Υδροµετεωρολογία. Υδροµετρία. Νίκος Μαµάσης, Αθήνα 2009 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Υδροµετεωρολογία Υδροµετρία Νίκος Μαµάσης, 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 τηβροχοµετρία, 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

Ποταµός Ήπειρος Οι µεγαλύτεροι ποταµοί της γης Μέσος ετήσιος Έκταση, Μήκος, Μέση παροχή, m 3 όγκος απορ- 10 3 km 2 km /s ροής, km 3 Μέσο ετήσιο ύψος απορροής, mm Συντελεστής απορροής 1. Amazon N. Αµ. 7180 6275 190 000 6000 835 0.47 2. Congo Αφρική 3822 4666 42 000 1330 340 0.25 3. Yangtzekiang Ασία 1970 4987 35 000 1100 560 0.50 4. Orinoco Ν. Αµ. 1086 2574 29 000 915 845 0.46 5. Brahmaputra Ασία 589 20 000 630 1070 0.65 6. La Plata Ν. Αµ. 2650 3942 19 500 615 235 0.20 7. Yenesei Ασία 2599 5712 17 800 565 215 0.42 8. Mississippi Β. Αµ. 3224 6262 17 700 560 175 0.21 9. Lena Ασία 2430 4602 16 300 515 210 0.46 10. Mekong Ασία 795 4183 15 900 500 630 0.43 11. Ganges Ασία 1073 15 500 490 455 0.42 12. Irrawaddy Ασία 431 14 000 440 1020 0.60 13. Ob Ασία 2950 4505 12 500 395 135 0.24 14. Siking Ασία 435 11 500 365 840 15. Amur Ασία 1843 4666 11 000 350 190 0.32 16. St. Lawrence Β. Αµ. 1030 3459 10 400 330 310 0.33 Σύνολο ή µέση τιµή 34 107 478 100 15 100 504 0.40 Αχελώος 4.9 220 147 4.3 951 0.60 Σηµείωση: ΟΝείλος(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

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

ΜΕΘΟ ΟΙ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΠΑΡΟΧΗΣ Μέτρηση µεπαρεµβολή µετρητών παροχής Παρεµβάλλονται στη ροή ειδικά τµήµατα όπως υπερχειλιστές και στενώσεις και η παροχή εκτιµάται µευδραυλικέςσχέσεις Μέτρηση πεδίου ταχυτήτων Ηπαροχήεκτιµάται µε βάση το πεδίο ταχυτήτων και το εµβαδόν της υγρής διατοµής Μέτρηση µετηµέθοδο διαλυµάτων ιαχέεται ένας δείκτης εύκολα ανιχνέυσιµος και αναλύεται δείγµασεµια πιο κατάντη διατοµή Εκτίµηση µεπλωτήρες Χονδροειδής µεθοδος που στηρίζεται στη µέτρηση της ταχύτητας ενός αντικειµένου που επιπλέει Εκτίµηση µε υδραυλικές σχέσεις ροής Ηπαροχήεκτιµάται προσεγγιστικά µετηχρήσηηµιεµπειρικών 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 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Ελεύθερη επιφάνεια νερού 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Σηµειακή ταχύτητα προς µέση ταχύτητα u = u 0.2 + u 0.8 2 u = u 0.6 2 + u 0.2 + u 0.8 4 4

ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΕ ΙΟΥ ΤΑΧΥΤΗΤΩΝ KAI ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΠΑΡΟΧΗΣ Συνολική παροχή: = = Q i= i N q 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, 0.4 και 0.8 του βάθους v i =u 0.6 /2 + (u 0.2 +u 0.8 )/4 ΙΑΤΟΜΕΣ ΘΕΣΕΩΝ ΙΚΤΥΟΥ ΕΥ ΑΠ Θέση: παλαιά γέφυρα Λευκαδιτίου-Κονιάκου ΘΕΣΗ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΦΡΑΓΜΑ ΜΟΡΝΟΥ Η θέση ελέγχει το 35% των εισροών στη λίµνη του Μόρνου 5

ΙΑΤΟΜΕΣ ΘΕΣΕΩΝ ΙΚΤΥΟΥ ΕΥ ΑΠ ιατοµήμόρνου(θέση: παλαιά γέφυρα Λευκαδιτίου Κονιάκου) Τσιµεντένια γέφυρα 34.20 6.60 4.90 Κοίτη Μόρνου 13.20 ΑΥΤΟΜΑΤΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΤΑΘΜΗΣ 6

ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΤΑΧΥΤΗΤΩΝ Μυλίσκος και σύστηµα ανάρτησης ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΤΑΧΥΤΗΤΩΝ Από γέφυρα Υδροβασία 7

ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΕ ΙΟΥ ΤΑΧΥΤΗΤΩΝ KAI ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΠΑΡΟΧΗΣ Υδροµετρικός σταθµός ιώρυγας Καρδίτσας Θέση µέτρησης: 1500 m από την σήραγγα Καρδίτσας Υλίκη Η θέση ελέγχει το 95% των εισροών στη λίµνη Υλίκη ΙΑΤΟΜΕΣ ΘΕΣΕΩΝ ΙΚΤΥΟΥ ΕΥ ΑΠ ιατοµή ιώρυγας Καρδίτσας 1.70 4.20 3.30 2.55 1.00 4.95 7.00 4.95 1.00 6.30 8

ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΕ ΙΟΥ ΤΑΧΥΤΗΤΩΝ KAI ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΠΑΡΟΧΗΣ ιαστάσεις Μέτρηση πεδίου ταχυτήτων (29/1/2003) Στάθµη: 2.55 m Εµβαδόν: 27.81m 2 Βρεχόµενη περίµετρος: 16.27 m Υδραυλική ακτίνα: 1.709 m Μετρηµένη παροχή: 61.59 m 3 /s Συντελεστής τραχύτητας: n=0.0171 ή K=59 ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΕ ΙΟΥ ΤΑΧΥΤΗΤΩΝ KAI ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΠΑΡΟΧΗΣ 9

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 Στηθέσητουσταθµού 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 δυνατόναγίνει 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 προτιµότεροναγίνεται εγκατάσταση ειδικής εναέριας καλωδίωσης, η οποία εξυπηρετεί αποκλειστικά το σκοπό της υδροµετρίας 10

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 τηςστάθµης 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 ουδροµετρικός σταθµός (π.χ. γειτνίαση µε τηθέσηφράγµατος, 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 11

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 12

ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ Υ ΡΟΜΕΤΡΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ Καµπύλες στάθµης-παροχής (θέση Πόρος Ρηγανίου-ποταµός Εύηνος) ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ Υ ΡΟΜΕΤΡΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ Καµπύλες στάθµης-παροχής(θέση Αχλαδόκαστρο-ποταµός Εύηνος) Q = C (h a) N Στάθµη, h (m) 2 1.5 1 (α) 0.5 0 Μετρήσεις Καµπύλη ελάχιστων τετραγώνων 0 20 40 60 80 100 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 0.1 1 10 100 Παροχή, Q (m 3 /s) 13

ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ Υ ΡΟΜΕΤΡΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ Καµπύλες στάθµης-παροχής στη θέση Πόρος Ρηγανίου ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ Υ ΡΟΜΕΤΡΙΚΩΝ Ε ΟΜΕΝΩΝ Καµπύλη Στάθµης-Παροχής 6 Ln(Q) = 1,9128*Ln(H) + 2,9753 R 2 5 = 0,9968 4 ln(q) 3-2,0-1,5-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 ln(h) 2 1 0 Q [m3/sec] 200 160 120 80 Q = 19,595*H 1,9128 R 2 = 0,9968 Καµπύλη Στάθµης-Παροχής 40 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 H [m] 14

ΙΟΡΘΩΣΗ Stout Η 1 =Η 1 -Η 1 εκτ Η 6 =Η 6 -Η 6 εκτ Η 12 =Η 12 -Η 12 εκτ Η διορ =Η- Η A/A Ηµεροµηνία Στάθµη [m] Στάθµη [m] Παροχή [m 3 /s] Q εκτ. [m 3 /sec] H εκτ. [m] Βήµα H [m] H διορθ. [m] Q διορθ. [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 2,82 142,4-0.04 2,86 145,9 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 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 15

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] 140 120 27/12/2003 28/12/2003 29/12/2003 30/12/2003 31/12/2003 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) 27/12/2003 28/12/2003 29/12/2003 30/12/2003 31/12/2003 1/1/2004 2/1/2004 3/1/2004 4/1/2004 5/1/2004 6/1/2004 7/1/2004 8/1/2004 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΠΑΡΟΧΗΣ ΜΕ Υ ΡΑΥΛΙΚΕΣ ΣΧΕΣΕΙΣ ΡΟΗΣ Σχέση του Manning Q = 1 n A R2/3 i 1/2 όπου: A το εµβαδόν της διατοµής R η υδραυλική ακτίνα (= A/Ρ, όπου P ηβρεχόµενη περίµετρος) i η κλίση τριβών, που για µόνιµηροήείναιίσηµετηνκλίσηενέργειας, και n ο συντελεστής τραχύτητας κατά Manning (0.025-0.100 για φυσικά υδατορεύµατα) Η εκτίµηση του συντελεστή τραχύτητας n γίνεται από κατάλληλους πίνακες συναρτήσει των χαρακτηριστικών του υδατορεύµατος 16

ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΠΑΡΟΧΗΣ ΜΕ Υ ΡΑΥΛΙΚΕΣ ΣΧΕΣΕΙΣ ΡΟΗΣ Σχέση του Chézy Q=c*A*R 1/2 *i 1/2 όπου: A το εµβαδόν της διατοµής R η υδραυλική ακτίνα (= A/Ρ, όπου P ηβρεχόµενη περίµετρος) i η κλίση τριβών, που για µόνιµηροήείναιίσηµετηνκλίσηενέργειας, και c ο συντελεστής τραχύτητας (15-30 για φυσικά υδατορεύµατα) 17