Undersøgelsesmetoder - 5 Vandførings- og vandstandsmåling

Vandførings- og vandstand

Vandførings- og vandstandsmålinger benyttes bl.a. til kalibrering af afløbsmodeller (fx MOUSE), samt til at fastlægge omfanget af og årsager til regnbetingede overløb og oversvømmelser.

Med de forventede klimaændringer og større ekstremregn vil der være stigende efterspørgsel på vandføringsmålinger, der evt. kombineres med andre målinger (stofkoncentrationer, nedbør).

Idet der er et bredt udbud af vandføringsmålere, er det i nærværende rapport valgt udelukkende at beskrive vandførings- og vandstandsmålere, der er anbragt midlertidigt i en kortere eller længere periode - enten i lukkede ledninger eller i åbne render.


5.1 Vandføringsmålinger

Gennemgang af magnetisk induktiv vandføringsmåling er ikke medtaget i denne anvisning, idet det vurderes, at denne type vandføringsmåling er så omfattende at etablere, at den kun anvendes ved permanent vandføringsmåling.


Figur 5.1
Klimaændringer giver anledning til oversvømmelser (Teletronic ApS)


5.1.1 Overordnet måleprincip
Vandføringsmåling udføres almindeligvis som en samtidig måling af hastighed og vandstand.

Hvis man har en viden om, at der ikke er tilbagestuvning fra nedstrøms ledninger på det pågældende sted, kan vandføringsmåling også foretages ved, at der måles en dybde (vandstand) i et bestemmende (hydraulisk) tværsnit (fx en målerende). Ud fra hydrauliske formler kan vandføringen da bestemmes.


5.1.2 Hvad skal overvejes før valg og placering af måler?
Måling af vandføring i afløbssystemer er vanskelig, bl.a. fordi de hydrauliske forudsætninger for nøjagtige målinger sjældent er til stede. Følgende forhold skal overvejes forud for anskaffelsen og anbringelsen af vandføringsmåleren:

1. Hydrauliske forudsætninger
2. Tilsyn og vedligeholdelse
3. Åben kanal / lukket ledning
4. Helt eller delvis fyldt ledning
5. Måleområde, opløsning, værdisætning og loggefrekvens
6. Kalibrering af måler
7. Krav om tidssynkronitet ved samtidige målinger
8. Krav til data (format) samt dataindsamling (via internet fx)
9. Fjernstyring og overvågning (SRO fx)
10. El (placering af stik, antal udgange, effekt af batteri på logger)

Ad 1) Hydrauliske forudsætninger
Vandføringen måles indirekte, idet vandstand og evt. hastighed måles. Disse parametre omregnes til vandføring ved brug af hydrauliske formler. For at anvende de hydrauliske formler til omregningen forudsættes det bl.a., at der er stationær strømning på målestedet.

I et afløbssystem er det vanskeligt at få opfyldt betingelsen om stationær strømning. Det er derfor vigtigt, at afløbssystemets tilstand ved målestedet undersøges nøje. Det er vigtigt, at der ikke er turbulens umiddelbart opstrøms eller nedstrøms for målestedet. Det skal derfor sikres, at der ikke er lunker, grenrør, skarpe bøjninger, reduktioner eller andet umiddelbart opstrøms eller nedstrøms for målestedet.

Hydrauliske spring ødelægger også målingerne, og dette forekommer hyppigst ved overgang fra et stort til et lille fald.

Måleudstyret kan give anledning til forstyrrelser af strømningen og tryktab på målestedet, og desuden er brøndbunde og overgange fra rør til brønde ofte ikke ideelt udformede, således at strømningsforholdene i selve brønden ikke er repræsentative for rørstrømningen. Derfor bør målinger foretages umiddelbart opstrøms for brønde, hvis dette er muligt.

Ad 2) Tilsyn og vedligeholdelse
Udstyret må kun kræve et minimum af tilsyn. Der skal – hvis det er muligt – udvælges brønde, hvor der er let adgang til målestedet og selve måleudstyret, så det er muligt at føre tilsyn samt at rengøre/vedligeholde måleren.

Fx bør transportable måleudstyr kunne anvendes i en almindelig 1,0 meter nedgangsbrønd i 2 – 4 meters dybde. Det skal med i overvejelserne, hvordan det er muligt at arbejde uden gener fra trafik, fx ved at kommunen stiller skiltevogn til rådighed, og afspærring af vej foretages. Desuden skal øvrige sikkerhedshensyn (jf. Kloakbekendtgørelsen) kunne overholdes.

Ad 3) Åben kanal / lukket ledning
Valg af måleudstyret afhænger af, hvor måling skal foretages. Det skal overvejes, om måleudstyret skal anvendes i lukkede ledninger eller i åbne kanaler.

Ad 4) Helt eller delvis fyldt ledning
Visse målemetoder (fx magnetisk induktiv vandføringsmåling) stiller krav til, at ledningen skal være fuldtløbende. Hvis man skal måle i delvist fyldte rør, skal man derfor være opmærksom på, at der skal vælges en måler, der er i stand til dette. I det følgende gennemgås udelukkende metoder, der kan håndtere både helt og delvis fyldte rør.

Ad 5) Måleområde, opløsning, værdisætning og loggefrekvens


Måleområde
Måleområdet fastsættes efter forventelig maksimal vandføring. Eventuelt kan forudgående undersøgelser afdække, hvilken vanddybde og vandhastighed, der forventes, inden valg af måleområde.

Valg af måleområdet har indflydelse på nøjagtigheden af målingerne. Jo mindre forskel der er på normal og maksimal vandføring, jo større bliver nøjagtigheden. Krav til nøjagtighed af måleudstyr skal derfor også vurderes forud for vandføringsmålingen.


Opløsning
Valg af opløsning (dvs. hvor ofte måles data) vurderes ud fra formålet med målingerne.

Hvis der fx skal måles indsivning, stilles der ikke store krav til opløsning, da indsivning normalt ikke varierer nævneværdigt.


Værdisætning
Værdisætning betyder, at det skal overvejes, om der skal benyttes absolutte eller relative værdier. Valg af værdisætning vurderes udfra formålet med målingerne.

Hvis målingerne fx benyttes som input i MOUSE-beregninger, kan der med fordel benyttes absolutte koter. Hvis der måles for at få et indtryk af, hvad der sker på målestedet, kan relative koter benyttes.


Loggefrekvens
Valg af loggefrekvens vurderes udfra formålet med målingerne.

Hvis målingerne fx benyttes som input i MOUSE-beregninger, skal der fx logges med intervaller på 10 sek.

Ad 6) Kalibrering af måler
Transportable måleudstyr skal helst ikke kræve tidsrøvende kalibreringer ved hver ny opstilling for opnåelse af den ønskede målenøjagtighed.

En vandføringsmåler kan med fordel tages op med passende mellemrum og kalibreres i et laboratorium. En mulighed for at kontrollere vandføringsmåleren på stedet er en visuel vurdering af vandføringen eller en kalibrering ved en vandføringsmåling med sporstoffer (se kapitel 6.3).

En tryktransducer skal ligeledes kalibreres i laboratorium.

Når der benyttes en ultralyds-vandstandsmåler, er det vigtigt, at man indretter sit målested, så måleren kan kalibreres på selve målestedet. Der skal derfor være plads til, at man skal kunne komme ned i brønden, så det er muligt at holde en plade ind under måleren i forskellige niveauer. Afstand fra måler til plade eller fra plade til bundløb måles med en tommestok.

Ad 7) Krav om tidssynkronitet ved samtidige målinger
Ved samtidige målinger skal der stilles krav til, at disse målinger er tidssynkrone. Desuden skal man have styr på, hvilken tid, der måles i (fx GMT-tid).

Ad 8) Krav til data (format) samt dataindsamling (via internet fx)
Forud for valg af måler skal det overvejes, hvilket format, data kan overføres i. Et godt krav vil være, at data kan indlæses direkte i Excell eller lignende. Desuden skal det overvejes, hvilke øvrige krav, der stilles til opsamling, overførsel, overvågning og styring af data. Kan data overvåges løbende og hvordan? Kan data fx overføres via en automatisk trådløs datatransmission fra de enkelte målestationer via mobiltelefon og internettet til brugeren? Med hvilke tidsskridt foretages logning, og hvilke krav stiller det til loggeren? Skelnes der mellem normallogning (fx 10. minutters interval) og hurtiglogning (fx 2 minutters interval)

Ad 9) Fjernstyring og overvågning (SRO fx)
Hvis der skal udføres et større måleprogram med flere, samtidige målinger, er det vigtigt at vælge udstyr, der kan kommunikere indbyrdes. Således skal udstyret fx selv kunne justere tiden til GMT-tid med fx 1 døgns mellemrum.

Ad 10) El (placering af stik, antal udgange, effekt af batteri på logger)
Placering af el-stik er vigtig pga. det aggressive miljø (med fx svovlbrinte), som målingerne foretages i. Stilles der særlige krav til placering af stik, og hvilke forholdsregler har producenten taget for at beskytte udstyret mod bl.a. fugt?

Hvad sker der, hvis noget skal repareres? Det anbefales, at der stilles krav til, at al udstyr bør kunne adskilles uden brug af værktøj, så alle enheder kan testes (og evt. udskiftes) uafhængigt af hinanden.

Hvor ofte skal batteriet skiftes? Dette afhænger bl.a. af effekten af batteriet samt om der er intermitterende drift (automatisk tænd/sluk funktion).


5.2 Gennemgang af måleprincipper

I det følgende gennemgås måleprincipper for følgende målinger:

Figur 5.2
Måleprincipper


Det fremgår af figur 5.2, at hvis vandstandsmåleren anbringes over vandspejl, foretages målingen ved brug af ultralyd. Hvis vandstandsmåleren ønskes anbragt under vandspejl, benyttes en tryktransducer. Disse metoder beskrives i nedenstående afsnit 5.2.1.

Det er muligt at foretage samtidige målinger af vandstand og hastighed vha. et måleinstrument med sensor, der anbringes på en metalring i bunden af ledningen. I så fald måles både vandstand og hastighed via ultralyd. Disse metoder beskrives i nedenstående afsnit 5.2.2.


5.2.1 Udstyr til måling af vandstand

Tidligere anvendte målemetoder
På ældre anlæg findes mange mekanisk baserede vandstandsmålemetoder (boblemetoden, flydere, elektrodemåling, kapacitiv måling, manuel måling mv.), men på grund af den krævende vedligeholdelse af disse, muligheden for tilsmudsning samt stigende krav til opsamling og overvågning af data, anvendes de næsten ikke mere. Måleprincipperne er beskrevet i ”Afløbsledningers vandføringsevne og selvrensnings-evne”, TI nov. 1981 og ”Håndbok i vannføringsmålinger”, Statens forurensningstilsyn, NTNF, maj 1985.


Vandstandsmåler anbragt over vandspejl (ultralyd)
Transportable vandstandsmålere i afløbssystemet baseres i dag primært på måling med ultralyd.

En ultralyds vandstandsmåler anbringes over vandstrømmen (fx i en brønd, se figur 5.3). Her udsendes lydbølgen fra måleren og reflekteres af vandspejlet. Måleren registrerer den tid, der er gået fra lydbølgen er udsendt, til den reflekteres. Herved fås et direkte udtryk for vandstanden.


Figur 5.3
Ultralyds vandstandsmåler anbragt i brønd ( Teletronic ApS)


Bemærk at måling af vandstanden i en brønd ikke umiddelbart kan omsættes til en vandføring, fordi de hydrauliske forhold er usikre.


Vandstandsmåler anbragt under vandspejl (tryktransducer)
Vandstandsmåling kan ligeledes udføres vha. en tryktransducer, se figur 5.4.


Figur 5.4
Tryktransducer fra mjk Automation A/S


Målesonden anbringes i bunden af ledningen.

Princippet i målingen er, at et mekanisk signal omsættes til et elektrisk signal. I tryktransduceren er der en membran af titanium, og vandtrykket forårsager, at der sker en indbøjning i membranen. Jo større vandstand, jo højere vandtryk og følgelig jo større påvirkning af membranen

Vandstandsmåling under vandspejl kan desuden foretages med ultralyd, men i så fald vil det være som en integreret del af et måleinstrument med sensor. Måleprincippet gennemgås nedenfor i afsnit 5.2.2.


5.2.2 Udstyr til måling af vandføring (måleinstrument med sensor)
Det er muligt at foretage samtidige målinger af vandstand og hastighed vha. et måleinstrument med sensor, der anbringes på en metalring i bunden af ledningen (dvs. under vandspejl). Her måles både vandstand og hastighed via ultralyd. Måleinstrumentet leverer vandføring som output.


Figur 5.5
Måleinstrumentet med sensor er anbragt i bunden af ledningen (Teletronic ApS)


Vandstandsmåling
Princippet i målingen er, at lydbølgen udsendes fra sensoren og reflekteres af vandspejlet. Til forskel fra ultralydsmålingen med en måler over vandspejl (beskrevet i afsnit 5.2.1), vil signalet blive forstyrret af de partikler, der findes i spildevandet, men ekkoet fra vandspejlet vil være langt kraftigere end det (diffuse) signal, der reflekteres fra partiklerne. Måleren registrerer den tid, der er gået fra, lydbølgen er udsendt, til den reflekteres. Herved fås et direkte udtryk for vandstanden.

For at søge at opnå stationære forhold, skal stålringen så vidt muligt placeres i en afstand fra brønden svarende til 5 gange afløbsledningens diameter (jf. Afløbsledningers vandføringsevne og selvrensningsevne”, TI nov. 1981 s. 125).


Hastighedsmåling
Når hastighedsmålingen udføres som en integreret del af vandføringsmålingen, sker hastighedsmålingen vha. ultralyd. Typisk benyttes en såkaldt måleinstrument med sensor (beskrevet ovenfor).

Ved hastighedsmålingen benyttes den såkaldte dopler-effekt.

Målingen udføres af en sensor, der består af en sender og en modtager.

Sensoren anbringes vandret i bunden af ledningen i retning mod strømmen, se figur 5.6. Senderen udsender lydbølger i en velkendt frekvens (hastighed) i en vinkel på 15° i forhold til bund af ledning. Ultralyden støder sammen med partikler i væsken og ændrer herved frekvens (hastighed), og reflekteres herefter til modtageren. Under forudsætning af, at partiklerne har samme hastighed som væsken, kan den gennemsnitlige frekvens/-vandhastighed omsættes udfra empiriske formler til en gennemsnitlig væskehastighed.


Figur 5.6
Principskitse af målesonden i vandføringsmåleren. Mål er angivet i mm (Teletronic ApS)


5.3 Beregning af vandføring

Beregningen af vandføringen afhænger af, om der er målt vandstand i et bestemmende tværsnit (omtalt i afsnit 5.1.1), eller om der er udført samtidig måling af hastighed og vandstand.

Ved samtidig måling af hastighed og vandstand beregnes vandføringen som produktet af væskeareal og væskehastighed.

Hvis der benyttes et måleinstrument med sensor til de samtidige målinger, bliver vandføringen beregnet automatisk ud fra bl.a. fyldningsgraden, typen af ledningen, hastighedsprofiler mv. De fleste måleinstrumenter med sensorlogger begge parametre, men typisk kan man kun vælge at få vandføringen præsenteret som måledata.


5.4 Opsamling af data

Dataloggeren er i videst mulig omfang hængt op over vandspejlet i brønden, se figur 5.7. Dataloggeren registrerer med et valgt tidsinterval den aktuelle dybde og hastighed samt tidspunktet for den pågældende måling.

Som udgangspunkt bør man sikre sig, at loggeren har en lagerkapacitet på min 14 dages målinger.


Figur 5.7
Opsamling og måling af data (Teletronic ApS)


5.5 Kontrol af data, herunder usikkerhed på målinger

Vandføringsmålinger er behæftet med en vis usikkerhed, og det vil ikke være usædvanligt med usikkerheder på op til ± 100 % på selve måleresultatet. Med usikkerhed på selve måleresultatet menes den samlede usikkerhed, der bl.a. omfatter usikkerhed på målemetode, måleudstyr, dataopsamling, målested, beregninger mv.

Vær opmærksom på, at selv om usikkerheden på måleren under laboratorieforhold kan være lille (< 1 %), kan det ikke udelukkes, at usikkerheden kan stige betydeligt i spildevand, idet måleren kan være sårbar over fx aflejringer.

Vandstandsmålinger målt ved ultralyd over vandspejlet har en meget lav usikkerhed (< 1 %). Denne usikkerhed vil ikke være afhængig af, hvad der måles på, se figur 5.8.


5.6 Fordele og ulemper

*    Se bemærkninger afsnit 5.5

Figur 5.8
Måleprincipper, fordele og ulemper


Forhandlere af målere
Teletronic ApS: www.teletronic.dk
Kobberøe: 40 32 19 90 - sælger vandføringsmålere fra www.flow-tronic.com
Peotech: www.peo-tech.dk
Endress & Hauser: www.dk.endress.com (forhandler ikke måleinstrument med sensor)
MKJ Automation A/S: www.mjk.dk
Danova ApS: www.danova.dk 
PETERSEN-BACH A/S: www.petersen-bach.dk


Udfører vandstandsmålinger i bestemmende tværsnit
Teletronic ApS: www.teletronic.dk


Udfører samtidige målinger af vandstand og hastighed
(måleinstrument med sensor)
COWI A/S: www.cowi.dk
Teletronic ApS: www.teletronic.dk
Krüger A/S: www.kruger.dk
Grontmij | Carl Bro: www.grontmij-carlbro.dk
Orbicon: www.orbicon.dk
EnviDan: www.envidan.dk
Rambøll Danmark: www.ramboll.dk