Quelle Nummer 444

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PEGELMESSUNG
WINFRIED SIEFERT
ZUR MESSGENAUIGKEIT DER PEGELAUFZEICHNUNGEN IN DER
AUSSENELBE
HAMBURGER KUESTENFORSCHUNG HEFT 13
EIGENVERLAG STROM- UND HAFENBAU HAMBURG S. 1-29,
1970, 2-


001  nachbehandeln. Schreibpegel im Tidegebiet.
002  Seit der Mitte des vorigen Jahrhunderts wurden in Deutschland die
003  Ablesungen von Wasserständen an Lattenpegeln abgelöst durch
004  Aufzeichnungen von selbsttätig registrierenden Schreibpegeln.
005  Diese Geräte arbeiten nach dem Schwimmerprinzip. In einem Rohr
006  oder Schacht, dessen Inneres durch eine oder mehrere Öffnungen
007  mit dem Außenwasser verbunden ist, bewegt sich ein Schwimmer mit
008  dem Wasserspiegel. Diese Bewegungen werden in bestimmten
009  Übersetzungsverhältnissen auf eine Trommel oder einen
010  Papierstreifen übertragen. Von der Dämpfung im Schwimmerrohr
011  hängt es ab, welche Wasserstandsveränderungen registriert werden.
012  Die Pegel im Binnenland registrieren die aperiodischen
013  Veränderungen des Wasserstandes etwa auf Grund sich verändernder
014  Abflußmengen in den Flüssen. Pegel im Tidegebiet dagegen sind
015  den periodischen Tidebewegungen ausgesetzt und zusätzlich den
016  aperiodischen Veränderungen durch Windstau und Abflüsse aus dem
017  Binnenland. Die auftretenden senkrechten Wasserbewegungen sollen
018  aber nicht in ihrer Gesamtheit erfaßt werden. Seegang und
019  Schiffsschwell werden weitgehend aus den Aufzeichnungen
020  herausgedämpft. Diese Dämpfung darf jedoch nicht so groß sein,
021  daß bei der Aufzeichnung der sich teilweise schnell verändernden
022  Tidewasserstände eine Verzögerung eintritt. Unter dieser
023  Voraussetzung werden aber auch lange Wellen, deren Perioden
024  einige Minuten erreichen, registriert, was dazu führt, daß die
025  Pegelaufzeichnungen bei Sturmfluten, bei denen auch in der
026  Nordsee lange Wellen auftreten, aus einem breiten Band bestehen,
027  aus dem der " Ruhewasserspiegel " nicht mehr exakt bestimmt werden
028  kann. Andererseits kann ein Pegel bei diesen Eigenschaften auch
029  speziell zur Untersuchung langperiodischer Wellen herangezogen
030  werden, wenn der kurzperiodische Seegang herausgefiltert ist. Im
031  Tidegebiet hängt die Genauigkeit der Pegelaufzeichnungen zu einem
032  großen Teil von den Salzgehaltsschwankungen ab, wie neue
033  Untersuchungen in Bremerhaven wieder gezeigt haben. Da süßes
034  Wasser leichter als salziges ist, kann sich im Bereich stärkerer
035  Salzgehaltsschwankungen im Pegelrohr Wasser sammeln, das wegen
036  geringen Wasseraustausches süßer und damit leichter als das
037  Umgebungswasser ist. Das bewirkt dann im Pegelrohr einen höheren
038  Wasserstand als in der Umgebung. Daneben haben die Strömungen
039  einen Einfluß auf die Genauigkeit der Registrierung. Im
040  Binnenland oder unmittelbar an der Küste kann man die Pegel an
041  Stellen mit geringer Strömung aufstellen, um eine Veränderung
042  des Wasserstandes im Rohr durch Staudruck vor der Einlauföffnung
043  zu verhindern. Das ist z. B. nicht möglich mit den Pegeln,
044  die ungeschützt in der Tideströmung vor der Küste stehen, wie
045  z. B. die Geräte des WASSERAMTES
046  UND SCHIFFAHRTSAMTES CUXHAVEN und der
047  FORSCHUNGSGRUPPE NEUWERK am Rande des
048  Fahrwassers und auf dem Watt. Da im Tidegebiet die
049  Strömungsrichtungen wechseln, wird ein auftretender Fehler die
050  Messungen nicht in jedem Falle gleichsinnig verfälschen. Erste
051  Untersuchungen über dieses Problem liegen vor. Zur Ermittlung
052  der zu erwartenden Fehler führte die
053  FORSCHUNGSGRUPPE NEUWERK im Sommer 1969 an 3
054  nebeneinander errichteten Pegeln am Kleinen Vogelsand bei Neuwerk
055  einige Messungen durch. Die Untersuchungen sind deshalb für die
056  Arbeiten der Forschungsgruppe von großer Bedeutung, da
057  auftretende systematische Fehler unmittelbar in die Genauigkeit der
058  küstennahen Seevermessung eingehen, bei der die geloteten
059  Wassertiefen nach den Pegelaufzeichnungen beschickt werden.
060  Außerdem könnten Fehler von mehreren Zentimetern Anlaß zu
061  falschen Beurteilungen der Tideverhältnisse geben, worauf
062  GÖHREN bereits hingewiesen hat. Die vorliegenden Messungen
063  sind als Ergänzung der dortigen Ausführungen anzusehen, und
064  einige der dort angeschnittenen Probleme werden näher untersucht.
065  Standort und Bauart der Vergleichspegel. A.
066  Strömungen und Salzgehalte vor dem Kleinen Vogelsand. Die
067  Strömungsverhältnisse am Kleinen Vogelsand, vor dem die
068  Vergleichsmessungen durchgeführt wurden, sind aus den zahlreichen
069  Untersuchungen der Forschungsgruppe weitgehend bekannt. Danach
070  herrscht im Neuwerker Fahrwasser ausgeprägt alternierender Strom
071  parallel zur Wattkante vor. Die Strömungsrichtungen bei Flut
072  und Ebbe sind sehr stabil und waren mitbestimmend bei der
073  Standortwahl. Die Strömungen erreichen Geschwindigkeiten bis
074  100 cm/s in Höhe der Einlauföffnungen bei Flut, bei Ebbe
075  bis 80 cm/s. Die maximalen Geschwindigkeiten treten etwa bei
076  (Formel) auf. Der Strom kentert knapp 1 Std. nach (Formel) und (Formel). Im
077  Verlauf einer Tide und im Verlaufe des Jahres treten
078  beträchtliche Salzgehaltsschwankungen in der Außenelbe auf.
079  Diese Veränderungen sind bei dem Wasseraustausch zwischen
080  Pegelrohr und Umgebung sehr wichtig. Während die langzeitigen
081  Schwankungen (Monatsmittel zur (Formel)-Zeit bei Neuwerk)
082  zwischen 21 und 28 (Formel) praktisch für die Genauigkeit ohne
083  Bedeutung sind, ist den Schwankungen während einer Tide
084  besondere Beachtung zu schenken. Die Auswertung von mehr als 100
085  Wasserproben, die in der Nähe der Maßstelle am Kleinen
086  Vogelsand entnommen wurden, ergibt eine mittlere Schwankung des
087  Salzgehaltes zwischen 21,9 und 26,5 (Formel) während einer
088  Tide. Bei Sturmwetterlagen und wechselnden Oberwassermengen kann
089  die Schwankung erheblich höher werden. Tatsächlich bewegen sich
090  dann die Werte zwischen 17 und 30 (Formel) innerhalb einiger Tage. Die
091  Salzgehaltsdifferenzen über die Wassertiefe sind je nach
092  Tidephase verschieden. Als Anhalt mag dienen, daß das Wasser
093  über der Sohle im Mittel 4 (Formel) salziger als an der Oberfläche
094  ist. B. Vergleichspegel. Als Registriergeräte
095  verwendete die Forschungsgruppe bei diesen Messungen Büsum-
096  Ott-Pegel mit vertikaler Schreibtrommel und 24stündigem
097  Umlauf. Der Höhenmaßstab ist 1:20, der Papiervorschub 20
098  mm/Std.. Die Geräte stehen auf einfachen Stahlpfählen,
099  die rd. 5 m in den Grund eingespült werden. Der obere Teil
100  des Standpfahles dient gleichzeitig als Schwimmerrohr. Die
101  Einlauföffnung des inneren Rohres bewirkt im wesentlichen die
102  gewünschte Dämpfung bei 20 mm *vu. Die 3 äußeren Öffnungen
103  wurden radialsymmetrisch angeordnet. Der Öffnungsdurchmesser
104  mußte größer als der beim inneren Rohr gewählt werden, um eine
105  ausreichende Dämpfung der Oberflächenwellen zu erreichen und
106  gleichzeitig zu verhindern, daß die entsprechend kleinen
107  Einlauföffnungen zuwachsen können. Mit den hier durchgeführten
108  Messungen sollten im wesentlichen folgende Fragen beantwortet
109  werden: Wie groß müssen die Einlauföffnungen des
110  Pegelrohres sein, um bei weitgehender Dämpfung des Seegangs
111  unverzerrte Aufzeichnungen der Tidewasserstände zu erhalten?
112  Wie groß ist der Einfluß der Salzgehaltsschwankungen in der
113  Elbemündung auf die Aufzeichnungen? Wie groß ist der
114  Einfluß der Tideströmung auf die Registrierung? Dazu wurden
115  die Pegel wie auf Abb. 2 angegeben hergerichtet. Der
116  " Stammpegel " 1 wurde gegenüber der bei der Forschungsgruppe
117  üblichen Bauart nicht verändert, hat also im äußeren Rohr 3
118  Einlauföffnungen mit je 40 mm *vu. Die beiden anderen Pegel
119  haben dagegen nur je eine Öffnung dieser Größe. Sie wurden so
120  eingespült, daß bei Pegel 2 die Öffnung quer zum Strom und bei
121  Pegel 3 gegen den Flutstrom zeigt. Die inneren Öffnungen mit
122  jeweils 20 mm *vu sind unverändert. Ausgleichsöffnungen zur
123  Förderung des Wasseraustausches zwischen Rohr und Umgebung in
124  einiger Höhe über dem Einlauf sind bei dieser Meßreihe nicht
125  vorhanden. An den übrigen Pegeln der Forschungsgruppe waren nach
126  einigen Versuchen Ausgleichsöffnungen von 0,4 cm *vu in (Formel)
127  -Höhe angebracht worden. Genauigkeitsuntersuchungen
128  A. Steiggeschwindigkeiten und
129  Sinkgeschwindigkeiten im Schwimmerrohr und ihr Einfluß auf die
130  Maßgenauigkeit. Registrierung der Tidekurven. Zur
131  Messung der Fallgeschwindigkeit des Wasserspiegels im
132  Schwimmerrohr wurden bei einer Synchronmessung bei halber Tide, d.h.
133  während des größten Flutstromes, die Rohre der 3
134  Pegel bis rd. 4 m über dem Außenwasserstand mit Wasser
135  gefüllt. Die Registrierungen der Pegel sind auf Abb. 4
136  dargestellt. Im Pegel 1 mit 3 Einlauföffnungen und im Pegel 2
137  mit der Einlauföffnung quer zum Strom ist nach 5 bis 7 Min.
138  der Wasserstand im Rohr auf die Sollhöhe gefallen: (Abb.) Für
139  Pegel 1 mit 3 äußeren Öffnungen von je 4 cm *vu ist für die
140  Sinkgeschwindigkeit (Formel) im Rohr die innere Öffnung mit 2 cm *vu
141  maßgebend. Bei einem Verhältnis der Durchmesser von Öffnung
142  und Rohr von (Formel) wird (Formel) und (Formel). Bei (Formel) 4 m müßte danach
143  das Wasser im Rohr mit einer Geschwindigkeit von 210 cm/Min.
144  zu sinken beginnen. Nach Abb. 5 wurden 174 cm/Min.
145  gemessen. Die Differenz ist im wesentlichen auf Energieverluste
146  zurückzuführen, die im rechnerischen Ansatz nicht enthalten sind.
147  Die Geschwindigkeitskurve am Pegel 2 zeigt bereits wesentlich
148  größere Differenzen zur Rechnung. Durch die Verminderung der 3
149  äußeren Öffnungen auf nur eine wird die höchste
150  Sinkgeschwindigkeit verringert. Bei einer Anordnung wie etwa am
151  Pegel 3 wird diese Geschwindigkeit bei erheblichen
152  Strömungswiderständen auf unter 10 cm/Min. schon bei
153  Wasserstandsdifferenzen (Formel) (math.Op.) 2,0 m herabgemindert. Die
154  nachstehenden Tabellen wurden aus Abb. 5 entwickelt und zeigen
155  das sehr unterschiedliche Dämfungsmaß: (Abb.) (Größere
156  Veränderungen für Pegel 1 und 2 wurden wegen ihrer rein
157  theoretischen Bedeutung fortgelassen). (Abb.) Sicher ist eine
158  Abnahme der Sinkgeschwindigkeit im Rohr bei Veränderung der
159  äußeren Einlauföffnungen und deren Lage zum Strom zu erwarten.
160  Die erstaunlich geringen Geschwindigkeiten insbesondere im Pegel 3
161  deuten aber darauf hin, daß andere Ursachen eine zusätzliche
162  Rolle gespielt haben, die jedoch nicht ermittelt werden konnten.
163  Immerhin ist selbst diese sehr starke Dämpfung ohne nachteilige
164  Wirkung bei der Aufzeichnung der Tidekurven, wie entsprechende
165  Vergleiche der Registrierungen der Versuchspegel gezeigt haben.
166  An der deutschen Nordseeküste steigt auch bei Sturmfluten
167  (Überlagerung von astronomischen und Windstaueinflüssen) die
168  Tidekurve nicht schneller als etwa 1,2 m/Std. oder 2 cm
169  /Min.. Diese Veränderungen würden damit auch noch von dem
170  Pegel 3 ungedämpft registriert. Verfälschung der
171  Registrierung durch Seegang. Der Sinn der Dämpfung von
172  Tidepegeln ist im wesentlichen der, daß die Tidekurve möglichst
173  unverzerrt dargestellt wird und zugleich die störenden
174  Wasserspiegelveränderungen des Seegangs herausgefiltert werden.
175  Da es ein " ideales " Dämpfungsmaß nicht gibt, können die
176  störenden Nebenwirkungen nie ganz verhindert werden. Ihr
177  mögliches Ausmaß mag dargestellt werden am Beispiel der
178  Registrierung der Sturmflut vom 16./17.2.1962 am
179  Pegel Roter Sand, von der ein Ausschnitt auf Abb. 6
180  wiedergegeben ist. Dort wurden Wellen mit Perioden T von etwa 2
181  Min. und mittleren Höhen H um 30 cm aufgezeichnet.
182  Bekanntlich haben Oberflächenwellen auf dem Wasser weniger die
183  Form einer Sinus-Welle als vielmehr die einer Trochoide.
184  Damit ändert sich also bei Seegang die Wasserspiegellage an einem
185  Punkt etwa in der Form einer solchen Kurve: (Abb.) Der
186  tatsächliche Wasserspiegel liegt kürzere Zeit über dem
187  Ruhewasserspiegel als darunter, und er überschreitet ihn um ein
188  größeres Maß als er ihn unterschreitet. Zu welchen
189  Schwierigkeiten die Auswertung von Registrierungen zu schwach
190  gedämpfter Pegel führen kann, zeigt die Auswertung der
191  Tidekurve vom 16.2.1962 um das (Formel) am Pegel Roter Sand in
192  der Wesermündung. Unter Verwendung der nach WALTHER heute
193  gültigen Höhe des Pegelnull hat SCHULZ die Höhe des (Formel)
194  mit 918 cm NN-5 m angegeben. Bei näherer Betrachtung der
195  Registrierung an diesem Pegel wird die Unsicherheit dieses Wertes
196  - abgesehen von den Zweifeln an der tatsächlichen Höhe des
197  Pegelnull - deutlich. 918 cm NN-5 m liegt etwa in der
198  Mitte des kurz nach 22 Uhr rd. 30 cm breiten Schriebbandes,
199  entsprechend den Anweisungen der Pegelvorschrift. Der höchste
200  momentan eingetretene Wasserstand liegt mit 948 cm NN-5 m um
201  30 cm darüber (Abb. 6). Wenn man die hier registrierten
202  Wellen mit einer Periode von etwa 2 Min. als " leicht
203  erkennbare Überlagerungen der Tidekurve " im Sinne der
204  Pegelvorschrift auffaßt, müßte dieser Wert als (Formel) angesehen
205  werden. Die Höhe des " maßgebenden Wasserstandes " in der
206  Mitte des Schriebbandes steht nach obigen Ausführungen nicht im
207  Einklang mit den gültigen Wellentheorien. Vielmehr ist danach
208  dieser Wasserstand in der unteren Hälfte des Bandes zu suchen.
209  Bei einem Beispiel wie dem hier angeführten können dadurch leicht
210  Fehler um 5 cm auftreten, um die der im Sinne der Pegelvorschrift
211  " maßgebende Wasserstand " zu hoch angegeben wird. Bei
212  stärkerer Dämpfung des Pegels und geringerer Breite des
213  Schriebbandes nimmt dieser Fehler ab. Bei Störungen des
214  Wasserspiegels durch Wellen dieser Art mag als Faustformel ein
215  Fehler von 20 % der mittleren registrierten Wellenhöhe
216  angenommen werden, um den der " maßgebende Wasserstand " zu hoch
217  liegt, wenn der Schrieb entsprechend der Pegelvorschrift
218  ausgewertet wird. Der in der Elbemündung vorherrschende
219  kurzperiodische Seegang, der Perioden bis 8 s bei mittleren
220  Höhen um 1,5 m erreichen kann, wird dagegen aus den
221  Registrierungen der Tidepegel herausgedämpft. Die Wellen, die
222  am 16.2.1962 am Pegel Roter Sand mit T (math.Op.) 2 Min. und
223  H (math.Op.) 30 cm registriert wurden, verursachten im Pegelrohr
224  Wasserspiegelschwankungen von (im Mittel) 30 cm/Min..
225  Diese würden nach Abb. 5 und den Tabellen auf S. 9/10
226  an den Vergleichspegeln der Forschungsgruppe folgendermaßen
227  aufgezeichnet: Pegel 1: nahezu ungedämpft; Pegel 2:
228  erheblich gedämpft ((Formel) (math.Op.) 10 cm); Pegel 3: nicht ((Formel) (math.Op.)
229  2 cm). Größere Schwankungen um das statistische Mittel würden
230  auch am Pegel 1 stärker gedämpft. In diesem Zusammenhang bliebe
231  dann die Frage zu klären, ob ein sehr stark gedämpfter Pegel wie
232  etwa der Vergleichspegel 3, der einen nahezu glatten Schrieb
233  liefert, diesen tatsächlich in der Höhe des
234  " Ruhewasserspiegels " bei starkem Seegang aufzeichnet. Da die
235  Abweichungen von Wellenberg und Wellental vom Ruhewasserspiegel
236  zwar ungleich sind, beide aber so gut wie gar nicht registriert
237  werden, kann die aufgezeichnete Linie als nahezu fehlerfreier
238  maßgebender Wasserstand angesehen werden. B.
239  Salzgehaltsmessungen. Zur Messung des Einflusses von
240  Salzgehaltsschwankungen auf die Genauigkeit der Tideaufzeichnungen
241  wurden folgende Versuche durchgeführt: Konzentrierte
242  Salzlösung in das Schwimmerrohr am Pegel 3 geleitet; dann 2.
243  30 Std. lang Salzgehalt und Wassertemperatur im Rohr und
244  im Außenwasser gemessen. Salzgehaltsmessung und
245  Temperaturmessung an der Wasseroberfläche im Rohr 3 und Im
246  Außenwasser über 5 Std. Wie im Rohr 1 über 4.
247  30 Std.. Süßere Wasserschichten über der
248  Einlauföffnung am Pegel 2 abgepumpt, bis weitgehend konstanter
249  Salzgehalt im Schwimmerrohr vorhanden war. Gleichzeitig
250  Süßwasser in Rohr 3 gepumpt. Das Ergebnis des ersten
251  Versuches auf Abb. 7 zeigt, wie langsam sich stabile
252  Verhältnisse einstellen, auch wenn die Dichte mit der Tiefe
253  abnimmt. Nach anfänglich schneller Abnahme der Konzentration
254  nimmt diese dann nur noch um 2,4 (Formel) in 2 Std. ab, während
255  das Außenwasser in dieser Zeit um 5,6 (Formel) salziger wird.
256  Somit verringert sich zwar die Salzgehaltsdifferenz ziemlich stetig,
257  aber es ist nicht zu verkennen, daß die Dichteverteilung im
258  Schwimmerrohr doch ganz anders als unter ungestörten
259  Verhältnissen ist. Das Ergebnis der 2.und 3.
260  Versuchsreihe, das auf Abb. 8 dargestellt ist, zeigt dies
261  deutlich, wenn auch nur an Hand der entnommenen Oberflächenproben.
262  Etwa 100 Min. vor (Formel) steigt bei diesen Messungen im
263  Außenwasser mit dem sichtbaren Durchgang einer Schaumlinie am
264  Standort der Salzgehalt fast sprunghaft um rd. 3 (Formel) an,
265  während er im Rohr an der Oberfläche konstant bleibt. So
266  erreicht um die (Formel)-Zeit die Differenz des Oberflächen-
267  Salzgehaltes zwischen Schwimmerrohr und Außenwasser 4,0 bis
268  4,5 (Formel). Bei ungünstiger Rechnung kann man voraussetzen,
269  daß diese Differenz vorhanden ist bis in eine Tiefe, die im im
270  Außenwasser plötzlich anstieg: (Abb.).

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