Návod na praktická cvičení v terénu

Jak si určit vodnost toku v dané lokalitě?

A) s využitím metodiky „hydrometrování“ vodního toku
Hydrometrické stanovení průtoku je základní metodou pro určení průtoků v říční síti.

Čím měřit?
Pro hydrometrická měření se nejčastěji používá v síti měřících stanic ČHMÚ hydrometrická vrtule typ Ott C-2 propeleru, pro nás hydrovrtule.

Jak funguje hydrovrtule?
Otáčející se osa vrtule spíná přímo (mechanicky, magneticky, opticky, příp. i jinak) nebo přes šnekový převod (mechanicky) kontakt, který ovládá počitadlo otáček Počitadlo k vrtuli připojujeme kabelem.
Hydrovrtule firmy Ott pracuje na principu registrace počtu otáček…… n za zvolený měřící čas…… T [s], ale používají se i měřidla založená na jiných principech, dosti rozšířená jsou např. měřidla indukční např. Ottův Nautilus 2000, , nejnověji se objevují i měřidla ultrazvuková.
Má-li být měření správné, musí být měřidlo řádně udržováno a kalibrováno.
Kalibrace vrtulí i některých dalších typů měřidel v ČR provádí Česká národní kalibrační stanice vodoměrných vrtulí při VÚV T.G.M. v Praze. U hydrometrických vrtulí se doporučuje kalibrace po 100 - 200 hodinách provozu resp. po dvou letech.

Obr. Hydrovrtule OTT C2

Zdroj: Nováková

Hydrometrický profil (průtočný)
Při výběru bychom si měli celý tok nejprve projít, od střední části toku k ústí. Na základě terénního šetření vybereme měřící hydrometrický profil s těmito parametry:
• Přímý úsek toku, bez jakýchkoliv dalších ramen (ať už vlastního toku nebo přítoků).
• Dostatečně hluboký, samozřejmě abychom mohli změřit jak maxima, tak minima rychlosti proudění. Ne tedy někde na brodech nebo v hlubinách, nebo v úsecích, které vysychají při nízkých stavech vody.
• Pokud není hydrometrický profil prizmatický (neměnný), tak si ho vyčistit od nahromaděného listí, naplaveného dřeva atd.
• Prosondovat celý průtočný profil, z důvodu určení počtu svislic při vlastním měření.

Počet a rozmístění měrných a sondovacích svislic N:
šířka toku…… L [m]
výška vodního stavu……H [m]
• nejméně N=L, pro toky užší 20 m
• N=10+H
• při: L < 0,5 m: 3 svislice
• 1,0 < L < 3,0 m: 5-8 svislic
• 3,0 < L < 6,0 m: 8-12 svislic
• při: L > 6,0 m: víc jak 12 svislic
Počty svislic si určíme přesně podle průzkumu říčního koryta, pokud je velmi variabilní, můžeme překročit počet svislic. Samozřejmě při rozmisťování dbáme, aby byly stejně vzdálené od břehu …. vzdálenost ….l [m]. Rozmisťování provádíme podél napjatého lanka, od břehu ke břehu.
U břehu musí být více svislic, abychom přesně proměřili asymetrické říční koryto, resp. říční břehy.
Výběr počtu bodů pro měření bodových rychlostí:
Hloubka H [m] počet bodů:
H <0,25: 1 bodová metoda
0,25 <H <0,50: 2 bodová metoda
H > 0,5: 3 a více bodová metoda

Obr. Prizmatický profil toku Porubka

Zdroj: Nováková

Vlastní hydrometrování – pracovní postup
Ideální je provádět hydrometrování ve trojicích, dva pracují s hydrovrtulí a jeden zapisuje. Oblečeme se do teplého terénního šatu, nazujeme vyšší gumáky tzv. broďáky. Ve vybraném průtočném profilu natáhneme lanko (ocelové), od břehu k břehu a začneme vyměřovat. Výsledky měření zapisuje kolega do připraveného formuláře.
Měření začíná v první svislici od dostupného břehu. V první svislici si podle dvoubodové metody: měří se průtočná rychlost ve 0,2 H (tam zachytíme minimální rychlosti), pak ve výšce 0,8 H (tam zachytíme maximální rychlosti).Osa vrtule nemá být výše než 1,5 násobek průměru propeleru, nesmí vyčnívat nad hladinu.
2bodová metoda se používá pro drobné vodní toky (takto se měří i v síti ČHMÚ, je to efektivnější).
Měření průtočných rychlostí v jednotlivých svislicích:
2bodová metoda: 0,2H a 0,8H. Dvoubodová metoda spočívá ve změření rychlosti v bodech vzdálených 0,2H a 0,8H ode dna.

Vyhodnocení průtoku
Pro vyhodnocení průtoku se používá řada metod. Všechny jsou založeny na známých vztazích:

dQ = v · cos φ ·  dS

kde dQ je elementární průtok, procházející elementární ploškou dS při rychlosti proudění v, jejíž vektor je odkloněn od normály k elementární plošce o úhel φ. Integrací výše uvedeného výrazu po ploše dostaneme: x = L ; y = H

Q = v · cos φ  ·dS = v · cos φ  · dx dy

Je- li proudění paralelní, lze vytknout cos φ  před integrál, pokud je směr proudění kolmý na průtočný profil, bude ještě cos φ = 1 a výsledný vztah se zjednoduší na:

Q = v · dS

Protože však neznáme analytický tvar funkce v = f(x,y), musíme výše uvedený vztah vyčíslit jinou vhodnou metodou, založenou obvykle na vztahu Q = ∑S_i · v_i, který odpovídá i výše uvedenému integrálu.

Průtok vždy vztahujeme k vodnímu stavu.

Protože pro vyhodnocení průtoku se dnes obvykle používají specializované počítačové programy, dále uvádíme jen základní numerický a graficko-početní postup (tzv. Harlacherovu metodu). V některých speciálních případech se též vykreslují izotachy (čáry stejných rychlostí).

Numerický výpočet: kde v_s  je svislicová rychlost (dvoubodová metoda)

v_s = 0,5 (v _{0,2 H} + v _0,8)

Příklad výpočtu  průtoku pomocí numerického výpočtu na základě hydrometrování toku.

ZÁPISNÍK PRO MĚŘENÍ PRŮTOKŮ

Profil: pod mostem u Smyčky – Ostrava Poruba

Tok: PORUBKA

Datum měření: 9.11.2005

Čas měření: od 10:50 do 11:20

Číslo, typ vrtule: 30320, OTT

Konstantní čas měření T (s): 30

Vodní stav na počátku: 999  na konci: 999

Měření: zprava

Měřil:

Poznámka: pod mostem

∑l_i šířka toku, H hloubka toku, h vzdálenost jednotlivých svislic, n počet otáček, T  čas měření                                 

l₁ = 1,25m; l₂ = 1,60m; l₃ = 2,00m; l₄ =2,40m; l₅ = 2,80m; l₆ = 3,20m; l₇  = 3,60m;

l₈ = 4,00m; l₉ = 4,30m; l₁₀ = 4,60m; l₁₁ = 4,80m

Průtočná rychlost v se vypočítá podle rovnice:

v = a + b*n

a, b…..konstanty (dané hodnoty z kalibračního protokolu)

n……. počet otáček za 1 sekundu

Hodnota konstanty a = 0,0226

Hodnota konstanty b = 0,1342              v intervalu n <0,42;23,62>.

Rychlost v jednotlivých svislicích:

v₂ = 0,02931 m/s

v₃ = 0,10312 m/s

v_4a = 0,139354 m/s

v_4b = 0,160826 m/s

v₅ = 0,17022 m/s

v₆ = 0,23732 m/s

v₇ = 0,19706 m/s

v₈ = 0,201086 m/s

v₉ = 0,179614 m/s

v₁₀ = 0,201086 m/s

v₁₁ = 0,174246 m/s

Jednotlivé plochy S:

S₁ = 0,06875 m²; S₂ = 0,0385 m²; S₃ = 0,048 m²; S₄ = 0,046 m²; S₅ = 0,038 m²; 

S₆ = 0,038 m²; S₇ = 0,04 m²; S₈ = 0,04 m²; S₉ = 0,027 m²; S₁₀ = 0,024 m²;

S₁₁ = 0,016 m²

 Celkový průtok Q:

B) Určení průtoku pomocí hladinových plováků

V některých případech lze pro stanovení průtoku využít měření povrchové rychlosti pomocí plováků. Metoda není zdaleka tak přesná jako měření vrtulí, má však dvě hlavní výhody:

Měření rychlostí ve stručnosti

K měření se volí pokud možno přímá trať s co možná rovnoměrným prouděním a co možná rovnoměrným rozdělením rychlostí. Délka měrné trati S má být u širokých toků zhruba S = 2L kde L je šířka toku v hladině, resp. taková, aby doba průchodu plováku měrným úsekem nebyla kratší než asi 20 s.

Plováky mají být pokud možno jednotného typu (dřevěné hranoly, částečně vodou naplněné láhve, nebo nějaké vhodné větve). Plováky se vypouštějí (vhazují do vody) v dostatečné vzdálenosti nad horním profilem (alespoň 10-15 m), aby plovák do průchodu horním profilem nabyl stejné rychlosti jako voda a bylo možné spolehlivě určit okamžik průchodu plováku prvním profilem. U toku s šířkou v hladině do 20 m se vypouští 3-5 plováků. Měření se opakuje třikrát.

Důležité je přepočíst rychlost povrchovou na průtočnou pomocí korekčního součinitele k. Literatura uvádí hodnotu  k = 0,55-0,67 pro velké a střední toky s příznivými podmínkami proudění nebo k = 0,43-0,54 pro velké a střední toky s méně příznivými podmínkami (značně znečistěné, částečně zarostlé, meandrovité, kamenité dno, neklidné proudění. Průtok vypočítáme numerickou metodou, viz výše uvedeno.

Literatura:

KŘÍŽ, V., KUPČO, M., SOCHOREC, R.: Měření průtoků. Účelová publikace HMÚ. HMÚ Praha 1979. 120s.

MATTAS, D.: Měření průtoků nestandardními metodami a v nestandardních podmínkách. Výzkum pro praxi, VÚV T.G.M. Praha 1998. 37s.

Otto Messtechnik, Kempten - firemní literatura (prospekty, katalog).

Obr. Měření rychlosti proudění v jednotlivých svislicích

Zdroj: Nováková