Zusammenfassung: IceMap GPR-Systeme werden seit mehr als 20 Jahren zur Kartierung der Eisdicke in nördlichen Gebieten eingesetzt, aber in dieser Zeit haben innovative Kunden andere interessante Anwendungsgebiete für die Technologie gefunden.
Das Sensors & Software IceMap-System nutzt Bodenradartechnologie (GPR), um die Eisdicke auf zugefrorenen Seen und Flüssen, die im Winter als Straßen genutzt werden, in den nördlichen Gebieten Kanadas und der USA zu messen und zu kartieren.
IceMap wurde ursprünglich 2011 eingeführt, nachdem wir mehrere Winter lang eng mit dem Verkehrsministerium der Nordwest-Territorien (Kanada) zusammengearbeitet hatten. In den letzten 20 Jahren hat die GPR-Technologie das Verfahren zum sicheren Bauen, Überwachen und Sperren von Eisstraßen völlig verändert. Dazu gehört die Bereitstellung hochdichter, genauer Eisdickenmessungen zur Verbesserung der Berechnung der Eistragfähigkeit und zur Verlängerung der Eisstraßensaison, die so lange wie möglich sicher möglich ist.
Eine typische Anwendung für IceMap ist die Überwachung des Eises auf eine Eisbrücke. Eine Eisbrücke ist, wie der Name schon sagt, eine kurze Eisstraße über einen Fluss. Dauerhafte Brücken in abgelegenen Gebieten sind normalerweise nicht praktikabel, aber Eisbrücken bieten Abkürzungen, die in den Wintermonaten viel Zeit und Transportkosten sparen können.
Eine solche Eisbrücke ist die, die den Peace River in der Nähe von La Crête in Alberta überquert. (Abbildung 1a) . In den wärmeren Monaten ist dies eine Fährverbindung, aber jeden Winter wird eine 700 Meter lange Eisbrücke gebaut, um den durch das Gebiet fahrenden Fahrzeugen Zeit zu sparen. Die nächste feste Brücke über den Peace River liegt 0.5 km entfernt in Fort Vermillion (Abbildung 1b), aber 100 km (60 Meilen) auf der Straße.
Die Zeitraffervideos in Abbildungen 1c und 1d zeigen, dass das Eis von Anfang Januar bis Ende Februar dicker wird, von etwa 40 cm auf über 170 cm. Je dicker das Eis ist, desto höher ist die Tragfähigkeit, um schwerere Lastwagen tragen zu können.
IceMap wurde zwar speziell für die Messung der Eisdicke auf Eisstraßen und -brücken entwickelt, doch im Laufe der Jahre haben Kunden IceMap auch für andere Anwendungen eingesetzt, an die wir bei der Entwicklung noch nicht einmal gedacht hatten. Einige dieser Anwendungen sind unten aufgeführt.
Auf dem Boden liegendes Eis erkennen
„Auf dem Grund gefrorenes Eis“ bedeutet, dass das Eis am Boden des Gewässers festgefroren ist. Für Eisstraßen ist auf dem Grund gefrorenes Eis aus zwei Gründen gut: 1) Das Eis muss nicht wie schwimmendes Eis auf eine bestimmte Dicke konstruiert werden, da es von unten gestützt wird, und 2) aus Sicherheitsgründen besteht keine Gefahr, dass Fahrzeuge durch das Eis in tiefes Wasser brechen, wenn das Eis auf dem Grund gefroren ist.
Glücklicherweise kann IceMap aufgrund der günstigen physikalischen Eigenschaften normalerweise Bereiche mit an Land liegendem Eis problemlos erkennen. Dies liegt daran, dass die Reflektivität der Unterseite von Eis, wenn es auf dem Wasser schwimmt, viel höher ist (KEis von 3, KWasser = 80, R = 0.68) als wenn das Eis an Sedimenten oder Gestein am Boden des Gewässers festgefroren ist (KEis von 3, KRock = 5, R = 0.13). Dieser Unterschied in der Reflektivität lässt Bereiche von an Land gelegenem Eis in den GPR-Daten hervorstechen (Abbildung 2a). Mit dem in das IceMap-System integrierten GPS können nach dem Hinzufügen von Punktinterpretationen mithilfe der EKKO_Project-Software die Positionen des an Land liegenden Eises auf Google Earth aufgezeichnet werden. (Abbildung 2b).
Analyse der Eisqualität
Die Gewichtsmessungen auf Eis basieren auf „reinem“ Eis. Wenn Eis „Verunreinigungen“ enthält, wie Luftblasen, Wasserblasen, organische Stoffe, eine innere nicht gefrorene Schicht (Abbildung 3a), es ist nicht mehr rein und das kann die Tragfähigkeit des Eises beeinträchtigen.
Bei der Analyse der IceMap-Daten sucht Manitoba Infrastructure gezielt nach internen Reflektoren, die mit Materialien in Verbindung stehen, die die Eisqualität beeinträchtigen. Reines Eis ist ein homogenes Material, d. h. es gibt keinen Materialkontrast, der GPR-Reflexionen verursachen könnte. (Abbildung 3b rechts)Wenn jedoch im Eis innere Objekte oder Schichten vorhanden sind, erkennt GPR diese häufig (Abbildung 3b links).
Im folgenden Beispiel hat Manitoba Infrastructure unter äußerster Vorsicht die Eisstraße umgeleitet, um das Eis zu umfahren, das innere Verunreinigungen enthielt, welche die Sicherheit auf dem Eis gefährden könnten.
Die ganze Geschichte finden Sie hier: https://www.sensoft.ca/blog/evaluating-ice-road-quality-icemap/
Berechnung des Wasserreservoirvolumens
Ein IceMap-Kunde in Island nutzte das System zur Messung der Schneedicke in einem großen Einzugsgebiet, um die Berechnung der voraussichtlichen Wassermenge zu verbessern, die in das örtliche Reservoir abfließen wird. (Foto oben und Abbildung 4):
IceMap wurde verwendet, um kontinuierliche Schneedaten aus den Einzugsgebieten zu liefern, wodurch die herkömmlichen „Punkt“-Messungen verbessert und das Wissen über die Schneedeckenausdehnung und die winterliche Schneeansammlung erweitert wurde. Insgesamt wurden 65 Querschnitte an Land untersucht, um die Schneedicke und die räumliche Verteilung in den Einzugsgebieten zu bestimmen. IceMap ermöglicht die Erfassung von Daten zum Wassergehalt mit viel höherer räumlicher Auflösung, was zu fundierteren Entscheidungen hinsichtlich des Betriebs des Wasserkraftsystems führt.
Die ganze Geschichte finden Sie hier: https://www.sensoft.ca/wp-content/uploads/2016/01/2015-07-Subsurface-Views.pdf/
Eisdicke in ökologisch sensiblen Gebieten
Feuchtgebiete wie Sümpfe, Moore und Moor (Abbildung 5a) sind ökologisch sensible Gebiete, weshalb die Arbeiten häufig im Winter durchgeführt werden, wenn das Gebiet gefroren ist, die Pflanzen ruhen und die Tiere Winterschlaf halten.
Ein Kunde verwendete IceMap, um die Eisdicke zu messen und so das maximale Gewicht eines Baufahrzeugs zu bestimmen, das das Eis tragen kann, ohne zu brechen und das Feuchtgebiet zu beschädigen.
Ähnlich, aber extremer als die oben beschriebene Anwendung, bei der die Eisqualität durch eingebettete Materialien beeinträchtigt wird, ist Eis in einem Feuchtgebiet voller organischer Stoffe, was die genaue Messung der Eisdicke aufgrund der Streuung und Dämpfung des GPR-Signals erschwert. Es ist jedoch oft möglich, den Boden des Eisreflektors zu sehen (Abbildung 5b).
Wassereinschlüsse im am Boden festgefrorenen Eis erkennen
Diese Anwendung ist sozusagen das Gegenteil der oben beschriebenen Anwendung, bei der IceMap zum Auffinden von Eis an der Erdoberfläche verwendet wird. In diesem Fall musste ein Kunde, Agnico Eagle Mining, flüssiges Wasser zum Bohren von Explorationslöchern finden. (Abbildung 6a)Das Problem bestand darin, dass das Explorationsprojekt mitten im Winter bei einer Umgebungstemperatur von -40 °C (-40 °F) durchgeführt wurde, sodass alle Gewässer vor Ort bis zum Grund gefroren waren.
Glücklicherweise verstanden die IceMap-Betreiber die Physik von GPR und insbesondere von IceMap GPR. Die Reflektivität der Unterseite von Eis, wenn es auf Wasser schwimmt, ist viel höher (KEis von 3, KWasser = 80, R = 0.68) als wenn das Eis an Sedimenten oder Gestein am Boden des Gewässers festgefroren ist (KEis von 3, KRock = 5, R = 0.13). Dieser Unterschied in der Reflektivität sorgt dafür, dass Wasserflächen unter dem Eis in den GPR-Daten deutlich zu erkennen sind. (Abbildung 6b).
Wir freuen uns über den Einfallsreichtum unserer Kunden bei der Verwendung unserer GPR-Produkte. Wenn Sie weitere Beispiele für die Verwendung von IceMap oder anderen GPR-Systemen für Anwendungen haben, für die es nicht genau entwickelt wurde, für die es jedoch effektiv ist, Kontakt aufnehmen.
Weitere Informationen zu IceMap finden Sie im IceMap-Produktseite.
Daten zur Eisbrücke mit freundlicher Genehmigung von Mackenzie County, Alberta
Datenbild vom Bodeneis mit freundlicher Genehmigung von Lithogen Inc.
Analyse der Eisqualitätsdaten mit freundlicher Genehmigung von Manitoba Infrastructure
IceMap-Systemfoto und Schneedeckengeschichte mit freundlicher Genehmigung von Landsvirkjun, Island
Wasser unter Eis erkennen – Daten und Fotos mit freundlicher Genehmigung von Agnico Eagle Mines Ltd, Kanada
