روش های اندازه گیری دبی در مطالعات آب سنجی

مطالعات آب در بخش های مختلفی از جمله هیدرولوژی، زمین شناسی و ریخت شناسی رودخانه ها تاثیر مستقیمی دارد. بسیاری از فرمول هایی که در طراحی سیستم های آبی به کار برده می شود، از روی داده های تجربی و اندازه گیری های صحرایی بدست آمده است. مطالعات آب سنجی(هیدرومتری) از جمله مباحث مهم به ویژه در ارتباط با هیدرولوژی می باشد.

از جمله اندازه­ گیری های هیدرومتری که در هیدرولوژی مورد استفاده قرار می گیرد

-اندازه گیری سطح آب

-اندازه گیری عمق آب

-اندازه گیری سرعت آب

-اندازه گیری دبی جریان

آبدهی یا دبی جریان، به حجم آب جا به جا شده از یک مقطع (رودخانه، لوله، دریچه سد، کانال آب و…)در مدت زمان مشخص گفته شده و بر حسب واحدهای متر مکعب بر ثانیه، متر مکعب بر ساعت و یا لیتر بر ثانیه بیان می گردد. روش های گوناگونی برای اندازه گیری دبی متوسط جریان وجود دارد که در ادامه به این روش ها پرداخته شده است:

اندازه گیری از طریق قرائت اشل(سنجش دبی رودخانه)

اگر در یک نقطه از مسیر رودخانه که اشل یا خط کش اندازه گیری سطح آب نصب شده است، چندین بار علاوه بر قرائت اشل، دبی نیز از روی اندازه­ گیری سرعت متوسط و سطح مقطع تعیین گردد، می توان رابطه ای را بین اشل و دبی بدست آورد. نقاط قرائت شده، یک منحنی را ایجاد می کند که نتیجه اندازه گیری های مستقیم دبی و اشل می باشد. حال در صورتی که فقط اشل قرائت شود، می­ توان از روی منحنی مذکور دبی را تخمین زد.

در اکثر رودخانه ها تنها به نصب یک خط کش مدرج (اشل یاGauge) برای اندازه گیری سطح آب اکتفا می شود. اما اگر به دلیل تلاطم سطح آب نتوان به دقت عدد خط کش را قرائت کرد، آب را از طریق یک لوله به داخل استوانه ای که در کنار رودخانه ساخته می شود، هدایت کرده و سطح آب در این استوانه که برابر سطح آب در رودخانه خواهد بود از طریق یک دستگاه ثبات به نام لیمنوگراف (Limnograph) اندازه گیری و روی کاغذ ثبت و یا توسط دستگاه های لاگر ضبط می شود.

محاسبه دبی از طریق شیب و ضریب انتقال

در این روش از طریق دو پارامتر دیگر، دبی تخمین زده می شود و برای بخش هایی که اندازه گیری مستقیم امکان پذیر نباشد، کاربردی است. برای این منظور ۲ یا ۳ نقطه در مسیر رودخانه در نظر گرفته و در هر نقطه با تخمین سطح مقطع (A)، شعاع هیدرولیکی (R)، ضریب زبری مانینگ (n)، مقدار ضریب انتقال (K) از فرمول زیر محاسبه شده و چنان چه اختلاف ارتفاع نقاط برابرd∆ و مقدار دبی را برای مواردی که دو یا سه نقطه را اندازه گیری کرده باشیم به ترتیب به صورت زیر قابل محاسبه است.

لازم به توجه است که در این روش باید در انتخاب نقاط و فاصله بین آن ها دقت کافی به عمل آید. به طوری که فاصله بین نقاط حداقل ۲۰ متر برای شیب های حدود ۱%، ۲۰۰ متر برای شیب های۱/۰% و ۲۰۰۰ متر برای شیب های۰۱/۰% باشد.

محاسبه دبی از طریق استفاده از مواد شیمیایی

روش های شیمیایی بر اساس رقیق شدن ماده ای شیمیایی و وارد شدن در نقطه ای از رودخانه انجام می گیرد. اگر حجمی (V) از یک ماده شیمیایی به غلظت C1 را یک دفعه وارد آب رودخانه کنیم با فرض این که غلظت قبلی این ماده در رودخانه برابر Co بوده است، در یک نقطه در پایین دست غلظت آب از نظر این ماده ابتدا Co است ولی پس از مدتی که ماده شیمیایی به آن نقطه رسید به تدریج غلظت افزایش می یابد و پس از رسیدن به نقطه اوج دوباره کم شده و مجددا به Co می رسد. معمولا Co همیشه صفر است زیرا آب فاقد چنین مواد شیمیایی از همان ابتدای امر می باشد. دبی در این روش طبق فرمول زیر قابل محاسبه است:

در فرمول فوق dt فواصل اندازه گیری و C_۲ نیز غلظت ماده شیمیایی در آب است.

روش ریاضی محاسبه دبی

اگر یک مقطع مطابق شکل زیر به چند قسمت b_۱، b_۲،…وb_n  تقسیم کنیم و عمق آب در محل هر یک از تقسیمات d_۱، d_۲، …و d_n  باشد، با اندازه گیری سرعت متوسط در هر یک از نقاط تقسیم v_۱، v_۲، …و v_n  می توان مقدار دبی را که هر یک از قطعات تقسیم شده سطح مقطع می گذرد به  یکی از روش های زیر محاسبه کرد.

روش خطوط هم سرعت در محاسبه دبی

با رسم و استفاده از خطوط هم سرعت نیز می توان سرعت متوسط آب در یک مقطع و همچنین دبی را بدست آورد. اگر A_i مساحت بین هر دو خط هم سرعت و V_i سرعت متوسط روی این مساحت باشد (میانگین سرعت در خط بالا و پایین آن) مقدار دبی عبارت خواهد بود از:

سنجش دبی در جریان های کوچک

در جریان های کوچک اندازه گیری به روش هایی که در بالا ذکر شد، امکان پذیر نیست. در این شرایط معمولا از وسایل ساده اندازه گیری آب استفاده می شود که عبارت است از: سرریز، روزنه و پارشال فلوم. در لوله های خروجی چاه ها امکان اندازه گیری دبی به روش های مختلف نیز عملی می باشد. به طور کلی می دانیم که سرریز ها صفحات فلزی هستند که به شکل های مختلف برش داده شده و به طور قائم جلو جریان آب قرار داده می شوند به طوری که آب بتواند از روی قسمت برش داده شده عبور کند.

انواع سرریز

۱) سرریز مثلثی:  این سرریز ها با زاویه راس آلفا ساخته شده و اگر ارتفاع آب روی راس سرریز H باشد، مقدار دبی از فرمول (الف) محاسبه می شود. ضریب C برای سرریزهایی که لبه تیز می باشند حدود۶/۰در نظر گرفته می شود.

ب) سرریز مستطیلی ساده:  این سرریز یک صفحه ساده مستطیلی است به عرض L (معادل عرض کانال یا نهر) که جلوی جریان آب قرار داده شده و آب از روی آن عبور می کند. اگر ارتفاع آب روی تاج سرریز H باشد دبی از معادله (ب) بدست می آید.

ج) سرریز مستطیلی با فشردگی جانبی:  در این سرریزها برشی به شکل مستطیل در قسمتی از یک صفحه مستطیلی ایجاد شده و هنگامی که سرریز جلوی جریان آب گذاشته شود آب از داخل این برش با ارتفاعی که مقدار آن از تاج سرریز H عبور کند. در این حالت دبی از فرمول (ج) محاسبه می شود.

در شکل زیر سرریزها و در معادلات چگونگی محاسبه دبی را مشاهده می کنید.

فلومتر یا دبی سنج

همچنین به منظور اندازه گیری دبی در مخازن و لوله ها، می توان از وسیله ای به نام فلومتر یا دبی سنج بهره گرفت. از این دستگاه جهت اندازه گیری دبی جریان در سیالاتی مانند آب، سوخت روغن و… استفاده می شود. دبی سنج ها شامل سنسور، مبدل و ترانسمیتر هستند. برای اندازه گیری میزان سیال ابتدا سنسور سیال را سنس کرده و به مبدل می فرستد، مبدل این کمیت فیزیکی را به پالس الکتریکی یا کمیتی مکانیکی که قابل اندازه گیری باشد تبدیل کرده و در نهایت ترانسمیتر این کمیت را دریافت و به سیگنال متناسب با سیستم کنترل تبدیل می کند. دبی سنج ها انواع مختلفی دارند که بر اساس نیاز باید نوع مناسب انتخاب گردد.