Nya mätmetoder inom hydrologin fokus på Vattenföring och flöden Nils Sjödin SMHI

Utveckling av mätmetoder Fokus på I går - i dag - i morgon 1) Hur ser vanliga mätproblem ut? 2) Vilka metoder finns? Hur ser applikationen ut idag och vilken utvecklingspotential har dessa

I GÅR Personalintensivt Flyglar av olika modeller Begränsat antal vertikaler flera mätdjup

I DAG Kraftfull utveckling av Akustiska instrument

I morgon Fjärranalys Ytvattenströmning Nivå

MÄTNINGAR/OBSERVATIONER VATTENFÖRING/FLÖDEN FRÅN 0 4000m 3 /s VILKA FRÅGESTÄLLNNGAR MÖTER VI PÅ SMHI

Hur mycket rinner det här

Hur mycket rinner det här

Frågan är Hur mycket vatten rinner det här? och frågan är hur mäter man mängden/volymen

Hur lite vatten rinner det här

Hur ska vi mäta upp det här flödet

Vad är vattenföringen här

Vad är vattenföringen här

Hur mycket vatten går det genom de här turbinerna

Hur skall vi kunna verifiera den här vattenföringen Precision/kvalitet

Hur kan vi beskriva flödet eller flödesdynamiken på en plats Variation av flödet i tid i rum Hur mycket kvantiteten Hur noggrant kvaliteten

MÅNGA FRÅGOR FINNS DET SVAR? HUR SER DET UT NU? KAN NY TEKNIK/NYA METODER GE EFFEKTIVARE MÄTRESULTAT?

SMHI och flödesmätningar LÅNG ERFARENHET ÄNDAMÅL Samhällets behov Affärsuppdrag TEAM FÄLTARBETE TEKNIKUTVECKLING SKILDA FÖRHÅLLANDEN FÖRÄNDRINGAR NUTID-FRAMTID

Arbete i fält inspektion och flödes- (Q-)mätning vid SMHI-station (pegel)

Hur möta uppgiften Hur mycket vatten? När skall mätningen(arna) genomföras Momentan mätning Kontinuerlig mätning Vilken kvalitet/noggrannhet Välja rätt mätplats A o O

ISO ISO 748 Velocity Area Methods Är grunden till det mesta inom flödesmätning (area x hastighet = volym) ISO/TR 8363 General guidlines for selection of method ISO 8368 Giudlines for selection of structure

Kontinuerlig mätning För att. Bygga en tidsserie Kalibrering modeller Inventera tillgängliga vattenresurser

Momentan mätning Utföra konsultarbeten Kalibrera Q-stationer, kraftverk, m.m. Hydrauliska specialstudier Vid akut behov av flödesinfo för hydrologiska prognostjänsten

Bygga en tidsserie Metoder jämförbara över tid?? Flygelmätningar utförda enligt skilda standarutföranden Akustiska mätningar ADCP/StreamPro Avbördningskurvor vid stabila trösklar ger möjlighet att utvärdera kvaliteten över tid

DATA--- LÅNG SERIE eller ENSKILT VÄRDE

Kontinuerlig mätning Mängden vatten i vattendrag mätes (1) Direkt - med totalintegrerande teknik t. ex Ultraljuds- eller Elektromagnetisk teknik Indirekt - med hjälp av relation vattenhöjd - flöde s.k. W-Q-samband eller avbördningssamband. Indirekt - med hjälp av indexteknik - relatera någon annan mätbar parameter till flödesmängden. Indirekt - från produktionsvärden och verkningsgradskännedom vid vattenkraftverk.

Kontinuerlig mätning Mängden vatten i vattendrag mätes (2) Totalintegrerande teknik (ultraljud) förekommer främst i kanaliserade vattendrag, breda lugnflytande älvar och åar. Max bredd ca 200 m. Det är en dyrbar teknik, grovt skattat till 0,5-1,0 miljoner kr i installation. Vanlig i Storbritannien och i Nederländerna. Totalintegrerande teknik (el.magn. fält) förekommer främst i kanaliserade vattendrag upp till 10 m breda relativt vanlig mätteknik i Storbritannien Det är en noggrann (< 2%) men dyrbar teknik

Kontinuerlig mätning Mängden vatten i vattendrag mätes (3) Relation till någon indexparameter. En i Sverige relativt ny teknik, som håller på att utvecklas mot praktisk och ekonomisk användning. Är mest lämpad i lugnflytande, närmast kanaliserade vattendrag. Genom sin relativt lägre kostnadsnivå, kommer denna teknik att kunna ersätta eller bli ett alternativ till totalintegrerande teknik. ex ADVM +/- 6 m/s räckvidd 0,5 till 50? m Kalibreras och kontrolleras med hjälp av direkta flödesmätningar.

Kontinuerlig mätning Mängden vatten i vattendrag mätes (4) Relation vattenhöjd - flöde är den traditionellt vanligaste i alla hydrologiska sammanhang. Vattenhöjden observeras momentant eller kontinuerligt. Genom direkta flödesmätningar kalibreras sambandet W ->Q. Sofistikerade stationer använder mer eller mindre kvalificerad instrumentering för att mäta upp, lagra och realtidsöverföra uppgifterna om vattenhöjd för beräkning av flöde. Förutsättningen för att denna teknik skall kunna användas är att W-Q sambandet är entydigt, d.v.s. att varje enskilt vattenstånd alltid motsvarar en och samma flödesmängd. Denna relation kan uppnås på en mängd platser i svenska vattendrag, vid trösklar, eller i andra s.k. bestämmande sektioner.

Kontinuerlig mätning Mängden vatten i vattendrag mätes (5) bestämmande sektioner. Det mest tydliga exemplet är uppströmssidan av mindre eller större vattenfall, där vattenytan enbart påverkas av tillrinningen uppifrån - naturlig tröskel. Där det ej finns (stabila) naturliga trösklar kan ett alternativ vara anlagda mätdammar. Installations- och driftskostnaderna varierar stort mellan olika installationer. Nivåmätningen måste ske med precision i paritet med övriga mätningar för att få högsta kvalitet.

Naturlig tröskel, typ 1

Naturlig tröskel, typ 2

Anlagd tröskel - mätdamm Liten vinkelmätdamm Skarpkantat Sammansatt dammanläggning

Relation vattenhöjd- flöde (2) I Sverige är ca 95% av stationerna i SMHI:s nationella observationsnät naturliga trösklar av typ 1. Relationen W->Q vid dessa måste kalibreras och kontrolleras med hjälp av direkt flödesmätning. Ca 5% av stationerna hör till typ 3, företrädesvis mindre åar och bäckar, där olika typer av mätdammar inrättats. Relationen W->Q kan där ofta beräknas med hjälp av hydrauliska standardformler. Vid vissa typer av dammar kan mätnoggrannheten vara extra hög. Normalt behöver dessa dammar ej flödeskalibreras. Landet Zimbabwe har, som exempel och till skillnad från Sverige, nästan enbart anlagda dammar, även för de större vattendragen. Fortsatt basteknik för SMHI:s flödesobservationer framöver

AVBÖRDNINGSKURVA BYGGD PÅ LÅNG TIDS MÄTNINGAR (1)

AVBÖRDNINGSKURVA BYGGD PÅ LÅNG TIDS MÄTNINGAR (2)

ADCP-MÄTN ADCP-MÄTN

Momentan mätning Utföra konsultarbeten Kalibrera Q-stationer,kraftverk,m.m. Hydrauliska specialstudier Vid akut behov av flödesinfo för hydrologiska prognostjänsten

SMÅ VATTENFÖRINGAR Mikro-flyglar FlowTacker TM Kalibrerade överfallsdammar Volym-Tids metoder Spårämnesteknik/Utspädningsmetoden Många bäckar små

Hur mäts detta flöde

STORA VATTENFÖRINGAR AKUSTISK TEKNIK ADCP ADP SP (Acustic Doppler Current Profiler) (Acustic Doppler Profiler) (StreamPro) Kalibrerade dammar Volym-Tids metoder Via produktion och verkningsgradskännedom

Exempel på SteamPro-mätning mätning med hjälp av linbana

RÅNÅSFOSS, GLOMMA 3693 m 3 /sek

487 m 3 /s RÅNÅSFOSS, GLOMMA

JÄMFÖRELSE AV STRÖMNINGSMÖNSTER VID OLIKA FLÖDEN 22,2 respektive 24,4 m 3 /sek

UNDER OPTIMALA FÖRHÅLLANDEN Stabila flödesförhållanden Bra mätplats hydrauliskt sett Mätning tekniskt optimal t.ex. jämn förflyttningshastighet längs wire eller dyl. Rätt ADCP-mode Når du en reproducerbarhet < 1 % Når du en absolut noggrannhet om < 2 %

ERFARENHET (1) BYÄLVEN 108-2034 Säffle damm. Mätplats ca 1 km nedströms sjön Harefjorden Stora variationer i flödet med tiden under i övrigt mycket goda omständigheter 1) 186 m3/s kl 11:13 2) 134 m3/s kl 11:27 3) 181 m3/s kl 11:38 4) 169 m3/s kl 11:52

ERFARENHET (2) NÅGRA EXEMPEL PÅ YTTERLIGHETER VID FLÖDESMÄTNINGAR Svår mätning, naturligt Precisionsmätning kalibrering krv. Precisionsmätning kalibrering krv. vattendrag 158,7 m3/s 86,0 m3/s 176,7 m3/s +/- 21,9 m3/s +/- 0,69 m3/s +/- 2,85 m3/s under ca 1 tim under nära 2 tim under nära 3 tim 200,00 200,00 200,0 180,00 180,00 180,0 160,00 160,00 160,0 140,00 140,00 140,0 120,00 120,00 120,0 100,00 100,00 100,0 80,00 80,00 80,0 60,00 60,00 60,0 40,00 40,00 40,0 20,00 20,00 20,0 0,00 10:55 11:02 11:09 11:16 11:24 11:31 11:38 11:45 11:52 12:00 0,00 10:04 10:19 10:33 10:48 11:02 11:16 11:31 11:45 0,0 14:52 15:21 15:50 16:19 16:48 17:16 17:45

ERFARENHET (3) ADCP- mätningar Ökad precision med ökad mätvolym. 20 m 3 /s CV 6% 500 m 3 /s CV 2 % Oförändrad precision med ändrad medelhast i mätsektionen: område 0,2 m/s ca 1,0 m/s Minskad precision med ökad båt(förflyttnings-) hastighet vid mätning. Båt-V/medel-V V < 1 2% Båt-V/medel-V V > 2 5-6%

I MORGON KAN NY TEKNIK/NYA METODER GE BÄTTRE MÄTRESULTAT OCH GÖRA MÄTNINGSARBETET EFFEKTIVARE?

I MORGON AKUSTISKA GIVARE ELEKTROMAGNETISKA GIVARE

I MORGON Åt vilket håll går utvecklingen Mätningar sker mer o mer från strand Fjärrstyrda farkoster fjärröverföring av data Säkerhetstänkande, snabbare (i vissa fall) Fler fjärranalystiska metoder Akustiska metoder multi-sensorer fler moder Radarteknik LaserDoppler teknik Elektriska fält Fler enkla översiktsmätningar Fältmätning kopplas till hydrauliska modeller Bättre noggrannhet? möjligen i vissa fall

Kombinera det bästa Tack för mig! av det gamla och det nya för att få toppkvalitet på kostnadseffektivast sätt Tack för mig!