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Satellitentechnologie optimiert Überwachung von Flussläufen
Die Durchflussmessspezialisten von NIVUS haben eine Lösung zur drahtlosen und kontinuierlichen Überwachung von Flüssen entwickelt, die den hohen Anforderungen von Wasserwirtschaftsbehörden und Aufsichtsbehörden wie beispielsweise der Environment Agency (EA) in England gerecht wird. Durch den Einsatz von Satelliten-technologie macht das neue „Wireless Transit Time“-Verfahren aufwändige bauliche Eingriffe an Flüssen unnötig.
Hintergrund
Die Durchflussmessung in Flüssen bildet die Grundlage für viele Kernaufgaben der EA wie z.B. Hochwasserwarnung, Modellierung, Vorhersage und Planung sowie die Verwaltung der Wasserinfrastruktur und der Entnahmegenehmigungen. Das Durchflussmonitoring liefert der EA außerdem wichtige Informationen bei der Beobachtung langfristiger Indikatoren wie Veränderungsprozessen in Einzugsgebieten oder bei der Erfassung der Auswirkungen des Klimawandels.
Die britische Umweltbehörde betreibt in ganz England rund 7.000 hydrometrische Messstationen. Diese liefern hochaufgelöste Messdaten (hauptsächlich im 15-Minuten-Takt) zu Durchflussvolumen in Flüssen, Wasserstand, Grundwasser und Niederschlag sowie Tagesgänge.
„Die Durchflussmessung von Flüssen in England hält ein paar besondere Herausforderungen bereit“ erklärt Sam Everitt, nationaler Berater für Hydrometrie bei der EA. „Wir überwachen alles, von langsam fließenden Flüssen im Flachland bis hin zu Einzugsgebieten, in denen es bei Unwettern zu plötzlichen Änderungen des Abflusses kommen kann. Das bedeutet, dass die verwendete Messtechnik robust und vielseitig genug sein muss, um unter den unterschiedlichsten Abflussbedingungen zuverlässig zu funktionieren.“
Die EA setzt verschiedene Messtechnologien ein, wobei sich das Laufzeitverfahren seit Jahrzehnten zur Überwachung wenig verschmutzter Flüsse bewährt hat. Bislang bestand der größte Nachteil des Verfahrens allerdings darin, dass Kabel entweder über oder aber durch den Fluss verlegt werden mussten.
Laufzeit-Durchflussmonitoring
Dieses Standardverfahren zur Durchflussmessung (ISO 6416) basiert auf der hochgenauen Messung akustischer Signale, die sowohl mit als auch entgegen der Fließrichtung gesendet werden. Da sich Schallwellen in Fließrichtung schneller ausbreiten als gegen die Fließrichtung, sind an beiden Ufern eines Flusses Sensoren erforderlich, um diese Laufzeitunterschiede zu erfassen. Ein Sensor arbeitet als Sender, der ein Signal stromabwärts aussendet und der Sensor (Sender/Empfänger) am gegenüberliegenden Ufer empfängt dieses. Anschließend wird der Vorgang umgekehrt, um das stromaufwärts gerichtete Signal zu messen.
Die Strömungsgeschwindigkeiten werden durch die Berechnung der Differenz zwischen den Signalübertragungszeiten flussauf- und flussabwärts hochgenau ermittelt. Auf diese Weise erhält man ein vollständiges Geschwindigkeitsprofil des Flusses und nicht nur punktuelle Geschwindigkeitsmessungen, wie sie bei einigen alternativen Methoden verwendet werden.
Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden wie mechanischen Messgeräten, akustischen Doppler-Strömungsprofilern (ADCP) oder der Verwendung von Indikatorflüssigkeiten (Tracer) bietet das Laufzeitverfahren eine Reihe wichtiger Vorteile. So ermöglicht es kontinuierliche Messungen, ist umweltfreundlicher, kommt ohne Tracer, Partikel oder Luftblasen aus, reagiert weniger empfindlich auf lokale Turbulenzen und fehlerhafte Ausrichtung, liefert hochgradig reproduzierbare Messungen des Gesamtabflussvolumens und erfordert nur einen sehr geringen Wartungsaufwand.
Alistair MacKinnon von NIVUS erläutert die Vorteile der Laufzeitmessgeräte seines Unternehmens wie folgt: „Wir können dieses Verfahren auf viele Kanalgrößen sowie auf Flüsse mit einer Breite von bis zu 200 Metern anwenden. Auch tiefes Wasser lässt sich durch den Einsatz mehrerer Sensoren und Signalwege erfassen. Darüber hinaus können einige Signalwege redundant ausgelegt werden, um Störungen oder Hindernisse zu berücksichtigen.“
Als potenzielle Schwachstellen der Laufzeitmethode gelten ein hoher Schwebstoffgehalt, starke Verkrautung sowie Luftblasen im Wasser.
Die Laufzeitmessung erfordert extrem präzise, synchrone Zeitstempel im Nanosekundenbereich zwischen den Sensoren. Bisher war dafür eine teure Kabelverbindung quer über den Fluss notwendig, was die Installationskosten massiv in die Höhe trieb. Solche Maßnahmen erfordern in der Regel Erdarbeiten und Querleitungen im Flussbett, was oft einen Aufstau oder eine Umleitung des Flusses nötig macht. Zudem kann sich die Verlegung von Leitungen negativ auf die Flussökologie auswirken und eine Gefahr für menschliche Aktivitäten darstellen. Darüber hinaus können Leitungen und Kabel unwettergefährdet sein.
Wireless Transit Time (WTT)
Die NIVUS WTT-Lösung bietet die gleiche Genauigkeit wie das Durchflussmessverfahren nach der Laufzeitmethode, jedoch ohne die damit verbundenen Kosten und Nachteile der kabelgebundenen Variante. Die WTT-Sensoren kommunizieren über WLAN über den Fluss hinweg und gewährleisten die Zeitgenauigkeit durch die Kommunikation mit atomuhrgestützten GPS-Satelliten.
Nachhaltigkeit war ein wesentlicher Faktor bei der Entwicklung der NIVUS WTT-Lösung. Das System läuft komplett autark über Solarstrom und ist daher flexibel an jedem beliebigen Standort einsetzbar. Dank innovativer Uferbefestigung mit Erdankern kommt die Anlage völlig ohne Beton aus, schont den Untergrund und lässt sich später rückstandslos zurückbauen.
Case Study: River Ouse, UK
Vor Kurzem wurde am Fluss Ouse bei Barcombe Mills in der Nähe eines Stausees in East Sussex ein NIVUS WTT-System installiert. Das neue System ersetzte ein älteres Laufzeitmessgerät, welches ausgefallen war.
Die EA und die einstige National Rivers Authority überwachen die Durchflussmenge an dieser Messstelle seit über 30 Jahren. Zuvor nutzte man dort einen quer durch das Flussbett verlegten Kabelkanal, der mit Tonkaminröhren beschwert war. Theo Parfitt vom regionalen Team für Hydrometrie und Telemetrie der EA erläutert die Möglichkeiten: „Ein Tunnel unter dem Fluss wäre zwar machbar gewesen, allerdings hätte man wegen des Bohrwinkels weit vor dem Fluss ansetzen müssen. Abgesehen von den hohen Kosten erübrigte sich diese Option jedoch ohnehin durch die Nähe zum Stausee. Auch ein Austausch des Kabelkanals wurde aus Kosten- und Umweltgründen verworfen. Umso glücklicher fügte es sich, dass wir in partnerschaftlicher Zusammenarbeit mit NIVUS eine vorteilhafte Lösung entwickeln konnten.“
Die Ouse ist bei Barcombe Mills etwa 20 Meter breit. Schätzungen zufolge beliefen sich die Kosten für ein NIVUS WTT-System auf gerade einmal rund 25 Prozent der Kosten einer gedükerten Lösung.
„Das alte System bestand aus zwei Sensorsets in unter Wasser installierten Halterungen an jedem Ufer und hatte acht Signalpfade“, so Theo. „Da diese Sensoren im neuen WTT-System wiederverwendet werden konnten, ließen sich die Kosten zusätzlich senken.”
Die Zukunft der WTT-Durchflussmessung
Die EA betreibt bereits zwei WTT-Systeme in North London und Yorkshire. Beide NIVUS-Anlagen werden über das Stromnetz versorgt – Barcombe Mills ist damit die erste Anlage, die komplett solarbetrieben ist.
Mit Blick auf die Zukunft sagt Sam Everitt: „Dies ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie die EA ihre Größe und Expertise nutzen kann: Durch die Zusammenarbeit mit spezialisierten Partnern entwickeln wir innovative Lösungen, die Kosten senken und den Umweltschutz verbessern. Angesichts dieser Vorteile wollen wir unsere bestehenden Laufzeitmessgeräte im Zuge der anstehenden Erneuerungen auf kabellose Versionen umstellen. Die neue Technologie funktioniert offenbar hervorragend und hat bereits das Interesse unserer Kolleginnen und Kollegen in Nordamerika und Skandinavien geweckt.“
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