SMHIs vattenföringsmätningar

Vid flertalet av SMHIs vattenföringsstationer erhålls vattenföringen från sambandet mellan vattenstånd och vattenföring via en så kallad avbördningskurva. Det finns olika metoder för att mäta vattenföringen. På SMHI används bland annat ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler), flygel och saltutspädningsmetod.

Hur mäts vattenföring?

Det finns idag inga sätt att kontinuerligt mäta ögonblickliga vattenflöden i naturliga vattendrag, trots att det är flödet man är intresserad av. Därför mäts en annan parameter, oftast vattenstånd som sedan korreleras till flödet. Det gäller dock att upprätta vattenföringsstationer där detta är möjligt.

Trösklar i vattendragen är en förutsättning för att hitta ett bra samband mellan flöde och vattenstånd.  En tröskel kännetecknas ofta av att vattnet går från en plan vattenyta med laminär strömning till stråkande och ibland strömmande vatten. Det är viktigt för att inte drabbas av risken att stationen blir uppdämd så att vattnet nedströms påverkar vattenflödet.

En naturlig tröskel där vattnet går från en plan yta till ett strömmande vatten.
Eftersom vi egentligen är intresserade av vattenflödet krävs att stationerna är placerade vid så kallade trösklar. Vid tröskeln är det enbart tillrinningen som styr vattenståndet.

Genom att mäta flödet i olika punkter vid olika vattenstånd upprättas ett så kallat avbördningssamband och eftersom naturen sällan eller aldrig är statiskt måste sambandet hela tiden kontrollmätas med nya vattenföringsmätningar. Ofta ändras vattendragen vid stora flöden eller dylikt och därför måste ibland avbördningssambandet göras om, vilket kräver intensiva mätinsatser.

Tidigare mätningar

Från början av 1900-talet till mitten på 1990-talet mätte vi flödet med ett mekaniskt instrument, en flygel. Då sänkte man ner en liten propeller i vattnet som registrerade vattenhastigheten, samtidigt som man mätte upp vattendragets tvärsnittsarea (genom att mäta djupet på vissa punkter tvärs över bredden på vattendraget) och sedan räknade dåtidens hydrologer ut flödet. 

Hydrologisk mätning från 1900-talets början
Mätning av tvärsektion från en båt, tidigt 1900-tal.
Förstora Bild

Metoden går ut på att mäta vattenhastigheten vid 1,3, 5 eller flera djup vid minst 20 vertikaler tvärs vattendraget. Metoden är väldigt bra trots de få mätpunkterna men väldigt tidskrävande och förutsätter att vattendragen beter sig enligt skolboken, vilket sällan är fallet.

Dagens mätmetod

Sedan ungefär 20 år tillbaka mäter vi vanligtvis flödet med hydroakustiska mätinstrument; ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) eller akustiska profilerare.

Ljudpulser skickas från instrumentet ut i vattendraget och genom att mäta frekvensen på återkommande eko (från partiklar i vattnet med samma hastighet som vattenmassan, ej fisk) kan instrumentet beräkna vattenhastigheten.

Samtidigt skickas särskilda ljudpulser ut för att särskilja älvbotten och genom att tillämpa dopplerskiftet även på den signalen registreras instrumentets fart över grund och på så vis beräknas arean. Man får sedan flödet genom att multiplicera medelhastigheten med arean.

Mätinstrumenten beräknar flödet för profilen av vattendraget.
Mätinstrumenten beräknar flödet för profilen av vattendraget.
Mätinstrumentet ADCP beräknar flödet för tvärsnittsarean av vattendraget. Arean gånger hastigheten ger flödet i varje cell. Snabb datorkapacitet gör detta möjligt.

Allt detta sker automatiskt i instrumentet och dagens hydrologiska mättekniker behöver vara duktiga på datorer och teknik snarare än matematik.

Ett stort problem med dessa instrument är dock att om det inte finns några, eller väldigt få, partiklar i vattnet blir återkommande eko alldeles för svagt och inga data kan registreras. Då är flygel eller saltutspädningsmetoden ett bättre alternativ, det senare förutsatt att det inte är ett alldeles för stort vattendrag.

Saltutspädningsmetoden

Det finns även andra mätmetoder och en som vi på SMHI har börjat använda mer på senare år är saltutspädningsmetoden. Det går kortfattat ut på att hälla en bestämd mängd salt i vattendraget och sedan mäta vattnets ledningsförmåga, även kallat konduktivitet, en bit nedströms.

Metoden är mycket användbar på mindre vattendrag med mycket turbulens och små forsar så att man med säkerhet vet att saltet blandat sig ordentligt med vattnet. Våra kollegor i Norge gör ungefär en tredjedel av sina mätningar med salt. Vi har tidigare använt fluorescerande ämnen, såsom Rhodamin, då mäts vattnets fluorescens efter utspädning.

Ofta får man frågan om saltet påverkar vattenlevande organismer men det är inte troligt. Mängden salt som används är endast 0,5 till 1 kg salt per 1000 liter vatten, alltså en salthalt på 0,5 till 1 promille. Just vid inputplatsen är koncentrationen högre men ju längre nedströms saltmassan kommer i vattendraget desto mer späds det och lägre koncentration blir det och till slut blir salthalten omärkbar.

Metodjämförelse

Mätningarna vi får ut från dagens moderna instrument är väldigt högupplösta jämfört med mätningar med flygel. Om man mäter med 3-punktsmetoden med en flygel får man ut 60 mätpunkter, medan man enkelt med en ADCP kan får över 1800 mätpunkter beroende på inställningar i instrumentet. Dessutom gör vi idag minst 4 överfarter vid varje mättillfälle, vilket då ger 7200 mätpunkter totalt över cirka 20 minuter.

En flygelmätning kunde ta en hel dag att mäta och det resulterade bara i 60 mätpunkter. På SMHI utför vi fortfarande ett antal flygelmätningar per år men hydroakustiska instrument tar över mer och mer.

Saltutspädningsmetoden är även den väldigt bra och noggrann förutsatt att kalibreringen av instrumentet skett på ett korrekt sätt och att allt salt löst sig i vattnet.