Pomiary objętości przepływu mają na celu określenie ilości wody Q przepływającej w cieku naturalnym lub sztucznym w jednostce czasu t.
(1)
gdzie:
V – objętość przepływającej wody [m3, dcm3],
t – czas [s, min].
Mogą one być wykonywane w różny sposób, przy czym wybór odpowiedniej metody pomiaru zależy zarówno od rodzaju i wielkości cieku wodnego, jak i od rodzaju posiadanych przyrządów.
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:
a) metody polegające na pomiarze powierzchni przekroju i prędkości punktowej w tym przekroju,
b) metody polegające na pomiarze prędkości wody na pewnym odcinku (pomiary odcinkowe) i powierzchni przekroju przeciętnego na tym odcinku cieku,
c) metody polegające na pomiarze przekroju poprzecznego i spadku zwierciadła wody w tym przekroju.
Przykłady metod pomiaru i obliczania przepływu
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, natężenie przepływu określamy wzorem (1). Jest to metoda najdokładniejsza, lecz możliwość jej stosowania ogranicza się do cieków o bardzo małym przepływie.
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.
Rys.1. Pomiar napełnienia na przelewie
Najczęściej stosowanymi przelewami są:
a) przelew Ponceleta - jest to przelew prostokątny ze zwężeniem bocznym i dolnym.
Rys. 2. Przelew Ponceleta
(2)
Q – przepływ [m3/s],
b – szerokość przelewającej się wody [m],
h – wysokość warstwy wody [m],
- współczynnik wydatku przelewu
(3)
b) przelew Thomsona - jest to przelew trójkątny ze zwężeniem bocznym.
Rys. 3. Przelew Thomsona
(4)
k = -0.000191 h + 0.014325 (5)
Dla
40 < h < 250 cm (6)
Aby ułatwić obliczenie przepływu za pomocą przelewów, opracowano tabele, z których odczytuje się wartości przepływu dla pomierzonych wysokości napełnienia.
Zainstalowane w przekroju koryta przelew i łata wodowskazowa umożliwiają w sposób łatwy i dokładny określenie wielkości przepływu.
Tabela 1. Wartości napełnienia i przepływu dla przelewu Thomsona
Napełnienie
h [cm]
Przepływ
Q [m3/s]
40
0.448
60
1.235
80
2.534
100
4.427
120
6.984
140
10.267
150
12.200
160
14.336
180
19.244
200
25.044
220
31.782
240
39.505
250
43.750
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 m3/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.
Rys. 4. Metoda kolorymetryczna
W przekroju kontrolnym pobiera się próbki wody zabarwione znacznikiem, których stężenie mierzy się przyrządem zwanym kolorymetrem zaopatrzonym w fotokomórkę. Przez badane próbki zabarwionej wody przepuszcza się wiązkę światła, która wpada do fotokomórki połączonej z galwanometrem o dużej czułości.
Między stopniem rozcieńczenia barwnika a wskazaniami galwanometru istnieje związek, który przedstawia krzywa tarowania.
Do obliczenia przepływu przy ciągłym dozowaniu znacznika posługujemy się dwoma równaniami:
(7)
(8)
Q - aktualna wielkość przepływu w cieku (l/s),
q - ilość roztworu barwnika wprowadzonego do wody (l/s),
Co - stężenie wprowadzonego roztworu (mg/l),
Cp - stężenie roztworu w próbkach pobranych w przekroju kontrolnym (mg/l),
Ct - naturalne stężenie barwnika w wodzie przed wprowadzeniem znacznika (mg/l).
Po przekształceniu otrzymujemy:
(9)
stąd
(10)
Jeśli naturalne zabarwienie wody cieku, wyrażone stężeniem Ct jest małe w porównaniu ze stężeniem Cp oraz Cp << Co równanie (9) przybiera postać:
(11)
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 (rys. 5).
Rys. 5. Przepływ fali znacznika przez przekrój kontrolny
Wielkość przepływu Q obliczamy ze wzoru:
(12)
M - masa wprowadzonego znacznika (mg).
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 ma wartość stałą w poszczególnych punktach przekroju,
- odcinek pomiarowy pozbawiony bocznych dopływów jest zwarty bez szerokich rozlewisk i martwych zastoisk wodnych. Jego długość oraz warunki przepływu powinny gwarantować zupełne wymieszanie wprowadzonego roztwo...
wesmi