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 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:
Metody jednoparametrowe nazywane również 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 zależności od sposobu określania prędkości rozróżnia się 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, natężenie przepływu określamy wzorem
(1). Jest to metoda najdokładniejsza, lecz możliwość 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 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.
Najczęściej stosowanymi przelewami są:
przelew Ponceleta - jest to przelew prostokątny ze zwężeniem bocznym i dolnym.
2
Q = µ h2 / 3 2gh
3
przelew Thomsona - jest to przelew trójkątny ze zwężeniem bocznym.
Q =k h2.5
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 dużą 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 stężeniu, przy czym wprowadzenie to może odbywać się poprzez dozowanie ciągłe z wydatkiem
q lub zrzut jednorazowy.
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.
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 należy 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 różnych głębokościach.
Wyniki pomiarów
młynkiem hydrometrycznym
Pomiary prędkości wykonane w poszczególnych pionach
hydrometrycznych służą 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 - natężenie 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 należy 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 każdym 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
powierzchniową. Pływakiem może być krążek 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, 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:
Mnożąc obliczoną prędkość vśr przez pole środkowego przekroju
poprzecznego koryta F (m2) otrzymujemy wartość przepływu średniego Q.
Metody wieloparametrowe
Metoda obliczania przepływu na podstawie pomiaru spadku podłużnego zwierciadła wody
Ten sposób obliczania przepływu stosowany jest w tych przypadkach, gdy zachodzi konieczność oceny przepływu
szczególnie w strefie stanów wysokich, a warunki terenowe uniemożliwiają bezpośrednie wykonanie pomiaru przepływu za
pomocą młynka hydrometrycznego. Do obliczenia przepływu należy 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 każdego z trzech przekrojów. Jeśli istnieje
możliwość dokładnej oceny współczynnika szorstkości koryta, przepływ można obliczyć ze wzoru Chezy:
gdzie:
Q - natężenie przepływu (m3/s),
Q = Fv
v  średnia prędkość przepływu (m/s)
F - przekrój poprzeczny koryta (m2),
c - współczynnik prędkości określony ze wzorów empirycznych,
v = c R Å" I
h
Rh - promień hydrauliczny (m),
I - spadek zwierciadła wody (-).
Q = F c Rh I
Wartość współczynnika prędkości c obliczana jest najczęściej ze wzoru Manninga:
w którym n  wsp. chropowatości przewodu (wsp. szorstkości), tab;
1
1/ 6
c = Rh
Rh  promień hydrauliczny [m], Rh=A/Oz
n
A  pole przekroju poprzecznego koryta [m2]
Oz  obwód zwilżony [m]
wzór Chézy'ego to jeden z najwczeÅ›niejszych wzorów empirycznych stosowany do obliczeÅ„ 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 należących 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.
Znaczną pomocą w obliczeniach stanowić mogą nomogramy, które
pozwalają, z dostateczną dla praktyki dokładnością, obliczyć dowolną
wielkość geometryczną.
Nomogram do obliczania przekroju koryta trapezowego o nachyleniu skarp 1:1
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
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
n 1
-
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 dużą 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 zwilżony [m]
shwr
O = a + 2d
hwr
d = hwr s2 +1
a
I  spadek dna rowu (niemianowany)
h
L
h
I
L
Wartość spadku dna rowu podaną w materiałach wyjściowych w 0
należy zamienić na wartość niemianowaną
Tok obliczeniowy
Obliczenie przepływu w rowie przy
różnej szerokości podstawy rowu (a)
Przepływ wymagany
Q = Fv
VN
QW =
tn
a + b
v = c IR
F = hwr
2
1
b = a + 2shwr c = R6
1
F
n
R =
O
O = a + 2d
d = hwr s2 +1
Tok obliczeniowy
Obliczenie przepływu w rowie przy
różnej szerokości podstawy rowu (a)
Przepływ wymagany
Q = Fv
(podajemy z dokładnością do 4 miejsc po przecinku!)
VN
QW =
tn
a + b
v = c IR
F = hwr
2
1
b = a + 2shwr
1
c = R6
F
n
R =
O
Przy pozostałych parametrach stałych o wielkości przepływu
decyduje szerokość podstawy rowu (a)! O = a + 2d
Wartość  a określamy metodą kolejnych przybliżeń, ostatecznie podając w
sprawozdaniu dwa ciągi obliczeniowe dla wartości  a ostatniej niespełniającej i
d = hwr s2 +1
pierwszej spełniającej założony warunek że Qe"QW
Obliczenie szerokości rowu na powierzchni gruntu
A
s hr
hr
a
[m]
A = a + 2shr