ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ 9.1 ΓΕΝΙΚΑ Το µέγιστο τµήµα των γνώσεών µας που απαιτούνται για την κατανόηση της µορφολογίας και συµπεριφοράς των φυσικών υδατορευµάτων οφείλεται στις µακροχρόνιες παρατηρήσεις - µετρήσεις οι οποίες εκτελούνται κατά τη διάρκεια ειδικού προγράµµατος. Στα προγράµµατα αυτά πρέπει να λαµβάνονται υπόψη ορισµένοι παράγοντες όπως: α) η έκταση της περιοχής και η ποικιλία των δεδοµένων που θα συλλεγούν, β) η πυκνότητα των σηµείων µέτρησης, γ) η κατανοµή του χρόνου και ο χρόνος µέτρησης σε σχέση προς τη δίαιτα, δ) η µέθοδος επεξεργασίας των δεδοµένων και η απαιτούµενη ακρίβεια. Οι περισσότερες ερευνητικές εργασίες στοχεύουν στη δηµιουργία αξιόπιστης τράπεζας δεδοµένων παροχών, στερεοπαροχών και στάθµης ελεύθερης επιφάνειας και πυθµένα. Η ακρίβεια των µετρήσεων καθώς και η ποσότητα των δεδοµένων που θα συλλεγούν ποικίλει ανάλογα µε τη φύση της εργασίας. 9.2 ΑΠΟΤΥΠΩΣΕΙΣ Για την αποτύπωση των διαφόρων περιοχών χρησιµοποιούνται επίγειες και µη τεχνικές. Τελευταία εφαρµόζονται ευρύτατα οι τεχνικές της τηλεπισκόπησης. Για το σκοπό αυτό χρησιµοποιούνται αερόστατα, ελικόπτερα, αεροπλάνα, στρατοσφαιρικά µπαλόνια, ρουκέτες και δορυφόροι. Με τους δορυφόρους

2 Κεφ. 9 Μετρήσεις 281 αποτυπώνονται αντικείµενα διαστάσεων µέχρι 10 m x 10 m. Για µεγαλύτερη ακρίβεια χρησιµοποιούνται επίγειες ή άλλες εναέριες αποτυπώσεις. Γενικά η τηλεπισκόπηση εφοδιάζει τους µελετητές µε πληθώρα πληροφοριών για τη χρήση γης, τη φύση της φυτοκάλυψης, τις καλλιέργειες και το έδαφος. Επιπλέον, εξαιτίας της περιφοράς των δορυφόρων είναι δυνατή η συγκέντρωση περιβαλλοντικών πληροφοριών όπως η εξέλιξη των διαβρώσεων και εναποθέσεων και η ρύπανση του νερού. Τα γεωγραφικά συστήµατα πληροφοριών αντιπροσωπεύουν ένα ταχύτατα εξελισσόµενο πεδίο περιοχών της επιστήµης µε κοινούς τοµείς όπως η χαρτογραφία, η φωτογραµµετρία, η γεωγραφία, η τηλεπισκόπηση και η αποτύπωση. Οι κλίµακες που συνήθως χρησιµοποιούνται στην ποτάµια τεχνική είναι: α) 1: για το γενικό σχέδιο διαχείρισης του ποταµού β) 1: ή 1:2.000 για πληροφορίες επί των χαρακτηρισµών των ποταµών σε συνδυασµό µε τα µελλοντικά υδραυλικά έργα που θα σχεδιαστούν και γ) 1:1000 ή 1:500 για έργα µέσα σε πόλεις, όπου υπάρχει σηµαντικός αριθµός έργων όπως γέφυρες, υδροληψίες και έργα προστασίας πρανών ή πυθµένα του υδατορεύµατος Θέση στάθµης ελεύθερης επιφάνειας Η περιοχή των µετρήσεων στάθµης πρέπει να επιλεγεί έτσι ώστε να περιοριστούν τα σφάλµατα λόγω θέσης. Συνεπώς, οι µετρήσεις πρέπει να γίνονται σε ευθύγραµµα τµήµατα του υδατορεύµατος που έχουν κατά το δυνατόν σταθερή γεωµετρία και είναι απαλλαγµένα διαφόρων εµποδίων. Οι µετρήσεις πρέπει να καλύπτουν όλη την περιοχή µεταξύ των ακραίων τιµών και να µην περιορίζονται λόγω κακής επιλογής του σταθµηµέτρου ή κακής λειτουργίας και συντήρησης του. Τα επόµενα σχήµατα δίνουν τον τύπο των οργάνων και τη θέση των µετρήσεων. Σχ. 9.1 Μέτρηση µε βαθµονοµηµένη ράβδο Στάθµη πυθµένα Η τοπογραφία του πυθµένα µπορεί να προσδιοριστεί από την επιφάνεια του

3 282Εισαγωγή στη Μηχανική των Ποταµών Σχ. 9.2 Αυτογραφικό σταθµήµετρο νερού µε βυθοµέτρηση. Η θέση βυθοµέτρησης, πρέπει να προσδιοριστεί µε ακρίβεια. Επιπλέον, οι στάθµες που προσδιορίζονται πρέπει να συσχετιστούν µεταξύ τους ή να συγκριθούν µε γνωστές στάθµες. Το σχήµα 9.3 περιλαµβάνει εγκατεστηµένο µονοδιάστατο ράδιο-σύστηµα όπου για κάθε θέση του πλοιαρίου προσδιορίζεται και µία τιµή του βάθους. Το διδιάστατο ραδιοσύστηµα είναι βασισµένο στην κυκλική, πολική και υπερβολική µέθοδο. Τα συστήµατα αυτά χρησιµοποιούν τα ραδιοκύµατα µε συχνότητα από 104 µέχρι 108 Ηz. Αλλά χρησιµοποιούν µικροκύµατα µε συχνότητα από 108 µέχρι 111 Ηz. Για τις ηχοβολές διακρίνονται τα ακόλουθα όργανα: α) Η βυθοµετρική ράβδος. Ένας από τους πλέον απλούς τρόπους µέτρησης του βάθους του νερού είναι µε ξύλινη βαθµονοµηµένη ράβδο. β) Η βυθοµετρική αλυσίδα. Βασίζεται στην ίδια αρχή µε τη ράβδο και χρησιµοποιείται όταν η ταχύτητα ή το βάθος δεν επιτρέπουν τη χρήση της. Σχ. 9.3 Μονοδιάστατο σύστηµα βυθοµέτρησης Κανονικά αποτελείται από αλυσίδα ή σύρµα στο οποίο είναι κρεµασµένο µολύβδινο βαρίδι. γ) Ηχητικό βυθόµετρο (σχ. 9.4).

4 Κεφ. 9 Μετρήσεις 283 Σχ. 9.4 Μέτρηση βάθους µε ηχητικό βυθόµετρο. Η χρήση δεν περιορίζεται από τη ροή ή το βάθος. Εποµένως, είναι το πλέον κατάλληλο εργαλείο για βυθοµέτρηση. Ένα σύντοµο αλλά έντονο ακουστικό σήµα εκπέµπεται από το όργανο προς τον πυθµένα και στη συνέχεια ανακλάται. Η διαφορά χρόνου µεταξύ εκποµπής και λήψης του σήµατος καταγράφεται και µετατρέπεται σε βάθος. Στις περισσότερες περιπτώσεις οι στάθµες που προσδιορίζονται συσχετίζονται προς το κεκλιµένο επίπεδο αναφοράς. Το επίπεδο αναφοράς είναι παράλληλο προς τη µέση κλίση της ελεύθερης επιφάνειας του νερού. Τα αποτελέσµατα της έρευνας εκφράζονται: α) µε κατά µήκος ή κατά πλάτος τοµές (Σχ. 9.5) ή β) µε βυθοµετρικούς χάρτες (Σχ. 9.6). Σχ. 9.5 Κατά µήκος και πλάτος τοµές 9.3 ΤΑΧΥΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΠΑΡΟΧΕΣ Οι µετρήσεις των ταχυτήτων γίνονται συνήθως µε σκοπό τον προσδιορισµό των παροχών. Υπάρχουν διάφορες µέθοδοι προσδιορισµού των ταχυτήτων όπως µε πλωτήρες ή περιστρεφόµενες έλικες. Η χρήση πλωτήρων (Σχ. 9.7) είναι η πιο απλή. Προσδιορίζεται η ταχύτητα

5 284Εισαγωγή στη Μηχανική των Ποταµών Σχ. 9.6 Βυθοµετρικός χάρτης (µε τις ισοβαθείς) Σχ. 9.7 Παραδείγµατα µε επιφανειακούς ή µη πλωτήρες του πλωτήρα από την οποία η µέση ταχύτητα ροής υπολογίζεται όταν η ταχύτητα στην ελεύθερη επιφάνεια πολλαπλασιαστεί µε συντελεστή που η τιµή του κυµαίνεται µεταξύ 0.85 και Μειονεκτήµατα των µετρήσεων αυτών είναι α) οι µετρήσεις αφορούν στη ταχύτητα της ελεύθερης επιφάνειας και β) ο επηρεασµός τους από τον άνεµο. Τα µειονεκτήµατα αυτά ελαχιστοποιούνται µε τη χρήση υποεπιφανειακών πλωτήρων. Οι µετρήσεις µε έλικα βασίζονται στην αναλογία µεταξύ της ταχύτητας ροής του ρευστού και της γωνιακής ταχύτητας του άξονα περιστροφής της έλικας. Η σχέση αυτή προκύπτει δια µέσου καµπύλης βαθµονόµησης (Σχ. 9.8) και είναι της µορφής: V= α Ν+ α (9.3.1) 1 2

6 Κεφ. 9 Μετρήσεις 285 Σχ. 9.8 Σχέση µεταξύ ταχύτητας και αριθµού στροφών όπου V = η ταχύτητα ροής του ρευστού, Ν = ο αριθµός των στροφών της έλικας και α 1, α 2 συντελεστές µε διαστάσεις. Τα όργανα µετρήσεως χρειάζονται συχνή βαθµονόµηση. Με τη βοήθεια του οργάνου αυτού η ταχύτητα µπορεί να µετρηθεί σε οποιοδήποτε σηµείο της ροής. Μειονεκτήµατα της µεθόδου είναι α) η ευαισθησία του οργάνου και η εύκολη καταστροφή του και β) η δυσκολία προσδιορισµού της διευθύνσεως ροής. Στα πλεονεκτήµατα της µεθόδου περιλαµβάνονται η ταχύτητα διεξαγωγής των µετρήσεων και η ακρίβειά τους. Η παροχή προκύπτει από τη σχέση m Q= b h V i i i i= 1 (9.3.2) όπου m = ο αριθµός των στοιχείων πλάτους b i και ύψους h i στα οποία υποδιαιρείται η διατοµή και V i η ταχύτητα στο κέντρο βάρους του στοιχείου αυτού. Υπάρχουν τρεις µέθοδοι προσδιορισµού της ταχύτητας ως προς την κατακόρυφη διεύθυνση: α) H µέθοδος των σηµείων, όπου η ακρίβεια της µεθόδου αυξάνεται µε την αύξηση του αριθµού των σηµείων µιας κατακόρυφης γραµµής στα οποία γίνονται οι µετρήσεις. Ειδικότερα: i) Για µέτρηση σε ένα σηµείο, V = u (9.3.3) 0, 6h όπου V η µέση ταχύτητα της διατοµής, u 0.6h = η ταχύτητα στη θέση όπου η απόσταση από την ελεύθερη επιφάνεια είναι 0.6h και h = το βάθος ii) Για µέτρηση σε δύο σηµεία,

7 286Εισαγωγή στη Μηχανική των Ποταµών V u + = 0. 2h u 0. 8h 2 (9.3.4) iii) Για µέτρηση σε τρία σηµεία, V u + h u + = h u 0. 8h 3 (9.3.5) Ανάλογα εργαζόµεθα και στην περίπτωση µετρήσεων σε περισσότερα των τριών σηµείων. β) Η µέθοδος ολοκλήρωσης. Το όργανο κινείται µε σταθερή ταχύτητα κατά µήκος της κατακόρυφης διεύθυνσης στον άξονα της διατοµής. Ο ολικός αριθµός των περιστροφών είναι ένα µέτρο της παροχής. Η σχέση που συνδέει τα δύο αυτά µεγέθη είναι: q = α u N+ α h 1 r 2 (9.3.6) όπου q = η παροχή ανά µονάδα πλάτους της διατοµής (m 3 /m/sec), α 1, α 2 ανάλογοι συντελεστές των συντελεστών της εξίσωσης 9.3.1, u r = η ταχύτητα κινήσεως του οργάνου ως προς την κατακόρυφη ( 0.02 m/sec), N = ο αριθµός των στροφών και h = το βάθος (σε m). 9.4 ΕΙΓΜΑΤΑ ΥΛΙΚΩΝ ΠΥΘΜΕΝΑ Ο προσδιορισµός διαµέτρων των κόκκων, π.χ. D 35, D 50, D 84 κ.λ.π. είναι απαραίτητος για τον υπολογισµό της στερεοπαροχής. Εποµένως, καλόν είναι να χαράσσεται η κοκκοµετρική καµπύλη σε διάφορες διατοµές του υδατορεύµατος. Για την χάραξη της απαιτείται η ανάλυση δειγµάτων του πυθµένα. ύο είναι οι τρόποι λήψης των δειγµάτων: α) µε σύρσιµο του δοχείου και β) µε αρπάγη ή σκάψιµο Στερεοπαροχή πυθµένα ιάφορα είδη δειγµατοληπτών παρατίθενται στο σχ Για τον προσδιορισµό του φορτίου κοίτης, εκτός από τη δειγµατοληπτική µέθοδο

8 Κεφ. 9 Μετρήσεις 287 είναι δυνατόν να εφαρµοστούν και οι επόµενες µέθοδοι: α) Μέτρηση της ταχύτητας κίνησης του πυθµένα c (Σχ. 9.10). Ειδικότερα: L = c t (9.4.1) Σχ. 9.9 Τύποι δειγµατοληπτών Σχ Η ταχύτητα κίνησης του πυθµένα (c = L/ t)

9 288Εισαγωγή στη Μηχανική των Ποταµών (.. ) q ch b 0 5 η 0 6 (9.4.2) όπου L η µετακίνηση της κορυφής του αµµοκύµατος στο χρόνο t, q b = το φορτίο κοίτης (όγκος/χρόνος/µονάδα πλάτους) και Η το ύψος του αµµοκύµατος. β) Η χρήση ιχνηλάτη. Η βασική αρχή της µεθόδου είναι η πρόσθεση χρωµατισµένων στοιχείων στη διαδικασία µεταφοράς. Η συµπεριφορά τους καταγράφεται και εξάγονται συµπεράσµατα ως προς την κίνηση των µη χρωµατισµένων στοιχείων. γ) Ακουστικές µέθοδοι. Χρησιµοποιούνται κυρίως για τον καθορισµό της έναρξης της κίνησης. Οι µετρήσεις της κίνησης του φορτίου κοίτης µε δειγµατολήπτη εξαρτάται από την επάρκειά του, τη θέση του (σε σχέση µε τη γεωµετρία του πυθµένα) και τη δοµή της τυρβώδους ροής στην περιοχή του πυθµένα. Κάθε ένας από τους προηγούµενους παράγοντες εξαρτάται από πληθώρα παραµέτρων. π.χ. η επάρκεια του δειγµατολήπτη εξαρτάται από τον υδραυλικό συντελεστή [(ταχύτητα εισροής στον δειγµατολήπτη) / (ταχύτητα ρευστού)], τη γεωµετρία του στοµίου, τη θέση του στοµίου ως προς τον πυθµένα, το ποσοστό πλήρωσης µε άµµο κ.λ.π. Τυπικά προβλήµατα κατά τη χρήση δειγµατοληπτών µε τη µορφή σάκου (Van Rijn and Gawewsh 1992) είναι τα ακόλουθα: επιδράσεις του κενού µεταξύ πυθµένα και στοµίου επιδράσεις έµφραξης υλικού πυθµένα από άµµο, άργιλο ή ιλύ επιδράσεις από τις µετακινήσεις του δειγµατολήπτη που µπορεί να συµπεριφερθεί και σαν αρπάγη. Προβλήµατα δειγµατοληψίας που προκύπτουν από τη µεταβλητότητα των φυσικών διεργασιών της µεταφοράς του φορτίου κοίτης είναι: ο αριθµός των θέσεων µέτρησης κατά µήκος του πυθµένα ο αριθµός των µετρήσεων σε κάθε θέση η διάρκεια δειγµατοληψίας κάθε µέτρησης και ο αριθµός των θέσεων µετρήσεως σε κάθε διατοµή. Τελευταία σχεδιάστηκε και ελέγχθηκε ένας νέος δειγµατολήπτης ολικού φορτίου, ο οποίος περιγράφεται από τους (Van Rijn και Gaweesh 1992) και καλείται Delft-Nile δειγµατολήπτης Στερεοπαροχή αιωρούµενου φορτίου Ο προσδιορισµός της στερεοπαροχής αιωρουµένου φορτίου σε µία διατοµή υδατορεύµατος βασίζεται στις µετρήσεις φορτίου σε κατακόρυφα τµήµατα. Από την ολοκλήρωσή τους στη διατοµή, προκύπτει η στερεοπαροχή. Σαν παράδειγµα αναφέρονται τα ακόλουθα δύο όργανα µέτρησης αιωρούµενου φορτίου: α) δειγµατολήπτης σηµειακής ολοκλήρωσης (Σχ. 9.11) και

10 Κεφ. 9 Μετρήσεις 289 β) τυπική φιάλη του Delft (Σχ. 9.12). Και τα δύο όργανα βασίζονται στην ισοκινητική υδροληψία από το υδατόρευµα. Κάτω από συνθήκες πεδίου τα απαιτούµενα όργανα µάλλον είναι ογκώδη. Σχ USΡ-61 δειγµατολήπτης σηµειακής ολοκλήρωσης Σχ Τυπική φιάλη του Delft (DF - 1)