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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


รปท 5-13 รปรางลกษณะของ Head rod

รปท 5-14 แสดงการใช Head rod วดกระแสนาจดละ 2 ครง

เมอหนปลายสนคมไปทางดานเหนอนาและดานทายนา

5-23


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


ตารางท 5-6 แสดงตวอยางการวดคา และคานวณทตาแหนง A ของหนาตดทางนาตามรปท 5-15

การคาอานจาก Rod คาทอานได เมอหนดานสนคมไปทางดานเหนอนา (cm.)

คาทอานได เมอหนดานสนคมไปทางดานทายนา (cm.)

อานคาครงท 1



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


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

-----------------------------------------------------------------------

บทที่ 5 การวัดปริมาณน้้าในทาง...

Documents

Transcript of บทที่ 5 การวัดปริมาณน้้าในทาง...