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Schneehydrologische Messungen mit Georadar

 

Hintergrund

Das Wasser, welches verbleibt, wenn man Schnee restlos schmilzt, nennt man das Schneewasseräquivalent (SWE). Dieses ist unter anderem für die Prognose von Hochwasser oder die Wasserkraftnutzung wichtig. Für hydrologische Untersuchungen sind Angaben zum SWE oft wichtiger als Messungen der Schneehöhe. Allerdings sind Messungen des SWE mit einigem Aufwand verbunden. Eine Einzelmessung von Hand benötigt in der Regel ein paar Minuten, kann aber unter Umständen auch mehrere Stunden dauern. Da Schnee in alpinem Gelände komplexe Verteilungsmuster aufweist, braucht es viele Messdaten, um die sowohl räumlich als auch zeitlich variablen Schneemengen in einem Einzugsgebiet zu bestimmen. Effiziente Messmethoden für das SWE sind daher von grossem Interesse in der schneehydrologischen Forschung.

Projektansatz

Mit Georadar (GPR) lassen sich Schneeeigenschaften messen, die es erlauben das SWE abzuschätzen. Der Vorteil von GPR besteht darin, dass sich hunderte von Messungen in der gleichen Zeit realisieren lassen, wie eine einzelne herkömmliche Messung. Die Auswertung der GPR-Messungen ist hingegen oft nicht einfach, insbesondere dann wenn der Schnee durchfeuchtet ist. Im Rahmen dieses Projekts wurde der Einsatz von GPR-Technologie im Hinblick auf möglichst effiziente SWE-Messungen optimiert. Dazu wurden unterschiedliche Systemkonfigurationen getestet und verbesserte Auswerteverfahren entwickelt.

GPR-System und Messverfahren

Für dieses Projekt wird ein ProEx GPR-System von MALÅ mit separierbaren Antennen verwendet, welche mit Frequenzen von 400 und 1300 MHz arbeiten. Derartige Systeme erlauben den Test von unterschiedlichen Antennengeometrien und Systemkonfigurationen. Für mobile Messungen im offenen Gelände wurde ein Trägersystem auf Basis von Expeditionsschlitten entwickelt. Um Gewicht und Kosten zu sparen, wurde ein Aufbau entwickelt, welcher mit vier Antennen auskommt. Dazu werden je zwei Sende- und zwei Empfangsantennen so angeordnet, dass vier Paare mit unterschiedlichen Abständen entstehen. Dieses Verfahren ist anwendbar, sofern der Flüssigwassergehalt gering oder bekannt ist. Ist die Schneefeuchte variabel oder unbekannt, wird ein fünftes Antennenpaar benötigt, welches im Hinblick auf die Frequenzveränderung im Radarsignal ausgewertet wird. Diese Frequenzveränderung erlaubt in Verbindung mit den Daten der vier anderen Antennen die zusätzliche Bestimmung des Flüssigwassergehalts im Schnee. Die mittels GPR gemessenen Schneeeigenschaften wurden in zahlreichen Kampagnen mit Handmessungen verglichen. Das GPR-System erreicht heute eine Genauigkeit, die mit der Messgenauigkeit der Handmessungen vergleichbar ist.

Einsatz des Systems

Das GPR-System kam bisher bereits im Rahmen von mehreren Forschungsprojekten zum Einsatz und liefert wertvolle Daten, die mit vernünftigem Aufwand von Hand nicht messbar wären.