PRIMER UPORABE DIREKTNE IN INDIREKTNE METODE ZA …mvd20.com/LETO2016/R22.pdf · omogoča...

8
doc. dr, J. KRAMER STAJNKO, M. NEKREP PERC, red. prof. dr. R. JECL, B. GRAJFONER, izr. prof. dr. B. DOLINAR - 169 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA UPRAVLJANJA Z VODAMI IN UREJANJA VODA 27. MIŠIČEV VODARSKI DAN 2016 doc. dr. Janja KRAMER STAJNKO1* Matjaž NEKREP PERC * red. prof. dr. Renata JECL * Blanka GRAJFONER * izr. prof. dr. Bojana DOLINAR * PRIMER UPORABE DIREKTNE IN INDIREKTNE METODE ZA DOLOČEVANJE VSEBNOSTI SUSPENDIRANEGA MATERIALA V VODOTOKIH POVZETEK V prispevku je predstavljen primer določanja koncentracije suspendiranih sedimentov v izbranem profilu reke Drave na podlagi uporabe indirektne akustične metode (z akustičnim Dopplerjevim merilnikom pretokov - ADCP) in točkovnega odvzema vzorcev (direktna metoda). Kombinacija obeh metod je nujna za prikaz reprezentativne slike (časovne in prostorske razporeditve) sedimentnega toka skozi rečni rečni profil. ADCP merilnik omogoča meritev trenutne hitrosti na izbranem mestu vodotoka, na podlagi merjene razlike med oddano in prejeto frekvenco zvoka, ki se odbija od lebdečih delcev v vodi (povratno sipanje zvočnega vala). Intenziteta povratnega sipanja zvočnega vala je v neposredni povezavi s koncentracijo suspendiranega materiala. Z ustrezno kalibracijo se tako lahko ADCP meritve uporabijo za ocenjevanje vsebnosti suspendiranega materiala v rečnem profilu. Ena izmed metod, primerna za kalibracijo je direkten fizični odvzem vzorca vode, na podlagi katerega se kasneje v laboratoriju, z metodo filtracije skozi filtre iz steklenih vlaken, določi vsebnost trdnih delcev v vzorcu. Primer meritve je bil izveden na profilu reke Drave na območju Studenške brvi v Mariboru. Opisan je postopek meritve, način odvzema vzorcev, uporabljena programska oprema, postopek kalibracije in rezultati. UVOD Problematika premeščanja sedimentov v površinskih vodotokih je večplastna in ima pomemben vpliv tako na okoljevarstvenem področju, kot tudi iz vidika hidroenergetske izrabe vodotoka ter na dolgoročno načrtovanje ureditvenih ukrepov poplavne varnosti in upravljanja z vodami. Suspendirani sedimenti v vodotoku predstavljajo večino vsega materiala, ki se premešča vzdolž struge, zato so ključnega pomena pri zamuljevanju rečnih profilov, poplavnih območij, ter površinskih voda (jezera, morska obrežja), kamor se izlivajo. Izvor sedimentov v vodotokih je vezan na procese preperevanja zgornje plasti zemeljske skorje in vzajemnega delovanja erozijskih sil, ki material premeščajo v vodno telo in nato naprej vzdolž svoje struge. Količina materiala v premeščanju močno zavisi od trenutnega pretoka, saj večji pretok pomeni tudi večje turbulentne sile na trdne delce in posledično večje količine le-teh v vodnem telesu, ki se premeščajo naprej. Obratno, pa v območju z nižjimi vrednostmi pretoka, pride do zmanjšanja transportne sposobnosti in tako do odlaganja materiala na rečno dno oziroma brežine. Količina sedimentov v vodotoku je dokazano odvisna tudi od klimatskih sprememb, saj se v zadnjem času z vse večjim taljenjem ledenikov in vsled intenzivnejših erozivnih procesov v vodotokih, pojavljajo večje količine le-teh. Na dinamiko transporta sedimentov, kot tudi na njihovo količino in sestavo, ključno vplivajo razni človeški ukrepi in posegi na vodotokih, kot npr. gradnja hidroelektrarn in drugih hidrotehničnih objektov. Rezultat dinamike premeščanja materiala je zapolnjevanje akumulacijskih bazenov, zablatenje rečnega dna, otežen naravni ciklus kroženja vode zaradi slabšega dreniranja v vodonosnike. * doc. dr. Janja KRAMER STAJNKO, univ. dipl. inž. gradb., 1 Matjaž NEKREP PERC, univ. dipl. inž. gradb, 1 red. prof. dr. Renata JECL, univ. dipl. inž. gradb., 1 Blanka GRAJFONER, univ. dipl. inž. gradb, univ. dipl. prav, 1 izr. prof. dr. Bojana DOLINAR, univ. dipl. inž. geol., Univerza v Mariboru, Fakulteta za gradbeništvo, prometno inženirstvo in arhitekturo, Smetanova ulica 17, 2000 Maribor

Transcript of PRIMER UPORABE DIREKTNE IN INDIREKTNE METODE ZA …mvd20.com/LETO2016/R22.pdf · omogoča...

doc. dr, J. KRAMER STAJNKO, M. NEKREP PERC, red. prof. dr. R. JECL, B. GRAJFONER, izr. prof. dr. B. DOLINAR

- 169 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA

UPRAVLJANJA Z VODAMI IN UREJANJA VODA

27. MIŠIČEV VODARSKI DAN 2016

doc. dr. Janja KRAMER STAJNKO1* Matjaž NEKREP PERC*

red. prof. dr. Renata JECL*

Blanka GRAJFONER*

izr. prof. dr. Bojana DOLINAR*

PRIMER UPORABE DIREKTNE IN INDIREKTNE METODE ZA DOLOČEVANJE VSEBNOSTI SUSPENDIRANEGA MATERIALA

V VODOTOKIH

POVZETEK

V prispevku je predstavljen primer določanja koncentracije suspendiranih sedimentov v izbranem profilu reke Drave na podlagi uporabe indirektne akustične metode (z akustičnim Dopplerjevim merilnikom pretokov - ADCP) in točkovnega odvzema vzorcev (direktna metoda). Kombinacija obeh metod je nujna za prikaz reprezentativne slike (časovne in prostorske razporeditve) sedimentnega toka skozi rečni rečni profil. ADCP merilnik omogoča meritev trenutne hitrosti na izbranem mestu vodotoka, na podlagi merjene razlike med oddano in prejeto frekvenco zvoka, ki se odbija od lebdečih delcev v vodi (povratno sipanje zvočnega vala). Intenziteta povratnega sipanja zvočnega vala je v neposredni povezavi s koncentracijo suspendiranega materiala. Z ustrezno kalibracijo se tako lahko ADCP meritve uporabijo za ocenjevanje vsebnosti suspendiranega materiala v rečnem profilu. Ena izmed metod, primerna za kalibracijo je direkten fizični odvzem vzorca vode, na podlagi katerega se kasneje v laboratoriju, z metodo filtracije skozi filtre iz steklenih vlaken, določi vsebnost trdnih delcev v vzorcu. Primer meritve je bil izveden na profilu reke Drave na območju Studenške brvi v Mariboru. Opisan je postopek meritve, način odvzema vzorcev, uporabljena programska oprema, postopek kalibracije in rezultati.

UVOD

Problematika premeščanja sedimentov v površinskih vodotokih je večplastna in ima pomemben vpliv tako na okoljevarstvenem področju, kot tudi iz vidika hidroenergetske izrabe vodotoka ter na dolgoročno načrtovanje ureditvenih ukrepov poplavne varnosti in upravljanja z vodami. Suspendirani sedimenti v vodotoku predstavljajo večino vsega materiala, ki se premešča vzdolž struge, zato so ključnega pomena pri zamuljevanju rečnih profilov, poplavnih območij, ter površinskih voda (jezera, morska obrežja), kamor se izlivajo. Izvor sedimentov v vodotokih je vezan na procese preperevanja zgornje plasti zemeljske skorje in vzajemnega delovanja erozijskih sil, ki material premeščajo v vodno telo in nato naprej vzdolž svoje struge. Količina materiala v premeščanju močno zavisi od trenutnega pretoka, saj večji pretok pomeni tudi večje turbulentne sile na trdne delce in posledično večje količine le-teh v vodnem telesu, ki se premeščajo naprej. Obratno, pa v območju z nižjimi vrednostmi pretoka, pride do zmanjšanja transportne sposobnosti in tako do odlaganja materiala na rečno dno oziroma brežine. Količina sedimentov v vodotoku je dokazano odvisna tudi od klimatskih sprememb, saj se v zadnjem času z vse večjim taljenjem ledenikov in vsled intenzivnejših erozivnih procesov v vodotokih, pojavljajo večje količine le-teh. Na dinamiko transporta sedimentov, kot tudi na njihovo količino in sestavo, ključno vplivajo razni človeški ukrepi in posegi na vodotokih, kot npr. gradnja hidroelektrarn in drugih hidrotehničnih objektov. Rezultat dinamike premeščanja materiala je zapolnjevanje akumulacijskih bazenov, zablatenje rečnega dna, otežen naravni ciklus kroženja vode zaradi slabšega dreniranja v vodonosnike.

* doc. dr. Janja KRAMER STAJNKO, univ. dipl. inž. gradb., 1Matjaž NEKREP PERC, univ. dipl. inž. gradb, 1red. prof. dr. Renata JECL, univ. dipl. inž. gradb., 1Blanka GRAJFONER, univ. dipl. inž. gradb, univ. dipl. prav, 1izr. prof. dr. Bojana DOLINAR, univ. dipl. inž. geol., Univerza v Mariboru, Fakulteta za gradbeništvo, prometno inženirstvo in arhitekturo, Smetanova ulica 17, 2000 Maribor

doc. dr, J. KRAMER STAJNKO, M. NEKREP PERC, red. prof. dr. R. JECL, B. GRAJFONER, izr. prof. dr. B. DOLINAR

- 170 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA UPRAVLJANJA Z VODAMI IN UREJANJA VODA

27. MIŠIČEV VODARSKI DAN 2016

Monitoring suspendiranega materiala se v Sloveniji na večjih rekah opravlja s strani Agencije Republike Slovenije za okolje (ARSO) [1]. Samodejni merilniki na devetih hidroloških postajah (Mura, Sava, Selška Sora, Savinja, Soča, Vipava, Meža, Dravinja, Rižana) merijo motnost in omogočajo avtomatski prenos podatkov. Kalibracija merilnikov poteka z ročnim odvzemanjem vzorcev enkrat mesečno ter ob povišanem vodnem stanju. Na reki Dravi je od leta 2011 nameščen »on-line« sistem za meritev suspendiranega materiala, ki omogoča spremljanje koncentracije na treh lokacijah, in sicer na območjih HE Dravograd, HE Vuzenica in HE Mariborski otok [2]. Suspendirani delci se merijo na osnovi optične metode, ki omogoča zgolj točkovno meritev in je tudi močno odvisna od zrnavostne sestave. Zbrani podatki daljšega časovnega obdobja služijo za oceno vpliva gradnje hidroelektrarn na prenos sedimentov ter dolgoročno analizo dinamike premeščanja le-teh. Po drugi strani pa meritve v zgolj eni točki podajo premalo reprezentativne in natančne rezultate, ki jih potrebujemo pri načrtovanju ureditvenih ukrepov. Celovit monitoring suspendiranih sedimentov naj bi omogočal oceno erozijskih procesov oziroma količine nastalih suspendiranih sedimentov v izbranem območju, kot tudi napovedal vremenski vpliv na erozijske in transportne procese. V prispevku je predstavljen pristop k problematiki sledenja transporta suspendiranega materiala na primeru kombinirane uporabe direktne in indirektne metode meritve. Prikazan je primer meritve z ADCP merilnikom, ki z ustrezno programsko opremo omogoča tudi simulacijo koncentracije suspendiranih sedimentov v izbranem prečnem profilu ter točkovnega vzorčenja, na podlagi katerega se izmeri dejanska koncentracija suspendiranih sedimentov v točki odvzema, podatek pa služi za kalibracijo akustične metode.

MERJENJE SUSPENDIRANEGA MATERIALA V VODOTOKIH

Na količino in premeščanje suspendiranih sedimentov v vodotoku vplivajo poleg naravnih dejavnikov, kamor sodijo predvsem klimatske spremembe, tudi človeški posegi v vodno telo, kot npr. sprememba namembnosti zemljišč na prispevnih površinah, gradbeni ukrepi na vodotoku, gradnja hidroenergetskih objektov. Vse spremembe vplivajo predvsem na količino in sestavo suspendiranega materiala. Za zajem in določitev koncentracije suspendiranega materiala v vodotoku obstaja vrsta uveljavljenih metod, ki jih v splošnem lahko delimo na direktne (neposredne) in indirektne (posredne, tudi nadomestne ali surogatne). Pri direktnih metodah gre za različne načine odvzemanja vzorcev (fizični odvzem s stekleničenjem ali črpalnim vzorčenjem), na podlagi katerih kasneje v laboratoriju merimo količino suspendiranih sedimentov. Indirektne metode ne zahtevajo vzorčenja, ampak se količina, kot tudi zrnavost sedimentov določa na podlagi oddajanja in sprejemanja mehanskega valovanja (zvok, ultrazvok) ali elektromagnetnega valovanja (infrardeča svetloba, vidna svetloba, laserska svetloba, rentgenski žarki, gama žarki). Pregled metod terenskih meritev suspendiranih sedimentov v rekah z vidika principa delovanja, njihovih prednosti in slabosti je podan v [3]. Celovit prikaz slike transporta sedimentov je pogojen s smiselno uporabo in kombinacijo večih različnih metod, kjer se izkoristijo prednosti posamezne metode, njene slabosti pa se zmanjšajo z drugo, nadomestno metodo. Ustrezna strategija monitoringa s kombinacijo direktnih in indirektnih metod, omogoča simulacijo krajevnega in časovnega spreminjanja koncentracije suspendiranih sedimentov v prečnem profilu reke (slika 1) in je opisana v [4].

Slika 1: Krajevno in časovno spreminjanje koncentracije suspendiranih delcev v prečnem prerezu

struge [4].

doc. dr, J. KRAMER STAJNKO, M. NEKREP PERC, red. prof. dr. R. JECL, B. GRAJFONER, izr. prof. dr. B. DOLINAR

- 171 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA

UPRAVLJANJA Z VODAMI IN UREJANJA VODA

27. MIŠIČEV VODARSKI DAN 2016

Med bolj uveljavljene in v našem okolju dostopne indirektne metode se uvrščata optična in akustična metoda, ki delujeta na podlagi oddajanja elektromagnetnega in mehanskega valovanja. Optična metoda je v splošnem bolj primerna za merjenje koncentracije zelo finozrnatih sedimentov. Poleg te, so bistvene prednosti tudi, da je preprosta, omogoča dobro časovno ločljivost, uporabo in zajem podatkov na daljavo in je relativno poceni. Med slabostmi lahko navedemo, da je primerna zgolj za točkovne meritve, kar onemogoča prikaz prostorske porazdelitve koncentracije, močno je tudi odvisna od zrnavostne sestave. Nadaljnja slabost je tudi, da je metoda invazivna, saj nameščena naprava za merjenje povzroči motnjo v lokalnem tokovnem polju in tako popači rezultate meritve. [3] Akustična metoda omogoča merjenje koncentracije suspendiranih sedimentov na večjih razdaljah in zagotavlja visoko časovno, kot tudi prostorsko ločljivost. Bistvena slabost je, da na kvaliteto meritve vplivajo lastnosti sedimentov, kot je npr. zrnavostna sestava.

Akustični merilnik

Akustični merilniki (ADCP - Acoustic Doppler Current Profiler) so bili v osnovi razviti za merjenje hitrosti in pretokov v rekah, rečnih ustjih in morju. Hitrost toka se meri posredno, glede na hitrost v vodi raztopljenih oziroma suspendiranih delcev. Izkorišča se princip Dopplerjevega pojava, saj se meri sprememba med oddano in prejeto frekvenco. Hkrati se izmeri tudi globina struge kot čas potovanja signala do dna struge in nazaj. Na Fakulteti za gradbeištvo, prometno inženirstvo in arhitekturo Univerze v Mariboru (FGPA UM) razpolagamo z merilnikom tipa RioGrande ZedHed 1200 kHz, ki je bil razvit pri Teledyne RD Instruments v San Diegu, California, ZDA. Merilna oprema omogoča merjenje pretokov v strugah z globinami nad 0,4 m. Zaradi specifičnega, t.i. širokopasovnega postopka merjenja, lahko merimo z istim merilnikom hitrostni profil do globine 15 m ter hitrosti toka do 10 m/s. Meritve globine in hitrosti se izvajajo sočasno, z enim samim prečkanjem struge. Z uporabo pripadajoče programske opreme in radijske zveze med merilnikom in prenosnim računalnikom, (omogočena je tudi brezžična povezava), lahko vse prenesene podatke o izmerjenih vrednostih preverjamo sproti in v realnem času. Končni rezultati meritev so pretok, površina prečnega prereza, srednja hitrost itd. in so znani takoj po končanem prečkanju. Na osnovi nazaj odbitega zvočnega signala (povratnega sipanja zvočnega vala) prav tako lahko pridobimo informacijo o koncentraciji suspendiranih sedimentov. Izmerjena je v obliki intenzitete odbitega signala ali povratnega sipanja (backscatter). Pretvorba intenzitete odbitega signala v koncentracijo suspendiranih delcev je možna z nadaljnjo obdelavo meritve. Na FGPA UM razpolagamo s programskim paketom podjetja Aqua Vision, VISEA-PDT (PDT – Plume Detection Toolbox), ki omogoča neposredno pretvorbo podatkov izmerjenih z ADCP merilnikom v koncentracijo suspendiranih sedimentov. Program tudi omogoča ustrezno kalibracijo izmerjenega odbitega zvočnega signala z dejanskimi vrednostmi koncentracije suspendiranih sedimentov, pridobljenimi s katero izmed alternativnih metod. Teoretično osnovo za izmerjeno intenziteto odbitega signala z ADCP merilnikom predstavlja t.i. zvočna enačba, ki povezuje razliko med oddano in sprejeto zvočno energijo ter energijo, ki se izgubi pri potovanju zvočnega vala in se lahko zapiše kot [5]:

Sv=C+ log10 [ TT R2 / L PT ] + 2αR + KC (E-Er), (1)

kjer je: Sv odboj zvočnega vala [dB], C zvočna konstanta [dB], TT temperatura ADCP oddajnika [°C], R poševna razdalja med žarkom in delci [m], L dolžina oddajanja [m], PT moč oddajanja [W], α koeficient atenuacije [dB/m], KC koeficient pretvorbe [dB/cnt], E relativni odboj, enak intenziteti odmeva [cnt], Er sprejeti zvok [cnt].

Vrednosti C, TT, R, L in PT so posnete z ADCP merilnikom ali pa jih pridobimo s strani proizvajalca merilne opreme. Vrednost relativnega odboja E se pridobi iz RSSI indikatorja (Received Signal Strength Indicator). Referenčna vrednost, izmerjena v realnem času je Er in predstavlja sprejeti zvok, ko ni prisotnega signala in se določi na koncu profila iz RSSI. V splošnem RSSI predstavlja relativno kvaliteto prejetega signala in je v tem primeru podana z enotami »counts« (cnt). Tipična vrednost Er je 40 cnt. Za

doc. dr, J. KRAMER STAJNKO, M. NEKREP PERC, red. prof. dr. R. JECL, B. GRAJFONER, izr. prof. dr. B. DOLINAR

- 172 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA UPRAVLJANJA Z VODAMI IN UREJANJA VODA

27. MIŠIČEV VODARSKI DAN 2016

pretvorbo v dB se uporabi koeficient pretvorbe KC, katerega vrednosti so lahko med 0,35 in 0,55 dB/cnt, najpogosteje pa je 0,45 dB/cnt. Koeficient atenuacije α je vsota absorbcije vode αw in atenuacije delcev αs. Oba koeficienta se določita na osnovi empiričnih formul in jih lahko najdemo v [5]. Postopek pretvorbe odbitega signala v koncentracijo suspendiranih sedimentov je sestavljen iz treh korakov:

• pretvorba prejetega signala v dB, • normiranje instrumenta, • normiranje območja.

Bistveni del obdelave izmerjenih podatkov je ustrezna kalibracija z dejansko izmerjeno koncentracijo sedimentov. To je lahko s podatki pridobljenimi z optičnimi, OBS senzorji (optical backscatter sensors) ali vzorci vode, na podlagi katerih v laboratoriju določimo koncentracije v različnih točkah odvzema in jih ročno vnesemo v program.

Točkovni vzorčevalnik

Fizični odvzem vzorcev vode za kasnejšo analizo v laboratoriju na poljubni globini rečnega profila, nam omogoča ustrezno oblikovan vzorčevalnik. Na FGPA UM uporabljamo tip US P-72, prikazan na sliki 2, ki omogoča zbiranje vzorcev vode v katerikoli točki vodotoka, poleg tega pa se voda lahko zajema integrirano po globini na izbrani vertikali. Vzorčevalnik ima električno voden ventil, s katerim lahko reguliramo začetek in konec vtoka vode. Vzorčevalnik je sestavljen iz aluminijastega ohišja dolžine 0,7 m in teže 18 kg. Hidrodinamična oblika s plavutmi omogoča, da se vzorčevalnik obrne v smer toka in v sprednjem delu skozi posebno oblikovano šobo omogoča izokinetično zajemanje. Premer šobe za zajem je 5mm. Znotraj ohišja je prostor za namestitev zbiralne posode kapacitete 0,95 l. Na strani je v smeri toka izpust, ki omogoča uhajanje zraka iz posode, ko se le-ta polni z vodo. Vzorčevalnik je primeren za uporabo v vodotokih s hitrostmi vode 0,5 do 2,0 m/s in globin do 20 m.

Slika 2: a) Točkovni vzorčevalnik; b) Ustnik, ki omogoča izokinetično zajemanje vzorca; c) Žerjav z vitlo in jekleno vrvjo; d) Spuščanje vzorčevalnika za odvzem vzorca.

a)

c)

b)

d)

doc. dr, J. KRAMER STAJNKO, M. NEKREP PERC, red. prof. dr. R. JECL, B. GRAJFONER, izr. prof. dr. B. DOLINAR

- 173 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA

UPRAVLJANJA Z VODAMI IN UREJANJA VODA

27. MIŠIČEV VODARSKI DAN 2016

REZULTATI IN POSTOPEK KALIBRACIJE

Meritev z ADCP merilnikom in sočasen odvzem vzorcev vode se je izvajala na profilu reke Drave na območju Studenške brvi v Mariboru. ADCP merilnik je bil voden iz brvi (slika 3), pri čemer so se podatki sproti zbirali in preverjali na priključenem prenosnem računalniku. Med merilnikom in računalnikom je bila vzpostavljena brezžična povezava. Z opisanim točkovnim vzorčevalnikom so se sočasno odvzemali vzorci vode (slika 4), ki so se kasneje analizirali v laboratoriju.

Slika 3: Izvajanje meritve z ADCP merilnikom

Slika 4: Sočasni odvzem vzorca in merjenje z ADCP merilnikom. Izmerjen hitrostni profil prikazuje slika 5. Trenutni pretok v času izvajanja meritve je znašal 287 m3/s. Razvidno je razgibano dno struge, največja globina je v bližini levega brega in znaša 7,5 m. Iz profila sta razvidni dve izraziti točki, kjer je globina najmanjša (5,5 m), in sicer je to na območju stebrov brvi, ki vidno vplivajo na dinamiko vodnega toka in na tem mestu povzročajo večje odlaganje sedimentov.

doc. dr, J. KRAMER STAJNKO, M. NEKREP PERC, red. prof. dr. R. JECL, B. GRAJFONER, izr. prof. dr. B. DOLINAR

- 174 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA UPRAVLJANJA Z VODAMI IN UREJANJA VODA

27. MIŠIČEV VODARSKI DAN 2016

Vzorci vode so se odvzeli na treh vertikalah in različnih globinah, (skupno je bilo odvzetih 9 vzorcev), mesta odvzemov vzorcev so označena na profilu na sliki 5.

Slika 5: Izmerjen hitrostni profil z označenimi mesti odvzema vzorcev vode. Vrednosti izmerjene koncentracije suspendiranih sedimentov v odvzetih vzorcih so podane v tabeli 1. Za določevanje koncentracije je bila uporabljena metoda skladna s slovenskim standardom SIST EN 872:2005 in je natančneje opisana v [6].

Oznaka vzorca Koncentracija suspendiranih sedimentov po SIST EN 872:2005

levo – 1 m 6,0 mg/l levo – 3 m 8,3 mg/l levo – 6 m 9,2 mg/l sredina – 1 m 10,0 mg/l sredina – 3 m 7,8 mg/l sredina – 5 m 7,4 mg/l desno – 1 m 7,0 mg/l desno – 3 m 6,8 mg/l desno – 5 m 7,4 mg/l

Tabela 1: V laboratorju izmerjena koncentracija suspendiranih sedimentov iz odvzetih vzorcev.

Slika 6 prikazuje korake pretvorbe izmerjenega odbitega signala z ADCP merilnikom v dejansko koncentracijo suspendiranih sedimentov. Na sliki 6 a) je prikazan relativni odboj signala v enotah (cnt), ki je enak parametru E v enačbi (1). Relativni odboj že na nek način podaja koncentracijo suspendiranega materiala, vendar direktna pretvorba v mg/l v tem trenutku še ni mogoča. Normirani ali absolutni odboj signala v (dB) je prikazan na sliki 6 b) in je enak parametru Sv v enačbi (1), na osnovi katere je tudi preračunan. Glede na vnesene izmerjene vrednosti koncentracij suspendiranih sedimentov v točkah, kjer je bil odvzet vzorec vode, se določi dejanska koncentracija sedimentov v mg/l,

1m

3 m

5m

6 m

levo sredina desno

doc. dr, J. KRAMER STAJNKO, M. NEKREP PERC, red. prof. dr. R. JECL, B. GRAJFONER, izr. prof. dr. B. DOLINAR

- 175 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA

UPRAVLJANJA Z VODAMI IN UREJANJA VODA

27. MIŠIČEV VODARSKI DAN 2016

ki je prikazana na sliki 6 c). Slika 6 d) pa nadalje prikazuje odvisnost med koncentracijo suspendiranih sedimentov referenčnih meritev in izračunano koncentracijo iz absolutnega odboja signala. Odboj zvočnega signala, kot tudi koncentracija suspendiranih sedimentov, sta odvisna od atenuacije delcev, velja pa tudi obratno, da je atenuacija delcev odvisna od koncentracije suspendiranih sedimentov. Zaradi tega se morajo vrednosti koncentracij suspendiranih sedimentov optimizirati z iterativnim postopkom, kar se samodejno izvede v programu VISEA-PDT [5]. Povezava med absolutno vrednostjo odbitega signala in koncentracijo suspendiranih sedimentov je podana z izrazom:

10 log (C)= A I+B , (2) kjer je:

C koncentracija suspendiranih sedimentov [mg/l], I izmerjen absolutni odboj [dB], A in B konstanti, pridobljeni s postopkom iteracije na osnovi vnešenih, dejansko izmerjenih

vrednosti koncentracij suspendiranih sedimentov; vrednosti konstant za prikazan primer sta razvidni na sliki 7.

Slika 6: a) Izmerjen relativni odboj (cnt), enak parametru E v enačbi (1); b) absolutni odboj zvočnega vala (dB) enak parametru Sv v enačbi (1); c) Rezultirajoča koncentracija sedimentov v mg/l;

d) Korelacijski graf med koncentracijo sedimentov izmerjeno z ADCP in koncentracijo izmerjeno iz odvzetih vzorcev.

a) b)

c) d)

doc. dr, J. KRAMER STAJNKO, M. NEKREP PERC, red. prof. dr. R. JECL, B. GRAJFONER, izr. prof. dr. B. DOLINAR

- 176 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA UPRAVLJANJA Z VODAMI IN UREJANJA VODA

27. MIŠIČEV VODARSKI DAN 2016

Slika 7: Proces iteracije; izračun koeficientov A in B iz enačbe (2).

ZAKLJUČEK

V prispevku je prikazan primer meritve koncentracije suspendiranih sedimentov na izbranem profilu reke Drave s kombinirano uporabo akustične metode in točkovnega vzorčevanja. Opisane so osnovne značilnosti obeh metod, na primeru pa je prikazan tudi postopek kalibracije izmerjenega odbitega zvočnega vala z dejansko izmejenimi koncentracijami suspendiranih sedimentov v točkah odvzetega vzorca izbranega prečnega profila. Uporaba ADCP merilnika za določanje koncentracije in razporeditve suspendiranih sedimentov po prečnem prerezu rečnega profila, se je v kombinaciji z uporabo ustrezne programske opreme, ki omogoča pretvorbo zvočnega signala v koncentracije suspendiranih sedimentov, izkazala kot dobra alternativa ostalim metodam in kot taka omogoča prikaz celovite slike sedimentnega toka skozi izbrani prečni profil vodotoka.

VIRI

Bat M., Jeromel M., Kobold M., Kosec D., Lalić B., Polajnar J., Sušnik M., Šupek M., Trček R., Ulaga F. (2016) Program hidrološkega monitoringa površinskih voda 2016-2020. Agencija Republike Slovenije za okolje.

Gregorc, B. (2013) Spremljanje vsebnosti suspendiranega materiala v rečni vodi Drave s pomočjo on-line meritev. Ekolist, 10, str. 8-10.

Mikoš M. (2012). Metode terenskih meritev suspendiranih sedimentov v rekah. Gradbeni vestnik, letn. 61, str. 151-158.

Haberschack H., Haimann M., Kerschbaumsteiner W., Lalk P. (2008). Schwebstoffe im Fließgewässer, Leitfaden zur Erfassung des Schwebstofftransportes, Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft, Wien.

Aardom J., Mol J.-W. (2005). Quantification of sediment concentrations and fluxes from ADCP measurements. Beiträge zu Seminar am 28./29.09.2005, Koblenz, 117-130.

Dolinar B. (2014). Merilni nadzor lebdečih plavin v reki Dravi. RMZ - Materiali in geookolje, 61, str. 79-86.