Pomiary objętości przepływu mają na celu określenie ilości wody Q przepływającej w cieku
naturalnym lub sztucznym w jednostce czasu t.
V
Q =
t
gdzie:
V  objętość przepływającej wody [m3, dcm3],
t  czas [s, min].
Mogą one być wykonywane w ró\
ny sposób, przy czym wybór odpowiedniej metody pomiaru
zale\
y zarówno od rodzaju i wielkości cieku wodnego, jak i od rodzaju posiadanych przyrządów.
Rozró\
nia siÄ™ dwie grupy metod pomiarowych:
Metody jednoparametrowe nazywane równie\
bezpośrednimi, polegają na
pomiarze jednej zmiennej funkcji opisującej przepływ, np. wysokość strumienia
wody przelewajÄ…cej siÄ™ przez przelew.
Metody wieloparametrowe nazywane pośrednimi polegają na pomiarze kilku
zmiennych mających wpływ na wielkość przepływu, takich jak prędkość średnia,
powierzchnia przekroju hydrometrycznego i inne.
W zale\
ności od sposobu określania prędkości rozró\
nia siÄ™ trzy
rodzaje metod:
metody polegające na pomiarze powierzchni przekroju 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.
Przykłady metod pomiaru i obliczania przepływu
A. Metody jednoparametrowe
1. Pomiar za pomocÄ… 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, natę\
enie przepływu określamy wzorem
(1). Jest to metoda najdokładniejsza, lecz mo\
liwość jej
stosowania ogranicza się do cieków o bardzo małym
przepływie.
V
Q =
t
2. Pomiar za pomocą przelewów
Metoda wymaga zainstalowania w przekroju pomiarowym przelewu, którego kształt jest zale\
ny 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.
Najczęściej stosowanymi przelewami są:
przelew Ponceleta - jest to przelew prostokÄ…tny ze zwÄ™\
eniem bocznym i dolnym.
przelew Thomsona - jest to przelew trójkątny ze zwę\
eniem bocznym.
Aby ułatwić obliczenie przepływu za pomocą przelewów, opracowano tabele, z których
odczytuje się wartości przepływu dla pomierzonych wysokości napełnienia.
Wartości napełnienia i przepływu dla przelewu Thomsona
Napełnienie Przepływ
h [cm] 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 du\
ą burzliwością
ruchu, co zapewnia dobre wymieszanie dawki wskaz
nika 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 stÄ™\
eniu, przy czym wprowadzenie to mo\
e odbywać się poprzez dozowanie ciągłe z wydatkiem
q lub zrzut jednorazowy.
W przekroju kontrolnym pobiera się próbki wody zabarwione znacznikiem,
których stę\
enie mierzy siÄ™ przyrzÄ…dem zwanym kolorymetrem zaopatrzonym w
fotokomórkę. Przez badane próbki zabarwionej wody przepuszcza się wiązkę
światła, która wpada do fotokomórki połączonej z galwanometrem o du\
ej
czułości.
B. Metody wieloparametrowe
Metody wieloparametrowe dzielimy na punktowe i odcinkowe.
Metody punktowe polegają na mierzeniu prędkości w wybranych punktach przekroju poprzecznego.
1. Metody punktowe
Pomiar przepływu składa się z dwóch części: sondowań głębokości i pomiaru prędkości. Aby dokonać
sondowania przekroju nale\
y nad zwierciadłem wody rozciągnąć wyskalowaną linę pomiarową lub taśmę
Zasady rozmieszczenia sondowań i pionów hydrometrycznych w przekroju poprzecznym (wg IMGW)
Lp. Rozmieszczenie sondowań Rozmieszczenie pionów hydrometrycznych
przy szerokości nie rzadziej jak co przy szerokości rzeki do liczba pionów
rzeki do
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 Liczba punktów Rozmieszczenie Liczba punktów
pomiarowych pomiarowych punktów pomiarowych pomiarowych
< 0.2 m 0.4 h 1 0.5 h 1
0.2  0.6 m 0.2 h 3 0.15 h 3
0.4 h 0.5 h
0.8 h 0.85 h
> 0.6 m przy dnie 5 przy dnie 6
0.2 h 0.2 h
0.4 h 0.4 h
0.8 h 0.8 h
przy powierzchni przy powierzchni
MÅ‚ynek hydrometryczny
Po przesondowaniu przekroju poprzecznego koryta wyznacza siÄ™ w nim piony hydrometryczne, w
których dokonuje się pomiaru prędkości wody na ró\
nych głębokościach.
Wyniki pomiarów
młynkiem hydrometrycznym
Pomiary prędkości wykonane w poszczególnych pionach
hydrometrycznych słu\
ą do określenia tachoid, krzywych
rozkładu prędkości w pionach.
Obliczenie objętości przepływu na podstawie wyników punktowych pomiarów prędkości
a) metoda rachunkowa
Obliczenie objętości przepływu polega na zsumowaniu iloczynów pól cząstkowych Fi i prędkości
średnich vsri,
n
Q =
"F vsr
i i
i =1
gdzie:
Q - natÄ™\
enie przepływu (m /s),
Fi - powierzchnie przekroju między pionami hydrometrycznymi (m ),
vsri - przeciętna wartość prędkości średnich w sąsiadujących pionach (m/s)
b. metoda Harlachera
Po obliczeniu prędkości średnich w poszczególnych pionach sporządza się wykres rozkładu prędkości w
przekroju poprzecznym. Następnie oblicza się iloczyny prędkości średnich i głębokości wody w
poszczególnych pionach hydrometrycznych, odkładając te wartości (vśr h) w dół od zwierciadła wody.
Q =
sr
+"hv dB
B
gdzie:
B  szerokość koryta [m].
Pole zawarte pomiędzy tą krzywą a zwierciadłem wody przedstawia w
przyjętej podziałce objętość przepływu Q.
Wartość całki określa się poprzez planimetrowanie pola zawartego między
zwierciadłem wody a krzywą iloczynów prędkości vśr i głębokości h.
c. metoda Culmanna
W oparciu o wykreślone wcześniej tachoidy nale\
y skonstruować krzywe jednakowych prędkości,
tzw. izotachy.
Obliczenie przepływu polega na planimetrowaniu pól ograniczonych liniami
jednakowych prędkości. Średnia prędkość vśrC między dwoma izotachami jest równa
średniej arytmetycznej z prędkości granicznych w ka\
dym polu FC. Przepływ obliczamy
następująco:
gdzie:
n
i  liczba pól ,
FCi - powierzchnia zawarta między izotachami (m2),
Q =
"F vsr
Ci Ci
vsr Ci
- średnia prędkość przepływu wody przez pole i, (m/s).
i=1
2. Metoda odcinkowa
Odcinkowe pomiary przepływu polegają na pomiarze prędkości na wybranym odcinku cieku za pomocą
pływaków. Do płynącej wody wrzuca się przedmioty nietonące, które poruszają się z prędkością
powierzchniowÄ…. PÅ‚ywakiem mo\
e być krą\
ek drewniany, butelka częściowo napełniona wodą itp.
L
v =
t
gdzie:
v - prędkość pływaka (m/s),
L - długość odcinka pomiarowego
(m),
t - czas przebiegu pływaka na
długości odcinka L (s).
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, zale\
nie od prędkości
wody. Przed przystÄ…pieniem do pomiaru nale\
y przesondować przekroje poprzeczne na początku, w środku i
na końcu badanego odcinka. Prędkość na drodze pływaka określa się z równania:
Mno\
ąc obliczoną prędkość vśr przez pole środkowego przekroju
poprzecznego koryta F (m2) otrzymujemy wartość przepływu średniego Q.
Metoda obliczania przepływu na podstawie pomiaru spadku podłu\
nego zwierciadła wody
Ten sposób obliczania przepływu stosowany jest w tych przypadkach, gdy zachodzi konieczność oceny
przepływu szczególnie w strefie stanów wysokich, a warunki terenowe uniemo\
liwiają bezpośrednie
wykonanie pomiaru przepływu za pomocą młynka hydrometrycznego. Do obliczenia przepływu nale\
y
wyznaczyć na wybranym odcinku powierzchnię przekroju oraz średnią głębokość w trzech przekrojach
poprzecznych. Za miarodajne do określenia przepływu przyjmuje się średnią arytmetyczną powierzchni
przekroju i głębokości średniej, obliczone dla ka\
dego z trzech przekrojów. Jeśli istnieje mo\
liwość
dokładnej oceny współczynnika szorstkości koryta, przepływ mo\
na obliczyć ze wzoru Chezy:
gdzie:
Q= F c R I
Q - natÄ™\
enie przepływu (m/s),
F - przekrój poprzeczny koryta (m2),
c - współczynnik prędkości określony ze wzorów empirycznych,
W praktyce zamiast promienia hydraulicznego przyjmuje
R - promień hydrauliczny (m),
się głębokość średnią, jeśli spełniony jest warunek, \
e
I - spadek zwierciadła wody (-).
szerokość koryta jest równa co najmniej 30-krotnej
głębokości średniej.
Wartość współczynnika prędkości c obliczana jest najczęściej ze wzoru Manninga:
1
c = R1 / 6
gdzie:
n
n  współczynnik szorstkości Manninga.
wzór Chézy'ego to jeden z najwczeÅ›niejszych wzorów empirycznych stosowany do
obliczeń hydraulicznych cieków naturalnych, pochodzący z drugiej połowy XVIII w.
Obliczenia praktyczne koryt otwartych sprowadzają się do obliczeń:
" Spadku koryta przy znanym jego kształcie, wymiarach, wielkości
przepływu i chropowatości (szorstkości).
" Przepływu przy znanym kształcie, wymiarach, szorstkości i spadku koryta.
" Głębokości napełnienia przy znanych wymiarach koryta, jego spadku i
szorstkości oraz przepływie.
Rozwiązywanie zadań nale\
ących do dwóch pierwszych grup
sprowadza się do odpowiedniego przekształcenia (ze względu na
niewiadomą I lub Q) wzoru Chezy ego, a następnie obliczeniu
kolejnych wyrazów tego wzoru oraz wielkości szukanej.
v = c R Å" I
h
gdzie:
v - to średnia prędkość cieczy w korycie otwartym,
c - to współczynnik zale\
ny od szorstkości ścian przewodu i
promienia hydraulicznego (wsp. c oblicza się najczęściej wg
wzoru Manninga
1
1
c = Rh 6
n
w którym n  wsp. chropowatości przewodu, tab;
Rh  promień hydrauliczny [m], Rh=A/Oz
A  pole przekroju poprzecznego koryta [m2]
Oz  obwód zwil\
ony [m]
Znaczną pomocą w obliczeniach stanowić mogą
nomogramy, które pozwalają, z dostateczną dla
praktyki dokładnością, obliczyć dowolną wielkość
geometrycznÄ….
Nomogram do obliczania przekroju koryta trapezowego o
nachyleniu skarp 1:1
Schemat układu zasilającego szkółkę w wodę
agregat
pompujÄ…cy
zbiornik/ciek
zastawka
wodny
rów doprowadzający
zbiornik retencyjny
Schemat układu zasilającego szkółkę w wodę
- widok z góry (przy du\
ym cieku)
kwatery szkółki
x x
x x
x x
x x
x x
x x
agregat
rurociąg główny
zbiornik
retencyjny
zastawka
r
ó
w
o
d
p
r
o
w
a
d
z
a
j
Ä…
c
y
y
c
Ä…
j
a
z
d
a
w
o
r
p
o
d
w
ó
r
Schemat układu zasilającego szkółkę w wodę
- widok z góry (przy małym cieku)
kwatery szkółki
x x
x x
x x
x x
x x
x x
agregat
rurociąg główny
zbiornik
retencyjny
zastawka
zastawka
r
ó
w
o
d
p
r
o
w
a
d
z
a
j
Ä…
c
y
y
c
Ä…
j
a
z
d
a
w
o
r
p
o
d
w
ó
r
Schemat układu zasilającego szkółkę w wodę
- widok z góry (przy zbiorniku wodnym)
kwatery szkółki
x x
x x
x x
x x
x x
x x
agregat
rurociąg główny
zbiornik
zastawka
retencyjny
y
c
Ä…
j
a
z
d
a
w
o
r
p
o
d
w
ó
r
Schemat układu zasilającego szkółkę w wodę
- widok z góry (przy zbiorniku wodnym)
kwatery szkółki
x x
x x
x x
x x
x x
x x
agregat
rurociąg główny
zbiornik
zastawka
retencyjny
r
ó
w
o
d
p
r
o
w
a
d
z
a
j
Ä…
c
y
y
c
Ä…
j
a
z
d
a
w
o
r
p
o
d
w
ó
r
Zbiornik retencyjny - rzut
widok z drugiego boku
widok z boku
Zbiornik retencyjny  widok z góry
y = p x [m]
y
Y
x
X
Zbiornik retencyjny  widok z góry
Zbiornik retencyjny  pochylenie skarp
x + 2 s hz
s hz
hz
x
1
:
s
Wzór na objętość napełnienia zbiornika (VN  jest znane)
4
2 3
VN = (x + shz )hz px + shz x + s2hz [m3]
3
x  długość pierwszego boku podstawy zbiornika [m],
s  1:s, tj. pochylenie skarpy zbiornika (niemianowane),
hz  głębokość wypełnienia zbiornika [m],
p  1:p, tj. stosunek długości boków dna zbiornika (niemianowane).
16
îÅ‚s hz
4
2
- shz 2(p +1)+ (p2 + 2 p +1)- s2hz 4 p + 4hz pVN Å‚Å‚
ïÅ‚ śł
3
ðÅ‚ ûÅ‚
x =
[m]
2 phz
[m3]
VN = 3Z
Z  dzienne zapotrzebowanie na wodÄ™ [m3]
Wzór na obliczenie długości drugiego boku podstawy (y)
y = px [m]
Obliczenia głębokości zbiornika retencyjnego
hr
Hz
hz
0,70 m
Hz = hz + hr
Obliczenia wymiarów zbiornika retencyjnego na powierzchni gruntu
bok X
X = x + 2 s Hz
s Hz
Hz
x
bok Y
Y = y + 2 s Hz
1
:
s
Obliczenia dotyczÄ…ce rowu doprowadzajÄ…cego wodÄ™
m3
Wymagany przepływ w przeliczeniu na :
s
VN
QW =
tn
tn  czas napełnienia zbiornika
Wzór na obliczenie przepływu wody w rowie
m3
Q = Fv
[ ]
s
F  pole powierzchni przekroju napełnionego wodą [ m2 ]
m
v  średnia prędkość przepływu
[ ]
s
b
a + b
shwr
F = hwr
2
hwr
a
b = a + 2shwr
1
:
s
Obliczenie prędkości przepływu wody w rowie
m
[ ]
v = c IR
s
1
m2 ]
c  współczynnik prędkości przepływu wody w korycie (Chezy)
[
s
I  spadek dna rowu (niemianowany)
R  promień hydrauliczny
[ m ]
1
1
2
1
c = R6
[m ]
s
1
n
-
3
n  współczynnik szorstkości koryta [ ]
m s
Współczynniki szorstkości koryta (wg Ven Te chowa)
Średnia wartość n
1
Rodzaj i stan powierzchni koryta
[ ]
m3s
Koryta w bardzo złym stanie:
Kanały ziemne całkowicie porośnięte mchami, trawami i
0,050
roślinnością wodną z meandrami i wybojami
Koryta w złym stanie:
kanały ziemne z du\
ą ilością roślinności lub z grubymi
0,033
otoczakami
Kanały ziemne o profilu regularnym, normalnie
zadawnionym, mur kamienny na zaprawie cementowej w 0,025
złym stanie
Mur kamienny na zaprawie cementowej w średnim stanie,
beton z
le wykonany, koryta ziemne bardzo gładkie bez 0,020
roślinności
Beton w średnim stanie lekko pokryty mchem, mur
kamienny na zaprawie cementowej bardzo dobrze 0,017
wykonany
Beton pokryty warstwÄ… zaprawy cementowej (szlichty),
0,014
dobrze wykonany
Obliczenie promienia hydraulicznego
F
R =
[m]
O
O  obwód zwil\
ony [m]
shwr
O = a + 2d
hwr
d = hwr s2 +1
a
1
:
s
d
I  spadek dna rowu (niemianowany)
h
L
h
I
L
Wartość spadku dna rowu podaną w materiałach wyjściowych w 0
nale\
y zamienić na wartość niemianowaną
I
Obliczenie szerokości rowu na powierzchni gruntu
A
s hr
hr
a
[m]
A = a + 2shr
s
:
1
Tok obliczeniowy
Obliczenie przepływu w rowie przy
ró\
nej szerokości podstawy rowu (a)
Przepływ wymagany
Q = Fv
VN
QW =
tn
a + b
v = c IR
F = hwr
2
1
b = a + 2shwr
1
c = R6
F
n
R =
O
O = a + 2d
Przy pozostałych parametrach stałych
o wielkości przepływu decyduje
szerokość podstawy rowu (a)
d = hwr s2 +1