Mjerenje Nivoa Vodostaja i Pad Vodnog Ogledala

JU UNIVERZITET U TUZLI

RUDARSKO GEOLOŠKO GRAĐEVINSKI FAKULTET

GEOLOŠKI ODSJEK

PREDMET: HIDROLOGIJA

MJERENJE NIVOA VODE (VODOSTAJA)

MJERENJE PADA VODNOG OGLEDALA

MENTOR: STUDENT:

Dr. sc. Dinka Pašić Škripić, vanr.prof. Hajdarević Emina

Tuzla, Maj 2012. godine

MJERENJE NIVOA VODE (VODOSTAJA); MJERENJE PADA VODNOG OGLEDALA

SADRŽAJ

UVOD................................................................................................................................................................................3

1. MJERENJE NIVOA VODE (VODOSTAJA)............................................................................................................4

1.1 INSTRUMENTI ZA MJERENJE VODOSTAJA...................................................................................................5

1.1.1 VODOMJERNA LETVA...........................................................................................................................6

1.2 UREĐAJI ZA KONTINUALNO MJERENJE NIVOA VODE.........................................................................8

1.2.1 LIMNIGRAFI SA PLOVKOM.................................................................................................................9

1.2.2 PNEUMATSKI LIMNIGRAF.................................................................................................................10

1.2.3 LIMNIGRAF SA SENZOROM.............................................................................................................10

2. MJERENJE PADA VODNOG OGLEDALA..........................................................................................................11

ZAKLJUČNA RAZMATRANJA....................................................................................................................................12

LITERATURA.................................................................................................................................................................13

Tuzla, Maj 2012. godine 2


UVOD

Prilikom izrade podloga za vodoprivredne analize i projektovanja u hidrotehnici, odgovarajući istražni radovi se mogu obaviti kada se zato ukaže potreba i kada se prikupe odgovarajuća sredstva ( topografske, geološke, pedološke i druge neophodne podloge). Proučavanje nekih dinamičkih fenomena može se vršiti na bazi eksperimenata u laboratoriji ili neposredno na terenu, gdje se broj opita može neograničeno ponavljati. Prirodni procesi kao što su vremenske serije metereoloških i hidroloških veličina predstavljaju slučajne procese. Postoji beskonačan broj mogučih realizacija slučajnih procesa, te realizacije se nikada ne ponavljaju, niti se mogu reprodukovati čovjekovom voljom. Jedini način proučavanja takvog procesa je da se vrše dugotrajna mjerenja relevantnih hidroloških ili metereoloških veličina.

Naučna disciplina koja se bavi mjerenjima na vodama i primarnom obradom rezultata mjerenja naziva se hidrometrija. Osnovni zadaci hidrometrije su:

razrada metoda i pribora za kvantitativno određivanje i proučavanje elemenata režima voda; obrada podataka mjerenja; organizacija mreže osmatračkih stanica radi dobijanja optimalnih informacija o režimu vodotoka.

Obzirom da su mjerenja u prirodnim tokovima nerazdvojeno vezana sa hidrološkim izučavanjima, hidrometrija se smatra dijelom hidrologije, iako je to jedna multidisciplionarna nauka.

Langbein (1965) definisao je „mrežu“ kao opšti tremin: Mreža predstavlja jedan osmatrački termin za prikupljanje podataka, svaka osmatračka stanica mora da popuni odgovarajuće mjesto u vremenu i prostoru. Za mrežu hidroloških stanica Kohler (1958) je dao odgovarajuću definiciju: to j mreža na kojoj se prikupljaju podaci koje koriste hidrolozi (misleći pri tome na stanice u okviru hidrološke službe).

.

Najvažniji podaci koji se prikupljaju preko mreže hidroloških stanica su:

vodostaji i protoci na rijekama; vodostaji na prirodnim i vještačkim jezerima; transport vučenog i suspendovanog materijala; kvalitet vod; temperatura vode; led na rijekama i jezerima; podzemne vode.



1. MJERENJE NIVOA VODE (VODOSTAJA)

Nivo vode( vodostaj) mjeri se i osmatra na vodotocima rijeka, jezerima i morima. Na rijekama mjeri se za potrebe plovidbe, zatim u vezi projektovanja i izgradnje raznih hidrotehničkih objekata ( pristaništa, izgradnje mostova, hidroelektrana, zahvatanja vode idr) , pri vršenju hidrometrijskih radova (premjeravanja dubine vode u cilju izrade situacionih planova itd), zatim radi proučavanja hidrološkog režima prirodnih vodotoka. Uspostavljanjem veze između vodostaja i drugih hidroloških karakteristika rijeke (proticaj vode, transport nanosa) mogu se neposredna mjerenja ovih karakteristika zamijeniti daleko jednostavnijim osmatranjem nivoa vode.

Kod tipskih mjernih objekata, kao što su prelivi i suženi procesi, gdje je definisana funkcionalna veza između nivoa i proticaja vode, mjerenje proticaja se svodi na registrovanje nivoa vode.

Vodostaj predstavlja razliku u vertikalnom smislu, između nivoa vode i nekog nultog položaja. Ako se nivo vode mjeri vodomjernom letvom, onda se vodostaj određuje u odnosu na početak vodomjera, odnosno od nulte tačke. U poeriodu mjerenja, ovaj referentni nivo, odnosno nulta tačka se ne smije pomjerati niti mjenjati. U sčučaju vršenja promjena , neophodno je tačno utvrditi položaj nove referentne, odnosno nulte tačke u odnosu na staru. Na osnovu toga, ako je kota ogledala Z, tada je vodostaj H definisan kao razlika:

H=Z-„0“

„0“-nula (početak) vodomjera

Vodostaj predstavlja jednu uslovnu, odnosno relativnu veličinu. Ukoliko je određena kota početka, odnosno nule mjernog uređaja, za svaki očitani vodostaj se može odrediti odgovarajuća kota nivoa vode.

Vodostaj predstavlja razliku u vertikalnom smislu, između nivoa vode i nekog nultog položaja U poslednje vrijeme se sve više koriste sistemi za automatski prenos podataka o vodostajima sa mjernih mjesta na prirodnim vodotocima u centre za obradu i prognozu oticaja, odnosno režima vode. Sisteme za prenos i registrovanje vodostaja imaju i mnogi hidrotehnički objekti, npr. kod hidroelektrana se u komandni prostor prenose podaci o nivou gornje i donje vode a često i vodostaji sa uzvodne vodomjerne stanice, radi utvrđivanja trenutnog doticaja vode u akumulacioni basen.

1.1 INSTRUMENTI ZA MJERENJE VODOSTAJA



Instrumenti za mjerenje vodostaja koriste se da se izmjeri visina vode nekog vodotoka, rijeke ili jezera. To je okomita udaljenost vodene površine vodotoka, izvora, jezera, akumulacije ili razine vode u pijezometru od pretpostavljene početne mjere – kote 0 vodomjera. Te vrijednosti se najčešće prikazuje u cm ili m. Vodostaji se mjere kontinuirano limnigrafima ili povremeno kada se najčešće koristi vodomjerna letva.

Prije su se kod limnigrafa koristili plovci pomoću kojih su se podaci o vodostaju zapisivali na traku dok se danas prvenstveno koriste digitalna mjerenja pomoću plovaka koji podatke spremaju u memoriju ili ju po potrebi šalju u neki od centara za mjerenje vodostaja.

Slika br.1. Klasićni i digitalni limnigraf

Slika br.2. Vodomjerna letva

Uz te instrumente koriste se još i instrumenti koji pomoću zvučnih valova mjere vodostaje, tzv sonarni instrumenti.

1.1.1 VODOMJERNA LETVA



Vodomjerna letva je najjednostavniji uređaj za mjerenje nivoa vode. Izrađuje se od drveta, livenog gvožđa, čelićnog lima ili plastike. Podjela na levi je najčešće na 2cm. Gvozdene i plastične letve se obično rade u komadima od 1m dužine . širina ovakve letve je najčešće 150mm. Brojevi koji se upisuju na letvi označavaju decimetre; tako prvi metar nosi brojeve od 0 do 9, drugi metar od 10 do 19 dm, i td.

Slika br.3. vodomjerna letva

od livenog gvožđa (drugi metar)

Način ugrađivanja vodomjera zavisi od uslova na terenu. Ako u profilu vodomjerne stanice postoji neki vještački objekat, kao što je npr mostovski stub ili stijenavertikalnog položaja, letva se ankerisanjem na podlogu postavlja u strogo vertikalni položaj. Ako je obala kosa, onda se po jedan, dva ili više komada od po jedan metar letve pričvršćuju na vertikalno pobijene šipove koji mogu biti betonski, drveni ili gvozdeni, odnosno željezni, to je tzv stepeničasti vodomjer.

Slika br.4. Stepeničasti vodomjer

Ovaj način ugrađivanja letve se ne može koristiti kao stalni vodomjer, ako su šipovi izloženi udaru leda ili plovečih predmeta.



Ukoliko na prirodnom ili vještačkom vodotoku postoji uređena obala, preporučeno je da se na oblogu ugradi tzv kosa letva koja se smiješta u žlijeb, tako da je dobro zaštičena od udara plivajučih predmeta. Da bi se vodostaj u cm kao na vertikalnoj letvi , podjela na kosoj letvi se uvečava za faktor 1/sinα gdje α predstavlja ugao koji letva zaklapa sa horizontalom; tako se povečava tačnost čitanja vodostaja.

Slika br.5. Izgled hidrološke stanice sa ugrađenim pneumatskim limnigrafom, vidi se i vodomjerna letva

Kod standardnih vodomjernih letvi koje su podjeljene u širini od 2cm zahtjevana tačnost čitanja je 1cm. Početak, odnosno nulu letve treba postaviti ispod najnižeg opaženog nivoa vode. Ako ovaj uslov nije mogao biti zadovoljen ili ispunjen u trenutku ugrađivanja letve ili se vremenom korito produbilo, nivo vode će u sušnim periodima spasti ispod nule vodomjera. U ovakvim slučajevima, naknadno se ugrađuje tzv „NEGATIVNA LETVA“, kod koje podjela raste u obrnutom pravcu, na niže. Na ovakvom vodomjeru se mogu čitati pozitivni (npr.150) i negativni (npr. -60) vodostaji u malovodnim periodima godine.

Na stanicama osnovne mreže vodostaji se očitavaju u 7.30 h ili u 7.30 i 18.30 h.

1.2 UREĐAJI ZA KONTINUALNO MJERENJE NIVOA VODE



Kod srednjih i malih vodotoka, gdje dolazi do brzih promjena nivoa vode, umjesto diskontualnih čitanja koja se odvijaju na vodomjernim letvama, koriste se uređaji za kontinualno i automatsko registrovanje vodostaja limnigrafi.

Slika br.6 Jedan od načina ugradnje limnigrafa na prirodnom toku

Proizvode se tri tipa limnigrafa:

Sa plovkom; Pneumatski; Sa senzorom

1.2.1 LIMNIGRAFI SA PLOVKOM



Limnigraf sa plovkom se sastoji od sistema: plovak-uže-koturača-kontrateg. Vertikalno pomjeranje plovka se prenosi na papirnu traku koja se kasnije može obraditi elektronskim čitačima. Papirna traka se namotava na doboš ili cilindar. Klasićni tipovi limnigrafa izrađuju se sa vertikalnim ili horizontalnim dobošem. Doboš se okreće oko svoje ose pomoču standardnog časovnog mehanizma, a brzina okretanja doboša usklađena je sa dužinom limnigrafske trake, jedan pun okretaj traje 8 ili 30 dana nakon čega se mijenja papir sa upisanim nivogramom. Ovaj tip limnigrafa se koristi za registrovanje nivoa podzemnih voda (cijev φ2“, plovak φ 40mm) i površinskih voda (plovak φ75 do φ 150 mm).

Slika br 7. Limnigraf sa vertikalnim dobošem

Uz limnigraf se obavezno postavlja i vodomjerna letva. Pisaljka na registratoru se tako postavlja da odgovara trenutnom vodostaju na letvi.

1.2.2 PNEUMATSKI LIMNIGRAF



Iz boce sa komprimovanim vazduhom, preko reduktora pritiska, vazduh se potiskuje u cijev koja je potopljena u vodu. Iz ove cijevi vazduh stalno izlazi u vidu mjehurova. Ovisno od dubine vode h iznad izlaza cijevi, u cijevi se proizvodi pritisak ćija je veličina jednaka hidrostatskom pritisku: ρ=γh, gdje je γ-specifična težina vode. Preko metalnog manometra, ovaj pritisak se preobraća u silu koja djeluje na polugu vage sa klizajučim tegom. Teg se pokreće pomoću servomotora i ovo kretanje se prenosi na pisač koji ostavlja trag (nivogram) na papirnoj traci. Traka je u vezi sa satnim mehanizmom. Razmjere upisivanja su 1:5,1:10 i 1:20 za otvorene vodotoke, ili manje za akumulacione basene. Papirna traka koja ima dužinu od 16m premotava se sa valjka na valjaki omogučuje neprekidno registrovanje tokom više mjeseci.

Slika br.8 Limnigraf sa papirnom trakom

1.2.3 LIMNIGRAF SA SENZOROM

Kod ovih limnigrafa nivo vode se mjeri kao hidrostatički pritisak sa poluprovodnikom-senzorom (piezo-sonda), koji se transformiše u električni signal sa integrisanim pojačalom. Senzor je smješten u cilindar od nehrđajučeg čelika prečnika 24 mm i dužine 175 mm. Senzor visi na višežilnom kablu pomoču kojeg se spušta u zaštitnu cijev . raspon mjerenja ide od 0-1,25m do 0-100m sa tačnošću od 0,2% od sveukupne vrijednosti. Senzor je sastavni dio uređaja koji na papir bilježi kolebanje nivoa vode.

Limnigrafi mogu biti opremljeni elektronskim uređajima za telemetrijsko prenošenje podataka o vodostajima. Mjerenje nivoa se isto tako može vršiti pomoču kapacitivne sonde, ultrazvučnog davača, pokretne igle sa servo-uređajem i drugim metodamagdje se kao rezultat mjerenje dobija neka električna veličina. Indikacije ovih uređaja se takođe mogu prenositi na daljinu, putem radija ili kablovima u centar za prikupljanje i obradu podataka, tzv hidrološki informacioni sistem.

2. MJERENJE PADA VODNOG OGLEDALA



Pad vodnog ogledala na nekom sektoru rijeke mjeri se tako što se duž sektora na većem broju profila, istovremeno stavljaju kočevi, tako što im je vrh u nivou vodene površine. Nakon prolaska poplavnog talasa vrši se nivelisanje vrhova kočeva i mjerenje rastojanja između njih. Ako se pad mjeri u dužem vremenskom periodu, postavljha se neophodan broj privremenih vodomjernih letvi za koje se preciznim nivelisanjem određuju kote nula. Za precizno određivanje pada vodnog ogledala neophodno je istovremeno čitanje vodostaja na svim vodomjernim letvama.

Pad nivoa vodnog ogledala I definiše se kao odnos denivelacije ΔH=H1-H2 i rastojanja L tj.

I= H ₁−H ₂L

;

H1- kota nivoa na početku riječnog sektora

H2-kota nivoa na kraju riječnog sektora

L-dužina riječnog sektora

Za hidrauličke i druge analize neophodno je poznavanje pada linije energije koja se računa po formuli:

Ie=(H ₁+ α ₁∗ν ω2

2∗g )−(H ₂+ α ₂∗νω ²2∗g

)

L

Gdje su:

νω₁-srednja profilska brzina u uzvodnom profilu

νω -srednja profilska brzina u nizvodnom profilu₂

α i α - Koriolisovi koeficijenti₁ ₂

Da bi se odredio pad linije energije potrebno je poznavati, pored srednjih profilskih brzina i raspodjelu brzina po profilu da bi se definisali Koriolisovi koeficijenti.Na uniformnim dionicama ravničarskih tokova, gdje se javljai ustaljeno i ravnomjerno tečenje, pad piezometarske linije I poklapa se sa padom linije energije Ie. U prirodi se ponekad razlike između ova dva pada mogu tolerisati, ali u mnogim slučajevima se korištenjem pada I umjesto Ie u proračun mogu unijeti nedopustive greške.



ZAKLJUČNA RAZMATRANJA

Prilikom izrade podloga za vodoprivredne analize i projektovanja u hidrotehnici, odgovarajući istražni radovi se mogu obaviti kada se zato ukaže potreba i kada se prikupe odgovarajuća sredstva ( topografske, geološke, pedološke i druge neophodne podloge). Proučavanje nekih dinamičkih fenomena može se vršiti na bazi eksperimenata u laboratoriji ili neposredno na terenu, gdje se broj opita može neograničeno ponavljati.

Naučna disciplina koja se bavi mjerenjima na vodama i primarnom obradom rezultata mjerenja naziva se hidrometrija. Hidrološki i srodni podaci se mjere, osmatraju, prikupljaju i publikuju, a osnovni cilj im je da se dobiju što kvalitetniji podaci koji služe za planiranje, zaštitu, razvoj i upravljanje vodnim resursima jedne zemlje.

Nivo vode (vodostaj) mjeri se i osmatra na vodotocima rijeka, jezerima i morima. Vodostaj predstavlja razliku u vertikalnom smislu, između nivoa vode i nekog nultog položaja. Vodostaj predstavlja jednu uslovnu, odnosno relativnu veličinu. Ukoliko je određena kota početka, odnosno nule mjernog uređaja, za svaki očitani vodostaj se može odrediti odgovarajuća kota nivoa vode.

Instrumenti za mjerenje vodostaja koriste se da se izmjeri visina vode nekog vodotoka, rijeke ili jezera. Kod srednjih i malih vodotoka, gdje dolazi do brzih promjena nivoa vode, umjesto diskontualnih čitanja koja se odvijaju na vodomjernim letvama, koriste se uređaji za kontinualno i automatsko registrovanje vodostaja limnigrafi. Mjerenje nivoa se isto tako može vršiti pomoču kapacitivne sonde, ultrazvučnog davača, pokretne igle sa servo-uređajem i drugim metodamagdje se kao rezultat mjerenje dobija neka električna veličina.

Pad vodnog ogledala na nekom sektoru rijeke mjeri se tako što se duž sektora na većem broju profila, istovremeno stavljaju kočevi, tako što im je vrh u nivou vodene površine. Nakon prolaska poplavnog talasa vrši se nivelisanje vrhova kočeva i mjerenje rastojanja između njih. Ako se pad mjeri u dužem vremenskom periodu, postavljha se neophodan broj privremenih vodomjernih letvi za koje se preciznim nivelisanjem određuju kote nula. Za precizno određivanje pada vodnog ogledala neophodno je istovremeno čitanje vodostaja na svim vodomjernim letvama.



LITERATURA

1. http://hikom.grf.bg.ac.rs/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/Hidrologija/2007-03-hidrometrija.pdf 2. http://hikom.grf.bg.ac.rs/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/Merenja/Literatura/Skripta/Tekst/

MerenjeNivoa.html3. Prohaska Stevan: Hidrologija I-dio; Rudarsko-Geološki fakultet;2003.


http://hikom.grf.bg.ac.rs/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/Merenja/Literatura/Skripta/Tekst/MerenjeNivoa.html

http://hikom.grf.bg.ac.rs/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/Merenja/Literatura/Skripta/Tekst/MerenjeNivoa.html

http://hikom.grf.bg.ac.rs/web_stranice/KatZaHidr/Predmeti/Hidrologija/2007-03-hidrometrija.pdf

Documents

Mjerenje Nivoa Vodostaja i Pad Vodnog Ogledala