Quelle Nummer 444
Rubrik 15 : GEOGRAPHIE Unterrubrik 15.22 : GEOGRAPHIE
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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