Υδροµετρία. Εργαστήριο Υδρολογίας και Αξιοποίησης Υδατικών Πόρων Αθήνα 2009 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Transcript

1 Υδροµετρία Εργαστήριο Υδρολογίας και Αξιοποίησης Υδατικών Πόρων Αθήνα 2009 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η παροχή των υδατορευµάτων που προκύπτει από την υδροµετρία είναι η κύρια συνιστώσα του υδρολογικού κύκλου και αποτελεί το κύριο αντικείµενο του υδραυλικού µηχανικού Η υδροµετρία, σε αντίθεση µε τη βροχοµετρία, είναι ιδιαίτερα πολύπλοκη και πολυδάπανη διαδικασία, και απαιτεί ειδικευµένο προσωπικό τόσο για τις διαδικασίες υπαίθρου όσο και για τις εργασίες γραφείου Κύριος στόχος της υδροµετρίας είναι η παραγωγή αδιάλειπτων χρονοσειρών παροχής σε διάφορες χρονικές κλίµακες και απαιτείται η εκτέλεση µετρήσεων παροχής ανά τακτά χρονικά διαστήµατα (π.χ. εβδοµάδας ή δεκαπενθηµέρου) Όµως, ποτέ η χρονική πυκνότητα των µετρήσεων παροχής δεν είναι η απαιτούµενη (λόγω των ιδιαίτερων δυσκολιών και του σηµαντικού κόστους τους) και έτσι για την πύκνωση των χρονοσειρών παροχής στο επιθυµητό χρονικό βήµα (π.χ. ηµερήσιο, ωριαίο ή και ακόµη µικρότερο) µετριέται η στάθµη του υδατορεύµατος της οποίας η µέτρηση είναι απλούστερη Η υδροµετρία αποτελεί σήµερα ολόκληρη εφαρµοσµένη επιστήµη που απασχολεί σηµαντικές βιοµηχανικές µονάδες µε ενσωµατωµένα ερευνητικά κέντρα, αλλά και υδρολογικές υπηρεσίες. Προδιαγραφές για την υδροµετρία έχουν εκδώσει τόσο ο World Meteorological Organization (1981) όσο και ο International Standards Organization (1983) 1

2 Ποταµός Οι µεγαλύτεροι ποταµοί της γης Ήπειρος Έκταση, Μέσος ετήσιος Μήκος, Μέση παροχή, m 3 όγκος απορ km 2 km /s ροής, km 3 Μέσο ετήσιο ύψος απορροής, mm Συντελεστής απορροής 1. Amazon N. Αµ Congo Αφρική Yangtzekiang Ασία Orinoco Ν. Αµ Brahmaputra Ασία La Plata Ν. Αµ Yenesei Ασία Mississippi Β. Αµ Lena Ασία Mekong Ασία Ganges Ασία Irrawaddy Ασία Ob Ασία Siking Ασία Amur Ασία St. Lawrence Β. Αµ Σύνολο ή µέση τιµή Αχελώος Σηµείωση: Ο Νείλος (που δεν περιλαµβάνεται στους 16 µεγαλύτερους σε παροχή ποταµούς) έχει µήκος 6521 km. ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ ΕΚΤΙΜΗΣΗΣ ΠΑΡΟΧΗΣ Υ ΑΤΟΡΕΥΜΑΤΟΣ 1. Συνεχής µέτρηση στάθµης (σταθµήµετρο, σταθµηγράφος) 2. Περιστασιακή µέτρηση παροχής 3. Κατάρτιση καµπυλών στάθµης-παροχής 4. Επέκταση καµπύλης στάθµης-παροχής 5. Εκτίµηση παροχών 6. ιόρθωση παροχών (Stout) 2

3 ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΤΑΘΜΗΣ Τυπική εγκατάσταση σταθµηγράφου Σταθµηγράφος Αντίβαρο Σταθµήµετρο Πλωτήρας Φρεάτιο Σωλήνες επικοινωνίας Υ ΡΟΜΕΤΡΙΚΟΣ ΣΤΑΘΜΟΣ Παραδείγµατα Γεφυρα Μεσοχωρίου (Τιταρήσιος) Θέση Αµυγδαλιά (Πηνειός) 3

4 ΜΕΘΟ ΟΙ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΠΑΡΟΧΗΣ Μέτρηση µε παρεµβολή µετρητών παροχής Παρεµβάλλονται στη ροή ειδικά τµήµατα όπως υπερχειλιστές και στενώσεις και η παροχή εκτιµάται µε υδραυλικές σχέσεις Μέτρηση πεδίου ταχυτήτων Η παροχή εκτιµάται µε βάση το πεδίο ταχυτήτων και το εµβαδόν της υγρής διατοµής Μέτρηση µε τη µέθοδο διαλυµάτων ιαχέεται ένας δείκτης εύκολα ανιχνέυσιµος και αναλύεται δείγµα σε µια πιο κατάντη διατοµή Εκτίµηση µε πλωτήρες Χονδροειδής µεθοδος που στηρίζεται στη µέτρηση της ταχύτητας ενός αντικειµένου που επιπλέει Εκτίµηση µε υδραυλικές σχέσεις ροής Η παροχή εκτιµάται προσεγγιστικά µε τη χρήση ηµιεµπειρικών σχέσεων της υδραυλικής Σύγχρονες µέθοδοι µέτρησης Μέθοδος υπερήχων, ηλεκτροµαγνητική µέθοδος, µέθοδος φυσαλίδων MΕΤΡΗΣΗ ΠΕ ΙΟΥ ΤΑΧΥΤΗΤΩΝ Τυπική κατανοµή ταχυτήτων σε κατακόρυφη διατοµή υδατορεύµατος Απόσταση απ' την επιφάνεια προς συνολικό βάθος Ελεύθερη επιφάνεια νερού Σηµειακή ταχύτητα προς µέση ταχύτητα u = u u u = u u u

5 ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΕ ΙΟΥ ΤΑΧΥΤΗΤΩΝ KAI ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΠΑΡΟΧΗΣ Συνολική παροχή: Q i = = N q i i= 1 Παροχή νοητού τµήµατος: q i = v A i i Μέτρηση στο 0.6 του βάθους v i =u 0.6 Μέτρηση στο 0.2 και 0.8 του βάθους v i =(u 0.2 +u 0.8 )/2 Εµβαδόν νοητού τµήµατος Α i Μέτρηση στο 0.2, 0.4και 0.8 του βάθους v i = u 0.6 /2 + (u 0.2 +u 0.8 )/4 ΑΥΤΟΜΑΤΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΤΑΘΜΗΣ 5

6 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΤΑΧΥΤΗΤΩΝ Μυλίσκος και σύστηµα ανάρτησης ΙΑΤΟΜΕΣ ΘΕΣΕΩΝ ΙΚΤΥΟΥ ΕΥ ΑΠ ιατοµή ιώρυγας Καρδίτσας

7 ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΕ ΙΟΥ ΤΑΧΥΤΗΤΩΝ KAI ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΠΑΡΟΧΗΣ ιαστάσεις Μέτρηση πεδίου ταχυτήτων (29/1/2003) Στάθµη: 2.55 m Εµβαδόν: 27.81m 2 Βρεχόµενη περίµετρος: m Υδραυλική ακτίνα: m Μετρηµένη παροχή: m 3 /s Συντελεστής τραχύτητας: n= ή K=59 ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΕ ΙΟΥ ΤΑΧΥΤΗΤΩΝ KAI ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΠΑΡΟΧΗΣ 7

8 ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΕ ΙΟΥ ΤΑΧΥΤΗΤΩΝ KAI ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΠΑΡΟΧΗΣ Υ ΡΟΜΕΤΡΙΚΟΣ ΣΤΑΘΜΟΣ Όργανα και εγκαταστάσεις Ο υδροµετρικός σταθµός περιλαµβάνει διάφορα όργανα και εγκαταστάσεις που εξυπηρετούν τη µέτρηση τόσο της στάθµης όσο και της παροχής του υδατορεύµατος. Ειδικότερα: Ο σταθµός περιλαµβάνει υποχρεωτικά σταθµήµετρο για τη µέτρηση της στάθµης του υδατορεύµατος Είναι επιθυµητό (χωρίς όµως να µπορεί να επιτευχθεί πάντα, κυρίως για οικονοµικούς λόγους) ο σταθµός να περιλαµβάνει και σταθµηγράφο, ο οποίος καταγράφει συνεχώς τη στάθµη, παρέχοντας έτσι τη δυνατότητα για λεπτοµερέστερη χρονική αποτύπωση της εξέλιξης της στάθµης του υδατορεύµατος, απαραίτητη ιδίως για τη µελέτη πληµµυρικών υδρογραφηµάτων Στη θέση του σταθµού θα πρέπει να διατίθενται όργανα µέτρησης της ταχύτητας. Τα όργανα αυτά δεν απαιτείται να λειτουργούν συνεχώς και έτσι είναι δυνατό, για λόγους οικονοµίας, περισσότεροι του ενός σταθµοί µιας περιοχής να εξυπηρετούνται από τα ίδια όργανα Γενικά θα πρέπει να υπάρχει τρόπος γεφύρωσης του υδατορεύµατος ώστε να είναι δυνατό να γίνει µέτρηση σε οποιοδήποτε σηµείο της διατοµής του. Συχνά για το σκοπό αυτό χρησιµοποιούνται υπαρκτές οδικές ή σιδηροδροµικές γέφυρες, οι οποίες καθορίζουν και τη θέση του σταθµού. Ωστόσο, είναι προτιµότερο να γίνεται εγκατάσταση ειδικής εναέριας καλωδίωσης, η οποία εξυπηρετεί αποκλειστικά το σκοπό της υδροµετρίας 8

9 Υ ΡΟΜΕΤΡΙΚΟΣ ΣΤΑΘΜΟΣ Υδρολογική καταλληλότητα Η θέση εγκατάστασης του υδροµετρικού σταθµού πρέπει να εξασφαλίζει στον καλύτερο δυνατό βαθµό την πλήρωση των ακόλουθων κριτηρίων: συγκέντρωση της ροής σε µια µοναδική κοίτη (αποφυγή διάσπαρτης ροής σε πολλούς κλάδους) απλότητα και οµοιοµορφία της γεωµετρίας τόσο της διατοµής (αποφυγή διατοµών µε γεωµετρικά σύνθετες διατοµές, αποφυγή εµποδίων ανάντη ή κατάντη της διατοµής) όσο και της οριζοντιογραφίας του ποταµού (προτίµηση των ευθύγραµµων έναντι των καµπύλων) µη επηρεασµό της στάθµης από κατάντη συνθήκες ανεξάρτητες της παροχής (π.χ. από στάθµη λίµνης, επίδραση παλιρροιών, επίδραση συµβολής άλλου υδατορεύµατος κτλ.) περιορισµένη δραστηριότητα διάβρωσης και απόθεσης φερτών σταθερότητα στη σχέση στάθµης - παροχής ευαισθησία στη µεταβολή της παροχής για όλο το πεδίο µεταβολής της στάθµης αντιπροσωπευτικότητα της θέσης για τους τυχόν ειδικότερους σκοπούς που εξυπηρετεί ο υδροµετρικός σταθµός (π.χ. γειτνίαση µε τη θέση φράγµατος, σε περίπτωση που τα δεδοµένα του σταθµού θα χρησιµοποιηθούν για τη µελέτη φράγµατος) εύκολη πρόσβαση των συνεργείων εγκατάστασης και συντήρησης, και ιδίως των συνεργείων µέτρησης ακόµη και σε περιπτώσεις έντονων πληµµυρών οικονοµικότητα (συγκριτικά µε άλλες θέσεις) εγκατάστασης, λειτουργίας και συντήρησης Υ ΡΟΜΕΤΡΙΚΟΣ ΣΤΑΘΜΟΣ Υδρολογική καταλληλότητα 9

10 ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΣΤΑΘΜΗΣ ΣΤΗ ΙΑΡΚΕΙΑ ΠΛΗΜΜΥΡΑΣ Στάθµη Καµπύλη µόνιµης οµοιόµορφης ροής Καθοδικός κλάδος Βροχωτή καµπύλη µη µόνιµης ροής Ανοδικός κλάδος Παροχή ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΙΑΤΟΜΗΣ ΣΤΗ ΙΑΡΚΕΙΑ ΠΛΗΜΜΥΡΑΣ 10

11 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ Υ ΡΟΜΕΤΡΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ Καµπύλες στάθµης-παροχής(θέση Αχλαδόκαστρο-ποταµός Εύηνος) Q = C (h a) N Στάθµη, h (m) (α) Μετρήσεις Καµπύλη ελάχιστων τετραγώνων Παροχή, Q (m 3 /s) log Q = log C + N log (h a) Στάθµη, h (m) 10 1 (β) 0.1 Μετρήσεις Καµπύλη ελάχιστων τετραγώνων Παροχή, Q (m 3 /s) ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ Υ ΡΟΜΕΤΡΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ Καµπύλες στάθµης-παροχής στη θέση Πόρος Ρηγανίου 11

12 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ Υ ΡΟΜΕΤΡΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ Καµπύλη Στάθµης-Παροχής 6 Ln(Q) = 1,9128*Ln(H) + 2,9753 R 2 5 = 0, ln(q) 3-2,0-1,5-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 ln(h) Q [m3/sec] Q = 19,595*H 1,9128 R 2 = 0,9968 Καµπύλη Στάθµης-Παροχής ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 H [m] ιόρθωση Stout Σταθµήµετρο: λιγότερες µετρήσεις, αλλάπιο απλό όργανο (σφάλµα ανάγνωσης της στάθµης στη σταδία). Σταθµηγράφος: περισσότερες µετρήσεις αλλάσφάλµατα λόγω δυσλειτουργίας αισθητήρα, καταγραφικού µηχανισµού, κακή τοποθέτηση µετροταινίας κ.α. Θεωρείται ορθή η στάθµη του σταθµηµέτρου, ενώ η χρονοσειρά του σταθµηγράφου διορθώνεται βάσει των ορθών τιµών. 12

13 A/A Ηµεροµηνία Σταθµηγρ. h [m] ιόρθωση Stout h 1 =h 1 -h 1 εκτ h 6 =h 6 -h 6 εκτ h 12 =h 12 -h 12 εκτ h διορ =h - h Σταθµήµ. h [m] Παροχή [m 3 /s] Qεκτ. [m 3 /sec] hεκτ. [m] Βήµα h [m] hδιορθ. [m] Qδιορθ. [m 3 /sec] 1 27/12/2003 2,58 2,60 125,0 120,1 2,63-0,05 2,63 125,0 2 28/12/2003 2,63 124,6-0,04 2,67 128,3 3 29/12/2003 2,67 128,2-0,01-0,03 2,70 130,8 4 30/12/2003 2,77 137,6-0,01 2,78 138,9 5 31/12/2003 2,91 151,2 0,00 2,91 151,2 6 1/1/2004 3,03 3,00 162,0 163,3 3,02 0,01 3,02 162,0 7 2/1/2004 2,97 157,2 0,00 2,97 156,9 8 3/1/2004 2,92 152,2 0,01-0,01 2,93 152,9 9 4/1/2004 2,85 145,3-0,02 2,87 146,9 10 5/1/2004 2,84 144,3-0,03 2,87 146,9 11 6/1/2004 2,82 142, ,86 145,9 12 7/1/2004 2,77 2,80 142,0 137,6 2,82-0,05 2,82 142,0 a Q = e * h b h = e ln Q a b a Q = e * h b ιόρθωση Stout Έστω ότι για δεδοµένες ηµεροµηνία έχω καµπύλη στάθµηςπαροχής (στάθµη σταθµηµέτρου, h) και στάθµη σταθµηγράφου (h ). Χρειάζονται διόρθωση οι στάθµες του σταθµηγράφου. Για τις ηµεροµηνίες που έχω µετρήσεις θα υπολογιστεί το αντίστοιχο h εκτ. βάσει του Q,µε εφαρµογή της Q-h (h h εκτ ). Βρίσκω hγια τις ηµεροµηνίες που έχω Q και h, και από βήµα γραµµικής µεταβολής του hσυµπληρώνω την υπόλοιπη στήλη του. Το h διορθ. θα είναι h - h. Εφαρµόζοντας πάλι τη σχέση Q-hυπολογίζεται το Q εκτ.. Στόχος είναι η Q µετρ. να είναι ίδια µε την Q διορθ.. 13

14 ΙΟΡΘΩΣΗ Stout h h(t i ) h(t i + 1 ) h(t i + 2 ) h(t i + 3 ) t i t i + 1 t i + 2 t i + 3 t Χρόνοι µετρήσεων παροχής ΙΟΡΘΩΣΗ Stout 180 Q εκτιµηµένη από καµπύλη Q διορθωµένη (5) Q µετρηµένη (1) 3,1 (4) (2) Αρχική στάθµη ιορθωµένη στάθµη Εκτιµηµένη στάθµη 160 2,9 2,7 2,5 26/12/2003 Στάθµη [m] /12/ /12/ /12/ /12/ /12/2003 1/1/2004 2/1/2004 3/1/2004 4/1/2004 5/1/2004 6/1/2004 7/1/2004 Παροχή [m3/sec (3) 27/12/ /12/ /12/ /12/ /12/2003 1/1/2004 2/1/2004 3/1/2004 4/1/2004 5/1/2004 6/1/2004 7/1/2004 8/1/

15 Στάδια εκτίµησης µέσης παροχής υδατορεύµατος (σε συγκεκριµένο χρονικό διάστηµα) 1. Συνεχής µέτρηση στάθµης (σταθµήµετρο, σταθµηγράφος) 2. Περιστασιακή µέτρηση παροχής 3. Κατάρτιση καµπυλών στάθµης-παροχής (µε στόχο νακαταλήξω σε σχέση Q=a*h b ) 4. Εφαρµογή καµπύλης στάθµης-παροχής 5. Εκτίµηση παροχών (Xρησιµοποιώ τη χρονοσειρά των hκαι βρίσκω τις Qβάσει της σχέσης Q-h. Οι καµπύλες ισχύουν µέχρι κάποιο ύψος, για µεγαλύτερο hχρειάζονται επέκταση (Manning, Chézy)) 6. ιόρθωση παροχών (Stout) ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΠΑΡΟΧΗΣ ΜΕ Υ ΡΑΥΛΙΚΕΣ ΣΧΕΣΕΙΣ ΡΟΗΣ Σχέση του Manning Q = 1 n A R2/3 i 1/2 όπου: Aτο εµβαδόν της διατοµής Rη υδραυλική ακτίνα (= A/Ρ, όπου Pη βρεχόµενη περίµετρος) iη κλίση τριβών, που για µόνιµη ροή είναι ίση µε την κλίση ενέργειας, και n ο συντελεστής τραχύτητας κατά Manning ( για φυσικά υδατορεύµατα) Η εκτίµηση του συντελεστή τραχύτητας nγίνεται από κατάλληλους πίνακες συναρτήσει των χαρακτηριστικών του υδατορεύµατος 15

16 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΠΑΡΟΧΗΣ ΜΕ Υ ΡΑΥΛΙΚΕΣ ΣΧΕΣΕΙΣ ΡΟΗΣ Σχέση του Chézy Q=c*A*R 1/2 *i 1/2 όπου: Aτο εµβαδόν της διατοµής Rη υδραυλική ακτίνα (= A/Ρ, όπου Pη βρεχόµενη περίµετρος) iη κλίση τριβών, που για µόνιµη ροή είναι ίση µε την κλίση ενέργειας, και c ο συντελεστής τραχύτητας (15-30 για φυσικά υδατορεύµατα) 16