Pomiar prędkości wody

Metody pomiaru Metody dzielimy na punktowe i odcinkowe. Metody punktowe polegają na mierzeniu prędkości w wybranych punktach przekroju poprzecznego. Przekrój wybrany do pomiaru nazywamy przekrojem hydrometrycznym. Powinien on być regularny, położony na prostym odcinku rzeki i wytyczony prostopadle do kierunku ruchu wody. Przed przystąpieniem do właściwego pomiaru należy odczytać stan wody na wodowskazie i zanotować datę i czas jego wykonania. Podczas wykonywania pomiaru należy kontrolować stan wody na wodowskazie lub tymczasowo wbitym paliku w dno rzeki przy brzegu. Pomiar przepływu składa się z dwóch części: sondowań głębokości i pomiaru prędkości. Aby dokonać sondowania przekroju należy nad zwierciadłem wody rozciągnąć wyskalowaną linę pomiarową lub taśmę (rys. 1).

Metody pomiaru Koniec liny (zero podziałki) powinien być umocowany na brzegu lewym, tak aby odczyty podziałki wzrastały od brzegu lewego do prawego. Głębokość należy mierzyć tym gęściej, im mniej regularny jest kształt dna koryta. Zasady rozmieszczania sondowań podano w tabeli 1. Rys. 1. Przekrój poprzeczny koryta rzecznego

Metody pomiaru Tabela 1. Zasady rozmieszczenia sondowań i pionów hydrometrycznych w przekroju poprzecznym (wg IMGW) Lp. Rozmieszczenie sondowań Rozmieszczenie pionów hydrometrycznych przy szerokości rzeki do nie rzadziej jak co przy szerokości rzeki do liczba pionów 1 2 m 0.2 m 2 m minimum 3 2 10 m 0.5 m 10 m 4 6 3 30 m 1.0 m 30 m do 8 4 80 m 2.0 m 80 m do 10 5 200 m 5.0 m 200 m do 12 6 ponad 200 m 10.0 m ponad 200 m ponad 15

Metody pomiaru Po przesondowaniu przekroju poprzecznego koryta wyznacza się w nim piony hydrometryczne, w których dokonuje się pomiaru prędkości wody na różnych głębokościach. Zasady rozmieszczenia punktów pomiarowych w pionie hydrometrycznym podano w tabeli 2. Tabela 2. Rozmieszczenie punktów pomiarowych w pionie hydrometrycznym (wg IMGW) Głębokoś ć h [cm] Przy przepływie swobodnym Rozmieszczenie punktów pomiarowych Liczba punktów pomiarowych Przy pokrywie lodowej lub zarastaniu koryta Rozmieszczenie punktów pomiarowych Liczba punktów pomiarowych < 0.2 m 0.4 h 1 0.5 h 1 0.2 0.6 m 0.2 h 0.4 h 0.8 h > 0.6 m przy dnie 0.2 h 0.4 h 0.8 h przy powierzchni 3 0.15 h 0.5 h 0.85 h 5 przy dnie 0.2 h 0.4 h 0.8 h przy powierzchni 3 6

Metody pomiaru głębokości Do pomiaru głębokości służą sondy. Są to rurki mosiężne lub aluminiowe zaopatrzone w dolnym końcu w talerz i krótki kolec, co pozwala na ich dobre oparcie o dno. Sondy zwykle mają średnicę 20 mm i naciętą podziałkę co 1 cm. Wykorzystywane są do małych i średnich głębokości. Głębsze przekroje mierzone są za pomocą sond sztywnych z podziałem co 5 lub 10 cm. Do sondowania dużych zbiorników wodnych jezior i mórz wykorzystuje się echosondy. Z powierzchni wody wysyłane są impulsy dźwiękowe w kierunku dna zbiornika i za pomocą odpowiednich aparatów odbiorczych przyjmowane odbite fale dźwiękowe. Znając prędkość rozchodzenia się fal w wodzie (1500 m/s) oraz mierząc czas potrzebny na przejście fali na drodze nadajnik - odbiornik, można określić głębokość zbiornika.

Metody pomiaru głębokości

Zasada działania MŁYNKA HYDROMETRYCZNEGO jest następująca: Skrzydełka umieszczone na osi poziomej (rys. 2) ustawia się pod prąd wody. Obracają się one wraz z osią, na której nacięta jest ślimacznica. Porusza ona kółko zębate, na którym mieści się trzpień. W miarę obrotu kółka zębatego zbliża się on do sprężynki stykowej 3. Zetknięcie trzpienia ze sprężynką zamyka obwód elektryczny, co sygnalizowane jest sygnałem dźwiękowym, (dzwonek). Zetknięcie to następuje za każdym pełnym obrotem kółka zębatego, któremu odpowiada dokładnie określona liczba obrotów skrzydełek. Czas upływający między kolejnymi sygnałami mierzy się stoperem. Pomiar prędkości wody Rys. 2. Schemat młynka hydrometrycznego: 1-skrzydełka, 2-oś młynka, 3-spręzynka stykowa izolowana, 4-trzpień stykowy na kółku zębatym, 5-dzwonek,

Młynek hydrometryczny może być mocowany na rurze bądź zawieszony na linie. Sposób pierwszy jest stosowany w przypadku, gdy głębokość w pionie pomiarowym nie przekracza 3 metrów. W praktyce jednak pomiar młynkiem zamocowanym na rurze jest kłopotliwy już przy głębokości 2 m i prędkości wody powyżej 1.5 m/s. W przypadku konieczności zawieszenia młynka na linie należy dobrze dobrać odpowiednie jego obciążenie i średnicę linki zawieszenia zgodnie z tabelą 3. Tabela 3. Wielkość obciążenia i średnica linki. Prędkość wody [m/s] Wielkość obciążenia [KG] Średnica linki [mm] 1 10 15 1.0 1-2 25 50 1.5 1.8 2 3 50 75 2.0 3.0 3 75-100 3.0 4.0 Obciążenie młynka powinno mieć kształt opływowy, tak aby stawiało jak najmniejszy opór płynącej wodzie; unika się przez to zbytniego odchylenia linki od pionu. Ponieważ jednak zawsze występuje pewne jej odchylenie, to przy określaniu głębokości zanurzenia młynka należy długość linki pomnożyć przez cosinus kąta odchylenia.

Przeznaczone są do pomiaru prędkości przepływu wody w rzekach i kanałach. Młynki mocowane są na skalowanym pręcie stalowym lub lince. Każdy młynek jest wycechowany i zaopatrzony w świadectwo IMGW ważne 2 lata. Zakresy pomiaru prędkości dla wirników o średnicy: - d30 mm od 0.10 do 2.0 m/s; - d50 mm od 0.04 do 2.0 m/s; - d80 mm od 0.02 do 3.0 m/s. Uniwersalny młynek hydrometryczny C 31 firmy OTT jest przyrządem pomiarowym do ustalania prędkości przepływu wody w otwartych korytach wodnych, strumieniach, rzekach, morzach, strumieniach chłodzących oraz w przewodach ciśnieniowych. Nadaje się do pomiarów prędkości przepływu od 0.025 m/s do 10 m/s. Młynek jest uniwersalny i może być w różny sposób mocowany: jako młynek drążkowy lub jako młynek pływakowy.

Młynki hydrometryczne w polskiej służbie hydrologicznej Rys. 4. Pomiar młynkiem hydrometrycznym w praktyce

Po opuszczeniu młynka do wody na żądaną głębokość można rozpocząć pomiar prędkości. Równocześnie z wystąpieniem sygnału dźwiękowego, który przyjmuje się za zerowy, uruchamia się stoper. W chwili wystąpienia następnego sygnału odczytuje się (nie wyłączając stopera) czas z dokładnością do 0.2 s i otrzymaną wartość wpisuje się do dzienniczka pomiarowego. Pomiędzy prędkością wody a liczbą obrotów skrzydełek młynka zachodzi związek liniowy, który jest wyrażony równaniem: v=α+ βn gdzie: v - prędkość wody (m/s), n - liczba obrotów skrzydełek młynka na sekundę, β - wielkości stałe, określone na podstawie tarowania i podane w metryce młynka. α, Pomiary prędkości wykonane w poszczególnych pionach hydrometrycznych służą do określenia tachoid, krzywych rozkładu prędkości w pionach.

Dzieląc pole tachoidy przez wysokość otrzymujemy średnią prędkość w pionie. Rys. 3. Zależność prędkości przepływu od głębokości (tachoida) Typowy kształt tachoidy obserwowany w korytach o regularnym kształcie, wyrównanym dnie, wolnym od roślinności oraz przy swobodnym zwierciadle wody.

Przykłady tachoid w zależności od warunków przepływu:

Sposób wykreślenia tachoidy Tachoidę wykreśla się nanosząc w układzie osi współrzędnych prostokątnych na osi pionowej głębokości punktów pomiaru prędkości, na osi poziomej zaś zmierzone prędkości. h [m] dh v s dno v [m/s] Po podzieleniu pola ograniczonego tachoidą, zwierciadłem wody i osiami współrzędnych na paski o szerokości dh i długości v oblicza się powierzchnię figury:

A stąd prędkość średnią w pionie: h F = (1) 0 vdh Ze wzoru 2 wynika, że: F h h = 0 vdh v s = (2) h F = v s h Prędkość średnią w pionie można w praktyce określać za pomocą skróconych wzorów opracowanych przez IMGW (tabela 3) bądź ze wzoru: v s = ½ (v 0,2 h + 0,8 h ) przy metodzie dwupunktowej

Tabela 3. Skrócone wzory IMGW do obliczania prędkości średniej w pionie hydrometrycznym Głębokość w pionie Przepływ swobodny Przepływ w warunkach zarastania lub zlodzenia h [m] h<0,2 v s = v 0,4 h v s = v 0,5 h 0,2<h<0,6 v s = ¼(v 0,2 h + 2v 0,4 h v 0,8 h ) 0,4 h + v s = 1/3 (v 0,15 h + v 0,5 h + v 0,85 h ) h>0,6 v s = 1/10 (v d + 2v 0,2 h 3v 0,4 h + 3v 0,8 h + v p ) 0,2 h + v s = 1/10 (v d + 2v 0,2 h + 2v 0,4 h + 2v 0,6h +2v 0,8 h + v p ) +2v 0,8 h

Wzory te dają dobre wyniki w warunkach typowych. Jeżeli jednak tachoida ma kształt nietypowy, dokładniejsze są obliczenia na podstawie tachoid ze wzoru (2) na prędkość średnią lub metodą graficzną przez planimetrowanie pola tachoidy.

Pomiary skrócone prędkości wody Wykonuje się w wybranych punktach pionów hydrometrycznych. Mają na celu zmniejszenie liczby punktów pomiarowych w pionie hydrometrycznym, a tym samym skrócenie czasu trwania pomiaru prędkości v. Stosuje się pomiary: - jednopunktowe na głębokości 0,4 h (h głębokość wody w pionie hydrometrycznym), - dwupunktowe na głębokościach 0,2 i 0,8 h. Na podstawie wieloletnich badań stwierdzono, że: Prędkość na głębokości 0,4 h w pionie, mierząc od dna w górę, jest zbliżona do prędkości średniej w pionie: v s = v 0,4 h

Analogicznie średnia arytmetyczna prędkości zmierzonych na głębokości 0,2 h i 0,8 h jest zbliżona do prędkości średniej w pionie hydrometrycznym: v s = ½ (v 0,2 h + 0,8 h ) Metoda dwupunktowa stosowana jest powszechnie w USA, zalecają ją też normy ISO. W Polsce w służbie hydrologicznej metoda ta jest stosowana od paru lat w przypadku niezakłóconego rozkładu prędkości w pionie, tzn. gdy nie występują zjawiska lodowe i zarastanie koryta.

Prędkość średnia w przekroju hydrometrycznym Podobnie jak w pionie hydrometrycznym, tak i w przekroju hydrometrycznym prędkości przepływu nie są równomiernie rozłożone. Najmniejsze prędkości występują w pobliżu brzegów, a największe w nurcie rzeki. W celu określenia prędkości średniej w przekroju poprzecznym należy pomiary prędkości wykonać w szeregu pionach hydrometrycznych. Przyjmuje się, że liczba pionów hydrometrycznych zależy od szerokości cieku. Zgodnie z instrukcją IMGW przy szerokościach B < 2 m pomiar wykonuje się w 3 pionach, zaś przy szerokości B > 200 m w 18 pionach. Powyższe normy odnoszą się do przekrojów cieków o kształtach regularnych. Gdy kształt przekroju jest urozmaicony liczbę pionów należy zwiększyć. Istotne znaczenie dla dokładności pomiarów ma właściwe rozmieszczenie pionów w przekroju. Przede wszystkim lokalizuje się piony przy brzegach rzeki oraz w nurcie.

Piony należy przyjmować dostatecznie gęsto, aby uchwycić istotne zmiany prędkości. Na środku rzeki, gdzie prędkości zmieniają się już nie tak gwałtownie jak przy brzegach, piony można lokalizować w większych odległościach od siebie, wybierając charakterystyczne punkty załomu dna lub miejsca, w których prędkość zmienia się w widoczny sposób. Prędkość średnią w przekroju hydrometrycznym v s oblicza się z zależności: V s = F B γ Gdzie: F pole powierzchni pod wykresem rozkładu prędkości średnich w przekroju hydrometrycznym [cm 2 ], B szerokość przekroju [cm], γ - skala prędkości [m/scm], tj. 1 cm = γ [m/s].