Przepływ Natężeniem przepływu nazywamy objętość wody przepływającej przez dany przekrój poprzeczny cieku w jednostce czasu. Jednostkami natężenia przepływu są m 3 /s, l/s. V Q = t gdzie: V objętość przepływającej wody [m 3, dcm 3 ], t czas [s, min]. Rozróżnia się dwie grupy metod pomiarowych: A. Metody jednoparametrowe nazywane również bezpośrednimi, polegają na pomiarze jednej zmiennej funkcji opisującej przepływ, np. wysokość strumienia wody przelewającej się przez przelew. B. Metody wieloparametrowe nazywane pośrednimi polegają na pomiarze kilku zmiennych mających wpływ na wielkość przepływu, takich jak prędkość średnia, powierzchnia przekroju hydrometrycznego i inne. W zależności od sposobu określania prędkości rozróżnia się trzy rodzaje metod: metody polegające na pomiarze powierzchni przekroju poprzecznego i prędkości punktowej w tym przekroju, metody polegające na pomiarze prędkości wody na pewnym odcinku (pomiary odcinkowe) i powierzchni przekroju przeciętnego na tym odcinku cieku, metody polegające na pomiarze przekroju poprzecznego i spadku zwierciadła wody w tym przekroju. 1
A. Metody jednoparametrowe 1. Pomiar za pomocą podstawionego naczynia Jest to najprostsza metoda polegająca na pomiarze ilości wody dopływającej do podstawionego wycechowanego naczynia. Znając objętość naczynia V i czas jego napełnienia t możemy obliczyć natężenie przepływu. Jest to metoda najdokładniejsza, lecz możliwość jej stosowania ogranicza się do cieków o bardzo małym przepływie. V Q = t Pomiar za pomocą podstawionego naczynia (zdj. M. Bodziony) 2
2. Pomiar za pomocą przelewów Metoda wymaga zainstalowania w przekroju pomiarowym przelewu, którego kształt jest zależny od amplitudy zmian przepływu. Przepływ obliczamy ze wzorów, mierząc wysokość warstwy przelewającej się wody h w odległości co najmniej 3h od przelewu z uwagi na krzywiznę zwierciadła wody nad przelewem. Pomiar napełnienia na przelewie 3
4 Najczęściej stosowanymi przelewami są: a) przelew Ponceleta - jest to przelew prostokątny ze zwężeniem bocznym i dolnym. Przelew Ponceleta 2gh h 3 2 Q 3 2 / µ = gdzie: Q przepływ [m 3 /s], b szerokość przelewającej się wody [m], h wysokość warstwy wody [m], B szerokość zwierciadła wody przed przelewem [m], p odległość od dna do dolnej krawędzi przelewu [m], µ współczynnik wydatku przelewu: + + + + = p h h B b 0.5 1 1.6 h B b 3 3.615 B b 0.037 0.578 4 2 2 µ
b) przelew Thomsona - jest to przelew trójkątny ze zwężeniem bocznym. Przelew Thomsona 2.5 Q = k h gdzie: k = -0.000191 h + 0.014325 o Dla α = 90 oraz 40 < h < 250 mm 2.5 Q = 0.014 h Wartości napełnienia i przepływu dla przelewu Thomsona Napełnienie h Przepływ Q [mm] [l/s] 40 60 80 100-160 200 250 0.448 1.235 2.534 4.427-14.336 23.044 43.750 5
Przelew Thomsona zainstalowany w korycie potoku (zdj. M. Bodziony) 6
3. Metoda kolorymetryczna Znajduje ona zastosowanie dla małych potoków górskich charakteryzujących się dużą burzliwością ruchu, co zapewnia dobre wymieszanie dawki wskaźnika z płynącą wodą. Metodę tę stosuje się w zakresie przepływów od 0.02 do 4.00 m 3 /s. Polega ona na wprowadzeniu do wody płynącej korytem potoku roztworu znacznika (barwnika) o znanym stężeniu, przy czym wprowadzenie to może odbywać się poprzez dozowanie ciągłe z wydatkiem q lub zrzut jednorazowy. Metoda kolorymetryczna W przekroju kontrolnym pobiera się próbki wody zabarwione znacznikiem, których stężenie mierzy się przyrządem zwanym kolorymetrem zaopatrzonym w fotokomórkę. Przez badaną próbkę zabarwionej wody przepuszcza się wiązkę światła, która wpada do fotokomórki połączonej z galwanometrem o dużej czułości. Metoda jednorazowego zrzutu znacznika polega na punktowym wprowadzeniu całej objętości roztworu znacznika w krótkim czasie. Wskutek zjawiska dyspersji wytworzy się fala znacznika, której przejście przez przekrój kontrolny zarejestrowane jest jako krzywa stężeń w funkcji czasu. Długość odcinka L ustala się, wlewając roztwór fluoresceiny w przekroju 0 i obserwując miejsce, w którym fluoresceina zabarwi wodę na całej szerokości rzeki, wynosi zazwyczaj: L = 3l 6 l 7
Kolorymetr 8
Kolorymetr Krzywa tarowania 9
Przepływ fali znacznika przez przekrój kontrolny Między stopniem rozcieńczenia barwnika, a wskazaniami galwanometru istnieje związek, który pozwala na obliczenie wielkości przepływu: gdzie: M c p dt Q = T M C dt p - masa wprowadzonego znacznika [mg], - pole pod krzywą stężeń, wykreśloną na podstawie wskazań kolorymetru [mg s/l]. Poprawne wyniki pomiaru można uzyskać, gdy: - przepływ Q jest stały podczas trwania pomiaru, - nie ma strat znacznika przy przejściu od przekroju dozowania do przekroju kontrolnego, - całka C p dt ma wartość stałą w poszczególnych punktach przekroju, T - odcinek pomiarowy pozbawiony bocznych dopływów jest zwarty bez szerokich rozlewisk i martwych zastoisk wodnych. Jego długość oraz warunki przepływu powinny gwarantować zupełne wymieszanie wprowadzonego roztworu wskaźnika z wodą w rzece. 10
Metoda kolorymetryczna - pomiary 11
B. Metody wieloparametrowe Metody wieloparametrowe dzielimy na punktowe i odcinkowe. Metody punktowe polegają na mierzeniu prędkości w wybranych punktach przekroju poprzecznego. Przekrój wybrany do pomiaru prędkości, zwany przekrojem hydrometrycznym winien spełniać następujące warunki: powinien się znajdować na prostym odcinku rzeki, powinien być jednodzielny, zwarty i regularny. W tak wybranym przekroju najpierw przeprowadzamy sondowanie głębokości od dna do zwierciadła wody, a następnie w wybranych pionach hydrometrycznych, które powinny znajdować się w charakterystycznych miejscach przekroju poprzecznego, wykonujemy pomiar punktowy prędkości na różnych głębokościach. Pomiary te wykonuje się przy użyciu młynka hydrometrycznego, odpowiednio dobranego do istniejących warunków Szybkość obrotów skrzydełek młynka zależy wprost od prędkości wody. 12
Młynek hydrometryczny zasada działania 1 skrzydełka, 2 oś ze ślimacznicą, 3 sprężyna stykowa izolowania, 4 trzpień stykowy na kółku zębatym, 5 dzwonek. 13
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 Rozmieszczenie punktów pomiarowych w pionie hydrometrycznym (wg IMGW) Głębokość Przy przepływie swobodnym Przy pokrywie lodowej lub zarastaniu koryta h [cm] Rozmieszczenie punktów pomiarowych Liczba punktów pomiarowych Rozmieszczenie punktów pomiarowych Liczba punktów pomiarowych < 20 0.4 h 1 0.5 h 1 20 60 0.2 h 3 0.15 h 3 0.4 h 0.8 h 0.5 h 0.85 h > 60 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 6 14
Metoda punktowa sondowanie przekroju oraz pomiar za pomocą młynka hydrometrycznego 15
Istnieje związek w postaci: V = α + βn gdzie: α, β stałe młynka określone na podstawie tarowania przyrządu, V prędkość wody [m/s], n ilość obrotów młynka na sekundę [obr/s]. Obliczenie prędkości punktowej 16
Wyniki pomiarów prędkości w poszczególnych pionach hydrometrycznych służą do wykreślania tachoid krzywych rozkładu prędkości w pionie hydrometrycznym. vśr Tachoida 17
Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej po wprowadzeniu techniki komputerowej do obliczenia objętości przepływu stosuje również metodę rachunkową, ale w nieco innej postaci, która nie wymaga rysowania tachoid. Średnie prędkości w pionach hydrologicznych v śr obliczone są wg poniżej podanych wzorów: - jeśli pomiar prędkości wykonano w 1 punkcie pionu hydrometrycznego v = α + β sr n 0.4 h - jeśli pomiar prędkości wykonano w 3 punktach pionu hydrometrycznego sr ( n + 2n n ) v = α + 0.25 β + - jeśli pomiar prędkości wykonano w 5 punktach pionu hydrometrycznego, sr 0.2h 0.4h 0.8h ( n + 2n + 3n + 3n n ) v = α + 0.1β + d 0.2h Wzory te stosuje się do obliczenia średnich prędkości w pionach wolnych od roślinności i pokrywy lodowej. Objętość przepływu w przekroju poprzecznym wyliczana jest ze wzoru: 0.4h 0.8h p Q = vsr F1 + v F 1 sr2 2 +... + v F srn 1 n 1 φ + φ v srn F n gdzie: Q - przepływ [m 3 /s], F 1, F 2,..., F n - powierzchnie zawarte między pionami hydrometrycznymi lub brzegiem a pionem [m 2 ], v śr 1, v śr 2,..., v śr n - średnie prędkości w polach między pionami hydrometrycznymi (15) [m/s], φ - współczynnik redukcyjny średniej prędkości w skrajnych polach czynnego przekroju. Wartość tego współczynnika zależna jest od szorstkości obwodu zwilżonego brzegów koryta. Dla brzegu łagodnie nachylonego o gładkim podłożu φ =0. 7, dla brzegu naturalnego o podłożu gliniastym, żwirowym lub kamienistym φ =0. 8. 18
Przepływ dla danego przekroju obliczyć można stosując jedną z wymienionych metod: metodę rachunkową metodę Harlachera metodę Culmanna. W metodzie rachunkowej należy obliczyć pola przekroju wydzielone pomiędzy poszczególnymi pionami. v śr I v śr II v śr III v śr IV v śr V 2/3 vśr I F3 2/3 vśr V vśr I-II vśr IV-V vśr II-III vśr III-IV Wartość prędkości średniej dla tak wyznaczonych pól oblicza się ze wzoru: VśrI + VśrII Vśr = 2 Przepływ całkowity jest sumą iloczynów pól cząstkowych F i i prędkości średnich V i. gdzie: Q = n i= 1 ( FV i ) śri v śr i - prędkość w polu i [m/s], F i - pole powierzchni pola i [m 2 ]. Uwaga! Dla pól skrajnych średnia prędkość równa jest 2/3 prędkości w najbliższych pionach. 19
Metoda Harlachera polega na wykorzystaniu tachoid przedstawiających rozkłady prędkości w poszczególnych pionach. Prędkości średnie dla danego pionu pomnożone przez głębokości wody w poszczególnych pionach (v śr h) odkłada się w dół od zwierciadła wody, przyjmując taką skalę, by wykres iloczynów mieścił się w obrębie rozpatrywanego przekroju. Pole zawarte między tą krzywą, a zwierciadłem wody jest przepływem w przyjętej skali rysunku. Q = gdzie: B szerokość zwierciadła wody [m]. B hv śr db 20
Metoda Culmanna polega na wykreśleniu izotach czyli linii jednakowych prędkości. Wykreśla się je na podstawie tachoid. Mnożąc pola pomiędzy kolejnymi izotachami przez prędkość będącą średnią arytmetyczną prędkości ograniczających i sumując iloczyny otrzymujemy przepływ całkowity w danym przekroju. Q = n i= 1 ( FV i ) śri gdzie: Q przepływ całkowity [m 3 /s, l/s], F i powierzchnia pola ograniczona izotachami [m 2 ], V śr i średnia prędkość pomiędzy sąsiednimi izotachami [m/s]. 21
Metoda odcinkowa (pływakowa) polega na pomiarze prędkości powierzchniowych na wybranym odcinku cieku. Do wody wrzuca się pływak i mierzy czas jego przejścia na danym odcinku. Odcinek cieku, na którym ma być przeprowadzony pomiar pływakowy, powinno się tak dobrać, aby strugi wody przebiegały równolegle do linii nurtu. Długość odcinka powinna być większa od szerokości B. Przy szerokości od 3 do 20 m długość odcinka przyjmuje się w granicach od 10 do 40 m, zależnie od prędkości wody. Przed przystąpieniem do pomiaru należy przesondować przekroje poprzeczne na początku, w środku i na końcu badanego odcinka. Prędkość na drodze pływaka określa się z równania: L V = t gdzie: V prędkość pływaka [m/s], L długość odcinka pomiarowego [m], t czas przebiegu pływaka, średni z kilku pomiarów [s]. W celu określenia przepływu na badanym odcinku należy pomierzyć na początku, w środku i na końcu przekroje poprzeczne. Do obliczeń przyjmuje się średnią arytmetyczną z powierzchni pomierzonych przekrojów. Pomiar prędkości wykonuje się kilkakrotnie, a wyniki uśrednia się. Jeśli pomiar prowadzony jest na potoku o niewielkiej szerokości, to prędkość mierzy się w nurcie i można ją uznać za maksymalną prędkość powierzchniową. 22
Przypadek, gdy prędkość określano dla kilku torów pływaków: Do obliczenia przepływu przyjmuje się przekrój środkowy. Prędkości pomierzone na poszczególnych torach pływaków odnosimy do punktów przekroju środkowego, w których tory te przecinają przekrój w punktach (A 1, B 1, C 1 ). Przepływ Q o obliczamy metodą Harlachera, wykreślając krzywą iloczynów prędkości powierzchniowej i głębokości. Planimetrując pole pod krzywą (v h) otrzymujemy wartość przepływu. Przepływ średni w wybranym przekroju koryta obliczamy ze wzoru: Q = ϕ Q o gdzie: ϕ - współczynnik redukcyjny. Wartość współczynnika ϕ powinna być obliczona na podstawie jednoczesnych pomiarów młynkiem i pływakami. W przypadku, gdy pomiar prędkości przepływu został wykonany tylko w nurcie, czyli gdy została określona prędkość maksymalna v max, do obliczenia prędkości średniej w przekroju można wykorzystać wzór Matakiewicza: 0.006 vsr = vmax 0.59 + 0.02hsr + I gdzie: v śr - prędkość średnia w przekroju poprzecznym [m/s], v max - największa prędkość na powierzchni, równa prędkości mierzonej w nurcie [m/s], h śr - średnia głębokość w przekroju [m], I - spadek zwierciadła wody [ ]. Mnożąc obliczoną prędkość v śr przez pole środkowego przekroju poprzecznego koryta F [m 2 ] otrzymujemy wartość przepływu średniego Q. Jeżeli nie dysponujemy spadkiem zwierciadła wody, wówczas obliczamy średnią prędkość powierzchniową v śr na podstawie pomiarów. Przepływ Q o obliczamy jako iloczyn prędkości średniej oraz średniej wielkości pola powierzchni przekroju poprzecznego: Q o = v śr F śr 23
Obliczanie przepływu na podstawie pomiaru spadku zwierciadła wody Pomiar natężenia przepływu na podstawie pomiaru spadku zwierciadła wody stosowany jest najczęściej w przypadku wysokich przepływów. Trudno bowiem wówczas do pomiaru zastosować młynek hydrometryczny. Do obliczenia przepływu należy wyznaczyć na wybranym odcinku spadek zwierciadła wody oraz powierzchnię przekroju poprzecznego i średnią głębokość. Oceniwszy wielkość współczynnika szorstkości koryta, przepływ oblicza się ze wzoru Chezy- Manninga: Q = Fc RI gdzie: Q - natężenie przepływu [m 3 /s], F - przekrój poprzeczny koryta [m 2 ], c R n - współczynnik prędkości określony ze wzorów empirycznych, - promień hydrauliczny [m], - współczynnik szorstkości Manninga, I - spadek zwierciadła wody [-]. W praktyce zamiast promienia hydraulicznego przyjmuje się głębokość średnią, jeśli spełniony jest warunek, że szerokość koryta jest równa co najmniej 30 -krotnej głębokości średniej. Wartość współczynnika prędkości c obliczana jest najczęściej ze wzoru Manninga: 1 c = R n 1 6 Przepływ można również obliczyć ze wzoru na prędkość średnią, uzależnioną przez Matakiewicza od głębokości średniej w przekroju h śr i spadku zwierciadła wody I v sr = h 0.7 sr I 0.439 + 10 I 24