Radiolänkar har monterats i ett drygt 2 km2 stort avrinningsområde utanför Prag och jämförts med tre traditionella regnmätningsstationer med kon och vippskopa. Resultaten är goda och lärdomar dras avseende antal länkar, avstånd och annat för denna lågkostnadsmetod.
Av: Jörgen Hanaeus
Kommersiellt tillgängliga radiolänkar föreslogs för 10 år sedan för direktmätning av fallande regn. Flera fallstudier finns nu men främst för situationer med många sändare och medellånga avstånd. I denna studie har en noggrannare upplösning av regnmängder inom kortare avstånd undersökts. I ett drygt 2 km2 stort avrinningsområde med tre konventionella mätare har 14 radiolänkar monterats och med en tidsupplösning av några sekunder mätt under 12 regnhändelser. En liten överskattning av regnmängderna misstänks, men potentialen bedöms stor; särskilt för intensiva regn.
Bakgrund
Avrinningens storlek är central för dimensionering av urbana dagvattensystem och kvaliteten på bestämningen av denna är starkt kopplad till kvaliteten på regnmätningen. Den senare skulle behöva förbättras en storleksordning för optimal dimensionering av systemen anser författarna. Försök med radarbestämning av nederbörd utförs frekvent men tekniken visar ännu stora felmarginaler och hög upplösning av radarinformationen är inte alltid möjlig.
Radiolänkar är punkt-till-punkt radiosystem som förbinder två avlägsna punkter med varandra längs en linje i fritt synfält. De arbetar med våglängder av millimeterstorlek, där regndroppar åstadkommer påtaglig signaldämpning och där man med kännedom om sträckan kan utvärdera dämpningen för torrt eller regnigt väder.
Felkällor finns och man försöker via jämförelser med manuell regnmätning och via korrelationer mellan närliggande radiolänkar förstå och minimera dessa. Ringa arbete finns tidigare utfört för hög upplösning i tid och rum över kortare avstånd (km) och det är fokus för denna artikel.
Försök
Avrinningsområdet som undersöktes var 2,3 km2 stort och beläget i en förstad till Prag. Den experimentella utrustningen bestod främst av 14 radiolänkar av modell MINILINK (Ericsson) samt tre (rekommendation: 1mätare/km2) dynamiskt kalibrerade regnmätare med vippskopa (tipping bucket).
Radiolänkarna arbetar med frekvenser mellan 25 och 39 GHz och nivån för avgiven (T) och mottagen (R) signal är Tx =1dB resp Rx=1/3 dB. För dataloggning utvecklades en mjukvara som väljer inkopplingsordning för radiolänkar och lagrar data i en SQL databas. Varje radiolänk avläses 5 ggr per minut.
De traditionella regnmätarna hade en trattarea av 500 cm2 och vippskopan volymen 5 mL.
Mätningarna genomfördes mellan juni och oktober 2013. Från 17 regnhändelser med nederbörd > 5 mm valdes 12 för utvärdering.
Följande formel användes:
k = a*Rb
där k är den regninducerade dämpningen i dB/km, R är den genomsnittliga regnmängden längs mätsträckan i mm/h och a och b är parametrar som beror på arbetsfrekvens, polarisering, regndropparnas temperatur och storleksfördelning. De kan sökas i litteraturen, anpassas till tidigare regndata eller beräknas direkt från referensdata för droppfördelning.
Från uppmätt dämpning behöver man separera en baslinje, som vanligen definieras av torrvädersdämpningen (skillnaden mellan Tx och Rx) och som bestäms före och efter regnhändelsen. Vidare behöver dämpningen till följd av fukt på antennerna bestämmas och subtraheras.
Olika mönster av 13 länkar placerades i två grupper som relaterade till olika rörelser hos molnen (regnen). För varje länk summerades uppmätt regnvolym (ansågs som en stabil parameter jämfört med korttidsupplösningar) som jämfördes mot officiella nederbördsdata.
Med den utgångspunkten rankades de olika radiolänkarna och deras kombinationer.
För regnfallet per ytenhet togs referens från de tre mekaniska regnmätarna och deras medelvärde noterades för varje tidssteg.
Resultat
Radiolänkarna kunde samlat återge regn i km-skala och med korttidsupplösning på ett bra sätt, även om enskilda länkar gav stora avvikelser. De överträffade samlat enstaka mekaniska regnmätare. Utvärdering gjordes med Nash-Sutcliffes effektivitetsindex. De fem (av 12) sämsta länkarna var alla bättre än den sämsta mekaniska mätaren och den bästa länken var bättre än den bästa mekaniska mätaren. Radiolänkarnas onoggrannhet innebar att de överskattade regnmängderna något.
Slutsatser
Kvaliteten på resultat från regnmätningar med radiolänkar berodde av mönstret för utplacerade länkar och den individuella länkens arbete. Lågt pris per länk medgav en bra yttäckning och rapporteringen blev då bättre än från det lägre antalet mekaniska givare; särskilt vid intensiva regn.
Självklart är det intressant att följa utvecklingen för en mätmetod som lovar bättre upplösning och lägre kostnader än en traditionell mätuppsättning.
Källa: Fencl, M.a), Rieckermann, J.b), Sykora, P.c), Stransky, D.d) & Bares,V.a,e) (2015): Commercial microwave links instead of rain gauges: fiction or reality? Water Science&Technology 71.1 pp 31-37.
Författarna från:
a) Department of Hydraulics and Hydrology, Czech Technical University in Prague, Prague 6, 166 29, Czech Republic
b) Eawag. Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology, 8600 Dübendorf, Switzerland
c) Prague Water Supply and Sewerage System Company, Prague 1, 110 00, Czech Republic
d) Department of Sanitary and Ecological Engineering, Czech Technical University in Prague, Prague 6, 166 29, Czech Republic.
e) UCEEB, Czech Technical Unversity in Prague, Trinecka 1024, Bustehrad 273 43, Czech Republic.
Kontakt: martin.fencl@fsv.cvut.cz
