10 hidrometria vitezelor si debitelor.pdf

HIDROMETRIA VITEZELOR I A DEBITELOR N RURI

155

10. HIDROMETRIA VITEZELOR I A DEBITELOR N RURI

10.1. Fundamentarea teoretic

n albiile deschise naturale i artificiale (canale), viteza medie a ntregii seciuni pline rezult din mulimea de viteze punctuale distribuite n tot cuprinsul seciunii. Pentru msurarea vitezei locale n cursurile de ap de suprafa se pot folosi : flotorul, batometrul-tahimetru, tubul Pitot, sisteme laser i morica hidrometric. Aparatul cel mai utilizat, n prezent, pentru msurarea vitezelor locale n ruri, este morica hidrometric, datorit preciziei i comoditii n utilizare. Se pot folosi mai multe tipuri de moriti. Schema principal a unei moriti normale este redat mai jos. Prile componente ale unei moriti hidrometrice sunt: rotorul (elicea), corpul, coada de dirijare i dispozitivul de semnalizare i nregistrare (figura 10.1). Aparatul este astfel conceput nct la o singur rotaie a axului su, elicea s se nvrteasc de N ori; odat cu axul se rotete o singur dat i rotia dinat a dispozitivului de semnalizare, angrenat printr-un ghivent elicoidal, care prin cuiul de contact restabilete n circuit curentul electric alimentat din baterii. n acest mod, de fiecare dat a contactului se produce semnalul care poate fi acustic (sonerie electric) sau optic (bec).

Figura 10.1 Schema constructiv a moritii hidrometrice a) schema de detaliu; b) schema de ansamblu


156

Aparatul introdus n curentul de ap transform prin intermediul elicei, viteza orizontal a firelor de curent n vitez de rotaie. ntre viteza local v a apei i numrul de rotaii n al elicei n unitatea de timp, exist o relaie liniar, care prin tararea moritii n condiii speciale de laborator, este dat sub forma:

v = a + n b (10.1)

unde a i b sunt dou constante ale aparatului.

Dac ntr-un punct al curentului s-au nregistrat S semnale n timpul cronometrat T, atunci turaia n din ecuaia anterioar este dat de formula :

T

SNn

)1( [rot/sec] (10.2)

De exemplu, n patru minute i 30 de secunde nregistrate pe cronometru, soneria a dat 15 semnale la fiecare N=20 rotaii; din relaia anterioar se obine turaia:

35,1270

280

30604

)115(20

n rot/sec

Pentru a se obine o valoare medie a turaiei (vitezei), timpul T nu va fi mai mic de 60 secunde.

Moritile normale pot nregistra viteze de 0,054,0 m/s, montnd una sau alta din cele dou elice ale aparatului, dupa instruciunile furnizate de constructor. Indiferent de tip, moritile hidrometrice pot fi cu tij sau suspendate. Utilizarea moritilor cu tij se face pn la adncimi ale apei de 3,5 m, iar pentru adncimi mai mari se folosesc moriti suspendate. Pentru albii accesibile cu o barc sau de pe o punte, se recurge la morica cu tij care se introduce n ap vertical. Cnd accesul se realizeaz pe bacuri, vase sau poduri, morica se suspend de un cablu, iar pentru msurtori sistematice de lung durat se construiesc teleferice cu cabin. Msurarea vitezelor locale se face pe cteva verticale ntr-o seciune transversal a curentului de ap. Numrul verticalelor se considera n funcie de limea albiei, recomandndu-se: cinci verticale pentru limi sub 100 metri, apte pentru 100300 m, nou pentru 300600 m etc. [Giurma I., .a.,1980]. n ceea ce privete numrul i poziia punctelor pe o vertical, n mod curent, se fac msurtori n cinci puncte pentru care se indic poziiile: la suprafaa curentului, la 0,2h la 0,6h la 0,8 h i n apropierea fundului albiei. Datele obinute permit determinarea vitezei medii pe vertical prin metode analitice sau grafo-analitice [Diaconu C., 1999].


157

Relaiile de calcul pentru obinerea vitezelor medii pe vertical sunt date n tabelul 10.1.

Tabelul 10.1 Calculul vitezelor medii pe verticale Adncimea

[cm] Punctul standard

Formula vitezei medii

[m/s]

< 15 cm - -

1520 cm 0,6 h hm vv 6,0

2040 cm s, f 2

fs

m

vvv

4080 cm 0,2h ; 0,6 h ; 0,8 h 4

2 8,06,02,0 hhhm

vvvv

> 80 cm s ; 0,2h ; 0,6 h ; 0,8 h ; f 10

233 8,06,02,0 fhhhsm

vvvvvv

10.2. Exemple de calcul

La un post hidrometric trebuie efectuat o msurtoare de debit. Determinarea debitului trebuie precedat de o msurtoare de viteze cu ajutorul moritii hidrometrice. Datele privind profilul transversal al albiei se prezint n tabelul 10.2. Tabelul 10.2 Elemente ale seciunii transversale a rului

Verticale MS I II III IV V VI VII MD

Distane ntre

verticale [m]

2

4 5 6 5 3 2 2

Adncimea n dreptul verticalei

[m]

0 0,25 0,54 0,72 0,90 0,94 0,84 0,38

0

Vitezele msurate n seciunea transversal n verticalele stabilite sunt date n tabelul 10.3.

Tabelul 10.3 Vitezele msurate n verticale

Verticala Adncimea h [m]

Vitezele msurate n puncte pe verticalele seciunii [m/s]

s 0,2 h 0,6 h 0,8 h f

I 0,25 0,40 - - - 0,28

II 0,54 - 0,89 0,74 0,65 -

III 0,72 - 0,95 0,90 0,80 -

IV 0,90 1,00 1,05 0,98 0,85 0,70

V 0,94 1,08 1,15 1,05 0,90 0,66

VI 0,84 0,84 0,90 0,79 0,67 0,49

VII 0,38 - 0,50 0,45 0,40 -


158

10.2.1. Calculul vitezelor medii pentru fiecare vertical

n funcie de adncimea n dreptul fiecrei verticale i utiliznd formulele din tabelul 10.1 se obin urmtoarele valori pentru vitezele medii de pe verticale:

m/s 34,02

28,040,0

I

mv (10.3)

m/s 75,04

65,074,0289,0

II

mv (10.4)

m/s 88,04

80,090,0295,0

III

mv (10.5)

m/s 949,010

70,085,0298,0305,130,1

IV

mv (10.6)

m/s 014,110

66,090,0205,1315,1308,1

V

mv (10.7)

m/s 764,010

49,067,0279,0390,0384,0

VI

mv (10.8)

m/s 45,04

40,045,0250,0

VII

mv (10.9)

10.2.2. Calculul suprafeelor medii situate ntre verticale i a suprafeei totale a seciunii udate Pentru calculul acestor suprafee se ntocmete un profil transversal al seciunii analizate utiliznd datele din tabelul 10.2.

Suprafeele pariale cuprinse ntre verticalele seciunii, se determin cu ajutorul acestui profil transversal utiliznd formule geometrice pentru arii i anume:

2m 25,05,0225,0 IMSA (10.10)

2m 58,142

54,025,0

IIIA (10.11)

2m 20,352

72,054,0

IIIIIA (10.12)


159

2m 86,462

90,072,0

IVIIIA (10.13)

h [m]

0

0,25

0,50

0,75

1,00

1,25

Numr punct (verticala)

MS I II III IV V VI VII MD

Adncimea [m] 0 0,25 0,54 0,72 0,90 0,94 0,84 0,38 0

Distane pariale dintre verticale [m]

2 4 5 6 5 3 2 2

Distane cumulate dintre verticale [m]

0 2 6 11 17 22 25 27 29

Figura 10.2 Profilul transversal al albiei

2m 60,452

94,090,0

VIVA (10.14)

2m 67,232

84,094,0

VIVA (10.15)

2m 22,122

38,084,0

VIIVIA (10.16)

2m 38,038,022

1MDVIIA (10.17)

2 86,1838,22,167,246086,420,358,125,0 mAA jiTOTALA (10.18)


160

10.2.3. Trasarea hodografului vitezelor

Pentru seciunea transversal analizat se poate trasa un grafic al evoluiei vitezelor pe fiecare vertical, adic hodograful vitezelor (figura 10.3).

h [m]

0

0,25

0,50

0,75

1,00

1,25

Numr punct (verticala)


Adncimea [m] 0 0,25 0,54 0,72 0,90 0,94 0,84 0,38 0

Distane pariale dintre verticale

[m]

2 4 5 6 5 3 2 2

Distane cumulate dintre

verticale [m] 0 2 6 11 17 22 25 27 29

Figura 10.3 Hodograful vitezelor ( scara vitezelor este = 1 m/s)

10.2.4. Calculul debitelor pariale care se scurg ntre verticale

Debitele pariale dintre verticale se obin nmulind suprafeele dintre aceste verticale cu viteza medie pe acea poriune din seciune.

svAQ med IMSIMSIMS /m 0425,02

34,025,0 3 (10.19)

svAQ medIIIIIIIII /m 8611,02

75,034,058,1 3

(10.20)

svAQ medIIIIIIIIIIIIIII /m 608,22

88,075,020,3 3

(10.21)


161

svAQ medIVIIIIVIIIIVIII /m 444,42

949,088,086,4 3

(10.22)

svAQ medVIVVIVVIV /m 519,42

014,1949,060,4 3

(10.23)

svAQ medVIVVIVVIV /m 373,22

764,0014,167,2 3

(10.24)

svAQ medVIIVIVIIVIVIIVI /m 74,02

45,0764,022,1 3

(10.25)

svAQ medMDVIIMDVIIMDVII /m 0855,02

45,038,0 3 (10.26)

sQQ jiTOTAL /m 6731,15 3 (10.27)

10.2.5. Calculul vitezei medii pe seciune Aceast vitez se poate determina raportnd debitul total scurs la suprafaa total a seciunii, adic:

m/s 831,086,18

6731,15

TOTALA

TOTALmed

A

Qv (10.28)

10.2.6. Calculul debitului total prin procedeul debitelor pe unitatea de

lime de ru Pe fiecare vertical din seciune se poate calcula debitul pe unitatea de lime cu formula:

smi

med

i

medi v

vq /2

m

mmm/s h

1

1h i

i

(10.29)

Astfel pentru datele din tabelul 10.3 se obine:

shvq II

medI /m 085,025,034,02 (10.30)

shvq IIII

medII /m 405,054,075,02 (10.31)


162

shvq IIIIII

medIII /m 6336,072,088,02 (10.32)

shvq IVIV

medIV /m 8541,090,0949,02 (10.33)

shvq VV

medV /m 9531,094,0014,12 (10.34)

shvq VIVI

medVI /m 641,084,0764,02 (10.35)

shvq VIIVII

medVII /m 171,038,045,02 (10.36)

Cu valorile astfel obinute se poate trasa curba debitelor unitare pe lime a rului (figura 10.4). Din punct de vedere fizic suprafaa acestui grafic reprezint debitul total. Ca atare debitele pariale sunt egale cu suprafeele cuprinse ntre verticalele corespunztoare.

Rezult:

smm

s

sQ IMS /3

2m

; /m 085,02

2085,0 3 (10.37)

/m 98,042

405,0085,0 3 sQ III

(10.38)

/m 5965,252

6336,0405,0 3 sQ IIIII

(10.39)

/m 4631,462

8541,06336,0 3 sQ IVIII

(10.40)

/m 518,452

9531,08541,0 3 sQ VIV

(10.41)

/m 39115,232

641,09531,0 3 sQ VIV

(10.42)

/m 812,022

171,0641,0 3 sQ VIIVI

(10.43)

/m 171,02

2171,0 3 sQ MDVII

(10.44)

sQQ jiTOTAL /m 01675,16 3 (10.45)


163

q [m2/s]

1,00

0,80

0,60

0,40

0,20

0

Numr punct

(verticala) MS I II III IV V VI VII MD

Adncimea [m] 0 0,25 0,54 0,72 0,90 0,94 0,84 0,38 0

Debit unitar

[m2/s] 0 0,085 0,405 0,6336 0,8541 0,9531 0,641 0,171 0

Distane pariale dintre verticale

[m] 2 4 5 6 5 3 2 2

Distane cumulate dintre

verticale [m] 0 2 6 11 17 22 25 27 29

Figura 10. 4 Curba debitelor unitare

ntre cele dou procedee se nregistreaz diferene i de aceea se calculeaz eroarea cu urmtoarea formul:

%145,210001675,16

6731,1501675,16%100

II

TOTAL

II

TOTAL

I

TOTAL

Q

QQ (10.46)

10.3. Calculul debitului n perioada de ape mari Pentru perioadele cu ape mari se poate utiliza formula lui Chzy:

2/13/21

IRn

ARIACQ (10.47)

unde:

n este rugozitatea albiei; A, aria seciunii transversale; I, panta suprafeei apei; R, raza hidraulic.

Raza hidraulic se calculeaz utiliznd formula R=A/P, unde P este perimetrul udat.


164

Formula lui Chzy se aplic pentru albia minor i albia major determinate, astfel nct caracteristicile morfologice i hidraulice ale albiei s fie asemntoare. Nivelul apei la viitur, HV este prezentat n figura 10.5:

HV = H0 + H (10.48)

Hv[m]

0,50

H0

0,25

0,50

H1 0,75

1,00

1,25

Albia

major stng

Albia

major dreapt

Albia minor Punct


Adncimea apei [m]

0 0,25 0,54 0,72 0,90 0,94 0,84 0,38 0

Distane cumulate

[m]

15 2 4 5 6 5 3 2 2

40

Figura 10.5. Seciunea transversal cu albia minor i major

10.3.1. Calculul debitelor scurse prin albia minor n timpul apelor mari

Delimitarea albiei minore se face de la nivelul H0 dup cum este prezentat n figura 10.5. S-a considerat panta rului de 0,5 . Rugozitatea albiei s-a considerat n albia major stng de 0,076 i n albia major dreapt 0,105. Elementele care intr n formula lui Chzy sunt urmtoarele: perimetrul udat calculat aplicnd teorema lui Pitagora (ntre dou verticale succesive), cunoscnd adncimile apei pe cele 6 verticale i distanele dintre verticale.

m 1133,3138,0450,0210,0304,05

18,0618,0529,0425,02

22222222

22222222

mP (10.49)


165

raza hidraulic la nivelul apei H0

m 606,01133,31

86,18

m

mm

P

AR (10.50)

rugozitatea albiei minore calculat din formula lui Chzy

01926,06731,15

105606,086,18 43/22/13/2

Q

IRAn mm (10.51)

aria albiei minore Av la ape mari

Av =Am + H x B = 18,86 + 0,56 x 29 = 35,1 m2 (10.52)

raza hidraulic Rv a albiei minore pentru nivelul apei HV

m 128,11133,31

10,35

m

vv

P

AR (10.53)

debitul scurs prin albia minor Qm, conform formulei lui Chzy

sIRAn

Q vvm /3

m 158,44105128,11,3501926,0

11 43/23/2 (10.54)

10.3.2. Calculul debitelor scurse prin albia major stng

aria seciunii de scurgere

2m 42150

2

56,0

2

stst L

HA (10.55)

perimetrul udat

m 00104,1503136,2250015056,0 2222 stst LHP (10.56)


166

raza hidraulic

m 279,000104,150

42

st

stst

P

AR (10.57)

rugozitatea se consider ca avnd valoarea n=0,076

debitul scurs prin albia major stng este

sIRAn

Q ststst /m 276,5105279,042076,0

11 343/23/2 (10.58)

10.3.3. Calculul debitelor scurse prin albia major dreapt aria seciunii de curgere

2m 2,11402

56,0

2

drdr L

HA (10.59)

perimetrul udat

m 0039,403136,16004056,0 2222 drdr LHP (10.60)

raza hidraulic

m 2799,00039,40

2,11

dr

drdr

P

AR (10.61)

rugozitatea se consider n=0,105

debitul scurs prin albia major stng este

sIRAn

Q drdrdr /3

m 0183,11052799,02,11105,0

11 43/23/2 (10.62)

Debitul scurs n perioada apelor mari va fi:

sdrmstv QQQQ /3

m 4523,500183,1158,44276,5 (10.63)


167

10.4. Trasarea cheii limnimetrice

10.4.1. Calculul debitului rului pentru un nivel oarecare

Nivelul H1 este stabilit n figura 10.5 pentru adncimea apei de 0,54 m. Calculul se efectueaz n succesiunea urmtoare:

calculul perimetrului udat

m 2446,203,02,1

1,0304,0518,0618,05

22

22222222

1

P (10.64)

calculul seciunii de curgere

2

1

m 20,52,1)54,084,0(2

13)]54,084,0()54,094,0[(

2

15)]54,09,0(

)54,094,0[(2

16)]54,09,0()54,072,0[(

2

1)54,072,0(5

2

1

A

(10.65)

calculul razei hidraulice

R1=A1/P1=5,20/20,2446=0,2568 m (10.66)

calculul debitului rului corespunzator nivelului H1

sIRAn

Q /m 4389,21052568,02,501926,0

11 343/23/2111

(10.67)

n tabelul 10.4 sunt prezentate valorile necesare trasrii cheii limnimetrice.

Tabelul 10.4 Perechile de valori necesare trasrii cheii limnimetrice

H1=0,54 m H0=0,94 m Hv=1,50 m

Q1=2,4389 m3/s Q0=15,6731 m

3/s Qv=50,4523 m

3/s

n figura 10.6 este trasat cheia limnimetric corespunztor datelor din tabelul 10.4.


168

Figura 10.6 Cheia limnimetric pentru nivelul apei la viitur Q=f (H)

10.5. Concluzii

a) Stabilirea vitezei de curgere a apei printr-o seciune transversal a unui ru este prima etap n determinarea debitului lichid care tranziteaz aceast seciune. b) Morica hidrometric este instrumentul cel mai utilizat pentru msurarea vitezei locale n ruri. Pentru determinarea vitezei medii pe seciune este necesar ca pe fiecare vertical s se stabileasc numrul de puncte de msurare, n funcie de adncimea apei. c) Msurarea punctual a adncimii apei ajut la trasarea seciunii transversale i la determinarea seciunii udate. d) Produsul dintre seciunea udat i viteza medie pe seciune determin debitul scurs prin seciune. e) Pentru perioadele de viituri n care, curgerea are loc i prin albia major se poate utiliza formula lui Chzy, care ine cont de rezistena la curgere dat de coeficientul de rugozitate.

f) Debitele lichide msurate, corespund unui nivel citit la mira hidrometric. g) Perechile de valori debit-nivel sunt utilizate la trasarea cheilor limnimetrice cu

ajutorul crora se poate afla n orice moment debitul cunoscnd nivelul.


169

10 hidrometria vitezelor si debitelor.pdf

Documents