Berührlose optische Durchflussmessung unter hochalpinen Verhältnissen

Dieser Beitrag stellt ein bildgebendes Messsystem vor, mit dem Wasserstand und Durchfluss in einem alpinen Wildbach gemessen werden. Das System ist energetisch autark und kann in Echtzeit zur Überwachung eines Wildbaches und dessen Umgebung abgerufen werden. Wasserstand, Fließgeschwindigkeit und Durchfluss werden automatisch bestimmt und auf einen Server übertragen. Die gemessenen Durchflusswerte wurden durch Tracerversuche validiert und das Messsystem erwies sich als zuverlässig über vier Schmelzsaisons bei alpinen Wetterverhältnissen.

Wasserstand- und Durchflussdaten von Gewässern in alpinen Einzugsgebieten sind erforderlich für die Planung und für den Betrieb von wasserbaulichen Bauwerken, die Dimensionierung von Hochwasser-Schutzbauten oder als Eingangsdaten bzw. Randbedingungen für hydrologische und hydrodynamische Modelle. In gewissen Fällen ist einen Datenzugang in Echtzeit von Interesse. Der Entwicklungstand von bildbasierten Technologien ist an einem Punkt, an dem solche Gewässer mit Kameras nicht nur qualitativ überwacht, sondern die Wasserstand- und Durchflusswerte anhand der aufgenommen Bilder quantitativ gemessen werden können. Ähnliche Technologien wie „Particle Imaging Velocimetry" (PIV) wurden seit Anfang der 1990er-Jahre im Labor eingesetzt und ihr Einsatz hat sich erweitert, so dass sie aktuell für Feldkampagnen mit Drohnen oder Smartphones benutzt werden. Im Folgenden wird ein kamerabasiertes Messsystem vorgestellt, das einerseits eine kontinuierliche Erfassung von Wassertand- und Durchflussdaten erlaubt und anderseits einen Kamerazugang in Echtzeit gewährt.
Das Messsystem wird seit 2015 jeweils während der Schmelzsaison in einer Schlucht auf 2 100 m. ü. M. etwa 500 m unterhalb eines Gletschers im Oberwallis in der Schweiz installiert (Bild 1). Das energieautarke System besteht aus einer wetterfesten Netzwerkkamera, aus einem LED-Schweinwerfer, einem 60-Watt-Solarpanel, einer 90-Watt-Brennstoffzelle und Verarbeitungs- und Übertragungseinheiten. Bei genügender Internetbandbreite (3G, besser als -80 dBm) ist ein Echtzeitzugriff zu Überwachungszwecken möglich. Die Kamera nimmt jede Stunde 5 Sekunden lange Videosequenzen auf (30 Bilder pro Sekunde, Auflösung von 360 x 640 Pixel). Die exakte Position der Kamera und der Markierungen, die als Referenzpunkte dienen, wurden mit einem Lasermeter vermessen, welche die fizierung der Bilder erlaubt. Die 3-D-Geometrie des Flussbettes wurde mit einer photogrammetrischen Methode ermittelt.
Der Wasserstand wird mit einer speziellen Bildverarbeitungstechnik erfasst (EP 3 018 483 A1). Dabei wird die Grenzfläche zwischen dem trockenen Ufer und dem fließenden Wasser detektiert. Mithilfe der „Surface Structure Image Velocimetry" (SSIV) ist es anschließend möglich, das Oberflächengeschwindigkeitsfeld zu messen (Bild 2). Im Gegensatz zu den PIV-Technologien kann bei SSIV auf die Zugabe von Tracerpartikeln verzichtet werden, so dass sich diese Technologie auch für kontinuierliche Messungen eignet. Anhand der gemessenen Oberlächengeschwindigkeiten lässt sich die vertikale Geschwindigkeitsverteilung, wie im Bild 2 dargestellt, mithilfe eines rauigkeitsbasierten Ansatzes nach Prandtl modellieren. Eine Integration der vertikalen Geschwindigkeitsprofile über die Breite des Gewässers führt denn zum Durchfluss des Wildbaches.



Copyright: © Springer Vieweg | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
Quelle: Wasserwirtschaft - Heft 11 (November 2019)
Seiten: 2
Preis inkl. MwSt.: € 10,90
Autor: Dr. Maxence Carrel
Dr. Salvador Pena-Haro
Dr. Beat Luethi
Dr. Issa Hansen

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