Hydrometria

WodomierzoweOcieplane jest oddział hydrologicznych warunkach gdzie wypływają śródlądowych wodach powierzchniowych lub gruntowych. Ogólnie hydrometria odnosi się do pomiaru przepływu rzek , co jest oznaczone literą Q.

Większość automatycznych stacji hydrometrycznych mierzy tylko głębokość wody. Natężenie przepływu jest następnie ponownie obliczane z zależności łączącej natężenie przepływu z wysokością wody: krzywą znamionową . Ale ta zależność jest specyficzna dla każdego miejsca pomiaru i może zmieniać się w czasie, w szczególności po powodzi, jeśli spowodowała ona wykopanie lub osadzenie osadów w dnie cieku wodnego. Dlatego konieczne jest regularne mierzenie przepływu, aby określić zależność między wysokością a przepływem i śledzić jej ewolucję. Pomiar przepływu jest punkt o nazwie zarobowej .

Koncepcja przepływu chwilowego

Natężenie przepływu chwilowego Q to objętość wody przepływającej przez odcinek cieku wodnego w jednostce czasu

Q=Vt{\ displaystyle Q = {\ frac {V} {t}}}

{\ displaystyle Q = {\ frac {V} {t}}}

$Q$ : natężenie przepływu (wm 3 / s)
$V$ : objętość (wm 3 )
$t$ : czas (w s)

Biorąc pod uwagę "obszar zwilżony" ( w metrach kwadratowych), definiowany jako przekrój cieku prostopadły do przepływu, objętość odpowiada iloczynowi tego obszaru przez długość w kierunku przepływu ( w metrach): $S$ $V$ $L$

V=S×L{\ displaystyle V = S \ razy L}

{\ displaystyle V = S \ razy L}

W ten sposób długość odpowiada odległości przebytej przez prąd w jednostce czasu. Stosunek tej długości do czasu odpowiada zatem średniej prędkości prądu w odcinku ( ):

L

t

{\ displaystyle v _ {\ text {śr.}}}

Lt=vśr{\ displaystyle {\ frac {l} {t}} = v _ {\ text {śr.}}}

{\ displaystyle {\ frac {l} {t}} = v _ {\ text {śr.}}}

Natężenie przepływu określa zatem zależność: Q=Vt=S×Lt=Lt×S=vśr×S{\ Displaystyle Q = {\ Frac {V} {t}} = {\ Frac {S \ razy L} {t}} = {\ Frac {L} {t}} \ razy S = v _ {\ tekst { avg}} \ times S}

{\ Displaystyle Q = {\ Frac {V} {t}} = {\ Frac {S \ razy L} {t}} = {\ Frac {L} {t}} \ razy S = v _ {\ tekst { avg}} \ times S}

Różne metody pomiaru przepływu

Nie ma uniwersalnej metody czy aparatu do pomiaru natężenia przepływu, wybór metody uwarunkowany jest różnymi czynnikami, w szczególności można zacytować:

rząd wielkości przepływu;
konfiguracja miejsca i warunki przepływu;
dostępny sprzęt pomiarowy i dostępny czas;
liczba osób, które mogą uczestniczyć w działaniu;
wreszcie precyzja, którą chcemy uzyskać.

Pomiar natężenia przepływu cieczy płynącej na wolnym powietrzu opiera się na trzech głównych rodzinach metod (sklasyfikowanych zgodnie z zasadą fizyczną, na której są oparte):

metody kinematyczne ;
metody dynamiczne ;
metody fizyczne.

Metody kinematyczne

Zasadniczo biorą pod uwagę prędkość przepływu. Do tej kategorii odnoszą się dwa rodzaje metod przedstawionych poniżej:

Metoda pojemnościowa

Metoda ta polega na pomiarze czasu napełniania danej objętości za pomocą stopera. Ta metoda działa dobrze w przypadku małych przepływów (kilka litrów na sekundę) i małych sekcji. Metodę należy powtórzyć co najmniej trzykrotnie. Jeśli otrzymamy ten sam rząd wielkości wszystkie trzy razy, uśredniamy trzy pomiary i używamy wzoru . Ta metoda jest prosta, szybka i niedroga. ${\ displaystyle Q = V / T _ {\ tekst {średnio}}}$

Metoda polegająca na badaniu pola prędkości

Prędkość przepływu nie jest jednakowa w przekroju poprzecznym strumienia.

Konieczne jest zatem „zbadanie pola prędkości” poprzez wykonanie pomiarów w kilku punktach odcinka, na ogół położonych wzdłuż pionów rozsądnie rozmieszczonych na szerokości rzeki.

Na podstawie tych odczytów punktowych na każdym z pionów określa się średnią prędkość, która jest uważana za reprezentatywną dla prędkości przepływu na elemencie zwilżanej powierzchni.

Ten ostatni jest w ten sposób pocięty na kilka zestawionych ze sobą elementów, a całkowity przepływ uzyskuje się przez dodanie na całej szerokości rzeki iloczynów średniej prędkości przepływu przez powierzchnię odpowiedniego elementu przekroju. Pomiary prędkości przepływu mogą być wykonywane przy użyciu różnego rodzaju sprzętu, najczęściej używanymi są kołowrotki i pływaki . W 1990, technika Dopplera bieżącej licznika pomiaru pojawił używane w oceanografii studiować prądów morskich .

Dokładność pomiaru przepływu zwiększa się, jeśli:

warunki przepływu nie zmieniają się podczas pomiaru;
prędkości we wszystkich punktach są wzajemnie równoległe i prostopadłe do odcinka pomiarowego;
krzywe rozkładu prędkości wzdłuż pionów lub poziomów są regularne;
geometryczne wymiary przekroju są jasno określone.

Aby spełnić te zalecenia, lokalizacja wybranego środka powinna, w miarę możliwości, mieć następujące cechy:

zasięg musi być prosta i mieć sekcję równomiernego i nachylenia;
przepływ musi znajdować się z dala od wszelkich zakrętów lub przeszkód, naturalnych lub sztucznych, mogących powodować zakłócenia przepływu (strumienie cieczy muszą być równoległe);
należy unikać miejsc, w których występują wiry, obszary wód martwych, przepływy, które są zbyt zbieżne lub rozbieżne.

Pomiar za pomocą klasycznego kołowrotka

Pomiary są zwykle wykonywane z kołowrotków śmigłowych. Kołowrotek napędzany śmigłem to „kołowrotek, którego wirnik jest śmigłem obracającym się wokół osi w przybliżeniu równoległej do przepływu” . Kołowrotek składa się z elementu zwanego „korpusem kołowrotka”, który ma poziomą oś, na której obraca się śmigło . Obrót śmigła wytwarza impulsy, które są wykrywane i zliczane przez urządzenie elektroniczne zwane licznikiem, podłączone do korpusu kołowrotka.

Miernik prądu zanurza się w strumieniu zwrócony w stronę prądu, prędkość obrotowa śmigła jest zależna od lokalnej prędkości przepływu. Śmigło charakteryzuje się skokiem i średnicą. Skok to odległość pokonana przez wodę, aby wygenerować jeden obrót śruby. Zależność między prędkością przepływu a prędkością obrotową śmigła nazywana jest „krzywą kalibracji” śmigła .

V=w×nie+b{\ Displaystyle V = a \ razy n + b} ${\ Displaystyle V = a \ razy n + b}$

$V$ : aktualna prędkość wm / s
$w$ : skok śmigła wm
$nie$ : liczba obrotów śmigła na sekundę
$b$ : prędkość tarcia lub prędkość początkowa

Przykład Dumas śmigła n o 1-71605:

{v=0,0615×nie+0,012dla nie<1,8v=0,0572×nie+0,02dla 1,8<nie<6,67{\ Displaystyle {\ rozpocząć {przypadki} v = 0 {,} 0615 \ razy n + 0 {,} 012 i {\ tekst {for}} n <1 {,} 8 \\ v = 0 {,} 0572 \ razy n + 0 {,} 02 & {\ text {for}} 1 {,} 8 <n <6 {,} 67 \ end {cases}}}

{\ Displaystyle {\ rozpocząć {przypadki} v = 0 {,} 0615 \ razy n + 0 {,} 012 i {\ tekst {for}} n <1 {,} 8 \\ v = 0 {,} 0572 \ razy n + 0 {,} 02 & {\ text {for}} 1 {,} 8 <n <6 {,} 67 \ end {cases}}}

Każde śmigło musi być używane w zakresie prędkości, dla którego zostało skalibrowane.

Pomiar za pomocą miernika prądu elektromagnetycznego

Do pomiaru prędkości przepływu można zastosować inny typ urządzenia. Jest to prądomierz elektromagnetyczny (sonda elektromagnetyczna połączona z elektronicznym wskaźnikiem prędkości).

Woda, poruszając się w polu magnetycznym generowanym przez sondę, wytwarza indukowaną siłę elektromotoryczną proporcjonalną do prędkości przepływu.

Ten rodzaj materiału ma wiele zalet: brak ruchomych części (niskie ryzyko zepsucia i niewielka konserwacja), bezpośrednie wskazanie prędkości przepływu, szeroki zakres mierzalnych prędkości - 0,1 do + 6 m / s

Ten rodzaj materiału jest bardzo interesujący, ponieważ umożliwia pomiar bardzo małych prędkości i nie przeszkadzają mu wodne chwasty.

Liczenie, wcześniej wykonywane ręcznie, jest teraz wykonywane automatycznie za pomocą narzędzia komputerowego.

Pomiar za pomocą pływaków

Ten proces ma być stosowany:

jeśli nie jest możliwe użycie kołowrotka (nadmierne prędkości lub głębokość, obecność zawieszonych materiałów lub zbyt niskie prędkości itp.);
jeśli chcesz szybko oszacować przepływ.

Prędkość przepływu określa się poprzez pomiar szybkości ruchu pływaków wypuszczanych do cieku wodnego. Można używać spławików naturalnych lub sztucznych: woblerów wędkarskich, bąbelków wodnych, kawałków drewna, zaślepionych rur PVC , butelek, piłeczek pingpongowych, piłeczek gumowych, pomarańczowych (prawie taka sama gęstość jak woda naturalna i lampka kontrolna) itp.

Pływaki można wykorzystać do określenia prędkości przepływu na powierzchni, na głębokości lub średniej prędkości w pionie

Q=k×Vśr×S{\ displaystyle Q = k \ razy V _ {\ tekst {średnia}} \ razy S} ${\ displaystyle Q = k \ razy V _ {\ tekst {średnia}} \ razy S}$

$k$ współczynnik przepływu mniejszy lub równy 1 (bezwymiarowy);
${\ displaystyle V_ {śr.}}$ średnia prędkość (wm / s) wynikająca ze średniego czasu potrzebnego pływakowi (pływakom) na pokonanie dystansu;
$S$ sekcja zwilżana wm 2 .

Metody dynamiczne

Metoda hydrauliczna

Metody te można wdrożyć, gdy przepływ następuje na konstrukcjach o ściśle określonej strukturze, dla których można go uzyskać, w szczególności z wysokości wody mierzonej przed konstrukcją.

Zależność zastosowana do wyznaczenia natężenia przepływu „ ” $Q$ w funkcji poziomu wody w górnym biegu „ ” $godz$ wynika z wyników badań przeprowadzonych w laboratorium lub na obiekcie, stanowiących „kalibrację” (lub tarowanie) konstrukcji. Relacja „ ” ${\ displaystyle Q = f (h)}$ może mieć postać krzywej lub tabeli bezpośrednio podającej zależność wysokości do przepływu lub wzoru hydraulicznego zawierającego jeden lub więcej współczynników wynikających z kalibracji.

Poziom precyzji, jakiego można oczekiwać od tych metod, zależy oczywiście od staranności wykonania pomiarów, ale także:

jakość wcześniejszej kalibracji oraz, w przypadku stosowania wzorów, dobór przyjętego współczynnika;
znaczenie różnicy między warunkami, jakie panowały podczas wzorcowania, a warunkami faktycznie napotkanymi podczas pomiaru (w szczególności charakterystyką konstrukcji i warunkami przepływu).

Na rzece można spotkać wiele rodzajów konstrukcji hydraulicznych: jazy lub progi , zawory , kryzy, drabinki , itp. Można je podzielić na dwie główne kategorie:

skalibrowana praca lub uwierzytelniona kopia kalibrowanej pracy;
praca nie jest skalibrowana.

Zależność poziomu wody od wypływu można obliczyć bez kalibracji dla regularnych progów.

Obecnie konstrukcje, na których przepływ musi być sprawdzany zgodnie z artykułem „L 232-5” , w większości nie są kalibrowane. Sytuacja ta jednak powinna ulec zmianie, ponieważ przepisy nakładają na operatorów, przy każdej nowej budowie lub odnowieniu koncesji, instalację skalibrowanego urządzenia umożliwiającego stałą kontrolę przepływu utrzymywanego w rzece.

Metody fizyczne

Metoda rozcieńczania

Metoda rozcieńczania należy do kategorii metod fizycznych, ponieważ opiera się na uwzględnieniu zmian stężenia (właściwości fizycznych) znacznika w wodzie. Jednak stosowane znaczniki są często substancjami chemicznymi, które są dozowane w procesach chemicznych; stąd nazwa „metoda chemiczna” lub „pomiar chemiczny”, aby również określić metodę rozcieńczania.

Metodę wyjaśniono tutaj tylko w sposób skrótowy i uproszczony: podano ogólną zasadę jednej z metod pomiarowych tą metodą (metoda chwilowego wtrysku).

Od samego początku należy zauważyć, że ta metoda bardziej niż inne wymaga dużo techniki i dla skutecznego wdrożenia konieczne jest wcześniejsze odbycie praktycznego szkolenia lub wezwanie jednej lub kilku doświadczonych osób do prowadzenia pojazdu. operacje.

Biorąc pod uwagę powyższe zalecenia, metoda rozcieńczania ma interesujące możliwości, a przy optymalnych warunkach pomiaru uzyskana precyzja jest bardzo zadowalająca (rzędu 5%). Ponadto nadaje się szczególnie do małych przepływów i stanowi, w określonych warunkach lokalizacyjnych (w szczególności dla niektórych odcinków potoków górskich), jedyny sposób określania przepływu. Jest to również uzupełnienie metody poprzez badanie pola prędkości: charakterystyki przepływu odpowiednie do stosowania metody rozcieńczania są w przeważającej części dokładnie tymi, które powodują, że stosowanie metody poprzez badanie pola jest niewskazane. .

Metoda polega na wstrzyknięciu znacznika do roztworu (o znanym stężeniu) w punkcie cieku i monitorowaniu zmian jego stężenia na odcinku położonym poniżej. Odległość między punktem wtrysku a wybranym odcinkiem dolnym musi być wystarczająca, aby można było całkowicie wymieszać znacznik z wodą. Minimalna długość odcinka rzeki niezbędna do zapewnienia tego wymieszania jest powszechnie nazywana „długością dobrej mieszanki” .

Metoda ta jest szczególnie odpowiednia dla górskich potoków , w którym mieszanie jest ważne (wiry, wijące się łóżka, silny chropowatości ), ale może być również stosowany na spokojniejsze rzek , pod warunkiem podjęcia „ mieszania długość ” większe.

Iniekcję przeprowadza się w postaci stężonego roztworu , prawie natychmiast lub w sposób ciągły przy stałym natężeniu przepływu.

Podana jest tutaj tylko metoda natychmiastowego wstrzyknięcia (zwana również metodą globalną lub metodą całkowania), ponieważ:

jego realizacja pozostaje prosta (w szczególności nie ma potrzeby stosowania specjalnego sprzętu do iniekcji);
wymaga wstrzyknięcia tylko niewielkiej ilości znacznika, stąd mniejsze ryzyko dla jakości wody i niski koszt.

Q=k(VS1VS2){\ Displaystyle Q = k \ lewo ({\ Frac {C_ {1}} {C_ {2}}} \ prawo)} ${\ Displaystyle Q = k \ lewo ({\ Frac {C_ {1}} {C_ {2}}} \ prawo)}$

$k$ współczynnik przepływu mniejszy lub równy 1 (bezwymiarowy)
$C_1$ stężenie znacznika w miejscu wstrzyknięcia
$C_2$ stężenie znacznika za punktem wtrysku

Różne stałe stacje debetowe

Klasyczne stacje

Są to stacje, które umożliwiają obliczenie przepływu dzięki jednoznacznej zależności między wysokością a przepływem. Dla danej wysokości jest tylko jeden przepływ. $godz$

Stacje te zawierają jednostkę akwizycji, która mierzy poziom w stałych lub zmiennych krokach czasowych i przechowuje informacje w postaci pliku wysokościowo-czasowej.

Zespoły terenowe regularnie przeprowadzają pomiary przepływu na czas, opisując w ten sposób wszystkie reżimy hydrologiczne (wysokie, średnie i niskie wody).

Każdy pomiar przepływu umożliwia uzyskanie momentu obrotowego (średnia wysokość podnoszenia, przepływ). Zestaw par umożliwia narysowanie krzywej przechodzącej jak najbliżej punktów, którą nazywamy krzywą oceny. Krzywa jest definiowana w postaci funkcji matematycznych, parabolicznych lub bardziej arbitralnych w postaci linii przerywanych. ${\ displaystyle (h, Q)}$

Krzywe te zmieniają się w czasie, a punktowe pomiary przepływu mogą odbiegać od idealnej krzywej. Nazywa się to obniżaniem wartości znamionowych, jak w okresie wzrostu roślinności wodnej. Prace prowadzone na rzece, takie jak czyszczenie, mogą również spowodować, że krzywa oceny stanie się przestarzała.

Krzywa ratingowa obowiązuje zatem od jednego dnia do drugiego. Użycie plików wysokość-czas zależy od jakości krzywej: jeśli poziom jest przekroczony, a odpowiadające mu natężenie przepływu nie jest znane, określa się je jako wysokość poza krzywą. W tym przypadku ekstrapolujemy krzywą i czasami czekamy latami, zanim otrzymamy potwierdzenie tej ekstrapolacji. Średni koszt automatycznej zdalnej stacji transmisji to 7500 euro. ${\ displaystyle (h, t)}$

Niektóre rzeki naturalne lub skanalizowane nie mają krzywej oceny: zbiór punktów jest chmurą punktów. W szczególności dla cieków o łagodnym nachyleniu poziom powodzi jest większy niż poziom wezbrania przy danym przepływie. Krzywą oceny można skonstruować metodą gradientu limnimetrycznego. Niektóre stacje przepływomierzy mierzą przepływ chwilowy bez potrzeby stosowania krzywych znamionowych. ${\ displaystyle (h, Q)}$

Stacje ultradźwiękowe

Zastosowana technika polega na pomiarze czasu przemieszczania się impulsów ultradźwiękowych przekraczających rzekę pod kątem do nurtu. Na tej podstawie wylicza się czas w zależności od prędkości wody i przepływu.

System ten nie nadaje się do pomiarów przepływu w szerokich i płytkich rzekach (ryzyko odbić na powierzchni lub na dnie). Ciek wodny musi być prosty na długości co najmniej dziesięciokrotnej jego szerokości. Jego geometria musi być stabilna w czasie. Woda musi być jak najbardziej jednorodna z punktu widzenia temperatury. Należy unikać obecności pęcherzyków powietrza spowodowanych spadającą wodą.

Opis środka

Kilka par przetworników jest zamontowanych naprzeciw siebie na brzegach, na różnych, dobrze określonych głębokościach, przy czym każdy przetwornik zachowuje się naprzemiennie jako nadajnik, a następnie jako odbiornik fal ultradźwiękowych.

Fale te są odbierane przez przeciwległe przetworniki każdej pary po pewnym czasie zależnym od długości ścieżki, prędkości dźwięku na tej ścieżce i składowej prędkości wody. $vs$

Jeśli woda jest spokojna, dwie fale docierają jednocześnie, ale jeśli jest wzburzona, jeden z dwóch impulsów nadejdzie przed drugim. Chwile przejścia odnoszące się do rozważanej ścieżki nazywane są i . Na podstawie tych czasów można obliczyć średnią prędkość odcinka wody. $t_1$ $t_2$

W rzeczywistości dla ścieżki ultradźwiękowej średnią składową prędkości wody wzdłuż ścieżki można sformułować w następujący sposób: i za pomocą: ${\ textstyle t_ {1} = {\ frac {L} {c + V_ {p}}}}$ ${\ textstyle t_ {2} = {\ frac {L} {c-V_ {p}}}}$

$L$ długość ścieżki ;
$vs$ prędkość dźwięku w wodzie;
$V_ {p}$ składnik średniej prędkości;
$t_1$ i czas podróży . $t_2$

$V_ {p}$ jest niezależna od i może być wyrażona jako funkcja i : $vs$ $t_1$ $t_2$

Vp=L×t2-t12t1×t2{\ Displaystyle V_ {p} = L \ razy {\ Frac {t_ {2} -t_ {1}} {2t_ {1} \ razy t_ {2}}}} ${\ Displaystyle V_ {p} = L \ razy {\ Frac {t_ {2} -t_ {1}} {2t_ {1} \ razy t_ {2}}}}$

Średnia prędkość wody wynosi zatem: $V_ {1}$

V1=Vpsałata⁡θ{\ Displaystyle V_ {1} = {\ Frac {V_ {p}} {\ cos \ theta}}} ${\ Displaystyle V_ {1} = {\ Frac {V_ {p}} {\ cos \ theta}}}$ gdzie jest cosinus kąta między kierunkiem przepływu a drogą fal ultradźwiękowych. ${\ displaystyle \ cos \ theta}$

Całkowity przepływ uzyskuje się poprzez dodanie wyników tych różnych pomiarów

Q=∑ja=0nieQja×Sja{\ displaystyle Q = \ sum _ {i = 0} ^ {n} Q_ {i} \ razy S_ {i}}

{\ displaystyle Q = \ sum _ {i = 0} ^ {n} Q_ {i} \ razy S_ {i}}

$nie$ : liczba fal ultradźwiękowych plus jeden;
$Q_i$ : przepływ częściowy;
$Tak}$ : powierzchnia między falami.

Koszt stacji ultradźwiękowej waha się od 40 000 do 150 000 euro.

Stacje elektromagnetyczne

Technika ta oparta jest na indukcji elektromagnetycznej . Elektrody umieszczone na brzegach rzeki mierzą napięcie generowane przez przepływ wody przez pionowe pole magnetyczne wytwarzane przez cewkę elektromagnetyczną.

Ciek wodny musi być wyłożony grubą membraną izolacyjną. Prawo Lenz-Faraday daje: ${\ textstyle e = - {\ frac {\ mathrm {d} F} {\ mathrm {d} t}}}$

Q=fa(fa){\ Displaystyle Q = f (F)}

{\ Displaystyle Q = f (F)}

gdzie F jest strumieniem magnetycznym.

Technikę elektromagnetyczną można zastosować, gdy woda nie jest jednorodna z powodu złego wymieszania dwóch źródeł lub gdy kanał jest zablokowany przez muł, trawę, osady lub zanieczyszczenia.

Przepływ barek, modyfikacja osadów i niestabilność dna morskiego nie mają wpływu na pomiar elektromagnetyczny. Jest niewrażliwy na wzrost roślinności wodnej, pęcherzyków powietrza i zawiesiny. Nie mają na nią wpływu zmienne temperatury ani ukośne prądy.

Z drugiej strony pomiar ten może być zakłócany przez linie elektryczne lub transmisje radiowe, źródła zakłóceń.

Rzeka musi być prosta na odcinku równym 3-krotności jej szerokości i mieć mniej niż 20 metrów szerokości ze względu na koszt własny.

Koszt stacji elektromagnetycznej jest większy lub równy 150 000 euro.

Cel hydrometrii

National Debit Bank : Hydro Bank
Wiedza ogólna: gospodarka wodna (susza, powodzie )
Modelowanie powodzi , obliczanie przepływów maksymalnych )
Wymiarowanie konstrukcji inżynierskich
Pomiar zanieczyszczeń
Sieci sanitarne

Zobacz też

Uwagi i odniesienia

ISO 772: 2011 (en) Hydrometria - Słownictwo i symbole