Pływaki całkujące (integratory) - odnoszą się do pomiarów prędkości w całym przekroju poprzecznym cieku.

Odmianą zupełnych pomiarów odcinkowych prędkości są pomiary prędkości średniej w pionie hydrometrycznym.

Odmianą zupełnych pomiarów odcinkowych prędkości są pomiary prędkości średniej w pionie hydrometrycznym, w pionowej płaszczyźnie przechodzącej przez dany pion hydrometryczny równoległej do osi cieku (kierunku przepływu). Metoda ta polega na wypuszczaniu na poziomie dna cieku pływaków o gęstości mniejszej niż gęstość wody oraz na pomiarze długości odcinka wzdłuż biegu rzeki zawartego pomiędzy pionem, w którym pływak został wypuszczony, a punktem, w którym wypłynął na powierzchnię wody

Na wypuszczony z dna cieku pływak działają dwie siły: siła wyporu oraz parcie hydrodynamiczne

Pomiary odcinkowe powierzchniowe pozwalają na określenie prędkości przepływu w przypowierzchniowej warstwie wody w przekroju poprzecznym. Do ich wykonania wykorzystuje się różnego rodzaju pływaki powierzchniowe, swobodnie unoszone przez płynącą wodę z prędkością równą prędkości strug wody na powierzchni rzeki. W rzeczywistości, według Du Buala, przedmiot płynący z prądem wody porusza się szybciej niż otaczające go cząstki wody. Zależy to od ciężaru właściwego ciała, jego kształtu oraz od spadku zwierciadła wody. Szybciej porusza się przedmiot o większym ciężarze, bardziej opływowym kształcie, przy większym spadku zwierciadła wody. Pływaki powierzchniowe należą do najstarszych przyrządów służących do pomiarów prędkości przepływu. Zaletą ich jest prostota konstrukcji, wadą zaś - mała dokładność wyników.

Najczęściej stosowanymi pływakami są krążki drewniane lub korkowe, butelki częściowo wypełnione wodą, kule metalowe wewnątrz puste

Natężeniem przepływu nazywa się ilość wody przepływającej przez przekrój poprzeczny koryta otwartego lub przewodu zamkniętego w jednostce czasu. Wielkość te oznacza się jako Q, określającej ilość wody przepływającej przez dyszę o przekroju F .

Metody pomiarowe natężenia przepływu zostały przez Dębskiego podzielone na:

bezpośrednie, w których mierzy się bezpośrednio przepływ, i

pośrednie -gdzie mierzy się elementy, od których zależy przepływ {najczęściej są to powierzchnia przekroju poprzecznego F i prędkość przepływu v).

I Metody bezpośrednie pomiarów natężenia przepływu

1. Metody bezpośrednie charakteryzuje duża dokładność pomiaru, ale stosowane mogą być przy niewielkich wartościach przepływu. Spośród tych metod do najczęściej stosowanych w praktyce hydrometrycznej zaliczyć należy metody objętościowe (wolumetryczne), hydrauliczne, rozcieńczenia wskaźnika oraz elektryczne.

2. Metody objętościowe mierzy się w nich objętość wody, jaka gromadzi się w zbiorniku w określonym czasie: Q=V/t. Za pomocą, metod objętościowych nie można określać przepływów chwilowych.

Najczęściej pomiary objętościowe stosowane są do pomiarów wypływów ze źródeł, rurociągów, sieci drenarskiej, - wszędzie tam, gdzie istnieje możliwość łatwego podstawienia zbiornika pod strumień wypływającej wody. Mogą być stosowane również do pomiaru przepływu w małych ciekach górskich i nizinnych.

Zbiorniki, do których chwyta się wodę podczas pomiarów objętościowych, mają najczęściej podziałkę wyskalowaną w jednostkach objętości. Dzięki temu nie jest konieczne całkowite napełnianie zbiornika i można pomiar zakończyć w dowolnym czasie.

3. Metody hydrauliczne Metody pomiarów przepływu zaliczane do tej grupy odnoszą się do dwóch różnych schematów hydraulicznych - schematu wypływu przez otwór w ścianie zbiornika oraz schematu zwężenia przekroju poprzecznego strumienia płynącej wody.

Metody oparte na schemacie wypływu przez otwór w ścianie zbiornika. Podstawowym schematem hydraulicznym w tej grupie metod pomiarów przepływu jest schemat wypływu przez otwór w ścianie zbiornika

Przelewy pomiarowe są urządzeniami przegradzającymi ciek. Wskutek ich oddziaływania następuje spiętrzenie wody powyżej przelewu, a zwierciadło wody w cieku układa się według krzywej cofkowej. Do pomiarów przepływu wykorzystuje się urządzenia przelewowe istniejących budowli wodnych bądź buduje się specjalne przelewy pomiarowe.

Prawidłowy przelew stosowany do pomiarów przepływu spełnia następujące warunki:

- powinien mieć .ściankę o ostrej krawędzi;

- powinien być niezatopiony, tzn. jego krawędź powinna znajdować się powyżej poziomu wody dolnej;

- dopływ do niego jest spokojny, tzn. prędkość dopływowa powinna być bliska zeru (v_a '= 0) - w praktyce przyjmuje się ten warunek za spełniony, gdy v₀ < I m/s;

- przepływ strumienia wodnego nad krawędzią przelewu odbywa się zupełnie swobodnie; nie może występować tu zjawisko przylegania strumienia poniżej krawędzi do ścianki przelewowej, stosuje się więc napowietrzanie przestrzeni pomiędzy spadającym strumieniem wody a ścianka piętrząca.

Przelewy przenośne używane są do pomiarów ekspedycyjnych wykonywanych na małych ciekach i w większej liczbie przekrojów. Przelewy takie wykonane z blachy umieszcza się w przekroju pomiarowym, zwracając uwagę, aby piętrzenie nie było zbyt duże oraz aby przelew nie pracował jako zatopiony. Bardzo ważne jest uszczelnienie przelewu, tak aby woda nie przepływała pod nim i wzdłuż jego boków. Wykorzystuje się do tego celu występujące na miejscu materiały - jak glinę, ii, darń itp. Po umieszczeniu przelewu w przekroju hydrometrycznym należy czekać z wykonaniem odczytu do momentu ustabilizowania się przepływu, tzn. do czasu, gdy poziom wody powyżej przelewał przestanie się podnosić.

Przelewy, tak jak każde urządzenie pomiarowe, maja również kilka wad. Stosowane mogą być przy dość dużym spadku zwierciadła wody, ponieważ w przeciwnym razie nie może być spełniony warunek niezatopienia przelewu. Na rzekach prowadzących duże ilości rumowiska zbiorniki tworzące się powyżej przelewu ulegają zamuleniu. Zamulenie to powoduje, że prędkość dopływowa v_o} nadmiernie wzrasta, w wyniku czego wyniki pomiarów są obarczone dużymi błędami. Przeciwdziałać temu można, wyjmując zastawki i przepłukując koryto zbiorniczka powyżej przelewu bądź też usuwając osady ręcznie, przy kierowaniu w tym czasie wody przez kanały obiegowe do dolnego stanowiska.

4. Metody rozcieńczenia wskaźnika w określaniu stężenia lub rozcieńczenia roztworu wodnego, przyjętego wskaźnika w wodzie cieku. W tym celu do cieku wprowadza się roztwór wodny wskaźnika o znanym stężeniu k, który wskutek burzliwości ruchu wody w cieku ulega wymieszaniu w całej masie płynącej wody. W przekroju, w którym roztwór wskaźnika jest już dokładnie wymieszany, zwanym przekrojem wykrywania (detekcji), mierzy się jego rozcieńczenie w wodzie cieku. Im przepływ cieku jest większy, tym większe obserwować się będzie rozcieńczenie roztworu i odwrotnie.

Od wskaźników wymaga się, aby były to substancje nie powodujące skażeniu środowiska, tj. pozbawione właściwości toksycznych. Substancje wskaźnikowe nie powinny: a ulegać rozkładowi pod wpływem składników zawartych w wodzie cieku w czasie krótszym od trwania pomiaru;

• ulegać rozkładowi pod względem światła lub podczas dłuższego przechowywania;

• spełniać roli indykatora odczynu chemicznego wody;

• zmieniać zabarwienia wraz ze wzrostem stopnia rozcieńczenia.

Z praktycznego punktu widzenia nie powinny być to artykuły zbyt drogie.

Sposób ciągły dozowania wskaźnika do cieku. Roztwór wskaźnika o stężeniu k. jest wprowadzany do wody cieku równomiernie przez kilka lub kilkanaście minut

Natężenie przepływu Q oblicza się za pomocą dwóch równań bilansowych i dlatego metoda ta nazywana jest nieraz bilansową. Równanie pierwsze jest bilansem objętości wody w jednostce czasu (natężenia przepływu), natomiast drugie równanie jest bilansem masy wskaźnika: Q_ł = Q + P

Metoda porcji wskaźnika. Metoda ta polega na jednorazowym wpuszczeniu określonej objętości roztworu wskaźnika o stężeniu k do cieku. Wytwarza .się wówczas fala wskaźnika, która przemieszcza się z biegiem rzeki. Wskutek burzliwego charakteru przepływu roztwór wskaźnika miesza się z woda cieku i po przebyciu określonego odcinka L, zwanego drogą mieszania, wytwarza się stężenie wskaźnika k₁<k, jednakowe we wszystkich punktach przekroju poprzecznego, w danym czasie dt.

Rodzaje metod rozcieńczania wskaźniki)

1. Metoda chemiczna. Metoda ta polega na zastosowaniu jako wskaźnika związku chemicznego, jakim jest sól mineralna określonego kwasu. Najczęściej stosowana jest sól kuchenna (chlorek sodowy) NaCI. Zaletą tego wskaźnika jest dobra rozpuszczalność w wodzie, mała sorpcja w korycie rzeki trwałość chemiczna (nie zmienia się pod wpływem działania światła, nie ulega redukcji i utlenieniu) oraz niska cena i dostępność.

2. Metoda kolorymetryczna - jako wskaźniki najczęściej stosowane są barwniki takie jak: fluoresceina, eozyna, dwuchromian sodu itp. Wskaźniki te mogą być stosowane w dużym rozcieńczeniu dochodzącym nawet do 1:1000000. Przeprowadzone były próby zastosowania jako wskaźników w metodzie kolorymetrycznej barwników stosowanych w przemyśle spożywczym do barwienia artykułów żywnościowych, a więc pozbawionych właściwości toksycznych.

Stężenie barwnika określa się za pomocą przyrządów zwanych kolorymetrami. Współcześnie stosowane są fotokolorymetry, działające na zasadzie komórki (bioelektrycznej). Otrzymane tą metodą wyniki są mniej dokładne niż wyniki otrzymane metodą chemiczną.

3. Metoda izotopowa (radiometryczna). Wskaźniki stosowane w metodzie izotopowej powinny powodować możliwie jak najmniejszy stopień skażenia środowiska, a więc odznaczać się słabym natężeniem promieniowania i krótkim czasem połowicznego rozpadu.

4. Metoda fluorometryczna. Do pomiarów metodą fluorometryczną używa się fluorosceiny. Stężenie wskaźnika określa się na podstawie natężenia fluorescencji mierzonego fluorometrami.

5. Metoda termometryczna, W tej metodzie wskaźnikiem jest woda o temperaturze różniącej się w istotny sposób od temperatury wody w cieku. Metoda ta znajduje zastosowanie wówczas, gdy do rzeki lub potoku uchodzi mały ciek prowadzący wodę

II Metody pośrednie pomiaru natężenia przepływu

1.Pomiar przekrojów poprzecznych do celów hydrometrycznych Pomiarem objęte są głębokości w przekroju poprzecznym i jego szerokość. Elementy te są niezbędne do obliczenia powierzchni przekroju F. Głębokości mierzy się w punktach przekroju, których odstępy zależą od szerokości cieku i rzeźby jego dna.

2. Pośrednie pomiary punktowe natężenia przepływu . polegają na pomiarze prędkości metodą punktową oraz na pomiarze elementów przekroju poprzecznego cieku, niezbędnych do obliczania jego powierzchni. Pomiary obydwu elementów wykonuje się tutaj jednocześnie w tym samym przekroju hydrometrycznym. Bezpośrednio po zmierzeniu sondą głębokości w przekroju poprzecznym lokalizuje się piony hydrometryczne, w których przeprowadza się punktowe pomiary prędkości przepływu.

Metoda Harlachera - elementarne części bryły natężenia przepływu otrzymuje się w wyniku jej podziału. Przedstawiają one sobą plastry, których równoległe ściany są powierzchniami tachoid w pionach hydrometrycznych, w których płaszczyzna podziału przecina powierzchnie- przekroju poprzecznego.

Prędkość średnią w częściach bryły przepływu pomiędzy sąsiednimi pionami hydrometrycznymi oblicza się jako średnią arytmetyczną prędkości w tych pionach.

Metoda graficzna Harlachera opiera się na podziale bryły przepływu na elementy o nieskończenie malej szerokości db. W tym celu wykonuje się wykres przekroju poprzecznego cieku, na który nanosi się piony hydrometryczne. w których pomierzono prędkości. Nad wykresem przekroju poprzecznego wykonuje się wykres rozkładu prędkości średnich, obliczonych dla tych pionów hydrometrycznych.

Zasada metody jest następująca. Na wykresie przekroju poprzecznego cieku w punkcie przecięcia linii pionu hydrometrycznego ze zwierciadłem wody (punkt A) odkłada się w przyjętej skali na linii zwierciadła wody wartość prędkości średniej w tym pionie v_s (odcinek AB) oraz pewien odcinek konstrukcyjny a, zwany stałą Harlachera (odcinek AC). Koniec odcinka a (punkt C) łączymy z punktem przecięcia pionu hydrometrycznego z obrysem dna (punkt D), a następnie z punktu B prowadzimy prostą równoległą do odcinka CD, otrzymując w punkcie przecięcia z linią pionu hydrometrycznego punkt E. Odcinek pionu hydrometrycznego A- zawarty pomiędzy linią zwierciadła wody w punkcie A a punktem E jest poszukiwaną wielkością

Metoda Culmanna - podział bryły przepływu na części elementarne przeprowadzony jest, jak na schemacie b i c, za pomocą płaszczyzn równoległych do powierzchni przekroju hydrometryeznego (schemat b) lub powierzchni krzywoliniowych prostopadłych do powierzchni przekroju (.schemat c). Sladami przecięcia tych płaszczyzn lub powierzchni z powierzchnią bryły przepływu są linie krzywe łączące punkty o jednakowej prędkości przepływu, zwane izotachami.

Konstrukcję izotach w przekroju poprzecznym cieku przeprowadza się metodą graficzną, w drodze analizy tachoid w pionach hydrometrycznych. Na wykresie tachoidy na osi prędkości przepływu (oś pozioma) obiera się punkty stanowiące wielokrotność pewnej przyjętej okrągłej wartości liczbowej. Z kolei posługując się wykresem tachoidy, znajduje się w rozpatrywanym pionie głębokości, na których występują przyjęte wartości prędkości przepływu. Postępowanie takie przeprowadza się dla wszystkich pionów hydrometrycznych w przekroju poprzecznym, otrzymując na wykresie przekroju poprzecznego zbiór punktów o określonych okrągłych wartościach prędkości. Punkty odpowiadające jednakowym wartościom prędkości łączymy liniami krzywymi, otrzymując izotachy w przekroju poprzecznym.

Izotachy są liniami krzywymi zamkniętymi bądź mającymi swe punkty skrajne na linii zwierciadła wody. Są one liniami współkształtnymi, dlatego też ogólny kierunek izotach wyznacza się kompleksowo dla całego przekroju poprzecznego. Punkty przecięcia izotach z linią zwierciadła wody znajduje się za pomocą wykresu

Bardziej skomplikowana sytuacja występuje przy prowadzeniu izotach w pobliżu dna. Z uwagi na materiał denny (piasek, żwir. kamienie) prędkość na poziomie dna nie zawsze jest równa zeru, a izotachy mogą przecinać się z linią dna. Przy braku odpowiednich pomiarów prędkości przydenne w pionach hydrometrycznych określa się na podstawie ekstrapolacji wykresu tachoidy do poziomu dna. Gdy z uwagi na charakter dna występują na jego poziomie prędkości zerowe (np. dno betonowe, deski itp.), to w strefie przydennej obserwuje się duże zagęszczenie izotach. W tej sytuacji, w praktyce, w celu uproszczenia konstrukcji, dopuszcza się przecinanie się izotach z linią dna z uwagi na niewielki błąd jaki może tu być popełniony.

Obliczanie natężenia przepływu na podstawie pomiarów prędkości wykonanych przy zmiennych stanach wody. Podczas wykonywania pomiarów hydrometrycznych mogą ulegać zmianie stany wody. Jeżeli zmiany te są niewielkie (kilka cm), to nie bierze się tego faktu pod uwagę, a obliczoną wartość przepływu Q odnosi się do wypośrodkowanego stanu wody. Przy większych zmianach, jakie mają miejsce przy wezbraniach na rzekach górskich lub na małych ciekach nizinnych, przy nagłym zamknięciu lub otwarciu urządzeń piętrzących, śluz itp. należy tę okoliczność uwzględniać. Natężenie przepływu oblicza się analityczną metodą Harlachera, dzieląc płaszczyznami pionowymi bryłę przepływu na części prostopadle do płaszczyzny przekroju w połowie odległości między pionami hydrometrycznymi.

Pośrednie pomiary odcinkowe natężenia przepływu

Zupełne pomiary odcinkowe przepływu. Pośrednie pomiary odcinkowe przepływu polegają na pomiarze prędkości przepływu metodą odcinkową oraz na pomiarze przekroju poprzecznego cieku. Odcinek wybrany do pomiaru prędkości, powinien być prosty, o regularnych, stałych kształtach przekroju poprzecznego. Zazwyczaj wykonuje się pomiary przekroju poprzecznego znajdującego się w środku odcinka pomiarowego.

Metoda pływaków integratorów może również służyć do odcinkowych zupełnych pomiarów natężenia przepływu. W tym celu pływaki wypuszcza się, najczęściej w sposób ciągły, w szeregu punktach przekroju poprzecznego, przy dnie rzeki. Najczęściej stosuje się pływaki wypuszczone w sposób ciągły (np. pęcherzyki powietrza). Pływaki te wypływają na powierzchnię zwierciadła wody w różnych odległościach od przekroju pomiarowego zależnie od prędkości w płaszczyźnie pionowej, przechodzącej przez dany pion hydrometryczny, tworząc na powierzchni zwierciadła wody szereg punktów.

Metoda łodzi ruchomej. Pomiary punktowe przepływu wykonywane metoda tradycyjna trwają dość długo, ponieważ najpierw wykonuje .się pomiar przekroju poprzecznego, a później pomiary prędkości w szeregu pionach i punktach. Przy stanach ustabilizowanych nie ma to większego wpływu na wynik pomiaru, natomiast przy stanach zmieniających się w krótkich okresach (np. w czasie wezbrań), w warunkach ruchu nieustalonego, istotne znaczenie ma możliwie największe skrócenie czasu pomiaru. Warunki takie spełnia metoda zwana metodą ruchomej łodzi , w której dokonuje się jednoczesnego pomiaru obydwu elementów, tj. powierzchni przekroju F i prędkości przepływu v.

Dzięki zastosowaniu do pomiaru odległości dalmierza mikrofalowego nie jest konieczne rozciąganie liny w poprzek przekroju pomiarowego. Ma to istotne znaczenie przy pomiarach wykonywanych na rzekach żeglownych, o dużym nasileniu mchu obiektów pływających, gdzie występują problemy związano z koniecznością zamykania szlaku żeglownego na czas trwania pomiaru. Utrzymywanie przyrządu do pomiaru prędkości w linii przekroju hydrometrycznego zapewnia żyrokompas.

---