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Methodenartikel

Parametrisierung von V-Kerb-Wehrgleichungen für die Durchflussüberwachung in einer Entwässerungsleitstruktur

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DOI:

10.3791/67971

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25. April 2025

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1National Laboratory for Agriculture and the Environment, USDA-ARS, 2Department of Agricultural and Biosystems Engineering, Iowa State University, 3Natural Resource Ecology and Management, Iowa State University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Dieses Protokoll beschreibt Methoden zur Ermittlung von Wehrströmungsgleichungskoeffizienten für ein V-Kerbwehr innerhalb eines Entwässerungskontrollbauwerks unter Verwendung von (1) einem Laborkalibrierverfahren und (2) einem von den Autoren entwickelten Online-Tool, dem "Weir Flow Equation Coefficients Calculator". Diese Methoden gelten für Flows, die in der V-Kerbe enthalten sind, und für Overtopping-Flows.

Zusammenfassung

Eine genaue Abschätzung des Abflusses (Durchflussmenge oder Wassermenge pro Zeiteinheit) ist unerlässlich für die Berechnung der Nährstofffrachten, die an das Oberflächenwasser abgegeben werden, und die Bewertung der Leistung von Naturschutzmaßnahmen am Rande des Feldes. Die Bestimmung der Entwässerungsdurchflussmengen erfordert die Überwachung der Fallhöhe in einem Entwässerungskontrollbauwerk und die Anwendung einer entsprechenden Gleichung für das im Bauwerk installierte Wehr. Frühere Studien, in denen kalibrierte Gleichungen für Wehre in Kontrollbauwerken entwickelt wurden, haben unterschiedliche Gleichungen (d. h. unterschiedliche Wehrdurchflussgleichungskoeffizienten) für die gleiche Art von Wehr und Steuerungsbauwerk erstellt. In dieser Arbeit werden Verfahren zum Aufbau von experimentellen Wasserdurchfluss- und Fallhöhenmessungen innerhalb eines Entwässerungsleitwerks und zur Entwicklung einer Wehrgleichung für die in einem V-Kerb-Wehr enthaltenen Abflüsse beschrieben. Darüber hinaus wird das Verfahren zur Erlangung einer Wehrgleichung für Überlaufdurchflüsse - wenn der Wasserstand die Obergrenze des V-Kerbenwehrs überschreitet - skizziert. Dabei werden die im Labor entwickelte Wehrgleichung für ein Wehrwehr und ein von den Autoren entwickeltes Online-Tool, der "Weir Flow Equation Coefficients Calculator", verwendet. Das Online-Tool kann auch Wehrdurchflussgleichungskoeffizienten sowohl für V-kerbgebundene als auch für überlaufende Durchflüsse über verschiedene Größen von Agri Drain Wasserkontrollstrukturen hinweg generieren, selbst wenn den Benutzern keine standortspezifische Durchflussrate vs. Kopf-Beziehung.

Einleitung

Bei der Bewertung der Leistung von Konservierungspraktiken am Rande des Feldes, die den Nährstoffverlust aus unterirdischem Entwässerungswasser (gesättigte Puffer, Bioreaktoren und Entwässerungswassermanagement) reduzieren, ist es wichtig, den Abfluss und die Nährstoffkonzentrationen genau zu bestimmen. Für die genaue Bestimmung von Nährstoffkonzentrationen (z. B. Nitrat) stehen Standardmethoden zur Verfügung, wie z. B. Labormethoden aus Wasserproben1 oder Sensoren zur kontinuierlichen Überwachung von Nährstoffen 2,3. Die Bestimmung der Abflussmengen in naturgemäßen Randgebieten ist dagegen nicht so einfach wie bei der Nitratkonzentration und erfordert in der Regel die Verwendung einer Entwässerungswasserstandskontrollstruktur 4,5. Eine Entwässerungswasserstandskontrollstruktur wird in einer Naturschutzpraxis am Rande des Feldes mit dem doppelten Zweck verwendet, die flussaufwärts gelegene Wassersäule zu steuern und die Abflussmengen durch den Einsatz von Wehren zu überwachen. Zu den wichtigen Komponenten, die bei der Bestimmung von Entwässerungsdurchflussraten zu berücksichtigen sind, gehören die Größe des Entwässerungskontrollbauwerks, die Art des im Bauwerk verwendeten Wehrs, die Strömungsbedingungen innerhalb des Bauwerks, die genaue Messung der Förderhöhen und die Verwendung geeigneter Wehrgleichungen zur Umrechnung von Förderhöhen in Abflussmengen. Während diese Strukturen in der Regel auf künstlich "kachelige" entwässerte Flächen beschränkt sind, übersteigt die Fläche der entwässerten landwirtschaftlichen Flächen in den USA21 Millionen Hektar 6 und wirkt sich auf die Nährstoffbelastung von Bächen und Flüssenaus 7.

Die Bestimmung von Durchflussmengen mit Hilfe von Wehren ist eine gängige Praxis, und für Strömungen in offenen Kanälen stehen Standardverfahren und Kalibriergleichungenzur Verfügung 8. Allerdings haben nur eine begrenzte Anzahl von Studien Kalibriergleichungen für Wehre in einem Entwässerungskontrollbauwerkentwickelt 5,9,10,11,12,13,14,15,16,17. Chun und Cooke10 leisteten Pionierarbeit bei der Entwicklung von Kalibriergleichungen für rechteckige Wehre für verschiedene Größen von Kontrollstrukturen. In Anlehnung an Chun und Cooke10 entwickelten Christianson et al.9 eine einzige Kalibrierungsgleichung für ein 45°-V-Kerbwehr in 15 cm (6 Zoll) und 25 cm (10 Zoll) Kontrollbauwerken, deren Wehre in unterschiedlichen Höhen vom Boden der Bauwerke platziert wurden. Shokrana und Ghane14 lieferten eine andere Strömungsgleichung für ein 45°-V-Kerbwehr in einer 25 cm (10 in) Struktur von Christianson et al.9, als das Wehr etwa 30 cm über dem Boden des Bauwerks platziert wurde. Die Autoren führten den Unterschied in den beiden Kalibriergleichungen auf die Verwendung einer kalibrierten Waage zur Messung von Durchflussmengen zurück, was darauf hindeutet, dass ein einheitliches Verfahren zur Ermittlung von Durchflussraten, Fallhöhen und den Kalibriergleichungen für Wehre für Strömungen, die innerhalb der V-Kerbe in Kontrollstrukturen enthalten sind, fehlt.

In unserer jüngsten Studie11 haben wir Kalibrierungsgleichungen für 45°-V-Kerbwehre in Agri Drain-Kontrollstrukturen entwickelt, die auf ihrer Größe (15 cm [6 Zoll], 20 cm [8 Zoll] und 30 cm [12 Zoll]) für Abflüsse innerhalb der V-Kerbe und Überströmungen (d. h. wenn die Förderhöhe die Oberseite eines V-Kerbwehrs überragt) basieren. Während die Kalibriergleichung für die in der V-Kerbe enthaltenen Durchflüsse eine einfache Potenzbeziehung zwischen Förderhöhe (h) und Durchflussmenge (Q, Gleichung 1)5,9,11,13,14 ist, erfordern Überlaufströmungen die Verwendung einer zusammengesetzten Wehrgleichung, die komplizierter ist (d. h. mehr Terme hat), da sie Gleichungen für ein Wehr mit V-Kerbe und ein rechteckiges Wehr kombiniert (Gleichung 2)11.

figure-introduction-1(1)

Dabei ist Q = Durchflussmenge, h = Förderhöhe und a und b = Wehrkoeffizienten, deren Werte von der Form des Wehrs, der Größe der Regelungsstruktur, den Strömungsbedingungen und den Einheiten für Q und h abhängen.

figure-introduction-2(2)

Dabei ist Q = Durchflussmenge, h = die Gesamtförderhöhe, h1 = Förderhöhe über der Oberseite des V-Kerbwehrs (d. h. im rechteckigen Wehr über der V-Kerbe), W = die Breite des rechteckigen Wehrabschnitts über der Oberseite des V-Kerbwehrs, Wv = die obere Breite des V-Kerbwehrs, a und b = Wehrkoeffizienten für das V-Kerbwehr und a1 und b1 = Wehrkoeffizienten für den rechteckigen Abschnitt über dem V-Kerbwehr.

Die Einführung eines intelligenten Entwässerungssystems mit Sensoren zur Überwachung und automatischen Anpassung des Wasserstands in einer Kontrollstruktur mit ferngesteuerten einstellbaren Absperrschiebern nimmt in den USA bei Naturschutzpraktiken am Rande des Feldes zu. Die meisten dieser Systeme, die ursprünglich nur für die Verwendung einer einfachen Potenzfunktion konzipiert wurden, können die zusammengesetzte Wehrgleichung (Gleichung 2) für die Überlaufflüsse nicht aufnehmen und erfordern die Entwicklung einzigartiger Strömungsgleichungen in der Form, wie sie in Gleichung (1) für jedes Entwässerungssteuerungsbauwerk für Überlaufströme gezeigt wird. Darüber hinaus kann es für Anwender, die an der Messung und Überwachung von Durchflussraten und Nährstoffverlusten beteiligt sind, umständlich sein, Gleichung (2) für Überlaufdurchflüsse zu verwenden, da mehr Parameter erforderlich sind. Um diese Herausforderungen zu meistern, haben wir das Tool "Weir Flow Equation Coefficients Calculator" entwickelt. Dieses Online-Tool (verfügbar unter: https://www.ars.usda.gov/midwest-area/ames/nlae/docs/tools-available-from-nlae/) bietet Wehrabflussgleichungskoeffizienten für Standardgrößen von Entwässerungskontrollbauwerken (Tabelle 1) für ein 45°-V-Kerbwehrwehr. Noch wichtiger ist, dass das Tool die Koeffizienten der Wehrströmungsgleichung für den Überlaufdurchfluss berechnet und nur aus zwei Parametern besteht, wie in Gleichung (1) dargestellt, basierend auf der Größe und den Abmessungen der vom Benutzer bereitgestellten Steuerungsstruktur. Wenn die geeignete Ausrüstung zur Verfügung steht, um die standortspezifische Durchflussrate im Vergleich zu Kopfbeziehungen akzeptiert das Werkzeug auch eine Kalibrierungsgleichung für Durchflüsse, die im V-Kerbwehr enthalten sind, als Benutzereingabe und berechnet die Koeffizienten der Wehrdurchflussgleichung für überlaufende Durchflüsse. Daher beschreibt dieses Protokoll den Aufbau für die Durchflussmessung in einer Entwässerungskontrollstruktur und eine universelle Methode zur Entwicklung einer standortspezifischen Kalibriergleichung. Als nächstes wird die Verwendung des Tools "Weir Flow Equation Coefficients Calculator" zur Berechnung von Wehrdurchflussgleichungskoeffizienten für Strömungen beschrieben, die in der V-Kerbe enthalten sind, und Überlaufströmungen. Abschließend wird die Überwachung und Wartung von Abflüssen in einem Entwässerungskontrollbauwerk beschrieben, was eine genaue Abschätzung der Entwässerungsdurchflussmengen unter Verwendung der aus dem Tool erhaltenen Wehrgleichungen ermöglicht.

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Protokoll

Die Einzelheiten zu den in dieser Studie verwendeten Verbrauchsmaterialien und Geräten sind in der Materialtabelle aufgeführt.

1. Ermittlung von Wehrdurchflussgleichungskoeffizienten für Durchflüsse, die in der V-Kerbe enthalten sind, durch Laborkalibrierung in einer Entwässerungskontrollstruktur

  1. Aufbau der Entwässerungskontrollstruktur für ein Kalibrierexperiment
    1. Verbinden Sie den Einlassteil der Steuerungsstruktur mit der Pumpenbaugruppe (bestehend aus einer Pumpe, einem Durchflussmesser und den erforderlichen Rohren, Armaturen und Ventilen) und den Auslassabschnitt mit dem Entwässerungsrohr (siehe Abbildung 1). Stellen Sie sicher, dass Sie gegebenenfalls zusätzliche Auslässe von der Kontrollstruktur abdichten.
    2. Messen Sie die obere Breite (Wv, Abbildung 2A) und Tiefe (D, Abbildung 2B) des V-Kerbwehrs.
    3. Messen Sie den Abstand (Breite, W) zwischen den Gleisen (Abbildung 3A), an denen die Dammbalken (Bretter zur Aufrechterhaltung der Wasserstandstiefe in der Kontrollstruktur, Abbildung 3B) und das V-Kerbwehr in das Entwässerungskontrollbauwerk passen.
    4. Fügen Sie die Dammbalken nacheinander zwischen den Gleisen ein. Stellen Sie sicher, dass das untere Dammprotokoll fest auf der Unterseite der Kontrollstruktur sitzt, damit keine Leckagen unter dem Dammbalken auftreten.
    5. Stapeln Sie zusätzliche Stoplogs über die vorhandenen in der Steuerungsstruktur, bis die gewünschte Höhe erreicht ist. Stellen Sie sicher, dass die Dammbalken fest eingestellt sind und keine Leckagen zwischen den Dammbalken und den Schienen auftreten.
      HINWEIS: Die Gesamthöhe der Dammbalken sollte größer sein als die Öffnung des Zulaufrohrs und der Auslegungstiefe des Grundwasserspiegels im gesättigten Puffer, Bioreaktor oder kontrollierten Entwässerungssystem entsprechen. Der Aufbau im Labor für das Kalibrierexperiment sollte die Strömungsbedingungen im Feld am besten abbilden, um genaue Durchflussschätzungen zu ermöglichen.
    6. Setzen Sie die Wehrplatte fest über den oberen Dammbalken.
    7. Die Innenhöhe des Kontrollbauwerks (D1) und den Abstand zwischen der Oberseite des Kontrollbauwerks und der Oberseite des V-Kerbwehrs (D2) ist mit einem Maßband zu messen, dessen Nullmarkierung bündig mit dem Rand des Bandes abschließt (siehe Bild 4A).
    8. Berechnen Sie die Höhe der V-Kerbe von der Unterseite der Kontrollstruktur (D3) wie folgt: D3 = D1- D2- D, wobei D die Tiefe der V-Kerbe aus Schritt 1.1.2 ist.
      HINWEIS: Berechnen Sie nicht die Höhe des V-Kerb-Scheitels von der Unterseite der Steuerstruktur, da die Summe der Höhen der Dammbalken, die verwendet werden, da die Gummidichtung um die Dammbalken die kombinierte Höhe der Dammbalken erhöht.
    9. Verbinden Sie das Manometerrohr/die Beruhigungsschacht (zur Bestimmung des Wasserstands in der Kontrollstruktur) fest mit der Kontrollstruktur. Befestigen Sie ein Maßband an der Außenwand der Kontrollstruktur neben dem Manometer mit dem Wert "Null", der der Basis des Innenraums der Kontrollstruktur entspricht (siehe Abbildung 4B).
  2. Messung von Durchflussmengen und Förderhöhe
    1. Starten Sie die Pumpe und lassen Sie das Wasser in die Einlaufkammer fließen und anschließend durch das Wehr fließen.
    2. Wählen Sie eine Durchflussmenge von ca. 1-1,5 L.s-1 (15-25 gpm), indem Sie das Ventil in der Pumpenbaugruppe einstellen und die Anzeige am Durchflussmesser überwachen.
    3. Lassen Sie ausreichend Zeit, damit sich die Strömung stabilisiert hat, in der Regel mindestens 3 Minuten. Die entsprechende Förderhöhe sollte mindestens 6 cm (>2,4 Zoll) betragen, damit die Strömungsdecke nicht an der Wehrplatte8 kleben bleibt. Erhöhen Sie die Durchflussmenge, wenn die Förderhöhe weniger als 6 cm (2,4 Zoll) beträgt (Abbildung 5A).
    4. Sobald der Durchfluss stabil ist, zeichnen Sie den Durchflussmesswert über das Display am Durchflussmesser auf. Nehmen Sie innerhalb von 2 Minuten 8-10 aufeinanderfolgende Messungen vor und berechnen Sie die durchschnittliche Durchflussrate (Q) (Abbildung 5B).
    5. Messen Sie die Wasserhöhe im Beruhigungsbrunnen/Manometerrohr. Wenn der Wasserstand im Beruhigungsbrunnen/Manometerrohr schwankt, sind die Messwerte für den hohen und den niedrigen Wasserstand während eines Zeitraums von mindestens 30 s zu messen und den Mittelwert für die Wasserhöhe über dem Boden des Bauwerks (D4) zu ermitteln (Abbildung 5C).
    6. Berechnen Sie die Förderhöhe (h) als: h = D4- D3.
    7. Erhöhen Sie die Durchflussrate um ca. 1-1,3 L.s-1 (15-20 gpm) und warten Sie, bis sich die Durchflussrate stabilisiert hat.
    8. Die Durchflussmenge und die entsprechende Förderhöhe sind wie in den Schritten 1.2.3 bis 1.2.6 beschrieben zu ermitteln.
    9. Erhöhen Sie die Durchflussmenge noch mindestens 5 Mal, bis der Wasserstand nahe der oberen Rand der V-Kerbe liegt, und wiederholen Sie die Verfahren 1.2.3-1.2.6 für jede Erhöhung der Durchflussmenge.
  3. Entwicklung der Wehrkalibrierungsgleichung für Strömungen, die in der V-Kerbe enthalten sind
    1. Geben Sie in einer Excel-Tabelle die Werte der Förderhöhe (h, cm) und der entsprechenden Durchflussmengen (Q, L.s-1) durch das V-Kerbwehr ein.
      HINWEIS: Eine Excel-Tabelle, die aus gemessenen Durchflussraten und Förderhöhen in einer 20 cm (8 Zoll) großen Steuerungsstruktur besteht, wird als ergänzende Datei 1 bereitgestellt.
    2. Diagrammieren Sie die gemessenen Durchflussraten (Q, Y-Achse) gegen die gemessene Förderhöhe (h, X-Achse) und passen Sie eine Leistungsfunktion wie in Gleichung (1) an. Wählen Sie den Datenbereich in der Tabellenkalkulation aus und klicken Sie dann auf "> Diagramme einfügen > Streuung". Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Datenpunkte im Diagramm und klicken Sie dann auf Trendlinie hinzufügen > Gleichung für die Leistung > Anzeige im Diagramm > R-Quadrat-Wert im Diagramm anzeigen.
    3. Überprüfen Sie die Anpassungsgüte der Potenzfunktion sowohl visuell als auch anhand desR2-Werts (Abbildung 6). Dies ist die Wehrgleichung für den Durchfluss, die in der V-Kerbe für die Steuerungsstruktur enthalten ist.

2. Verwendung des "Weir Flow Equation Coefficient Calculator" zur Ermittlung von Wehrkoeffizienten für Durchflüsse, die in der V-Kerbe enthalten sind, und Überlaufflüsse

HINWEIS: Für die folgenden Schritte ist die Verwendung des Tools "Weir Flow Equation Coefficient Calculator" erforderlich, das unter https://www.ars.usda.gov/midwest-area/ames/nlae/docs/tools-available-from-nlae/ verfügbar ist.

  1. Koeffizienten der Wehrströmungsgleichung für Überlaufströmungen unter Verwendung einer eigenen Kalibriergleichung
    1. Öffnen Sie den Link https://www.ars.usda.gov/midwest-area/ames/nlae/docs/tools-available-from-nlae/ und klicken Sie auf der Webseite auf "Rechner für Wehrströmungsgleichungskoeffizienten". In diesem Schritt wird das Tool in einem neuen Browser geöffnet (Ergänzende Abbildung 1).
    2. Wählen Sie mit den Optionsfeldern die Einheit zwischen metrischen (SI) und US-üblichen Einheiten aus (Ergänzende Abbildung 2).
    3. Behalten Sie im Abschnitt Größe der Kontrollstruktur die Auswahl auf dem Standardwert von 6 Zoll (15 cm) bei, da der Benutzer seine eigenen Wehrgleichungskoeffizienten angibt.
    4. Klicken Sie auf Ja als Antwort auf die Frage "Haben Sie eine eigene Kalibriergleichung?" und geben Sie die Werte der Parameter a und b ein, die der Gleichung für die in der V-Kerbe enthaltenen Strömungen Q = ahb entsprechen und sich aus Schritt 1.3.2 ergeben haben (Ergänzende Abbildung 2).
    5. Geben Sie die Werte der Wehrspezifikationen im Abschnitt Eingaben des Werkzeugs ein. Zu den Eingaben gehören die Breite zwischen den Spuren (W), die Tiefe der V-Kerbe (D) und die Breite der V-Decke (Wv). Die Symbole finden Sie in der Abbildung rechts (Ergänzende Abbildung 2).
    6. Rufen Sie die Werte der Koeffizienten für Überlaufdurchflüsse aus der Tabelle Koeffizienten für die Gleichung für das V-Kerbwehr, Q = ahb, und das Diagramm der Durchflussmenge gegen die Fallhöhe aus dem Abschnitt Ergebnisse des Werkzeugs ab (Ergänzende Abbildung 2).
  2. Koeffizienten der Wehrströmungsgleichung für Durchflüsse, die in der V-Kerbe enthalten sind, und Überlaufströmungen mit dem Werkzeug
    1. Öffnen Sie das Tool wie in Abschnitt 2.1.1 beschrieben. und wählen Sie die Einheit und die Größe der Kontrollstruktur mit den Radiobuttons aus (Ergänzende Abbildung 3).
    2. Klicken Sie auf Nein als Antwort auf "Haben Sie eine eigene Kalibrierungsgleichung?"
    3. Geben Sie die Werte der Wehrspezifikationen ein, wie in Abschnitt 2.1.5 beschrieben.
    4. Rufen Sie die Werte der Koeffizienten für Abflüsse mit V-Kerb-Wehr und Überlaufdurchflüssen aus der Tabelle und dem Diagramm der Durchflussmenge vs. Die Fließtiefe relativ zur V-Kerbe aus dem Abschnitt "Ergebnisse" des Werkzeugs (Ergänzende Abbildung 3).

3. Durchflussüberwachung und -wartung in Entwässerungskontrollbauwerken

  1. Nachweis von Wasserständen in einem Entwässerungskontrollbauwerk
    HINWEIS: Die Sicherstellung, dass die von den Sensoren erhaltenen Durchflussmengen korrekt sind, ist entscheidend für eine genaue Schätzung der Durchflussraten, die durch den Vergleich der Sensormesswerte mit manuellen Messungen durch regelmäßige Vor-Ort-Besuche erreicht wird.
    1. Messen Sie mit einem Maßband den Abstand des Wasserspiegels von der Oberseite der Kontrollstruktur in der Einlasskammer in der Nähe der Position des Sensors in der Kammer.
    2. Um die Messung durchzuführen, senken Sie das Maßband in die Kontrollstruktur ab, bis es gerade noch den Meniskus des Wasserspiegels berührt. Nehmen Sie diese Messung 1-3 Mal und notieren Sie die Entfernung.
    3. Um die Aufzeichnung des Sensormesswerts zu erhalten, öffnen Sie das Bedienfeld und notieren Sie die Nummer, die dem Wasserstandswert entspricht (Abbildung 7).
      HINWEIS: Abhängig von den Einstellungen des Bedienfelds kann auf dem Bildschirm die Wasserstandsmessung von der Ober- oder Unterseite der Entwässerungskontrollstruktur angezeigt werden.
    4. Um die manuelle Messung mit dem Sensorwert zu vergleichen, der einem Wert der Wassertiefe vom Boden der Kontrollstruktur entspricht, subtrahieren Sie Ihre manuelle Messung von der Innenhöhe der Kontrollstruktur und vergleichen Sie sie mit dem Sensormesswert.
    5. Wenn es eine Diskrepanz zwischen den gemessenen und den Sensorwerten gibt, prüfen Sie auf Fehlerquellen, einschließlich des Vorhandenseins von Sedimenten/Schmutz innerhalb der Steuerungsstruktur, unberücksichtigter Änderungen der Wehrhöhe aufgrund des Wehrmanagements, Versetzungen der Sensoren und Fehlfunktionen der Sensoren, und korrigieren Sie entsprechend.
  2. Abrufen von Zeitreihen von Durchflussraten
    HINWEIS: Eine Tabelle, die aus Beispieldaten von einem gesättigten Pufferstandort (BC-2)18 und dem Verfahren zum Abrufen von Zeitreihen von Durchflussmengen unter Verwendung der Koeffizienten der Wehrgleichung aus dem Tool besteht, wird in den Abschnitten 2.2.1 bis 2.2.4 beschrieben und in der Zusatzdatei 2 vorgestellt.
    1. Laden Sie die Zeitreihen der Durchflussstandsdaten vom jeweiligen Datenlogger oder Server herunter, der mit dem Entwässerungssystem verbunden ist.
    2. Berechnen Sie anhand der Zeitreihendaten des Durchflusspegels die Fallhöhe.
    3. Bestimmen Sie den Strömungszustand, d. h. die Strömung, die in der V-Kerbe (h ≤ D) oder der Überlaufströmung (h > D) enthalten ist, indem Sie die Förderhöhe (h) mit der Tiefe der V-Kerbe (D) für jeden Zeitdatensatz vergleichen.
    4. Berechnen Sie die Entwässerungsmenge für den Strömungszustand unter Verwendung der Wehrgleichung (1) mit den Koeffizienten der Wehrdurchflussgleichung, die aus dem Tool "Wehrströmungsgleichungskoeffizientenrechner" (wie in Abschnitt 2.1 oder 2.2 beschrieben) erhalten wurden.
    5. In einer Naturschutzpraxis am Rande des Feldes, die mit einem intelligenten Entwässerungssystem ausgestattet ist, können Sie die Zeitreihe der Durchflussmengen direkt aus dem Dashboard der jeweiligen Website abrufen (Abbildung 8).

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Ergebnisse

Die Kalibrierung eines 45°-Wehrs aus Edelstahl mit V-Kerbe wurde in 15 cm (6 Zoll), 20 cm (8 Zoll) und 30 cm (12 Zoll) Agri Drain Kontrollstrukturen für die in der V-Kerbe11 enthaltenen Abflüsse durchgeführt. Die Messwerte der Durchflussmengen und -höhen sowie die Wehrgleichungen, die durch Anpassung einer Leistungsfunktion (Gleichung 1) an die gemessenen Daten für die in der V-Kerbe enthaltenen Durchflüsse erhalten wurden, wie im Protokoll beschrieben, sind in

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Diskussion

Das Protokoll (Schritt 1) beschreibt ein Verfahren zur Entwicklung einer Kalibriergleichung für ein 45° V-Kerbwehr in einem Agri Drain Entwässerungsleitwerk. Das Verfahren kann jedoch angepasst werden, um Kalibriergleichungen für verschiedene Arten von Wehren zu entwickeln, wie z. B. ein rechteckiges Wehr, ein trapezförmiges Wehr oder ein V-Kerbwehr mit verschiedenen Winkeln in einem beliebigen Entwässerungskontrollbauwerk. Während des Kalibriervorgangs ist es besonders wichtig, dass gen...

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Offenlegungen

Alle in diesem Artikel geäußerten Meinungen sind die der Autoren und spiegeln nicht unbedingt die Richtlinien und Ansichten von USDA, DOE oder ORAU/ORISE wider. Die Verwendung von Handels-, Firmen- oder Produktnamen, die in diesem Artikel erwähnt werden, dient nur zu beschreibenden Zwecken und impliziert keine Empfehlungen oder Billigung durch das US-Landwirtschaftsministerium. USDA ist ein Anbieter und Arbeitgeber für Chancengleichheit.

Danksagungen

Die Autoren danken Shane Svoboda für die Unterstützung bei der Aufnahme von Fotos, die in diesem Artikel verwendet werden. Diese Arbeit wurde zum Teil durch eine Berufung in das Agricultural Research Service (ARS) Research Participation Program unterstützt, das vom Oak Ridge Institute for Science and Education (ORISE) im Rahmen einer behördenübergreifenden Vereinbarung zwischen dem US-Energieministerium (DOE) und dem US-Landwirtschaftsministerium (USDA) verwaltet wird. ORISE wird von ORAU unter der DOE-Vertragsnummer DE-SC0014664 verwaltet. Diese Forschung war ein Beitrag des Long-Term Agroecosystem Research (LTAR) Network. LTAR wird vom United States Department of Agriculture, Agricultural Research Service, unterstützt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
DurchflussmesserBanjo CorpMFM300Magnetisch-induktiver Durchflussmesser mit einer Genauigkeit von mehr als 2-3 % für Durchflussraten zwischen 0,88 und 42,3 L.s-1 (14 bis 670 gpm) und einem Betriebstemperaturbereich von -12 bis 54 &/d; C
Rohre und FormstückeN/AN/ADie Rohrlänge und die Formstücke sollten so groß wie nötig sein, aber gemäß den Empfehlungen des Herstellers die Mindestanforderungen an direkte Rohre für vor- und nachgeschaltete Durchflussmesser erfüllen.
PumpeUS Motoren15706017-100Modell 15411 60 PS 3-Phasen-VFD-angetrieben  
DammbalkenAgri Drain700320 (5 Zoll Dammbalken), 700321 (7 Zoll Dammbalken), 700333 (7 Zoll unterer Dammbalken mit unterer Dichtung)Drei Arten von PVC-Dammbalken mit den Höhen 5 Zoll, 7 Zoll und 7 Zoll unterer Dammbalken mit unterer Dichtung
MaßbandStanley PowerLock33-1585m/16' Maßband
V-Kerbe WehrAgri Drain701132Edelstahl 45°; (3 mm Dicke, V-Kerbe tief 17,145 cm) gekerbtes Wehr mit PVC-Träger (13 mm Dicke)
WasserstandsentwässerungskontrollstrukturAgri Drain3CINLINE06X08PVCEine 3-Kammer-Inline-Wasserstandskontrollstruktur mit einer Nenngröße von 20,32 cm (8 Zoll) und einem V-Kerbwehr im ersten Tor (Dammbalken im Lieferumfang enthalten)

Referenzen

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