SMHIs vattenföringsmätningar

Vid flertalet av SMHIs vattenföringsstationer erhålls vattenföringen från sambandet mellan vattenstånd och vattenföring via en så kallad avbördningskurva. 

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 på platser där vattenståndet är korrelerat till flödet, så kallade bestämmande sektioner (trösklar).

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.

Stationer anläggs vid trösklar där vattenståndet mäts kontinuerligt och skickar data till SMHI där vattenstånden räknas om till flöde. För att beräkna flöde från vattenstånd kalibreras en avbördningskurva (samband vattenstånd/flöde) med hjälp av manuella vattenföringsmätningar på olika vattenstånd. Varje station kräver en egen kalibrering. 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.

Tidigare manuella mätningar

Från början av 1900-talet till mitten på 1990-talet mätte SMHI flödet med ett mekaniskt instrument, en flygel. Då sänkte man ner en propeller i vattnet som registrerade vattenhastigheten, samtidigt som man mätte upp vattendragets tvärsnittsarea (genom att mäta djupet vid mätpunkterna och bredden på vattendraget). Därefter beräknades flödet ut genom att mulitplicera vattenhastigheten med tvärsnittsarean. 

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 antal vertikaler över vattendragen. I varje vertikal görs ett antal punktmätnigar av hastigheten, som sedan ger medelhastigheten. Metoden är bra trots de få mätpunkterna men tidskrävande.

Dagens mätmetoder

Hydroakustiska instrument

I mitten på 1990-talet började SMHI mäta flödet med hydroakustiska mätinstrument eller akustiska profilerare, efter det har de gamla flyglarna fasats ut. Det finns instrument som mäter hela profilen och de som mäter punktvis (som de gamla flyglarna men snabbare).

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

Samtidigt skickas särskilda ljudpulser ut för att särskilja älvbotten och genom att tillämpa dopplereffekten även på den signalen registreras instrumentets fart över grund och på så vis beräknas arean. Därefter beräknar instrumenett flödet genom att multiplicera medelhastigheten med arean.

Mätinstrumenten beräknar flödet för profilen av vattendraget.
Mätinstrumenten beräknar flödet för profilen av vattendraget.
Mätinstrumentet beräknar flödet för tvärsnittsarean av vattendraget. Arean gånger hastigheten ger flödet i varje cell.

Ett 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.

Resultat
Resultat från punktmätning med akustiskt instrument.

Saltutspädningsmetoden

Mindre vattendrag med turbulent vatten och forsar går att mäta med 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. 

Drönare

Ett helt nytt sätt att mäta flöde har börjat testats på SMHI under 2019. Tekniken är fortfarande ny men kortfattat så går det ut på att filma större partiklar och med hjälp av dessa beräkna hastigheten på ytvattnet. Efter det används en individuell relation mellan ytvattnets hastighet och medelhastigheten för hela vattenmassan tillsammans med batymetri för att få fram det totala flödet.

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.