Pegel (Wasserstandsmessung)


Pegel (Wasserstandsmessung)
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Rheinpegel Maxau bei Karlsruhe (km 362)

Ein Pegel ist ein Messgerät zur Feststellung des Wasserstandes in Flüssen, Kanälen und anderen Gerinnen, in Seen und im Meer. Im erweiterten Sinne bezeichnet "Pegel" auch die Messstelle als Ganzes.

Inhaltsverzeichnis

Begriffsklärung

Pegel stammt von niederdt. pegelEichstrich“ aus mittellateinisch pagella „Messlatte“ und ist etymologisch verwandt mit „Peilen“, der Messung einer Richtung, etwa in Strich (Winkeleinheit).

Umgangssprachlich wird „Pegel“ auch fälschlicherweise als Synonym für den Wasserstand selbst verwendet. Am Pegel wird aber der Pegelstand gemessen, aus dem sich der Wasserstand (Wasserhöhe für einen repräsentativen Abschnitt des Gewässers) ableiten lässt.

In der Hydrographie wird auch die Messstelle als „Pegel“ bezeichnet. Man unterscheidet zwischen Pegeln an oberirdischen Gewässern und Grundwassermessstellen. In der Schifffahrt wird unterschieden zwischen Brückenpegel, Binnenpegel (Flüsse und Seen) und Küstenpegel (Meer).

Geschichte

Die Messung von Wasserständen reicht schon lange zurück. Schon die alten Ägypter haben den Pegelstand am Nil gemessen, um diese Messungen bei der Bewirtschaftung ihrer Felder zu nutzen.

In Europa kommen die Pegelmessungen an Fließgewässern schon im Hochmittelalter auf, als sich das vorindustrielle Mühlenwesen zu entwickeln beginnt, und die Wasserentnahme einer rechtlichen Grundlage bedarf - die zunehmend verbreiteten, stärkeren mittelschlächtigen Wasserräder sind in ihrer Leistung direkt von der Stauhöhe abhängig, aber anfällig auf Rückstau im Unterwasser, Anrechte auf Stauhöhen führen zwischen den Gewerken zu Konflikten. Frühes Beispiel ist der Mühlpfahl, ein Pfahl zur Kontrolle der vorgeschriebenen Stauhöhe (Stauziel) des Mühlwassers. Später werden Haimmarken als Bezugspegel in den Gebäuden versetzt, und die Pegel und Wasserstandsrechte in den amtlichen Wasserbüchern vermerkt.

Die ersten regelmäßigen und dokumentierten Beobachtungen der Wasserstände im Hochwasserschutz in Deutschland gehen bis auf das Ende des 18. Jahrhundert zurück (Erfelden/Rh. seit 1.Juli 1797).

Früher dienten mittlere Pegelstände an großen Flüssen auch als lokaler Höhenbezug für die Höhenmessung - etwa beim Kölner Pegel (Rhein) oder beim Wiener Null (Donaukanal).

Die von Eytelwein ausgearbeitete Pegelinstruktion vom 13. Februar 1810 ist die erste bekannte Dienstanweisung über Pegel. Sie wurde am 14. September 1874 aktualisiert und präzisiert, galt aber weiterhin nur für Preußen. Erst die Pegelvorschrift vom 14. September 1935 stellte die Wasserstandsbeobachtung in Deutschland auf eine einheitliche Grundlage. Sie wurde mit Erscheinen für die Länder Preußen, Anhalt, Bremen, Braunschweig, Hamburg, Lippe, Lübeck, Mecklenburg, Oldenburg, Saarland und Schaumburg-Lippe verbindlich und ab 6. Juli 1936 auch für die süddeutschen Länder Baden, Bayern, Hessen, Sachsen, Thüringen und Württemberg eingeführt.

Grundlagen

Fluss-Pegel-v1.svg

Der Wasserstand eines stehenden oder fließenden Gewässers wird immer in Bezug auf Pegelnull gemessen. Er gibt das Niveau des Wasserspiegels an (und darf nicht verwechselt werden mit der Wassertiefe).

Pegelnullpunkt
Der Pegel benutzt als Bezugsgröße den Pegelnullpunkt. Der Pegelnullpunkt ist die Höhe des Fußpunktes der Pegellatte über Normalhöhennull (NHN). Der Fußpunkt der Pegellatte wird mit "0 Meter" (null) bezeichnet. Der Pegelnullpunkt wird immer etwas unter dem niedrigsten, über eine lange Zeit gemessenen Wasserstand festgesetzt, damit auch bei niedrigem Wasserstand keine negativen Werte auftreten.
Im Küstenbereich wird einheitlich ein Pegelnullpunkt verwendet, der bei der Einrichtung auf NHN minus 5 Meter festgelegt wird.
Wasserstand über Pegelnullpunkt
Der Wasserstand (Pegelstand) ist die Höhe des Wasserspiegels über dem Pegelnullpunkt. Er wird allgemein in Zentimeter (cm ü. PN) angegeben. Er kann direkt an der Messlatte oder an der Messuhr abgelesen werden. Der Messbereich beträgt meist wenige Meter.
Mittlerer Wasserstand ist der durchschnittliche Wasserstand, gemessen in einer bestimmten Zeitspanne (1 bis 10 Jahre).
Mittleres Niedrigwasser ist der gemittelte niedrige Wasserstand in einer bestimmten Zeit.
Mittleres Hochwasser ist der gemittelte hohe Wasserstand in einer bestimmten Zeit.
Wasserstand über Normalhöhennull
Der Wasserstand über Normalhöhennull errechnet sich aus der Höhe des Pegelnullpunktes über Normalhöhennull, plus dem Wasserstand über Pegelnullpunkt:
Wasserstand ü. NHN = Höhe Pegelnullpunkt ü. NHN + Wasserstand über Pegelnullpunkt
Wassertiefe
Die Wassertiefe von Fliessgewässern und Binnengewässern ist die Differenz zwischen Wasserstand ü.NHN und Gewässersohle ü.NHN.
Die Wassertiefe von Küstengewässern ist die Differenz zwischen Meeresboden ü.NHN und dem Seekartennull plus der Höhe der Gezeit.
Die Wassertiefe wird entweder direkt gemessen oder über Pegelstand und Gewässerpeilpläne (Geländemodell) berechnet.
Durchfahrtshöhe
Die Durchfahrtshöhe ist die Differenz zwischen Wasserstand ü. NHN und Brückenunterkante ü. NHN.
Diese Differenz wird mancherorts durch sogenannte Brückenpegel direkt angezeigt.
Vertical Clearance ist die Mindest-Durchfahrtshöhe zwischen Mittlerem Hochwasser und Brückenunterkante.

Küstenpegel

Küstenpegel stehen an Meeresküsten, Meerespegel stehen weiter außerhalb oder schwimmen als Messboje im Meer. Feste Pegel sind gleich aufgebaut und funktionieren gleich wie die Flusspegel. Schwimmende Pegel messen den Wasserstand mit einem GPS mit SAPOS-Korrektur.

Messung der Tide

Die Tide, also die Wasserstandsänderungen bei Ebbe und Flut wird mit Küsten- und Meerespegeln gemessen. Aus dem Verlauf der Messergebnisse (Ganglinie) wird eine Vorhersage für die Tide berechnet. Diese Vorhersagen werden in Gezeitentafeln und Tidenkalender für den Ort des Pegels veröffentlicht.

Messung der Höhe über Meer

Der mittlere Meeresspiegel - das Mittelwasser - kann für einen Ort zentimetergenau berechnet werden. Dazu wird an einem Küstenpegel während einiger Jahrzehnte der Wasserstand kontinuierlich gemessen und der Mittelwert bestimmt. Im 19. Jahrhundert dienten ausgewählte Pegel als Bezugshöhe der Landesvermessung, beispielsweise der Amsterdamer Pegel (späteres Normalnull NN), der russische Kronstädter Pegel, für Frankreich der Pegel Marseille, für Italien der Pegel Genua, für die Schweiz der Repère Pierre du Niton in Genf und für Österreich-Ungarn der Pegel Triest.

In Deutschland gilt seit 2000 das Normalhöhennull (NHN) als Bezugsfläche für Höhen über dem Meeresspiegel. NHN ist bezogen auf den Amsterdamer Pegel. Die EU ist bestrebt, die verschiedenen Höhensysteme der europäischen Länder auf NHN zu vereinheitlichen.

Berechnung der Wassertiefe

Die Wassertiefe wird für die Küstenschifffahrt auf das Seekartennull bezogen. In tidenarmen Gewässern (Tide <30cm) entspricht das Seekartennull in den meisten Ländern dem mittleren Wasserspiegel. In Tidengewässern wird die Wassertiefe auf LAT bezogen. In einigen Ländern wird die Wassertiefe auf andere Definitionen des Seekartennull bezogen, beispielsweise auf das Springniedrigwasser. Alle diese gemittelten Wasserstände werden aus langjährigen Beobachtungen der Pegelstände berechnet.

Binnenpegel

Binnenpegel stehen an Flüssen, Kanälen und Seen. Sie dienen der Schifffahrt und der Hydrologie.

Hochwassermarken

Hochwassermarke I
Wird am Richtpegel die Hochwassermarke (HSW-Marke, HSW = Höchster Schifffahrtswasserstand) I erreicht, beginnen für den entsprechenden Gewässerabschnitt die ersten Einschränkungen. Diese sind von Gewässer zu Gewässer unterschiedlich und abhängig von der Technologie der Schiffe, deren Größe, Geschwindigkeit und Abladetiefe. Der betroffene Abschnitt kann auch ganz gesperrt werden.
Hochwassermarke II
Bei Überschreiten der Hochwassermarke II am Richtpegel ist die Wasserstraße für die gesamte Schifffahrt bis auf wenige Ausnahmen gesperrt.
Hochwassermarke III
Bei Überschreiten der Hochwassermarke III wird die Schifffahrt untersagt, weil dann die Strömungsgeschwindigkeit ein sicheres Manövrieren nicht mehr zulässt.

Bei Rückgang (Ablauf) eines Hochwassers und Unterschreiten der einzelnen Marken werden die Beschränkungen wieder aufgehoben. Beispielsweise liegt die Hochwassermarke I bei Karlsruhe-Maxau bei einem Pegelstand von 620 cm, die Hochwassermarke II bei einem Pegelstand von 750 cm, während die Dämme am Rhein in der Umgebung für einen Pegelstand von rund neun Meter ausgelegt sind.

Bedeutung für die Schifffahrt

Für die Schifffahrt auf Flüssen, Seen und Meeren sind die Pegel von großer Bedeutung. An Wasserstraßen, die von Schiffen genutzt werden, dient er als Richtpegel. Die Pegelanlage ist in diesem Fall für einen bestimmten Gewässerabschnitt, der bei Flüssen mit Schleusenanlagen meistens bei einer bestimmten Schleuse liegt, zuständig, wobei an die Endpunkte ein anderer Richtpegel grenzt. Die Wasserstände am Richtpegel haben Einfluss auf die Abladetiefe der Schiffe, die Durchfahrtshöhe von Brücken und die Begrenzung der Schifffahrt bei Hochwasser.

Bedeutung in der operationellen Hydrologie

An einem Fluss bildet die zuverlässige Erfassung und Auswertung von Wasserständen die Grundlage für die hydrologische Beschreibung der kurz und langfristigen Veränderungen des gesamten Situation der Strömung und der Wasserstände (Wasserhaushalt). Sie dient dem Betrieb, der Unterhaltung und dem Aus- und Neubau der Wasserstraße, zur Steuerung einzelner Anlagen am Fluss, insbesondere der Staustufen mit Wehr und Wasserkraftwerk, der Schifffahrt zur Ermittlung der Fahrwasserverhältnisse und der Disposition der Abladetiefe sowie dem Hochwassernachrichtendienst für die Anlieger, die in bedrohten Gebieten leben, und für die Schifffahrt.

Für notwendige Hochwasserwarnungen werden zunehmend automatische Pegelmessstationen entlang von Flüssen aufgestellt, die bei Erreichen einer einstellbaren Warnschwelle Alarm auslösen. Sogenannte Anrufpegel (Pegelansage) können bei Bedarf per Telefon von jedermann abgefragt werden und geben den momentanen Wasserstand in cm bzw. Durchfluss in m³/s an. Für Pegel an deutschen Bundeswasserstraßen wählt man dazu die Ortsvorwahl und anschließend die 19429, beispielsweise für den Pegel Karlsruhe-Maxau 0721 19429. Die aktuellen Wasserstände können auch im Internet erfahren werden (siehe Weblinks).

Technik der Wasserstandsmessung

Standorte, Bau und Prüfung

In Deutschland dient die Pegelvorschrift als Empfehlung an die Wasserwirtschaftsbehörden für den Bau der Anlagen sowie für deren Ausstattung, Unterhaltung und Betrieb. Sie wird von der Länderarbeitsgemeinschaft Wasser herausgegeben. Ein Pegel wird durch eine Pegellatte und drei Höhenfestpunkte definiert, mit deren Hilfe die Höhenlage der Pegellatte (Pegelnullpunkt) über NHN bezogen wird. Pegel sind am Gewässer so anzubringen, dass der Wasserspiegel auch beim Höchststand und Tiefststand des Gewässers noch messbar ist. Der Pegelnullpunkt wird in Deutschland durch die Wasser- und Schiffahrtsverwaltung des Bundes und die Landesvermessungsämter eingemessen und regelmäßig kontrolliert. Durch die Bewegung der Erdkruste verändert sie die Höhenlage des Pegelnullpunktes kontinuierlich und durch die Lastunterschiede bei Ebbe und Flut hebt und senkt er sich periodisch um mehrere Millimeter.

Pegellatte

Die älteste und einfachste Form, den Wasserstand zu messen, geschieht mit einer Pegellatte, die an einer Kaimauer, Schleusenkammer oder einer anderen Mauer befestigt ist. Sie kann aber auch auf dem geneigten Gelände einer Ufer- oder Staudammböschung angebracht sein. Eine Pegellatte ist z. B mit nummerierten schwarzen E-Marken auf gelbem Grund dezimeterweise eingeteilt. Da die Querbalken der E jeweils zwei Zentimeter breit sind und zwei Zentimeter auseinander liegen, ist eine Ablesung auf dieses Maß genau möglich. Bei geneigten Pegellatten wird die Einteilung entsprechend der Neigung gestreckt.

Eine Pegelanlage kann aus mehreren Pegellatten, auch Pegelstaffeln genannt, bestehen. Wenn eine Pegellatte vom Wasser überflutet wird, erfolgt die Ablesung an der nächsten, höher gelegenen Pegellatte. Beim Übergang von der einen zu der anderen Pegellatte sind die Ablesewerte gleich, da sich die Nullpunkte auf gleicher Höhe befinden.

Heute haben fast alle Pegelanlagen mit Pegellatte auch eine Schreibregistrierung. Bei extremen Hochwasserereignissen, wie dem Elbehochwasser 2002, dem Elbehochwasser 2006 und dem Pfingsthochwasser 1999 ist auch heute die Pegellatte ein wichtiges Messinstrument, wenn durch Stromausfall oder Überflutung des elektrischen Pegels keine Aufzeichnungen vorgenommen werden können.

Solche Pegellatten können auch behelfsmäßig hergestellt werden. Sie werden im Bedarfsfall an markanten Stellen errichtet. Diese weisen auch die Einteilungen auf, können aber möglicherweise erst später eingemessen werden.

Pegeluhr

Die Pegeluhr zeigt die gemessenen Werte mit einem Zeiger auf einem Zifferblatt an. Gemessen wird durch einen Schwimmer in einem Pegelschacht, der über eine kommunizierende Röhre mit dem Gewässer verbunden ist. Solche Pegeluhren befinden sich z. B. in Emmerich am Rhein, am Pegel Köln oder in Konstanz. Die Anzeige selbst ist in vielen Fällen digital.[1] In anderen Fällen, wie bei der 1897 erbauten Pegeluhr in Ludwigshafen, ist sie analog und ähnelt dem Zifferblatt einer Uhr. Die Pegeluhr wird schon seit vielen Jahren nicht mehr benutzt.

Registrierende Messung

Gemessen wird der Wasserstand am Pegel heutzutage mit Hilfe von Schwimmern, Drucksonden, Druckluftwaagen, Radar- und Ultraschallgeräten. Die Messungen werden auf Pegelbögen, einem Bandschreiber und/oder in digitalen Datensammlern im Pegelhäuschen registriert. Manchmal wird der Wasserstand mit einer großen digitalen Anzeige am Pegelhäuschen angezeigt (Beispielbild siehe oben in der Einleitung).

Der Wasserstand des Gewässers wird in einem angrenzenden Schacht gemessen. Die Höhe des Wasserspiegels kann mechanisch durch einen Schwimmer mit Seil und Gegengewicht gemessen werden. Bei einem Pneumatikpegel, auch Druckluftpegel genannt, wird der Wasserdruck gemessen. Dabei wird durch die Wassersäule in dem Verbindungsschacht oder der Verbindungsleitung (aus PVC) ein Gewicht nach oben gedrückt. Gleichzeitig steht der Bereich oberhalb des Gewichtes unter Druck, der durch einen Kompressor oder durch Druckluftflaschen erzeugt wird. Die Druckdifferenz betätigt einen mechanischen Schreiber oder steuert einen elektronischen Messwertgeber an, der den Wasserstand aufzeichnet. Durch einen Winkelkodierer können die Messwerte in digitale Impulse umgewandelt werden, so dass die Daten aus dem Datensammler durch einen Laptop oder per Datenfernübertragung ausgelesen werden können.

Mobile Pegelmessung bei Hochwasser

Um bei Hochwasser an besonders kritischen Stellen die Wasserstandsänderungen schnell zu erfassen, kann mit mobilen Funksensoren kontinuierlich der Pegel gemessen werden. Dieses von der Bundesanstalt Technisches Hilfswerk entwickelte System kann auch bei weggespültem oder überschrittenem Festpegel als Ersatz dienen. [2]

Brückenpegel

Senkrecht an einem Brückenpfeiler angebrachte Pegellatten geben dem Schiffsführer den Abstand zwischen dem jeweiligen Wasserstand und einer Brücke an. Sie haben dazu eine "umgedrehte" Skala. Brückenpegel gehören zu den hinweisenden Schifffahrtszeichen. Der Nullpunkt eines Brückenpegels liegt bei Brücken mit waagerechter Unterkante (Untergurt) in Höhe der Konstruktionsunterkante, bei gebogenem Untergurt in Höhe des tiefsten Punktes innerhalb der gekennzeichneten Durchfahrtsbreite. Diese Angabe der "lichten Durchfahrthöhe" ist für die Schifffahrt wichtig, um je nach Beladezustand und ggf Eintauchtiefe eine Angabe für die Befahrbarkeit zu erhalten.

Im animierten Bild wird die Situation bei zwei verschiedenen Wasserständen gezeigt: a) mit Durchfahrshöhe 6 m und b) mit 7 m. Hier handelt es sich um eine Hubbrücke. Die nächste Öffnungszeit wird auf einer elektronischen Uhr angezeigt. Schiffe haben hier vor der Brücke anzuhalten (schwarzer Balken in rot umrandetem Schild), müssen 10 Minuten vor Öffnung auf dem UKW-Funk-Kanal-18 empfangsbereit sein, und müssen sich bei der Durchfahrt auf der rechten Fahrwasserseite halten (schwarzer Pfeil auf rot umrandetem Schild):

Der Brückenpegel, Durchfahrtshöhe hier 6 und ca. 7 m


Zum mittleren Wasserstand mit zugehöriger Wassertiefe und Durchfahrtshöhe passt auch eine zugehörige Durchfahrtsbreite. Diese wird durch Schifffahrtszeichen angezeigt. Innerhalb der grün-weißen Zeichen ist die Durchfahrt empfohlenen, außerhalb der rot-weißen Zeichen ist die Durchfahrt verboten. Wenn der Wasserspiegel unter einem Brückenbogen steigt, verringert sich die lichte Durchfahrtsbreite und umgekehrt. Wenn der Wasserspiegel sinkt, verringert sich je nach Flussprofil die Breite der Fahrrinne.


Siehe auch

Weblinks

 Commons: Pegel – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wasserstände Deutschland:

Weitere aktuelle Wasserstände in Deutschland können bei den Wasserwirtschaftsverwaltungen der Bundesländer eingesehen werden.

Wasserstände Österreich:

Wasserstände Schweiz:

Wasserstände Tschechien:

Quellen

  1. Beispiel digitale Pegeluhr in Konstanz am Bodensee
  2. http://www.thw-pegel.de

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