Aktuelle Entwicklungen im gewässerkundlichen Messnetz
des Freistaats Sachsen
Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie
Referat Landeshochwasserzentrum/Gewässerkunde
Zusammenfassung.
Das Pegelnetz in Sachsen hat in Abhängigkeit veränderter Fragestellungen eine
historische Entwicklung erfahren. Seit den 1990er Jahren erfolgt eine beständige
Ertüchtigung, bei der Fragen der Messprofilgestaltung mit weitgehend unveränderlichem
Querschnitt, der Hochwassersicherheit, der Messbarkeit von Hochwasserabflüssen und
der Datenverfügbarkeit in den Vordergrund gerückt sind. Mobile und stationäre
Ultraschalltechnik ermöglichen Datenerhebungen in Bereichen, die durch herkömmliche
Technik nicht adäquat behandelt werden können. Fortschritte in der Datenverfügbarkeit
unter extremen Bedingungen wird durch Redundanz von Messwerterfassung,
Energieversorgung und Datenübertragung erreicht.
1 Aufgaben des Pegelnetzes
Als Anleitung zur Errichtung und den Betrieb von gewässerkundlichen Pegeln steht in
Deutschland die Pegelvorschrift [5] zur Verfügung, die von der
Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA), einem Zusammenschluss der für die
Wasserwirtschaft und das Wasserrecht zuständigen Ministerien der Bundesländer und
des Bundes, herausgegeben wird. Neben allgemeinen Prämissen für gewässerkundliche
Beobachtungen und Auswertungen im Stammtext der Vorschrift werden in fünf Anlagen
Anweisungen zum Bau, zur technischen Ausrüstung, zum Beobachten und Warten, zur
Festlegung und Erhaltung der Pegel in ihrer Höhenlage sowie zum Messen und Ermitteln
von Abflüssen und Durchflüssen gegeben. Damit liegt ein Standard vor, der in
Deutschland in Bezug auf die grundsätzlichen Fragen der gewässerkundlichen
Beobachtung eine einheitliche Herangehensweise ermöglicht.
Darüber hinaus gibt die LAWA mit [6] und [7] weitere Hinweise und Empfehlungen zu
Rahmenbedingungen, Aufgaben, Anforderungen und Abgrenzungen für den Mess- und
Beobachtungsdienst in Bezug auf Pegel und Pegelnetze.
Gewässerkundliche Pegel müssen neben vielen anderen Aspekten geeignet sein, sowohl
die regionale Vielfalt der Einzugsgebiete unter Berücksichtigung ihrer variierenden
meteorologischen, morphologischen und geologischen Verhältnisse zu erfassen, als
auch Daten in einer den Aufgaben entsprechenden hohen Qualität und Zuverlässigkeit zu
liefern. Nur damit kann die Voraussetzung für eine Übertragbarkeit der punktuell

erhobenen Daten auf unbeobachtete Gewässerquerschnitte im Sinne einer
Regionalisierung geschaffen werden.
Aus dem möglichen Aufgabenspektrum gewässerkundlicher Pegel gehören in Sachsen
traditionell die Bereitstellung von Wasserstands- und Abflussdaten zur Bemessung und
Bedienung von Anlagen, zur Festlegung des Umfangs von Ausbaumaßnahmen sowie für
wasserrechtliche Festlegungen in Aus- und Einleitungsfragen zu den herausragenden
Anforderungen. Die Einrichtung des staatlichen Messnetzes zu Beginn des 20.
Jahrhunderts und sein Betrieb finden ihren Grund jedoch nicht zuletzt in der
Notwendigkeit zur Datenerhebung für den Hochwassernachrichtendienst.
2 Entwicklung des Pegelnetzes
Das hydrologische Messnetz in Sachsen hat unter den oben genannten Gesichtspunkten
eine historische Entwicklung erfahren, die zum einen durch lokale Erfordernisse und zum
anderen durch die Verfügbarkeit geeigneter, den Forderungen der jeweils gültigen
Pegelvorschrift entsprechender Standorte geprägt ist.
Beginnend mit sporadischen Beobachtungen seit dem 18. Jahrhundert war für die
Entwicklung eines modernen Pegelnetzes in Sachsen das Hochwasser im Sommer des
Jahres 1897 von besonderem Ausschlag [3]. Im Zusammenhang mit der Herausbildung
spezialisierter Wasserwirtschaftsbehörden kam es 1903 zur Einrichtung einer Vielzahl
von Lattenpegeln an gut zugänglichen Gewässerstellen (besonders Brücken) unabhängig
von eventuell bestehenden Umfluten in Form von Mühlgräben. Zweck dieser Pegel war
das schnelle Erkennen beginnender Hochwassergefahren („Hochwasserpegel“), wozu
zweimal täglich die Ablesung des Wasserstandes erfolgte. In Kenntnis der Nichteignung
dieser Standorte für Durchflussmessungen und der an diesen Pegeln erhobenen Daten
für statistische Auswertungen wurden ab 1908 so genannte „Messstellen mit
Schreibpegeln“ an unbeeinflussten Standorten errichtet. In [2] wird darauf verwiesen,
dass es „bei der fast lückenlosen Ausnutzung des Flusswassers zur Kraftgewinnung in
Sachsen ziemlich schwierig (war), geeignete, durch Wehrstaue unbeeinflusste Stellen zu
finden.“
Der Aufbau des Pegelnetzes (Abb. 1) war Anfang der 1920er Jahre in seinen
Grundzügen abgeschlossen [3], wobei aktuelle hydrologisch-wissenschaftliche
Gesichtspunkte, wie z. B. die Skalenproblematik hydrologischer Prozesse oder
naturräumliche Aspekte bei Standortfestlegungen nur eine untergeordnete Rolle spielten.
Verständlich wird dies zum einen durch die oben erwähnten Schwierigkeiten und
Erfordernisse und zum anderen durch den zu dieser Zeit noch fehlenden Wissensstand.

image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Durchflussmessstellen
Abb. 1:
Verteilung der Durchflussmessstellen (Wassermessstellen) in Sachsen im Jahr
1938
Im Jahr 1938 (Abb. 1) zeigen sich die Durchflussmessstellen noch ungleichmäßig über
das damalige sächsische Territorium verteilt, wobei drei Gebiete mit Konzentrationen von
Durchflussmessstellen auffallen: Hierbei handelt es sich um das von starken
Hochwassern betroffene Gebiet der Elbenebenflüsse im Osterzgebirge und das von
bergmännischer Wasserwirtschaft geprägte Gebiet um Freiberg. Die Häufung von
Durchflussmessstellen im Westerzgebirge resultiert aus Untersuchungen, die zu dieser
Zeit zur Erkundung von Talsperrenstandorten durchgeführt wurden.
Mit zeitlichem Fortschritt veränderte sich das Pegelnetz im Zuge des Erkennens von
Standortschwächen und erforderlicher Beobachtungen bei speziellen Fragestellungen, so
dass sich ein sehr heterogenes Bild in den Beobachtungslängen der Pegel ergibt.
Aktuell zeigt sich eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung der Pegel (Abb. 2), die
nur in Ausnahmen keine Durchflussmessstellen sind.

image
Abb. 2:
Aktuelles hydrologisches Messnetz in Sachsen
Zusammenfassend ergibt sich folgendes zahlenmäßiges Bild:
1927: 138 km²/Durchflussmessstelle (Sachsen in den Grenzen von 1813)
1979: 95 km²/Durchflussmessstelle (Gebiet der Wasserwirtschaftsdirektion Obere
Elbe/Neiße)
2006: 102 km²/Durchflussmessstelle (Sachsen nach Neubildung des Freistaats
Sachsen)
Obwohl ein direkter Vergleich aufgrund der unterschiedlichen territorialen Grenzen nicht
möglich ist, lässt sich feststellen, dass sich seit etwa 80 Jahren die Größenordnung der
Anzahl der Durchflussmessstellen in Sachsen nicht geändert hat.
Mit dem verbreiteten Einsatz von Modellen zur Lösung wasserwirtschaftlicher
Fragestellungen jeglicher Art, insbesondere auch für operationelle
Hochwasservorhersagen, stellt sich im Zusammenhang mit Parametrisierungen und
Kalibrierungen immer deutlicher die Frage nach Repräsentativität und Qualität der mit
dem vorhandenen Messnetz erhobenen Daten. Während letzteres direkt vom Fortschritt
der Entwicklung der Messtechnik und den gegebenen hydraulischen
Standorteigenschaften abhängt, sind Neuanlagen von Pegeln zur Verbesserung der
Datenübertragbarkeit infolge hydraulischer Bedingungen, anthropogener

image
Beeinflussungen (z. B. durch Nutzungen zur Energieerzeugung), naturschutzfachlichen
Belangen, der Grundstücksverfügbarkeit und nicht zuletzt der anfallenden Kosten
Grenzen gesetzt.
Als mittelfristiges Ziel der Weiterentwicklung des Pegelnetzes ist demzufolge seine
Optimierung unter Beachtung der Dominanz einzelner Abflusskomponenten in
verschiedenen Skalen zu definieren. Mit der naturräumlichen Gliederung, die die
speziellen Gebietseigenschaften insbesondere in Bezug auf Pedologie, Geologie und
Morphologie integriert, kann eine grobe Bedarfsanalyse erfolgen. Aus Abb. 3 wird
überblickhaft deutlich, dass Potentiale für geringfügige Änderungen im Pegelnetz
bestehen.
Abb. 3:
Pegelnetz und Naturräume in Sachsen
Mit den seit den 1990er Jahren vorhandenen Möglichkeiten ist der Freistaat Sachsen
bemüht, durch Pegelrekonstruktionen und -neubauten hohen qualitativen Forderungen
gerecht zu werden und die Repräsentativität der erhobenen Daten zu erhöhen. Beispiele
dafür sind in den folgenden Abschnitten zusammengestellt.

3 Bauliche Gestaltung
Die Fließgewässer weisen aufgrund der geografischen Bedingungen in Sachsen, die von
Tieflands- bis in Mittelgebirgslagen reichen, und anthropogenen Beeinflussungen ein
breites Spektrum an Eigenschaften auf. Beispielhaft seien aufgeführt:
stark schwankende Wasserstände und Abflüsse,
große Unterschiede zwischen Niedrig- und Hochwasser,
starke hydraulische Beanspruchungen infolge der Gefälleverhältnisse in den
Gebirgslagen, die Geröll- und Geschiebeführung bewirken,
Treibgutbewegungen bei Hochwasser,
Vereisungen im Winter,
Verkrautungen vor allem im Tiefland im Sommer.
Darüber hinaus erfolgt die Ausbildung der Hochwasserwellen infolge unterschiedlicher
Gewässernetzstrukturen sehr verschiedenartig.
Unter diesen Randbedingungen stellen definierte und unveränderliche Messquerschnitte
im Gewässer eine zentrale hydraulisch begründete Forderung bei der Errichtung oder
Rekonstruktion von Pegelanlagen dar. Der dafür u. U. notwendige Gewässerausbau
kann bei Erhalt der Fischdurchgängigkeit auf ein Mindestmaß beschränkt werden.
Bewährt hat sich in diesem Zusammenhang die Befestigung der Ufer im Pegelbereich
und bei Gewässerbreiten bis maximal 20 m der Einbau von 4 bis 6 m langen Sohlplatten
aus Beton mit befestigter An- und Ablaufstrecke vor allem an gefällereichen
Gewässerstrecken im Mittelgebirgs- und Hügellandbereich. In Abhängigkeit des
Wasserspiegelgefälles kann ein geringfügiges Gegengefälle der Sohlplatte bis maximal
3 % eine Glättung des Wasserspiegels bewirken, die eine weitgehend exakte
Bestimmung der Wassertiefe bei Durchflussmessungen gewährleistet, und noch keine
Versandungserscheinungen zeigt. Diese Konstruktionen sind im Grunde eine
Modifikation des PARSHALL-Messkanals nach [1], die an die natürlichen Gegebenheiten
angepasst werden.
Die Erfahrungen spätestens aus dem August-Hochwasser 2002 haben gezeigt, dass die
Sicherung der Gewässersohle wesentlich für die beständige Funktion einer Pegelanlage
über längere Zeiträume ist. Folglich trägt auch eine stabile Wasserstands-Durchfluss-
Beziehung zur permanenten Sicherung der Datenqualität bei.
Darüber hinaus stellt die Betriebssicherheit der Anlage bei Hochwasser einen
wesentlichen Fakt dar, um den gesetzlichen Verpflichtungen zur Warnung der
betroffenen Bevölkerung nachzukommen. Unter Abwägung der wirtschaftlichen

Machbarkeit wird bei Pegelneubauten und –rekonstruktionen in Sachsen versucht, die
Anlage hinsichtlich ihres Bautenstandes und ihrer technischen Ausrüstung so
hochwassersicher wie möglich zu gestalten. Dazu werden neben den üblichen
extremwertstatistischen Angaben auch die Beobachtungen abgeflossener Hochwasser
und deren Auswirkungen am Standort betrachtet.
Die Erfassung von Hochwasserabflüssen ist aus verschiedenen Gründen, insbesondere
durch das gegebene Gefahrenpotential für Gesundheit und Leben bei Tätigkeiten in
unmittelbarer Nähe starker Strömungen, oftmals problematisch, woraus in der Regel
ungenügend mit Messungen belegte Wasserstands-Durchfluss-Beziehungen im
Hochwasserbereich resultieren. Folglich ist auch die Datenqualität eingeschränkt. Um
hier Verbesserungen zu erreichen, wurden seit 1992 in Sachsen 23 Seilkranlagen an
Pegeln mit großen Gewässerbreiten und 15 Messstege an kleineren Gewässern errichtet,
deren Bau aufgrund fehlender Kapazitäten bis dahin nicht möglich war. Diese haben zu
einer deutlichen Verbesserung der Datensituation und wesentlich zur Arbeitserleichterung
des Messpersonals
1
beigetragen.
4 Durchflussermittlung
In Sachsen ist der hydrologische Messdienst standardmäßig mit hydrometrischen Flügeln
ausgestattet. Unter bestimmten Bedingungen werden ergänzend magnetisch-induktive
Messsonden und Salzverdünnungsmessgeräte eingesetzt.
Mit dem Einsatz von drei ADCP-Messbooten (Abb. 4) sowohl an Seilkrananlagen als
auch von Brücken aus konnte seit 2002 die Anzahl der Durchflussmessungen bei
Hochwasser infolge verkürzter Messdauern gegenüber Flügelmessungen vervielfacht
werden. Das damit verbundene Messverfahren und die dazugehörige Software stellen
jedoch an das Messpersonal einen höheren Qualifikationsanspruch.
1
Das Pegelnetz in Sachsen wird durch die Staatliche Umweltbetriebsgesellschaft (UBG) betrieben, die als
Staatsbetrieb auch für den Pegelbau zuständig ist. Dem Sächsischen Landesamt für Umwelt und Geologie
obliegt die Fachaufsicht über die UBG.

image
Abb. 4:
ADCP-Messboot
Die oben erwähnte Problematik der Verfügbarkeit geeigneter Pegelstandorte führt(e) in
Einzelfällen zur Errichtung von Pegelanlagen in Rückstaubereichen, die u. U. erst beim
Ablauf von Hochwassern offenkundig werden, sofern in der Planungsphase keine
hydraulische Simulationen erfolgt sind. An diesen Standorten bieten sich stationäre
Ultraschallmesssysteme in Form von Laufzeit-Differenz- oder Horizontal-ADCP-Anlagen
an, die seit 2002 erstmals in Sachsen am Pegel Wolkenburg/Zwickauer Mulde im Einsatz
sind und einer umfangreichen Testung unterzogen wurden. Dabei hat sich gezeigt, dass
eine Verbesserung der Genauigkeit der ermittelten Durchflüsse durch verfeinerte
Anlagenkalibrierung und Optimierung der Sensorstandorte auf Grundlage der Simulation
der profil- und wasserstandsabhängigen Geschwindigkeitsverteilung mit Hilfe eines
hochauflösenden Strömungsmodells [4] erreichbar ist.
5 Technische Ausrüstung
Im Hinblick auf die massiven Datenausfälle unter Katastrophenbedingungen während des
August-Hochwassers 2002 waren im Kontext mit der baulichen Sicherheit der
Pegelanlagen gegen Hochwassereinflüsse auch Überlegungen zur weitgehend
ausfallsicheren technischen Ausrüstung notwendig. Dazu wurde im Sächsischen
Landesamt für Umwelt und Geologie im Jahr 2003 eine Ausrüstungskonzeption
erarbeitet, die für die wichtigsten Pegel des Messnetzes, insbesondere für
Hochwassermelde- und Hochwasservorhersagemodell-Pegel, Redundanz sowohl für die
Messwerterfassung (Sensortechnik) und deren Energieversorgung als auch für die

Datenübertragung vorsieht. In diesem Zusammenhang erfolgte eine Priorisierung der
technisch möglichen Ausrüstung bezüglich der einzelnen Kompartimente, die im
wesentlichen für die
Wasserstandsmessung das Schwimmerprinzip vor Einperl- und Radarsensorik,
Energieversorgung in der Reihenfolge Festnetzanschluss, Solarstromversorgung
oder Akku-/Brennstoffzellenbetrieb,
Datenübertragung das Telefon-Festnetz vor GSM-Netz, Bündelfunk und
Satellitenübertragung
festlegt.
Abb. 5 zeigt schematisch die redundante Datenerfassung und –übertragung mit
gekreuzten Datenwegen im Pegel.
Stationsmanager 1
mit Netzversorgung und USV
B1-Kanal: automatische Datenlieferung an Zentrale
B2-Kanal: Messwertansage
ISDN-Anschluss
(B1- und B2-Kanal)
Stationsmanager 2
mit Netzversorgung und USV
oder Solarversorgung
GSM-
Funkverbindung
Einperlsensor,
Radar oder
Drucksonde
Winkelkodierer
oder
Einperlsensor
Abb. 5:
Redundante Pegeltechnik
Zur Verhinderung von Überspannungsschäden an den elektronischen und
elektrotechnischen Einrichtungen der Pegel sind umfangreiche Maßnahmen erforderlich.
Trotz weit reichender Vorkehrungen sind nicht nur im Katastrophenfall sowohl die
Unterbrechung der Datenverbindung als auch die Zerstörung der technischen

Einrichtungen nicht ausschließbar. Für solche Fälle kann auf den ehrenamtlichen
Pegelbeobachter nicht verzichtet werden, der eine Datenerfassung und -übermittlung in
eingeschränktem Maße aufrecht erhalten kann.
Literatur
[1] DIN EN ISO 772: Hydrometrische Festlegungen – Begriffe und Zeichen, Beuth
Verlag 2004
[2] Fickert, Richard: Forschungsarbeiten des Sächsischen Amtes für Gewässerkunde.
Der Kulturtechniker 1927, H. 3
[3] Fügner, Dieter: Die historische Entwicklung des hydrologischen Mesßwesens in
Sachsen. Deutsche Gewässerkundliche Mitteilungen 34 (1990), H. 5/6
[4] Kölling, Christian: Hochwasserkalibrierung der von der UBG Leipzig geplanten
stationären H-ADCP-Durchflussmessanlage Leisnig/Freiberger Mulde.
Internationales Seminar „Akustische Doppler Geräte (ADCPs) in der Hydrometrie –
Möglichkeiten einer innovativen Technik“, Bundesanstalt für Gewässerkunde Koblenz
2005 (
http://www.isar-consult.de
)
[5] LAWA: Pegelvorschrift – Stammtext. 4. überarbeitete Auflage, Berlin/Bonn:
Kulturbuchverlag 1997
[6] LAWA: Leitlinien eines zukunftsfähigen gewässerkundlichen Mess- und
Beobachtungsdienstes. Schwerin 2000
[7] LAWA: Gewässerkundliche Pegel – Aufgaben, Anforderungen, Abgrenzungen.
Schwerin 2001