.
I = 5.6710-8 (T + 273) 4 (0.56 - 0.088
ea) (0.1 1 + 0.9 s/S) in W/m2 Bei der erwartetenn
globalen Klimaänderu
K ung wird di ie Erwärmu ung derAtmmosphäre du urch den
sog. Glaashauseffektt
aufeineVerkleinerun V ng der effe ektiven Abst trahlung zuurückgehen.
Die o.g.
Gleichunng
müsste ddann
an die veränderten
v n Verhältnisse
angepass st werden.
Beispiell
(für die Berrechnung
de er pot. Verdunstung
nac ch Penman) :
Gebiet aauf
ca. 53°N, überwiegen nd Wiesen uund
Wälder, , Juni: T = 16 6 °C,
rf = 70 % v2 = 3 m/ss
s = 8 h/d; Albedo (Taafel
1): r 0.2
Extraterrrestrische
SStrahlung
(T Tafel 2): RE = 479 W/m m²
Max. Sonnnenscheinddauer
(Tafel
3): S = 16.99
h/d
Sättigunngsdampfdruuck:
es = 6.
11 10 (7.48 1
Dampfddruck:
ea = 00.70
18.2 = 12.7 hPa
W/m 2
mm d -1 hPa
16/(237+16)) = 18.2 1 hPa
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a -1

_____________________________
_____________________
___________ ___________ ___________ _______
Globalsttrahlung:
RGG
= (0.19 + 0.55 0 8.0/166.9)
479 = 216 W/m m²
Abstrahhlung:
I = 5.667
10-8 (T+ +273) 4 (0.556
- 0.08 e ea) (0.1+0.9 9 8/16.9) = 57.2 W/m m²
EH = (2216
(1-0.200)
- 57.2)/28 8.3 = 4.08
= 188,2
4032/( 237 + 16) 2 = 1.15 hPa/ /K
f(v)= 0. 13 + 0.14 33.0
= 0.55 mm d-1 hPa
11.15
4.0800.650.55(18.2
( 12.77)
ETp
1.15
0.65 5
Tafel 1 aa:
Albedoweerte
(Rückst trahlkoeffizienten)
für Böden B in %
Vegetationslose
Böden:
Bewachsenne
Böden:
Tafel 1 b
geogr.
Breite
39
60°
50°
40°
30°
20°
10°
0°
Albedowerte ( (Rückstrahlkoeff fizienten) für assserflächen
in %
J F
20
16
11
9
7
6
6
16
12
9
8
7
6
6
dunkle Böden
trockene Lehm mböden
graue Böden
trockene, helle e Sandböden
Wüsten
Weizenfeld
Wiese
Trockene Steppe
Tundra und La aubwald
M A
11
9
8
7
6
6
6
8
7
7
6
6
6
6
M J J
8
7
6
6
6
6
6
Tafel 2: EExtraterresttrische
Strah hlung RE, mmittlere
Mona atswerte in W/m²
7
6
6
6
6
6
6
mm/d
-1
3,70 mm/d
8
7
6
6
6
6
6
Strahlungsäquivalentt
A S
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9
7
6
6
6
6
6
10
8
7
6
6
6
6
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(pot. ET nn.
Penman)
5 – 15
20 – 35
20 – 35
25 – 45
30
10 –25
15 – 25
20 – 30
15 – 20
O N
14
11
8
7
6
6
6
19
14
11
8
7
6
6
D
21
16
12
9
7
7
6

_____________________________
_____________________
___________ ___________ ___________ _______
Tafel 3: Maximale täägliche
Sonn nenscheindaauer
S, mittl lere Monatsw werte in h/dd
40
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___________ ___________ ___________ _______
Kompleexe
Verdunnstungsmod
delle: Penmman‐Monteith‐Modell
(Monteith
1965, DDVWK
1996 6 oder Allenn
et al. (199 98))
Tatsächliche
(reale) ) Evapotran nspirationshhöhe
in mm:
ET
41
a
ρ cp
s R n
G
es
(T) e
1
ra
*
L
r
s s γ
1
r
ra
mit:
L* sppezifische
Veerdunstungs
s Steeigung
der SSättigungsda
R Strrahlungbilannz
(W/m
G Boodenwärmes
ρ Luuftdichte
(kg
cp spezifische
Wä
ra aeerodynamisc
es (T) – e Sättigung
2)
swärme für
ampfdruckk
stromdichte e (W/m
g/m3)
ärme der Lu
cher Widers
gsdefizit, abh
2)
1 mm Verdu unstungshöhe
(J/kg)
kurve (hPa/ K)
uft (J/(kg K) )
stand (s/m)
hängig von LLufttempera
atur T und Dampfdruck
D e (hPa)
Pssychrometerrkonstante
(hPa/K) (
rs
Stoomatawiderrstand
(s/m m)
Hörsaallaufgabe:
BBestimmung
g der Verduunstungshö
öhe nach de em Penmann‐Verfahren
n
(aus: DDVWK-Merkkblätter
238/1996:
„Ermittlung g der Ve erdunstung von Lan nd- und
Wasserooberflächen“)
Es istddie monatlicche
Verduns stungshöhe
nach dem
Penman-VVerfahren
unter u Verwe
Monatsmmittel
der Lufttemperat
tur T = 20 °
Höhe üGGOK
v2 = 3,00
m/s; Sonne enscheindau
extraterrrestrische
SStrahlung
R0 0 = 482 Wm- für einen Standort S (Monat
Juni, ggeogr.
Breit te: 48°N)
endung der folgenden f Daten
zu besttimmen:
°C; Luftfeuch hte U = 50 %; % Windgescchwindigkeit
in 2 m
uer S = 8,0 h/d; h Albedo der Wasserroberfläche
r = 0,05;
-2.
Anleituung:
Effektive
Abstrahlung
von der Oberfläche O iin
(W/m2) :
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Antwortt:
die Verduunstungshöh
he für den Monat Juni beträgt 159
mm. Sie ergibt als mittleren
m
Tagesweert
5,3 mm/ /d.
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_____________________
___________ ___________ ___________ _______
RnL = (T + 273, 15) 4 (0,56 ‐ 0,08 e ) (0,1 + 0,9 S/S0) S
Schätzfoormel
n. Pennman
(...alle R... in W/mm
Die Strahlungsbilanz
Rn = ergibt
sich
Oberfläcche
aufgenoommenen
Gl lobalstrahlu
Fläche:
2)!
als Differenz
zwische en der vonn
derverdunsteten ung RG und der d effektiven
Ausstrahhlung
RnL vo on dieser
Rn = RG
Die Globbalstrahlungg
RG wirdmit m Pyranommetern
geme essen oder kann k nach eeiner
von Ångström Å
angegebbenen
Formmel
in Abhän ngigkeit vonn
derrel. Sonnenscheindauer
S/S0 wie folgt berechnet
werden (DVWK 19996,
S. 26):
RG = R0
Zur Bereechnung
derr
ETa (Verdunstungsjahhressumme)
) wird im DV VWK-Merkbblatt
238 (1996)
u.a.
das Verrfahren
nachh
Renger & Wessolekk
(1990) ge enannt. Es kann für ebbene
Stando orte und
Böden ( (im Frühjahrr
mit Feldka apazität) auff
Lockergest teinen angew wandt werdden.
Die Ber rechnung
der ETa in mm als SSumme
von April bis Määrz
des Folg gejahres erfo olgt nach derr
Formel:
ETa = a ∙ PSo + b ∙ PWi ∙ c ∙ log WPfl + d ∙ ETp ∙ e
mmerniedeerschlag
in mm, m Summe 01.04. – 30.09
Winterniederschlag
in mm m, Summe 001.10.
– 31.0 03. des Folge ejahres
flanzenverfüügbare
Wass sermenge imm
Boden in mm m
ETp n. Haude (Graas)
in mm ermittelt.
PSo So
PWi W
WPfl pf
Faktoren
siehe Tabelle:
BBodennutzuung
a
AAckerland
0,3 39
GGrünland
0,4 48
NNadelwald
0,3 33
42
(1 ‐ ) ‐ RnLL
(0,19 + 0,55
S/S0)
b
0,08
0,10
0,29
c d e
153 0,12 0 -109 9
286 0,10 0 -330 0
166 0,19 0 -127 7
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___________ ___________ ___________ _______
Noch eiinige
Hinweeise
zum Messung
derr
Verdunstu ung
Stichwoort:
Psychroometerkonst
tante, z.B. inn
der Penm man‐Gleichu ung
Psychroometerkonsttante
in Kelv vin
Z.B. Verwwendung
inn
der Psychr
Psychroometer
arbeeiten
mit zw
messendde
Luft in ddefinierter
G
Thermoometer
missst
die T
Feuchtkkugeltemperratur.
Dazu
überzoggen
und mit destilliertem
Luftstroom
bzw. inn
ruhender
Verdunsstungskälte
sinkt am fe
trockenerdieLufttist.
Nach
Thermoometer
konstant
und es
abgeleseen
werden.
Mit diese
folgendeer
Formel beestimmt
we
-1;
ometrischenn
Feuchtem messung.
wei identiscchen,
sehr genauen g Th hermometerrn,
an denen
diezu Geschwindiggkeit
entlang ggeführt wir rd oder die Luft ruht. Das D erste
emperatur der Umg gebung, da as zweite die so genannte g
ist die Messsspitze
des Thermomet ters mit einnem
Baumw wolldocht
m Wasserbbefeuchtet. Beide B Therm mometer beffinden
sich in einem
Luft und sind vor Strahlungsw
S wärme abgesschirmt.
Du urch die
euchten Thermometer
die d Tempera atur, und zwwar
umso st tärker, je
kurzer Zeiit
(1 - 2 min) m bleibt die Tempeeratur
am feuchten
können diee
Messwerte e am feuchte en und trockkenen
Therm mometer
en beiden Temperaturen
kann die relativee
Luftfeuch hte nach
erden:
ea es - γ ∙ pa∙ ttrocke en - tfeucht mit:
ea ... akktueller
Wassserdampfd
druck [hPa]; ; es ... Sätti igungsdamp pfdruck [hPPa];
pa.... normierter
Luftdrucck
[hPa]; ... Psychrometerkonsttante
[K-1] oder o (luftdr ruckbezogenn:
0,655 hP Pa/K mit
einem LLuftdruck
voon
1.000 hPa a und einer FFeuchttemp
peratur von tfeucht 0°C), ,
t trocken uund
t feucht ... TTemperatur
ren des trockkenen
u. feu uchten Thermometers.
Mit Verddunstungsmmessgeräten
(Evaporimeetern)
wird der Wasser rverlust durcch
Verdunst tung von
einer WWasserfläche
(Verduns stungskesseel)
oder ei iner benetz zten Oberfl fläche (Atm mometer)
gemesseen.
DieMesswerte hängen
entscheeidend
von der Bauart und den Sttandortbedingungen
des jeweiligen
Geräätes
ab und sind meist deutlich hö öher als die potentiellenn
odertatsä ächlichen
Verdunsstungshöhenn
vonBod den- oder Gewässerflä ächen. Evap porimeter können da aher nur
Anhaltswwerte
über die Höhe un nd die jahreeszeitliche
Verteilung V der d Verdunsstung
vermit tteln. Sie
werden insbesondere
für die e Bewässerrungswirtsch
haft eingese etzt. Verduunstungskessel
(Pan
evaporaation
methood)
sind zyl lindrische, mmit
Wasser r gefüllte Ge efäße. Der WWasserverlu
ust wird
täglich mit einem Stech- ode er Hakenpeggel
gemesse en und ggf f. umdieeebenfalls gemessene
Niederschlagshöhe
korrigiert. Die größtee
Verbreitu ung hat der r Kessel Cllass-A
Pan vom US
Weatherr
Bureau erlangt
(Bild 20). 2 Es ist eiin
kreiszylin ndrisches Ge efäß aus verrzinktem
Eis senblech
mit eineem
Innendurrchmesser
von v 1207 mm
und einer r Tiefe von 255 2 mm. In Messstation nen wird
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Hydromettrie
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es meistt
auf einemLattenrost
Wasserfflächen,
auf
Flößen s
agrarmeeteorologiscchen
Station
Albert PPiche
von 18872
besteht
Die nachh
unten zeiggende
Öffnu
verschloossen,
von dderen
feucht
wird in der Thermoometerhütte
Das Atmmometer
naach
Czeratzk
oberfläcche
von 2000
cm
Messweerte
korrelie
Einsatzsschwerpunk
2 _____________________
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aufgestellt, gelegentlich
auch in den
Grundeiingelassen oder, o bei
schwimmennd
betrieben.
Atmome eter werdenn
hauptsäc chlich in
nen eingeseetzt.
Das weltweit w ver rbreitete Geerät
des Fr ranzosen
aus einem rrohrartigem
m Glaszylinder,
der mit WWasser
gefü üllt wird.
ung wird mitttels
einer Federklemm
F me mit einer Filterpapie erscheibe
ter Oberfläcche
die Verd dunstung er rfolgt. Das caa.
30 cm lan nge Rohr
e aufgehängtt.
ki (Braunscchweig-Völk
kenrode) hat t einerundde, poröse Keramik- K
Größe e, die von ihhrer
Rückse eite ständig mit Wasserr
versorgtwird. w Die
eren mit de enen des KKessels
Class-A
Pan. Die
Czeratzkki-Scheibe
hat h ihren
kt in der Bew wässerungswwirtschaft.
Bild 20: Two casesof
evaporat tion pan sitting
and the eir environm ment (left: caase
A, right:
case B)
(Allen ett
al. 1998)
Eine gennauere
Bestimmung
der r Verdunstuung
und der anderen Wasserhaushaaltsgrößen
ist i durch
Lysimetter
möglichh.
Hierbei sind s Bodennkörper
von
Gefäßen umschlosssen,
bei de enen die
Wasservvorratsändeerung
kont trolliert wwird.
Bei den wägb baren Lysiimetern
wird w die
Gewichttsveränderuung
gemesse en. DerBettriebvonLy ysimetern ist i sehr auffwendig
und d erfolgt
daher nuur
in wenigeen
Stationen n insbesonddere
zu Forsc chungszwec cken.
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Sie die Lehrbücher r, die aus Stuudienbeitra
agsmitteln an ngeschafft wwurden,
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