ADCP-s vízhozammérések utófeldolgozása Mándity Milán - Sziebert János ADUVIZIG
1. Bevezetés, probléma felvetés Az Alsó-Duna-völgyi Vízügyi Igazgatóság a dunai vízhozammérésekhez 2001-ben, központi beruházás keretében beszerzett ADCP (Acustic Doppler Current Profiler) Workhorse Rio Grande 600 kHz típusú berendezést használ (1. ábra).
1. ábra Az RD Instruments ADCP Workhorse Rio Grande 600 kHz típusú műszere Az ADCP mérési technika alapvetően a Doppler-effektust használja fel, tehát azt a jelenséget, mely szerint valamely mozgó tárgy felé kibocsátott és onnan visszaverődő hullám (pl. hanghullám) frekvenciája, illetve hullámhossza megváltozik az illető tárgy sebességének függvényében. Az ADCP egyetlen hangimpulzus kibocsátásával, illetve a visszhang mérésével egy teljes függélyben méri a sebességeloszlást. A fenék távolságát annak alapján határozza meg az ADCP, hogy a fenékről visszaverődő visszhang jóval erősebb, mint a fölötte lévő vízrétegek visszhangja. Az ADCP Workhorse Rio Grande-hoz a gyártó többféle mérési módot is kifejlesztett, amelyek a kibocsátott hangjel hosszában, kódolásában és gyakoriságában, valamint a visszhang értékelésében különböznek egymástól (Goda, 2001). Az ADCP Workhorse Rio Grande a hozzá biztosított szoftverekkel együtt alkot kompakt rendszert. A szoftverek Windows operációs rendszer alatt futnak. A felhasználó számára a rendszer leglényegesebb eleme a WinRiver, amely használható mérési és visszajátszó üzemmódban. A mérés során a szoftver messzemenően támogatja a mérés és az eredmények folyamatos követését, a végeredmény azonnali megjelenítését. A szoftver az információkat hangimpulzus kibocsátása visszhang mérése közötti időszakban rögzített adathalmazonként (adatcsomagonként) rögzíti. A WinRiver és az újabb kiadású WinRiver II. szoftver kiválóan alkalmas a vízhozammérés eredményeinek megjelenítésére, mind mérés közben, mind pedig utólagos feldolgozás alkalmával, de a részletes mérési adatok (pl. a cellánkénti áramlási vektor adatok, medermélységek, stb.) más szoftverek számára közvetlenül nem hozzáférhetőek. A szoftver gyártói ezeket az információkat ASCII (American Standard Code for Information Interchange) kimeneti fájlban teszik elérhetővé (2. ábra). A kimeneti fájl meghatározott struktúrában tartalmazza a mérési adatokat és adott célfeladatokhoz illeszkedő célszoftverek használatával teszi lehetővé a további elemzéseket. A jelen dolgozatban egy általunk fejlesztett célszoftvert és az annak segítségével kinyert eredményeket mutatjuk be.
1
2. ábra WinRiver kimeneti fájl
3. A szoftver bemutatása, szoftverkörnyezet Az ASCII szövegfájl feldolgozásához VisualStudio integrált fejlesztői környezetében készített programot használtunk. Az objektumorientált és eseményvezérelt utasítássorozat Visual Basic programnyelven készült, azzal az elsődleges céllal, hogy az akusztikus mérési eredmények alapadataiból olyan származtatott adatok legyenek előállíthatóak, amelyek a vízügyi ágazatban használt térinformatikai szoftverek segítségével (ArcGis, AutoCad) további feldolgozásra alkalmasak. A számítások főbb elemeit az 1. táblázat foglalja össze.
1. táblázat: a számítások főbb elemei Mért / ismert adat
Számított adat
Térinformatikai adat
Cellánkénti sebességkomponensek (x,y,z)
Adatcsomagonkénti (függélyenkénti) sebességkomponensek (x,y,z)
Vízsebesség vektorok
Mederkövetés, GPS koordináta
Medermozgás
Medermozgás vektorok
A 4 hanghullám iránya, szöge, mért vízmélység
Hanghullám nyaláb végpont koordináta, vízmélység
Digitális medermodell
3.1 GPS adatok konvertálása Az adattranszformáció egyik kulcseleme, a GPS-el összekötött ADCP mérések során rögzített műholdjelek konvertálása WGS84 (World Geodetic System 1984) vetületi rendszerből, EOV (Egységes Országos Vetület) vetületi rendszerbe. Ennek megoldására egy közelítő kettős vetítést alkalmazó eljárást használunk, amelynek abszolút hibája kisebb mint 10 cm. Tekintettel arra, hogy 2002-óta az ADCP-vel történő mérések nagy része műholdas helymeghatározás nélkül történt, és csak az utóbbi években vált egyre elterjedtebbé a GPS használat, az utófeldolgozó program lehetőséget kínál arra, hogy az első adatcsomaghoz (az első rögzített pingeléshez) EOV koordinátákat rendeljünk, és az elmozdulás ismeretében minden egyes adatcsomaghoz tartozó műszerpozíciót kiszámoljuk. (Ezzel a módszer készített nyomvonal csak akkor kezelhető komoly fenntartás nélkül, ha a vízhozammérés előtt a mederfenék mozdulatlanságáról meggyőződtünk.)
2
3.2. Sebesség vektorok, medermozgás vektorok A mérőeszköz mozgásának EOV szerinti helymeghatározásán túlmenően a számítások kiterjedtek az ADCP-vel sugárzott jelekre is. Az eredmények közül a legfontosabb a vízsebesség vektorok és a medermozgás vektorok megjelenítése. Egy függélyre vonatkozó vízsebesség vektor a cellánkénti sebességkomponensekből, a medermozgás vektorok pedig a GPS nyomvonal és az ADCP mederkövetés-adataibaól származó nyomvonal különbségéből kerültnek meghatározásra. A 3. ábra a sebességvektorok megjelenítését mutatja, a 4. ábrán a medermozgás elmozdulás vektorai láthatók.
3. ábra Adatmegjelenítés I.
4. ábra Adatmegjelenítés II.
3.3. Mélységadatok Az ASCII kimeneti fájlból további hasznos információk nyerhetők a mélységadatok feldolgozásával. A WinRiver-ben és a WinRiver II-ben megjelenített vízmélységet a négy sugár számtani átlaga adja. (5. ábra, 2. táblázat). Kézenfekvő, hogy a 4 mérősugár 4 mélységadatát külön kezeljük, ezzel megnégyszerezzük és pontossá tesszük a mélységmérési adathalmazt. Az utófeldolgozó programban a 4 érzékelő É-i iránnyal bezárt szögének (horizontális irány), valamint a hanghullámok függőleges tengellyel bezárt szögének ismertében – a műszer bólintásának és ferdeségének korrekciójával – a vízmélységek hangjelenként külön-külön jeleníthetőek meg, és GPS pozíció ismertében a visszaverődési pontokhoz EOV koordináták rendelhetők hozzá.
3
5. ábra Az ADCP mélység
2. táblázat Az ultrahangos mélységmérő és az ADCP mélységmérési jellemzői vízmélység
ultrahangos mélységmérő kúpszög 8 fok
ADCP Rio Grande sugárnyalábok térbeli szöge 20 fok sugárközéppont körátlója m 0.73 1.46 3.64 7.28 10.92 14.56 18.20
kúpszög 16 fok
sugárnyaláb átmérője 1 2 5 10 15 20 25
m 0.14 0.28 0.70 1.40 2.10 2.80 3.50
m 0.28 0.56 1.41 2.81 4.22 5.62 7.03
kúpszög 8 fok mért meder körátlója m 1.15 2.31 5.77 11.55 17.32 23.09 28.87
A mérőszelvény vízszint abszolút magasságának ismeretében a feldolgozó program alkalmas a visszaverődési pontok abszolút magasságának meghatározására (6. ábra), és az adatok exportálására, így a méréssel lefedett mederszakaszra digitális medermodell állítható elő. Tekintettel arra, hogy a vízhozammérés szelvénye gyakran nem azonos a vízmérce szelvénnyel, a programban a mérőszelvény vízszintjének meghatározásához segédalkalmazás készült.
4
6. ábra Mélységadatok táblázatos formában
3.4. Adatritkítás, export funkciók A szoftverrel a fentiekben bemutatott főbb számítások mellett több mint 60 fajta mért elemet lehet megjeleníteni, adatcsomagonként, táblázatos formában. A táblázatok cellái egyenként, sor, oszlop illetve tömb kiválasztását követően másolhatók. Az ArcGis illetve AutoCad környezetben való felhasználhatóságot az alkalmazásba épített export funkciók segítik. A nagy adatszámra való tekintettel – a mérési idő hosszától, a morfológiai adottságoktól és a konfigurációs beállításoktól függően akár több százezernyi adat keletkezhet egy átmenet alkalmával – az egyes számítások az adatcsomagok átlagolásával is elvégezhetőek, így áttekinthetőbb, letisztultabb formában is lehetséges a megjelenítés. Szintén a szemléletességet segíti az adatok léptékszorzóval történő ábrázolására készült alkalmazás, ami például kis sebességű vízfolyásoknál használható.
4. Mintapéldák Az ADCP mérések és a térinformatikai szoftverek közötti átjárhatóság megteremtésével lehetőségünk nyílik az áramlási-, valamint a medermorfológiai viszonyok részletesebb feltárására, amelyet néhány példában szemléltetünk.
4.1. A 2013-as árvízi hullámtéri mérések feldolgozása A 2013-as árvíz során részletesen vizsgáltuk a Gemenci hullámtér vízszállítási viszonyait. A méréseket ADCP-vel hajtottuk végre. A mérések során ugyan GPS-t - az erdőborítottság árnyékoló hatása miatt – nem tudtunk használni, de ismerve az áramlási sebességeket és a hullámtér fedettségi viszonyait, mozgó mederre sehol nem kellett számítani, így a mederkövetés, mint pozíció meghatározás jól működött. A mérési útvonalak kezdő és végkoordinátáit megadva a programban, a bejárt útvonal és a függélyben lévő mért cellák sebességátlagából a 10 pingelésenkénti függély középsebességek átlagát számítottuk és ábrázoltuk. A 7. ábrán a hullámtérben, illetve a Baja – Bátaszék közút – vasút keresztezés hullámtéri és főmedri nyílásaiban mért áramlási viszonyokat feldolgoztuk. Az eredmények jól mutatják, hogy a hidakra hogyan áramlik a víz, átfolyva azokon milyen irányban folyik tovább. A mérési eredményeket tanulmányozva megállapítható, hogy a hullámtéri hidakra a víz nem „vízvezető sávokban” áramlik rá, hanem a hidak a hullámtér egészéből, legyezőszerűen gyűjti össze a keresztüláramló vizet. A hidak alvizén ugyanez figyelhető meg. A jobb szemléltetésér, a 8. ábrán a 3-as és a 4-es hidak környezetében lévő eredményeket kinagyítottuk. Az eredmények nagyban segítik majd a jelenleg aktuális nagyvízi mederkezelési tervezés egyes munkarészeinek elkészítését.
5
7. ábra A Baja – Bátaszék közút, vasút ártéri hídjainak áramlási viszonyai
8. ábra A Baja – Bátaszék közút, vasút 3-as és 4-es ártéri hídjainak áramlási viszonyai
6
4.2. Medermorfológiai adatok összevetése a Duna mohácsi szelvényében A következő mintapéldában a meder változásainak nyomon követését mutatjuk be. A 9. ábrán a Duna mohácsi szelvényében a 2005.08.30-i, valamint 2013.06.06-i mérés visszaverődési pontjaiból képzett ponthalmazok láthatóak. Mindkét mérésnél 6 átmenet történt, nagyságrendileg azonos mederteltség mellet (Duna, Mohács 2005.08.30. 13:00 753 cm ; Duna, Mohács 2013.06.06. 14:00 741 cm).
9. ábra A Duna Mohács szelvényének mérési pontjai 2005-ben és 2013-ban A 9. ábrán piros körrel van jelölve az a szakasz, ahol a két mérés fedi egymást. Az egybeesést kihasználva - a visszaverődési pontok EOV koordinátáinak, valamint tengerszint feletti magasságának a felhasználásával – a 2005-ös és a 2013-as mérések során rögzített mélységadatokat ArcGis szoftverrel szerkesztett digitális képek (raszterek) segítségével vizsgáltunk. A kép képpontjaihoz tartozó magasságadatokat krigeléssel határoztuk meg, majd az azonos mederszakaszra keresztszelvényt vettünk fel, és a keresztszelvénnyel metszett raszter képpontokat összehasonlítottuk (10-11. ábra).
10. ábra Digitális medermodellek ADCP mérések alapján (barna – 2005, zöld – 2013)
7
76,5
medervonal (m Bf.)
76
75,5
Átlag: - 47 cm
75
74,5
74
73,5 0
20
40
60
80
100
120
140
160
adatszám mederfenék a 2005-ös Q mérés alapján
mederfenék a 2013-as Q mérés alapján
11. ábra Felmérések összehasonlítása
A számítások alapján a Mohácsi mérőszelvény bal parthoz közelebb eső szakaszán 2005-2013 között mintegy 50 cm-t süllyedt a meder. Az eredménnyel kapcsolatban mindenképp megjegyzendő, hogy a számítás csupán két mérés adatai alapján történt, és a süllyedés mértékének, valamint a teljes mérési szelvényre kiterjedő mederalak-változásnak a meghatározásához csak több összehasonlító elemzés után juthatunk hozzá.
5. Összefoglalás AZ ADCP-s mérések során gyűjtött adathalmaz információ tartalma lényegesen nagyobb annál, mint ami a vízhozammérési eredményekben összegződik. Ezen adatok hasznosításának feltétele olyan kiegészítő szoftver fejlesztése/megvétele, amely lehetővé teszi a mérési adatfájlokban lévő adatok célszerű feldolgozását, csoportosítását, megjelenítését, illetve olyan adatexport fájlok létrehozását, amely más, a mérnöki gyakorlatban használatos programokkal való feldolgozást lehetővé tesz. Cikkünkben erre mutattunk néhány példát, megjegyezve azonban, hogy a fejlesztés kezdetén tartunk, és ezzel a feldolgozási lehetőségek korántsem merültek ki.
6. Irodalom Dr. Goda László: Mozgóhajós vízhozammérés ADCP mérőberendezéssel (ADUVIZIG, 2001) WorkHorse Rio Grande ADCP User’s Guide, RD Instruments 2001 WinADCP User’s Guide, RD Instruments 2003 WinRiver User’s Guide, RD Instruments 2001
8
