Schallemission wasserwirtschaftlicher Anlagen

Eine der wesentlichen Vorgaben der europäischen Wasserrahmenrichtlinie 2000/60/EG [1] ist die Erhaltung oder Wiederherstellung der ökologischen Durchgängigkeit von Fließgewässern. Das bedeutet konkret, dass die Durchgängigkeit des Flusses möglichst nicht durch menschliche Tätigkeiten gestört und die Wanderungsbewegung aquatischer Organismen ermöglicht wird.

So wurde beispielsweise der „Priorgraben“, ein aus der Spree gespeistes Fließgewässer, in den vergangenen Jahren durch strukturelle Veränderungen und den Bau von Fischpässen an Wehranlagen in ein naturnahes Fließgewässer zurückversetzt. Jedoch kam es nach dem Umbau der Anlage an der Steinteichmühle vermehrt zu Anwohnerbeschwerden über eine erhöhte Lärmbelastung infolge des Wasserrauschens. Das führte schließlich dazu, dass an diesem Standort eine Schallschutzwand errichtet werden musste. Dieses Beispiel führt vor Augen, dass angesichts des starken Anstiegs der Zahl der ökologisch durchgängig ausgeführten wasserwirtschaftlichen Anlagen ein ausreichender Kenntnisstand und im besten Fall eine umfangreiche Datenbasis zur Abschätzung der Schallemission solcher Anlagen notwendig sind.

Untersuchungsgebiet

Die untersuchten wasserwirtschaftlichen Anlagen befanden sich alle in der Umgebung von Cottbus (siehe Bild 1).

Die Anlagen Priormühle und Steinteichmühle sind naturnahe gestaltet, während das Einlaufbauwerk eine rein technische Anlage ist, die noch nicht in den naturnahen Zustand zurückversetzt wurde. Die Bilder 2 (a bis d) zeigen entsprechende Fotos der Bauwerke. In Bild 2(b) ist dabei zusätzlich die aufgrund von Anwohnerbeschwerden errichtete Lärmschutzwand zu sehen.

Methodik

Akustikmessungen

Ziel der vorliegenden Studie war die Charakterisierung der verschiedenen wasserwirtschaftlichen Anlagen hinsichtlich ihrer Schallemission. Eine einfache und gleichzeitig effiziente Möglichkeit dazu ist die Ermittlung der Schallleistung mithilfe eines Schallpegelmessers.

Grundsätzlich gibt es für die Bestimmung der Schallleistung einer solchen Anlage aus gemessenen Schalldruckpegeln zwei Möglichkeiten:

1. Die Messung entlang eines einfach geformten, geschlossenen Pfades um die Anlage und die Berechnung der zugehörigen Messfläche nach DIN EN ISO 8297 [2].

2. Die Messung auf einer die Quelle umschließenden Hüllfläche, entsprechend der erforderlichen oder erreichbaren Genauigkeit nach DIN EN ISO 3744 [3] (für Genauigkeitsklasse 2) oder DIN EN ISO 3746 [4] (Genauigkeitsklasse 3).

Obwohl eine Messung nach dem Hüllflächenverfahren (zweite Möglichkeit) bei vielen wasserwirtschaftlichen Anlagen aufgrund deren Größe und einer unter Umständen begrenzten Zugänglichkeit sehr aufwendig ist, bietet sie den Vorteil, dass auch eine nach oben gerichtete Schallemission berücksichtigt wird. In der vorliegenden Studie wurde daher die Schallleistung der unterschiedlichen Anlagen mithilfe des Hüllflächenverfahrens in Anlehnung an DIN EN ISO 3746 [4] durchgeführt. Zu diesem Zweck wurde um die Anlagen jeweils eine etwa quaderförmige Hüllfläche definiert, auf der die Mikrofone positioniert wurden. Beidseitig der Anlagen wurde das Mikrofon dabei in zwei unterschiedlichen Höhen von 1,55 und 2,25 m aufgestellt. Aufgrund der Größe und der zum Teil beschränkten Zugänglichkeit der Anlagen war es jedoch nicht in jedem Fall möglich, die über den Anlagen befindlichen Messpunkte ebenfalls ideal gleichmäßig zu verteilen. Die vorliegende Studie ist daher lediglich als Vorabuntersuchung der Durchführbarkeit von Schallemissions­messungen an solchen Bauwerken zu verstehen. Tabelle 2 gibt eine Übersicht der für die akustischen Messungen verwendeten Messraster.

Bild 3 zeigt schematisch die für die Messung an der Fischaufstiegsanlage Steinteichmühle verwendete Messfläche inklusive der Mikrofonpositionen.

Um eine erste Aussage zum Einfluss der Fließgeschwindigkeit auf die Schallerzeugung zu erhalten, wurden am Wehr in Babow sowie am Einlaufbauwerk zusätzliche Messungen bei einer von der ersten Messung verschiedenen Fließgeschwindigkeit durchgeführt.

In Abweichung zu DIN EN ISO 3746 konnte in der vorliegenden Untersuchung kein Störgeräusch gemessen werden, da die wasserwirtschaftlichen Anlagen zum Zweck der Messung nicht abgeschaltet werden können. Vereinfachend wird die laut Norm zu berechnende Fremdgeräuschkorrektur K_1A an dieser Stelle als Null angenommen. Diese Annahme erscheint auch deshalb plausibel, weil die jeweiligen wasserwirtschaftlichen Anlagen während der Messungen subjektiv tatsächlich als die maßgeb­liche Schallquelle identifiziert wurden. Eine Unterschätzung des Fremdgeräuschs würde gegebenenfalls zu einer Überschätzung der Schallleistung der Anlage führen, was im Rahmen der vorliegenden Untersuchung zur Durchführbarkeit solcher Messungen vertretbar wäre.

Da die Messungen im Freien stattfanden und in der Nähe keine wesentlichen reflektierenden Flächen vorhanden waren, wurde in Übereinstimmung mit der Norm als Korrekturwert K_2A für die Messumgebung ebenfalls Null angenommen.

Alle akustischen Messungen wurden mit einem Handschallpegelmessgerät der Klasse 1 und einem 1/4‘‘-Messmikrofon der Klasse 2 durchgeführt, das mit einem Windschutz versehen war. Die Messdauer betrug mindestens 30 s, in ausgewählten Fällen 60 s. Laut Norm sind die Messungen in Terzbändern mit Mittenfrequenzen von 125 Hz bis 8 kHz durchzuführen. Da die Ergebnisse auch bei etwas tieferen und höheren Frequenzen plausibel erschienen, wurden in der vorliegenden Studie eine untere Frequenzgrenze von 80 Hz und eine obere Frequenzgrenze von 16 kHz gewählt. Im Sinne einer angestrebten Modellbildung erlaubt dies zumindest grobe Aussagen auch über den in der Norm festgelegten Bereich hinaus.

Messung von Abfluss und Wasserstand

Die Abflussmessungen wurden mithilfe eines akustischen digitalen Strömungsmessers durchgeführt. Dabei wird die Fließgeschwindigkeit aus der Frequenzverschiebung eines ausgesendeten Ultraschallsignals bestimmt (Ultraschall-Doppler-Verfahren). Das verwendete Messgerät hat einen Messbereich von -0,2 bis 2,4 m/s, mit einer Genauigkeit von  1 % und einer Auflösung von 0,001 m/s. Gemessen wurde nach dem Prinzip des Messlotrechten-Verfahrens. Alle vorgenommenen Messungen erfolgten unter Berücksichtigung der geltenden Richtlinie für das Messen von Abflüssen [5]. An den regelbaren Wehranlagen erfolgte zusätzlich die Aufnahme der Ober- und Unterwasserstände (OW, UW) durch Ablesen der Lattenpegel. Für die naturnahe Sohlengleite resultierte die Höhendifferenz (h) zwischen Ober- und Unterwasser aus Nivelliermessungen.

Ergebnisse

Bild 4 zeigt den Vergleich der ermittelten A-bewerteten Schallleistungspegel für die untersuchten wasserwirtschaft­lichen Anlagen als Funktion der Terzmittenfrequenz.

Die während der Messungen vorherrschenden Wasserspiegeldifferenzen und Fließgeschwindigkeiten sind in Tabelle 3 angegeben (für die beiden Anlagen, bei denen zwei Messungen durchgeführt wurden, gehört der jeweils erste Wert zur in Bild 4 dargestellten Schallleistung).

Es ist ersichtlich, dass der spektrale Verlauf bei allen Anlagen grundsätzlich ähnlich ist: Die Schallleistung steigt von tiefen zu mittleren Frequenzen an (mit etwa 10 bis 12 dB(A) pro Frequenzverdopplung) und erreicht dann bei etwa 1 000 bis 1 250 Hz das Maximum. Anschließend fällt der Schallleistungspegel mit weiter steigender Frequenz wieder ab (mit etwa 6 bis 8 dB(A) pro Frequenzverdopplung). Der höchste Schallleistungspegel wurde dabei für die Fischaufstiegsanlage Steinteichmühle gemessen, das Maximum beträgt hier 85,9 dB(A). Die geringste Schallleistung mit einem Spitzenwert von 73,9 dB(A) ergibt sich für das Wehr Babow; dies ergibt eine deutliche Differenz von 12 dB(A) gegenüber der Steinteichmühle. Das gemessene Schallleistungsspektrum des Wehrs in Babow zeigt neben dem globalen Maximum bei 1 250 Hz noch ein weiteres lokales Maximum bei etwa 200 Hz. Dieses Schallleistungsmaximum kommt durch einen sehr hohen Schalldruckpegelmesswert an der Messposition auf dem Bediensteg zustande, der sich direkt oberhalb des Wehrüberfalls befand. Bereits während der Messungen ist subjektiv festgestellt worden, dass die Lautstärke an dieser Position vergleichsweise hoch ist.

Aus den Einzelschallleistungspegeln bei den Terzmitten­frequenzen von 80 Hz bis 16 kHz wurde anschließend der A-bewertete Gesamtschallleistungspegel berechnet. Dieser ist in Bild 5 dargestellt.

Es ist ersichtlich, dass die untersuchten An­lagen Gesamtschallleistungspegel von etwa 83 bis 95 dB(A) aufweisen. Dies sind Werte, die auch in einiger Entfernung in der Tat schon Immissionswerte hervorrufen können, die als lästig empfunden werden. Auffällig ist hierbei, dass die beiden naturnahen Anlagen (Priormühle und Steinteichmühle) einen höheren Gesamtschallleistungspegel aufweisen als die beiden anderen Anlagen. Damit geht auch einher, dass die Gesamtschallleistung nicht einfach nur unabhängig vom Bauwerk von der Fließgeschwindigkeit abhängt.

Um in einem ersten Schritt die Abhängigkeit der Schallentstehung an ausgewählten wasserwirtschaftlichen Anlagen von der Fließgeschwindigkeit beziehungsweise, da diese über den Gewässerquerschnitt stark variieren kann, vom Abfluss zu unter­suchen, fanden bei zwei der Anlagen zusätzliche Messungen statt. Allerdings wurde aus Zeitgründen auf eine Messung auf der kompletten Hüllfläche verzichtet. Stattdessen wurden Messungen auf nur einer Seite des Gewässers an jeweils zehn Mikrofonpositionen durchgeführt. Die resultierenden Schalldruck­pegel wurden anschließend gemittelt, wodurch sich für diese Fläche ein mittlerer A-bewerteter Schalldruckpegel ergibt, der als proportional zum Schallleistungspegel angesehen werden kann.

Bild 6 zeigt diesen flächengemittelten Schalldruckpegel für das Wehr Babow bei Abflüssen von 0,89 und 0,41 m³/s.

Für den Abfluss von 0,41 m³/s ergibt sich bei einer Frequenz von 1 250 Hz ein Maximum des Schalldruckpegels von 39,8 dB(A), für den höheren Abfluss von 0,89 m³/s beträgt es 48,4 dB(A). Das bedeutet, dass eine Zunahme des Abflusses auf etwa das Doppelte eine Erhöhung des maximalen Schalldruckpegels von fast 9 dB bewirkt. Bild 7 zeigt entsprechende Ergebnisse für das Einlaufbauwerk.

Bei einem Abfluss von 0,73 m³/s wurde dabei ein maximaler flächengemittelter Schalldruckpegel von 47,2 dB(A) im Terzband mit der Mittenfrequenz von 1 kHz gemessen, bei 0,57 m³/s sind es nur noch 44,8 dB(A). Hier führt eine Reduktion des Abflusses um etwa 20 % zu einer Reduktion des gemessenen Schalldruckpegels von fast 2,5 dB.

Zusammenfassung

Derzeit erfolgt für viele wasserwirtschaftliche Querbauwerke ein Umbau, um die ökologische Durchgängigkeit des Fließ­gewässers zu erreichen und zum Beispiel die ungehinderte Wanderung aquatischer Organismen zu ermöglichen. Das kann unter Umständen jedoch zu einer erhöhten Schallentstehung führen. Da noch keine auf solche Anlagen zugeschnittenen Messverfahren existieren, erfolgte in der vorliegenden Studie die Bestimmung des frequenzabhängigen Schallleistungspegels für vier wasserwirtschaftliche Anlagen mithilfe des Hüllflächenverfahrens. Die Ergebnisse zeigen, dass die Bestimmung der Schallleistung für derartige Anlagen generell möglich ist. Ein Fakt, der die Auswertung insbesondere bei geringen Abflüssen erschwert, ist jedoch, dass zum Teil sehr niedrige Schalldruckpegelwerte unter 40 dB(A) auftreten, vor allem im Bereich tiefer und hoher Frequenzen.

Die durchgeführten Messungen ergaben, dass die beiden untersuchten naturnahen Anlagen einen höheren Schallleistungspegel erzeugten als die rein technischen Anlagen. Um festzustellen, ob dies ein genereller Trend ist, wären jedoch weitere Messungen notwendig. Ebenfalls zeigte sich deutlich eine starke Abhängigkeit der Schallentstehung vom Abfluss. So führte beispielsweise eine Verdopplung des Abflusses bei einer der Anlagen zu einer Zunahme des Maximums des flächengemittelten Schalldruckpegels von fast 9 dB(A).

Anhand der vorliegenden Daten ist es derzeit noch nicht möglich, ein Modell zur Schallvorhersage wasserwirtschaftlicher Anlagen zu erstellen. Zu diesem Zweck wäre eine Vielzahl weiterer Messwerte bei verschiedenen Anlagen und mit variierenden Abflüssen und Wasserspiegeldifferenzen nötig. Zusätzlich wäre eine Erfassung von Parametern wie der maximalen Fließ­geschwindigkeit sehr sinnvoll. Neben der Durchführung weiterer Messungen an realen Bauwerken wären Messungen an Anlagen im Modellmaßstab eine zeit- und kostensparende Alterna­tive. In beiden Fällen ließe sich aus den gewonnenen Daten dann zum Beispiel ableiten, welche Modifikationen der Bau­werke bei einem Umbau zu einer Reduktion der Schallemission führen würden. So könnte ebenfalls geklärt werden, ob durch eine Veränderung der Bauweise eventuell die Funktionalität beeinträchtigt würde. Bei zukünftigen Untersuchungen sollten im besten Fall auch Ort und Stärke einzelner Teilschallquellen einer wasserwirtschaftlichen Anlage identifiziert werden. Dies würde gezielte Lärmminderungsmaßnahmen ermöglichen.

Trotz der Einschränkungen der vorliegenden Studie zeigen die vorhandenen Untersuchungsergebnisse jedoch bereits deutlich, dass ein auf einer umfangreicheren Datenmenge basierendes Schallvorhersagemodell für die zukünftige Planung wasserwirtschaftlicher Anlagen sehr hilfreich wäre.