5 Vannføringsmåling

I kapittel 4 Vannstandsregistrering er det et spesielt moment som ikke er nevnt. Vannføringsmålinger danner grunnlaget for beregning av vannføringskurven og alle vannføringsmålinger må derfor knyttes til en vannstand. Dersom det på en målestasjon er forskjell i avlest vannstand på målestav og instrumenter på grunn av hydrauliske forhold som for eksempel vannhastighet, er det viktig å tenke over hva som skjer når man konverterer vannstand til vannføring. Det er vannstanden fra instrumentet som settes inn i vannføringskurven og derfor er grunnlaget for utregningen av vannføringen. Om man angir en annen vannstand til vannføringsmålingen enn den som loggeren registrerer, har man allerede innført en usikkerhet. Dette er nok en grunn til at man ønsker å unngå hastighet på vannet ved en målestasjon.

Om det foreligger slike forskjeller er det viktig at man bruker loggervannstand som vannstandsangivelse til vannføringsmålingen. Man bør likevel, som tilleggsopplysninger til målingen, opplyse om vannstand avlest på målestav.

Dersom det ikke er mulig å måle vannføringen rett ved målestasjonen kan man vurdere måleforholdene oppstrøms eller nedstrøms. Dess lenger unna målestasjonen man måler, dess større blir usikkerheten, fordi nedbørfeltet på stedet for målingen ikke er av samme størrelse som ved målestasjonen. Om man vurderer å etablere en målestasjon et sted der vannføringsmålingene må foretas lenger unna målestasjonen enn at man ser den, må man undersøke at det ikke kommer inn sideelver, bekker eller rør på hele strekningen mellom. Det kan kompenseres for slik tilførsel av vann, men det medfører en ekstra usikkerhet. Det kan være at man må måle dette vannet også for så å trekke fra eller legge det til avhengig av om det er oppstrøms eller nedstrøms målestasjonen.

Generelt er det ønskelig at man ikke planlegger å bygge målestasjoner der man må måle vannføringen så langt unna målestasjonen at nedbørfeltets størrelse ved målestedet er mer enn 1% forskjellig fra nedbørfeltet ved målestasjonen. Dette gjelder selv uten sideelver mellom målestasjon og sted for vannføringsmåling. Det er enkelt å gjøre beregninger av nedbørfeltareal ved å bruke verktøyet NEVINA, se kapittel 7.5 Nedbørfelt.

Om man kompenserer for endring i nedbørfelt ved skalering, må man være klar over at dette ikke nødvendigvis fører til en bedring av vannføringsmålingen som grunnlag for vannføringskurven.  Dersom man for eksempel har snøsmelting høyt i feltet og ingen nedbør, kan en skalering med forholdstall innføre en større feil enn det kompenseres for.

I tillegg til at nedbørfeltets størrelse fører til større usikkerhet dess lenger unna målestasjonen man måler, innfører man også en usikkerhet som følge av tidsforskyvning. Dette gjelder særlig dersom man måler på raskt endrende vannføring.

Dersom man har en strekning mellom målestasjonen og et målested for vannføring (som kanskje skal brukes på alle vannføringer), er det viktig at det ikke er områder mellom som magasinerer vann. Med magasinering menes områder som må fylles opp med så store mengder vann at vannføringen inn i området kan være større enn ut av området når elva stiger. Det vil da også være motsatt effekt når vannføringen synker, nemlig at vannføringen inn i området er lavere enn ut av området. Dette skjer typisk når store områder oversvømmes mellom målested og målestasjon.

Om man måler vannføring med slike områder mellom målested og målestasjon, kan man tilsynelatende få to forskjellige vannføringskurver, en som gjelder på stigende vannføring og en som gjelder på synkende vannføring. Dette kalles hysterese. Figur 5.3.a nedenfor viser et eksempel på dette.

Dette gir store usikkerheter og dårlig kvalitet på vannføringsdata og er derfor særlig viktig å ta hensyn til ved etablering av nye målestasjoner. Det er heller ikke slik at hystereseeffekten nødvendigvis er helt lik hver gang elva stiger og synker. Det vil avhenge av hvor rask endringen i vannføring er.

Det er mange målemetoder og ikke minst mange forskjellige måleinstrumenter for måling av vannføring. Her blir bare de grove prinsippene gjennomgått, slik at man skal ha et grunnlag for å kunne vurdere om vannføringsmålinger er mulig å gjennomføre der man vurderer å bygge en målestasjon.

Fortynningsmetoden består av at man plasserer sensorer for et bestemt sporstoff i elva der man ønsker å måle vannføringen. Så kaster man en kjent mengde av sporstoffet (salt, uranin, etc.) et lite stykke oppstrøms. Når sporstoffet passerer sensorene i oppløst form blir konsentrasjonen målt over den tiden det tar sporstoffet å passere. Plottes så konsentrasjon mot tid, får man en bølgeform og arealet av området under bølgen (integralet av grafen) gir total mengde vann som har passert (total mengde vann som har vært nødvendig for å fortynne den kjente mengden sporstoff til den målte konsentrasjonen).

Forutsetningen for at metoden skal fungere er at blandeforholdene i elva er gode nok til at sporstoffet blandes helt jevnt i hele elvas tverrsnitt før det passerer sensorene.

Fortynningsmålinger egner seg kun på steder der elva er turbulent. Helst bør vannet gjennom kontraksjoner og omveltninger, men dette kan til en viss grad kompenseres med lengre blandestrekning, helst med svinger i elva. Fossefall er fint, bare det ikke er en stor kulp under fossen der sporstoffet blir hengende igjen. Bakevjer bør unngås og store bakevjer kan ikke være en del av blandestrekningen. Det bør ikke komme inn sideelver/bekker langs blandestrekningen. Sensorene må kunne plasseres i vann som er fritt for luftbobler. Det er bedre å ha sensorene nær målestasjonen og kaste sporstoff oppstrøms enn å kaste sporstoff ved målestasjonen med sensorer nedstrøms.

Ved etablering av målestasjon er det også viktig å tenke på sikkerheten under vannføringsmåling. Det må være mulig å komme trygt til med sensorer på begge sider av elva og det må være mulig å kaste sporstoff i elva på en sikker måte. Særlig ved bruk av salt er kast i elva en sikkerhetsfaktor. Man må gjerne kaste minst like mange kg salt i elva som vannføringen er i kubikkmeter per sekund, ofte mye mer for at målingen skal bli god. Det er ikke bare enkelt å få 200 kg salt trygt ut i elva på et glatt berg i striregn. Selv kast av en enkelt 25 kg sekk kan være farlig.

Det er så å si ingen begrensning nedad for hvor liten vannføring som kan måles med fortynningsmetoden. Man kan måle betydelig mindre vannføringer enn med noen annen metode, så sant forutsetningen om homogen blanding er til stede.

I Figur 5.4.1.a ovenfor vises fire steder hvor vannføring kan måles med fortynningsmåling. Det er bare eksempelet øverst til venstre som gir i nærheten av god nok blanding innenfor området som vises på bildet og selv der anbefales å kaste sporstoff enda lenger oppstrøms enn toppen av fallet. Nederst til høyre er det helt på kanten av hva som egner seg og man må ha betydelig lenger blandestrekning enn det som vises i bildet, kanskje 1 km eller mer hvis elva er veldig rett. Om man er usikker på blandeforholdene kan man kaste et synlig sporstoff som uranin eller rhodamin i elva for visuelt å få et inntrykk av hvor godt sporstoffet blander seg med vannet.

Måling av vannføring med akustiske instrumenter har blitt den kanskje mest brukte metoden for vannføringsmålinger og det utvikles stadig bedre instrumenter og programvare. De aller fleste akustiske metodene benytter instrumenter som flyter på vannet og føres frem og tilbake over elva, enten manuelt med tau eller montert i fjernstyrt båt. Det har også vært brukt manuelt kjørte båter for å måle med akustiske instrumenter. Dette anbefales ikke lenger, med mindre det er eneste utveg, da det viser seg at store båter forstyrrer vannstrømmen mer enn tidligere antatt. Ved bruk av tau, må man komme trygt til på begge sider av elva.

Akustiske overflateinstrumenter måler dybder, vannhastigheter (i hundrevis eller tusenvis av punkter i vannmassene) og sin egen bevegelse over elva. Til sammen gir dette et tverrsnitt (areal) og en gjennomsnittlig vannhastighet. Produktet av disse gir vannføringen.

Forenklet forklart sender akustiske instrumenter ut lydpulser som måler hvor dypt det er under instrumentet og hastigheten på partikler i vannet i forskjellige dyp (indirekte måling av vannhastighet). I tillegg kan instrumentet “lese” bunnen og på den måten vite både retning og hastighet for sin egen bevegelse. Alternativt kan GPS tilkobles for at instrumentet skal vite sin posisjon dersom bunnen er vanskelig å lese, for eksempel ved bunntransport av finmasser.

Akustiske instrumenter måler både fart og retning på vannet og man er derfor mer fleksibel i forhold til hvordan man plasserer tverrsnittet man måler i. Tverrsnittet trenger for eksempel ikke være vinkelrett på strømningsretningen.

I Figur 5.4.2.a ovenfor ser man målte vannhastigheter i et tverrsnitt av elva. Bunnen vises som en tykkere, svart strek. Overflaten på vannet er toppen av bildet, se 0-markeringen på aksen til venstre. Det hvite området over og under de målte hastighetene klarer ikke akustiske instrumenter å måle. Disse områdene blir derfor beregnet med basis i de målte dataene (ekstrapolert) og hydrauliske teorier. Det er her man finner den største usikkerheten i akustiske målinger som dette. Bunnen på elva i eksempelet over er ganske røff og jo røffere den er, dess større blir det umålte beltet rett over bunnen og ekstrapolasjonen bli mer usikker.

Basert på de hvite områdene i Figur 5.4.2.a skjønner man fort at akustiske instrumenter har en begrensning på hvor grunt de kan måle. Dette varierer fra instrument til instrument, men selv om noen instrumenter kan få vannhastigheter på steder med dyp i underkant av 20 cm, er dette ikke å anbefale. Usikkerheten blir veldig stor når det bare måles en tynn stripe med hastigheter i midten og alt annet ekstrapoleres. Det er ønskelig at så mye som mulig av vannet blir målt og så lite som mulig blir beregnet. Når man ser etter steder som er egnet for målinger med akustiske instrumenter bør minst 60% kunne måles. I Figur 5.4.2.a er dette bare så vidt oppfylt (målt andel 63%). Dypet i tverrsnittet i figuren ligger for det meste på rundt 90 cm.

En annen begrensning med akustiske instrumenter er ekstremt lave eller høye vannhastigheter. Dess lavere hastigheten på vannet er dess større usikkerhet blir det i målingen. Man bør unngå å planlegge for at det skal måles vannføring med akustiske instrumenter der vannhastigheten er mindre enn 10 cm per sekund. I den andre enden av spekteret er det mer å gå på og det finnes større instrumenter som kan klare vannhastigheter på 4 m per sekund. Her er det ofte praktiske forhold som begrenser når man kan måle. Når vannhastigheten øker blir gjerne vannflaten urolig. Akustiske overflateinstrumenter bør ha så rolig overflate som mulig, både for at de skal måle mest mulig nøyaktig dyp og for at de skal bevege seg uten rykk og napp. Blir overflaten for urolig kan det bli umulig å måle. Ser man på Figur 5.4.2.a igjen og tenker seg at det er pulserende og urolig vann, er det enkelt å forstå at ekstrapolering av vannhastigheter mot overflaten fort blir svært usikker.

Akustiske målinger er avhengig av små partikler i vannet for å fungere. Hvis vannet er for rent, får man ikke data for vannhastigheter. Dette er mest problematisk i fjellbekker og utløpet av enkelte vann og viktig å huske på under vurdering av måleforhold.

En ting som kan være vanskelig å vurdere når man befarer målesteder for akustiske instrumenter, er bunnen på elva. Akustiske instrumenter fungerer best over jevn bunn uten store steiner. Loddrette fall i bunnen er det aller verste og dette må unngås for det klarer ikke akustiske overflateinstrumenter å forsere uten å miste kontroll med bunnen. Slike fall kan skyldes loddrette klippeformasjoner eller store steiner med loddrette sider. Loddrette bredder er et mindre problem, men bare dersom det ikke er veldig dypt utenfor og vannhastigheten er svært lav. Akustiske instrumenter kan ikke gå nærmere en loddrett bredd enn dypet utenfor bredden, uten at data forstyrres av falske ekko. Bunnvegetasjon forstyrrer mye for akustiske målinger og kan gjøre det umulig å måle. Man kan ikke planlegge for å måle med akustiske måleinstrumenter på steder med mer enn minimalt med bunnvegetasjon. Figur 5.4.2.b nedenfor illustrerer noen av disse problemene.

Figur 5.4.2.c ovenfor viser steder hvor det går an å måle med akustiske instrumenter. Øverst til venstre er det rolig, fin overflate med jevn og rolig vannstrøm og gode måleforhold. På de to nederste bildene ser man at vannstrømmen er mer ujevn og ikke ideell. Nederst til høyre er det på grensen til hva som kan måles. I tillegg til ujevn strøm er det stående bølger som skyldes storsteinet bunn og målingen, selv om det kan gjennomføres, blir da av dårlig kvalitet.

Det finnes også akustiske måleinstrumenter som ikke måler fra overflaten og ned, men fra neddykket posisjon og fremover mot strømmen. Disse har samme krav til partikler i vannet for å fungere, men brukes på en måte som ligner mer på de mekaniske målingene som beskrives i neste avsnitt.

Den tradisjonelle, mekaniske metoden for å måle vannføring er bruken av det gode, gammeldagse flygelet. Kort sagt er et flygel en propell som settes ned i vannet for å måle vannhastigheten direkte. Dette må gjøres på mange punkter over et tverrsnitt av elva som også måles opp. Hvert punkt må måles over et tidsintervall på for eksempel 45 eller 60 sekunder. Prinsippet for utregning av vannføringen er det samme som ved akustiske målinger, nemlig produktet av tverrsnittets areal og gjennomsnittlig vannhastighet.

Mest vanlig bruk av flygel er ved vading. Dette vil gi en naturlig begrensning oppad i forhold til hvor stor vannføring det er mulig å måle før det blir for farlig. Det kan selvsagt heller ikke være for dypt om det skal være praktisk gjennomførbart. Man kan også måle fra bru, eller med flygel opphengt i kabelbane. Flygelmålinger fra båt er ikke å anbefale da båten påvirker vannstrømmen mye. Også opphengt flygel der tungt lodd må brukes medfører store usikkerheter både i forhold til påvirkning av strøm og flygelets vinkel ift. strømningsretningen.

Mange av begrensningene for flygelmålinger er de samme som for akustiske målinger. Vannstrømmen må ikke være for turbulent, bunnen bør være så jevn som mulig og vannhastigheten må ikke være for lav. Usikkerhet ved flygelmålinger blir større ved lavere vannhastighet. Vannhastigheter på under 10 cm per sekund bør unngås også for bruk av flygel. Flygel kan i teorien måle så grunt som diameteren av propellen, men det anbefales at man ikke planlegger for å måle under slike forhold.

Tverrsnittet av elva som måles ved flygelmåling må ligge så vinkelrett på strømningsretningen i elva som mulig. Dette gjør også at man er mer avhengig av uniform strømningsretning over hele tverrsnittet enn ved akustiske målinger. Skråstrømmer på inntil 15° kan godtas. Ved flygelmålinger måler man også vesentlig mindre del av vannet enn ved akustiske målinger. Interpolasjon og ekstrapolasjon utgjør derfor en mye større del av målingen. Generelt anbefales det å bruke av akustiske målinger fremfor mekaniske målinger på grunn av dette.

Mekaniske målinger har også noen fordeler fremfor akustiske. Den viktigste er at flygel kan måle rent vann like godt som uklart vann. På steder der akustiske instrumenter ikke klarer å måle på grunn av mangel på partikler i vannet, fungerer flygelet bedre. Steder som har veldig gode forhold for måling på alle andre vannføringer kan kanskje ha et grunt parti med jevn strøm som eneste mulige målested ved ekstrem tørke. Da kan flygel, om ikke ideelt, være eneste målemetode som kan brukes.

På steder der det bestemmende profil er islagt mer eller mindre hele vinteren, kan det være aktuelt å utføre vintermålinger som brukes til støtte i datakontrollen for å utføre isreduksjon av vannstanden (se kapittel 9.3 Sekundærkontrollerte data). «Retningslinje for registrering av vannføring i elver» kan stille krav til utføring av vintermålinger for pålagte målestasjoner. Slike målinger utføres gjerne ved at man borer 20-30 hull i isen tvers over elva og måler vannføringen i vertikalene under hullene med akustiske eller mekaniske instrumenter. Her ønsker man seg også en jevn, fin kanal som ellers ved bruk av denne typen instrumenter. Det aller viktigste å se etter om man planlegger denne typen vintermålinger er å finne steder der vannet helt sikkert går samlet på ett sted under isen. Dette kan være umulig å se vinterstid, men bør vurderes når man befarer på lavvann.

NVE har gjort forsøk på vintermålinger med fortynningsmetoden med salt som sporstoff. Disse forsøkene har gitt lovende resultater og anbefales som metode for vintermålinger der akustiske og mekaniske metoder ikke egner seg. Forutsetningene for slike målinger er selvsagt de samme som ved isfrie fortynningsmålinger (blandeforhold osv.).

Sarr i elva skaper problemer for alle typer vannføringsmålinger. Det bør unngås så langt som mulig.

Om man ikke finner et egnet sted for vintermålinger, diskvalifiserer ikke det plasseringen av målestasjonen dersom stedet er godt egnet for alle andre formål.