Hydrometrische Messmethoden für eine zuverlässige

HochwasservorsorgeSEBA Hydrometrie GmbH & Co. KG/ Stand der Technik

Dr.-Ing. Issa Hansen Hof, 12. Oktober 2017

HoWaFach – Fachtagung für Hochwasser- und Überflutungsschutz

Inhalt

• Einleitung

• Problemstellung

• Quantitatives Monitoring mit Hilfe hydrometrischer Messmethoden

• Neue Innovationen:

oKamerabasierte Durchflussmessung

oKamerabasierte Wasserstandsmessung

Einleitung und Problemstellung

Hochwasser!

- Sensoren werden überflutet

- Sedimenttransport

- Ablagerung

- Ausfall von Messdaten

- …

(Foto: REUTERS)

Meteorologie

Automatische Wetterstation

Quantitatives Monitoring mit Hilfe hydrometrischer Messmethoden

Quantitatives Monitoring mit Hilfe hydrometrischer Messmethoden

• Lattenpegel

• Surfloat

• RADAR

• Bubbler– PNEUMATIC GAUGE

• Drucksonde

• GaugeKeeper – optische Wasserstandserfassung

GaugeKeeperKamera-basierte Wasserstandserfassung

Monitoring von Entlastungsbauwerken

www.company.com

Company

LOGO

GaugeKeeper - optische Wasserstandserfassung

Patentiertes Bildverarbeitungsverfahren zur

Wasserstandserfassung

Datenübertragung via GPRS

Intelligentes Alarmmanagement

visuelle Überprüfung aktueller Wasserstände

Anschlüsse für weitere Sensoren

TCP/IP Funktionalität

Kantendetektion (Tagsbilder)

ROI

Kantendetektion (Nachtbilder)

ROI

GaugeKeeper-Komponenten

Besonderheiten und Vorteile

GaugeKeeper bietet neben der Wasserstandsmessung auch die Möglichkeit

anhand von aktuellen Bildinformationen eine Beurteilung der Situation vor

Ort.

Zeitraubende Kontrollbesuche an der Messstelle entfallen!

Verschlammung, Versandung, Eisbildung oder Treibgut stellen für den

GaugeKeeper kein Problem dar.

GaugeKeeper funktioniert auch bei extremen Ereignissen wie Hochwasser

problemlos weiter.

Mit seiner speziellen Beleuchtung ist es auch unter den unterschiedlichsten

Umgebungs-, Wetter- und Lichtbedingungen einsetzbar.

Anschlüsse für weitere Sensoren und Webcams sind möglich.

Eine zweite Kamera kann für die Überwachung der Umgebung installiert

werden.

Der GaugeKeeper verfügt über ein intelligentes Alarmmanagementsystem

(SMS, E-Mail)

Der geringe Energieverbrauch ermöglicht auch einen dauerhaften autarken

Batterie- oder Solarbetrieb.

Das Aktivieren des Messsystems kann alternativ mit Triggerimpulsen

angesteuert werden.

Validation

Der GaugeKeeper wurde unter unterschiedlichen Wetter- und Lichtbedingungen geprüft. Der Vergleich der mit Gauge-

Keeper erfassten Wasserständen mit den Messwerten herkömmlicher Sensoren wie Radar an der selben Messstelle

zeigt eine sehr gute Übereinstimmung.

100

100,2

100,4

100,6

100,8

101

101,2

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26.04.2011 15:54 26.04.2011 17:49 26.04.2011 19:45 26.04.2011 21:40

Wat

er L

evel

[m

]

Time

Water level measurement comparison

Camera Water Level

Radar Water Level

0

50

100

150

200

250

26.11.2014 06.12.2014 16.12.2014 26.12.2014 05.01.2015 15.01.2015 25.01.2015 04.02.2015

Wate

rlevel [c

m]

Date

water level measurement comparison plot

pressure sensor_waterlevel

GaugeKeeper_camera waterlevel

RMSE= 1 cm

GaugeKeeper Technische Daten

Mobile Abflussmesssysteme

• AquaProfiler®-M-Pro

• AquaProfiler®-M

• FlowSens (elektromagnetisches Verfahren)

• Messflugel F1 / M1

• ADCP moving boat (StreamPro, RiverPro, RiverRay)

RiverPro Anwendung

Messbetrieb

Leine

Von einer Brücke

Seilkrananlage

Montage an

Schlauboot

oder

motorgesteuert

es Boot

Stationäre Durchflussmesssysteme

Universal current meter in use

Messverfahren

• Mechanisch (Messflügel)

• Ultraschall-Laufzeit

• Ultraschall-Doppler ADCP

• Radar

• Bildeverarbeitung

Stationäre Durchflussmesssysteme

DischargeKeeperDie neuste SEBA-Innovation

Erfassung von

Fließgeschwindigkeitsprofil, Wasserstand und Durchfluss

DischargeKeeper

Besonderheiten

• Kamerabasiertes Messsystem zur

Erfassung des Fließgeschwindigkeitsprofils

der Oberfläche und des Wasserstandes

• Direkte Durchflussberechnung

• Berührungsloses Messverfahren mit nur

einem Sensor (Kamera)

• Datenspeicherung und Fernübertragung

von Messdaten, Bildern und Videos

• Anschlüsse für beliebige redundante

Sensoren

• Intelligentes Alarmmanagement

Berührungslose, optische Durchflussmessung für natürliche Fließgewässer, Bewässerungs- und Abwasserkanäle

• Eingabe-Parameter (definiert):

- Querschnittprofil-Daten

- > Vier Referenzpunkte

• Gemessene Parameter (optisch erfasst):

1- Wasserstand

2- Oberflächenfließgeschwindigkeit

• Modellierte Parameter:

Vertikales Fließgeschwindigkeitsprofil

• Berechnete Parameter:

1- mittlere Fließgeschwindigkeit

2- Durchfluss

• Messergebnisse:

Wasserstand h

Mittlere Fließgeschwindigkeit vm

Durchfluss Q

Messprozess im Überblick

Mit Hilfe eines optischen Verfahrens (basierend auf der

Kreuzkorrelationstechnik) zur Fließgeschwindigkeitserfassung wird das

Fließgeschwindigkeitsprofil der Wasseroberfläche gemessen.

Die Wasserstanderfassung erfolgt ebenfalls über Bildverarbeitung. Mit einer

Modellierungsmethode “mixing length model” zur vertikalen Profilbildung der

Fließgeschwindigkeit wird anschließend der Durchfluss direkt vor Ort

berechnet.

Der Anwender erhält innerhalb kürzester Zeit die Messergebnisse der

mittleren Fließgeschwindigkeit, des Wasserstands und des Durchflusses. Ein

Messprozess dauert i.d.R. nur 40 Sekunden. Neben den digitalisierten

Messwerten werden auch aktuelle Bilder gespeichert und können via GPRS

an einen FTP-Server übertragen werden.

Messprinzip

• Input-Parameter:

Positionen der Referenzpunkte, der aktuellen Wasserlinie und der

Kamera werden mit Hilfe eines Laser-Entfernungsmessers erfasst.

Querschnitte: z.B. mit Hilfe eines ADCP-Systems

Messprozess im Überblick

• Input-Parameter:

Positionen der Referenzpunkte, der aktuellen Wasserlinie und der

Kamera werden mit Hilfe eines Laser-Entfernungsmessers erfasst.

Querschnitte: z.B. mit Hilfe eines ADCP-Systems

Messprozess im Überblick

Kalibrierung

Messsatellenkonfiguration

Besonderheiten und Vorteile

Einfache und kostengünstige Installation

Flexible Positionierung der Messmimik

Keine Strömungsmarkierer erforderlich

Repräsentative und berührungslose Messung

Vor-Ort-Auswertung

Ein intelligentes Alarmmanagementsystem

Autark, robust, unempfindlich, präzise

Übertragung von Messwerten, Videos und Bildern (Beweisfotos)

Validierung ADCP-Referenzmessungen

Percentage from the comparative measurements

40 <5%

60 <10%

80 <15%

R² = 0,9262

0

2

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Dis

char

geK

ee

pe

r Q

[m

3/s

]

ADCP Q [m3/s]

Correlation DischargeKeeper vs. ADCP

Plausibilitätsprüfung Schlüsselkurve

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Dis

char

ge [

m3/s

]

Date

Discharge: Comparison DischargeKeeper vs Reference gkd

DK discharge [m³/s]

wwa discharge [m³/s]

0,00

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Wat

er L

evel

[m

]

Date

Water Level: Comparison DischargeKeeper vs Reference gkd

DK water levelwater level…

Was, wenn der Messwert der Fließgeschwindigkeit fehlt?

DischargeKeeper questionnaire

Anwendungsbeispiele

Anwendungsbeispiele: eine Kamera mit einem Ansicht-Segment

Anwendungsbeispiele: eine Kamera mit einem Ansicht-Segment

Anwendungsbeispiele: mehrere Kameras mit jeweils einem Ansicht-Segment

Anwendungsbeispiele: eine Kamera mit mehreren Ansicht-Segmenten

SEBA-Hydrocenter DischargeKeeper-Messstellenbeispiel

SEBA-Hydrocenter DischargeKeeper am Ablauf einer Kläranlage

SEBA-Hydrocenter DischargeKeeper Am Zulauf einer Kläranlage

SEBA DischargeKeeper-Hardware

DischargeKeeper Technische Daten

Power consumption (for 12 V) DischargeKeeper componentsWith Infrared-Radiator Without Infrared-Radiator

with heating without heating with heating without heating

Processing Unit [A] 1.2 1.2 1.2 1.2

Camera [A] 1.0832 2.083 1.083 2.083

IR Radiator [A] 1.5 1.5

Sum [A] 3.7832 4.783 2.283 3.283

Maximum run duration with 100 Ah battery [h] 26.43 20.91 43.8 30.46

Discharge App

DischargeKeeper App

Auswahl der Messstelle

Voraussetzungen/ Anforderungen der Messstelle:

Hat der Querschnitt in Strömungsrichtung einen konstanten Verlauf?

Ist der Gewässerquerschnitt konstant/stabil?

Ist der Flussabschnitt zumindest auf einer Seite des Ufers für eine Person zugänglich?

Ist die Flussrichtung mit eigenen Augen erkennbar?

Hat der Fluss/Kanal einen gut definierten Querschnitt?

optimale Messposition?

• Beide Ufer sollen sichtbar sein;

• Der Wasserstand auf der gegenüberliegenden

Uferseite sollte idealerweise eine gerade Linie

sein;

• Zwei permanente Markierungen an jedem

Ufer, die für die Handy-Kamera deutlich

sichtbar sind;

• Der Winkel zwischen der Kamera an der

optimalen Position und der horizontalen

Wasserlinie beträgt mindestens 20 Grad;

• Die optimale Position soll <20 Meter vom Ufer

entfernt;

• Die vier Markierungen sollten etwa in einer

Ebene parallel zur Kanalneigung liegen.

Einrichten von Messstellen

Einrichten von Messstellen

Kalibrierung

Durchführung einer Messung

DischargeKeeper-Messstellenbeispiel für die App

DischargeKeeper-Messstellenbeispiel für die App

DischargeKeeper-Messstellenbeispiel für die App

DischargeKeeper-Messstellenbeispiel für die App

Groundwater Surface water Discharge Water quality Meteorology Sewage water

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

SEBA Hydrometrie GmbH & Co. KG

Gewerbestr. 61A

D-87600 Kaufbeuren

Phone: +49 (0) 8341/9648-0

Fax: +49 (0) 8341/9648-48

Homepage: www.seba.de