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1 Hinweise zur Gestaltung von Pegelnetzen im Küstenbereich bearbeitet vom LAWA-Unterausschuss “Pegel” Stand Dezember 2002

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Hinweise zur Gestaltung von Pegelnetzen

im Küstenbereich

bearbeitet vom LAWA-Unterausschuss “Pegel”

Stand Dezember 2002

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2 Impressum

Herausgegeben von der Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA)Vorsitz: Niedersächsisches Umweltministerium

1. Auflage: Hannover, 2002

Für den Druck wurde Recyclingpapier sowie umweltfreundliches, chlorfrei gebleichtes Papierverwendet.Nachdruck und Vervielfältigung, auch auszugsweise, ist nur mit Genehmigung des Herausgebersgestattet.

Die vorliegende Veröffentlichung ist zu einem Preis von Euro zu beziehen über den:Kulturbuchverlag Berlin GmbHSprosserweg 3, 12351 BerlinTel.: 030 / 661 8484; Fax: 030 / 661 7828Internet: http://www.kulturbuch-verlag.dee-mail: [email protected] - Nr.: 3-xxxxx-xxx-x

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LAWA-Unterausschuss “Pegel” 3

Die „Hinweise zur Gestaltung von Pegelnetzen im Küstenbereich“ wurden von der Fachgruppe„Küstenhydrologie“ des LAWA-Unterausschusses „Pegel“ erstellt. Mitgewirkt haben:

Dipl.-Ing. Benn Landesamt für Natur und Umwelt des LandesSchleswig-Holstein, Flintbek

Dipl.-Ing. Blasi, MSc, DIC Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz

Dipl.-Oz. Boehlich Bundesanstalt für WasserbauDienststelle Hamburg

Dipl.-Ing. Götschenberg Wasser- und Schifffahrtsamt, Wilhelmshaven

Dipl.-Ing. Neemann Wasser- und Schifffahrtsdirektion Nord, Kiel

Dipl.-Ing. Niemeyer Niedersächsisches Landesamt für Ökologie- Forschungsstelle Küste -, Norderney

Dipl.-Phys. Stigge Bundesamt für Seeschifffahrt undHydrographie, Rostock

Als Gast: Dipl.-Oz. Annutsch vormals Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie, Hamburg

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4 Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

Einleitung ..................................................................................................................... 6

Aufgabenfelder ............................................................................................................. 6

Anforderungen ............................................................................................................ 10

Kriterien ...................................................................................................................... 104.1 Planungsrahmen .................................................................................................. 11

4.1.1 Vorgaben .............................................................................................................12

4.1.2 Zeitrahmen ......................................................................................................... 12

4.1.3 Kosten ................................................................................................................ 12

4.1.4 Ergebnisse ......................................................................................................... 13

4.2 Raumbezogene Gegebenheiten .......................................................................... 13

4.3 Messstellen............................................................................................................13

4.3.1 Vorhandene Messstellen ....................................................................................... 13

4.3.2 Um- und Neubau von Messstellen......................................................................... 13

4.3.3 Daten .................................................................................................................... 16

Umsetzung ................................................................................................................... 16

5.1 Pegelnetzüberprüfung ........................................................................................ 17

5.2 Entwurf eines neuen Pegelnetzes ...................................................................... 17

Zusammenfassung ..................................................................................................... 18

Literatur ....................................................................................................................... 18

Anhang: Methoden

A 1 Statistische Methoden ........................................................................................ 20

A 1.1 Regressions- und Korrelationsanalyse ............................................................... 20

A 1.2 Wahrscheinlichkeitstheorie ................................................................................. 21

A 1.3 Stichprobentheorie ............................................................................................. 21

A 2 Optimierungsverfahren ........................................................................................ 23

A 3 Numerische Modellierung ................................................................................... 23

A 4 Empirische Abschätzungen ................................................................................. 24

Vorwort 5

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Die vielfältige und teilweise sehr intensive Nutzung der deutschen Küstengewässer bedarf zur

sachgerechten Bewirtschaftung einer umfangreichen Kenntnis des zeitlich und räumlich

variierenden Wasserdargebotes. Dies erfordert Pegelnetze, die den Anforderungen der

verschiedenen Nutzer sach- und fachlich gerecht werden. Deren Bedarf hat in der Vergangenheit

unterschiedliche Pegelnetze für verschiedene Aufgaben entstehen lassen.

Hier setzen die vorliegenden „Hinweise zur Gestaltung von Pegelnetzen im Küstenbereich“ an:

nach Auflistung der verschiedenen Aufgabenfelder sowie der Beschreibung der Anforderungen

der verschiedenen Nutzer werden die eigentlichen Kriterien, die zum Aufbau oder zur Optimierung

eines entsprechenden Pegelnetzes erforderlich sind, dargelegt. Dafür geeignete Methoden

werden im Anhang vorgestellt.

Ziel der vorliegenden Schrift soll es sein, sowohl dem fachlich als auch dem politisch

Verantwortlichen Entscheidungshinweise zu der Gestaltung von Pegelnetzen in einem Tidefluss

oder im Küstengebiet zu geben.

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Einleitung

Die deutschen Küstengewässer sind Lebens-raum, Schadstoffsenke, Raum für einen wach-senden Frachttransport sowie Teil des euro-päischen Gewässersystems und des größtenKlimasystems der Erde1. Die vielfältige undteilweise sehr intensive Nutzung des Wasserserfordert in zunehmendem Maße eine sachge-rechte und rechtskonforme Bewirtschaftung.Voraussetzung dafür ist eine hinreichendeKenntnis des Wasserdargebotes in seinerräumlichen und zeitlichen Variabilität. Dazu be-darf es eines angemessenen, wissenschaft-lichen Ansprüchen genügenden Messnetzes,das die verschiedenen Parameter integrierendund damit ökonomisch erfasst.Nach DIN 4049-1 ist ein Messnetz die Ge-samtheit der Messstellen, die einem bestimm-ten Zweck dienen und nach einem gleichwerti-gen Messprogramm betrieben werden. DasMessprogramm ist ein Programm, in dem diezu messenden Kenngrößen, Art, Zeitfolge undDauer der Messungen und der Probennahmesowie Messverfahren und Randbedingungenfestgelegt werden. Je nach Aufgabe könnensomit im selben Netz unterschiedliche Mess-programme betrieben werden.

Die heutige Pegeltechnik reicht von Lattenpe-geln, an denen ein Wasserstandswert abgele-sen werden kann, bis zu elektronischen Pe-geln, die Wasserstandsdaten in digitaler Formregistrieren. Die Pegelvorschrift (LAWA 1997)regelt bundeseinheitlich deren Bau und Be-trieb. Damit ist die Möglichkeit der Vergleich-barkeit von Messungen an unterschiedlichenOrten gegeben. Die Pegelvorschrift enthält je-doch nur grobe Vorgaben für die Gestaltungvon Pegelnetzen. Hier setzen die vorliegendenHinweise ein. Aus Gründen der Fachkompe-tenz beschränken sie sich auf Wasserstandund Durchfluss oberirdischer Gewässer im Kü-stenraum der Nord- und Ostsee.

Ziel der vorliegenden Schrift soll es sein, so-wohl dem fachlich als auch dem politisch Ver-antwortlichen Entscheidungshinweise zu derGestaltung von Pegelnetzen in einem Tide-fluss oder im Küstengebiet zu geben.

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nach einer These der Weltklimakonferenz 1990 undder UNO-Umweltkonferenz (UNCED) 1992

Dazu werden in Kapitel 2 zunächst die Aufga-benfelder und in Kapitel 3 die Anforderungenan ein Pegelnetz aufgeführt, bevor in Kapitel 4die eigentlichen Kriterien geschildert werden.Das Kapitel 5 soll die Umsetzung der Hinweiseerleichtern. Bei deren Anwendung sind dieAusführungen durch die Besonderheiten vorOrt zu ergänzen. Die Umsetzungsmethodenwerden im Anhang zusammengefasst.

In Vorbereitung dieser Schrift wurde mithilfe desKuratoriums für Forschung im Küsteningenieur-wesen 1996 an der Universität / Gesamthoch-schule Siegen eine Literaturstudie angefertigt(JENSEN 1996). Sie beschreibt ähnliche Arbeitenund Ansätze anderer Netzbetreiber sowieEmpfehlungen der WMO, konnte aber wederauf nationaler noch auf internationaler Ebenespezielle Veröffentlichungen über die Gestaltungvon Netzen im Küstengebiet ausfindig machen.

Aufgabenfelder

Aus den unterschiedlichen Aufgaben wuchs imLaufe der Jahre eine Ansammlung von Mess-stellen, deren Verteilung nach Raum und Zeitüberwiegend unsystematisch war und sich je-weils nur an der zugeordneten Aufgabe orien-tierte. Mögliche Verflechtungen verschiedenerPegelnetze werden am Beispiel eines Aus-schnittes im Bereich der Nordseeküste gezeigt(Abb. 1 a-h).

Die Wasserbewirtschaftung verlangt einerseitsdie verträgliche Bereitstellung von Brauchwas-ser für Landwirtschaft, Wirtschaft und Bevölke-rung, andererseits die schadlose Abführung desBrauch- und Niederschlagswassers. Sie dientder Ertragssteigerung und Sicherung des Le-bensunterhalts. Bei der Beanspruchung dervorhandenen Wasserressourcen treten konkur-rierende Nutzungen auf, die beispielsweise inwasserwirtschaftlichen Rahmenplänen gegen-einander abgewogen werden.

Im Bereich der Küstenlinie sind Wasserbewirt-schaftung und Küstenschutz miteinander ver-knüpft und erfordern ein abgestimmtes Handeln.Sowohl die Kenntnis von Wasserstandsdatenaus der Vergangenheit als auch der Ausblickauf zukünftige Entwicklungen sind wesentlichePlanungskriterien zur Erfüllung dieses Aufga-benfeldes.

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Abb. 1a: Mögliche Verflechtungen verschiedener Messnetze amBeispiel eines Bereiches der deutschen Nordseeküste, hier:Binnenentwässerung, Außentiefmorphologie

Abb. 1b: Mögliche Verflechtungen verschiedener Messnetze amBeispiel eines Bereiches der deutschen Nordseeküste, hier für dieBeweissicherung in der Dithmarschen Bucht

Abb. 1c: Mögliche Verflechtungen verschiedener Messnetze amBeispiel eines Bereiches der deutschen Nordseeküste, hier fürAufgaben des Naturschutzes / Nationalparks

Abb. 1d: Mögliche Verflechtungen verschiedener Messnetze amBeispiel eines Bereiches der deutschen Nordseeküste, hier für dieSteuerungszwecke (Eidersperrwerks, Oste, NOK)

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Abb. 1e: Mögliche Verflechtungen verschiedener Messnetze amBeispiel eines Bereiches der deutschen Nordseeküste, hier:zur Untersuchung der Wattenmorphologie, Peilungen

Abb. 1f: Mögliche Verflechtungen verschiedener Messnetze amBeispiel eines Bereiches der deutschen Nordseeküste, hier:Wasserstände für Baggerungen, Wracksuche usw.

Abb. 1g: Mögliche Verflechtungen verschiedener Messnetze amBeispiel eines Bereiches der deutschen Nordseeküste, hier:zur Wasserstandsvorhersage für die Schiffahrt

Abb. 1h: Mögliche Verflechtungen verschiedener Messnetze amBeispiel eines Bereiches der deutschen Nordseeküste, hier:Wasserstandsvorhersage (z.B. bei Sturmflut)

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Das Aufgabenfeld Wasserstraße und Hafendient der sicheren und leichten Abwicklung derSchifffahrt. Für Bau- und Unterhaltungsmaß-nahmen werden insbesondere vor dem Hinter-grund der ökologischen Verträglichkeit histori-sche und prognostizierte Daten benötigt, für denBetrieb prognostizierte und aktuelle Daten.

Die Ökologie ist, historisch betrachtet, das jüng-ste Aufgabenfeld, dessen Ziel es ist, die natürli-chen Ressourcen zu schützen, zu pflegen undzu entwickeln. Dazu sind im Bereich der Ge-wässer häufig Zeitreihen von Wasserständenund Durchflüssen, aber auch aktuelle und pro-gnostizierte Werte erforderlich.

Die bisher genannten Aufgabenfelder erfordernoftmals lange Reihen. Der zu deren Gewinnungerforderliche Zeitrahmen passt oft nicht mit denaktuellen Aufgaben zusammen. Um dennochAussagen treffen zu können, ist im Rahmen derstaatlichen Vorsorge ein Messnetz zu betrei-ben, das je nach Bedarf Daten für unterschiedli-che Aufgabenfelder liefern kann. So dienen die-se Messungen zum Zeitpunkt ihrer Erhebungnicht unmittelbaren Zwecken, sondern diese er-geben sich eventuell erst mit fortschreitendemErkenntnisgewinn.

Für wissenschaftliche Zwecke erforderlicheDaten werden z.T. dem Messnetz anderer Auf-gabenfelder entnommen, benötigen darüberhinaus aber immer wieder sehr speziell konfigu-rierte Messstellen, die wiederum für andere Auf-gabenfelder wenig relevant sind.

Tabelle 1 listet die Aufgaben detailliert auf. Dieeinzelnen Projekte sind beispielhaft aufgeführt.Jedes Aufgabenfeld sowie dessen Projekte ha-ben entsprechend ihrer Bedeutung rechtlicheGrundlagen und Aspekte. Sie sind daher nichtbesonders benannt.

Maßnahmen, die sich direkt oder indirekt aufdas mengen- oder gütemäßige Wasserdargebotauswirken oder zu einer weiteren Inanspruch-nahme des Wasserhaushaltes oder der Gewäs-ser führen können, sind hinsichtlich ihrer Ver-träglichkeit mit den insgesamt vorhandenenAnforderungen an den Wasserhaushalt zuüberprüfen. Für den unmittelbaren wasserrecht-lichen Gesetzesvollzug sind hierbei

- Entscheidungen über Gewässernutzungen- Entscheidungen über Ausbauvorhaben- die Ausweisung von Wasserschutz- und

Überschwemmungsgebieten

Aufgabenfeld Projekte Datenbedarf der Projektein der Vergan-

genheit er-fasste Daten

momentanerfassteDaten

prognosti-zierte Da-

tenWasserwirtschaft Rahmenplanung

BewirtschaftungspläneWassernutzung- Betriebssteuerung von Anlagen- VorflutregelungFestlegung der ÜberschwemmungsgebieteFestlegung der Eigentumsgrenzen

X

XX

X

XX

X

X

Küstenschutz BemessungswasserstandWindstauBauwerkskonstruktion und -unterhaltungGefahrenabwehr bei SturmflutSturmflutwarndienst

XX

X

X

X

X

XXX

Wasserstraße/Hafen

Verkehrssicherung- Verkehrssicherungspeilung- Tidefahrplan- WasserstandsvorhersageAktuelle WasserstandsinformationHafen- und Strombau

X

X

XXXXX

XX

XÖkologie Überflutungsdauern

WasserbeschaffenheitBiotopzonierungRenaturierungEU-Rahmenregelungen

X

XXX

XXXX

Vorsorge,Wissenschaft

Gewässerkundliches JahrbuchMeeresspiegeländerungFestlegen des KartennullsTopographische GeländeaufnahmeVerifikation numerischer ModelleAnalyse der Tidedynamik

XXX

XX

X

X

Tabelle 1: Aufgaben der Wasserstandsmessnetze im Küstengebiet

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- die Regelung der Gewässer- und Anlagen-unterhaltung

- die Gefahrenabwehr- die Erstellung wasserwirtschaftlicher Plänevon besonderer Relevanz.

Im Einzelnen hat der gewässerkundliche Dienstim Küstengebiet die Aufgabe, die Daten für daswasserwirtschaftliche Handeln bereitzustellen,das auf- die Nutzung der Gewässer zur Entwässe-

rung, als Verkehrsträger und für Freizeit undErholung

- die Sicherstellung eines ökologisch vertret-baren Hochwasserschutzes

- den Schutz des Gewässers durch Minimie-rung der chemischen und biologischen Be-lastungen

- die Erstellung von Prognosen aufgrund vonKlimaänderungen

ausgerichtet ist (nach LAWA 2000).

Anforderungen

Dem gewässerkundlichen Mess- und Beob-achtungsdienst erwachsen aus den Aufgaben-feldern folgende maßgebliche Anforderungenund Konsequenzen:- An die Entscheidungsgrundlagen – und da-

mit an die Zuverlässigkeit der Datenbasis –sind hohe Anforderungen zu stellen.

- Nachweis des Umfangs und der Eintrags-pfade von Gewässerbelastungen und derökologischen Einflüsse. Neben punktuellensind auch die flächenhaften Einträge zu er-fassen.

- Aufgrund der Vielzahl der Einflussgrößensowie ihrer räumlichen und zeitlichen Varia-bilität ist eine umfassende messtechnischeErfassung aus finanziellen Gründen nichtmöglich. Eine Beschränkung auf die maß-geblichen Einflussgrößen erfordert hinrei-chende Kenntnis der sie steuernden Grö-ßen. Die dafür erforderlichen Daten-grundlagen sind vom gewässerkundlichenMessdienst zu erheben und zu analysieren.Die dafür erforderlichen Methoden sind vonWissenschaft und Forschung bereitzustellen(LAWA 2001).

Anforderungen an die Gestaltung eines künfti-gen Pegelnetzes hat die LAWA in mehrerenSchriften genannt (LAWA 1999a, 1999b, 2000,2001). Zusätzlich erlangen die Regelungen derEU auch im Bereich des Wasserrechts eine

wachsende Bedeutung, insbesondere durch dieVerabschiedung der Wasserrahmenrichtlinie.

Kriterien

Ökonomische Zwänge und neue technischeMöglichkeiten gebieten eine optimale Integrationund Gestaltung der Netze. Es ist heute nichtmehr zu akzeptieren, dass sich ein staatlichesMessnetz aus mehr oder weniger unkoordinier-ten Teilnetzen zusammensetzt, die teilweise daszufällige Ergebnis einer Reihe von Ad-hoc-Antworten auf Fragen der Vergangenheit sind(LAWA 1999b). Die dafür notwendigen Kriterienwerden nachfolgend aufgeführt.

Für jedes der aufgabenspezifischen Pegelnetzeist zu Beginn der Netzgestaltung zunächst derMessumfang qualitativ und quantitativ festzule-gen und eine präzise Beschreibung des ge-samten Aufgabenspektrums zu erstellen. Siebeeinflusst entscheidend die Qualität des Mess-ergebnisses, das wissenschaftlichen Ansprü-chen genügen muss.

Dabei hängt die Qualität eines Messnetzes nichtnur von der Beschaffenheit der einzelnen Mess-stellen, sondern auch von der Art des zugrun-degelegten Messprogramms ab. Außerdem be-stimmt die Zielrichtung den Aussagegehalt derMessdaten (JENSEN 1996).

Die Beschreibung setzt gute Kenntnisse dertechnischen und methodischen Umsetzbarkeitvoraus. Sie sollte stets am Anfang eines Pro-jekts, gleich in welcher Qualität und in welchemUmfang, stehen. Sie wurde bisher allerdingsselten systematisch durchgeführt.

Die Beschreibung sollte neben der Nennung derAufgabe auch Angaben zu den räumlichen Ge-gebenheiten, den vorhandenen und geplantenMessstellen und den vorhandenen und zu ge-winnenden Daten machen.

Bei einer Überprüfung eines bestehenden Pegel-netzes muss eine Aussage getroffen werden, obdas Netz inhaltlich und qualitätsmäßig noch denAnsprüchen genügt und seinen Zweck erfüllt.Eventuell muss es in eine andere Aufgabe inte-griert werden.

Die verschiedenen Aufgaben werden einerstrukturellen und methodischen Betrachtungunterzogen. Bei der strukturellen Betrachtung

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werden die Ziele, die Aufgaben und der Zweckder Messnetze genau definiert (s. Tab. 1) undsomit die Gründe für das Messen dargelegt.Außerdem sind Tätigkeitsfelder der beteiligtenOrganisationen zu beschreiben (JENSEN 1996).Die methodische Betrachtung von Messnetzenbeinhaltet die Abschätzung der hydrologischenZusammenhänge von ablaufenden physikali-schen Prozessen. Zur Minimierung der verblei-benden Unsicherheiten, welche teilweise imMessen selbst liegen bzw. in den nicht bekann-ten Prozessen, werden mathematische Metho-den angewendet, die im Anhang vorgestelltwerden.

In einem Messnetz sollen die Standorte derMessgeräte (Pegel) so angeordnet sein, das ei-nerseits aus Gründen der Wirtschaftlichkeitmöglichst wenig Geräte zum Einsatz kommen,andererseits aus den registrierten Messungendie Parameter an Stellen, an denen nicht ge-messen wurde, mit einem bestimmten maxima-len Fehler interpoliert werden können. Voraus-setzung dafür ist die Kenntnis des Zusammen-hangs zwischen den Werten an Messstellen undden Werten an anderen Stellen.Dabei können Messnetze in zwei Typen unter-teilt werden:- Flächennetze, charakterisiert durch physio-

grafische Einheiten, z.B. Wattgebiete oderEinzugsgebiete im Tidebinnengebiet;

- lineare Netze, charakterisiert durch (Tide-)Flüsse.

Flächennetze erfordern eine zweidimensionaleInterpolation; lineare Netze kommen mit eindi-mensionaler Interpolation aus.

Eine Zuweisung der Messstellen zu einemMessnetztyp kann vorteilhaft sein. SHAW hat dieEmpfehlungen zur Bezeichnung von Messsta-tionen der WMO in folgender Weise beschrie-ben (SHAW 1983):- Primärstationen sind permanent arbeitende

Messstationen, u.a. für Wasserstands- undDurchflussmessungen, deren Aufzeichnun-gen möglichst komplett und genau sein sol-len.

- Sekundärstationen bleiben solange instal-liert, bis eine zufriedenstellende Korrelationzu den Primärstationen gefunden ist. DerMessumfang in einer Sekundärstation sollteso groß wie möglich sein; Beobachtungensowie Aufzeichnungen sollten dem Standardvon Primärstationen entsprechen.

- Spezialstationen erfüllen besondere Anfor-derungen. Sie sind meist einem speziellenProjekt zugeordnet. Sie können je nach Er-

fordernis permanente oder temporäre Sta-tionen sein und Primär- bzw. Sekundärsta-tionen zugeordnet sein (JENSEN 1996).

Bei der Verteilung der Stationen werden bereitsweitreichende Entscheidungen über die späte-ren Nutzungsmöglichkeiten des Netzes getrof-fen. Auch wenn diese noch nicht in allen Einzel-heiten bekannt sind, sollte der Versuch unter-nommen werden, dies in einem frühen Stadiumzu berücksichtigen. Eine Messnetzgestaltungnach dem Motto „Je mehr desto besser“ führtnicht nur zu Fehlinvestitionen. Bei einem zudichten Netz können zudem personelle Proble-me bei der Gewinnung und Auswertung der um-fangreichen Datenmengen auftreten. Unterdi-mensionierte Messnetze bergen hingegen dieGefahr, fehlerhafte Grundlagen für wasserwirt-schaftliche Planungen zu liefern und Fehldimen-sionierungen von Bauwerken zu bewirken.

Aufgrund des komplexen und teilweise unein-heitlichen Aufgabengebiets kann bei der Ge-staltung von Pegelnetzen nicht ein allgemeingültiger Katalog von Kriterien aufgestellt werden.Es sind von Fall zu Fall individuelle Entschei-dungen zu treffen, bei denen gleichwohl auf ei-nen Katalog allgemeiner Ansätze und Forde-rungen zurückgegriffen werden kann (JENSEN1996), wie er nachfolgend aufgeführt ist. Fürjede Aufgabe innerhalb der in Kap. 2 genann-ten Aufgabenfelder sind individuell die Kriterienauszuwählen, die zur Gestaltung des Mess-netzes optimal erscheinen. Ein pauschalesVorgehen führt meist zu schlechteren Lösun-gen.

Da Kriterien von der gesellschaftlichen Ent-wicklung und von Naturwissenschaft und Tech-nik abhängen, sind die Messnetze von Zeit zuZeit zu überprüfen und anzupassen.

4.1 Planungsrahmen

Der Planungsrahmen eines Messnetzes um-fasst die Definition von Ziel und Zweck desProjekts, die allgemeinen und speziellen Vor-gaben, den Zeitrahmen und die zu erwarten-den Kosten und Ergebnisse. Auch sind Priori-täten zu setzen: Die Wartungsfreundlichkeitdarf z.B. nicht die hydrologischen Forderungendominieren.

Die Forderung nach der Formulierung von Zielund Zweck des Messnetzes erscheint sowohleinfach als selbstverständlich, doch weisen ge-

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genwärtige Messnetze gerade an dieser Stelledeutliche Defizite auf. Die Folgen solcher Män-gel können den Nutzen des ganzen Netzes inFrage stellen (JENSEN 1996).

4.1.1 Vorgaben

Vorgaben lassen sich in politische und admini-strative Forderungen unterteilen.

Politische wie sozio-ökonomische Forderungengeben die Richtung des Messwesens insgesamtvor und haben somit häufig direkten Einfluss aufdie Netzgestaltung. Pegelnetze werden heutefast ausschließlich staatlich betrieben. Sie un-terstehen somit direkt dem politischen Willen. ImVordergrund politischen Handelns steht die Um-setzung des gesellschaftlichen Auftrags. Einewichtige Voraussetzung für den Projekterfolg istseine Einbettung in diesen Auftrag.

Gesetze, Normen, RichtlinienWassergesetze schaffen die rechtlichen, Nor-men die technischen Grundlagen für denUmgang des Menschen mit dem Wasser. Richt-linien geben konkrete Handlungsanweisungen.Landeswassergesetze bilden z.B. die rechtlicheBasis für den Betrieb gewässerkundlicher Mess-anlagen; die DIN 4049 definiert Begriffe der Hy-drologie und die Pegelvorschrift der LAWA gibtHinweise zur sachgerechten Errichtung undzum Betrieb von Pegeln. Sie alle haben norma-tiven Charakter und damit Vorrang vor allen an-deren Kriterien. Folgende Bundesgesetze bildenden Rahmen für Messnetzkonzepte: Wasser-haushaltsgesetz, Bundesnaturschutzgesetz,Bundeswasserstraßengesetz, Seeaufgabenge-setz. Auf Seiten der Küstenländer sind es: Was-sergesetze, Deichgesetze, Naturschutzgesetzeund Nationalparkgesetze. Sie alle sind nicht nurim nationalen Kontext zu sehen, sondern müs-sen übergeordneten europäischen Rahmen-richtlinien angepasst werden.

Spezielle Vorgabensind aufgabenspezifisch und orientieren sichoft an orts- und verwaltungspolitischen Vorga-ben. Sie sind häufig von ökonomischen An-nahmen geprägt, die mit den hydrologischenNotwendigkeiten in Einklang zu bringen sind.

4.1.2 Zeitrahmen

Umfang und Ausgestaltung eines Messnetzessind auch abhängig von der Zeit, die bis zur er-

warteten Ablieferung des Ergebnisses zur Ver-fügung steht. Ein kurzzeitiges Netz wird andersgeplant werden müssen als ein Netz, das überJahrzehnte bestehen und alle Eventualitätenabdecken soll.

Verschiedene Aufgaben erfordern lange Reihen,(z.B. Analyse der Tidedynamik, Ermittlung vonÜberflutungsdauern, Wasserstandsvorhersage),andere können unmittelbar nach Abarbeitungder Aufgabe beendet werden (z.B. Baggerun-gen, Sturmflutwarn- und Meldedienste).

Die zeitliche Begrenzung von Messaktionen isthäufig an bestimmte Maßnahmen, wie z.B. Be-weissicherungen oder Planungsräume gebun-den. Besondere örtliche Verhältnisse könnenebenfalls zeitliche Begrenzungen zur Folge ha-ben: Die im Watt aufgestellten Pegel werdenz.B. zum Schutz vor Zerstörung durch Eisgangin den Wintermonaten eingezogen. Die entstan-dene Lücke muss mit geeigneten Methoden ausden Aufzeichnungen der in Betrieb gebliebenenPegel geschlossen, die dabei auftretenden Un-sicherheiten hingenommen werden (LAWA1998). Die so gewonnenen Daten bieten den-noch einen höheren Erkenntnisgewinn als Ab-schätzungen.

4.1.3 Kosten

Kosten und Nutzen sind unter Berücksichtigungder Nachteile zu quantifizieren, die aus einerabgeschätzten oder ungenauen Datenlage ent-stehen. Einzubeziehen ist auch eine Würdigungder zu erwartenden und hinnehmbaren Mess-ungenauigkeiten, da dadurch der Kostenauf-wand u.U. erheblich beeinflusst wird.

Die Kosten-Nutzen-Analyse zeigt Schwächenoder Stärken eines Messnetzes in monetärerHinsicht auf. Sie ist aufwändig zu erstellen, daalle Kosten, die ein Messnetz direkt oder indirektverursacht, und der Nutzen, der aus einem Netzzu gewinnen ist, analysiert werden müssen. Siegibt aber Sicherheit gegenüber politischer Be-gehrlichkeit und kann u.U. Personal- undMesskapazität sowie Kompetenz sichern. DieNachteile durch den Verlust von Informationendurch Messfehler oder falsche Standorte sindmonetär zu bewerten.

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4.1.4 Ergebnisse

Schon zu Beginn einer Netzgestaltung sollteüberschläglich das erwartete Ergebnis genanntwerden. Es dient der Orientierung bei der kon-kreten Ausgestaltung des Netzes. Es soll auchAussagen über die Erwartungen an den Zeit-punkt und den Umfang der Verfügbarkeit sowieden Genauigkeitsgrad der Daten enthalten.Details werden im Kapitel 4.3 genannt.

4.2 Raumbezogene Gegebenheiten

Astronomische, topografische, meteorologischeund anthropogene Gegebenheiten prägen dashydrologische Geschehen überwiegend und invielfältiger Weise. Sie können kontinuierliche,schleichende oder sprunghafte Veränderungenin unterschiedlich langen Zeitspannen verursa-chen. Auf die Gestaltung eines Pegelnetzes ha-ben sie stets einen großen Einfluss, der aberkaum erschöpfend beschrieben werden kann,da er meist zu komplex ist. Es gilt daher, für diezu betrachtenden physiografischen Einheiten(z.B. Wattgerinne, Tidebecken, Platen, Tide-flüsse, Bodden) Kenngrößen zu erfassen, diedie Gegebenheiten des Einzugs- oder Einfluss-gebietes möglichst klar erkennbar wiedergeben.Dazu zählen u.a. Angaben zur- Topografie:

- Lage und Begrenzungen der physiogra-fischen Einheiten

- Anlagen aus Wasserwirtschaft, Siedlun-gen, Verkehr (z.B. Sperrwerke, Siele,Schöpfwerke, Schleusen)

- Sperr- und Sondergebiete- Morphologie:

- Oberflächengestalt der physiografischenEinheiten

- Quer- und Längsprofile- Gebiete mit starker Sediment- und

Schwebstoffführung, Rinnenverlagerun-gen

- Hydrologie:- Erfasste und mögliche Extremwasser-

stände- Strömungs- und Seegangsexponierte

Bereiche- Salzgehalt, Wassertemperatur

- Meteorologie:- Windrichtung und –stärke- Luftdruck- Niederschlag- Lufttemperatur.

4.3 Messstellen

Als Messstelle wird die Einheit von Geber, Da-tenübertragung und –aufzeichnung verstanden.

4.3.1 Vorhandene Messstellen

Häufig sind im Plangebiet oder dessen Umfeldbereits Messstellen vorhanden, die es zunächstzu berücksichtigen gilt. Dazu ist jede Messstellequalitativ zu bewerten. Wichtige Faktoren sindZuverlässigkeit und Dauer, sowie die in dennachfolgenden Kapiteln aufgeführten Kriterien.

4.3.2 Um- und Neubau von Mess-stellen

Die Lage und Gestaltung der Messstelle solltenaturverträglich sein und mit den Betroffenen(z.B. Grund- und Gewässereigentümer, Wasser-und Bodenverband) abgestimmt werden. Bau-maßnahmen wie Profilsicherungen, Messstegeund Pegelhäuser sind in empfindlichen Gebie-ten auf das unbedingt Notwendige zu beschrän-ken und rechtzeitig mit den Naturschutzbehör-den abzustimmen. Auch die Zuwege sollten hiermöglichst kurz sein.

Die Verlegung einer Messstelle sollte möglichstvermieden werden, um die Homogenität langerReihen nicht zu stören. Das gilt u.U. auch, wenndurch die Einführung neuer Messtechnik einStandort leichter erreichbar wäre. Ist eine Verle-gung unumgänglich, ist über einen ausreichendlangen Zeitabschnitt nach der Pegelvorschrift,Stammtext (LAWA 1997) ein paralleler Betrieban dem neuen und bisherigen Standort erfor-derlich, um ggf. Veränderungen nachweisen zukönnen.

Die Anlage muss wartungsfreundlich und leichtzugänglich sein und der Arbeitssicherheit genü-gen. Der im Küstengebiet starke Bewuchs durchsessile Tiere darf das Messergebnis nicht be-einträchtigen. Die Messeinrichtung darf nichteinfrieren oder durch Eisgang zerstört werden.

Die Lage in der Fläche muss folgendes berück-sichtigen:- Die Messstelle muss für ein größeres Gebiet

repräsentativ sein. Bei vielen Untersu-chungszielen wird von einem Messnetz all-gemein eine flächenbezogene Aussage er-wartet. In jedem Fall muss zu den benach-barten Messstellen des Messnetzes eine so

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enge Beziehung bestehen, dass eine ver-lässliche Interpolation der Messwerte mög-lich ist (LAWA 2000). Es gilt, ein Optimumzwischen der notwendigen Information undder Anzahl der Messstellen zu finden. ZurBestimmung dieses Optimums können ver-schiedene Methoden oder Verfahren einge-setzt werden. Sie arbeiten häufig nach demPrinzip der Minimierung von Informations-verlust und Fehlern. Für das AufgabenfeldVorsorge und Wissenschaft sind diese Ver-fahren mit Vorsicht einzusetzen, da im Be-reich der Wissenschaft Grundlagen für Ge-biete erarbeitet werden sollen, die noch nichtvöllig erforscht sind. Die Messnetze für dieseBereiche unterliegen einem ständigen Wan-del, der sich an dem wachsenden Erkennt-nisgewinn orientiert.

- Die im Anhang dargestellten Verfahren undMethoden können für die Auswahl einesPegelstandortes gute Ergebnisse liefern.Allen gemeinsam ist, dass auch sie Mess-daten benötigen, wenn auch häufig nurüber eine kurze Dauer, dafür aber u.U. inhöherer räumlicher Dichte. Außerdem er-fordert deren Anwendung meist große Er-fahrung und einen bedeutenden Zeitauf-wand. Im Einzelnen ist abzuwägen, wievorzugehen ist.

- Die Dichte des Pegelnetzes ist eine Funk-tion der erforderlichen Genauigkeit: In Fäl-len irregulärer Verteilung hydrologischerVariablen wird ein dichteres Pegelnetz er-forderlich. Es gilt allerdings auch hier derGrundsatz: Wenige genaue Messwerte sindbesser als viele schlechte.

- Bevorzugte Standorte für Pegel sind nachSTAROSOLSZKY(1986) Einmündungen wich-tiger Nebengewässer, Gewässer-verzweigungen sowie Punkte, an denensich das hydrologische Regime ändert(z.B. Tidegrenze, Mündung ins Meer, Weh-re, Sperrwerke, Siele, Schöpfwerke). AnFließgewässern sind Staueinflüsse durcheinmündende Gewässer, Schöpfwerke undDüker zu beachten.

- Der Pegel muss Daten liefern, die als re-präsentativ sowohl für die Zeitspanne alsauch für den Ort gelten können, für die dieMessstelle errichtet wird. Dauermessstel-len sollten so angelegt werden, dass derenDaten über eine möglichst lange Zeitspan-ne homogen erfasst werden können.

- Zur Ermittlung der Einträge in die Nord- oderOstsee sind repräsentative Daten erforder-lich.

- In einem Wattstrom oder Tidefluss solltedie auflaufende Tidewelle erfasst werden,da Formänderungen ein Indiz für bedeu-tende Veränderungen des Wattstrom- oderFlussregimes sind. Dazu sind nach Pegel-vorschrift an einem Wattstrom mindestens3 Pegel erforderlich.

Die Lage am Gewässer muss repräsentativ fürden Gewässerabschnitt sein, an dem die Mess-stelle liegt. Dazu zählen gute Bedingungen fürMessen und Beobachten, wie möglichst gerin-ger Abstand zwischen dem Registriergerät undder Stelle am Gewässer, an der gemessen wird,vollständige Erfassbarkeit der Ganglinie für denbenötigten Höhenbereich (einschließlich der ex-tremen Wasserstandsbereiche), ggf. geeigneteMöglichkeiten zur Durchführung von Durchfluss-und Wellenmessungen, sowie sonstiger Mes-sungen in Reichweite des Pegels, stabile Mor-phologie (geringe Erosionen oder Anlandungenim Messquerschnitt).

Die Geräteausstattung und das Messverfahrenmüssen abhängig von Aufgabendefinition undAussagegenauigkeit gestaltet werden.

Dazu sind Messgeräte mit einer Datenauflösungin Höhe und Zeit zu wählen, die erwarten las-sen, dass das angestrebte Ergebnis erreichtwerden kann. Handelt es sich dabei um Stan-dardgeräte mit einer höheren Auflösung als er-forderlich, ist ggf. die Auflösung festzulegen. Ei-ne unnötig hohe Auflösung kann zu erhöhtenKosten bei Datengewinnung, -auswertung und-vorhaltung führen.

Obwohl einige Aufgaben mit Daten in zeitlichweiter Folge auskommen, ist es zu deren Be-stimmung erforderlich, in zeitlich hoher Auflö-sung zu registrieren. Tabelle 2 gibt auch Aus-kunft über die Anforderungen an die zeitlicheAuflösung der Kennwerte. Allen gemeinsam istdie Forderung, dass der Zeitpunkt des Beginnsder Messungen, deren zeitliche Auflösung undDauer so zu wählen sind, dass die Ergebnisseeine wissenschaftlichen Ansprüchen genügendeQualität aufweisen, um die Beantwortung deraus den gestellten Aufgaben entstandenen Fra-gen zu ermöglichen. Wenn dafür an bestimmtenOrten Langzeitmessungen fehlen, ist, wennmöglich, die Übertragung der Messergebnissevon Nachbarstationen erforderlich. Gleiches giltfür Aufzeichnungen, die Lücken aufweisen.

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Hinweise zur Gestaltung von Pegelnetzen im Küstenbereich 15

Die Art und Weise der Messung ist grundsätz-lich so einzurichten, dass sie aufgabengerechterfolgt. Daher muss sich die Genauigkeit derMessung nach der Aufgabe mit der höchstenAnforderung richten. Bei hohen Anforderungenan die Messgenauigkeit bestehen grundsätzli-che Schwierigkeiten, die zudem von solchenüberlagert werden, die für das Küstengebietspezifisch sind.

Bei Dauermessstellen ist höchste Qualität mitlanger Lebensdauer, geringem Wartungsauf-wand, ausreichender zeitlicher Auflösung beigeringem Ausfall und hoher Registrierrichtigkeitzu fordern. Die Geräteausstattung muss mög-lichst kompatibel mit der vorherigen und nach-folgenden Generation sein und möglichst sicher

gegen Vandalismus und Diebstahl. Sie mussweiterhin den besonderen Bedingungen der Kü-ste gewachsen sein (sichere Funktion auch beiBewuchs, Korrosion, Verschmutzung, hoherLuftfeuchtigkeit, Seegang, Sturm, Gischt), lang-zeitstabil und netzautark mit geringer Leistungs-aufnahme sein und durch technisch/organisa-torische Maßnahmen Sicherheiten gegen Dat-enverlust bieten.

Ein küstenspezifisches Problem ist der nahezuständig unruhige Wasserspiegel, der ein Able-sen der Pegellatte mit hohen Genauigkeitsan-forderungen wesentlich erschwert. Daher ist beiWellenschlag eine Kalibrierung der Messgerätemithilfe eines Rohres oder eines Beckens mitgedämpftem Wasserstand anzustreben.

SchifffahrtVer-

messungKüsten-schutz Entwässerung Ökologie Vorsorge

tideaußen tidebinnen

Handlungs-rahmen

SeeStrGWStrG

SeeAufgG

WStrGSeeAufgG

LWG LWG LWG LWG LNatG LWGAufgabe(Fehler-toleranz) 10 cm 5 cm 1 cm 1 cm 1 cm 5 cm 1 cmAusrichtungdes Netzes Linie

Linie /Fläche

Linie /Fläche Punkt Fläche Fläche Fläche

VerfahrenOptimie-

rungsverf.Optimie-

rungsverf.Optimie-

rungsverf.Num.

ModellN-A-

ModellNum.

ModellAufgaben-abhängig

Überschnei-den mit ande-ren Aufgaben Prüfen Prüfen Prüfen Prüfen Prüfen Prüfen Prüfen

örtliche Kriterien

Gebiets-repräsentanz

Wasser-straße

Wasser-straße,Wattflä-che, Küs-tenlinie

sandigeKüste,Watten,Vorländer Aussentief

Flächedes ober-irdischenEinzugs-gebietes

Rinnen,Watten,Vorländer,Bodden

KüstenundTideflüsse

Aufgaben-repräsentanz

Funk-daten,Netzan-schluss

temporär,Funk

langeReihe:Funk fürSturmflut-warn-dienst

langeReihe

langeReihe:unfallsi-cher,langlebig,Netz-anschluss

Orts-repräsentanz

hohe Auf-lösung,volle Tide

hohe Auf-lösung,Mittel- bisHW

hohe Auf-lösung,volle Tide

hohe Auf-lösung,örtlichesTnw–Thw

günstigeLage amGewässer

aufgaben-abhängig

hohe Auf-lösung,volle Tide

Zeit-repräsentanz

10-Jahres-zeitreihe aktuell

langeReihe aktuell

aktuell,langeReihe

aufgaben-abhängig

langeReihe

Wartungs-freundlichkeit hoch gering hoch mittel hoch mittel hoch

Tabelle 2: Checkliste Gestaltung von Pegelnetzen

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Hinweise zur Gestaltung von Pegelnetzen im Küstenbereich 16

Zu den allgemeinen Schwierigkeiten zählendie Herstellung einer genauen Höhenreferenz,das Konstanthalten der Sollhöhenunterschiedezwischen dem Pegelmessgerät und den Pe-gelfestpunkten (LAWA 1997, Anlage C) sowiedie gleichbleibende Qualität der Messung.Während den erstgenannten Problemen durcheine sorgfältige Einmessung und durch bauli-che Maßnahmen begegnet werden kann, kannletztgenanntes Problem am besten durch Ein-richtung eines redundanten Messsystemsbehoben werden. In dem Moment, in dem diebeiden Messungen um mehr als einen zulässi-gen Wert voneinander abweichen, kann z.B.ein Alarm dafür sorgen, dass keine falschenMessungen verwertet werden. Idealerweisesind die Messungen des redundanten Systemsvoneinander unabhängig und werden mit un-terschiedlichen Messverfahren durchgeführt.

Das Preis-/Leistungsverhältnis muss stimmen.Dazu zählen auch die Betriebskosten. Eine vi-suelle Fernkontrolle per digitaler Bildübertra-gung mit redundanter Datengewinnung kanndurch Verlängerung der Beobachtungsintervalledeutlich kostensenkend wirken. Die Fehlerak-zeptanz sowie die Festlegung der Betriebsdauerbei temporären Messstellen kann ebenso wir-ken.

4.3.3 Daten

Die Qualität und Verfügbarkeit der Daten hat ei-nen bedeutenden Einfluss auf die Netzgestal-tung. Daten müssen zu dem Zeitpunkt, in demUmfang und mit der Genauigkeit bereitgestelltwerden, wie sie benötigt werden. Technik undVerfahrensabläufe sind darauf auszurichten. Ei-ne Bedarfsanalyse muss ergeben, welcheMessstellen mit Datenfernübertragung auszurü-sten sind. Definierter Genauigkeitsgrad und Zu-griffsintervalle müssen so festgelegt werden,dass die vorgegebenen Fehlertoleranzen (s.Tab. 2) nicht überschritten werden.

Die Aussagegenauigkeit steht eng mit der Auf-gabendefinition in Verbindung. Sie unterscheidetsich von der Messgenauigkeit durch zusätzlicheAussagen zur Genauigkeit der Extrapolationenin Zeit, Höhe und Fläche. Sie muss auch Anga-ben machen, wie mit Inhomogenitäten derMessdaten umzugehen ist. Die Unterstützungdurch Modellberechnungen oder statistischeVerfahren ist hilfreich. Durch Messungenauig-keiten sowie Annahmen bei der Auswertungsind nach MOSS, THOMAS und GILROY (1985)trotz vieljähriger Datenerhebungen nur wenige

hydrologische Berechnungen mit absoluter Si-cherheit möglich. Es wird trotz perfekter Mess-technik immer ein Rest an Unsicherheit und Un-genauigkeit erhalten bleiben. Darauf verweisenauch McCUEN und SNYDER (1986) mit ihrer The-se, dass Hydrologie im Wesentlichen eine Wis-senschaft ist, die auf wenig perfekten Beobach-tungen in einem komplexen und manchmal un-einheitlichen Gebiet beruht. Um aus seiner Ar-beit den größten Nutzen zu gewinnen, muss derHydrologe die Unsicherheiten reduzieren, wobeier einerseits das Verständnis für hydrologischeProzesse vertieft, andererseits Daten sammelt.Dabei haben Daten an sich keinen Wert; erstdurch ihre Einbindung in Strukturen und Prozes-se entsteht eine Information, die die Grundlagefür Entscheidungen bilden kann (nach MOSS,THOMAS und GILROY 1985).

UmsetzungDie Gestaltung eines Pegelnetzes enthält vierHauptbestandteile (in Anlehnung an STA-ROSOLSZKY 1986):

1. Erstellung eines Konzeptes mit den Kenn-größen des Einzugs- bzw. Einflussgebiets2,einschl. Lage der Messstellen, mit zu mes-senden Parametern, sowie Häufigkeit undDauer der Messungen

2. Auswahl der technischen Ausrüstungeinschl. Datenübermittlung und –auswertung

3. Aufbau und Inbetriebnahme (Kalibrierung)4. Überprüfung der Standorte anhand der Er-

gebnisse

Daraus lässt sich erkennen, dass die Optimie-rung eines Pegelnetzes ein iterativer Prozessist, der sowohl für den Neubau als auch für dieOptimierung bestehender Netze gilt. Dabei soll-ten alle verfügbaren Informationen genutzt wer-den und die künftigen Standorte mit anderenPegelnetzen möglichst koordiniert werden.

Der Aufwand für die Optimierung einesPegelnetzes mag zunächst in keinem Verhältniszum Nutzen zu stehen; führt man sich aber dieKosten für den Betrieb und die Auswertung undHaltung der Daten vor Augen, gewinnt die Be-trachtung meist schnell eine andere Dimension.

2

als Einflussgebiet wird hier die Fläche definiert, vonder noch hydrologische Auswirkungen auf den Pe-gel zu erwarten sind

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Hinweise zur Gestaltung von Pegelnetzen im Küstenbereich 17

5.1 Pegelnetzüberprüfung

1. Zusammenstellen der Vorgaben (Kap. 4.1)- allgemein: politisch, sozio-ökonomisch,

Gesetze, Normen, Richtlinien- speziell: örtliche Vorgaben (Flächennut-

zungsplan, Bebauungsplan, Richtlinienfür den Gewässerausbau), Finanzrah-men, erwartete Ergebnisse

2. Beschreiben des gesamten Aufgabenspek-trums und des Messumfangs, einschl. Um-setzbarkeit (Kap. 2)- qualitativ, quantitativ- methodisch, technisch- Zeit- Kosten- Nutzen

3. Beschreiben der Rollen und Ziele aller betei-ligten Organisationen und Institutionen zurVerbesserung der Koordination und Integra-tion der Aufgabenfelder (Kap. 2)

4. Bewerten der verschiedenen Aufgabenfelder- strukturell- methodisch

5. Zusammenstellen der Kenngrößen des Ein-zugs- bzw. Einflussgebietes (Kap. 4.2). Da-zu zählen insbesondere:- Größe, Topografie des Einzugs- bzw.

Einflussgebiets, Anlagen aus Wasser-wirtschaft, Siedlungen, Verkehr, Sperr-und Sondergebiete, Quer- und Längs-schnitte im Einflussgebiet (bei Pegeln ander offenen Küste Darstellung des See-grundes), morphologisch aktive Gebiete(Rinnenverlagerungen, hohe Sediment-und Schwebstofffrachten), zu erwarten-de extreme Wasserstände und Abflüsse,strömungs- und seegangsexponierteGebiete, mittlere Windstärke und –rich-tung, Salzgehalt, Wassertemperatur

- Zusammenstellung der Daten vorhande-ner Pegel: Lage der Messstelle: natur-verträglich, wartungsfreundlich, arbeits-sicher, gebietsrepräsentativ (Fläche,Örtlichkeit, Einträge in Nord- oder Ost-see, Auflaufen der Tidewelle), Berück-sichtigung der Einmündung bedeutenderGewässer, Verzweigungen, Änderungendes hydrologischen Regimes, Beschrei-bung der Geräteausstattung: zielführen-de Datenauflösung, wartungsfreundlich,langlebig, langzeitstabil, kompatibel zuVorgängern und Nachfolgern, unemp-findlich gegen Vandalismus, biogenenBewuchs, hohe Luftfeuchtigkeit, niedrigeTemperaturen, kurzzeitige Überflutung,Sturm, Gischt, netzautark mit geringer

Leistungsaufnahme, bedienerfreundlicheDatenübergabe, Hilfsvorrichtung zumAblesen des Wasserstandes bei ständigunruhigem Wasserspiegel, Zweck desBetriebs (Kap. 4.3), vorhandene und zugewinnende Daten, deren Bereitstellungund Genauigkeit, Länge der Reihe (Kap.4.3.3)

6. Prüfen der Homogenität und Repräsentati-vität der Messreihen in Zeit und Raum mit-hilfe geeigneter Verfahren (Anhang A1)

7. Überprüfen des vorhandenen Netzes aufErfüllung des ursprünglichen Zwecks undder inhaltlichen und qualitätsmäßigen An-sprüche. Eventuell Integration in andereAufgabe

8. Definition der gewünschten Ergebnisge-nauigkeit nach Durchführen einer Ko-sten/Nutzen-Analyse

9. Festlegen der maßgebenden Kriterien fürein optimales Pegelnetz. Bei gleichrangigenkollidierenden Forderungen: Setzen vonPrioritäten

10. Bewerten jeder Messstelle11. Optimieren des Pegelnetzes durch die An-

nahme des versuchsweisen Weglassensoder Hinzufügens einzelner Messstellen undÜberprüfen der Ergebnisgenauigkeit mithilfegeeigneter Verfahren unter Abschätzung derFehlerquote für die Ermittlung von Daten annicht durch Messung belegten Stellen, ggf.Unterteilung in Flächen- und Liniennetz undZuweisung zu einem Messnetztyp. Setzenvon Prioritäten

12. Abschätzen der Auswirkungen des Betrie-bes auf den personellen Aufwand. Ermitt-lung und Bewertung der Kosten (Kap. 4.1.3)

13. Konkrete Bauplanung, eventuell Untertei-lung in kurz- und langfristige Planungsziele

14. Festlegen einer Zeitspanne von mehrerenMonaten oder Jahren, nach der der Vorgangzu wiederholen ist

15. Protokollierung des Handlungsablaufs undseiner Besonderheiten

5.2 Entwurf eines neuen Pegel-netzes

1. wie Punkt 3 und 4 aus Kap. 5.12. Entwurf eines neuen Pegelnetzes mithilfe

geeigneter Verfahren (Anhang A1) undunter Verwendung der Erkenntnisse ausähnlichen Netzen

3. Punkt 7 und 8 wie in Kap. 5.1

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Hinweise zur Gestaltung von Pegelnetzen im Küstenbereich 18

Zusammenfassung

Die vorliegenden Hinweise stellen die verschie-denen Gesichtspunkte vor, die bei der Gestal-tung oder Überprüfung von Pegelnetzen zu be-rücksichtigen sind. Diese Gesichtspunkte sindsehr facettenreich und umfassen die verschie-densten Randbedingungen und Aspekte, z.B.wirtschaftliche und politische Vorgaben, Vor-schriften, Regelwerke sowie Gesetzeswerke.Dabei sind die verschiedenen Aufgabenfeldermit den Projekten, für welche die Pegelnetzebenötigt werden, von maßgebender Bedeutung.

Jede Aufgabe zur Pegelnetzgestaltung oder-überprüfung erfordert eine individuelle Bear-beitung unter den gegebenen Randbedingun-gen und Prämissen; meistens sind die vorhan-denen Pegelnetze zu berücksichtigen, die oft hi-storisch gewachsen sind. Die Pegelnetzge-staltung ist somit keine Standardaufgabe. Sieerfordert Erfahrungen und Kenntnisse auf demGebiet der Küstenhydrologie sowie der Örtlich-keit, des Systemverhaltens und der angewand-ten Methoden und Verfahren, von denen einigeim Anhang vorgestellt werden.

Die sich weiter entwickelnde Mess- und Aus-wertetechnik wird eine Überprüfung der gefun-denen Netze in regelmäßigen Abständen erfor-dern.

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LAWA Länderarbeitsgemeinschaft Wasser, Ar-beitskreis Optimierung des Grundwasserdien-stes: Empfehlungen zur Optimierung desGrundwasserdienstes (quantitativ). KulturbuchVerlag, Berlin und Bonn, 1999a.

LAWA Länderarbeitsgemeinschaft Wasser, Ar-beitskreis Optimierung des Grundwasserdien-stes: Empfehlungen zur Konfiguration vonMessnetzen sowie zu Bau und Betrieb vonGrundwassermessstellen (qualitativ). KulturbuchVerlag, Berlin und Bonn, 1999b.

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Hinweise zur Gestaltung von Pegelnetzen im Küstenbereich 19

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Hinweise zur Gestaltung von Pegelnetzen im Küstenbereich 20

Anhang: MethodenZur Messnetzgestaltung eignen sich u.a. folgen-de Verfahren:- Statistische Methoden- Optimierungsverfahren- Numerische Modellierung- empirische Abschätzungen

Neben der Regressions- und Korrelationsanaly-se gibt es weitere Verfahren, die sowohl statisti-sche und mathematische Methoden als auch dieRegionalisierung einbeziehen. Aus dem breitenSpektrum der statistischen Methoden werdenhier nur einige Verfahren gezeigt.

A 1 Statistische Methoden

A 1.1Regressions- und Korrelati-onsanalyse

Die Regression dient der Bestimmung einesfunktionalen Zusammenhangs zwischen einemMerkmal Y (Regressand) und einem Merkmal X(Regressor), z. B. dem Nachweis des funktio-nalen Zusammenhangs zweier benachbarterPegel. Werden mehrere Regressoren berück-sichtigt, so spricht man von multipler Regression(HOLDER 1985). Die Regressionsanalyse hat alsZiel:- den Nachweis einer bestehenden Bezie-

hung,- das Schätzen der Parameter eines beste-

henden funktionalen Zusammenhangs,- das Erkennen eines funktionalen Zusam-

menhangs oder- das Prognostizieren des Regressanden Y

bei gegebenen Regressoren.

Die Korrelation ist ein Maß für die Abhängigkeiteines Merkmals X von dem Merkmal Y, z.B. derWasserstandsdaten zweier benachbarter Pegel.Die multiple Korrelation ist definiert als die be-tragsmäßig größte einfache Korrelation zwi-schen dem Merkmal X und einer Linearkombi-nation a1Y1 + a2Y2 + ... + apYp der MerkmaleY1...,Yp mit beliebigen Gewichten a1,...,ap. DieRegressionsanalyse dagegen erbringt z. B. denNachweis des funktionalen Zusammenhangeszweier oder mehrerer benachbarter Pegel.

Die Anwendung der Regressions- und Korrelati-onsanalyse erfordert die Lage der Pegel inner-

halb einer hydrografischen Einheit (z.B. Wattge-rinne, Bodden).

Aus einem möglichst großen Datenkollektivwerden die Tageswerte von je zwei Pegeln mit-einander korreliert bzw. die Regression aufge-stellt. Alle Pegel eines hydrologisch homogenenGebietes oder Flussabschnittes werden so mit-einander in Beziehung gesetzt (multiple Regres-sion) und die Pearsonschen Koeffizienten be-rechnet. Dabei wird deutlich, dass es zwischenden verschiedenen möglichen, einfachen Kor-relationen deutliche Unterschiede im Grad desZusammenhanges gibt. Durch Hinzufügen undWegnehmen einzelner Pegel lässt sich der Graddes Zusammenhanges innerhalb einer hydrolo-gischen Einheit so verändern, das das Mess-netz unter Berücksichtigung der Ansprüche desjeweiligen Nutzers oder von Regelwerken undVorschriften optimiert wird. Die genannte Me-thode wurde zur Überprüfung und Optimierungvon bestehenden Pegelnetzen unter anderemvon der Freien und Hansestadt Hamburg(CHRISTIANSEN et al. 1989), sowie von der nie-derländischen Wasserwirtschaftsverwaltung (DERONDE 1995) eingesetzt.

Die beträchtlichen Schwankungen der Ein-flussfaktoren machen es notwendig, den Ge-brauch von Regressions- und Korrelations-rechnungen ausführlich zu planen, sinnvolleinzusetzen und die Ergebnisse kritisch zuwürdigen. Dies gilt insbesondere, da alle stati-stischen Verfahren die physikalischen Ge-setzmäßigkeiten der Wasserstandsverläufenicht abbilden, sondern nur Rückschlüsse aufsie zulassen.

Statistische Methoden erfordern vielfach sehrlange Reihen. Sie haben gegenüber den übri-gen Verfahren den Vorteil der einfachen undübersichtlichen Handhabbarkeit. Ihre Aussagensind kritisch zu werten, da gute Ergebnisse nichtunbedingt richtig und zielführend sind.

Beispiel 1:Die Ostseepegel Zingst und Neuendorf sind 27km voneinander entfernt. Ihre Wasserständelassen sich im Allgemeinen durch lineare Re-gression verknüpfen und weisen dabei einenKorrelationskoeffizienten von R=0,97 auf.

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Hinweise zur Gestaltung von Pegelnetzen im Küstenbereich 21

Abb. A1: Wasserstandsverlauf in einerSturmsituation an zwei benachbartenPegeln

Abb. A 1 zeigt jedoch die Unterschiede derWasserstandsganglinien bei einem Sturm auswestlicher Richtung. Für die ersten 6 Stundendes 14.01.93 beträgt der Korrelationskoeffizientnur R = 0,43 und signalisiert lineare Unabhän-gigkeit. Schon die Vergrößerung des Messinter-valls auf den ganzen Tag bewirkt einen Anstiegvon R auf 0,73. Mit einem Messintervall von 14Tagen erhält man R=0,91 und für den MonatJanuar stellt sich mit R=0,97 wieder der o.g. ty-pische Korrelationskoeffizient ein.Das Beispiel zeigt, wie die Interpretation derStatistik von der Zweckbestimmung des Pegelsabhängt. Aus gewässerkundlicher Sicht kannman auf einen dieser Pegel verzichten, nicht je-doch, wenn es auf seine Funktion als Hochwas-sermeldepegel ankommt.

Beispiel 2:Bei bestimmten Windrichtungen und Ober-wasserführungen löst sich der statistische Zu-sammenhang zwischen zwei Pegeln zuneh-mend auf, wie Abb. A 2 und A 3 zeigen. An derOste wirkt sich der Oberwassereinfluss sowiedie Schließung des Sperrwerkes, in der Elbedas lokale Windfeld zwischen den etwa 100 kmentfernten Pegeln St. Pauli und Cuxhaven aus.

A 1.2 Wahrscheinlichkeits-theorie

Zur Berücksichtigung der Unsicherheiten hy-drologischer Phänomene, die immer in einemgewissen Maß vorhanden sind, wird die Wahr-

scheinlichkeitstheorie verwendet. Ohne dieseUnsicherheiten wären ohne entsprechendeMessnetze eindeutige hydrologische Bedin-gungen vorhersagbar.Der direkte Nutzen der Wahrscheinlichkeits-theorie liegt in der Anwendung auf speziellehydrologische Phänomene wie das Schätzenextremer Ereignisse, z.B. Sturmflutwasser-stände.

A 1.3 Stichprobentheorie

Die Stichprobentheorie hat das Ziel, Schlüsseaus einer „gezogenen Stichprobe“ auf eine in-teressierende Grundgesamtheit (hydrologischeEinheit) zu ziehen, die aber nur aus der exak-ten Kenntnis aller Elemente der Gesamtheit zugewinnen sind.Die folgende Gleichung wird in der Stichpro-bentheorie am meisten verwendet und eignetsich am besten zur Erläuterung der Theorie.

σ²xm = σ²x/ N

σ²xm ist die Varianz der Mittelwerte von N völligfrei gewählten Beobachtungen der Variablen x.σ²x ist die Varianz von allen möglichen Beob-achtungen von x. Wenn σ²xm sehr groß ist,dann ist sehr viel Variabilität in x. Für den Fallσ²xm gleich Null, ist x konstant. In der Hydrolo-gie bedeutet dies, dass die Varianz der mittle-ren höchsten jährlichen Hochwasserstände aneinem Pegel, der seit N Jahren betrieben wird,mit der Zunahme der Beobachtungsjahre klei-ner wird. Die obengenannte Gleichung ist eineArt Schätzung, wie gut der mittlere jährlicheHochwasserstand in Relation zu den jährlichenHochwasserständen ist. Die Stichprobentheo-rie bedient sich noch weiterer Gleichungen, indenen nicht nur der Mittelwert eine Rolle spielt.Das Hauptmerkmal der Stichprobentheoriespiegelt sich jedoch bei der Messnetzgestal-tung in der Verbesserung der Genauigkeit beilängeren Beobachtungsreihen wieder(HARTUNG & ELPET 1986).

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Hinweise zur Gestaltung von Pegelnetzen im Küstenbereich 22

Abb. A2: Regression Tidescheitel Thw Pegel Bremervörde UW und Cuxhaven Steubenhöft

Abb. A3: Regression Tidescheitel Thw Pegel HH St. Pauli und Cuxhaven Steubenhöft

y = 0,5713x + 0,9383r = 0,814s = 0,15m

y = 0,1093x + 1,8124r = 0,470

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

2,20

2,40

2,60

0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00

Cuxhaven Steubenhöft [m ü. NN]

Bre

mer

vörd

e U

W [

m ü

. NN

]

Sperrung Oste-Sperrwerk

Schließung Oste-Sperrwerk

y = 1,0913x + 0,4112r = 0,937s = 0,12m

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

0,50 0,70 0,90 1,10 1,30 1,50 1,70 1,90 2,10 2,30

Cuxhaven Steubenhöft [m ü. NN]

Ham

bu

rg S

t. P

auli

[m ü

. NN

]

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Hinweise zur Gestaltung von Pegelnetzen im Küstenbereich 23

A 2 Optimierungsverfahren

Unter Optimierungsverfahren versteht man sol-che Verfahren, mit denen bestimmte Zielstellun-gen durch rationellen Einsatz der gegebenenMöglichkeiten optimiert werden können. DieAufgabenstellung, bei der meistens die monetä-ren Aspekte mit einbezogen werden, führt ent-weder zu einer Maximal- oder Minimalaufgabe,die meist eine Vielzahl von Variablen enthält.

Zur Lösung der Aufgabenstellung, welche ge-nau definiert sein muss, werden mathematischeVerfahren, wie dynamische und lineare Pro-grammierung, herangezogen. Mit deren Hilfekönnen die mathematisch formulierte Aufgaben-stellung und die vorher festlegten Randbedin-gungen, Zielsetzungen und Anforderungen ge-löst werden. Dies erfordert z.B. die Festlegungdes Untersuchungsgebiets und, soweit erforder-lich, die Einteilung in eine oder mehrere ge-schlossene physiografische und hydrologischeEinheiten, für die eine eindeutige Beziehung zueinem hydrologischen Parameter besteht. Dieerforderliche Messgenauigkeit und der damitverbundene Informationsverlust müssen eben-falls berücksichtigt werden. Der monetäre As-pekt wird meist mit den Investitionskosten, denBetriebskosten und den entstehenden Kostendurch den Informationsverlust bei festgelegterGenauigkeit berücksichtigt. Mit den Investitions-kosten wird gleichzeitig die Anzahl der Mess-stellen und die Zeitspanne für den Betrieb desMessnetzes festgelegt.

Eine solche Optimierung lässt sich an einem Ti-defluss z.B. mit den Ergebnissen einer mathe-matischen Modellierung durchführen, so dasseinerseits bei vorgegebener Anzahl der Pegeldiese an optimalen Standorten errichtet werdenkönnen, andererseits bei vorgegebener Ober-grenze des Interpolationsfehlers zwischen denStandorten die Anzahl der Standorte minimiertwerden kann. „Optimale Standorte der Pegel“bedeutet hier, das durch lineare Verbindung derWasserstandsmesswerte aller Pegel zu einembestimmten Zeitpunkt der entstehende Fehlerzwischen den Pegelstandorten möglichst kleinbleibt. Fehler in diesem Sinne ist die Abwei-chung zwischen den berechneten Werten undden „wahren“ Werten. Die „wahren“ Werte desWasserstandes zwischen den Pegeln werdenhier durch die Ergebnisse eines mathemati-schen Modells dargestellt, die sowohl räumlichals auch zeitlich in hoher Dichte vorliegen.

Ein Beispiel für derartige Daten ist in Abb. A 4dargestellt (12 Zeitpunkte).

-2.000

-1.500

-1.000

-0.500

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

585 595 605 615 625 635 645 655 665 675 685 695 705 715 725 735 745 755

Elbe Kilometer

Abb. A 4: Tidewellenlinien aus dem mathemati-schen Modell der Tideelbe (aus:BOEHLICH & FRITZSCH, 2001)

Bereits mit dem bloßen Auge lässt sich anhandder vorliegenden Tidewellenlinien erkennen, wodie Pegel weiter auseinander stehen dürfen(dort, wo zu allen Zeiten die Kurve nahezu ge-rade verläuft) und wo sie enger stehen müssen,um überall den gleichen maximalen Fehler zuhaben. Mathematisch lässt sich die Krümmungeiner Kurve durch die 2. Ableitung derselbennach oben abschätzen. Dort, wo die Krümmunggroß ist, ist auch die 2. Ableitung groß.Mit diesem Ansatz ist der Lösungsweg der Op-timierungsaufgabe vorgegeben (BOEHLICH &FRITZSCH, 2001):

1. Bilde von allen Kurven (Tidewellenlinien) die2. Ableitung

2. Finde für jeden Ort das lokale Maximum der2. Ableitung aller Kurven

3. Finde eine Methode, die mit der aus 2. er-haltenen Funktion die Pegelstandorte so lo-kalisiert, das der maximale lokale Fehlerzwischen 2 Pegelstandorten entlang desÄstuars für alle Zeitpunkte konstant ist. Wieaus der Variationsrechnung bekannt, istdann der maximale lokale Fehler minimal.

A 3 Numerische Modellierung

Seit mehreren Jahrzehnten werden im Kü-steningenieurwesen numerische Modelle für dieverschiedensten Aufgaben und Probleme ein-gesetzt. Sie beschreiben die ablaufenden physi-

Page 24: Hinweise zur Gestaltung von Pegelnetzen im …€¦ · sowie Messverfahren und Randbedingungen festgelegt werden. Je nach Aufgabe können somit ... Topographische Geländeaufnahme

Hinweise zur Gestaltung von Pegelnetzen im Küstenbereich 24

kalischen Prozesse üblicherweise mit partiellenDifferentialgleichungen. Je nach Dimensionalitätund Auflösung des Modells erhält man Wasser-stand, Strömung und weitere Größen im Be-rechnungsnetz.

Als Eingangsdaten werden Zeitreihen von z.B.Wasserständen und Zu- bzw. Abflüssen an densogenannten offenen Rändern des Untersu-chungsgebietes vorgegeben. Die Ergebnisseder Modellierung zeigen die flächen- oder lini-enhafte Verteilung des Wasserstandes für dieunterschiedlichsten Tidezeiten.

Nach einer Analyse der Tidekennwerte (Thw,Tnw, Thb usw.) lassen sich diese und der ak-tuelle Wasserstand mit den in A1 und A2 be-schriebenen Verfahren wie Messdaten ver-wenden, wobei gemessene Daten vorzuziehensind. Damit lassen sich auch für größere Ge-biete repräsentative Standorte ohne aufwändi-ge Messeinsätze finden.

Der Aufwand für Modellerstellung und -betriebist im allgemeinen recht groß. Die Methodebietet aber den Vorteil, Wasserstandsdaten anbeliebiger Stelle zu nahezu jedem beliebigenZeitpunkt bei vergleichsweise geringem Mess-aufwand ermitteln zu können. Auch numeri-sche Modelle benötigen zunächst einigeMessdaten, jedoch nicht die Vielzahl wie beiden Methoden nach A1 oder A 2.

Zu beachten ist, das jedes Modell nur für dieZeiten Ergebnisse liefert, für die Randwerte vor-liegen und eingesteuert wurden. Diese Rand-werte sind oft nur schwer oder in unzureichen-der Qualität zu beschaffen. Dennoch sind nume-rische Modelle unter Beachtung ihrer Randbe-dingungen ein geeignetes Instrument für dieÜberprüfung und Verfeinerung von Messnetzen,da sie, selbst wenn sie aufgrund mangelhafterDatengrundlage nicht vollständig kalibriert sind,die Strukturen der Wasserstandsverteilung imUntersuchungsgebiet sehr gut beschreiben.

Künftig denkbar wäre hier auch die Einbezie-hung der Wasserspiegellagenmessung mit Hilfevon Satellitenmessungen. Die Technik dazu istderzeit allerdings noch nicht ausgereift.

A 4 Empirische Abschätzungen

Hier werden die Standorte eines Pegelnetzesaus physikalischen Zusammenhängen abge-leitet. Messdaten sind für dieses Vorgehennicht zwingend erforderlich. Es eignet sich ei-

nerseits für die Konzipierung eines Messnet-zes, wenn aus terminlichen oder monetärenGründen keine geeigneten Messdaten he-ranzuziehen sind, andererseits für die Ab-schätzung der Daten bestimmter, meist au-ssergewöhnlicher Ereignisse.

Beispiel 3:Die Standorte vorhandener Messstellen sollenauf ihre Relevanz für die Beurteilung einerHochwassersituation überprüft werden. Nachder linearen Wellentheorie ist die Ausbreitungs-geschwindigkeit der Hochwasserwelle

2/1)( hgc ⋅=

mit g = Erdbeschleunigung und h = Wassertie-fe. Bei Annahme einer konstanten Ausbrei-tungsgeschwindigkeit einer Hochwasserwellekann ein sinnvoller Abstand s zweier Pegelsta-tionen mit Hilfe dieser Ausbreitungsgeschwin-digkeit wie folgt abgeschätzt werden:

thgs ⋅⋅= 2/1)(

Dabei stellt t die kürzeste Zeitspanne dar, in derim Falle signifikant unterschiedlicher Wasser-stände eine operationelle Reaktion erfolgenkann, bzw. eine solche Reaktion erfahrungsge-mäß sinnvoll und technisch möglich ist. DieseZeit liegt meist bei t = 1h = 3600s. Für ein See-gebiet mit 20 m Wassertiefe ergäbe sich damitder Abstand s = (9,81 m/s² . 20 m)0,5 . 3600 s =ca. 50 km. In Gewässern von nur 5 m Tiefe wä-re es sinnvoll, die Abstände der Pegel auf 25 kmzu reduzieren. Ein Vergleich mit existierendenMessnetzen zeigt, dass diese Faustregel in Ge-bieten mit hohem Gefährdungspotenzial meisterfüllt ist.

Voraussetzung für eine befriedigende Lösungist die Richtigkeit der physikalischen Annah-men. Um Gewissheit zu erlangen, sollten dieseAnsätze nachträglich durch Messung belegtwerden.