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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.

Küstenpegel dienen auch als Höhen-Nullpunkt für die Landesvermessung. Dazu müssen die Schwankungen des Meeresspiegels über mehrere Jahrzehnte gemittelt werden.

Begriffsklärung

Das Wort Pegel stammt von niederdt. pegel „Eichstrich“ aus mittellateinisch pagella „Messlatte“ und ist etymologisch verwandt mit „Peilen“, dem Messen einer Richtung.

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 Hydrometrie 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 lange zurück. Bereits die alten Ägypter haben den Pegelstand am Nil gemessen, um diese Informationen bei der Bewirtschaftung ihrer Felder zu nutzen.

In Europa kamen Pegelmessungen an Fließgewässern im Hochmittelalter auf, als sich das vorindustrielle Mühlenwesen entwickelte und die Wasserentnahme einer rechtlichen Grundlage bedurfte. So waren die zunehmend verbreiteten, stärkeren mittelschlächtigen Wasserräder in ihrer Leistung von der Stauhöhe abhängig und anfällig auf Rückstau im Unterwasser. Anrechte auf Stauhöhen führten zwischen den Gewerken zu Konflikten. Ein Beispiel ist der Mühlpfahl, ein Pfahl zur Kontrolle der vorgeschriebenen Stauhöhe (Stauziel) des Mühlwassers. Die Aufgabe der Mühlpfähle wurde durch Haimmarken ersetzt, die die bewilligte Stauhöhe genau markieren und in den amtlichen Wasserbüchern vermerkt werden.

Die ersten regelmäßigen und dokumentierten Beobachtungen der Wasserstände im Hochwasserschutz in Deutschland gehen bis auf das Ende des 18. Jahrhunderts 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 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

Der Wasserstand (Pegelstand) ist die Höhe des Wasserstandes direkt an der Pegellatte. Er wird allgemein in Zentimeter (cm) angegeben. Er kann direkt an der Messlatte oder an dem Messgerät abgelesen werden. Der Messbereich beträgt meist wenige Meter.

Mittlerer Wasserstand ist der durchschnittliche Wasserstand, gemessen in einer bestimmten Zeitspanne (1 bis 10 oder mehr Jahre). Mittleres Niedrigwasser ist der gemittelte niedrige Wasserstand in einer bestimmten Zeit. Mittleres Hochwasser ist der gemittelte hohe Wasserstand in einer bestimmten Zeit.

Wasserspiegel über Normalhöhennull

Der Wasserspiegel über Normalhöhennull errechnet sich aus der Höhe des Pegelnullpunktes über Normalhöhennull, plus dem Wasserstand über Pegelnullpunkt:

Wasserspiegel 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 Gezeitenhöhe. Die Wassertiefe wird entweder direkt gemessen oder über den Pegelstand und der 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 georeferenziert, z.B. mit einem Global Positioning System (GPS).

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 Tidenkalendern für den Ort des Pegels veröffentlicht.

Messung der Höhe über Meer

→ Hauptartikel: Höhe über dem Meeresspiegel

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. Seit dem 19. Jahrhundert dienten so gewonnene ausgewählte Pegel-Nullpunkte als Bezugshöhe der Landesvermessung, beispielsweise der Amsterdamer Pegel, der Pegel Kronstadt bei Leningrad, für Frankreich der Pegel Marseille, für Italien der Pegel Genua, für die Schweiz der Pierre du Niton in Genf und für Österreich-Ungarn der Pegel Triest. Da Pegelstände nur relativ zum Pegelnullpunkt gemessen werden, können die Werte in absolute Werte der jeweiligen Bezugshöhe umgerechnet werden.

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. Siehe dazu: Gezeitenrechnung.

Binnenpegel

Pegel der Weser in Hann. Münden

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

Hochwassermarken

Hochwassermarke I

Wird am Richtpegel die Hochwassermarke I erreicht, beginnen für den entsprechenden Gewässerabschnitt die ersten Einschränkungen. Diese sind von Gewässer zu Gewässer unterschiedlich und abhängig von der Höhe des Ufers (Freibord), der Damm-. bzw. Deichhöhe, von der Technologie der Schiffe, deren Größe, Geschwindigkeit, Abladetiefe und Wellenschlag. 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 am Richtpegel wird die Schifffahrt untersagt, weil dann die Strömungsgeschwindigkeit ein sicheres Manövrieren nicht mehr zulässt.

HSW = höchster schiffbarer Wasserstand

Wenn eine festgelegte Marke (I, II oder III) überschritten ist, ist die Schifffahrt eingestellt. Die Marke ist vom Ort abhängig. 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 für einen bestimmten Gewässerabschnitt zuständig. Bei Flüssen mit Schleusenanlagen wird der Abschnitt meistens einer bestimmten Schleuse zugeordnet.

Die Wasserstände am Richtpegel haben Einfluss auf die Abladetiefe der Schiffe, die Durchfahrtshöhe von Brücken und die Begrenzung der Schifffahrt bei Hochwasser. Für den Güterverkehr ist es entscheidend, möglichst viel laden zu können. Bei hohem Wasserstand ist die Lademenge und die Zahl der übereinander gestapelten Container begrenzt durch die Brückendurchfahrtshöhe. Bei niedrigem Wasserstand ist die Lademenge begrenzt durch die Wassertiefe der Fahrrinne.

Problematisch ist in der Praxis, dass die Pegelstände in jedem Land auf einen unterschiedlichen Höhenhorizont bezogen sind. Auch die Klassifizierung der Wasserstrassen erfolgt in jedem Land unterschiedlich, in Deutschland sogar unterschiedlich ob östlich oder westlich der Elbe. Auch in der EU unterscheiden sich die Klassen noch historisch bedingt.

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 der gesamten Situation von Strömung und Wasserständen (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 Zentimetern bzw. Durchfluss in Kubikmetern pro Sekunde (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 Schifffahrtsverwaltung 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 (Staudamm)-böschung angebracht sein. Eine Pegellatte ist in der Regel mit nummerierten schwarzen E-Marken auf gelbem Grund dezimeterweise eingeteilt. Eine Ablesung ist in der Regel mit der Genauigkeit von etwa einem Zentimeter 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. Laut Pegelvorschrift sollen sich diese Staffeln mit mindestens 10 cm überlappen.

Heute haben fast alle Pegelanlagen mit Pegellatte eine Schreibregistrierung oder speichern die Messwerte vor Ort in einem digitalen Datensammler. Bei extremen Hochwasserereignissen ist auch heute die Pegellatte ein wichtiges Messinstrument, wenn durch Ausfall der Energieversorgung oder Überflutung des Pegels keine Aufzeichnungen mehr möglich sind. Heute werden immer mehr von den wichtigsten Pegeln Gewässern mit redundanten Mess- und Erfassungsgeräten und Datenabruf ausgestattet, so dass ein kompletter Ausfall nicht mehr vorkommen sollte.

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 oder -Kästen 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 oder mittels Druckleitung gemessen. Die Höhe des Wasserspiegels kann mechanisch durch einen Schwimmer mit Seil und Gegengewicht gemessen werden (Schwimmerpegel). 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 direkt oder per Datenfernübertragung ausgegeben werden können.

Akkubetriebener Pegelsensor mit Datenübertragung

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

Brückenpegel sind vor einer Brücke (z. B. senkrecht am Brückenpfeiler) angebrachte Pegellatten, die Schiffsführern die lichte Durchfahrtshöhe unter einer Brücke (das heißt, den Abstand zwischen dem Wasserstand und der Unterkante der Brücke) anzeigen. Sie haben dazu eine umgedrehte Skala, das heißt, der tiefste Punkt der Brückenkonstruktion (oder eventuell vorhandener Anbauten) innerhalb der gekennzeichneten Durchfahrtsbreite bildet den Nullpunkt des Pegels. Brückenpegel gehören zu den hinweisenden Schifffahrtszeichen.[3]

Im animierten Bild wird die Durchfahrtshöhe bei zwei verschiedenen Wasserständen (Durchfahrtshöhe 6 m und circa 7 m) gezeigt. Innerhalb der grün-weißen Zeichen ist die Durchfahrt empfohlen, außerhalb der rot-weißen Zeichen ist die Durchfahrt verboten. Bei Bogenbrücken verändert sich je nach Wasserstand auch die lichte Durchfahrtsbreite unter dem Brückenbogen. Bei fallendem Wasserspiegel verringert sich je nach Flussprofil zudem auch die Breite der Fahrrinne.

In einigen Fällen werden auch andere Pegelkonstruktionen (Pegeluhren, digitale Anzeigen, usw.) als Brückenpegel genutzt.

  • Brückenpegel (animiert), Durchfahrtshöhe, hier je nach Wasserstandshöhe 6 oder 7 m

  • Gekennzeichnete Durchfahrt und deren Breite

  • Brückenpegel im Vorfeld einer Brücke – lichte Durchfahrtshöhe 23 m

  • Beispiel mit einer Durchfahrtshöhe von 7,5 m; innerhalb der gekennzeichneten Durchfahrtsbreite

Siehe auch

Weblinks

 Commons: Pegel – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Pegel – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Wasser- und Hochwasserstände Deutschland:

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

Wasserstände Österreich:

Wasserstände Schweiz:

Wasserstände Tschechien:

Einzelnachweise

  1. ↑ Beispiel digitale Pegeluhr in Konstanz am Bodensee
  2. ↑ Erprobung mobile Hochwasserpegel, Technisches Hilfswerk.
  3. ↑ Schifffahrts- und Brückenpegel, Wasser- und Schifffahrtsamt Bremen.
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