POLITECHNIKA KRAKOWSKA INSTYTUT

Transkrypt

1 SPIS TRECI POLLI ITTECHNI IKA KRAKOWSKA INSTTYTTUTT I INYNI I IERIII I GOSPODARKII WODNEJJ ZZAKAD HYDROLLOGI III 1. Wprowadzenie Pomiar wysokoci opadu Stan i gboko wody Metody pomiaru objtoci przepywu Literatura...38 HYDROLOGIIA matteriiay pomocniicze ddrr inn. i. Maarreekk BODZZI IONY Krraakkóów

2 Pomiar objtoci przepywu -28 Pomiar objtoci przepywu -29 METODY POMIARU OBJTOCI PRZEPYWU Pomiary objtoci przepywu maj na celu okrelenie iloci wody Q przepywajcej w cieku naturalnym lub sztucznym w jednostce czasu t. V objto przepywajcej wody [m 3, dcm 3 ], V Q t czas [s, min]. t Mog one by wykonywane w róny sposób, przy czym wybór odpowiedniej metody pomiaru zaley zarówno od rodzaju i wielkoci cieku wodnego, jak i od rodzaju posiadanych przyrzdów. Rozrónia si dwie grupy metod : A. Metody jednoparametrowe nazywane równie bezporednimi, polegaj na pomiarze jednej zmiennej funkcji opisujcej przepyw, np. wysoko strumienia wody przelewajcej si przez przelew. B. Metody wieloparametrowe nazywane porednimi polegaj na pomiarze kilku zmiennych majcych wpyw na wielko przepywu, takich jak prdko rednia, powierzchnia przekroju hydrometrycznego i inne. W zalenoci od sposobu okrelania prdkoci rozrónia si trzy rodzaje metod: a) metody polegajce na pomiarze powierzchni przekroju i prdkoci punktowej w tym przekroju, b) metody polegajce na pomiarze prdkoci wody na pewnym odcinku (pomiary odcinkowe) i powierzchni przekroju przecitnego na tym odcinku cieku, c) metody polegajce na pomiarze przekroju poprzecznego i spadku zwierciada wody w tym przekroju. Przykady metod pomiaru i obliczania przepywu A. Metody jednoparametrowe 1. Pomiar za pomoc podstawionego naczynia Jest to najprostsza metoda polegajca na pomiarze iloci wody dopywajcej do podstawionego wycechowanego naczynia. Znajc objto naczynia V i czas jego napenienia t, okrela si natenie przepywu. Jest to metoda najdokadniejsza, lecz moliwo jej stosowania ogranicza si do cieków o bardzo maym przepywie. Najczciej stosowanymi przelewami s: Sposoby instalacji przelewu w korycie cieku a) przelew Ponceleta - jest to przelew prostoktny ze zweniem bocznym i dolnym. 2 2 / 3 Q h 2gh 3 Q przepyw [m 3 /s], b szeroko przelewajcej si wody [m], h wysoko warstwy wody [m], - wspóczynnik wydatku przelewu 2 b b B b h B h 1.6 B h p b) przelew Thomsona - jest to przelew trójktny ze zweniem bocznym. 2.5 Q k h k = h o Dla Q h 40 < h < 250 cm Przelew Ponceleta Przelew Thomsona 2. Pomiar za pomoc przelewów Metoda wymaga zainstalowania w przekroju pomiarowym przelewu, którego ksztat jest zaleny od amplitudy zmian przepywu. Przepyw obliczamy ze wzorów, mierzc wysoko warstwy przelewajcej si wody h w odlegoci co najmniej 3h od przelewu z uwagi na krzywizn zwierciada wody nad przelewem. Pomiar napenienia na przelewie Pomiar metod podstawionego naczynia Aby uatwi obliczenie przepywu za pomoc przelewów, opracowano tabele, z których odczytuje si wartoci przepywu dla pomierzonych wysokoci napenienia. Zainstalowane w przekroju koryta przelew i ata wodowskazowa umoliwiaj w sposób atwy i dokadny okrelenie wielkoci przepywu. Napenienie h [cm] Przepyw Q [m 3 /s] Wartoci napenienia i przepywu dla przelewu Thomsona Metoda kolorymetryczna Znajduje ona zastosowanie dla maych potoków górskich charakteryzujcych si du burzliwoci ruchu, co zapewnia dobre wymieszanie dawki wskanika z pync wod. Metod t stosuje si w zakresie przepywów od 0.02 do 4.00 m 3 /s.

3 Pomiar objtoci przepywu -30 Pomiar objtoci przepywu -31 Polega ona na wprowadzeniu do wody pyncej korytem potoku roztworu znacznika (barwnika) o znanym steniu, przy czym wprowadzenie to moe odbywa si poprzez dozowanie cige z wydatkiem q lub zrzut jednorazowy. Najczciej stenie barwnika oraz liczb próbek pobieranych w przekroju pomiarowym okrela si stosownie do istniejcych warunków przepywu. Jeeli szeroko cieku jest mniejsza ni 5 m, wtedy próbki naley pobiera ze rodka rzeki, jeli jest wiksza od 5 m, wówczas dodatkowo pobiera si próbki w odlegoci 0.25 m od obydwu brzegów. Metoda kolorymetryczna w pratyce Metoda kolorymetryczna W przekroju kontrolnym pobiera si próbki wody zabarwione znacznikiem, których stenie mierzy si przyrzdem zwanym kolorymetrem zaopatrzonym w fotokomórk. Przez badane próbki zabarwionej wody przepuszcza si wizk wiata, która wpada do fotokomórki poczonej z galwanometrem o duej czuoci. Midzy stopniem rozcieczenia barwnika a wskazaniami galwanometru istnieje zwizek, który przedstawia krzywa tarowania. Metoda jednorazowego zrzutu znacznika polega na punktowym wprowadzeniu caej objtoci roztworu znacznika w krótkim czasie. Wskutek zjawiska dyspersji wytworzy si fala znacznika, której przejcie przez przekrój kontrolny zarejestrowane jest jako krzywa ste w funkcji czasu. Wielko przepywu Q obliczamy ze wzoru: Q T M C p dt Wprowadzanie barwnika Pobieranie próbek Okrelanie stenia B. Metody wieloparametrowe Metody wieloparametrowe dzielimy na punktowe i odcinkowe. Metody punktowe polegaj na mierzeniu prdkoci w wybranych punktach przekroju poprzecznego. Metody punktowe Przekrój wybrany do pomiaru nazywamy przekrojem hydrometrycznym. Powinien on by regularny, pooony na prostym odcinku rzeki i wytyczony prostopadle do kierunku ruchu wody. Przed przystpieniem do waciwego pomiaru naley odczyta stan wody na wodowskazie i zanotowa dat i czas jego wykonania. Podczas wykonywania pomiaru naley kontrolowa stan wody na wodowskazie lub tymczasowo wbitym paliku w dno rzeki przy brzegu. Pomiar przepywu skada si z dwóch czci: sondowa gbokoci i pomiaru prdkoci. Aby dokona sondowania przekroju naley nad zwierciadem wody rozcign wyskalowan lin pomiarow lub tam. Q - aktualna wielko przepywu w cieku (l/s), M - masa wprowadzonego znacznika (mg), C p - stenie roztworu w próbkach pobranych w przekroju kontrolnym (mg/l), t czas (s). Przepyw fali znacznika przez przekrój kontrolny Poprawne wyniki pomiaru mona uzyska, gdy: - przepyw Q jest stay podczas trwania pomiaru, - nie ma strat znacznika przy przejciu od przekroju dozowania do przekroju kontrolnego, - caka C p dt ma warto sta w poszczególnych punktach przekroju, T - odcinek pomiarowy pozbawiony bocznych dopywów jest zwarty bez szerokich rozlewisk i martwych zastoisk wodnych. Jego dugo oraz warunki przepywu powinny gwarantowa zupene wymieszanie wprowadzonego roztworu wskanika z wod w rzece. Dugo odcinka L ustala si, wlewajc roztwór fluoresceiny w przekroju 0 i obserwujc miejsce, w którym fluoresceina zabarwi wod na caej szerokoci rzeki. L wynosi zazwyczaj L 3l 6 l Przekrój poprzeczny koryta rzecznego

4 Pomiar objtoci przepywu -32 Pomiar objtoci przepywu -33 Koniec liny (zero podziaki) powinien by umocowany na brzegu lewym, tak aby odczyty podziaki wzrastay od brzegu lewego do prawego. Gboko naley mierzy tym gciej, im mniej regularny jest ksztat dna koryta. Do pomiaru gbokoci su sondy. S to rurki mosine lub aluminiowe zaopatrzone w dolnym kocu w talerz i krótki kolec, co pozwala na ich dobre oparcie o dno. Sondy zwykle maj rednic 20 mm i nacit podziak co 1 cm. Wykorzystywane s do maych i rednich gbokoci. Gbsze przekroje mierzone s za pomoc sond sztywnych z podziaem co 5 lub 10 cm. Do sondowania duych zbiorników wodnych jezior i mórz wykorzystuje si echosondy. Z powierzchni wody wysyane s impulsy dwikowe w kierunku dna zbiornika i za pomoc odpowiednich aparatów odbiorczych przyjmowane odbite fale dwikowe. Znajc prdko rozchodzenia si fal w wodzie (1500 m/s) oraz mierzc czas potrzebny na przejcie fali na drodze nadajnik no odbiornik, mona okreli gboko zbiornika. Zasady rozmieszczenia sondowa i pionów hydrometrycznych w przekroju poprzecznym (wg IMGW) Lp. Rozmieszczenie sondowa Rozmieszczenie pionów hydrometrycznych przy szerokoci rzeki do nie rzadziej jak co przy szerokoci rzeki do liczba pionów 1 2 m 0.2 m 2 m minimum m 0.5 m 10 m m 1.0 m 30 m do m 2.0 m 80 m do m 5.0 m 200 m do 12 6 ponad 200 m 10.0 m ponad 200 m ponad 15 Rozmieszczenie punktów w pionie hydrometrycznym (wg IMGW) Gboko Przy przepywie swobodnym Przy pokrywie lodowej lub zarastaniu koryta h [cm] Rozmieszczenie punktów Liczba punktów Rozmieszczenie punktów Liczba punktów < 0.2 m 0.4 h h m 0.2 h 0.4 h 0.8 h h 0.5 h 0.85 h 3 > 0.6 m przy dnie 0.2 h 0.4 h 0.8 h przy powierzchni 5 przy dnie 0.2 h 0.4 h 0.8 h przy powierzchni Po przesondowaniu przekroju poprzecznego koryta wyznacza si w nim piony hydrometryczne, w których dokonuje si pomiaru prdkoci wody na rónych gbokociach.. Do punktowych pomiarów prdkoci przepywów su mynki hydrometryczne. 1 - skrzydeka, 2 - o mynka, 3 - sprynka stykowa izolowana, 4 - trzpie stykowy na kóku zbatym, 5 dzwonek 6 (dzwonek). Zetknicie to nastpuje za kadym penym obrotem kóka zbatego, któremu odpowiada dokadnie okrelona liczba obrotów skrzydeek. Czas upywajcy midzy kolejnymi sygnaami mierzy si stoperem. Mynek hydrometryczny moe by mocowany na rurze bd zawieszony na linie. Sposób pierwszy jest stosowany w przypadku, gdy gboko w pionie pomiarowym nie przekracza 3 metrów. W praktyce jednak pomiar mynkiem zamocowanym na rurze jest kopotliwy ju przy gbokoci 2 m i prdkoci wody powyej 1.5 m/s. W przypadku koniecznoci zawieszenia mynka na linie naley Wielko obcienia i rednica linki Prdko wody [m/s] Wielko obcienia [KG] rednica linki [mm] dobrze dobra odpowiednie jego obcienie i rednic linki zawieszenia Obcienie mynka powinno mie ksztat opywowy, tak aby stawiao jak najmniejszy opór pyncej wodzie; unika si przez to zbytniego odchylenia linki od pionu. Poniewa jednak zawsze wystpuje pewne jej odchylenie, to przy okrelaniu gbokoci zanurzenia mynka naley dugo linki pomnoy przez cosinus kta odchylenia. Po opuszczeniu mynka do wody na dan gboko mona rozpocz pomiar prdkoci. Równoczenie z wystpieniem sygnau dwikowego, który przyjmuje si za zerowy, uruchamia si stoper. W chwili wystpienia nastpnego sygnau odczytuje si (nie wyczajc stopera) czas z dokadnoci do 0.2 s i otrzyman warto wpisuje si do dzienniczka pomiarowego. Metoda punktowa w praktyce Sondowanie Zestaw: mynek + rejestrator Pomiar prdkoci wody mynkiem hydrometrycznym Pomidzy prdkoci wody a liczb obrotów skrzydeek mynka zachodzi zwizek liniowy, który jest wyraony równaniem: v - prdko wody (m/s), v n n - liczba obrotów skrzydeek mynka na sekund,, - wielkoci stae, okrelone na podstawie tarowania i podane Pomiary prdkoci wykonane w poszczególnych pionach hydrometrycznych su do okrelenia tachoid, krzywych rozkadu prdkoci w pionach. Dzielc pole tachoidy przez wysoko otrzymujemy redni prdko w pionie. w metryce mynka. Schemat mynka hydrometrycznego Zasada dziaania mynka hydrometrycznego jest nastpujca: Skrzydeka umieszczone na osi poziomej ustawia si pod prd wody. Obracaj si one wraz z osi, na której nacita jest limacznica. Porusza ona kóko zbate, na którym mieci si trzpie. W miar obrotu kóka zbatego zblia si on do sprynki stykowej 3. Zetknicie trzpienia ze sprynk zamyka obwód elektryczny, co sygnalizowane jest sygnaem dwikowym, Zaleno prdkoci przepywu od gbokoci (tachoida)

5 Pomiar objtoci przepywu -34 Pomiar objtoci przepywu -35 Obliczenie objtoci przepywu na podstawie wyników punktowych pomiarów prdkoci, a) metoda rachunkowa Po wykreleniu przekroju poprzecznego z zaznaczeniem pionów hydrometrycznych, w których dokonano punktowego pomiaru prdkoci przepywu, naley obliczy pola przekroju wydzielone tymi pionami F 0, F 1, F 2,... F n oraz prdkoci rednie w pionach w o oparciu o tachoidy. Przecitne wartoci prdkoci rednich dla pól zawartych midzy pionami mona obliczy jako redni arytmetyczn prdkoci rednich w pionach ograniczajcych dane pole, Przekrój poprzeczny koryta, wykres rozkadu prdkoci rednich w przekroju, krzywa iloczynów (v r h) Przekrój poprzeczny koryta z pionami hydrometrycznymi Wielko prdkoci redniej dla dwóch ssiadujcych ze sob pól vsr v I sr II vsr I II 2 Dla pól skrajnych rednia prdkoci jest równa 2/3 prdkoci w najbliszym pionie 2 v0i vi 3 Obliczenie objtoci przepywu polega na zsumowaniu iloczynów pól czstkowych F i i prdkoci rednich v i b) metoda Harlachera Q n i 1 F i v sri Q - natenie przepywu (m /s), F i - powierzchnie przekroju midzy pionami hydrometrycznymi (m ), v i - przecitna warto prdkoci rednich w ssiadujcych pionach (m/s) obliczona ze wzoru. Po obliczeniu prdkoci rednich w poszczególnych pionach sporzdza si wykres rozkadu prdkoci w przekroju poprzecznym. Nastpnie oblicza si iloczyny prdkoci rednich i gbokoci wody w poszczególnych pionach hydrometrycznych, odkadajc te wartoci (v r h) w dó od zwierciada wody. Wykres krzywej iloczynów powinien by wykonany w takiej skali, by w caoci mieci si wewntrz przekroju poprzecznego. Pole zawarte pomidzy t krzyw a lini poziom okrelajc pooenie zwierciada wody przedstawia w przyjtej podziace objto przepywu Q. Q B hv sr db B szeroko koryta [m]. Warto caki okrela si poprzez planimetrowanie pola zawartego midzy zwierciadem wody a krzyw iloczynów prdkoci v r i gbokoci h. c) metoda Culmanna Linie jednakowych prdkoci (izotachy) W oparciu o wykrelone wczeniej tachoidy naley skonstruowa krzywe jednakowych prdkoci, tzw. izotachy. Obliczenie przepywu polega na planimetrowaniu pól ograniczonych liniami jednakowych prdkoci. rednia prdko v r C midzy dwoma izotachami jest równa redniej arytmetycznej z prdkoci granicznych w kadym polu F C. Przepyw obliczamy nastpujco: n i liczba pól, Q F C v i sr Ci F - powierzchnia zawarta midzy izotachami (m 2 ), Ci i1 v sr - rednia prdko przepywu wody przez pole i, (m/s). Ci Metoda odcinkowa Odcinkowe pomiary przepywu polegaj na pomiarze prdkoci na wybranym odcinku cieku za pomoc pywaków. Do pyncej wody wrzuca si przedmioty nietonce, które poruszaj si z prdkoci powierzchniow. Pywakiem moe by krek drewniany, butelka czciowo napeniona wod itp.

6 Pomiar objtoci przepywu -36 Pomiar objtoci przepywu -37 Metoda pywakowa w praktyce Schemat pomiaru pywakowego Odcinek cieku, na którym ma by przeprowadzony pomiar pywakowy, powinno si tak dobra, aby strugi wody przebiegay równolegle do linii nurtu. Dugo odcinka powinna by wiksza od szerokoci B. Przy szerokoci od 3 do 20 m dugo odcinka przyjmuje si w granicach od 10 do 40 m, zalenie od prdkoci wody. Przed przystpieniem do pomiaru naley przesondowa przekroje poprzeczne na pocztku, w rodku i na kocu badanego odcinka. Prdko na drodze pywaka okrela si z równania: L v - prdko pywaka (m/s), v L - dugo odcinka pomiarowego (m), t t - czas przebiegu pywaka na dugoci odcinka L (s). Pomiar prdkoci wykonuje si kilkakrotnie, a wyniki urednia si. Jeli pomiar prowadzony jest na potoku o niewielkiej szerokoci, to prdko mierzy si w nurcie i mona j uzna za maksymaln prdko powierzchniow. Do obliczenia przepywu przyjmuje si przekrój rodkowy. Prdkoci pomierzone na poszczególnych torach pywaków odnosimy do punktów przekroju rodkowego, w których tory te przecinaj przekrój w punktach (A 1, B 1, C 1 ). Przepyw Q o obliczamy np. metod Harlachera, wykrelajc krzyw iloczynów prdkoci powierzchniowej i gbokoci. Planimetrujc pole pod krzyw (v h) otrzymujemy warto przepywu. Przepyw redni w wybranym przekroju koryta obliczamy ze wzoru: Q Q o - wspóczynnik redukcyjny. Warto wspóczynnika powinna by obliczona na podstawie jednoczesnych pomiarów mynkiem i pywakami. W przypadku, gdy pomiar prdkoci przepywu zosta wykonany tylko w nurcie, czyli gdy zostaa okrelona prdko maksymalna v max, do obliczenia prdkoci redniej w przekroju mona wykorzysta wzór Matakiewicza: v m sr max h sr I v r - prdko rednia w przekroju poprzecznym (m/s), v max - najwiksza prdko na powierzchni, równa prdkoci mierzonej w nurcie (m/s), h r - rednia gboko w przekroju (m), I - spadek zwierciada wody ( ). Mnoc obliczon prdko v r przez pole rodkowego przekroju poprzecznego koryta F (m 2 ) otrzymujemy warto przepywu redniego Q. Q - natenie przepywu (m/s), Q F c R I F - przekrój poprzeczny koryta (m 2 ), c - wspóczynnik prdkoci okrelony ze wzorów empirycznych, R - promie hydrauliczny (m), I - spadek zwierciada wody (-). W praktyce zamiast promienia hydraulicznego przyjmuje si gboko redni, jeli speniony jest warunek, e szeroko koryta jest równa co najmniej 30 -krotnej gbokoci redniej. Warto wspóczynnika prdkoci c obliczana jest najczciej ze wzoru Manninga: 1 1 / 6 c R n wspóczynnik szorstkoci Manninga n Wielko wspóczynnika szorstkoci n jest stablicowana. Przepyw mona równie obliczy ze wzoru na prdko redni, uzalenion przez Matakiewicza od gbokoci redniej w przekroju h r i spadku zwierciada wody I I vsr hsr I Metoda obliczania przepywu na podstawie pomiaru spadku podunego zwierciada wody Ten sposób obliczania przepywu stosowany jest w tych przypadkach, gdy zachodzi konieczno oceny przepywu szczególnie w strefie stanów wysokich, a warunki terenowe uniemoliwiaj bezporednie wykonanie pomiaru przepywu za pomoc mynka hydrometrycznego. Do obliczenia przepywu naley wyznaczy na wybranym odcinku powierzchni przekroju oraz redni gboko w trzech przekrojach poprzecznych. Za miarodajne do okrelenia przepywu przyjmuje si redni arytmetyczn powierzchni przekroju i gbokoci redniej, obliczone dla kadego z trzech przekrojów. Jeli istnieje moliwo dokadnej oceny wspóczynnika szorstkoci koryta, przepyw mona obliczy ze wzoru Chezy:

7 Lieratura: 1. HYDROLOGIA - A.Byczkowski - tom I, Wyd. SGGW, W-wa WICZENIA TERENOWE Z HYDROLOGII B.Wizik, A.Bardzik Wyd.PK, Kraków Woda w atmosferze ziemskiej Elementy meteorologiczne, przyrzdy, standardy pomiarów - Katedra Meteorologii i Oceanografii Nautycznej Wydziau Nawigacyjnego Akademii Morskiej w Gdyni Meteo Serwis Zakad Elektroniki i Automatyki Przemysowej Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej -