Embed Size (px)
Citation preview
SVEUĈILIŠTE U ZAGREBU
GEOTEHNIĈKI FAKULTET
IVAN KUHARIĆ
MJERENJE OTJECANJA SA MALIH SLIVOVA
VARAŢDIN, 2012.
SVEUĈILIŠTE U ZAGREBU
GEOTEHNIĈKI FAKULTET
IVAN KUHARIĆ
MJERENJE OTJECANJA SA MALIH SLIVOVA
KANDIDAT: MENTOR:
IVAN KUHARIĆ prof.dr.sc. VLADIMIR PATRĈEVIĆ
VARAŢDIN, 2012.
SADRŽAJ
1. UVOD....................................................................................................................1
2. TEHNIČKI OPIS METODA U HIDROMETRIJI...........................................1
2.1. VODOSTAJ.........................................................................................................1
2.2. DUBINA VODE..................................................................................................3
2.3. BRZINA VODE...................................................................................................3
2.4. PROTOKA..........................................................................................................5
3. OSNOVE MONITORINGA NA MALIM SLIVOVIMA..................................6
3.1. VODOSTAJ.........................................................................................................6
3.2. DUBINA VODE..................................................................................................7
3.3. BRZINA VODE..................................................................................................8
3.3.1. MJERENJE BRZINE PLIVAJUĆEG TIJELA (PLOVAK)…………...……..8
3.3.2. MJERENJE BRZINE OKRETANJA POTOPLJENE ELISE..........................9
3.3.3. MJERENJE BRZINSKE VISINE..................................................................10
3.3.4. MJERENJE INDUCIRANOG NAPONA......................................................11
3.3.5. MJERENJE DOPPLEREOVOG EFEKTA (ULTRAZVUK)........................12
3.4. PROTOKA........................................................................................................14
3.4.1. NEKONTINUIRANA MJERENJA..............................................................15
3.4.2. KONTINUIRANA MJERENJA....................................................................18
4. USPOREDBA METODA I REZULTATA MJERENJA.................................19
4.1. NEKONTINUIRANA MJERENJA..................................................................19
4.2. KONTINUIRANA MJERENJA.......................................................................21
.
5. ZAKLJUČAK.....................................................................................................22
1. UVOD
Rijeĉni sliv ili sliv vodotoka, predstavlja podruĉje s kojeg se procesom otjecanja,
oborinska voda slijeva u more, kroz isto ušće, estuarij ili deltu. Da bi veliĉinu otjecanja
mogli kvantificirati, neophodno je provesti odreĊena hidrološka mjerenja u pojedinim
toĉkama vodotoka na slivu, odnosno na odabranim hidrološkim stanicama.
U tom dijelu hidrologije posluţiti ćemo se hidrometrijom, odnosno metodama
mjerenja i mjernim instrumentima za mjerenje pojedinih parametara, koji definiraju
veliĉinu otjecanja. Hidrometrija nam omogućuje da kvantificiramo svaki od navedenih
parametara, sa većom ili manjom toĉnošću. Pouzdanost dobivenih vrijednosti svakako
će ovisiti o ispravnom odabiru mjernih instrumenata, naĉinu mjerenja, metodologiji
obrade izmjerenih podataka, kao savjesnosti pristupu i iskustvu mjeritelja.
2. TEHNIČKI OPIS METODA U HIDROMETRIJI
Osnovni hidrološki parametri koji definiraju otjecanje su:
a) VODOSTAJ (razina vode u vodotoku)
b) DUBINA (geometrija oblika proticajnog profila vodotoka)
c) BRZINA VODE (hidrodinamiĉka veliĉina)
d) PROTOKA (hidrodinamiĉka veliĉina)
2.1. Vodostaj
Vodostaj (H) je vertikalna udaljenost izmeĊu stalne toĉke vodomjerne letve (kota
nule vodomjera) i trenutnog nivoa vode u mjernom profila vodotoka. Vrijednost
vodostaja se izraţava u (cm, m).
Mjerenje vodostaja provodi se:
- povremeno mjerenje tokom nekog vremenskog razdoblja (vodomjerna letva), slika 1.
- kontinuirano mjerenje tokom vremena (limnigrafi), slika 2.
Slika 1. Mjerenje vodostaja vodomjernom letvom
Slika 2. Mjerenje vodostaja limnigrafom
Vodomjerna letva i limnigraf su osnovni mjerni instrumenti za mjerenje
vodostaja, pri ĉemu se meĊusobno dopunjuju. Nivogram je grafički prikaz promjene
vodostaja tokom vremena , u mjernom profilu vodotoka, na odabranoj hidrološkoj
stanici.
2.2. Dubina vode
Dubina (h) je vertikalna udaljenost izmeĊu kote dna i trenutnog nivoa vode u
mjernom profilu vodotoka. Vrijednost dubine vode obiĉno se izraţava u (cm, m). To je
hidrološka veliĉina koja definira geometrijske osobine mjernog profila ispod površine
vode (popreĉni i uzduţni profili vodotoka). Mjerenje dubina vode obiĉno se provode u
razdobljima najniţih vodostaja.
Slika 3. Uzduţni i popreĉni profil vodotoka
Tokom mjerenja dubina vode potrebno je za svaku mjernu toĉku poznavati:
a) toĉan položaj mjerne toĉke u prostoru (prostorne koordinate x, y)
b) trenutni vodostaj u mjernom profilu H (cm)
c) izmjeriti odabranom metodom i instrumentom dubinu vode h (cm)
2.3. Brzina vode
Kada odreĊujemo brzinu vode u površinskom vodotoku, obiĉno su nam poznate
veliĉine pravca i smjera vektora brzine. Pri tome je potrebno odrediti, odnosno izmjeriti
samo apsolutnu vrijednost brzine. U prirodnim, površinskim vodotocima nalazimo
uglavnom izrazito turbulentni reţim teĉenja vode. Time se vremenski u svakoj toĉki
turbulentnog toka u popreĉnom presjeku vodotoka, brzina vode mijenja po apsolutnoj
vrijednosti i smjeru. Što je veća turbulencija teĉenja to će i te promjene brzine vode biti
veće i izrazitije.
Osnovni pojmovi o brzini vode:
1) Trenutna brzina vode je veliĉina brzine u toĉno odreĊenoj toĉki popreĉnog presjeka
vodotoka u toĉno odreĊenom trenutku.
2) Srednja trenutna brzina vode dobije se osrednjavanjem skupa trenutnih brzina
vode u odreĊenoj toĉki popreĉnog presjeka, tokom odabranog vremenskog razdoblja
(srednja lokalna brzina vode).
Dakle trenutna brzina vode u nekoj toĉki vodotoka mijenja se (pulzira) zbog
turbulencije, odnosno zbog utjecaja pulzacija.
Pulzacija brzina vode je odstupanje trenutne brzine od srednje vrijednosti u
odabranoj toĉki vodotoka.
Pulzacije brzina vode u toĉkama, u blizini dna vodotoka puno su veće od
pulzacija brzina u toĉkama kod površine, zbog utjecaja trenja na hrapavosti korita
vodotoka. Praktiĉno je najveća pulzacija brzine na dnu vodotoka o ĉemu treba voditi
raĉuna prilikom mjerenja trenutnih brzina vode mehaniĉkim mjernim instrumentima.
Od toga zavisi toĉnost izmjere profila brzina po dubini i širini vodotoka. U hidrometriji
postoji više metoda za mjerenje brzina vode u proticajnom profilu vodotoka. U ovisnost
od odabrane metode koriste se i pripadajući mjerni instrumenti.
Generalno mjerne metode moţemo podijeliti na slijedeće:
1. Mjerenje brzine plivajućeg tijela (plovak)
2. Mjerenje brzine okretanja potopljene elise (mehaniĉki postupak)
3. Mjerenje brzinske visine (hidrauliĉki postupak)
4. Mjerenje induciranog napona (elektromagnetski postupak)
5. Mjerenje Dopplerovog efekta (ultrazvuĉni postupak)
2.4. Protoka
Protok vode moţemo definirati kao koliĉinu (masu) vode koja protjeĉe kroz
odabrani popreĉni presjek (hidrometrijski profil) vodotoka u jedinici vremena. Pri tome
za mjerni profil vrijedi zakon odrţanja mase, odnosno jednadţba kontinuitata:
Q = vsred · A
gdje su:
Q – protoka vode (m³/s) ili (l/s)
vsred – srednja profilska brzina (m/s)
A - okvašena površina popreĉnog presjeka hidrometrijskog profila (m²)
Protok predstavlja jedan od najznaĉajnijih hidroloških i hidrauliĉkih veliĉina,
koje opisuje otjecanje vode sa odgovarajućeg slivnog prostora nekog vodotoka.
Poznavanje protoka je glavni preduvjet za sve projektantske i izvoĊaĉke radove na
vodotoku ili u vezi sa njime.
OdreĊivanje protoka vode provodi se hidrometrijskim mjerenjem na odabranim
mjernim profilima vodotoka. U ovisnosti o veliĉini protoka, metode mjerenja se mogu
podijeliti u dvije osnovne grupe:
- neposredne metode (laboratorijski naĉin)
- posredne metode (terenski naĉin)
Hidrogram otjecanja predstavlja grafiĉki prikaz promjene protoka (Q) u
odgovarajućem vremenu (t), tj. predstavlja analitiĉko - statistiĉku i grafiĉku obradu
izmjerenih vrijednosti protoka u duljem vremenskom razdoblju te je usko vezan sa
nivogramom dobivenom na istom mjernom profilu vodotoka.
Pri tome stacionarni mjeraĉi protoka sa ugraĊenim transduktorima u mjernom
profilu, biljeţe u memoriju mjeraĉa izmjerene vrijednosti protoka vode prema
programiranim vremenskim intervalima. Odnos izmjerenih protoka u realnom vremenu
prikazuje se grafikonom u izborniku odgovarajućeg softvera kojim se upravlja
ultrazvuĉnim mjeraĉem.
Za dobivanje hidrograma na vodotoku, gdje su se mjerenje vodostaja i protoka
vode provodila klasiĉnim hidrometrijskim postupcima, potrebno je provesti
odgovarajuću analitiĉku obradu izmjerenih podataka o vodostajima i protokama, u cilju
uspostave korelativne zavisnosti izmeĊu tih vrijednosti.
Slika 4. Hidrogram efektivne kiše na bujiĉnom vodotoku
3. OSNOVE MONITORINGA NA MALIM SLIVOVIMA
3.1. Vodostaj
Limnigraf je instrument za toĉniji naĉin mjerenja vodostaja na vodotocima, ali
za kontrolu i provjeru takvog mjerenja, potrebna je prisutnost vodomjerne letve u
mjernom profilu. Metode rada limnigrafa su razliĉite. Od klasiĉnih mehaniĉkih metoda
sa plovkom, do danas elektronskih mjeraĉa sa sofisticiranim tlaĉnim ili ultrazvuĉnim
osjetnicima. Zapisi mjerenja vodostaja su takoĊer od analognih zapisa na papirnate
trake, do digitalnih zapisa u memorijske kartice ili mikroĉipove elektronskih limnigrafa.
Prilikom postavljanja vodomjerne letve i limnigrafa, kao i prilikom izbora tipa
instrumenta, potrebno je voditi raĉuna da se omogući mjerenje vodostaja u njegovoj
amplitudi od najniţeg do najvišeg vodostaja u mjernom profilu vodotoka. Pri tome se
postavljena kota nule vodomjera više ne smije mijenjati.
3.2. Dubina vode
Mjerenje dubine vode provodi se sa razliĉitim metodama i mjernim priborom:
Hidrometrijska metoda mjerenja je danas još uvijek, najĉešće zastupljena
metoda na našim vodotocima. Za mjerenja dubine vode do maksimalno 300 cm
uportebljavaju se razliĉiti tipovi motki – sondirki, koje su oznaĉene centimetarnom
podjelom. Za veće dubine koristi se graduirano ĉeliĉno uţe na koloturu, sa utegom
razliĉitih masa (do 50 kg). Takva mjerenja dubine vode provode se iz plovila ili
prihvatljive konstrukcije mosta. Pri tome potrebno je obaviti korekciju izmjerene dubine
uslijed iskošenja uţeta u ovisnosti od brzine vode na mjernom mjestu.
Akustiĉka metoda mjerenja zahtijeva skuplje i preciznije instrumente. Metoda
mjerenja se bazira na principu ultrazvuka. Obiĉno se mjeri vrijeme koje je potrebno
ultrazvuku da proĊe izmeĊu dva konduktora, nakon njegovog odbijanja od dna
vodotoka.
Konduktor 1- (emisija) upućuje ultrazvuk prema dnu koji se reflektira (odbija) od dna te
dolazi na konduktor 2-(detekcija) koji biljeţi proteklo vrijeme. Poznavanjem brzine
(cm/s) ultrazvuka u vodi proraĉunava se odgovarajuća veliĉina dubine vode h (cm).
Brzina širenja ultrazvuka ovisi o fiziĉko – kemijskim osobinama vode. U vodotocima je
najĉešća temperatura vode od pribliţno 14 ºC sa brzinom ultrazvuka od 1462 m/s.
Hidrostatska metoda za odreĊivanje dubine vode koristi osnovni zakon
hidrostatike (p = ρ g h), odnosno vezu dubine vode (h) i hidrostatskog tlaka (p). Postoje
razliĉiti naĉini konstrukcije takvih mjernih instrumenata. Od ugraĊenih osjetljivih
membrana koje reagiraju na promjenu hidrostatskog tlaka (p) do raznih manometara
koji biljeţe razliku izmeĊu konstantnog, poznatog tlaka komprimiranog plina (p1) i
promjenljivog hidrostatskog tlaka (p) na mjernom mjestu.
Tokom mjerenja dubina vode (h) potrebno je stalno mjeriti i trenutni vodostaj (H) u
mjernom profilu vodotoka, radi kasnije korekcije dubina vode na isti vodostaj (raĉunski
vodostaj). To je neophodno, kako bi izmjerene veliĉine dubina vode u razliĉitim
vremenskim razdobljima, bile meĊusobno usporedive.
Temeljem tako izmjerenih dubina mogu se kasnije izraĊivati situacije vodnih površina u
izobatama (izobate - linije koje povezuju toĉke sa istim dubinama).
3.3. Brzina vode
Mjerenje brzine vode moţemo podijeliti u slijedeće skupine:
1. Mjerenje brzine plivajućeg tijela (plovak)
2. Mjerenje brzine okretanja potopljene elise (mehaniĉki postupak)
3. Mjerenje brzinske visine (hidrauliĉki postupak)
4. Mjerenje induciranog napona (elektromagnetski postupak)
5. Mjerenje Dopplerovog efekta (ultrazvuĉni postupak)
3.3.1. Mjerenje brzine plivajućeg tijela (plovak)
Mjerenje brzine vode pomoću plivajućeg tijela (plovka), najstariji je
hidrometrijski postupak. Mjeri se vrijeme (t) potrebno da plovak prijeĊe udaljenost (L).
Mjerenje se provodi na odabranom dijelu vodotoka (L) bez prisutnosti krivina, pomoću
tri definirana popreĉna profila:
- Profil A (ulazni profil)
- Profil B (mjerni profil)
- Profil C (izlazni profil)
Mjernje po svakoj mjernoj trajektoriji provodi se najmanje sa tri plovka radi
osrednjavanja vrijednosti brzine vode. (v = ΣL/Σt). Na takav se naĉin dobije raspodjela
površinskih brzina vode u mjernom profilu vodotoka. Pogodnost metode mjerenja je u
tome, što se cjelokupno mjerenje brzina vode moţe izvoditi sa obale bez izlaţenja na
vodotok.
Slika 5. Mjerenje brzine vode plovcima
3.3.2. Mjerenje brzine okretanja potopljene elise
Mjernje brzine vode putem okretanja potopljene elise (hidrometrijsko krilo) je
klasiĉan, mehaniĉki naĉin mjerenja. Mjerenje se zasniva na poznatoj jednoznaĉnoj vezi
izmeĊu brzine vode i broja okretaja elise uronjene u odreĊenoj toĉki vodotoka.
Osnovne dijelove hidrometrijskog krila ĉine:
- elisa sa osovinom
- tijelo krila sa kontaktnim mehanizmom
- prikljuĉni kontaktni kablovi
- stabilizator krila i uteg, kod mjerenja pomoću uţeta.
- brojaĉ okretaja sa ugranenim kronometrom
Mjerenje profila brzina po dubini i širini vodotoka provodi se u nizu odabranih toĉaka
popreĉnog presjeka. Kod mjerenja treba voditi raĉuna o raspodjeli pulzacija brzina.
Slika 6. Hidrometrijsko krilo
3.3.3. Mjerenje brzinske visine
Hidrauliĉki postupak mjerenja brzine vode zasniva se na principu prevoĊenja
kinetiĉke energije mase vode (dinamiĉki tlak) u potencijalnu energiju (statiĉki tlak)
pomoću Pitot-ove cijevi.
Izraz za odreĊivanje brzine vode v = φ (2gh)0.5
izveden je iz Bernoulijeve jednadţbe.
Pri tome su:
- v (srednja brzina vode u mjernoj toĉki)
- φ (popravni koeficijent brzine vode 0,90 – 0,98)
- h (izmjeren dinamiĉki tlak u Pitot cijevi)
Mjerenja na takav naĉin moguća su za kanale ili otvorene vodotoke gdje su
prisutne vrlo velike srednje brzine vode, odnosno brzine veće od 5 m/s. Za manje
vrijednosti brzina vode u vodotoku, mjerenje brzinske visine (dinamiĉkog tlaka - h) je
dosta nesigurno, odnosno sa manje toĉnosti, te nije preporuĉljivo za korištenje. Za
praktiĉnu upotrebu postoje razliĉiti oblici i konstrukcije Pitotovih cijevi.
Slika 7. Mjerenje brzine vode pomoću Pitotove cijevi
3.3.4. Mjerenje induciranog napona
Mjerenje brzine vode na principu elektromagnetskog postupka predstavlja noviji
hidrometrijski pristup mjerenju. Elektromagnetski mjeraĉi brzine vode djeluju na
principu Faradyjevog zakona elektromagnetske indukcije. Elektromagnetski senzori
koriste se za mjerenje brzine bilo koje vrste fluida. Posebno su pogodni za mjerenje u
profilima vodotoka ili kanala gdje voda pronosi veće koliĉine suspenzije, kao što su
otpadne vode u kanalizacijskim sustavima.
Princip rada takvih mjeraĉa zasniva se na elektriĉnom vodiĉu (voda ili bilo koja
elektriĉno vodljiva tekućina) koji protjeće vodotokom, te svojim gibanjem u
magnetnom polju inducira elektriĉni napon.
Magnetno polje proizvodi se zavojnicom u senzoru mjeraĉa sa baterijskim
napajanjem. Inducirani napon mjeri se parom elektroda, smještenim takone u senzoru
elektromagnetnog mjeraĉa te prenosi do centralne memorijske jedinice.
Digitalna tehnologija omogućuje memoriranje ili oĉitavanje promjene tog
induciranog napona u realnom vremenu, a koji je proporcionalan brzini gibanja vode na
mjernom mjestu.
Slika 8. Elektromagnetni osjetnik
3.3.5. Mjerenje Dopplerovog efekta (ultrazvuk)
Mjerenjem Doplerovog pomaka moguće je u svakoj prilici izraĉunati relativnu
brzinu protjecanja vode kroz odabrani profil u odnosu na izvor ultrazvuka (transduktor).
Doplerov efekt je poznat u teoriji akustike te razvojem digitalne tehnologije i
primjenom mikroprocesora preveden u efikasan model mjerenja nivoa, brzine vode, a
time i protoka.
Najznaĉajnija prednost ultrazvuĉnih mjeraĉa pred klasiĉnim mehaniĉkim
mjeraĉima je u mnogostruko brţem postupku mjerenja, kontinuirano vremenski
neprekinutom mjerenju i mogućnosti trodimenzionalne analize vektora brzina u
mjernom profilu. Istim principom moguće je mjeriti i vlastitu brzinu i smjer plovila u
odnosu na dno kanala, rijeke, jezera ili izmjeriti brzinu vode i protoku vodotoka iz
pokretnog plovila.
Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP)
Vektorsko polje brzina vode mjeri se pokretno po prostorno dubinskim
segmentima vodotoka, koji mogu biti manji od 10 cm. Mjerenje je max. do 128
dubinskih segmenata što bi za usporedbu mjerenja klasiĉnim, mehaniĉkim mjeraĉem,
zahtijevalo 128 mjernih toĉaka hidrometrijskog krila samo na jednoj vertikali.
Osnovna primjena ADCP kao pokretnih mjeraĉa je izmjera brzinskog polja u
popreĉnom presjeku vodotoka i to sa jednim pokretnim ureĊajem na osnovi ultrazvuka.
Prikladni oscilator pretvaraĉ (transduktor) kao izvor ultrazvuka, upućuje zvuĉni udarac
kroz vodu (Ping), sliĉno kao sonar kod podmornica, ali znatno veće frekvencije (veći od
30 kHz). Odaslani ultrazvuk reflektira se od lebdećh ĉestica suspenzije u vodi koje
imaju isti smjer i brzinu kao masa vode. Dio energije koji se uslijed refleksije vraća na
izvor (transduktor) moguće je izmjeriti piezoelektriĉnim transduktorom. Takav
transduktor djeluje kao izvor i kao prijemnik ultrazvuka (pijezo-elektricitet je
reverzibilan). Razlika emitirane i primljene energiji na transduktoru odreĊuje se kao
promjena frekvencije ultrazvuka, poznata pod nazivom Doplerov pomak.
Slika 9. Mjerenje brzine vode – ADCP
3.4. Protoka
Mjerenje protoka moţemo podijeliti u dvije osnovne kategorije:
a) neposredne metode mjerenja protoka
b) posredne metode mjerenja protoka
a) neposredne metode *
- Instrument na principu Danaide
- Instrument na principu Milneove posude
b) posredne metode
1) nekontinuirana mjerenja
- metoda brzina - površina
- metoda pad - površina
- elektromagnetsko mjerenje protoka
- postupak razina – protok
- postupak pad – razina
- hidrauliĉka metoda
- kemijske metoda (kontinuirana i nekontinuirana)
2) kontinuirana mjerenja
- ultrazvuĉno mjerenje protoka
______________________________________________________________________
* neposredne metode koriste se za mjerenje malih vodotoka ili izvora do 10 l/s, te zbog toga neće biti u
daljnjem tekstu pojašnjene
3.4.1. Nekontinuirana mjerenja
Metoda brzina - površina spada u jednokratno mjerenje protoka. Kao što sam
naziv sugerira mjerenja se vrše povremeno u ograniĉenom vremenskom razdoblju. Ova
metoda je klasiĉna hidrometrijska metoda koja se bazira na mjerenju površine
protoĉnog presjeka vodotoka i brzine mase vode u protoĉnom presjeku. Mjerni
insrtument primjeren za tu metodu je klasiĉno hidrometrijsko krilo ili plovak. Taj
postupak najĉešće sluţi baţdarenje drugog ureĊaja koji će se na tom mjernom mjestu
postaviti i nadalje rabiti za trajno, kontinuirano mjerenje protoka.
Postupak pad – površina najĉešće sluţi za procjenu protoka kad su u pitanju
velike vode (poplave, vodni valovi i sl.). Metoda se osniva na odreĊivanju poznatog
popreĉnog presjeka kanala, na mjerenju pada vodnog lica na mjernoj dionici kanala, te
na procjeni koeficijenta hrapavosti kanala. Pomoću iskustvenih (empiriĉkih) izraza
(Chezy, Manning, Colebrook – White) raĉuna se brzina toka, a time i protok na
odreĊenoj dionici kanala.
Elektromagnetsko mjerenje protoka takoĊer je novija metoda mjerenja
protoka. Michael Faraday izrazio je 1831. god. svoj poznati zakon elektromagnetske
indukcije. Taj zakon kazuje da se u vodiĉu koji se giba u magnetskom polju inducira
elektriĉni napon. Primjenu tog zakona susrećemo svakodnevno u radu elektriĉnih
strojeva (elektromotora, generatora...), a na istom principu rade elektromagnetski
mjeraĉi protoka. Ako pomoću zavojnice, smještene oko cijevi kroz koji protjeĉe
tekućina, generiramo magnetsko polje, tada će se tekućina koja struji ponašati kao vodiĉ
koji se giba u magnetskom polju. Zbog toga će se u tekućini inducirati napon razmjeran
brzini strujanja.
Ako su smjer magnetskog polja i brzine strujanja meĊusobno okomiti (što je
uvijek tako jer se protokomjeri tako izraĊuju), tada analitiĉki izraz za inducirani napon
poprima jednostavan oblik:
U = B x D x v
gdje je:
U - inducirani napon, V
B - gustoća magnetskog toka, T
D - promjer cijevi, m
v - brzina strujanja tekućine, m/s
Budući da su promjer cijevi D i gustoća magnetskog toka B nepromjenljive
veliĉine, uoĉavamo da je inducirani napon razmjeran brzini strujanja v. Mjereći taj
napon, mjerimo dakle brzinu, a preko poznatog presjeka cijevi jednostavno odreĊujemo
i protok. Suvremeni elektromagnetski protokomjeri izvode se kao dijelovi cijevi od
materijala niske magnetske permeabilnosti i s primjerenim izolacijskim oblogom.
Generiranje magnetskog polja ostvaruje se pomoću zavojnice kroz koju se pušta
izmjeniĉna ili pulzantna istosmjerna struja. Elektromagnetski postupak mjerenja protoka
moţe, poput ultrazvuĉnog, mjeriti povratna strujanja, ali vjerojatno najveća prednost
toga postupka leţi u mogućnosti mjerenja protoka s velikim prenosom suspenzija te u
kanalima koji su veoma obrasli. Toĉnost elektromagnetskih protokomjera iznosi oko
0,5% R s ponovljivošću oko 0,2%.
Slika 10. Presjek mjerne cijevi s elektromagnetskim mjernim ureĊajem
Postupak razina – protok zasniva se na ĉinjenici da pri ustaljenom strujanju
kad nema uspora ili povratnog strujanja na odreĊenoj kontrolnoj dionici kanala, moţe
ustanoviti izravna veza izmeĊu protoka tekućine i pripadne razine vode. Nakon
definiranja odnosa razine i protoka, mjereći samo razinu, moţemo znati koliki je stvarni
protok. Ako se na mjernoj dionici javlja uspor ili povratno strujanje vode, opisana
metoda ne daje dobre rezultate.
Postupak pad – razina je postupak kod kojeg se mjeri na više mjernih mjesta
duţ kontrolne dionice. Tako se dolazi do podataka o padu vodnog lica, koji nam je
potreban ako ţelimo znati koliki je protok. Postupak proraĉuna protoka moţe ponekad
biti sloţen i mukotrpan.
Mjerenje protoka pomoću preljeva jedno je od najraširenijih mjerenja. Kod
preljeva se takoĊer pronalazi funkcionalna veza izmeĊu protoka i razine vode, a
naknadno se mjeri samo razina vode i na osnovi toga se zakljuĉuje koliki je protok. Broj
i oblik razliĉitih vrsta preljeva je neograniĉen.
Eksperimentalni podaci koji sluţe kao podloga za definiranje jednadţbe
istjecanja preko preljeva ipak nisu dostupni za sve moguće vrste preljeva. U praktiĉnoj
primjeni najĉešće susrećemo dva osnovna tipa preljeva, oštrobridne preljeve i mjerne
pragove. Upraksi se najĉešće susreću tri vrste oštrobridnih preljeva, pravokutni, trapezni
i trokutasti. Mjerni pragovi su objekti koji se uoptrebljavaju za mjerenje protoka na
manjim i srednjim vodotocima. U naĉelu su dvije glavne skupine pragova: pragovi
široke (ravne) i pragovi oštre preljevne krune.
Slika 11. Preljev
Kod kemijskih metoda mjerenja protoka primjenjujemo postupke u kojima se
kontrolirane koliĉine kemijskih, fluorescentnih ili radioaktivnih ĉestica unose u tok
vode, kontinuirano ili dozirano. Ova metoda se koristi za vodne tokove ĉiji se protoĉni
presjek ne moţe izmjeriti ili je potpuno nepravilan i nedefiniran. To je primjena obiĉno
za bujiĉne vodotoke sa silovitim teĉenjem i izraţenom turbulentnošću. Kemijske
supstance (traseri, indikatori) za primjenu metode su najĉešće neki kemijski indikatori
(kloridi), boje (fluoresceni), radioaktivni izotopi (brom, tricij).
3.4.2. Kontinuirana mjerenja
Ultrazvučna metoda mjerenja protoka jedna je od novijih metoda. Protok se
odreĊuje mjerenjem brzine strujanja i razine vode na poznatom mjernom prerezu
kanala. Brzina strujanja vode odreĊuje se mjereći razlike brzina širenja ultrazvuĉnih
signala odaslanih u smjeru strujanja i suprotno od smjera strujanja vode, odnosno mjeri
se razlika vremena preleta ultrazvuĉnih impulsa, koso odaslanih, naizmjeniĉno s jedne
na drugu stranu kanala. Zbog strujanja tekućine ultrazvuĉni impulsi odaslani u
nizvodnom smjeru šire se (putuju) brţe od onih odaslanih u uzvodnom smjeru. Brzina
širenja zvuka u vodi znatno je viša od brzine strujanja tekućine, pa su razlike preleta
vremena veoma malene. Kako bi se ostvarila visoka zahtjevna toĉnost mjerenja protoka,
ta se vremena preleta moraju mjeriti veoma precizno. Ultrazvuĉni impulsi su signali
kojih je frekvencija viša od 15 kHz. Brzina širenja (ultra)zvuka kroz slatku vodu, na
ambijentalnoj temperaturi, nalazi se u podruĉju 1.400 – 1.500 m/s. Posebna pozornost se
mora pokloniti kutu pod kojim su postavljene ultrazvuĉne sonde prema uzduţnoj
konturi kanala. Taj kut mora leţeti u podruĉju od 30° do 60 °. Ultrazvuĉna metoda
mjerenja protoka u biti je metoda brzina-površina. Ali za razliku od klasiĉne metode pri
kojoj se brzina mjerila na nekoliko unaprijed odreĊenih vertikala, ovdje se brzina mjeri
na jednoj ili više horizontala.
Slika 12. Mjerenje brzine vode pomoću ultrazvuka
4. USPOREDBA METODA I REZULTATA MJERENJA
4.1. Nekontinuirana mjerenja
Ako bismo usporeĊivali broj izvršenih nekontinuiranih mjerenja s brojem
izvršenih kontinuiranih mjerenja protoka, pokazalo bi se da se nekontinuirana mjerenja
vrše znatno rjeĊe. Razlog je tome u ĉinjenici što organizacija takvih mjerenja iziskuje
pomnjive pripreme, posebnu opremu i struĉno osoblje, pa ih stoga vrše samo
specijalizirane ustanove. Mjerenja se vrše povremeno u ograniĉenom vremenskom
razdoblju. Njihova je svrha u tome da se izmjeri protok pod specifiĉnim uvjetima
strujanja, u posebnim okolnostima ili se izvrši baţdarenje (umjerovanje) kojega drugog
sredstva za mjerenje protoka namijenjenog za odnosnu lokaciju.
Postupak brzina – površina je izravni postupak koji je pogodan za baţdarenja in
situ drugih ureĊaja za mjerenja protoka. Parametri potrebni za raĉunanje protoka kod
ovog postupka su površina popreĉnog presjeka, razina te brzine strujanja vode. Da bi
mogli bez problema izmjeriti, kanal mora biti ĉist (bez vegetacije) i bez popreĉnih
strujanja te mora biti ravan, jednoliĉna popreĉna presjeka. Ovaj postupak traje sporo, od
1-6 sati, a njegova toĉnost iznosi ± 3%.
Postupak pad–površina je neizravan postupak kod kojeg su zbog uporabe
empiriĉkih izraza rezultati ĉesto puta aproksimativni. Da bi mogli izraĉunati protok
pomoću ovog postupka potrebno je znati dva popreĉna presjeka, dvije razine te
koeficijent trenja. Kanal mora biti srednje (5-50 m) do velike širine (>50 m), brzina
strujanja mora biti veća od 1m/s i srednje (1-5 m) do velike dubine (>5 m). Toĉnost
mjerenja ovim postupkom iznosi ± 10%.
Kemijski postupak je izravni postupak posebno pogodan za baţdarenja. U
pojedinim je sluĉajevima postupak bez alternative. Parametri koje moramo znati su
koncentracije injektivnih ĉestica, volumen te vrijeme. Širina i dubina kanala te brzina
strujanja su isti kao i kod postupka pad-površina. Kanal ne smije imati boĉne izboĉine
ni velika udubljenja na dnu. Strujanje mora biti turbulentno kako bi se ostvarilo
miješanje, te kao i kod postupka brzina-površina ne smije biti vegetacije. Toĉnost
mjerenja iznosi ± 3%.
Postupak razina-protok je neizravan postupak kod kojeg je bitan parametar h,
odnosno razina vode. Ovisno o stanju kanala, potrebna povremena baţdarenja. Toĉnost
mjerenja postupkom razina-protok ovisi o više ĉinitelja. Ti ĉinitelji ukljuĉuju u sebi
toĉnost definiranja konsupcijske krivulje i toĉnost naknadnog mjerenjarazine. Općenito
se smatra da toĉnost ovog postupka varira u granicama 3-5 %.
Postupak pad-razina je jedini neizravan postupak za sluĉaj uspora. Proraĉun
protoka moţe ĉesto puta biti veoma tegoban. Kod ovog postupka bitan parametar je
razina.
Mjerenje pomoću preljeva je neizravan postupak, jedan je od najraširenijih
postupaka, posebno pogodan za tekućine bez pronosa sedimenata. Uzvodni dio kanala
mora biti ravan, simetriĉna popreĉnog presjeka, strujanje treba biti potkritiĉno, ne smije
biti popreĉnih strujanja, te bi profil brzina trebao biti jednolik. Širina kanala treba biti
uska ili srednje široka, male do srednje brzine, te male do srednje dubine. Postupak je
brz i nije prikladan za uĉestala mjerenja protoka. Toĉnost ovisi o vrsti preljeva, ona se
kreće od ± 1% do ± 5%. Najtoĉniji su trokutasti preljevi.
Elektromagnetski postupak je izravan postupak kod kojeg je potrebno
baţdarenje mjernog mjesta. TakoĊer je potrebno poznavati mjerni prerez, razinu vode, a
pri tome i inducirani napon.
Elektromagnetsko mjerenje pogodno je za mjerenje kanala malih i srednjih
širina i dubina, te malih do srednjih brzina strujanja. Kanal mora biti ravan, jednoliĉna
popreĉnog presjeka i ne smije biti popreĉnih strujanja.Toĉnost ove vrste mjerenja iznosi
± 5%. Kontinuirana, permanentna mjerenja protoka jesu mjerenja kojih je svrha
dobivanje uvida o protoku na odreĊenoj lokaciji u ţeljenim vremenskim intervalima –
satima, danima, mjesecima ili godinama. Pošto se oprema za mjerenje protoka ugradi u
sustav, mjerenje najĉešće teĉe automatski, a oni koji se sluţe mjernom opremom vrše
samo redovan nadzor i prikupljaju podatke.
4.2. Kontiuirana mjerenja
Ultrazvuĉni postupak je izravni postupak, koji se temelji na postupku brzina-
površina. Potrebno je poznavati mjerni prerez, razinu, te brzinu strujanja vode. Širina i
dubina kanala mogu biti srednje ili velike, dok brzina strujanja moţe osim srednje ili
velike biti i mala brzina. Pronos sedimenata treba biti razmjerno malen kako se ne bi
gubio akustiĉni signal. Iz istog razloga bi trebao biti slabo obrašten, te ne smije biti
popreĉnih strujanja.Postupak je brz, prikladan je za uĉestala mjerenja protoka, te je
pogodan za sluĉaj povratnih strujanja i uspora. Toĉnost iznosi ± 5%.
5. ZAKLJUČAK
Kad govorimo i pišemo o mjerenju protoka u slivovima, mislimo na mjerenje
protoka u rijekama, u plovnim, melioracijskim, derivacijskim, drenaţnim i drugim
kanalima razliĉite namjene. Pri strujanju tekućine u otvorenim kanalima slobodna
površina izvrgnuta je samo atmosferskom tlaku i ona se zato mijenja – širi, suţava,
podiţe ili spušta. Zbog takvog karaktera strujanja u otvorenim kanalima javlja se
mnoštvo zanimljivih hidrauliĉkih fenomena koji se ĉesto mogu iskoristiti za mjerenje
protoka. Zbog meĊusobno razliĉitih znaĉajki strujanja razliĉiti su i postupci mjerenja
protoka.
Mjerenjima protoka ljudi se bave od davnine. U posljednje doba pored
standardnih postupaka sve više dolazi do izraţaja nekoliko potpuno novih metoda
mjerenja protoka. Razvoj mjerne tehnike, posebno elektronike, omogućio je korištenje
sofisticiranom opremom (npr. elektromagnetsko ili ultrazvuĉno mjerenje protoka), a
istodobno se u klasiĉne postupke mjerenja sve više uvodi nova tehnologija i oprema.
Ipak, svi inţenjeri, hidrolozi ili hidrodinamiĉari koji se bave problemom mjerenja
protoka svakodnevno se susreću s uvijek novim i specifiĉnim zahtjevima koji izlaze iz
potrebe mjerenja protoka u najraznovrsnijem okruţenju ili okolišu.
Popis literature:
Terek B. (1998.) : Hrvatska vodoprivreda, Mjerenje protoka u otvorenim kanalima,
Zagreb
Terek B. (1998.) : Hrvatska vodoprivreda, Mjerenje protoka u otvorenim kanalima (II),
Zagreb
Terek B. (1998.) : Hrvatska vodoprivreda, Mjerenje protoka u otvorenim kanalima (III.),
Zagreb
Terek B. (1998.) : Hrvatska vodoprivreda, Mjerenje protoka u otvorenim kanalima (V.),
Zagreb
Terek B. (1998.) : Hrvatska vodoprivreda, Protokomjeri, Zagreb
Podaci s interneta:
Patrĉević Vladimir, Otjecanje, 18.kolovoz 2012.,
http://miha.gfv.hr/moodle/mod/resource/view.php?id=2845
Patrĉević Vladimir, Otjecanje, 18.kolovoz 2012.,
http://miha.gfv.hr/moodle/mod/resource/view.php?id=1493
Patrĉević Vladimir, Otjecanje, 22.kolovoz 2012.,
http://miha.gfv.hr/moodle/mod/resource/view.php?id=1530
