HIDROMETRIA DEBITELOR SOLIDE

Debitul solid tarat si debitul solid in suspensie se raporteaza intotdeauna la debitul lichid si la nivelul apei din rau din momentul efectuarii masuratorii.

11.1. Debitul solid in suspensie

Aparatele folosite pentru masurarea cantitatii de aluviuni in suspensie transportate de cursurile de apa, se numesc batometre. Cantitatea de apa necesara a fi recoltata depinde de turbiditatea apei. La turbiditati foarte ridicate (5 10 g/l) se recolteaza probe de 0,5 l, iar la turbiditati foarte mici (sub 0,01 0,02 g/l) se recolteaza probe de apa de 2 5 l.

Determinarea debitului solid al aluviunilor in suspensie se obtine prin masuratori simultane, de viteza a apei si a concentratiei aluviunilor, intr-un numar de puncte ale sectiunii de curgere a raului .

Dintre tipurile de batometre utilizate se prezinta in figura 11.1 batometrul Jukovski-Kolle. Aparatul consta dintr-un recipient metalic de forma cilindrica, cu axul orizontal, prevazut cu clapete la cele doua capete in pozitie inchisa prin resorturi. Batometrul este scufundat la adancimea necesara, prin tije avand cele doua clapete deschise prin cablurile actionate de operator de la suprafata cuentului de apa. Dupa umplerea cu apa a recipientului si uniformizarea curentului, se inchid brusc clapetele prin eliberarea celor doua cabluri.

Din continutul batometrului se separa partea solida prin operatii de filtrare sau de centrifugare, dupa care suspensiile se usuca si se cantaresc (p, [g]) si prin raportare la volumul total al probei W [cm³] se exprima concentratia aluviunilor in suspensie prin relatia:

r = 10 ⁶ [g/cm³] 

Daca se noteaza cu r concentratia medie a aluviunilor in suspensie de pe o verticala (determinata prin masuratori cu batometrul in diferite puncte de pe aceeasi verticala), cu v_med viteza medie pe verticala, cu h adancimea apei in dreptul verticalei si cu l semisuma distantelor dintre verticalele considerate intr-o sectiune a albiei, debitul total de aluviuni in suspensie pentru un anumit nivel al apei se poate exprima prin:

Q_s=0,5 [h₁ v_med,1 r l₁ +( h₁ v_med,1 r + h₂ v_med,2 r ) l₂ ++ h_n v_med,n r_n l_n+1]

11.1.1. Calculul debitului solid in suspensie

In punctele in care se fac masuratori de viteza se fac si colectari de probe de apa tulbure cu care se fac determinari ale concentratiei de aluviuni prin filtrare si cantarire.

r = [g/l]

Intr-o sectiune transversala a unui rau putem avea urmatoarele tipuri de masuratori:

Ø      complete care se fac in toate verticalele de viteza, in toate punctele standard

in care s-au masurat vitezele;

Ø      la 0,6 h in toate verticalele de viteza;

Ø      la suprafata;

Ø      simple, doar in anumite puncte si anumite verticale.

Metodele de calcul ale debitului solid in suspensie sunt:

a) Metoda analitica, care presupune calculul debitelor partiale de aluviuni in suspensie DR_i si insumarea lor pe intreaga sectiune:

unde:

A_ij este suprafata partiala cuprinsa intre doua verticale vecine de prelevare a probelor; sunt debitele de aluviuni in suspensie, unitare medii pe verticalele respective, acestea calculandu-se cu formule asemanatoare cu cele folosite la calculul vitezelor medii pe verticala pe baza punctelor standard.

De exemplu, pentru o verticala in care s-au masurat debite de aluviuni in suspensie in cinci puncte (la suprafata, 0,2h 0,6 h 0,8 h si la fundul albiei) se foloseste formula:

unde:

r = este concentratia de aluviuni in suspensie determinata prin filtrare si cantarire [g/l]; v_i, viteza medie in punctul de masurare [m/s].

Pentru cazul general formulele sunt prezentate in tabelul 11.1.

Tabelul 11.1 Calculul debitelor de aluviuni in suspensie unitare medii

b) Metoda grafomecanica - consta in trasarea curbei de variatie a debitelor unitare medii de aluviuni in suspensie si planimetrarea suprafetei cuprinse intre aceasta curba si linia apei corespunzatoare nivelului de calcul.

c) Metoda grafoanalitica - consta in determinarea suprafetei determinate ca la metoda grafomecanica si calculul acesteia tinand seama de figurile geometrice formate intre verticalele de masurare.

11.2. Debitul solid tarat

Pietrisurile si nisipurile miscate de curentul de apa pe fundul albiei se pot masura sub forma debitului solid de fund prin insumarea unor debite elementare g_f care reprezinta cantitatea de aluviuni tarate ce trece in unitatea de timp prin latimea partiala b si se calculeaza cu formula:

g_f = [g/m s]

unde:

P este greutatea in g a aluviunilor care trec prin latimea b [cm], in timpul t [s]

Daca se noteaza cu l₁, l₂,,l_n+1 distantele dintre verticalele care trec prin mijlocul fasiilor b, atunci debitul solid tarat total G_f se poate calcula cu relatia:

G_f = 0,5 g₁ l₁+(g₁+g₂) l₂ ++ g_n l_n+1]

Suma distantelor l₁, l₂, , l _n+1 formeaza latimea activa B de circulatie a aluviunilor tarate, iar prin latimea partiala b se intelege latimea aparatului utilizat.

Batometrele sunt folosite pentru colectarea aluviunilor tarate si sunt construite astfel incat sa nu perturbe regimul de curgere al curentului de apa.

Cel mai simplu batometru se prezinta sub forma unei cutii din plasa de sarma cu ochiuri mici, avand partea anterioara deschisa pe o latime b, fixata pe patul albiei printr-o bara metalica .

11.2.1. Calculul debitului solid tarat

Aluviunile tarate sunt cele transportate de rauri pe fundul albiei si au o compozitie granulometrica mai mare decat cele in suspensie.

Calculul debitului solid tarat se face prin urmatoarele metode:

a) Metoda analitica - presupune insumarea aluviunilor tarate partiale (debitul care trece prin doua sectiuni verticale) pe intreaga sectiune.

unde:

g_i, g_i+1 sunt debitele partiale tarate transportate de rau in verticala i pe latimea b a batometrului [g/m s]; l_i, distanta dintre verticalele i si i+1.

b) Metoda grafomecanica, consta in trasarea curbei de variatie a debitelor elementare tarate si planimetrarea suprafetei cuprinse intre aceasta curba si linia apei corespunzatoare nivelului de calcul.

Figura 11.5 Graficul variatiei debitului solid tarat prin metoda grafomecanica

c) Metoda grafoanalitica, consta in trasarea curbei de variatie a debitelor elementare tarate si calculul suprafetelor cuprinse intre aceasta curba si linia apei aplicand formula (figura 11.6.) :

Figura 11.6 Graficul variatiei debitului solid tarat prin metoda grafoanalitica

11.3. Exemple de calcul

Debitul solid in suspensie in cazul in care exista masuratori numai in doua verticale vecine

In doua verticale vecine, cu adancimile h_i=78 cm si respectiv h_i+1=94 cm situate la distanta d=4,00 m au fost masurate vitezele si determinate turbiditatile apei (tabelele 11.2 si 11.3).

Tabelul 11.2 Vitezele si turbiditatile pentru verticala i

Tabelul 11.3 Vitezele si turbiditatile pentru verticala i+1

a) calculul debitului lichid intre verticale

a.1) procedeul vitezei medii dintre verticale

Ø     viteze medii pe verticale

Ø      viteza medie dintre verticale

Ø      sectiunea dintre verticale

A _{i, i+1} = 0,5 (0,78 + 0,94) x 4,0 = 3,44 m²

Ø      debitul lichid dintre verticale

b) Calculul debitelor unitare de aluviuni in suspensie a pe unitatea de suprafata (1 m²) din jurul punctelor unde s-au efectuat masuratorile de viteze si turbiditate:

Ø      - in verticala i

a_{0,2 h} x 3000 = 3000 [g/s m²]

a_{0,6 h} x 4400 = 3740 [g/s m²]

a_{0,8 h} x 7800 = 4680 [g/s m²]

Ø      - in verticala i +1

a_s = 1,20 x 4000 = 4800 [g/s m²]

a_{0,2 h} = 1,24 x 4200 = 5208 [g/s m ²]

a_{0,6 h} = 1,06 x 5600 = 5936 [g/s m²]

a_{0,8 h} = 0,68 x 8000 = 5440 [g/s m²]

a_f =0,50 x 10000 = 5000 [g/s m²]

b.1) procedeul direct

Se calculeaza debitul unitar mediu a_med pentru cele doua verticale, utilizand relatiile de la calculul vitezelor medii:

a_{med, i} = (3000 +2 x 3740 + 4680) =3790 [g/s m²] 

a_{med, i+1}=(4800+3 x x x 5440+5000)=5410 [g/s m²]

dupa care se obtine valoarea medie a_{med, i,i+1} corespunzatoare celor doua verticale:

a_{med, i,i+1} =(3790 + 5410) = 4600 [g/s m²]

Ø      debitul solid in suspensie rezulta prin produsul ariei dintre cele doua

verticale cu debitul solid unitar mediu:

R_i,i+1=a_{med, i,i+1} x A_i,i+1=4600 [g/s m²] x [m²] = 15,824 [g/s]

Ø     turbiditatea medie se obtine cu relatia:

11.3.3. Debitul solid tarat

Colectarea probelor pentru determinarea aluviunilor tarate se face simultan cu cele pentru aluviunile in suspensie. Masuratorile se fac in fiecare verticala cu batometrele, luand trei probe cu acelasi timp de recoltare. Media probelor se considera reprezentativa pentru verticala respectiva. Timpul de recoltare se alege in practica in functie de granulometria aluviunilor tarate si de viteza apei la fundul albiei.

Debitul elementar de aluviuni tarate cand avem masa medie din verticalele respective se calculeaza cu formula:

unde:

P_i este masa medie rezultata in urma masuratorilor in intervalul de timp ales in verticala i, exprimata in grame; b, latimea batometrului, exprimata in cm.

Batometrul ISCH are latimea b=22 cm.

Notand cu l_i distanta dintre verticalele i si i , debitul solid tarat G_t va fi:

Pe baza datelor prezentate in tabelul 11.5, stiind ca s-a utilizat un batometru ISCH si a unui timp de colectare de 2,5 minute, rezulta urmatorul debit solid tarat:

Debitul solid total, in suspensie si tarat, care trece prin profilul transversal in urma calculelor efectuate in timpul masuratorilor complete este :

R_s + G_t =1,4128 + 0,575 = 1,9878 kg s

Concluzii

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

datorita unor factori necunoscuti. Pentru inlaturarea acestor lacune apare necesitatea efectuarii unor masuratori directe atat pentru aluviunile in suspensie cat si pentru aluviunile tarate.

b) Cunoasterea scurgerii solide prezinta interes in proiectarea si exploatarea unor importante lucrari hidrotehnice (lacuri de acumulare, regularizari de rauri, cai navigabile, aductiuni de apa, decantoare, filtre etc.) asupra carora are efect defavorabil. Pe de alta parte, aluviunile sub forma de nisip, pietris si prundis pot fi utilizate ca agregate pentru betoane daca exploatarea si sortarea lor este economica.