Kvantita vody
| Portál: | E-learningový vzdelávací portál Slovenskej poľnohospodárskej univerzity v Nitre |
| Kurz: | Kurz monitoringu zložiek životného prostredia |
| Kniha: | Kvantita vody |
| Vytlačil(a): | Hosťovský používateľ |
| Dátum: | sobota, 27 apríla 2024, 17:08 |
1. Meranie prietoku vo vodnom toku
Metódy merania prietokov delíme na:
- priamu metódu - meriame prietok priamo ako veličinu
- nepriame metódy - prietok nemeriame priamo, ale zisťujeme inú veličinu, ktorá charakterizuje prietok vo vodnom toku meraním
- vodných stavov
- bodových rýchlostí
- za pomoci indikátorov
- výšky prepadovej hladiny
- výpočtové metódy - využívame vedomosti o hydraulike pohybu vody vo vodných tokoch.
Podrobnejšie sú popísané v nasledujúcich kapitolách. Časť hydrológie, ktorá sa zaoberá spôsobmi merania, získavania, spracovania a archivácie prietokov a iných hydrologických prvkov, ako aj potrebnými prístrojmi sa volá hydrometria.
1.1. Priame meranie
Priamymi metódami meriame prietok priamo ako veličinu. Najpoužívanejšia je objemová metóda, kedy meriame za pomoci odmerných nádob. Táto metóda je veľmi jednoduchá, rýchla, technologicky nenáročná a presná. K meraniu nám postačia stopky a kalibrovaná nádoba. Kalibrovaná znamená, že má presne určenú objemovú mieru zaznačenú na stupnici. Nevýhodou je obmedzená použiteľnosť metódy. Je ju možné aplikovať len ako súčasť laboratórnych experimentov, pri meraní prameňov s malou výdatnosťou a pri veľmi malých vodných tokoch.
Prietok sa vyjadruje pomocou vzťahu:
\( Q = \frac{V}{t} \)
kde: V – objem naplnenej kalibrovanej nádoby [l]; t – čas naplnenia [s]
1.2. Meranie vodných stavov
Vodný stav je výškou hladiny vody nad porovnávacou rovinou alebo nad nulou vodočtu. Vodočtom nazývame hladinomer so šikmou alebo zvislou stupnicou, ktorá je pevne osadená. Priečny profil toku, kde sa merajú vodné stavy a je vybavený vodočtom voláme vodočetný profil (Makeľ, 2002).
Meranie vodného stavu sa uskutočňuje s presnosťou ± 10 mm. V prípade, že kvôli nestálym podmienkam alebo sedimentom nie je možné získať spoľahlivé a kompletné záznamy, na meranie sa použije namiesto štandardného vybavenia vybavenie špeciálne, ktoré meria s menšou presnosťou. Vodný stav sa udáva v:
- centimetroch (cm) od pevne zvoleného bodu. Ide o relatívne hodnoty a používame ich pri vodných tokoch;
- metroch nad morom (m n. m.). Ide o absolútne hodnoty. Avšak, tento spôsob málokedy používame pri vodných tokoch. Častejšie sa ním zisťuje výška hladín v jazerách a nádržiach (OTN ŽP 3103:05, 2005).
Pod pojmom hydrologický pozorovací objekt rozumieme zariadenie, ktoré je stabilne zabudované a meria hydrologické prvky. Sú to napr. merný prepad, vodočet, zrážkomer, limnigrafická stanica a pod. Medzi sledované hydrologické prvky patria prietok, teplota vody, sklon hladiny, prietok splavenín, vodný stav a iné. Miesto, kde sa vykonávajú hydrologické merania a pozorovania a je vybavené prístrojmi, zariadenia a hydrologickými pozorovacími objektami sa nazýva vodomerná stanica (OTN ŽP 3101:01, 2005).
Prevádzku vodomerných staníc má na starosti Slovenský hydrometeorologický ústav. Jednotlivé pracoviská členené podľa čiastkových povodí zabezpečujú spracovanie údajov. Pokiaľ je stanica vybavená automatickým prístrojom, meranie prebieha v 15 až 60 minútových intervaloch v závislosti od konkrétneho toku. Do roku 2013 mali stanice dobrovoľných pozorovateľov, ktorí zaznamenávali fyzicky kontrolné merania raz denne. Po zrušení väčšiny z nich sa kontrolné merania vykonávajú len pri pravidelných meraniach technikov (Ministerstvo životného prostredia Slovenskej republiky, 2015).
Medzi základné prvky vodomerných staníc patria priečny profil vodného toku, vodočet, zariadenie na automatické snímanie (tlakový, ultrazvukový alebo plavákový snímač), zaznamenávanie (digitálny alebo grafický záznamník) a prenos informácií o priebehu hladiny vody a ochranná búdka registračného prístroja. Vodomerné stanice sa podľa spôsobov merania a prenosu a zaznamenávania hydrologických informácií delia podľa OTN ŽP 3101:01 (2005) a podľa Danáčovej et al. (2015) na:
• Vodočetné stanice
Sú vybavené vodočtom, ale meranie sa vykonáva manuálne. Vodočetná lata môže byť umiestnená kolmo (obr. 1), šikmo alebo je použitá kombinácia oboch (obr. 2).
Obr. 1 Kolmá vodočetná lata
• Registračné (režimové) stanice
Výbava pozostáva z vodočtu a automatického snímacieho záznamového zariadenia. Namerané údaje sú uchovávané v pamäti prístroja. Keďže tu nie je možnosť diaľkového prenosu dát, údaje sa manuálne sťahujú do počítača (napr. Pocket PC). Následne software spracuje hydrologické údaje.
• Operatívne stanice (AHS – automatické hydrologické stanice)
Okrem vyššie spomínaného obsahujú aj prenosové zariadenie slúžiace na diaľkový prenos údajov každých 15 minút (resp. v inom stanovenom režime). V roku 2015 bol počet týchto staníc na Slovensku 268.
Vodomerné stanice sledujú okrem vodného stavu aj ďalšie ukazovatele. Sú to napríklad prietok (zameraný priamo), ľadové javy, mútnosť a teplota vody. Pozorujú sa aj faktory ovplyvňujúce tieto údaje, a teda teplota vzduchu a množstvo atmosférických zrážok (Výskumný ústav vodného hospodárstva, 2007).
Vodný stav môže byť podľa OTN ŽP 3103:05 (2005) meraný zariadeniami priamo v jednotkách dĺžky alebo nepriamo. Pri nepriamom meraní premieňajú meracie systémy akustický, elektrický, tlakový alebo iný impulz na hodnotu rovnú úrovni vodnej hladiny.
1.3. Meranie bodových rýchlostí
Bodová rýchlosť je definovaná ako rýchlosť prúdenia vody v bode vodného toku. Nie je konštantná, ale nadobúda v každom okamihu inú hodnotu označovanú ako okamžitá bodová rýchlosť. Spriemerovanú hodnotu okamžitých bodových rýchlosti nazývame stredná bodová rýchlosť. Jej hodnotu dosiahneme meraním v bode za určitý čas, nutný na odstránenie vplyvu pulzácií (Igaz et al., 2017).
Bodové rýchlosti môžeme merať rýchlostnými sondami, hydrometrickým krídlom, pomocou ADV alebo ADCP metódy alebo inými prístrojmi.
Rýchlostné sondy
Keďže sú veľmi presné, používajú sa na laboratórne účely. Využívajú zmenu kinetickej energie na tlakovú. Patria sem Pitotova a Prandtlova trubica, guľová, valcová alebo iná sonda. Správna poloha ich nasmerovania ovplyvňuje presnosť
merania (Kureková, 2012).
Hydrometrické krídlo
Prvé hydrometrické krídlo (obr. 1), všeobecne nazývané aj hydrometrická vrtuľa, navrhol v roku 1787 R. Woltmann. K vývoju približne o 100 rokov neskôr prispel aj A. Ott, ktorý založil firmu fungujúcu dodnes. Aj napriek nepretržitému
rozvoju systémov a iných princípov merania, je hydrometrické krídlo stále najpoužívanejším prístrojom merania rýchlosti vody v hydrológii (Česká kalibrační stanice vodoměrných vrtulí, 2018).
Obr. 1 Hydrometrické krídlo (http://www.hydrometrics.cz/main-navigation/ott-produkty/prutok-173/ott-c31-486/)
Hydrometrické krídlo sa skladá z dvoch až štyroch lopatiek, ktoré majú tvar lodnej skrutky. Ich tvar je navrhnutý tak, aby bola citlivosť prístroja čo najväčšia, aby sa krídlo roztočilo už pri minimálnej rýchlosti. Otáčky rotora sú prevádzané na počítadlo cez prevod. Vyrába sa v rôznych vyhotoveniach. Môže byť zavesené na lanku alebo upevnené na pevnej tyči. Rýchlosť prúdiacej kvapaliny meria iba v jednom bode v danom čase. Preto, ak chceme určiť hodnotu prietoku toku, musíme vytvoriť rýchlostný profil (Kureková, 2012).
Acoustic Doppler Velocimetry (ADV)
Táto metóda je založená na princípe ultrazvukového odrazu – Dopplerov efekt. Pri tejto metóde sa namiesto vrtuľky používa 2D alebo 3D sonda (obr. 2). Sonda sa skladá z vysielača, prijímačov a prípadne aj teplotného
senzora. Keďže sa merací bod nachádza niekoľko centimetrov od vysielača, je možné merať prirodzené prúdenie bez rušivého vplyvu prístroja. Všetky údaje sa ukladajú v riadiacej jednotke, ktorá je káblom spojená so sondou (Schügerl, 2016).
Obr. 2 Meranie pomocou ADV (Danáčová et al., 2018)
Pracuje na podobnom princípe ako ADV, taktiež využíva Dopplerov efekt. Súprava prístroja sa skladá zo sondy, plaváka, komunikačného modemu a počítača. Meranie prebieha ťahaním plaváka po hladine, pričom sonda sníma meraný profil. Údaje sú automaticky odosielané a spracované. V závislosti od konkrétneho prístroja je meranie možné len od hĺbky približne 20 cm, teda pri väčších tokoch (Danáčová, 2012).
1.4. Meranie za pomoci indikátorov
Indikátorová (stopovacia) metóda patrí k alternatívnym metódam merania. Princípom je transport stabilného, netoxického a ľahko merateľného roztoku vo vodnom toku. Za ideálny stopovač sa považuje chlorid draselný (NaCl). Ďalšími často používanými látkami sú napríklad manganistan draselný (KMnO4) alebo rôzne potravinárske farbivá (Schügerl, 2013).
V hornom profile je injektovaný roztok určitého objemu a koncentrácie. Vzniká tzv. mrak, ktorého prechod v dolnom profile sa zisťuje meraním časovej zmeny koncentrácie, na základe ktorej vieme vypočítať prietok. Prvé úspešné meranie týmto spôsobom prebehlo už v roku 1893, na území Československa v rokoch 1968 – 1976 v Ostrave (Danáčová, 2010).
Táto metóda poskytuje len orientačné hodnoty a jej aplikácia má obmedzené možnosti. Výsledky dosahujú nižšie hodnoty, čo môže byť spôsobené zakrivením trasy alebo členitosťou dna vodného toku. Využiteľná je preukázateľne tam, kde sa iné spôsoby použiť nedajú. Ide najmä o veľmi malé vodné toky s bystrinným prúdením (Schügerl, 2016).
1.5. Meranie výšky prepadovej hladiny
Pri povodiach malých rozlôh, potokoch so širokým korytom a malou hĺbkou alebo pri zisťovaní výdatnosti prameňov, sa často využívajú merné priepady. Ich veľkou výhodou je presnosť kontinuálneho merania.
Merné priepady sa používajú v rôznych prevedeniach a s rôznymi tvarmi výrezu. Poznáme typy ostrohranné, haťové a priehradové, alebo so šikmou či krátkou korunou. Pri meraní prietoku sú experimentálne najlepšie overené ostrohranné prepady s pravidelným tvarom (zvyčajne trojuholníkový, pravouhlý alebo lichobežníkový). Prietok sa určuje z výšky prepadajúceho lúča vody podľa vzorca daného typom merného priepadu (Kaletová, 2013).
1.6. Výpočtové metódy
Podľa Macuru (2013) pri výpočtových metódach využívame vedomosti o hydraulike pohybu vody vo vodných tokoch. V roku 1775 Francúz Antoine de Chézy odvodil rovnicu pre výpočet rýchlosti vody v otvorenom koryte. Závisí od drsnosti stien a Reynoldsovho čísla a platí pre ustálené rovnomerné prúdenie. Chézyho rovnica má tvar:
\( v = C \ast \sqrt{R \ast i} \)
kde: v – rýchlosť [m . s-1]; C – Chézyho rýchlostný súčiniteľ [m0,5 . s-1]; R – hydraulický polomer [m]; i – sklon čiary energie [-]
Chézyho rýchlostný súčiniteľ charakterizuje vplyv tvaru prietokového prierezu a drsnosti stien. Možno ho určiť pomocou niekoľkých empirických vzorcov.
Vzťah podľa Manninga:
\( C = \frac{1}{n} \ast R^\frac{1}{6} \)
kde: n – súčiniteľ drsnosti [-].
Používajú sa aj ďalšie vzorce podľa Povlovského, Bazina, Agroskina, Stricklera a iných (Kaletová, 2013).
2. Mapovanie reliéfu dna vodnej nádrže
Poznanie priebehu reliéfu dna vodnej nádrže umožňuje spracovanie viacerých výstupov pre potreby vodohospodárstva. Jednak je možné použiť digitálny model reliéfu (DMR) pre popis morfológie, ako aj určiť hĺbky vody, resp. parametre batygrafickej krivky (batygrafická krivka vyjadruje priebeh objemu vody a veľkosti plochy hladiny v závislosti od aktuálnej úrovne hladiny vody v nádrži), prípadne vytvoriť profily nádrže.
Pri tvorbe DMR z meraných údajov (bodov) môžu byť, vo všeobecnosti, použité zdrojové údaje rôznych typov týkajúce sa ich rozmiestnenia. Jednotlivé body DMR, ktoré sa nachádzajú na dne vodnej nádrže, sú definované súradnicami x a y v rôznom usporiadaní.
Zber týchto údajov je možné vykonať viacerými spôsobmi, ako napríklad:
- geodetické zameranie vypustenej nádrže,
- geodetické zameranie nádrže, v ktorej sa nachádza malá hĺbka vody,
- zameranie profilov princípom nivelácie v presne stanovenom profile (napr. natiahnutie lana a využitie člna na vykonanie nivelácie),
- zameranie bezkontaktným systémom s využitím sonaru a geodetického merania polohy (totálna stanica, GNSS prijímač) (Holubová, 1998).
Pri meraní s využitím sonaru sa používajú tri základné konštrukčné typy sonarov:
- jednolúčový (singlebeam) sonar,
- viaclúčový (multibeam) sonar,
- sub-bottom profiler sonar - sonar snímkujúci priebeh, resp. vrstvy sedimentov, nielen hĺbku.
Pri meraní single-beam sonarom sa pre určenie polohy a výšky plavidla využíva systém GNSS alebo totálna stanica. Pre určenie hĺbky sa používa jednolúčový sonar, ktorý meria vzdialenosť medzi sonarovou sondou, umiestnenou spravidla v blízkosti hladiny, a dnom nádrže pod sondou. Na meranie sa využíva princíp určenia vzdialenosti ako podielu rýchlosti šírenia zvuku vo vode a veľkosti časového intervalu medzi odvysielaním a prijatím akustického signálu a vedomosti, že za daný čas signál prekoná vzdialenosť sonar-dno dvakrát: (1) najprv prekoná signál túto vzdialenosť od sonaru po dno, kde sa (2) odrazí a vracia sa späť po rovnako dlhej trase. Preto možno vzdialenosť vypočítať ako \( s = \frac{\frac{v}{t}}{2} \). Nadmorská výška sa následne určí výpočtom na základe geometrického vzťahu medzi určením nadmorskej výšky plavidla, vzdialenosti umiestnenia sonaru od bodu, ku ktorému je určená nadmorská výška plavidla a meranej vzdialenosti sonaru od dna nádrže (obr. 1).
Zdno = ZGNSS + Hsonar - Dsonar
kde: Zdno – nadmorská výška dna [m n. m.]; ZGNSS – nadmorská výška meraná pomocou GNSS [m n. m.]; Hsonar – výška sonaru nad hrotom výtyčky GNSS prijímača [m]; Dsonar – hĺbka meraná sonarom [m].
2.1. Zameranie dna vypustenej nádrže, resp. s malou hĺbkou vody
Pri tomto spôsobe mapovania reliéfu dna vodnej nádrže používame 3 spôsoby, a to:
a) geodetické zameranie vypustenej nádrže
Pri tejto metóde sa využívajú bežné postupy geodetických meraní v čase úplného vypustenia nádrže (napríklad na jeseň po výlove rýb alebo pri servisných prácach alebo pravidelnej údržbe nádrže), kedy sa priebeh reliéfu dna zameriava spravidla v sérii bodov rovnomerne rozvrhnutých v priestore nádrže - hovoríme o meraní výškopisu. Medzi používané nástroje patria teodolit, GNSS prijímač alebo totálna stanica . Výstupom z merania môže byť samotné zamerané bodové pole, prípadne spracovanie takýchto meraní do formy vrstevníc, séria vykreslených odvodených profilov nádrže (pozdĺžnych, priečnych), alebo digitálneho modelu reliéfu dna vodnej nádrže.
b) geodetické zameranie nádrže, v ktorej sa nachádza malá hĺbka vody
Používajú sa spravidla rovnaké metódy a princípy ako pri meraní vypustenej nádrže, avšak merania sa vykonávajú pri nízkom stane hladiny, kedy je ešte možné vstúpiť do vody a zároveň kráčať po dne - rádovo pri maximálnej hĺbke približne do jedného metra. Pri takomto meraní je nutné vziať do úvahy možné poškodenie meracích prístrojov pri páde do vody, ako aj riziko nízkej nosnosti hrubšej vrstvy sedimentu na dne, ktorá môže práce a pohyb po dne komplikovať alebo úplne znemožniť v dôsledku zaborenia sa obuvi až prípadného uviaznutia na mieste.
c) zameranie profilov princípom nivelácie v presne stanovenom profile (napr. natiahnutie lana a využitie člna a vykonaním nivelácie)
Toto meranie sa vykonáva buď v čase vypustenia nádrže alebo pri nižších stavoch vodnej hladiny (rádovo do maximálnej hĺbky asi 2-3 metre). Meranie profilu je nutné vykonať v smere línie, pre jej vytýčenie sa používa lano napnuté z jedného brehu na druhý breh, kedy lano slúži ako vodiaca čiara. V prípade, že sa v nádrži počas merania nachádza voda má lano okrem vodiacej funkcie aj funkciu stabilizačnú, kedy sa buď k lanu pripúta celý čln, resp. merači sa fyzicky tohto lana držia, aby meranie bolo vykonané v jednej osi. Na meranie sa následne využíva nivelačný prístroj (optický, digitálny), diaľkomer alebo meracie pásmo, prípadne lano s kalibrovanou dĺžkou.
2.2. Zameranie vodnej nádrže bezkontaktným systémom s využitím sonaru
Pri tomto zameraní sa využíva sústava prístrojov pre zameranie polohy plavidla (GNSS prijímač alebo totálna stanica) a zameranie hĺbky vody pod plavidlom. Poloha (súradnice x,y) sú teda výsledkom geodetického merania polohy a nadmorská výška dna sú teda výsledkom kombinácie merania nadmorskej výšky plavidla a hĺbky vody (Obr. 1)
Obr. 1 Určenie nadmorskej výšky dna vodnej nádrže
Zdno=ZGNSS+Hsonar-Dsonar
kde: Zdno – nadmorská výška dna [m n. m.]; ZGNSS – nadmorská výška meraná pomocou GNSS [m n. m.]; Hsonar – výška sonaru nad hrotom výtyčky GNSS prijímača [m]; Dsonar – hĺbka meraná sonarom [m]
Meranie sa vykonáva počas plavby člnom, na ktorom je umiestnená zostava meracích prístrojov. Pri meraní sa vykonáva plavba pozdĺž línií – priečnych profilov, ktoré sú pripravené ešte pred meraním a importované do GNSS prijímača ako séria vodiacich čiar. Meranie kvôli prehľadnosti môžeme vykonať v dvoch sériách profilov, ktoré sú medzi sebou navzájom posunuté tak, aby údaje boli zbierané v sérii rovnomerne rozložených profilov (Obr. 2).
Zostava prístrojov je prepojená káblovým prepojením NMEA, ktoré údaj zo sonarového merania odosiela do GNSS prijímača vo formáte NMEA vety. Rozhranie NMEA (National Marine Electronics Association – Národná asociácia námornej elektroniky) kategorizuje ASCII dátový tok vo formáte vety delenej čiarkou na základe informácie zahrnutej v jednotlivého informačného kódu (Thota, 2006).
Obr. 2 Zameranie vodnej nádrže pomocou dvoch sérií priečnych profilov
Meranie sa rieši ako automatické meranie vo zvolenom intervale dĺžky, napríklad každý meter – systém sám vyhodnotí prejdenú vzdialenosť a vždy po prejdení stanovenej vzdialenosti automaticky zameria polohu. Keďže je ku GNSS prijímaču pripojený aj sonar, okrem polohy prijímač uloží v poznámke pre meraný bod aj NMEA vetu obsahujúcu hodnotu hĺbky zameranej sonarom. Takto zamerané dáta sa následne spracujú v softvéri konkrétneho GNSS prijímača (Obr. 3).
Obr. 3 Prehliadanie meraných dát v programe Leica GeoOffice; 1 - stĺpec s poznámkou obsahujúcou NMEA správu zo sonarového merania, za prvou čiarkou sa nachádza údaj o meranej hĺbke
Zozbierané údaje sa následne spracovávajú ďalej v tabuľkovom editore, kde sa odstránia body s presnosťou prekračujúcou stanovený limit (napr. 50 mm). Zo zostávajúcich bodov sa následne vykoná výpočet bodu na dne vodnej nádrže ako uvádza rovnica vyššie.
Takto spracované údaje je následne možné importovať do prostredia zvoleného GIS softvéru. Najjednoduchším spôsobom je uložiť záznam vo formáte .txt súboru (ukladáme údaje ID bodu; x; y; za prípadne poznámky typu presnosť merania, meraná hĺbka, dátum a podobne), ktorý importujeme do vybraného GIS softvéru a zobrazíme ho ako bodovú vrstvu (Obr. 4).
Obr. 4 Zobrazenie bodov na dne vodnej nádrže Kolíňany, okres Nitra
Takto zozbierané údaje je následne možné použiť pre riešenie popisných a analytických úloh, s ktorými sa môžeme stretnúť ako pri vodohospodárskych aplikáciách, tak pri krajinárskych analýzach.
Z výsledkov merania bodov dna vodnej nádrže môžeme vytvoriť digitálny model reliéfu dna nádrže, ktorý popisuje nadmorské výšky dna nádrže (Obr. 5).
Obr. 5 Digitálny model reliéfu dna vodnej nádrže Kolíňany, okres Nitra
Z digitálneho modelu reliéfu dna vodnej nádrže môžeme odvodiť mapy hĺbok vody pri rôznych nadmorských výškach hladiny (Obr. 6 a 7).
Obr. 6 Mapa hĺbky vody pri úrovni hladiny 179,21 m n. m. (prevádzková hladina) vo vodnej nádrži Kolíňany, okres Nitra
Obr. 7 Mapa hĺbky vody pri úrovni hladiny 178,25 m n. m. (znížená hladina) vo vodnej nádrži Kolíňany, okres Nitra
Okrem toho je možné využiť digitálny model reliéfu dna vodnej nádrže aj pri tvorbe tzv. batygrafických kriviek (batygrafická krivka popisuje objem vody a výmeru hladiny vody pri rôznych úrovniach nadmorských výšok hladiny vody), tvorbe pozdĺžnych a priečnych profilov alebo vrstevnicových máp vodnej nádrže.