Wasserstandsmessung - Wie funktioniert ein Pegel?

Letzte Aktualisierung: Samstag, 16. April 2016 - 11:24 Uhr MESZ

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Skizze eines Wasserstandmessers: Pegelhaus mit Schwimmer

 

Sie sehen hier eine selbst angefertigte Skizze über das Schema der Wasserstandsmessung. (Sie ist nicht maßstabsgetreu). In der Regel wird ein Pegel so am Fluss stationiert, dass er auch bei höchsten bzw. niedrigsten Wasserständen noch die Wasserstandsänderung messen und übermitteln kann. Das Prinzip der Wasserstandsmessung funktioniert mit Hilfe einer so genannten "Kommunizierenden Röhre" (4). Ein Rohr verbindet den Pegelschacht (5) mit dem offenen Flussbett. Der Eingang des Verbindungsschachtes liegt möglichst tief, damit auch extreme Niedrigwasserstände ermittelt werden können. Im Pegelschacht ist ein Schwimmer (1) eingebracht, der über eine Pegeluhr (3) und einem Gegengewicht (2) verbunden ist. Mit jeder Veränderung des Wasserstandes steigt bzw. sinkt auch die Wassersäule im Pegelschacht und überträgt sich so auf den Schwimmer im Schacht. Eine Messeinheit (Zahnrad) ermittelt den Unterschied und überträgt ihn auf der Pegeluhr (3) und dann per DFÜ ins Messnetz der Wasser- und Schifffahrtsämter, zu Schleusen, Hochwassermeldezentralen usw. Der aktuelle Wasserstand überträgt sich also auf den Schwimmer der auf der Wasseroberfläche im Pegelschacht schwimmt und sich ständig dem Wasserstand des Flusspegels angleicht und dieser ergibt gibt dann den Pegelwert. Die Spannbreite (6) zwischen bisher niedrigstem bekannten Messwert Niedrigwasser (Abk. NNW) und höchstem bisher registrierten Wasserstand (HHW), kann viele Meter betragen. Am Pegel Trier an der Mosel zum Beispiel sind bisher bis zu neun Meter Differenz festgestellt worden, bei Düsseldorf am Rhein zehneinhalb Meter, am Bodensee bei Konstanz beträgt der Unterschied zwischen dem niedrigsten Seepegel und höchsten Seepegel etwa vier Meter. Hier ist übrigens ganz interessant: Ein Zentimeter Seepegel am Bodensee entspricht eine Wassermenge von 5,5 Millionen Kubikmeter.

 

Eine andere Methode der Wasserstandsmessung ist die Messung mit so genannten Pneumatikpegeln oder ein- facher: "Druckluftpegel". Die Wassersäule über dem Verbindungsrohr drückt mit einem bekannten Gewicht in die Kommunizierende Röhre. Gleichzeitig wird im Pegelhaus mit einem Kompressor oder mit Druckluftflaschen feinjustiert ein Druck in die Leitung gegeben. Je nachdem wie sich der Wasserstand im Fluss verhält, drückt die Wassermasse gegen die künstlich eingegebenen Druckluft. Die Differenz wird im Pegelschreiber / Pegeluhr umgerechnet in Zentimeter Wassersäule angegeben. Der Pegel misst somit den Wasserstand.

Verwendung von Pegeln: Wofür benötigt man Pegel bzw. Wasserstandswerte?

Die Verwendung der Angaben von Wasserständen ist vielseitig. Besonders für die Schifffahrt ist die Kenntnis des Wasserstandes in Flüssen, Seen, Strömen und Meeren von großer Wichtigkeit. So ermittelt man nicht nur die Wassertiefe für die Schifffahrt, denn diese richtet ihr Abladetiefe nach den Wasserständen, sondern besonders bei Hochwasser ist die Entwicklung des Wasserstandes, bzw. seine Höhe sehr wichtig. Anhand von Erfahrungswerten weiß man bei den Pegelwerten um die Gefährlichkeit des Wasserstandes. Ab bestimmten Hochwassermarken greifen Hochwasservorhersagemaßnahmen und Einsatzleitstellen zur Gefahrenabwehr organisieren sich. Anhand von Abflussmengenmessungen an bestimmten Standorten eines Flusses bei bestimmten Wasserständen mit Kenntnis des Flussquerschnittes, lässt sich auch die Durchflussmenge von Wasser in Kubikmeter pro Sekunde ermitteln (m³/s). So können auch Talsperren und Polderanlagen zur Hochwasserrückhaltung bzw. Hochwasserentlastung gezielt eingesetzt werden.


 

Hier die abgeänderte Skizze im Hinblick auf die Schifffahrt- wir schauen in Fließrichtung. Die Wasser- und Schifffahrtsdirektionen Deutschlands garantieren eine hindernisfreie Fahrrinne. Die Fahrrinne ist begrenzt durch schwimmende Fahrrinnenbegrenzungstonnen. Die grüne Tonne begrenzt an den Flüssen die Fahrrinne in Fließrichtung gesehen auf der linken Seite, die rote Tonne markiert den rechten Fahrrinnenrand. Innerhalb dieser Rinne werden in der Regel durch Baggerarbeiten Geschiebe und Eintreibungen (Sand, Kies, Geröll) nach jedem Hochwasser entfernt. Willkürlich und sporadisch würden sonst Sandbänke (Untiefen) die Fahrrinnentiefe einschränken.

 

(a) kennzeichnet die Fahrrinnentiefe beim aktuellen Wasserstand, (b) kennzeichnet die Fahrrinnentiefe bei Niedrigwasser. NNW ist der niedrigste bisher bekannte Wasserstand, HSW ist der höchstschiffbare Wasserstand. Wird dieser überschritten wird die Schifffahrt gesperrt/eingestellt. Denn die Strömung wird zu stark bzw. die Schiffe kommen nicht mehr unter Brücken oder unter Hochspannungsleitungen  hindurch. So ist die Kenntnis über den aktuellen Wasserstand für die Schifffahrt sehr wichtig, natürlich auch für die Wasser- und Schifffahrtsämter. Diese müssen dafür Sorge tragen, dass die garantierte Mindestwassertiefe innerhalb der Fahrrinne gewährleistet ist. (An der Mosel zum Beispiel ist die Fahrrinnenbreite 40 Meter und es wird eine Tiefe von 3,00 Metern garantiert. Dies wird durch ständige Bagger- und Vermessungsarbeiten der für den jeweiligen Flussabschnitt verantwortlichen Außenbezirke der Ämter (Peilungen durch Peilrahmen oder Stangenpeilung, teils auch durch Echolotpeilungen (Messschiff "Mosel") kontrolliert) Fahrrinnenbreite bzw. Tiefe sind jedoch von Fluss zu Fluss unterschiedlich. HHW ist der höchste bisher gemessene Wasserstand.

 

Die Messung des Wasserstandes geht bis in die graue Vorzeit zurück. Am bekanntesten ist wohl der Umgang der Ägypter, die seinerzeit den Nil mit Pegel ausrüsteten. Schon die Ägypter machten sich Pegel zu Nutze: Hier war die alljährliche Stärke der Überflutung der Felder maßgeblich am Erfolg der Ernte beteiligt. Hier war man auf den nährreichen Schlamm angewiesen, der bei jeder Flut die Felder düngte. So erlangte Ägypten lange Zeit als Hochkultur höchstes Ansehen.

 

Die Kenntnis über die Höhe des Wasserstandes ist aber auch für die Energiewirtschaft wichtig: Wasserkraftwerke zum Beispiel richten die Energieproduktion nach dem Wasserangebot und auch die Kenntnis von Grundwasser- oder Talsperrenspiegeln ist für die Trinkwassergewinnung sehr wichtig. So unterscheidet man zwischen "Oberirdischen Pegeln" und "Grundwassermessstellen". Die Kenntnis für den Grundwasserstand ist neben der Trinkwassergewinnung auch für die Industrie, Landwirtschaft und Bauindustrie von großer Bedeutung.

 

Neben den Wasserstandsmessstellen an Bächen, Flüssen und Seen, sind aber auch die Pegelwerte an den Küsten sehr wichtig, wenn es sich um die Ermittlung bzw. Vorhersage von Sturmfluten sowie Ebbe und Flut handelt. Der Tidenhub (Differenz zwischen Flut und Niedrigwasser) ist maßgeblich für die Seeschifffahrt in Küstenabschnitten wichtig. Anhand von Erfahrungswerten und Gezeitentabellen in Zusammenhang mit der Kenntnis des Windes, kann das Hoch- und Niedrigwasser sehr exakt vorhergesagt werden und dies ist besonders bei der Vorhersage und Berechnung von Sturmfluten wichtig. Eine Auflistung höchster Wasserstände sowie die höchsten Sturmfluten bei Hamburg finden sie links in der Leiste unter der Rubrik "Pegelrekorde".

Pegellatte , Ableseschema (manuelle Ablesung), und die Sache mit dem Pegelnullpunkt

Die manuelle Ablesung des Wasserstandes erfolgt in Form einer Pegellatte, welche senkrecht an Mauern, Schleusenkammern, Kaimauern oder auch den Neigungen einer Uferböschung entsprechend am Fluss angebracht sind und in der Regel bei jedem Pegelhaus vorhanden ist, um bei Ausfall eines Messwertegebers "von Hand" ablesen zu können.


Pegellatte (Böschungspegel):

Pegellatte hier in Dezimeterschritten. Wasserstand im Beispielbild 7,92 Meter. (Aufnahme Pegel Trier)


Pegelablesung: 

Ein Querbalken des E's entspricht zwei Zentimetern, die Hälfte davon also einem Zentimeter.

 

 

Pegelnullpunkt und Pegelwerte:

 

Pegelwert = Wassertiefe? Nein!

Hier nun ein Beispiel über die Festlegung des Pegels. (Auch hier ist die Skizze nicht maßstabsgetreu!) Der Pegelnullpunkt ist der Ausgangspunkt eines Pegels und die Höhenlage der Pegelnullpunkte sind von Pegel zu Pegel unterschiedlich. Der Pegelnullpunkt bezieht sich auf Meeresniveau NN = Normalnull: Höhenlage des Nullpunktes der Pegellatte bezogen auf Normal-Null. (Höhenlage des Nullpunktes der Pegellatte, bezogen auf eine amtlich festgelegte Bezugsfläche nach DIN 4049)
An unserem Beispiel beträgt der aktuelle Wasserstand 6,52 Meter an diesem Pegel. Würde der Wasserstand am Pegelnullpunkt stehen, wäre der Pegelwert Null. Ausgehend vom Nullwert am Pegelnullpunkt ist die Differenz zwischen aktuellem Wasserstand und Pegelnullpunkt also 6,52 Meter, bzw. 106,52 Meter über Normalnull. Der HSW liegt demnach in unserem Beispiel bei einem Pegelwert von 8,22 Metern, der HHW beträgt 12,36 Meter, der NNW liegt bei 3,00 Meter Pegelwert. Da die Flusssohle auf 98,89 NN liegt, beträgt die gesamte Wassertiefe beim aktuellen Wasserstand aber nicht 6,52 Meter sondern sie liegt bei 7,63 Metern. Denn der Pegelnullpunkt (Pegelstand 0,00) liegt in diesem Beispiel noch 1,11 Meter über der eigentlichen Flusssohle oder auch Grund des Sees, Baches, oder Stromes mit 98,89 m ü NN).

 

Wir sehen an diesem Beispiel, dass der Bach, See, Fluss oder Strom also auch deutlich tiefer sein kann, als der Pegelwert angibt. Denn der Pegelnullpunkt hat nichts mit dem Sohlengrund eines Gewässers zu tun, denn hier liegt die Flusssohle deutlich unterhalb des Pegelnullpunktes. Der Pegelnullpunkt wird in der Regel so gewählt, dass keine Minuswerte am Pegel entstehen, wenn besondere Niedrigwasserereignisse auftreten sollten. Denn würde der aktuelle Wasserstand unterhalb des Pegelnullpunktes liegen würde der Pegelwert -0,25 oder ähnliches anzeigen. Die Schifffahrt kennt die zur Verfügung stehenden Fahrrinnentiefen bei nahezu jedem Pegelstand.

 

Die Pegelwerte können in unterschiedlicher Aufbereitung dargestellt und registriert werden. So zum Beispiel mechanisch durch Pegeluhren und Pegelaufzeichnungen (Pegelschreiber welche die Wasserstandsganglinie darstellen. Man kann dann die aktuelle Uhrzeit und den Wasserstand auf einem Papierbogen ablesen sowie die vergangenen Tage und Wochen). Moderne Pegelanzeigen haben digitale Anzeigen wie zum Beispiel hier am Beispiel Konstanz, oder zumindest Pegeluhren( Düsseldorf) zu sehen ist. In der Regel werden die Pegeldaten inzwischen digitalisiert per DFÜ an die verschiedenen Abnehmer gesendet. Aufzeichnungen von Pegeldaten reichen an vielen Flüssen bis ins Jahr 1890 zurück. Damals wurde noch von Hand abgelesen und die Messwerte mit Bleistift in Tabellen eingetragen.

(Dieser Abschnitt wird in Kürze noch durch Bildmaterial ergänzt).

Gleichwertige Wasserstand  GlW

Bildquelle WSV

Der gleichwertige Wasserstand kann sich im Verlauf der Jahre ändern. Am Rhein wird dieser bei Bedarf angepasst, denn da der Rhein größtenteils nichts staugeregelt ist (also keine Staustufen vorhanden sind), gräbt er sich durch die starke Strömung allmählich immer weiter in sein Flussbett ein. Besonders bei Hochwasser wird viel Geschiebe (Schlamm, Sand, Kies, Geröll) zu Tal transportiert. 
Der gleichwertige Wasserstand (Abkürzung: Glw) ist ein Maß für die Schifffahrt für die tiefe der Fahrrinne. Die Fahrrinne ist ein künstlich ausgebaggerte Vertiefung. Die Wasser- und Schifffahrtsverwaltung garantiert bei einem Wasserstand, der den GlW-Wert erreicht, eine bestimmte Abladetiefe für die Schifffahrt. Am Pegel Düsseldorf  ist dies bei einem Pegelstand von 0,97 m. Dann garantiert die WSV eine Fahrrinnentiefe von 2,50 Metern. Sinkt der Pegelstand weiter ab, zum Beispiel auf 0,77 m, dann beträgt die zur Verfügung stehende Fahrrinnentiefe nur noch 2,30 m. 

Der GlW-Wert ist auf den diversen Rheinstrecken unterschiedlich, wie die Skizze zeigt. Zwischen Weil am Rhein beträgt die Fahrrinnentiefe bei GlW 3,00 m, Iffezheim bis Main 2,10 m, im Bereich um St. Goar 1,90 m, Koblenz 2,10 m, Duisburg 2,50 m und in der Niederrheinstrecke bis Emmerich 2,80 m. Aktuelle GlW-Angaben und Wasserstände bei dem Wasserstraßeninformationsdienst ELWIS

Verbreitung von Wasserständen, Pegelwerten und Hochwasservorhersagen

Die meisten Pegel in Deutschland sind heutzutage über die einheitliche Rufnummer 19429 und der jeweiligen Ortsvorwahl per automatische Messwertansager (Anrufbeantworter) abrufbar. In der Leiste Links kommen sie über "Linksammlung" zu der Übersicht der Hochwassermeldezentralen für Deutschland sowie der angrenzenden Länder für die Internetabfrage. In Hochwasserzeiten werden viele Hochwasservorhersagen und Pegelstände zudem in den Videotextangeboten der Dritten Programme (SWR / ARD / BR / WDR) sowie in einigen Radiosendern (SWR, RPR) bereitgestellt bzw. verbreitet. Einige Videotextangebote bieten auch täglich aktuelle Wasserstände und Differenzen zum Vortag. Zum Beispiel in der ARD auf Seite 192 oder im WDR auf Seite 170. Einige Videotextangebote sind auch im Internet abrufbar. So beim WDR unter wdr.de wie auch bei der ARD.

Einige Pegelbeispiele aus Deutschland (Aufnahmen von Andreas Wagner)

Alter Pegel in Trier bei der Römerbrücke

Pegel mit Pegeluhr - Pegelschacht


(ehemaliger) Senkrechter Lattenpegel samt höchster Hochwassermarken am damaligen Pegelhaus Trier (zu oberst 11,28 Meter)

 

Der neue Pegel Trier am Pacelliufer in Trier

Mit dem Neubau und der Versetzung der Pegelanlage auf die rechte Moseluferseite wurden auch die vergangenen Hochwasserausmaße berücksichtigt. Bei dem Rekordhochwasser im Dezember 1993, als der Wasserstand in Trier bis auf 11,28 Meter hochschnellte, war die alte Pegelanlage den Herausforderungen nicht mehr gewachsen und konnte die Wasserstände nicht mehr messen. Es musste von Hand am Bauhof des Wasser- und Schifffahrtsamtes gemessen werden, um die Entwicklung des Wasserstandes beobachten zu können.

Mit der neuen Anlage am Pacelliufer können nun höhere Wasserstände ermittelt und übertragen werden. Allerdings sind den Möglichkeiten auch hier Grenzen gesetzt, denn ab einem Pegelstand von 12,30 Meter ist auch dieser Pegel nicht mehr erreichbar und eine reißende Strömung überflutet dann auch in diesem Bereich das Pacelliufer.

 

 

Informationstafel der neuen Pegelanlage in Trier

Hochwassermarken am neuen Pegel Trier

Extreme Hochwasserereignisse sind, wie die Historie ohne Zweifel belegt, keine Erscheinungen der Neuzeit. Auch 1882 und 1850 gab es ähnlich schwere Hochwasser, wie wir sich bereits in den vergangenen 30 Jahren erlebt hatten. Zum einen treten die Hochwasser durch die Kombination von starker Schneeschmelze und hohen Regensummen auf, zum anderen können auch besonders milde und regenintensive Wetterlagen zu extremen Pegelständen führen. So wie es beispielsweise 1993 und 1983 der Fall gewesen ist.

Es ist jedoch eindeutig - die Hochwasser kommen heutzutage schneller zustande als früher. Grund ist die Versiegelung der Landschaft und die Klimaveränderung durch extremere Niederschlagsmengen. Mehr dazu aber in der Rubrik "häufige Fragen" hier auf www.pegeldeutschland.de


Pegeluhr in Düsseldorf am Rhein Wasserstand 1,27 Meter


Pegelextreme Übersichtstafel am Pegelhaus Konstanz/Bodensee


Pegeluhr in Konstanz am Bodensee


Lattenpegel am Pegelhaus Konstanz/Bodensee


Hochwassermarken am Deich bei Neuharlingersiel (Nordsee)


Überflutungsmarken vergangener Sturmfluten im Hafen von Neuharlingersiel


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Wettervorhersagen

Kachelmannwetter.com
Regenradar bei Kachelmannwetter.com

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