บทที่ 5 การวัดปริมาณน้้าในทาง...
Transcript of บทที่ 5 การวัดปริมาณน้้าในทาง...
บทท 5
การวดปรมาณนาในทางนาเปดดวยวธและเครองมอพเศษ
จากบทท 4 ไดกลาวถงแนวทางการตรวจวดปรมาณนาในทางนาเปดทมหลายแนวทาง ในบทนจะกลาวถงการตรวจวดโดยการใชเครองมอหรอวธการตางๆ ทไมใชเครองมอทกาหนดใหเปนเครองมอมาตรฐานในการตรวจวด ซงในยคแรกเครองมอทกาหนดเปนมาตรฐานคอเครองวดกระแสนา(Current meters) ซงมแบบลกถวยและแบบใบพด และตอมาเมอคดคนเครองมอวดกระแสนาแบบอเลกทรอนคส จงไดมการกาหนดมาตรฐานเครองมอวดระบบนขนมาใหม
อาจแบงกลมของเครองมอตรวจวดกระแสนาเปน 3 กลมใหญไดดงน
1. เครองมอพเศษ เปนเครองมอทไมอยใน 2 กลมทจะกลาวถดไป ไดแก
1.1 การใชทนลอย (Float method)
1.2 Pitot tube . 1.3 Velocity head rod . 1.4 เครองมอ อปกรณ หรอวธการอนๆ
2. เครองมอวดเชงกล (Mechanical velocity meters) แบงยอยเปน 3 ประเภท
2.1 ประเภททมการหมนรอบแกนตง (Vertical axis current meters)
2.2 ประเภททมการหมนรอบแกนนอน (Horizontal axis current meters) * เครองมอวด 2 ประเภทขางตนอาจเรยก Rotor type current meters
2.3 ประเภททใชหลกการแกวงตว (Pendulum current meters)
3. เครองมอวดกระแสนาแบบอเลกทรอนกส ไดแก
3.1 Electromagnetic velocity meters
3.2 Doppler velocity meters ไดแก Doppler Ultrasonic, Acoustic Doppler, ระบบ Laser หรอ Radar เปนตน
3.3 Optical strobe velocity meters
5-2
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
ในบทนจะกลาวถงการตรวจวดโดยการใชวธการและการใชเครองมอพเศษ ซงไดแก
การตรวจวดดวยวธ Volume metric method
การคานวณโดยวธ Slope area method
การใชทนลอย (Float method)
การใชสารเคมและส
การใช Pitot tube
การใช Velocity head rod
5.1 การตรวจวดดวยวธวดปรมาตร (Volume metric method)
วธการวดปรมาตร หรอ Volume metric method นอาจเรยก “Bucket and
stopwatch method” ตามวธการตรวจวด คอการใชภาชนะรองรบนาในชวงเวลาใดเวลาหนงแลวนานามาหาปรมาตร โดยการตวงหรอชงนาหนก เพราะเรารแลววา นาปรมาตร 1 ลกบาศกเมตร มนาหนก 1,000 กโลกรม วธการนใชสาหรบการหาอตราการไหลของนาทมอตรานอย ๆ ไมสามารถใชเครองมอวดความเรวกระแสนาไดสะดวก เชน ปรมาณนาทไหลรนในลาธาร หรอลานาในชวงหนาแลง นอกจากนยงใชหาอตราการไหลของนาทออกจากทอขนาดเลก หวนาหยดใหนาแกพช ฯลฯ
หลกการตรวจวดจะรองรบปรมาณนาในชวงเวลาทเหมาะสม โดยการจะรองรบนานนตองพจารณาประยกตตามสถานการณตามความเหมาะสม 1) รองรบนาโดยตรงในตาแหนงททองนามระดบแตกตางกนมาก ซงจะมการไหลลกษณะคลายนาตก โดยอาจขดแตงทองนาขนมาใหมลกษณะดงกลาวกได 2) ปดกนทางนาเพอรวบรวมนาใหมระดบสงขนแลวใหนาไหลผานชองหรอผานทอลงสภาชนะไดสะดวกขน 3) Hauer and Lamberti,1996 ใชถงพลาสตกทปากถงยดตดกบวสดทแขงและเรยบ 2 ดานเพอทาใหปากถงปดทบกนคอนขางสนทและสามารถทาใหยกเปดปากถงดานบนขนไดสะดวก โดยในการตรวจวดจะนาถงทกดปากถงสนทกนไปวางขวางทางนาไหลโดยใหสวนปากลางยดตดทองนาอยางมนคง (นาไหลลอดไปไดนอยทสด) กอนการตรวจวดจะใหนาไหลผานขามถงออกไปกอน เมอทาการตรวจวดกเพยงยกปากถงสวนบนขนใหพนผวนา ทาใหนาทงหมดในขณะนนไหลเขาถงพรอมจบเวลาเรม และเมอปรมาณนาเขาถงพอสมควรทจะวดปรมาณไดแลวกยกถงทงหมดขน พรอมจบเวลาสดทาย
5-3
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
การคานวณอตราการไหล
t
VoQ
Q = อตราการไหล หนวย ลตร/วนาท, ลกบาศกเมตร/วนาท Vo = ปรมาตรของนาทรองรบเกบไวได หนวย ลตร, ลกบาศกเมตร
อาจชงนาหนกเปนกโลกรม แลวมาแปลงเปนปรมาตร
t = ชวงเวลาทใชรองรบเกบนา หนวย วนาท
5.2 การคานวณโดยวธ Slope area method
วธการ Slope-area method เปนวธการคานวณอตราการไหลของนาในทางนาเปดโดยอาศยหลกการทางชลศาสตร จากความสมพนธของความลาดของผวนากบพนทหนาตดของการไหลเฉลย มผนาเสนอวธการคานวณหลายรปแบบ แตวธการคานวณโดยใชสตรของ Robert
Manning วศวกรชาวไอรช จะเปนทนยมใชทสดเพราะงายในการคานวณ ซงแสดงดงตอไปน
รปท 5-1 หนาตดของทางนาธรรมชาตทวไป
Manning's equation 2/13/2 SAR
n
1Q
เมอ Q = อตราการไหลของนา หนวย ม.3/วนาท A = พนทหนาตดเฉลยของการไหล หนวย ม.2
R = รศมชลศาสตรของหนาตดการไหล (Hydraulic radius) หนวย ม. = A/P
P = เสนขอบเปยกของหนาตดการไหล (Wetted perimeter) หนวย ม. S = ความลาดเทของผวนาของทางนาชวงทตรวจวด ไมมหนวย n = คาสมประสทธความขรขระของ Manning (Manning roughness
coefficient) แสดงในตารางท 5-1 และ 5-2
5-4
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
ตารางท 5-1 คาสมประสทธความขรขระ (n) ของทางนาเปด
ผวทางนาไหล n
(1) ทางนาเปดธรรมชาต (Natural channels)
เรยบและตรง ไหลชาเนองจากมสระลกเปนชวงๆ แมนาสายหลก
(2) ลมแมนาทมนาทวมถง (Flood plains)
ทงหญา ไมพนธเตยบางๆ ไมพนธเตยหนา
(3 ) ทางนาเปดดนขด (Excavated earth channels) เรยบ มกรวดบาง เตมไปดวยหญา กอนหน (4) ทางนาเปดดาดผว (Artificially Lind channels)
แกว ทองเหลอง เหลกเรยบ
เหลกทาส เหลกมหมดยา เหลกหลอ คอนกรตขดผว คอนกรตผวหยาบ ไมไสเรยบ ไมไมไดไส ดนเหนยว กออฐ แอสฟลต โลหะลกฟก หนเรยง
0.030 0.040 0.035
0.035 0.050 0.075
0.022 0.025 0.030 0.035
0.010 0.011 0.012 0.014 0.015 0.013 0.012 0.014 0.012 0.013 0.014 0.015 0.016 0.022
0.025
5-5
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
ตารางท 5-2 คาสมประสทธความขรขระ (n) ของทางนาเปดประเภท ค คลอง
ลกษณะของทางนาเปด n
คลองดาดดวยคอนกรต โดยมซเมนตอดบรเวณรอยตอระหวางแผงคอนกรต และททองนากดาดคอนกรตเปนฐานดวย
0.012
คลองคอนกรต 0.014 คขนาดเลกดาดดวยคอนกรต มแนวคเปนเสนตรงสมาเสมอ ความลาดทองนานอย โดยมตะกอนหยาบปกคลมบรเวณดานขางและทองค
0.016
คลองดาดคอนกรตโดยไมมการปรบแตงใหเรยบ พนผวปกคลมดวยวชพชละเอยดขนาดเลก และทองนามตะกอนทราย
0.018
คลองดนเหนยวขด มตะกอนเปนดนทรายทกลางคลอง และตะกอนโคลนบรเวณขางคลอง
0.018
คลองคอนกรตทสรางจากหนลาวาตดตรงดง โดยทผนงมลกษณะหยาบ 0.020 คลองชลประทานแนวคลองเปนเสนตรงพนผวบดอดทรายเรยบ 0.020 คลองดาดซเมนต (Cement-paster lining) เปนแนวตรงบนคลองดน โดยทบรเวณรอยแตกมวชพช และทองคลองมตะกอนทราย
0.022
คลองทขดผานดนเหนยวปนตะกอนทราย สภาพทองคลองแขงแรง 0.024 คดาดทงกนคและลาดขางดวยหนหรออฐหก ทองนาไมเรยบมกรวดตกอยอยางกระจดกระจาย ผนงดานขางคอนขางอยในแนวดง
0.024
คลองขดขางภเขา โดยตลงดานภเขามรากพชเปนระยะๆ สวนตลงดานลาดลงมผนงคอนกรต และทองคลองมกรวดปกคลม
0.026
แมนาธรรมชาต มกอนกรวดและหนขนาดใหญเลกคละกน มความเรวกระแสนาไหลผานสง
0.028
คลองดนขด มลกษณะเปนตะกอนทราย โดยมทรายตกทบถมบรเวณทองคลอง สวนดานขางมหญาขนตามธรรมชาต
0.029
คลองทมหนกรวดขนาดใหญททองคลอง 0.030 คลองธรรมชาต ดานขางบางแหงมสภาพขรขระไมเรยบ ทองนาเรยบมตะกอนดนเหนยว สภาพหนาตดเปลยนแปลงนอยมาก
0.035
คลองหนขดโดยวธระเบดแนวคลอง 0.040 คลองดนเหนยวปนตะกอน ความลาดดานขางไมเรยบ มหญาขน 0.040
5-6
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
ตารางท 5-2 (ตอ) คาสมประสทธความขรขระ (n) ของทางนาเปดประเภท ค คลอง
ลกษณะของทางนาเปด n
คลองดนขดดานขางและดานลางไมเรยบ โดยดานขางมดนเหนยวสดาและเหลองปนกนอย รปตดทางนามการเปลยนแปลงไมมาก
0.045
คลองดนขดดานขางและดานลางไมเรยบ ดนคลองเปนดนเหนยวสดา มหญาและวชพช รปรางหนาตดคอยๆ เปลยนแปลงตามแนวคลอง
0.050
คดนเหนยวปนตะกอนทราย ดานขางและดานลางไมเรยบ มตนไมขนาดใหญขนตลอดแนวหนาตดคอนขางสมาเสมอ
0.060
คลองดนเหนยวสดาปนตะกอนเทา ดานขางและดานลางไมเรยบมพชปกคลมหนาแนน
0.080
คลองดนเหนยวปนตะกอนเทา มตนไมขนาดใหญในหนาตดคลอง 0.110
คลองระบายนาธรรมชาต สภาพดนเปนดนทรายละเอยดปานกลางและดนเหนยวละเอยด ไมมความลาดดานขาง ทองคลองเปนลกคลน มแนวตนไมขวางทศทางการไหลกระจดกระจาย
0.125
แมนาธรรมชาต สภาพดนเปนดนเหนยวปนดนทราย รปรางไมแนนอน มรากไมตนไมและทอนซงขวางทางนา
0.150
5.2.1 คาคณสมบตทางชลศาสตรของทางนา
ดงทกลาวแลววาทางนานนมทงทางนาธรรมชาต และทางนาทสรางขน โดยทางนาทสรางขนมกสรางใหมหนาตดเปนรปทรงเรขาคณตเสมอ คณสมบตมตทางชลศาสตร(A, R, P) จงคานวณไดจากสตรรปทรงเรขาคณต แตถาเปนทางนาธรรมชาตหรอทางนาทสรางขนแลวพนทหนาตดเกดการเปลยนแปลงตางไปจากรปรางหนาตดเดม คาคณสมบตทางชลศาสตรกจะเปลยนไปดวย จะตองสารวจรปตดขวางของทางนาเพอคดคาคณสมบตทางชลศาสตรใหม
สาหรบคาความลาดเทของผวนาของทางนา (S) ซงกาหนดใหเทากบความลาดเทของพนทองทางนา อาจใชขอมลจากแบบกอสราง จากการสารวจรปตดตามยาวของทางนานน หรอกรณการประเมนอยางหยาบๆ อาจพจารณาจากเสน Contour จากแผนท 1: 50,000 กได
5-7
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
5.2.2 ทางนาทมรปรางหนาตดแบบผสมมวสดหลายชนด (Compound channel)
โดยทวไปแลวทางนาธรรมชาตมกมหนาตดเปนรปทรงคลาย U-Shape หรอ Parabola ซงเปนรปแบบหนาตดเดยว แตจากอตราการไหลทมการเปลยนแปลงอยเสมอ ทาใหทางนาปรบตวใหมรปรางและขนาดสอดคลองกบอตราการไหลของนาดงกลาว เปนผลใหเกดการกดเซาะและเกดการตกจมของตะกอน ทาใหรปรางหนาตดเปลยนแปลงไป การทพนผวทางนามวสดหลายประเภทปกคลมทงนรวมถงตนไมทขนปกคลมและมวตถอนๆ อยในทางนา ลวนมผลใหคาสมประสทธความขรขระในทางนาตาแหนงตางๆ มความแตกตางกน จงเรยกหนาตดทางนาลกษณะนวา หนาตดการไหลแบบผสม ซงในการคานวณอตราการไหลกตองพจารณาเปนกรณเฉพาะ
รปท 5-2 ตวอยางทางนาทมรปรางหนาตดแบบผสม
รปแบบของหนาตดการไหลแบบผสมทชดเจนนน ไดแกการสรางพนทรองรบนานองเกนเกณฑปกต (Flood plain) ในทางนาทงกรณทางนาธรรมชาตและทางระบายนาทสรางขน มหลกการคอการเพมพนทหนาตดการไหลของทางนาเดมใหเพยงพอทจะรองรบปรมาณนา
5-8
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
สงสดเทาทเคยปรากฏมา เพอไมทาใหเกดนาทวมสรางความเสยหายไดอก พจารณาจาก รปท 5-2 บรเวณหนาตดหมายเลข 1 เปนทางนาเดม เมอสรางคนกนนาสองฝงทางนาในตาแหนงทเหมาะสมโดยการขดดนจากพนทเขตทางนาจานวนนอยแตไดหนาตดการไหลมาก พนทในสวนท 2 และ 3 เปนพนท Flood plain ซงอาจกวางมากเทาททาใหเกดหนาตดการไหลเพมขนเพยงพอ (อาจสรางดานเดยวกได) พนผวสวนท 2 และ 3 จะแตกตางจากสวนของทางนาเดม โดยในยามปกตใชทาประโยชนในกจกรรมตางๆ เชน เปนสนามหญา ปลกตนไม สวนหยอม สนามกฬา ปลกพชผก ฯลฯ รปแบบการปองกนนาทวมแบบนนยมสรางมากในตางประเทศ เชนประเทศญปน สวนในประเทศไทยรปแบบไมชดเจนโดยมกสรางพนทสวน 2 และ 3 แคบ ๆ ผลทไดจงเปนการเพมพนทหนาตดทางนาเดม สวนท 1 ไดอกเลกนอยเทานน ทงนอาจเปนเพราะปญหาเรองทดน เพราะการกอสรางแบบนตองใชพนทมาก 5.2.3 การคานวณอตราการไหลในทางนาหนาตดแบบผสม
รปท 5-3 ตวอยางทางนาหนาตดแบบผสม 3 หนาตด
321 QQQQ
2/13/2
33
3
2/13/2
22
2
2/13/2
11
1
SRAn
1SRA
n
1SRA
n
1Q
3
33
2
22
1
11
P
AR,
P
AR,
P
AR
3/233
3/53
3/222
3/52
3/211
3/512/1
Pn
A
Pn
A
Pn
ASQ
กรณแบงหนาตดเปน N หนาตด หาอตราการไหลไดจาก
N
1i3/2
ii
3/5
i2/1
Pn
ASQ เมอ i = 1, 2, 3,…, N
หมายเหต : ปญหาความผดพลาดในการคานวณนนอยทเลอกใชคาสมประสทธความ ขรขระ (n) ไดถกตองตรงกบลกษณะสภาพของทางนาหรอไม
5-9
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
5.3 การใชทนลอย (Float method)
5.3.1 วธการตรวจวดโดยใชทนลอย เปนวธการตรวจวดความเรวของนาแบบงาย ๆ ทมหลกการคอ การสงเกตจากวตถทลอยบนผวนาในทางนาวาเคลอนทไปเปนระยะทางทกาหนดในเวลาเทาใด ทาใหทราบความเรวกระแสนา เปนระยะทางตอเวลา ซงวธนไดผลการตรวจวดเปนคาโดยประมาณเทานน การวดวธนเหมาะกบการตรวจวดเบองตนเมอ ไมมเครองมอตรวจวด หรอเปนการประเมนเบองตนเพอการเลอกใชเครองมอตรวจวดทเหมาะสมตอไป หรอใชในกรณทไมสามารถใชเครองมออยางอนตรวจวดในทางนานนได เชน นาสกปรกมาก มตะกอนมาก เปนตน
การตรวจวดโดยใชทนลอยทใชงานกนม 3 ลกษณะคอ
1) Surface float ตวทนลอยทใชในการวดเปนวตถอะไรกไดทลอยนาได เชน ลกบอล กลอง แทงไมหรอทอนไมสนๆ หรอแมแต ผลไม วชพชนา เปนตน โดยตวทนควรจมนานอยกวา 25 % ของขนาดความสงทน
2) Double float จากการทเราทราบแลววาความเรวเฉลยของการไหลในทางนาจะอยทระดบ 0.6 ของความลกจากจากผวนา ดงนนจงตดตงทนเปน 2 ตวเขาดวยกน ตวหนงเปนทนลอยทผวนา อกตวเปนทนจมในตาแหนงความลก 0.6 ของความลกนา วธนไมเหมาะกบทางนาทมสงกดขวาง
3) Rod float เปนการดดแปลงทนลอยแบบ Double float มาใชทอนไม หรอทอ PVC ทถวงนาหนกทปลายลางเพอใหเกดการลอยตวในแนวดง โดยตาแหนงปลายทนจมนาในระดบ 75 – 95 % ของความลกนา วธนเหมาะกบทางนารปสเหลยมทมการไหลคอนขางราบเรยบและไมมสงกดขวางในทางนา
รปท 5-4 แสดงลกษณะรปแบบของทนลอย
5-10
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
วธการตรวจวด (พจารณาจากรปท 5-5)
1) เลอกตาแหนงการตรวจวดในทางนาบรเวณทมแนวตรง การไหลไมปนปวนมากหนาตดทางนาคอนขางสมมาตร
2) กาหนดจดเรมตนการวด ตาแหนง 1 จดสนสดการตรวจวดตาแหนง 2 ใหมระยะ L ประมาณ 10 - 20 เมตร
รปท 5-5 แสดงการตรวจวดโดยใชทนลอย
3) โดยทวไปมกปลอยทนลอยในตาแหนงทกงกลางหนาตดของทางนา แตหากทางนาขนาดใหญอาจกาหนดทตาแหนงอน ๆ ทหางตลงพอสมควร โดยจดปลอยหรอสงเกตครงแรกใหอยเหนอตาแหนงสงเกต 1 ออกไปพอสมควร เมอทนลอยไหลมาถงตาแหนง 1 เรมจบเวลา เปนเวลา t0 พอวตถสงเกตไหลถงตาแหนง 2 หยดจบเวลา เปนเวลา t1 ซงแนวการเคลอนทของทนลอยนนเปนอสระขนกบเคลอนตวของนาทไมสามารถกาหนดหรอควบคมได 4) จะไดขอมลระยะเวลาททนลอยเคลอนทจากจากตาแหนง 1 ไปยงตาแหนง 2ระยะทาง L เปนเวลา t = t1 – t0
5) ตรวจวดแตละตาแหนงประมาณ 10 ครงเพอนาผลการตรวจวดมาหาคาเฉลยเพอลดความผดพลาด และคาเฉลยของแตละแนวจะเปนความเรวเฉลยของการไหลในทางนา
5-11
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
5.3.2 การคานวณอตราการไหลโดยการใชทนลอย
t
LVfloat
floatV.CV
VAQ
V = ความเรวเฉลยการไหล หนวย ม./วนาท
floatV = ความเรวการไหลทวดจากทนลอย หนวย ม./วนาท L = ระยะทางระหวางตาแหนงสงเกต 2 ตาแหนง หนวย ม. t = เวลาทวตถสงเกตเคลอนจาก 2 ตาแหนงสงเกต หนวย วนาท
Q = อตราการไหล หนวย ม.3/วนาท A = หนาตดเฉลยของทางนาชวงทตรวจวด หนวย ม.2
C = คาสมประสทธของการไหลเฉลยของหนาตดการไหลเมอเทยบกบ
การไหลทวดไดจากทนลอย
5.3.3 คาสมประสทธทใชในการตรวจวดกบทนลอยแบบตางๆ
1) กรณการใช Surface float นน U.S. Bureau of Reclamation ไดกาหนดคาสมประสทธของความเรวเฉลย ดงแสดงในตารางท 5-3
ตารางท 5-3 คาสมประสทธการไหล การตรวจวดโดย Floating Method
ความลกของนา(ม.) 0.30 0.60 0.90 1.20 1.50 1.80 2.70 3.60 4.50 6.00+
สมประสทธ C 0.66 0.68 0.70 0.72 0.74 0.76 0.77 0.78 0.79 0.80
2) กรณการใช Rod float กาหนดคาสมประสทธของความเรวเฉลยแสดงในตารางท 5-4
ตารางท 5-4 คาสมประสทธการไหล การตรวจวดโดย Rod float
y/d 0.10 0.25 0.50 0.75 0.95 C 0.86 0.88 0.90 0.94 0.98
หมายเหต : เมอ d = ความลกของนาในทางนา และ y = ความยาวของ Rod float
และ Hydraulic radius (R) ของทางนาควรมคา 0.50 < R < 2.50 ม.
5-12
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
5.3.4 ความคลาดเคลอนในการตรวจวดโดยการใชทนลอย
1) ไมสามารถควบคมใหทนลอย ไหลในแนวหรอตาแหนงทตองการในทางนาได 2) คาสมประสทธการไหล C ยอมใหมความผดพลาดได 10 – 20 % เพราะในสภาพทางนาจรงในระดบความลกของการไหลทเทากน แตขนาดความกวางของทางนาทตางกนยอมทาใหคาสมประสทธการไหล C แตกตางกน วธการตรวจวดนจงใหคาโดยประมาณเทานน 3) หากพนทหนาตดการไหลเฉลย A มความผดพลาด ผลการคานวณกยงผดพลาด
5.4 Dilution (Dye) method: วธการเจอจางสาร
วธการเจอจางสาร เปนวธการวดความเรวของการไหลวธพเศษวธหนงดวยการใชสารเคมหรอส โดยใชวดการไหลในทางนาทใชเครองมอหรอวธการวดอนๆ ไมสะดวก อาจเนองจากมการไหลแบบปนปวน ทางนาคดเคยว มสงทไหลปะปนมากบนามาก เชนตะกอน วชพช ซากพช เปนตน วธการตรวจวดมหลายวธแบงตามชนดของสารทนามาใช ไดแก Salt dilution method, Dye method, Radioisotopes, สารเรองแสง (Fluorescent dye) เปนตน
1) Salt dilution method เปนการตรวจวดทใชหลกการตรวจวดคาความเขมขนของสารละลายทอยในนา โดยจะฉดสารละลายทมกใช นาเกลอ คาความเขมขนสง C1 ลงไปในทางนา ตาแหนง a ดวยอตราคงท q การไหลทปนปวนของนาจะทาใหสารละลายเกดการผสมกบนาในทางนาดานทายนา เกบตวอยางนาเพอตรวจวดความเขมขนของสารละลายในตาแหนงทมการผสมของสารละลายทวถงตลอดหนาตดการไหล ใหเปนตาแหนง b เปนความเขมขน C2 แลวหยดฉดสารละลายเขมขนลงในนา แลวเกบตวอยางนาทตาแหนง a เพอเปนตวแทนของนากอนการปลอยสารละลายเขมขน หาคาความเขมขนเปน C0 (ความเคมของนาตามปกตของทางนา) อตราการไหลของนาในทางนา Q คานวณไดจาก
210 CqQqCQC
02
21
CC
CCqQ
หนวยการวดของคาปรมาตร และเวลา ตองสมพนธเปนหนวยเดยวกน ตวอยางการใชหนวยวด C = mg/ลตร q และ Q = ลตร/วนาท
5-13
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
รปท 5-6 รปแปลนของทางนาแสดงการตรวจวดโดย Salt Dilution Method
เปนการตรวจวดอตราการไหลโดยตรง ไมไดวดความเรวการไหล จงไมตองวดคาหนาตดการไหล
ถาความเคมของนาทไหลในทางนาตามปกตในแตละชวงเวลามคาไมแนนอน กจะเกดความผดพลาดไดมาก ตองตรวจวดหลายๆ ครง
2) Dye method หรอ Color-velocity method เปนวธการตรวจวดคลายวธ Floating Method นนคอ การตรวจวดเวลาการเคลอนทของนาในระยะทาง L ทกาหนด แตใชสแทนทนลอยซงจะมขอดทสจะผสมกบนาจงเปนตวแทนของการเคลอนทของนาเกอบทงหนาตดของการไหล การจบเวลาจะเรมเมอสวนหวของนาสไหลถงจดสงเกตแรก และหยดจบเวลาเมอสวนหวของนาสไหลถงจดสงเกตทสอง ไดเวลา t
Q = AV
V = L/t
เมอ Q = อตราการไหล ม.3/ วนาท V = ความเรวการไหล ม./วนาท A = หนาตดการไหล ม.2 L = ระยะทางของ 2 ตาแหนงตรวจวด ม. t = เวลาทนาไหลผาน 2 ตาแหนงตรวจวด วนาท
ขนาดของทางนาตองไมใหญเกนไปจนทาใหการแพรกระจายของสไมเตมหนาตดอยางเหมาะสมทจะเปนตวแทนของทงหนาตดการไหล
นาในทางนาตองไมขนจนสงเกตสไดลาบาก
ระยะการตรวจวดตองไมยาวเกนไปจนเกดการกระจายตวของสจนไมสามารถสงเกตสวนหวของนาสทชดเจนได
สทใชตองไมเปนพษตอสงแวดลอม
5-14
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
3) การวดอตราการไหลของนาโดยใชเรดโอไอโซโทป (Radioisotopes)
ในการวดอตราการไหลของนาในแมนาลาคลองทวๆไปนนวดดวยเครองมอวดกระแสนาในบางกรณทแมนาลาคลองบรเวณนนตนเขนเตมไปดวยโขดหนเกะกะ และมกระแสนาไหลหมนวนมากหรอบรเวณนนลกและมอตราการไหลของนาสงมากเครองมอวดกระแสนาไมสามารถใชวดได การใชเทคนคทางนวเคลยรสามารถกระทาไดโดยปลอยเรดโอไอโซโทปลงไปในแมนาลาคลองแลวใชเครองมอวดรงสวดปรมาณรงสตรงบรเวณ ตอนใตของจดทปลอยเรดโอไอโซโทปบนทกปรมาณรงสทวดไดกบระยะเวลาหลงจากปลอยเรดโอไอโซโทปลงไปกจะสามารถคานวณหาอตราการไหลของนา ณ บรเวณนนได
ในป 2514 สานกงานปรมาณเพอสนตรวมกบกรมชลประทาน ไดทดลองทาการศกษาวดอตราการไหลของนาทปลอยออกจากเขอนแกงกระจาน เพอเปรยบเทยบคาทคานวณไดจากการเปลยนระดบประตระบายนา การทดลองไดเปลยนระดบประตนาหลายระดบ ผลสรปไดวา คาทไดจากการใชเทคนคทางนวเคลยร มคาใกลเคยงกนกบคาทคานวณไดจากการเปลยนระดบประตระบายนา จดประสงคในการศกษากเพอจะทดสอบวาการใชเทคนคทางนวเคลยรวธนสามารถนามาใชไดหรอไม เพอจะไดนาเทคนคทางนวเคลยรวธนไปพฒนาใชประโยชนตอไปในอนาคต
4) Fluorescent dye เปนการตรวจวดคลายวธการใชส แตใชสารเรองแสงแทน เชน Fluorescein, Rhodamine B, Rhodamine WT เปนตน ในการตรวจวดตองใชเครองตรวจจบสารเรองแสงโดยเฉพาะ
ตาราง 5-5 คณสมบตของสาร Fluorescent dyes
5-15
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
5.5 การใช Pitot tube
Pitot tube เปนเครองมอใชวดความเรวการเคลอนทของของไหล ซงปจจบนมใชงานดงน 1. วดความเรวของลม - ความเรวลมในอโมงคลม –วดความเรวของอากาศยาน
2. วดความเรวการไหลของของเหลว –ในทอ –ในทางนาเปด
Pitot tube ไดประดษฐขนครงแรกโดยวศวกรชาวฝรงเศส Henri Pitot โดยในป ค.ศ. 1732 เขาไดเสนอผลงานวชาการชอ "Description d'une machine pour mesurer la
vitesse des eaux courantes et le sillage des vaisseaux” (Description of a
machine to measure the speed of running waters and the wake of vessels.)
แนะนาสงประดษฐเครองมอวดกระแสนารปแบบใหม แสดงในรปท 5-7 เปนทอหลอดแกว 2 ทอตดตงในแนวดงบนแผนไมททาเปนแถบ Scale โดยทอหนงมปลายปลอยตรงเรยกทอ Static
สวนอกทองอ ปลาย 90 องศา เรยก ทอ Pitot การตรวจวดนาเครองมอไปจมวดในทางนาโดยใหปลายทอดานทงอหนหนาตานทศทางการไหล ระดบนาในทอจะมความแตกตางกน โดยนาในทงอปลายรบแรงดนนาไหลจะสงกวาอกทอ และย งกระแสนาแรงมากขนเทาไร ความแตกตางของระดบนาในทอกยงมาก เครองมอดงกลาวในเวลาตอมาเรยกวา เครองวดความเรวการไหลแบบ Pitot tube
รปท 5-7 เครองมอวดกระแสนารปแบบของ Henri Pitot ซง Rouse and Ince, 1957.
ไดสรางขนมาใหม
5-16
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
เครองมอวดกระแสนาของ Pitot ในเวลานนไมเปนทยอมรบและถกลมเลอนไป เพราะยงไมสามารถอธบายและวเคราะหผลจากปรากฏการณตางๆ ทเกดขนในเชงทฤษฏได การใชงานไมสะดวก มความผดพลาดในการวดสงเพราะยงไมมการ Calibrate ทดพอ เครองมอมขนาดใหญตานกระแสนาจนทาใหการวดผดพลาดโดยบอยครงททาใหระดบนาในทอ Static อยตากวาระดบผวนา และระดบนาในทอมการกระเพอมมาก เพราะยงไมเขาใจถงผลกระทบทเกดจากรปรางของปากของทอ Pitot
ตอมาในป ค.ศ. 1858 Henry Philibert Gaspard Darcy วศวกรชาวฝรงเศสไดศกษางานของ Pitot และไดพฒนาเครองมอวดกระแสนา Pitot tube ขนมาใหม ดงแสดงในรปท 5-8
a) b) c)
รปท 5-8 Darcy’s Pitot tube designs by publication date; a) 1856, b) 1857, c) 1858.
5-17
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
โดย Darcy สามารถแกปญหาทเคยเกดขนในเครองมอเดมของ Pitot ใหหมดไป และอธบายปรากฏการณทเกดขนโดยใชสมการของนกวทยาศาสตรชาวอตาล Evangelista Torricelli
(1643) ทใชอธบายการไหลของนาทออกจากถงนา ซงสอดคลองกบหลกการทางชลศาสตรของข อ ง ไ ห ล ท Bernoulli (1738) น ก ค ณ ต ศ า ส ต ร ช า ว ด ช -ส ว ส เ ผ ย แ พ ร ใ น ห น ง ส อ Hydrodynamica
Torricelli’s equation: gh2V
เมอ V = ความเรวของนาทจดใดๆ ม. / วนาท = Calibration coefficient ของเครองมอ
g = คาความเรงเนองจากแรงดงดดของโลก = 9.81 ม./ (วนาท) 2
h = ความตางระดบของนาในทอ Static กบทอ Pitot ม.
5.5.1 หลกการทางานของ Pitot tube
รปท 5-9 แสดงการวดการไหลในทางนาเปดและในทอโดยใช Pitot tube
พจารณาการวดการไหลในทอปดดวย Pitot tube วดความเรวเปนจด ความเรว ณ จด 1 พลงงานของการไหล ณ จด 0 จะถกเปลยนเปนพลงงานศกยทอยในรปของ Pressure
head ณ จด 1 โดยความเรว ณ จด 0 คานวณไดจากสมการของ Bernoulli
g2
V
g
P
g2
V
g
P211
200
เมอ V0 และ V1 เปนความเรวทจด 0 และ 1 ตามลาดบ P0 และ P1 เปนความดนทจด 0 และ 1
g เปนคานาหนกจาเพาะ (Specific weight) ของของไหล
V1 = 0 ; 2001 V
2
1PP ........ (1)
ความดน P0 ตรวจวดไดทปลายของ Piezometer เปน P3
5-18
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
และความดน P1 ตรวจวดไดทปลายทอ Pitot เปน P2 P0 = P3 และ P1 = P2
P2 - P3 = ρgh
ดงนน P1 – P0 = ρgh ........ (2)
แทนคา (2) ใน (1) ; 20
V2
1gh
gh2V0
5.5.2 การวดกระแสนาในทางนาเปดดวย Pitot tube มหลกการเชนเดยวกบการวดในทอ โดยตดตงทอ Static แทน Piezometer แลวตดตง Manometer เพอวดความแตกตางแรงดนทปลายทอทงสอง เปนคา Pressure head ทมคา h ใชคานวณคา gh2V0 เชนเดยวกน
รปท 5-10 แสดงการวดการไหลในทางนาเปดแสดงการวดการไหลในทางนาเปด
วธการตรวจวดความเรวการไหลของนาดวย Pitot tube
ลกษณะการตรวจวดดวย Pitot tube นนจะใชตรวจวดอตราการไหลในทางนาโดยวธ Velocity – area method
นนคอการวดความเรวเฉลยในพนทหนาตดยอยของทางนา เชนเดยวกบการใช Current meter ตรวจวดนนเอง
การวดจะตดตงเครองวดกบแทงเหลกวดความลกระดบนาเพอวดในระดบความลกตางๆ เชน 0.2, 0.6, 0.8 จากผวนา ใหสอดคลองกบของความลกของนาตามทกาหนดในวธ Velocity – Area Method ในการวดจะหนปลายทอ pitot ใหอยในแนวเดยวกบทศการไหลของนามากทสด ดดนาจากปลายทอดานบนหรอสวนทเปน Manometer เพอยกระดบนาในทอใหสงขนจะไดอานคาความแตกตางของระดบนาในทอวดไดสะดวกขน โดย แตละตาแหนงททาการวด จะตรวจวดหลายครงเพอนาคาเฉลยมาใช จะไดลดความผดพลาดในการวด (การตรวจวดครงใหมเพยงบดปลาย Pitot ไปอยในแนวอนแลวบดมาวางแนวใหขนานกบทศทางการไหลใหม)ภ 4-10
Tube
5-19
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
5.5.3 การคานวณความเรว
นาคาความแตกตางของระดบนาในทอทงสองทอ หรอ Manometer ซงเปนคา Pressure head (h) มาคานวณ โดยเครองมอแตละเครองจะมคาสมประสทธทไดจากการ Calibrate เครองมอใหมความถกตองในการตรวจวด ในการคานวณจงตองคณคาสมประสทธของเครองมอดวย
gh2CV
V = ความเรวกระแสนา ม./วนาท h = ความแตกตางของระดบนาในทอทงสอง ม. g = คาความเรงเนองจากแรงดงดดของโลก = 9.81 ม./ (วนาท) 2 C = คาสมประสทธปรบแกของเครองมอเครองนน
5.5.4 ความผดพลาดในการตรวจวดและอานคา
1) การอานคาระดบนาในทอตองใหผวนาในทออยในระดบสายตาไมเชนนนจะอานคาผดพลาด เพราะผวนาในทอจะโคง
2) ความไมสมบรณ การชารดของเครองมอ เชน มการรวของรอยตอทอตาง ๆ หววดเสยหายเปลยนรปไปจากเดม เปนตน
3) คาสมประสทธปรบแกของเครองมอนนเปลยนแปลงไป เนองจากใชงานมานาน การบารงรกษาหลงการใชงานไมด อาจมสงสกปรก หรอเกดตะกรนจบในทอ ตองสอบเทยบคาปรบแกเครองมอ
4) ทศทางของปลาย Pitot tube ไมอยในแนวเดยวกบทศการไหล การวางตาแหนงทตางไปจากทศการไหลเกนกวาคาความเบยงเบนทยอมใหได ทาใหผลการวดคลาดเคลอนทไมสามารถปรบแกอะไรไดอกเลย
Dally และคณะ (1993) ไดนาเสนอถงผลความคลาดเคลอนในการตรวจวดจากการวาง Pitot tube ผดแนว ดงแสดงในกราฟของ รปท 5-11 โดยคาความผดพลาดขนกบมมของหววดทเบยงเบนไป และรปรางหววดทตางกนจะมคาความคลาดเคลอนทไมเทากน ดงนนในการตรวจวดจงตองใชความระมดระวงในการวางแนวของหววดใหมาก
a
'aa
a
a
P
PP
P
PError
เมอ 'aP คอคาความดนจลนทวดได
5-20
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
รปท 5-11 คาความคลาดเคลอนทเกดจากการวาง Pitot tube ผดแนว (Dally et al. 1993)
5.5.5 ขอด ขอเสยของการใช Pitot tube
แมวาในปจจบนมเครองมอวดความเรวของการไหลหรอกระแสนาชนดตางๆ มากมาย แต Pitot tube กยงเปนทนยมใชในปจจบน ทงนเพราะยงมคณสมบตทดบางประการ
ขอด ราคาถก ตดตงใชงานงาย
ตวเครองมอมผลกระทบกบการไหลนอย
ความดนสญเสยจากการไหลผานหววดตา
ขอเสย
มความออนไหวตอแนวการไหล
ความเทยงตรง ± 5 % คาความผดพลาดอาจมากขนหาก Velocity
profile ของลาการไหลเลยนแปลง (การไหลมความปนปวนมาก) ไมเหมาะกบการวดความเรวของสารทมความสกปรก มความหนดมาก
เพราะอาจทาใหเกดการอดตน
5-21
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
สาหรบในประเทศไทย นายวทยา สมาหาร อดตผอานวยการสานกวจยและพฒนา
กรมชลประทาน ไดออกแบบประดษฐเครองวดความเรวนาแบบ Pitot เพอใชในหนวยงานกรมชลประทาน เปนผลงานทไดรบรางวลผลงานประดษฐนกวจยแหงชาต และตอมาคณะวจยของสานกวจยและพฒนา ไดตอยอดนามาพฒนาใหสามารถวดความเรวนาเปนตวเลขดจตอล และคานวณอตราการไหลหรอปรมาณนา รวมกบการสรางโปรแกรมใหบนทกขอมลเปนแบบตอเนอง Real time แสดงผลทสถานตรวจวด และสงผานขอมลระบบออนไลนใหแสดงผลทางคอมพวเตอรทหองควบคมสามารถตรวจดขอมลไดตลอดเวลาทตองการ
5.6 Velocity head rod
เปนอปกรณวดความเรวการไหลของนาทมลกษณะเปนแทงไมและไมบรรทดประกอบกน การวดโดยนาเครองมอไปขวางแนวนาไหลแลววดระดบของนาทยกตวขนจากการตานการไหลของเครองมอ นามาคานวณความเรว โดยความเรวทตรวจวด เปนความเรวทผวนา Velocity head rod ประดษฐโดย Wilm และ Storey (1944) ชางเทคนคของ USDA
Forest Service Equipment Development Center, San Dimas, California. แมวาอาจเกดความคลาดเคลอนไดสง แตกมความสะดวกในการใชวดกระแสนาในทางนาขนาดเลก
รปรางลกษณะของ Head rod แสดงในรปท 5-13 ทาดวยไมขนาด 1 นว x 4 นว ยาว 4 ฟต หนาตดของเครองมอมลกษณะคลายสเหลยมประกบกบสามเหลยมโดยการลบมมทระยะ 1.5 นวของหนาตด ใหมลกษณะเปนขอบคม โดยทขอบคมทงสองดานตดแถบเหลกเคลอบวดระยะจากตลบเมตร
5.6.1 วธการตรวจวดดวย Head rod
การตรวจวดจะกาหนดตาแหนงการวดจะแบ งหนาตดทางนาเปนสวนๆ ใหกระจายทวถงตลอดหนาตดการไหลในทางนา แสดงตวอยางตาแหนงการวดใน รปท 5-14 โดยในแตละตาแหนงของการตรวจวด จะวดความลกนาจากทองนาถงผวนา จงตองวางเครองวดในแนวดงใหสวนฐานวางอยบนทองทางนา แลวอานคาระดบนาจากแถบวดระดบจากสวนทเปนขอบคมของเครองวด 2 ครง ครงแรกเมอใหปลายขอบคมชไปทางดานเหนอนา และครงท 2 เมอปลายขอบคมชไปทางดานทายนา โดยวางตาแหนงเครองมอใหปลายดานเรยบตงฉากกบแนวการไหล ทงนใหวดซาอยางนอยอยางละ 3 ครง แลวหาคาเฉลยเพอลดความผดพลาด แลวจงนาคาไปคานวณตอไป
5-22
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
รปท 5-13 รปรางลกษณะของ Head rod
รปท 5-14 แสดงการใช Head rod วดกระแสนาจดละ 2 ครง
เมอหนปลายสนคมไปทางดานเหนอนาและดานทายนา
5-23
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
รปท 5-15 ตวอยางตาแหนงของ Head rod ทใชวดกระแสนาในทางนา
5.6.2 การคานวณอตราการไหลเมอวดดวย Head rod
N
1iiiAVQ (i=1, 2, 3 ,....,N)
ii gh2V
เมอ Q = อตราการไหลรวมของหนาตดการไหลยอยของทางนา ลบ.ม. / วนาท
Vi = ความเรวของนาทตาแหนงวดบนหนาตด ม. / วนาท
Ai = พนทหนาตดยอย i ม.2 g = คาความเรงเนองจากแรงดงดดของโลก [คา g = 9.81 ม./ (วนาท) 2 หรอ 981 ซ.ม. / (วนาท) 2 ]
h = Velocity head ทตาแหนง i ม.
ud hhh
hd = คาเฉลยระดบนาวด 3 ครงเมอปลายขอบคมเครองมอชไปทางทายนา hu = คาเฉลยระดบนาวด 3 ครงเมอปลายขอบคมเครองมอชไปทางเหนอนา
ตวอยางการตรวจวดและการคานวณ ของหนาตดการไหลตามรปท 5-15 แสดงในตารางท 5-6 และ ตารางท 5-7
5-24
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
ตารางท 5-6 แสดงตวอยางการวดคา และคานวณทตาแหนง A ของหนาตดทางนาตามรปท 5-15
การคาอานจาก Rod คาทอานได เมอหนดานสนคมไปทางดานเหนอนา (cm.)
คาทอานได เมอหนดานสนคมไปทางดานทายนา (cm.)
อานคาครงท 1
อานคาครงท 2
อานคาครงท 3
รวม เฉลย
55.40
55.20
55.30
165.90
55.30 = hu
60.70
60.50
60.60
181.80
60.60 = hd
Velocity head (cm.) h = hd - hu
h = 60.60 – 55.30 = 5.30
gh2V
(cm./s)
30.5x981x2V = 102.0
ตารางท 5-7 ตวอยางการตรวจวดคานวณจากหนาตดการไหลของรปท 5-15
5-25
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
5.6.3 ขอจากดในการตรวจวดดวย Head rod และการเกดความผดพลาด 1) หากความเรวการไหลนอยกวา 0.50 เมตร/ วนาท การยกตวของนาจากการตานการไหลของเครองมออาจนอยจนอานคาไดยาก
2) หากความเรวของนามากกวา 2.50 เมตร/ วนาท กระแสนาจะทาใหการตงเครองมอใหอยในแนวดงยากลาบาก เพราะหากเครองมอไมอยในแนวดงการตรวจวดจะเกดความผดพลาดสง 3) หากกระแสนาไหลปนปวนมาก การกระเพอมของนาจะทาใหอานคาลาบาก เกดความผดพลาดไดมาก
4) การตรวจวดอานคาอาจยากลาบากเพราะตองอานคาบรเวณผวนา 5) พนทองนาตองแขงพอทจะไมทาใหแทงไม เครองมอจมลงไปซงทาใหการตรวจวดผดพลาดไดมาก เพอลดความผดพลาดกรณดงกลาวใชแผนไมหรอแผนเหลกเปนฐานของเครองวด ดงแสดงในรปท 5-16
รปท 5-16 การตดฐานของ Head rod
6) หากออกแบบให Head rod มรปรางและขนาดตางไปจากรปแบบของ Wilm และ Storey จะตองมการ Calibrate หาคาสมประสทธของเครองมอดวย
รปท 5-17 ตวอยางการประยกตนาไมบรรทดกวาง 1 นวมาใชเปน Head rod
-----------------------------------------------------------------------