Durchflussmengenmessung
– Anforderungen, Möglichkeiten und praktische Anwendung

Der Betrieb und die Überwachung von Kanalisationsnetzen und Kläranlagen erfordert an zahlreichen Stellen die Messung von Durchflussmengen. Veranlassung hierfür sind u.a. betriebstechnische und rechtliche Anforderungen. Dabei spielen Wechselwirkungen innerhalb des Gesamtsystems aus Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer eine besondere Rolle. Die folgenden Anwendungsfälle für Durchflussmengenmessungen sind in diesem Zusammenhang hervorzuheben:

·      Im Kanalnetz finden sowohl stationäre als auch zunehmend mobile Durchflussmessgeräte Verwendung. Dabei werden stationäre Durchflussmessungen vornehmlich zur betrieblichen Überwachung an zentralen Betriebspunkten eingesetzt, wie z.B. Regenbecken oder Pumpwerke. Die Verwendung mobiler Messeinrichtungen beschränkt sich im Wesentlichen auf die Bestimmung von Abflüssen aus Teileinzugsgebieten, z.B. im Rahmen der Erstellung und Kalibrierung von Niederschlag-Abflussmodellen, der hydraulischen Bemessung sowie der Ermittlung von Fremdwasserabflüssen.

·      Auf Kläranlagen werden Durchflussmessungen u.a. aus betrieblichen Gründen eingesetzt, so zur volumenabhängigen Steuerung einzelner Anlagenteile und zur Prozesssteuerung, z.B. bei der Dosierung von Zusatzmitteln mit dem Ziel einer effektiven Abwasserreinigung. Desweiteren erfordern gesetzliche Auflagen [1] die Ausrüstung von Kläranlagen mit Durchflussmesseinrichtungen im Zu- bzw. Ablauf zur Bestimmung und Überwachung der ins Gewässer eingeleiteten Abwassermengen.

·      In Fließgewässern werden Durchflussmengen u.a. zur Feststellung der hydraulischen Auslastung erfasst, z.B. durch die Errichtung von Pegeln zur Erfassung von Wasserständen. Darüber hinaus werden im Zuge der Erstellung und Kalibrierung von Niederschlag-Abflussmodellen Durchflussmessungen für Teileinzugsgebiete hinzugezogen, um damit u.a. eine verbesserte Vorhersage für Hochwasserereignisse zu ermöglichen.

Bei näherer Betrachtung ist festzustellen, dass sich zahlreiche dieser Anwendungsfälle auf die Schnittstellen zwischen den einzelnen Komponenten des Gesamtsystems konzentrieren. Im Folgenden wird insbesondere auf die ökologisch besonders sensiblen Schnittstellen von Kanalnetz und Kläranlage zum offenen Gewässersystem eingegangen. Entsprechend werden beispielhaft Anforderungen und Möglichkeiten aufgezeigt, die für Durchflussmesseinrichtungen an Entlastungs- und Drosselbauwerken von Regenbecken sowie für die Durchflussmessung auf Kläranlagen bestehen. Empfehlungen für eine Überprüfung dieser Messeinrichtungen, die durch den Betreiber selbst oder eine gegebenenfalls hinzugezogene Prüfstelle durchgeführt werden können, runden das Bild ab.

Entlastungsbauwerke

Seit 1996 gilt für Betreiber von Abwasseranlagen in NRW die Selbstüberwachungsverordnung Kanal – SüwV Kan [2]. Einen besonderen Schwerpunkt dieser Verordnung bilden die Anlagen zur Niederschlagswasserbehandlung. Deren Betrieb unterliegt auf Grund von direkten Wechselwirkungen zum Gewässersystem erhöhten Anforderungen. In verstärktem Maße betrifft dies die Überwachung wesentlicher Abwassereinleitungen aus Entlastungsbauwerken, z.B. durch kontinuierlich aufzeichnende Wasserstandsmessgeräte. Für die praktische Umsetzung einer Entlastungsmengenmessung können neben der einfachen Wasserstandsmessung auch zahlreiche weitere Messverfahren eingesetzt werden. Als Standort für die Messwertaufnehmer bieten sich grundsätzlich zwei Möglichkeiten an: das Entlastungsbauwerk, z.B. an der Überfallschwelle, und der Querschnitt des Entlastungskanals (vgl. Abb. 1).

Abb. 1: Messmethoden zur Erfassung von Entlastungsmengen in der Niederschlagswasserbehandlung (aus [3])

Unter den für die Ermittlung von Entlastungsmengen angebotenen Messverfahren findet man vor allem solche, die den Volumenstrom

• hydraulisch über die Wasserstandsbeziehung erfassen (h-Messung),
• aus einer kombinierten Messung des Wasserstandes und der Fließgeschwindigkeit bestimmen (v/h-Messung) oder
• über eine Messung der mittleren Fließgeschwindigkeit bei vordefinierter bzw. gemessener durchströmter Querschnittsfläche erfassen (v/A-Messung).

Entsprechend vielfältig ist die Anzahl der am Markt angebotenen Messwertaufnehmer:

• Ultraschall-Echolote bzw. Druckmessdosen zur Messung von Wasserständen,
• Messwertaufnehmer für die Ultraschalldoppler- bzw. Ultraschalllaufzeitdifferenzen-Messungen zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit und
• Magnetisch-induktive Messwertaufnehmer (MID) - gedükert oder ungedükert - zur Messung mittlerer Fließgeschwindigkeiten unter Annahme von Voll- oder Teilfüllungszuständen innerhalb der Rohrleitung.

Neben der vergleichsweise geringen Störanfälligkeit tragen nicht zuletzt auch wirtschaftliche Überlegungen dazu bei, dass sich die im Rahmen der hydraulischen Durchflussbestimmung an Entlastungsschwellen kostengünstige Wasserstandsmessung mit dem Ultraschall-Echolot als eines der am häufigsten eingesetzten Messverfahren durchgesetzt hat. Die Betriebserfahrungen verschiedener Anwender sprechen dafür, dass sowohl die Investitionskosten als auch der Wartungsaufwand eines Echolotes bedeutend geringer ausfallen als für eines der alternativ angebotenen Messsysteme [3].

Wurde die Messeinrichtung eines Regenbeckens erst einmal in Betrieb genommen, so empfiehlt sich die regelmäßige Wartung der messtechnischen Anlagenteile und Plausibilitätsprüfung der Messergebnisse als Voraussetzung für die spätere Verwertung der Messdaten.

Eine Erhebung bei 20 Netz- bzw. Anlagenbetreibern im Dienstbezirk des Staatlichen Umweltamtes Duisburg [4] zeigte allerdings, dass von insgesamt 82 Regenbecken, die mit einer Wasserstandsmesseinrichtung ausgerüstet sind, nach Auskunft der Betreiber lediglich für ca. 1/3, d.h. 24 Messstellen, eine Auswertung der Ergebnisse vorgenommen wurde. Trotz entsprechender rechtlicher Anforderungen aus der SüwV Kan zeigen zahlreiche Netzbetreiber bisher kaum ein eigenes Interesse an den Datenaufzeichnungen. Nur in Einzelfällen werden die Messergebnisse weiter verwendet und beispielsweise im Rahmen von Maßnahmen zur Kanalnetzsteuerung genutzt. Offensichtlich übersteigen derzeit die technischen Möglichkeiten noch den tatsächlichen Bedarf der Mehrzahl der Netzbetreiber. Eine Änderung ist jedoch in absehbarer Zukunft zu erwarten. Durch die mit der EU-Wasserrahmenrichtlinie [5] und dem BWK Merkblatt 3 [6] zunehmend an Bedeutung gewinnende wasserwirtschaftliche Gesamtbetrachtung, rückt gleichzeitig auch die Aufzeichnung und Auswertung von Abflussmengen innerhalb der Kanalnetze verstärkt in den Blickpunkt.

Drosselbauwerke

Drosselbauwerke dienen der Abflusssteuerung in Kanalisationsnetzen. Sie sind z.B. im Ablauf von Regenbecken angeordnet, um die aus dem Regenbecken zur Kläranlage weitergeleiteten Abflüsse zu begrenzen.

Nach den Anforderungen der SüwV Kan sind Drosseleinrichtungen an Regenbecken regelmäßig zu inspizieren. Dazu gehört sowohl die monatliche Überprüfung der Funktionsfähigkeit als auch eine jährlichen Überprüfung der Systemeinstellungen von Drossel- und Messeinrichtungen. Überdies wird eine hydraulische Kalibrierung (Kennlinienüberprüfung) in einem Intervall von fünf Jahren gefordert. Dabei ist die Kennlinie (z.B. Wasserstand-Abfluss-Beziehung) der Drosseleinrichtung durch eine unabhängige Vergleichsmessung vor Ort aufzunehmen. Die Ergebnisse werden anschließend hinsichtlich der maximal zulässigen Abweichung von ± 20% bewertet [7].

Die ersten dieser hydraulischen Drosselkalibrierungen in NRW wären gemäß dieser Vorgabe spätestens im Jahr 2001, d.h. fünf Jahre nach Inkrafttreten der SüwV Kan, erforderlich gewesen. Eine Umfrage des IKT – Institut für Unterirdische Infrastruktur bei den kommunalen Netzbetreibern in NRW hat jedoch gezeigt, dass derzeit seitens der Anlagenbetreiber eine große Unsicherheit hinsichtlich der Umsetzung dieser Überprüfung und Kalibrierung besteht. Eine vorläufige Auswertung der Angaben von rund 250 kommunalen Netzbetreibern zeigt, dass 25 % der Betreiber für das Jahr 2001 keine positive Angabe zur Durchführung der notwendigen Drosselkalibrierungen machen konnten [8].

Langjährige Erfahrungen aus Hessen belegen, dass sich diese Unsicherheit in erheblichem Maße auf den Betrieb von Regenbecken, Kanalisationsnetzen und Kläranlagen auswirkt [vgl. 9, 10]. Die Folgen:

·      Verschmutzte und falsch eingestellte Drosselorgane können das Abfluss- und Entlastungsverhalten von Regenbecken z.B. dahingehend beeinflussen, dass weniger Abwasser als geplant zur Kläranlage abgeleitet und damit häufiger und mehr Abwasser ungeklärt ins Gewässer abgeschlagen wird.

·      Fehlerhafte Drosseleinrichtungen, insbesondere jene im letzten Regenbecken vor einer Kläranlage, können aber auch zu erhöhten Kläranlagenzulaufmengen führen. Als Folge dieser hydraulischen Überlastung reduziert sich gegebenenfalls die Reinigungsleistung der Kläranlage dahingehend, dass maximal erlaubte Schmutzfrachten im Ablauf zeitweise nicht eingehalten werden können.

·      Darüber hinaus können fehlerhafte Drosseleinrichtungen auch zu ungewollten Rückstauereignissen im Kanalnetz führen, die gegebenenfalls sogar den Einstau anliegender Kellerräume zur Folge haben.

Abb. 2: Durch Ablagerungen verlegtes Drosselorgan [10]

Wie Abb. 2 anhand eines extremen Beispiels verdeutlicht, sind zuverlässige Wartungsmaßnahmen eine wesentliche Voraussetzung für den ordnungsgemäßen Betrieb von Drosseleinrichtungen. Neben einer regelmäßigen Reinigung, die im Allgemeinen vom Betreiber selbst durchgeführt werden kann, beinhalten die Wartungsmaßnahmen auch die gemäß SüwV Kan erforderliche hydraulische Kennlinienüberprüfung. Auf Grund des dazu erforderlichen Know-hows wird diese i.d.R. von entsprechend qualifizierten Fachfirmen vorgenommen.

Zur hydraulischen Überprüfung einer Kennlinie sind abhängig von der Funktionsweise der Drosseleinrichtung unterschiedliche Methoden einsetzbar, die sich in Anlehnung an das zur SüwV Kan erarbeitete Merkblatt „Hydraulische Kalibrierung von Drosseleinrichtungen“ [11] wie folgt unterscheiden:

·      Überprüfung der Stellbewegung des Drosselorgans:
nasse bzw. trockene Überprüfung, d.h. mit oder ohne Einstau des vorliegenden Rückhaltebeckens,

·      Aufzeichnung der Abflusskurve einer Drosseleinrichtung durch Vergleichsmessung:
z.B. mobile MID-, Tracer- oder Sondenmessungen. Bei kleinen Abflussmengen lassen sich zudem volumetrische Methoden einsetzen.

Im Rahmen der Vorbereitung einer hydraulischen Überprüfung sind neben dem jeweiligen Drosseltyp auch die von Fall zu Fall unterschiedlichen baulichen Randbedingungen zu berücksichtigen. Beengte Platzverhältnisse, fehlende Kontrollschächte sowie ungeeignete hydraulische und hydrometrische Randbedingungen erschweren vielfach die Überprüfung von Drosseleinrichtungen. Um diese Schwierigkeiten bereits im Vorfeld zu vermeiden, empfiehlt sich für den Anlagenbetreiber, schon vor dem Bau von Durchflussmesseinrichtungen die spätestens nach fünf Jahren erforderliche hydraulische Überprüfung planerisch zu berücksichtigen. Mögliche Planungs- bzw. Ausführungsfehler lassen sich dann im Rahmen einer frühzeitigen qualifizierten Erstprüfung aufdecken, so dass entsprechende Instandsetzungsmaßnahmen noch als Gewährleistungsansprüche geltend gemacht werden können.

Kläranlagen

Kläranlagen werden bereits seit Beschluss des Abwasserabgabengesetzes (AbwAG) [1] im Jahr 1976 bundesweit mit Einrichtungen zur Durchflussmessung im Zu- bzw. Ablauf ausgerüstet. Hintergrund ist die Veranlagung des Anlagenbetreibers nach Menge und Verschmutzungsgrad des im Rahmen der Gewässernutzung eingeleiteten Abwassers. Entsprechend dem wasserrechtlichen Bescheid sind für einen bestimmten Zeitraum maximale Abwassermengen sowie Schadstofffrachten einzuhalten. Werden diese Kenngrößen überschritten, erhöht sich die für den Veranlagungszeitraum zu entrichtende Abwasserabgabe.

Neben diesen ausschließlich monetären Aspekten kommt den Durchflussmesseinrichtungen auf Kläranlagen zudem eine erhebliche betriebliche Bedeutung zu. Zahlreiche Prozesse der Abwasserreinigung werden volumenabhägig gesteuert. So liefern Mengenmessungen z.B. die notwendigen Daten zur Dosierung von Flockungs- oder Fällungsmitteln. Auch findet man praktische Beispiele für die vom Durchflussvolumen abhängige Beschickung mehrerer Belebungs- bzw. Rückhaltebecken.

Fehlerhafte Durchflussmengenmessungen auf Kläranlagen können also sowohl eine fehlerhafte Berechnung der Abwasserabgabe nach sich ziehen als auch den Betrieb und die Prozesssteuerung der Kläranlage empfindlich beeinträchtigen.

Entsprechend ist es sowohl im Interesse des Anlagenbetreibers als auch der Überwachungsbehörden, dass die Einrichtungen zur Durchflussmessung auf Kläranlagen die unter Praxisbedingungen bestmögliche Genauigkeit erreichen.

Ebenso wie im Bereich der Entlastungsbauwerke findet man auch auf Kläranlagen eine Vielzahl verschiedener Messeinrichtungen. Zu den am häufigsten auf Kläranlagen eingesetzten Messverfahren zählen

·      die hydraulische Abflussmessung mittels Venturi-Kanälen oder Messwehren,

·      die Geschwindigkeitsmessung bei gleichzeitig definierter Querschnittsfläche, beispielsweise durch magnetisch-induktive Messwertaufnehmer (MID) oder mittels des Ultraschalllaufzeitdifferenzen-Verfahrens,

·      die Messung der Fließgeschwindigkeit in einem oder mehreren Punkten eines definierten Abflussquerschnitts (Einpunkt- oder Netzmessung).

Die Genauigkeit der gemessenen Durchflussmengen hängt dabei jedoch nicht allein von der Auswahl eines bestimmten Messverfahrens ab. Für jedes Messverfahren müssen grundsätzlich die wesentlichen hydrometrischen Randbedingungen eingehalten werden; darunter insbesondere eine nach Länge und Beschaffenheit geeignete, ungestörte Zu- und Auslaufstrecke zur Ausbildung eines gleichmäßigen Strömungsprofils im Messquerschnitt. Bereits dies wird in der praktischen Umsetzung oft nicht berücksichtigt. So findet man u.a. folgende, das Strömungsverhalten negativ beeinflussende Faktoren:

·      Einbauten im Bereich der Zulaufstrecke, wie u.a. Probennehmer, Trübungssonden u.ä. (vgl. Abb. 3 rechts),

·      Bau- und Planungsfehler, z.B. kurze Zulaufstrecken, Nennweitenänderung bzw. Absperrschieber im Zulaufbereich,

·      betrieblich bedingte Fehler, hervorgerufen durch mangelnde Wartung und Reinigung, z.B. Algenwuchs, Wandbeläge und Ablagerungen in der Zulaufstrecke (vgl. Abb. 3 links).

Abb. 3: links: Fettablagerung aus einer MID-Rohrleitung;
rechts: Strömungshindernis in der Zulaufstrecke eines Venturi-Kanals

Zur Gewährleistung einer zuverlässigen Mengenmessung empfiehlt sich auch auf Kläranlagen die regelmäßige Überprüfung der örtlichen Durchflussmesseinrichtungen. Diese umfasst die Inaugenscheinnahme sowie im Abstand mehrerer Jahre die hydraulische Überprüfung der Messeinrichtung anhand einer Vergleichsmessung mit kalibriertem Gerät. Auf Basis der aufgezeichneten Vergleichsmesswerte lassen sich dann die Abweichungen der Messwerte der örtlichen Messeinrichtung bestimmen (vgl. Abb. 4).

Abb. 4: Beispiel für eine mobile Vergleichsmessung nach dem Ultraschalllaufzeitdifferenzen-Verfahren an einem MID

Fazit

Abwasseranlagen werden vor dem Hintergrund rechtlicher Anforderungen zunehmend mit Durchflussmesseinrichtungen ausgerüstet. Schwerpunkte bilden dabei insbesondere Anlagen mit direkter Wechselwirkung zum Gewässerssystem, wie z.B. Kläranlagen und Regenbecken. Auch kommt der Messung von Abwasservolumenströmen zunehmend eine betriebliche Bedeutung im Rahmen der Anlagensteuerung zu. Allerdings zeigt sich, dass noch erhebliche Verbesserungspotenziale bestehen.

Häufig werden Abwasseranlagen nur unter konstruktiven Aspekten geplant. Die messtechnische Ausrüstung und spätere Betriebspraxis bleiben dabei meist unberücksichtigt. Hydrometrisch fehlerhafte Messstellen sind die Folge, mit erheblichem technischen Aufwand für Überprüfung und Wartung.

Die Anlagenbetreiber sind gefordert, diese und weitere Verbesserungspotenziale zu erkennen und im Zuge der Planung, Qualitätssicherung und Eigenüberwachung aufzugreifen. Nur so lassen sich dauerhaft zuverlässige Durchflussmessungen an den wesentlichen Betriebspunkten sicherstellen.

Literaturhinweise

[1] Gesetz über Abgaben für das Einleiten von Abwasser in Gewässer (Abwasserabgabengesetz – AbwAG) vom 13. September 1976 in der Neufassung der Bekanntmachung vom 3. November 1994 (BGBl. I S. 3370).

[2] Verordnung zur Selbstüberwachung von Kanalisationen und Einleitungen von Abwasser aus Kanalisationen im Misch- und im Trennsystem (Selbstüberwachungsverordnung Kanal – SüwV Kan) vom 16. Januar 1995; Gesetz- und Verordnungsblatt für das Land NRW, Nr. 49: S. 64 – 67; Düsseldorf 1995.

[3] Bosseler, B.; Birkner, T; Cremer, S.: Durchflussmesseinrichtungen von Regenentlastungsbauwerken; Studie im Auftrag des Ministeriums für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes NRW; IKT - Institut für Unterirdische Infrastruktur; Gelsenkirchen, Juli 2001 (download: www.ikt.de).

[4] Bosseler, B.; Birkner, T.; Gronau, U.: Erfassung und Auswertung von Erfahrungen mit der Selbstüberwachungsverordnung Kanal (SüwV Kan); Endbericht zum Pilotprojekt am IKT in Zusammenarbeit mit dem Staatlichen Umweltamt Duisburg im Auftrag des MUNLV; Gelsenkirchen, September 2001 (download: www.ikt.de).

[5] Richtlinie 2000/60/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 23. Oktober 2000 zur Schaffung eines Ordnungsrahmens für Maßnahmen der Gemeinschaft im Bereich der Wasserpolitik.

[6] Bund der Ingenieure für Wasserwirtschaft, Abfallwirtschaft und Kulturbau (BWK) e.V.: Ableitung von immissionsorientierten Anforderungen an Misch- und Niederschlagswassereinleitungen unter Berücksichtigung örtlicher Verhältnisse; Merkblatt der BWK-Arbeitsgruppe 2.3; Düsseldorf, April 2001.

[7] Anforderungen an den Betrieb und die Unterhaltung von Kanalisationsnetzen, RdErl. des Ministeriums für Umwelt, Raumordnung und Landwirtschaft v. 03.01.1995; Ministerialblatt für das Land NRW, Nr. 14: S. 251-253; Düsseldorf 1995.

[8] Erhebung zur Umsetzung der SüwV Kan bei den kommunalen Netzbetreibern in NRW im Auftrag des Ministeriums für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes NRW; IKT – Institut für Unterirdische Infrastruktur; Gelsenkirchen, 2003; unveröffentlicht.

[9] Kraus, T.: Erfahrungen bei der Überprüfung von Drosseleinrichtungen; Technische Universität Darmstadt, Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft; veröffentlicht in „Wasser und Boden“, Dezember 2000.

[10] Reich, K.: Regenentlastungsanlagen: Betriebstechnische Probleme bei Drosseleinrichtungen; Ingenieurbüro Reich und Heß, Staatlich anerkannte Prüfstelle für Durchflussmessungen nach EKVO-Hessen; Vortrag anlässlich des IKT-Forums Durchflussmessung am 23.05.2002 im IKT – Institut für Unterirdische Infrastruktur; veröffentlicht im IKT-eNewsletter, September 2002 (download: www.ikt.de).

[11] Ostrowski, M.; Koch, J.: Hydraulische Kalibrierung von Drosseleinrichtungen; Merkblatt im Auftrag des Ministeriums für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes NRW; Technische Universität Darmstadt, Fachbereich 13, Fachgebiet Ingenieurhydrologie und Wasserbewirtschaftung; Darmstadt, 2003, unveröffentlichter Entwurf.

Anschriften der Verfasser:
 

Dipl.-Ing. Thomas Birkner

- Staatlich anerkannte Prüfstelle für Durchflussmessungen -

IKT – Institut für Unterirdische Infrastruktur

Exterbruch 1

45886 Gelsenkirchen

e-mail: birkner@ikt.de

Dr.-Ing. Bert Bosseler

- Wissenschaftlicher Leiter -

IKT – Institut für Unterirdische Infrastruktur

Exterbruch 1

45886 Gelsenkirchen
e-mail: bosseler@ikt.de