Messung eines Flusses ohne Seilbahn

Bei der Durchflussmessung wird in der Regel eine gewisse Infrastruktur vor Ort vorausgesetzt: eine feste Seilbahn, eine Winde, eine Bootsrampe oder zumindest ein Ufer, von dem aus man arbeiten kann. In Dolalghat in Nepal, einer Stadt an einer der Hauptrouten nach Kathmandu, traf ein Vermessungsteam am Hutkesi-Fluss ein und stellte fest, dass nichts davon vorhanden war. Was sie jedoch hatten, war eine Straßenbrücke, ein zuvor gekauftes Seil und Ausrüstung, die leicht genug war, um sie von Hand zu tragen.

Warum ein Standort ohne Messdaten schwierig ist

Eine Durchflussmessung ist kein einzelner Messwert. Das Messgerät muss die gesamte Breite des Kanals mit konstanter, kontrollierter Geschwindigkeit in gerader Linie durchqueren, damit jeder vertikale Querschnitt der Strömung genau einmal und nur einmal erfasst wird. An einer permanenten Messstation erfolgt diese Steuerung vor Ort: Eine Seilbahn befördert das Messgerät, eine Winde regelt die Geschwindigkeit, und über eine Bootsrampe wird ein bemanntes Schiff zu Wasser gelassen.
 

Die meisten Flussabschnitte verfügen über nichts dergleichen. Wenn ein Team einen Messwert aus einem nicht vermessenen Abschnitt benötigt – und das ist zunehmend der Fall, sei es für Hochwasserwarnungen, für Entnahmegenehmigungen oder für Wasserkraftstudien –, muss die Messstrecke aus den Mitteln aufgebaut werden, die der Standort an diesem Tag bietet. Das ist die eigentliche Arbeit bei dieser Art von Vermessung, und genau darum ging es bei dieser Messung.

Eine Messstrecke ohne Seilbahn

Der Messabschnitt befand sich etwa 100 Meter stromabwärts der Dolalghat-Brücke. Der Fluss ist dort etwa 20 Meter breit, das Wasser weniger als einen Meter tief und die Strömung erreicht an ihrer schnellsten Stelle 2,6 Meter pro Sekunde, im Durchschnitt liegt sie bei etwa 1 Meter pro Sekunde. Flach und schnell – das ist eine heikle Kombination. Es ist zu flach für ein bemanntes Boot, schnell genug, um das Waten unsicher zu machen, und breit genug, dass man nichts einfach hinüberreichen kann.

Befestigung der Schleppleine von der Brücke aus

Der ursprüngliche Plan sah vor, ein Seil über den Kanal zu spannen und es am gegenüberliegenden Ufer zu verankern. Bei einer Länge von 20 Metern und bei Strömung funktionierte das jedoch nicht. Stattdessen ließ das Team das Seil von der Brückenfahrbahn herunter und führte es bis zum Messabschnitt, dann befestigte es das Vermessungsboot in der Mitte der Leine, sodass auf beiden Seiten genügend Seil übrig war, damit zwei Personen es von den Ufern aus ziehen konnten. Das Boot wurde mit gleichmäßiger Geschwindigkeit von Hand über den Abschnitt gezogen – genau so, wie es eine Seilbahn getan hätte, wenn es vor Ort eine gegeben hätte.

Zu flach für eine normale Profilierung

Zwei Bedingungen an diesem Standort machen eine Standardkonfiguration unmöglich. Die erste ist die Tiefe. Ein akustischer Profiler misst nicht die gesamte Wassersäule: Eine Ausblenddistanz unterhalb des Wandlers und eine bodennahen Schicht am Grund sind beide unbrauchbar, und was übrig bleibt, wird profiliert. Bei einer Wassertiefe von weniger als einem Meter bleibt nur sehr wenig übrig. Aus genau diesem Grund wurde der RiverStar RS1200 ADCP im Flachwasser-Hochgeschwindigkeitsmodus betrieben, wodurch diese unbrauchbaren Bereiche verkürzt werden und die Abtastrate hoch genug bleibt, um eine schnelle Strömung zu erfassen.

Ein bewegliches Bett nimmt das Boot als langsam wahr

Die zweite Voraussetzung ist das Flussbett selbst. Ein akustischer Profiler ermittelt normalerweise seine Bewegungsgeschwindigkeit, indem er Schallwellen vom Flussbett reflektieren lässt und die Verschiebung misst – wobei davon ausgegangen wird, dass das Flussbett stillsteht. In einem schnell fließenden, sedimentführenden Flussabschnitt ist dies jedoch nicht der Fall. Das Flussbettmaterial bewegt sich mit der Strömung flussabwärts, das Gerät misst seine eigene Geschwindigkeit über den Boden als geringer an, als sie tatsächlich ist, und alle Geschwindigkeiten im Querschnitt werden zu niedrig angegeben. Der Abfluss wird zu niedrig angegeben, und in den Daten sieht nichts falsch aus.
 

Die externe Positionsbestimmung des Bootes anhand von Satellitendaten statt anhand des Flussbetts beseitigt diese Annahme und damit auch den Fehler. Bei einem Fluss, von dem bekannt ist, dass er Sedimente transportiert, ist dies der Unterschied zwischen einem vertretbaren und einem plausiblen Wert.

Ein Durchgang, weniger als zehn Minuten

Die Messung wurde in einem einzigen Durchgang in weniger als zehn Minuten abgeschlossen. Die Daten wurden über eine Funkverbindung an einen Laptop übertragen, wobei vor Ort weder Netzstrom noch Internet erforderlich waren, und wurden in HydroProfiler als Abflussdiagramm und Querschnittsprofil überprüft und exportiert. Niemand betrat das Wasser.

Diese beiden Ergebnisse bilden die Grundlage, auf der ein hydrologisches Programm tatsächlich arbeitet. Die Abfluss-Tabelle liefert die Abflusswerte für den jeweiligen Tag und bildet – bei Wiederholung an verschiedenen Pegeln – die Abfluss-Pegel-Kurve, die aus einer einfachen Wasserstandsmessung eine Abflussaufzeichnung für den Rest des Jahres erstellt. Das Querschnittsprofil dokumentiert die Form des Flussbetts, in dem die Messung durchgeführt wurde. Anhand dessen kann ein späteres Team feststellen, ob der Abschnitt ausgewaschen oder aufgefüllt wurde und ob die älteren Messwerte noch gültig sind.
 

Wo diese Methode funktioniert – und wo nicht

Das Spannen des Seils war der schwierigste Teil des Tages, und es ist der Teil, der sich nicht skalieren lässt. Hier hat es funktioniert, weil drei Dinge zufällig zusammenkamen: eine Brücke direkt stromaufwärts, von der aus man das Seil ablassen konnte, ein Kanal, der schmal genug war, dass zwei Personen an den gegenüberliegenden Ufern die Spannung halten konnten, und Ausrüstung, die leicht genug war, um von Hand zum Wasser getragen zu werden. Fällt nur eines davon weg, muss die Überquerung an einer anderen Stelle erfolgen.
 

An einem breiteren Fluss oder an einem ohne Brücke, von der aus man arbeiten könnte, wäre derselbe Ansatz nicht möglich, weshalb das Team anschließend mit der Universitätsgruppe eine unbemannte, selbstfahrende Durchflussmessanlage diskutierte. Ein Fahrzeug, das seine eigene Leine motorisch auslegt, ist nicht darauf angewiesen, dass der Standort eine bereitstellt. Der allgemeinere Punkt gilt für jedes Messprogramm an nicht vermessenen Standorten: Selten ist das Messgerät der limitierende Faktor, sondern meist die Art und Weise, wie man es über den Querschnitt bringt. Unsere hydrografischen Vermessungsplattformen decken beide Ansätze ab, und der Begleitartikel zur Abflussmessung am Chao Phraya zeigt dieselbe Messung an einem großen Gezeitenfluss. Bei der Wahl zwischen verschiedenen Gerätetypen erläutert unser Leitfaden für hydrografische Vermessungsausrüstung, wo ein ADCP im Vergleich zu Echoloten und Multibeam-Geräten zum Einsatz kommt.

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