11 Hidrometria Debitelor Solide 2003

5/20/2018 11 Hidrometria Debitelor Solide 2003

1/12

11. HIDROMETRIA DEBITELOR SOLIDE

Abordarea teoretic a transportului de aluviuni de ctre cursurile de ap areo valabilitate redus. Aceste lipsuri pot fi nlocuite prin efectuarea de msurtoridirecte, separat pentru aluviuni de fund (trte) i pentru aluviuni n suspensie. n

paralel cu msurtori de debit solid se pot face i msurtori privind morfologiaalbiei, granulozitatea aluviunilor sedimentate i a celor n micare i ale altorelemente cuprinse n diverse formule de calcul [I.N.M.H., 1997].

Debitul solid trt i debitul solid n suspensie se raporteaz ntotdeauna ladebitul lichid i la nivelul apei din ru din momentul efecturii msurtorii.

11.1. Debitul solid n suspensie

Aparatele folosite pentru msurarea cantitii de aluviuni n suspensietransportate de cursurile de ap, se numesc batometre. Cantitatea de apnecesar a fi recoltat depinde de turbiditatea apei. La turbiditi foarte ridicate(510 g/l) se recolteaz probe de 0,5 l, iar la turbiditi foarte mici(sub 0,010,02 g/l) se recolteaz probe de ap de 2 5 l.

Determinarea debitului solid al aluviunilor n suspensie se obine prinmsurtori simultane, de vitez a apei i a concentraiei aluviunilor, ntr-un

numr de puncte ale seciunii de curgere a rului [Giurma I., 1997]. Dintre tipurile de batometre utilizate se prezint n figura 11.1batometrul Jukovski-Kolle. Aparatul const dintr-un recipient metalic de formcilindric, cu axul orizontal, prevzut cu clapete la cele dou capete n poziienchis prin resorturi. Batometrul este scufundat la adncimea necesar, prin tijeavnd cele dou clapete deschise prin cablurile acionate de operator de lasuprafaa cuentului de ap. Dup umplerea cu ap a recipientului i uniformizareacurentului, se nchid brusc clapetele prin eliberarea celor dou cabluri[Giurma I., .a., 1980].

Din coninutul batometrului se separ partea solid prin operaii defiltrare sau de centrifugare, dup care suspensiile se usuc i se cntresc (p, [g])i prin raportare la volumul total al probei W [cm3] se exprima concentraiaaluviunilor n suspensie prin relaia:

= 106W

p [g/cm3] (11.1)

Concentraia de aluviuni n suspensie variaz n seciunea transversal aunui curent de ap aa cum se arat n figura 11.2. Cantitatea de aluviuni n

suspensie este maxim la fundulalbiei i descrete spre suprafaa curentului de


2/12

HIDROMETRI DEBITELOR SOLIDE

170

ap unde este minim i de asemenea se nregistreaz valori mai mari n firulcurentului fa de celelalte zone din seciune.

Figura 11.1 Batometru pentru aluviuni n suspensie

Figura 11.2 Diagrama debitului de aluviuni n suspensie

Dac se noteaz cu concentraia medie a aluviunilor n suspensie de

pe o vertical (determinat prin msurtori cu batometrul n diferite puncte de peaceeai vertical), cuvmed viteza medie pe vertical, cu h adncimea apei ndreptul verticalei i cu l semisuma distanelor dintre verticalele consideratentr-o seciune a albiei, debitul total de aluviuni n suspensie pentru un anumitnivel al apei se poate exprima prin:

Qs=0,5 [h1vmed,11l1+( h1vmed,11+ h2vmed,22) l2+...+ hnvmed,nnln+1]

(11.2)

h1h2

hi

,v, s

h

hn


3/12


171

La cursurile de ap importante, cu adncimi mari, pentru determinareaconcentraiei de aluviuni, se recomand utilizarea instalaiei alcatuit dintr-o

priza de ap montat la captul unui conducte flexibile, prin care se extragprobe de ap cu ajutorul unei pompe fixate la bordul unei ambarcaiuni.

11.1.1. Calculul debitului solid n suspensie

n punctele n care se fac msurtori de viteza se fac i colectri de probede ap tulbure cu care se fac determinri ale concentraiei de aluviuni prin filtrarei cntrire.

=W

p [g/l] (11.3)

ntr-o seciune transversal a unui ru putem avea urmtoarele tipuri demsurtori: complete care se fac n toate verticalele de vitez, n toate punctele standardn care s-au msurat vitezele; la 0,6 h n toate verticalele de vitez; la suprafa; simple, doar n anumite puncte i anumite verticale.

Metodele de calcul ale debitului solid n suspensie sunt:

a) Metoda analitic, care presupune calculul debitelor pariale de aluviuni nsuspensie Ri i nsumarea lor pe ntreaga seciune:

n

i

ij

iin

i

i ARR1

1

1 2

(11.4)

unde:

Aij este suprafaa parial cuprins ntre dou verticale vecine de prelevare a

probelor; 1, ii sunt debitele de aluviuni n suspensie, unitare medii pe

verticalele respective, acestea calculndu-se cu formule asemntoare cu cele

folosite la calculul vitezelor medii pe vertical pe baza punctelor standard.

De exemplu, pentru o vertical n care s-au msurat debite de aluviunin suspensie n cinci puncte (la suprafa, 0,2h 0,6 h 0,8 h i la fundul albiei)se folosete formula:

)233(1,0 8,08,06,06,02,02,0 ffhhhhhhss vvvvv (11.5)

unde:


4/12


172

=W

p este concentraia de aluviuni n suspensie determinat prin filtrare

i cntrire [g/l]; vi, viteza medie n punctul de msurare [m/s].

Pentru cazul general formulele sunt prezentate n tabelul 11.1.

Tabelul 11.1 Calculul debitelor de aluviuni n suspensie unitare medii

Punctele standard demsurare

Formula debitulul solid n suspensie unitar mediu[g/m

2s]

0,6 h m= 0,6 h v0,6h

s, f m=0,5 ( svs+ fvf)

0,2h ; 0,6 h ; 0,8 h m= (0,2hv0,2 h+20,6hv 0,6h+ 0,8hv0,8h)/4

s ; 0,2h ; 0,6 h ; 0,8 h ; f m= (svs+30,2hv0,2 h+3 0,6hv0,6h+20,8hv0,8h+fvf)/10

b) Metoda grafomecanic - const n trasarea curbei de variaie a debitelorunitare medii de aluviuni n suspensie i planimetrarea suprafeei cuprinse ntreaceast curb i linia apei corespunztoare nivelului de calcul.c) Metoda grafoanalitic- const n determinarea suprafeei determinate ca lametoda grafomecanic i calculul acesteia innd seama de figurilegeometrice formate ntre verticalele de msurare.

11.2. Debitul solid trtPietriurile i nisipurile micate de curentul de ap pe fundul albiei se

pot msura sub forma debitului solid de fund prin nsumarea unor debiteelementare gf care reprezint cantitatea de aluviuni trte ce trece n unitatea detimp prin limea parial b i se calculeaz cu formula:

gf =tb

P

100 [g/m s] (11.6)

unde:

Peste greutatea n ga aluviunilor care trec prin limea b [cm],n timpul t[s](figura 11.3).

Figura 11.3 Msurarea debitului solid trat

Bb

bb

g1

g2gi

l1 l2


5/12


173

Dac se noteaz cu l1, l2,...,ln+1 distanele dintre verticalele care trecprin mijlocul fiilor b, atunci debitul solid trt total Gf se poate calcula curelaia:

Gf = 0,5 [g1 l1+(g1+g2) l2+...+ gnln+1] (11.7)

Suma distanelor l1, l2, ..., l n+1 formeaza limea activBde circulaie aaluviunilor trte, iar prin limea parial b se nelege limea aparatuluiutilizat.

Batometrele sunt folosite pentru colectarea aluviunilor trte i suntconstruite astfel nct s nu perturbe regimul de curgere al curentului de ap.

Cel mai simplu batometru se prezint sub forma unei cutii din plasa desrm cu ochiuri mici, avnd partea anterioar deschis pe o lime b, fixat pe

patul albiei printr-o bar metalic (figura 11.4) [Giurma I., .a., 1980].

Figura 11.4 Batometru plas

Pentru msurare se nregistreaza prin cronometrare intervalul de timp t nminute ct batometrul a rmas pe fundul albiei, iar dup extragerea aparatuluidin ap se descarc coninutul de aluviuni i se cntresc. Pentru determinareacompoziiei granulometrice a aluviunilor trte se fac probe de cernere amaterialului reinut n batometru.

La cursurile de ap mici msurarea debitului aluviunilor trte se poateface i prin practicarea unui an, cu dimensiuni cunoscute, aezat perpendicular pealbie. Determinarea aluviunilor trte captate de an se efectueaz prin ridicrihidrografice succesive ale configuraiei anului [Giurma I., 1997].

11.2.1. Calculul debitului solid trt

Aluviunile trte sunt cele transportate de ruri pe fundul albiei i auo compoziie granulometric mai mare dect cele n suspensie.

Calculul debitului solid trt se face prin urmtoarele metode:a)Metoda analitic-presupune nsumarea aluviunilor trte pariale (debitulcare trece prin dou seciuni verticale) pe ntreaga seciune.

n

i

iii

n

i

lgg

GiG1

1

1 2 (11.8)

unde:


6/12


174

gi, g i+1sunt debitele pariale trte transportate de ru n verticala ipe limea babatometrului [g/m s]; li, distana dintre verticalele i i i+1.

b)Metoda grafomecanic, const n trasarea curbei de variaie a debitelorelementare trte i planimetrarea suprafeei cuprinse ntre aceast curb i liniaapei corespunztoare nivelului de calcul.

Figura 11.5 Graficul variaiei debitului solid trt prin metoda grafomecanic

c) Metoda grafoanalitic, const n trasarea curbei de variaie a debitelorelementare trte i calculul suprafeelor cuprinse ntre aceast curb i liniaapei aplicnd formula (figura 11.6.) :

nniii lgl

gglgglgG

21...

2....

221 112101

(11.9)

Figura 11.6 Graficul variaiei debitului solid trt prin metoda grafoanalitic

ii+1

gi gi+1

g=f(l)

l

Suprafa planimetrat

12

i

i+1

g1 g2gi

gi+1

l1l0

li

10

2

1gl )(

2

11 iii ggl


7/12


175

11.3. Exemple de calcul

11.3.1. Debitul solid n suspensie n cazul n care exist msurtori numai

n dou verticale vecine

n dou verticale vecine, cu adncimile hi=78 cm i respectiv hi+1=94 cmsituate la distana d=4,00 m au fost msurate vitezele i determinateturbiditile apei (tabelele 11.2 i 11.3).

Tabelul 11.2 Vitezele i turbiditile pentru verticala i

Punctele de msurare 0,2 hi 0,6 hi 0,8 hi

v [cm/s] 100 85 60

[g/m3] 3000 4400 7800

Tabelul 11.3 Vitezele i turbiditile pentru verticala i+1

Punctele de msurare s 0,2 hi+1 0,6 hi+1 0,8 hi+1 f

v [cm/s] 120 124 106 68 50

[g/m3] 4000 4200 5600 8000 10000

a) calculul debitului lichid ntre verticale

a.1) procedeul vitezei medii dintre verticale

viteze medii pe verticale

cm/s5,82)60852100(41

, imedv (11.10)

cm/s6,99)5068210631243120(10

11, imedv (11.11)

viteza medie dintre verticale

cm/s91)6,995,82(2

11, iimedv (11.12)

seciunea dintre verticale

Ai, i+1= 0,5 (0,78 + 0,94) x4,0 = 3,44 m2 (11.13)

debitul lichid dintre verticale

sAvQ iiiimedii /m13,391,044,33

1,1,1, (11.14)

a.2) - procedeul debitelor unitare pe limea rului


8/12


176

debitul lichid pe 1 m lime de ru n jurul verticalelor

mhv

hvq medmed

mmm/s

;1

1 (11.15)

qi = 0,825 x 0,78 = 0,643 m2/s (11.16)

qi +1= 0,996 x0,94 = 0,936 m2/s (11.17)

debitul lichid dintre verticale

Qi,i+1=0,5(q i + q i+1) xd = 0,5 (0,643 +0,936) x4,0 = 3,16 m3/s (11.18)

viteza medie a apei prin acest procedeu este:

m/s9186,044,3

16,31, iimedv (11.19)

b) Calculul debitelor unitare de aluviuni n suspensie pe unitatea desuprafa (1 m2) din jurul punctelor unde s-au efectuat msurtorile deviteze i turbiditate:

2

3/

2mm/s

;1

1

m

mgv

v

S

Qp

(11.20)

-n verticala i

0,2 h= 1 x 3000 = 3000 [g/s m2] (11.21)

0,6 h= 0,85 x 4400 = 3740 [g/s m2] (11.22)

0,8 h= 0,60 x7800 = 4680 [g/s m2] (11.23)

-n verticala i +1

s= 1,20 x 4000 = 4800 [g/s m2] (11.24)

0,2 h= 1,24 x 4200 = 5208 [g/s m2] (11.25)

0,6 h= 1,06 x 5600 = 5936 [g/s m2] (11.26)

0,8 h= 0,68 x 8000 = 5440 [g/s m2] (11.27)

f=0,50 x10000 = 5000 [g/s m2] (11.28)

b.1) procedeul direct


9/12


177

Se calculeaz debitul unitar mediu med pentru cele dou verticale,utiliznd relaiile de la calculul vitezelor medii:

med, i=4

1(3000 +2 x 3740 + 4680) =3790 [g/s m2] (11.29)

med, i+1=10

1(4800+3 x 5208+3 x5936+2 x5440+5000)=5410 [g/s m2] (11.30)

dup care se obine valoarea medie med, i,i+1corespunztoare celor dou verticale:

med, i,i+1=

2

1(3790 + 5410) = 4600 [g/s m2] (11.31)

debitul solid n suspensie rezult prin produsul ariei dintre cele douverticale cu debitul solid unitar mediu:

Ri,i+1=med, i,i+1xAi,i+1=4600 [g/s m2]x3,44 [m2]= 15,824 [g/s] (11.32)

turbiditatea medie se obine cu relaia:

3kg/m05,5

13,3

8,15

1,

1,

1,

ii

ii

ii

Q

R (11.33)

b.2) prin procedeul valorii unitare pe lime

Se calculeaz nti debitele solide specifice n suspensie care trec pe unmetru din limea rului n jurul verticalelor, adic:

m

mm

iimed

iimedh

hr

2g/sm

;1

1,

,

(11.34)

ri= 3790 x 0,78 = 2956 [g/s m] (11.35)

ri+1= 5410 x 0,94 = 5085 [g/s m] (11.36)

n continuare se calculeaz debitul solid n suspensie dintre cele douverticale i turbiditatea:

s

gmdrrR iiii

ms

gg/s;160804)50862956(

2

1)(

2

111, (11.37)


10/12


178

3

1,, kg/m09,516,3

1,16iimed (11.38)

n tabelul 11.4 se prezint rezultatele obinute prin cele dou procedee.

Tabelul 11.4 Valorile debitelor solide n suspensie calculat prin procedeul valorii unitare pe

lime i prin procedeul direct

Procedeul utilizatQ

[m3/s]

R

[kg/s]

med

[kg/m3]

Direct 3,130 15,80 5,05

Valori unitare pe lime 3,160 16,10 5,09

11.3.2. Debitului solid n suspensie n cazul n care exist msurtori pentru

ntreaga seciune

n situaia n care se efectueaz masurtori simultane ale vitezei apei i aleturbiditii n nverticale ale seciunii de curgere, debitul solid n suspensie, Rs,se determin cu relaia:

n

i

iimediis cvhbR1

, (11.39)

unde:

bi este limea aferent verticalei i; hi, adncimea medie a suprafeei parialeaferente verticalei i; vmed,i, viteza medie a apei n verticala i; ci, concentraia medie

a aluviunilor pe verticala i.

Viteza medie pe verticale se calculeaz conform subcapitolului 10.2.1aplicaia 10. Exemplul acesta de calcul utilizeaz valorile vitezelor punctualedate n tabelul 10.3 (aplicaia 10). n tabelul 11.5 sunt date valorile necesarecalculului debitului n suspensie i a celui trt.

Tabelul 11.5 Elementele necesare calculului debitului n suspensie i a celui trt.

Verticala hi

[m]

Vitezele

[m/s]

Turbiditatea

[g/m3]

P

[g]s 0,2h

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

I 0,25 0,40 - - - 0,28 50 - - - 60 400II 0,54 - 0,89 0,74 0,65 - - 82 75 70 - 600

III 0,72 - 0,95 0,90 0,80 - - 87 80 75 - 700

IV 0,90 1,00 1,05 0,98 0,85 0,70 90 100 85 83 140 900

V 0,94 1,08 1,15 1,05 0,90 0,66 100 120 95 90 150 1000

VI 0,84 0,84 0,90 0.79 0,67 0,49 80 90 78 70 130 850

VII 0,38 - - 0,50 0,45 0,40 - 90 85 83 - 550

Calculul debitului solid n suspensie pentru seciunea transversalprezentatn figura 10.2. (aplicaia 10), este dat n tabelul 11.6.


11/12


179

Tabelul 11.6 Exempul de calcul al debitului solid n suspensieElemente de

calcul

Verticala

I II III IV V VI VII

hi [m] 0,167 0,51 0,72 0,865 0,90 0,75 0,40

bi [m] 4,00 4,50 5,50 5,50 4,00 2,50 3,00vmed,i[m/s] 0,34 0,75 0,88 0,949 1,014 0,764 0,45

Ci [g/m3] 55,0 75,5 80,5 95,10 107,5 85,40 85,75

Rs,i [kg/s] 0,0125 0,130 0,280 0,430 0,392 0,122 0,0463

Debitul solid n suspensie al ntregii seciuni rezult prin cumulareavalorilor aferente celor apte seciuni de calcul i anume:

kg/s4128,10463,0122,0392,0430,0280,0130,00125,0, iss RR (11.40)

n figura 11.7 este prezentat evoluia debitului solid n suspensie peseciunea transversal.

Figura 11.7 Evoluia debituluisolid n suspensie n seciunea transversal

11.3.3. Debitul solid trt

Colectarea probelor pentru determinarea aluviunilor trte se facesimultan cu cele pentru aluviunile n suspensie. Msurtorile se fac n fiecarevertical cu batometrele, lund trei probe cu acelai timp de recoltare. Media

probelor se consider reprezentativ pentru verticala respectiv. Timpul derecoltare se alege n practic n funcie de granulometria aluviunilor trte i deviteza apei la fundul albiei.

Debitul elementar de aluviuni trte cnd avem masa medie din verticalelerespective se calculeaz cu formula:

tb

Pg ii

100

(11.41)

0.13 0.122

0.28

0.43

0.01250.0463

0.392

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

I II III IV V VI VII

verticala

debitulsolid

in

suspensie

[kg/


12/12


180

unde:

Pi este masa medie rezultat n urma msurtorilor n intervalul de timp ales nverticala i, exprimat n grame; b,limea batometrului, exprimat n cm.

Batometrul ISCH are limea b=22 cm.Notnd cu lidistana dintre verticalele i i i+1, debitul solid trt Gt va fi:

tblP

llP

llP

llPlPG nn

nnn

iiit

1005,02

...2

...22

1 11

121

211 (11.42)

Pe baza datelor prezentate n tabelul 11.5, tiind c s-a utilizat unbatometru ISCH i a unui timp de colectare de 2,5 minute, rezult urmtorul

debit solid trt:

kg/s575,0)0,255,05,02

0,20,385,0

2

0,30,50,1

2

0,50,69,0

2

0,60,57,0

2

0,50,46,00,44,05,0(

15022

100

tG

(11.43)

Debitul solid total, n suspensie i trt, care trece prin profilultransversal n urma calculelor efectuate n timpul msurtorilor complete este :

Rs+ Gt=1,4128 + 0,575 = 1,9878 kg/s (11.44)

11.4. Concluzii

a) Calculul debitelor solide cu ajutorul unor formule este insuficient elucidat

datorit unor factori necunoscui. Pentru nlturarea acestor lacune aparenecesitatea efecturii unor msurtori directe att pentru aluviunile n suspensiect i pentru aluviunile trte.b) Cunoaterea scurgerii solide prezint interes n proiectarea i exploatarea unorimportante lucrri hidrotehnice (lacuri de acumulare, regularizri de ruri, cinavigabile, aduciuni de ap, decantoare, filtre etc.) asupra crora are efectdefavorabil. Pe de alt parte, aluviunile sub form de nisip, pietri i prundi pot fiutilizate ca agregate pentru betoane dac exploatarea i sortarea lor esteeconomic.

Date post:	10-Oct-2015
Category:	Documents
Upload:	miha-hutu
View:	83 times
Download:	2 times

11 Hidrometria Debitelor Solide 2003

Documents