Name: Parametrisierung von V-Kerb-Wehrgleichungen für die Durchflussüberwachung in einer Entwässerungsleitstruktur (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-04-25T14:10:00.000+00:00
Duration: 7 min 15 s
Description: Erfahren Sie die Parametrisierung von V-Kerb-Wehrgleichungen für die Durchflussüberwachung in Entwässerungsleitstrukturen. Diese Methode ermöglicht präzise Schätzungen von Abflussvolumen und verbessert das Wassermanagement.

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 <a target="_blank" href="https://www.agridrain.com/shop/c85/manual-water-level-control-structures/p901/inline-water-level-control-structures/">https://www.agridrain.com/shop/c85/manual-water-level-control-structures/p901/inline-water-level-control-structures/</a> (2024).</li>
</ol>

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.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/67971/67971eq01.jpg" style="margin: auto;">(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.
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/67971/67971eq02.jpg" style="margin: auto;">(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.

<table><tbody><tr><td>Durchflussmesser</td><td>Banjo Corp</td><td>MFM300</td><td>Magnetisch-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</td></tr><tr><td>Rohre und Formstücke</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Die 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.</td></tr><tr><td>Pumpe</td><td>US Motoren</td><td>15706017-100</td><td>Modell 15411 60 PS 3-Phasen-VFD-angetrieben &nbsp;</td></tr><tr><td>Dammbalken</td><td>Agri Drain</td><td>700320 (5 Zoll Dammbalken), 700321 (7 Zoll Dammbalken), 700333 (7 Zoll unterer Dammbalken mit unterer Dichtung)</td><td>Drei Arten von PVC-Dammbalken mit den Höhen 5 Zoll, 7 Zoll und 7 Zoll unterer Dammbalken mit unterer Dichtung</td></tr><tr><td>Maßband</td><td>Stanley PowerLock</td><td>33-158</td><td>5m/16' Maßband</td></tr><tr><td>V-Kerbe Wehr</td><td>Agri Drain</td><td>701132</td><td>Edelstahl 45°; (3 mm Dicke, V-Kerbe tief 17,145 cm) gekerbtes Wehr mit PVC-Träger (13 mm Dicke)</td></tr><tr><td>Wasserstandsentwässerungskontrollstruktur</td><td>Agri Drain</td><td>3CINLINE06X08PVC</td><td>Eine 3-Kammer-Inline-Wasserstandskontrollstruktur mit einer Nenngröße von 20,32 cm (8 Zoll) und einem V-Kerbwehr im ersten Tor (Dammbalken im Lieferumfang enthalten)</td></tr></tbody></table>

parametrisierung von v-kerb-wehrgleichungen für die durchflussüberwachung in einer entwässerungsleitstruktur

Parameterizing V-notch Weir Equations for Flow Monitoring in a Drainage Control Structure

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 <strong class="xfig...

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

Accurate estimation of drainage discharge (flow rate or water volume per unit time) is essential for calculating nutrient loads delivered to surface water ...

parameterizing-v-notch-weir-equations-for-flow-monitoring-drainage

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Forschung

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