Hydrologische Messungen

Messgebiet & Instrumentierung

Ziel der hydrologischen Messungen ist es, reale Messdaten über den Oberflächengewässer-Grundwasser-Austausch zu gewinnen und diese als Rahmenbedingung und zur Validierung des integrierten Modells (s.u.) zu verwenden. Zu diesem Zweck wurden die drei wichtigsten Flüsse im Einzugsgebiet – Dreisam (Ober- & Unterlauf), Möhlin und Neumagen – zur genaueren Untersuchung ausgewählt.

Ein Messnetz aus insgesamt 20 Messstellen wurde installiert, an welchen kontinuierlich (10min-Intervall) Wasserstand und -temperatur gemessen werden. Zusätzlich erfolgen periodische Bestimmungen der Abflussmengen um robuste Wasserstand-Abfluss-Beziehungen für jede Station erstellen zu können.

Abbildung 1: Karte des Einzugsgebietes; die Flüsse Dreisam (dunkelblau), Möhlin (blau) und Neumagen (hellblau) liegen alle im Einflussbereich der Freiburger Trinkwasserversorgung (Wasserwerke: siehe rote Quadrate „WW“). Detaillierte Messungen erfolgen an 20 ausgewählten Messstellen (siehe Routen).

Neben kommerziell erhältlichen Wasserstandssensoren testen wir an mehreren Stellen einen Prototyp unseres Projektpartners TRUEBNER, welcher den Wasserstand mittels Druckdifferenz zwischen Atmosphäre und Wasser (am Gewässerboden) misst. Ein besonderes Feature des Sensors ist die Übermittelung von Livedaten via LoRaWAN-Netz was eine ferngesteuerte Überwachung der Messstationen erlaubt. Unter anderem, reduziert das den Wartungsbedarf der Messstationen und ermöglicht es uns auf schnelle Extremereignisse einzugehen.

Abbildung 2: Einfache Installation eines Wasserstandssensors (Prototyp der Firma TRUEBNER) an einem Baum am Gewässerrand (links). Ein Grafana-Dashboard mit eingestellten Alarmparametern (rechts) ermöglicht eine Überwachung aus der Ferne.

Aktueller Stand

Die Messstationen sind seit Juni 2023 im Betrieb und haben bereits Zeitreihen von 2+ Jahren Länge aufgezeichnet. Da es in diesem Zeitraum sowohl zu außergewöhnlichen Dürren als auch Flutungen gekommen ist, decken sie eine große Bandbreite an Ereignissen mit viel Variabilität ab.

Für jede Station wurden spezifische Wasserstands-Abfluss-Beziehungen kalibriert, welche es uns ermöglichen die Abflussmengen in einer sehr hohen zeitlichen Auflösung zu errechnen (10min-Intervall!).

Abbildung 3: Beobachtete Wasserstands-Abfluss-Beziehung einer Messstation (links) und die daraus resultierende kontinuierliche Abflusskurve (rechts).

Es treten allerdings weiterhin Herausforderungen auf, welche die Genauigkeit der Messungen beeinflussen, diese sind z.B.:

• Gerätebias beim Verwenden verschiedener Abflussmessgeräte
• Gewässerbettveränderung und Makrophyten
• Hochwasserschäden an den Messstationen

Um die Genauigkeit der Wasserstands-Abfluss-Beziehung zu verbessern, werden 2-dimensionale Modelle (mittels HEC-RAS) erstellt, an welchen die theoretische Kalibrierung berechnet werden kann. Das ermöglicht einen Vergleich zwischen errechneter und beobachteter Kalibrierung.

Anhand der Abflusszeitreihen werden Netto-Unterschiede zwischen aufeinanderfolgenden Stationen deutlich – hauptsächlich ein Resultat von Oberflächen-Grundwasser-Austausch (in beide Richtungen möglich). Auf diese Weise werden die Flüsse abschnittsweise charakterisiert und die Austauschrate quantifiziert.

Eine Veröffentlichung der Messdaten, sowie eine Publikation zur Oberflächen-Grundwasser-Interaktion ist geplant.