Metody pomiarów i obliczeń przepływów.

Metody pomiarów i obliczeń przepływów.

Natężenie przepływów jest jedną z najważniejszych cech hydrologicznych, gdyż pozwala na obliczenie całkowitej objętości wody, która odpływa ze zlewni. Natężenie przepływu jest to ilość wody przepływająca przez dany przekrój poprzeczny koryta rzecznego w jednostce czasu wyrażona w m3/s lub dm3/s.
Do pomiaru natężenia służą metody pośrednie i bezpośrednie. Wybór metody zależy od:
- rodzaju i wielkości cieku
- różnorodności warunków przepływu wody
- dostępnej aparatury pomiarowej
- wymaganej dokładności wyników.
Metody bezpośrednie dają możliwość szybkiej oceny natężenia przepływu małych cieków i wypływów, zaś metody pośrednie są bardziej skąplikowane.

Do metod bezpośrednich należą:
- metoda wolumetryczna
- metoda chemiczna
- metoda przelewów cechowanych

Metoda wolumetryczna jest nazywana inaczej metodą objętościową lub podstawionego naczynia. Jest dokładna, gdy zastosuję się ją w warunkach gdzie istnieje możliwość całościowego uchwycenia strumienia przepływającej wody. Jest stosowana do pomiaru natężenia przepływu w małych ciekach służy także do pomiaru niewydajności niewielkich źródeł.
Za pomocą naczynia o znanej pojemności dokonuje się bezpośredniego pomiaru ilości przepływającej wody. Pomiar powtarza się trzykrotnie i wynik się uśrednia.
Natężenie przepływu oblicza się wg wzoru:

Q=

Q ? natężenie przepływu [ dm3*s-1]
V ? objętość wody w podstawionym naczyniu [ dm3]
T ? średni czas napełnienie naczynia

Metoda chemiczna

Wśród metod chemicznych wyróżnia się metodę konduktometryczną z jednorazowym dozowaniem substancji wskaźnikowej. Stosuje się ją do badania rzek o przepływie turbulentnym. W takim przepływie można bowiem dobrze wymieszać substancję wskaźnikową, którą na ogół jest NaCl. Metoda ta jest stosowana w rzekach gdzie przepływ nie jest większy niż kilkanaście metrów sześciennych na sekundę.
Dokonując pomiaru należy najpierw znaleźć odpowiednie miejsce wprowadzenia jednorazowego roztworu pierwotnego, a także profil kontrolny. Profil kontrolny powinien być w takiej odległości by na wyznaczonym odcinku nastąpiło pełne wymieszanie roztworu z woda rzeczną. Odległość miedzy punktem wlania roztworu a profilem kontrolnym powinna być 2-3 razy większa niż długość odcinka mieszania.
Przepływy Q oblicza się na podstawie wykresu ?fali roztworu?. Stosuje się przy tym wzór:

Q ? natężenie przepływu [ dm3*s-1]
V- objętość porcji roztworu pierwotnego wlanego do rzeki [ dm3]
A-powierzchnia zawarta między wykresem ?fali roztworu? a jej podstawą [ cm2]
k- podziałka wykresu

Metoda przelewów cechowanych
Przy budowlach wodnych są zainstalowane urządzenia przelewowe: progi, zastawki, jazy. Ze względu na kształt otworu w przelewie wyróżnia się przelewy
- prostokątne ? Bazina- ścianka piętrząca na całej szerokości koryta,
- Ponceleta ? prostokątny otwór na całej szerokości koryta
- trójkątne
- trapezowe
- kołowe
- złożone
Zwykle stosuje się przelewy trójkątne o różnych kątach rozwarcia. Powszechne są też przelewy złożone, są stosowane by przy jak najwyższej pojemności pomiaru, zakres mierzonych przepływów był dostatecznie duży. Takimi przelewami mierzy się przepływy o natężeniu nawet do kilkunastu m3 na sekundę. Błąd pomiarowy wynosi zaledwie 1-3%.
Dokonując pomiaru tą metodą określa się grubość warstwy wody h, która przelewa się nad koroną przelewu. Pomiar wykonuje się w odległości 3-4 h od korony przelewu.
Do określenia przepływu małych cieków stosuje się przelewy przenośne, wykonane najczęściej z blachy.
Zakres pomiarów przepływu za pomocą przelewów jest duży, od ułamków litra na sekundę do kilkuset litrów na sekundę.

Metody pośrednie polegają na pomiarze prędkości wody w korycie rzeki. Najczęściej stosuje się metodę pływakową i młynkową.

Metoda pływakowa
Metodę pływakową stosuje się do badania rzek o ruchu wody zbliżonym do laminarnego. W pomiarach stosuje się pływaki swobodne, które mierzą powierzchniową prędkość wody. Pływakiem swobodnym może być kawałek drewna o ciężarze właściwym mniejszym od ciężaru właściwego wody.
Pomiar wykonuje się na w miarę prostym odcinku rzeki, który powinien być 4-5 razy dłuższy niż szerszy. Przekroje końcowe należy oznaczyć, a następnie dokonać kilku pomiarów czasu płynięcia pływaków na wybranym odcinku. Liczba pomiarów zależy od szerokości cieku i od warunków płynięcia wody. Po dokonaniu kilku pomiarów oblicza się średni czas przepływu.
Średnią prędkość powierzchniową oblicza się wg wzoru:

v- średnia prędkość powierzchniowa wody [ m/s]
l ? długośc odcinka pomiarowego [ m ]
t ? średni czas płynięcia pływaków [ s ]

Pomiar wykonany w nucie określa maksymalną prędkość przepływu.
W rzekach o szerokim korycie przeprowadza się pomiar zarówno w nurcie rzeki jak i przy brzegach.

Natężenie przepływu wody w przekroju koryta rzecznego oblicza się wg wzoru:

Q- natężenie przepływu [ m3*s-1 ]
F- powierzchnia przekroju koryta
v- prędkość powierzchniowa wody
a- współczynnik redukcyjny

Metoda młynkowa
Polega na punktowych pomiarach prędkości wody za pomocą młynka hydrometrycznego. Pomiar wykonuje się w profilach o dostatecznie długim odcinku rzeki. Profil powinien być oddalony od urządzeń zakłócających równomierność przepływu takich jak jazy, śluzy, filary mostowe.
Pomiary wykonuje się wzdłuż pionów hydrometrycznych. Przy rozmieszczeniu pionów uwzględnia się szerokość rzeki, kształt dna koryta, rozkład strug płynącej wody. Przy rzece o korycie mniejszym niż 2 m umieszcza się 3 piony, zaś przy rzece o szerokości koryta większej niż 200 m umieszcza się 15 pionów.
Rozmieszczenie punktów pomiarowych zależy od głębokości rzeki h oraz od warunków przepływu. Przy swobodnym przepływie niezakłóconym przez zjawiska lodowe lub roślinność wodną, gdy:
H < 0,2 m - 1 punkt pomiaru prędkości - na głębokości 0,4 h
0,2< h < 0,6 m - 3 punkty pomiaru prędkości - na głębokości 0,2 h; 0,4 h; 0,8h
h> 0,6 m - 5 punktów pomiaru prędkości - na głębokości 0,2 h; 0,4 h; 0,8h oraz przy dnie i przy powierzchni.

Wśród metod pomiaru przepływu wyróżnia się także metody obliczeń. Do tych metod należy metoda Culmana i metoda rachunkowa.

Metoda Culmana

Obliczenie przepływu rzeki metodą Culmana składa się z kilku etapów. W etapie pierwszym wykreśla się poprzeczny profil koryta rzeki. Na tym profilu rozmieszcza się piony hydrometryczne, czyli miejsce w korycie rzeki, w których zostały dokonane na różnych głębokościach pomiary hydrologiczne. Następnym etapem jest wykreślenie tachoid, a więc krzywych rozkładu prędkości w pionie hydrometrycznym. Wykreśla się ją dla każdego pionu hydrometrycznego, aby przedstawić prędkość w profilu koryta. W tej metodzie tachoida służy do ustalenia głębokości, na których występują dowolne szybkości płynięcia wody. Trzecim etapem metody Culmana jest wykreślenie izotach. Izotachy są to linie łączące punkty o jednakowej szybkości v. Następnie oblicza się powierzchnię między izotachami za pomocą planimetru lub kalki milimetrowej. Ostatnim etapem jest obliczenie objętości przepływu za pomocą wzoru:

Q ? natężenie przepływu [ dm3*s-1]
F ? powierzchnia przekroju poprzecznego koryta rzeki [m2]
vśr. ? Szybkość płynięcia wody [m*s-1]

Metoda rachunkowa
Pomiary prędkości wody stanowią podstawę do obliczeń natężenia przepływu. Najczęściej stosuje się metodę rachunkową. Młynkiem mierzy się czas, w jakim następuje np. 50 obrotów skrzydełek, znając ten czas można obliczyć ilość obrotów na sekundę a potem stosując wzór oblicza się szybkość płynięcia wody w danym punkcie.

Q ? natężenie przepływu [ dm3*s-1]
F ? powierzchnia przekroju poprzecznego rzeki [m2]
vśr. ? średnia prędkość wody w przekroju rzeki [m*s-1]

Warunkiem stosowania metody rachunkowej jest dokonanie pomiarów w ściśle określonych odległościach od dna.

Na podstawie danych ilości obrotów dokonanych na odpowiednich głębokościach oblicza się średnią szybkość w danym pionie.

Gdy dokonano pomiaru tylko w 1 punkcie:

Gdy dokonano pomiaru w 3 punktach

Gdy dokonano pomiaru w 5 punktach

vśr - średnia szybkość w pionie
- współczynniki tarowania młynka
n- ilośc obrotów młynka na sekundę w danym punkcie
Nd - ilośc obrotów młynka na sekundę przy dnie
Np. - ilośc obrotów młynka na sekundę przy powierzchni
0,2; 0,4; 0,8 przy n wskazuje w jakiej odległości od dna został wykonany pomiar w danym pionie.


Literatura:

Bajkiewicz-Grabowska E., Mikulski Z. 1999. Hydrologia ogólna, PWN, Warszawa.
Pociask-Karteczka J., 2006. Zlewnia. Właściwości i procesy. Wyd. UJ Kraków