Flödesmätningar med hydroakustik Stina Nyman & Mikael Lennermark SMHIs “nya” mätmetoder inom hydrologi Flödesmätningar med hydroakustik Stina Nyman & Mikael Lennermark Hej Jag heter Stina och jag och min kollega ML har fått i uppgift att berätta om vilka nya hydrologiska mätmetoder som används på SMHI. Jag säger ”nya” lite ironiskt för vi har faktiskt mätt med hydroakustiska mätinstrument regelbundet i nästan 20år!

Innehåll SMHIs hydrologiska stationsnät i korthet 2013-11-06 Hydrologiska mätningar – ny teknik, metoder och problem Innehåll SMHIs hydrologiska stationsnät i korthet Varför behöver vi göra flödesmätningar? Indexteknik Flödesmätningar i korthet Djupdykning i hydroakustik Här är dagens agenda, avbryt gärna med frågor under tiden. Jag kommer börja och sedan tar Micke över emot slutet.

Hydrologi på SMHI – ett axplock 2013-11-06 Hydrologiska mätningar – ny teknik, metoder och problem Hydrologi på SMHI – ett axplock Hydrologiskt grundnät (ca 320 stationer) 220 egna stationer, varav 70 realtidsrapporterande 20 stationer som ägs av andra men SMHI äger data 80 stationer från externa ägare (oftast vattenkraftverk) VMT-nät (Vattenmyndigheternas Temporära nät) Ca 40 stationer åt gången Kort tidsserie (ca. 24 månader) Låga krav på instrumentering och avbördningssamband Främst för att förbättra modellerna i S-HYPE Genomför flödesmätningar i fält SMHIs hydrologiska grundnät består av ungefär 320 stationer ++ 220 ägs och drivs av SMHI, av dem är 70 realtidsrapporterande ++ 20 stationer är någon form av samarbete, det kan vara någon annan som äger stationen men SMHI som äger data från stationen ++ Ungefär 80 stationer i vårt grundnät är externa stationer, oftast vattenkraftverk ++ Inom vattenförvaltningen har vi också det sk. VMT-nätet Det är ungefär 40 stationer åt gången som registrerar vattenstånd i minst 24 månader. Data här används främst för att förbättra modellerna i S-HYPE och på så vis bli tillgängligt för andra användare. ++ Det är framförallt inom de två näten som vi utför vattenföringsmätningar i fält och varför ska jag strax berätta.

Hydrologiska stationsnätet 2013-11-06 Hydrologiska mätningar – ny teknik, metoder och problem Hydrologiska stationsnätet Här är en bild som visar vårt stationsnät och dess spridning i landet. Stationerna finns från norr till söder, från fjäll till kust. I olika miljöer såsom skogslandskap, slättlandskap, beteslandskap. Abiskojokk i norra lapplandsfjällen, Torrböle söder om Umeå och Eggelstad i Kävlingeån utanför Sjöbo

2013-11-06 Hydrologiska mätningar – ny teknik, metoder och problem Vad finns där inne? Inuti stationen finns instrumenteringen på ett bord, oftast i lagom arbetshöjd. ++ I den här stationen, som heter Kukkasjärvi och ligger i Sangisälven, ser vi på en något suddig bild en diagramskrivare, måttband och vinkelgivare (automat) ++. I brunnen har vardera instrument en flottör med motvikt, det är den vanligaste metoden att mäta vattenstånd på SMHI.++ Från brunnen ligger sedan horisontella intagsrör som förbinder brunnen med vattendraget, det är oftast ett men kan ibland vara två. Det finns inget sätt att idag kontinuerligt mäta flödet direkt, istället beräknas det som en funktion av vattenståndet. MEN det kräver att det finns ett avbördningssamband ++

Avbördningskurva - Samband mellan vattenstånd och vattenföring 2013-11-06 Hydrologiska mätningar – ny teknik, metoder och problem Avbördningskurva - Samband mellan vattenstånd och vattenföring En BESTÄMMANDE SEKTION ger förutsättningen för avbördningskurvan Ett sådant samband samband mellan vattenstånd och vattenföring kan se ut såhär, det är en s.k. avbördningskurva. Varje gång någon är ute och gör en flödesmätning så skapas en punkt på kurvan. När uppgifterna om vattenstånd kommer in till SMHI (antingen digitalt eller via post (diagram)) så räknas det om till vattenföring mha ekvationen från skurvan. Detta sker automatiskt i vår databas. ++ För att sambandet ska kunna existera krävs någon form av bestämmande sektion, eller slarvigt uttryckt en tröskel.

Exempel på bestämmande sektioner 2013-11-06 Hydrologiska mätningar – ny teknik, metoder och problem Ryttarbacken Heåkra Exempel på bestämmande sektioner Trösklar, eller bestämmande sektioner kan vara av naturlig karaktär, som Flötemarken och Heåkra, eller konstgjorda, som exempelvis Ryttarbacken utanför Norrköping. Flötemarken

2013-11-06 Hydrologiska mätningar – ny teknik, metoder och problem Indexteknik Om bestämmande sektion saknas eller om bestämmande sektion behöver tas bort Relaterar area och medelhastighet till flöde Vattenhastighetsmätning Nivå - Area mätning Endast två stationer – än så länge Om det inte finns någon bestämmande sektion då, är det helt kört då eller? Nej, det är det förstås inte. Man kan då relatera flödet till arean och medelhastigheten istället Instrumentet är riktat ut i vattenmassan och mäter vattenhastigheten i huvudfåran. Kan vara från botten eller från sidan Det kräver att man gör noggranna areamätningar, höjdinmätningar vid stränderna och flödesmätningar

Indexsamband Sibro 65-2253, Båvens utlopp, Södermanland 2013-11-06 Hydrologiska mätningar – ny teknik, metoder och problem Indexsamband Sibro 65-2253, Båvens utlopp, Södermanland 5 flödesmätningar med ADCP - fler behövs   …kalibrerat samband som ger medelhastigheten Arean är uppmätt med ADCP + avvägda stränder …indexstationen mäter nivån som ger arean …flödet fås av produkten av dessa två samband  

2013-11-06 Hydrologiska mätningar – ny teknik, metoder och problem Flödesmätning med ADCP från gummibåt för större vattendrag eller på linbana i mindre vattendrag Hur blir då mätpunkterna på kurvan till? Vi gör oftast flödesmätningar med ett mätinstrument, som heter StreamPro, som skickar ut ljudsignaler i vattnet. Frekvens är mellan 0,5 till 3 Mhz. Ljudet träffar små partiklar i vattnet och reflekteras åter till mätinstrumentet. När frekvensen av den återkommande signalen jämförs med frekvensen av utsänd ljudsignal, finns en liten skillnad, känd som dopplereffekten. Frekvensskillnaden gör att instrumentet kan bestämma hastigheten på dessa partiklar. Vattenhastigheten antas sedan vara densamma som partikelhastigheten. Ofta går mätningen till så att en linbana spänns upp och mätinstrumentet förs sakta över vattendraget. Överföringen, en sk transect, upprepas 4-8 gånger tills medelvärdet känns stabilt. Vi har trådlös kontakt med en fältdator och mätvärden kan ses direkt i skärmen. I större vattendrag används en större ADCP och då ofta från en gummibåt. Linbanor med ”lösa tyglar” 10 10

Instrument ADV – Acoustic Doppler Velocimeter ISO 748 2013-11-06 Hydrologiska mätningar – ny teknik, metoder och problem Instrument ADV – Acoustic Doppler Velocimeter ISO 748 Mätmetod – punktmetoden (1-, 2-, 3-, 5-, 7- …) Vadning nödvändigt Passar för små bäckar eller mycket grunda vattendrag Tumregel: Vada inte om djupet överstiger 1 m samt om vattenhastigheten överstiger 1 m/s! Tillverkare: OTT ADC av OTT, Tyskland FlowTracker av SonTek, USA ???

Punktmetoden enligt ISO 748 2013-11-06 Hydrologiska mätningar – ny teknik, metoder och problem Punktmetoden enligt ISO 748 Djup Med en ADV mäts vattenhastigheten i en eller flera punkter vid minst 20 vertikaler över mätsektionen. Hastigheterna mellan punkterna interpoleras och flödet beräknas. Samma mätmetod och bakomliggande ekvation som med den mekaniska flygeln

Instrument ADCP – Acoustic Doppler Current Profiler Tillverkare 2013-11-06 Hydrologiska mätningar – ny teknik, metoder och problem Instrument ADCP – Acoustic Doppler Current Profiler Ingen ISO-standard pga. snabb utveckling ”Moving boat” eller stationär mätmetod Lämpligt för små till stora vattendrag Finns med kompass och/eller GPS Tillverkare Teledyne RDInstruments, USA SonTek YSI, USA Rowe Technologies, USA OTT, Tyskland ???

2013-11-06 Hydrologiska mätningar – ny teknik, metoder och problem Instrument Ungefär såhär ser det ut när man samlar data, vare mätvärde presenteras i tabellen till höger och grafen i nederkant. I grafen uppe till höger kan man se instrumentets/båtens färd över vattendraget och de blå strecken är vattnets riktning och hastighet.

2013-11-06 Hydrologiska mätningar – ny teknik, metoder och problem 74-20002 Emsfors, Emån Det här är en bild av stationen Emsfors som ligger en bit uppströms Emåns mynning, söder om Oskarshamn. Man kan säga att fotot visar vad som händer ovan vattenytan och grafen det som händer i själva vattnet.

Sound Reflects from Scatterers 2013-11-06 Hydrologiska mätningar – ny teknik, metoder och problem Sound Reflects from Scatterers θ Component of velocity seen by ADCP Water velocity magnitude and direction Som Stina sa så mäter ADCPn alltså inte vattnets hastighet, utan hastighet och riktning på små partiklar i vattenmassan. Instrumentet skickar ut en puls av akustisk energi och lyssnar sedan på ekot från partiklarna i vattenmassan. Genom att jämföra frekvensen i utgående ljudpuls med frekvensen i inkommande ljud med hjälp av Dopplerprincipen beräknas sedan vettenhastigheten i vattenkolumnen Actually the ADCP does not measure the velocity of the water because pure water is acoustically transparent. It actually measures the velocity and direction of small particles and organisms in the water column. The ADCP sends out a burst of acoustic energy and then listens for the backscattered energy from the scatterers in the water column. By analyzing the frequency of the output energy with the frequency of the returned energy the ADCP uses the Doppler shift principle to compute the speed of the water column.

2013-11-06 Hydrologiska mätningar – ny teknik, metoder och problem Doppler Principle The Doppler effect is the change in a sound's observed pitch (frequency) caused by the relative velocities of the sound source and receiver. Utskickad frekvens Tåget närmar sig – högre frekvens Hydroacoustic instruments can use the change in frequency, called Doppler shift, to determine speed. I am sure you have heard the pitch of a siren on a police car, ambulance, fire truck or horn on a train sound higher in pitch as it approached you and lower in pitch as it drove past and away from you. This change in sound caused by the vehicle coming towards you and then passing you and driving away from you is the Doppler shift. As a sound source travels towards you, the sound waves are compressed and the sound you hear has a higher pitch or frequency than the sound actually being transmitted. Conversely, as a sound source travels away from you the sound waves are stretched and the sound you hear has a lower pitch are frequency than the sound actually being transmitted. By measuring the change in sound frequency and knowing the frequency of the sound being transmitted the speed of the sound source can be computed. Note: either the source of the sound or the sink (listener) can move or both. GOOD link to more info on the doppler shift: http://imagine.gsfc.nasa.gov/YBA/M31-velocity/Doppler-shift-3.html Tåget försvinner bort – lägre frekvens

Narrow Band, ADCP-mätmetod vid högre hastigheter 2013-11-06 Hydrologiska mätningar – ny teknik, metoder och problem Narrow Band, ADCP-mätmetod vid högre hastigheter Picture at time T1 Picture at time T2 S We are going to measure the speed of an automobile on a road using a strobe light and a high speed camera. Consider road at night with cars moving at a steady rate of speed. The posts have been installed within the camera’s field-of-view and are a known distance apart. A strobe light is actuated and while the road is illuminated the camera takes two high-speed photographs. When the investigator examines the photograph negatives he finds that by lining up or synchronizing the images of the cars on the two photographic negatives he can determine the distance traveled by the cars by measuring the apparent shift in position of the reference posts. He can then calculate auto speeds by dividing the distance between the posts by the lag-time between the two photos.   If the strobe flashes become acoustic pulses, the cars become reflective particles in the water column, and the pictures become the received reflected signals, this scenario becomes roughly analogous to the workings of a narrow-band ADCP system. The drawback with such a system is that the strobe pulse dissipates very fast and the two photos must be taken within a very short interval (while the same cars are still illuminated by the single strobe). This means that time lags are very short, and the distance traveled by the cars (reflectors) is very short, and therefore, the car speeds cannot be measured very precisely. Because of the above-mentioned limitations, velocity measurements made using the narrow band technology are noisy. A more accurate measurement could be made if the time lag could be longer, however, just like the strobe, the acoustic energy dies out very quickly. The time lag cannot be longer than the pulse length and in fact must be much shorter. But for a more accurate measurement we need to make the time lag longer. V=S/(T2-T1)

Broad band, ADCP-mätmetod vid låga hastigheter 2013-11-06 Hydrologiska mätningar – ny teknik, metoder och problem Broad band, ADCP-mätmetod vid låga hastigheter Längre tid mellan ‘foton’ + längre avstånd mellan kameror = ökad noggrannhet S Now back to our highway analogy but for broadband technology.   If our hypothetical investigator decides to install another camera, spaced a reasonable distance from the first, he could then actuate a strobe, take a picture with the first camera, wait a short time, actuate another strobe and take a picture with the second camera. If the strobes are timed correctly, the cars travel from the field of view of the first camera, into the field of view of the second camera during the time between photos. The investigator synchronizes the car positions on the two pictures and finds that there is a much longer lag time (time between each strobe versus the time between two photos taken during the same strobe) and a longer distance traveled by the cars. Therefore, the speed of the cars can be calculated more precisely (with much less standard deviation) than can be calculated using the single-strobe system. The investigator can also intuitively understand that the distance between the cameras (and therefore the time between each strobe) must be chosen carefully. The cars are the same make, model, and color, and if one waits too long between strobes, random movement between the cars (passing, slowing down, speeding up, etc) will render the two negatives ‘unmatchable’ (uncorrelated). Transmitting a pair of pulses (strobes) into the water allows much longer lag times (and therefore more precision) than the narrow-band system, however, the investigator finds that there are some ‘costs’ associate with this technique. V=S/(T2-T1)

Olika ADCP-mätmetoder 2013-11-06 Hydrologiska mätningar – ny teknik, metoder och problem Olika ADCP-mätmetoder Narrow band Broad band Pulse coherent Automatisk mellan dessa tre metoder

Flow Homogeneity HOMOGENEOUS NONHOMOGENEOUS 2013-11-06 Hydrologiska mätningar – ny teknik, metoder och problem Flow Homogeneity HOMOGENEOUS NONHOMOGENEOUS Hastigheterna under de fyra transducerna jämförs parvis. Tex 1 med 3 och 2 med 4. Vi antar att denna skillnad ska vara mycket låg på en jämn och fin strömsträcka, ofta är detta inte fallet och skillnaden blir då större. Då får vi en högre error velocity. Dvs felberäkningen i varje djupcell.

Hur ser det ut? Den automatiska, M9 ADCP försiktigt dragen på fiskespö 2013-11-06 Hydrologiska mätningar – ny teknik, metoder och problem StreamPro ADCP på en linbana Den automatiska, M9 ADCP försiktigt dragen på fiskespö

Mariannelund, Brusaån (Silverån - Emån) juli 2012 2013-11-06 Hydrologiska mätningar – ny teknik, metoder och problem Mariannelund, Brusaån (Silverån - Emån) juli 2012 Niemisel, Råneälven maj 2012 Nivå 2 Höga flöden

Tack för visat intresse! 2013-11-06 Hydrologiska mätningar – ny teknik, metoder och problem Tack för visat intresse!