Ferngesteuerte Messung von Hochwasserabfluss in Wildbächen

Hintergrund

Wildbäche sind eine bedeutende Gefahr für Bergregionen. Sie reagieren sehr schnell auf intensiven Niederschlag, wie dies bei Gewittern der Fall ist. Ihr Abfluss kann innert kürzester Zeit von wenigen Litern auf mehrere Kubikmeter pro Sekunde ansteigen. Fast genau so schnell wie der Abfluss ansteigt, sinkt er nach einem Gewitterhochwasser wieder. Deshalb ist es nicht nur gefährlich, sondern auch sehr schwierig solche Hochwasserereignisse in Wildbächen zu messen.

Aufgrund von fehlenden oder nur sehr wenigen Eichmessungen weisen daher viele Pegel-Abfluss-Beziehungen im oberen Bereich wesentliche Unsicherheiten auf (Abbildung 1). Aber genau dieser obere Bereich von Pegel-Abfluss Beziehungen ist relevant, wenn es um die Dimensionierung von Schutzmassnahmen gegen Gewitterhochwasser in Einzugsgebieten von Wildbächen geht. Eine gute Pegel-Abfluss Beziehung verkleinert das Risiko von zusätzlichen Kosten durch eine allfällige Unter- oder Überdimensionierung von Schutzmassnahmen.

Ferngesteuerte, automatische Eichmessungen

Im Projekt HWmobil wurde ein System entwickelt, welches die Messung von Abflussspitzen von Gewitterhochwassern in Wildbächen ermöglicht. Damit können bestehende Pegel-Abfluss Beziehungen mit zusätzlichen Eichmessungen ergänzt werden oder neue Pegel-Abfluss Beziehungen für bisher ungemessene Einzugsgebiete erstellt werden. Aufgrund der Trübung von Wildbächen während Hochwasserereignissen wurde als Messmethode die Salzverdünnungsmethode gewählt.

Das Messsystem soll möglichst mobil sein und möglichst wenig Energie verbrauchen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wird das Salz in ungelöster Form in das Gerinne eingespeist. Damit verringert sich das nötige Volumen der Salzbehälter massiv. Dieses Vorgehen wurde in vorgängig durchgeführten gepaarten Messungen (gelöst/ungelöst) geprüft und für turbulente Gewässer als zulässig befunden.

Um das System mit möglichst wenig Energie zu betreiben, wird es nur aktiviert, wenn es im Einzugsgebiet regnet und daher die Wahrscheinlichkeit für erhöhte Abflusswerte steigen. Dazu werden Wetterradardaten auf einem Server kontinuierlich und automatisch analysiert. Sobald das Wetterradar Niederschlag im Einzugsgebiet anzeigt, wird der Station vor Ort ein Signal gesendet, welches die Pegelmessung aktiviert. Durch dieses Vorgehen kann die Messstation vor Ort mit zwei Solarpanel und dazugehörigen Batterien betrieben werden (Abbildung 2).

Da eine Ablussspitze erst erkannt werden kann, wenn sie bereits vorbei ist, wird die Eichmessung kurz nach der Abflussspitze getätigt. Die angemessene Menge Salz wird durch das Kippen von einer oder mehreren Salzkisten, welche über dem Gerinne installiert sind, in den Bach eingespeist. Bachabwärts wird die Leitfähigkeit und der Pegel gemessen. Aus der Salzmenge, dem Pegel und der Änderung der Leitfähigkeit über die Zeit kann nun der Abfluss berechnet werden.

Ergebnisse

Geprüft wurde dieses System am Vogelbach im Alptal. Dieser Bach verfügt über eine automatische Abflussmessstation und über eine bestehende Pegel-Abfluss Kurve. Somit konnte geprüft werden, ob die Eichmessungen mit dem neuen System plausible Werte liefern. Die über 30 Messungen welche seit der Installation 2014 gemacht wurden, zeigen eine gute Übereinstimmung mit der bestehenden Pegel-Abfluss Beziehung (Abbildung 3). Somit konnte die bestehende Beziehung mit unabhängigen Eichmessungen verifiziert werden. Das System kann also auch dafür verwendet werden Pegel-Abfluss Beziehungen für bisher ungemessene Wildbäche zu erstellen.