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方法論記事

排水制御構造における流量監視のためのVノッチ堰方程式のパラメータ化

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DOI:

10.3791/67971

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2025年4月25日

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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

この記事について

サマリー

このプロトコルでは、(1)実験室の校正手順と(2)著者が開発したオンラインツール「Weir Flow Equation Coefficients Calculator」を使用して、排水制御構造内のVノッチ堰の堰流量方程式係数を取得する方法について説明します。これらの方法は、V ノッチ フローおよびオーバートッピング フローに含まれるフローに適用されます。

要約

排水量(単位時間あたりの流量または水量)の正確な推定は、地表水に供給される栄養素負荷を計算し、フィールドの端の保全活動のパフォーマンスを評価するために不可欠です。排水流量を決定するには、排水制御構造物のヘッドを監視し、構造物に設置された堰に適切な方程式を適用する必要があります。制御構造の堰の較正方程式を開発した以前の研究では、同じタイプの堰と制御構造のサイズに対して異なる方程式(つまり、異なる堰流量方程式係数)が生成されていました。本研究では、排水制御構造物内の水流量と落差の実験的な計測を設定し、Vノッチ堰内に含まれる流れの堰方程式を作成する手順について説明します。さらに、水位がVノッチ堰の上部を超えた場合の越流の堰方程式を取得する手順について概説します。このプロセスでは、研究室で開発されたVノッチ堰用の堰方程式と、著者らが開発したオンラインツール「Weir Flow Equation Coefficients Calculator」を使用します。オンライン ツールは、ユーザーがサイト固有の流量 を欠いている場合でも、さまざまなサイズの Agri Drain 水制御構造にわたる V ノッチを含む流れとオーバートッピング フローの両方について、堰の流れ方程式係数を生成することもできます。ヘッド関係。

概要

地下排水からの栄養塩損失を低減する圃場周辺保全活動(飽和緩衝液、バイオリアクター、排水管理)の性能を評価する際には、排水の排出量と栄養塩濃度を正確に決定することが重要です。栄養塩濃度(硝酸塩など)を正確に測定するための標準的な方法は、水サンプル1からの実験室法や栄養素の連続モニタリング2,3のためのセンサーなど、すぐに利用できます。一方、エッジ・オブ・フィールド保全実践における排水流量の決定は、硝酸塩濃度の場合ほど簡単ではなく、通常は排水水位制御構造4,5の使用を伴う。排水水位制御構造は、上流の水頭を制御することと、堰を使用して排出流量を監視するという2つの目的で、フィールドの端の保全実践で使用されます。排水流量を決定する際に考慮すべき重要な要素には、排水制御構造のサイズ、構造で使用される堰の種類、構造内の流れ条件、ヘッドの正確な測定、およびヘッドを排出流量に変換するための適切な堰方程式の使用が含まれます。これらの構造物は一般に人工的に「タイル張り」の排水された土地に限定されていますが、排水された農地は米国では2,100万ヘクタールを超え6、小川や河川7への栄養負荷に影響を与えます。

堰を使用した流量の決定は一般的な方法であり、開水路8の流量には標準的な手順と校正式が利用可能です。しかし、排水制御構造5,9,10,11,12,13,14,15,16,17の堰の較正方程式を開発した研究は限られています。ChunとCooke10は、さまざまなサイズの制御構造に対する長方形の堰の較正方程式の開発を開拓しました。ChunとCooke10に続いて、Christiansonら9は、15 cm(6 in)および25 cm(10 in)の制御構造に45°のVノッチ堰があり、構造物の底部から異なる高さに堰が配置された単一の較正方程式を開発しました。Shokrana と Ghane14 は、Christianson et al.9 の 25 cm (10 in) 構造の 45° V ノッチ堰に対して、堰が構造の底面から約 30 cm 上に配置されたときに、異なる流れ方程式を提供しました。著者らは、2つの較正方程式の違いは、流量を測定するための較正された計量装置の使用に起因すると考えており、制御構造のVノッチ内に含まれる流れの流量、ヘッド、および堰の較正方程式を取得するための統一された手順が欠けていることを示唆しています。

私たちの最近の研究11では、Vノッチ内に含まれる流れと越流(つまり、ヘッドがVノッチ堰の上部を超える場合)のサイズ(15cm [6 in]、20 cm [8 in]、および30 cm [12 in])に基づいて、Agri Drain制御構造の45°Vノッチ堰のキャリブレーション方程式を開発しました。Vノッチ内に含まれる流れの較正方程式は、ヘッド(h)と流量(Q、式1)5,9,11,13,14の間の単純な力関係ですが、オーバートッピングフローでは、Vノッチ堰と長方形の堰(式2)の方程式を組み合わせるため、より複雑になる(つまり、より多くの項を持つ)複合堰方程式を使用する必要があります。

figure-introduction-1(1)

ここで、Q = 流量、h = 落差、および a と b = 堰係数で、その値は堰の形状、制御構造のサイズ、流れ条件、Q と h の単位によって異なります。

figure-introduction-2(2)

ここで、Q =流量、h =総落差、h1 = Vノッチ堰の上部より上のヘッド(つまり、Vノッチの上の長方形の堰内)、W = Vノッチ堰の上部より上の長方形の堰セクションの幅、Wv = Vノッチ堰の上部幅、aおよびb = Vノッチ堰の上の長方形セクションの堰係数。

遠隔操作の調整可能なゲートバルブを使用して制御構造内の水位を監視し、自動的に調整するセンサーを備えたスマート排水システムの採用は、米国のフィールドの端の保全慣行で増加しています。これらのシステムの多くは、もともと単純なべき乗関数のみを使用するように設計されていたため、越流に対する複合堰方程式(式 2)に対応することができず、越流の排水制御構造ごとに式(1)で示される形式の独自の流れ方程式の開発が必要です。さらに、流量と栄養素の損失の測定と監視に関与するユーザーは、より多くのパラメータが必要なため、流量をオーバートッピングするために式(2)を使用するのが面倒だと感じるかもしれません。これらの課題を克服するために、私たちは「Weir Flow Equation Coefficients Calculator」ツールを開発しました。このオンラインツール(https://www.ars.usda.gov/midwest-area/ames/nlae/docs/tools-available-from-nlae/ で入手可能)は、45°Vノッチ堰の排水制御構造(表1)の標準サイズの堰流量方程式係数を提供します。さらに重要なことに、このツールは、オーバートッピングフローの堰流量方程式係数を計算し、式(1)に示すように、ユーザーが提供する制御構造のサイズと寸法に基づいて2つのパラメータのみで構成されます。サイト固有の流量 を測定するための適切な機器が利用可能な場合。ヘッド関係では、このツールは、Vノッチ堰内に含まれる流れの校正方程式をユーザー入力として受け入れ、オーバートッピングフローの堰流量方程式係数を計算します。したがって、このプロトコルでは、排水制御構造における流量測定のセットアップと、サイトスペシフィックなキャリブレーション方程式を開発するための普遍的な方法について説明します。次に、Vノッチ内および越流に含まれる流れの堰の流れ方程式係数を計算するためのツール「堰の流れ方程式係数計算機」の使用について説明します。最後に、排水制御構造内の流れの監視と保守について説明します。これにより、ツールから得られる堰の方程式を使用して排水流量を正確に推定できます。

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プロトコル

本研究で使用した消耗品および拡張パーツの詳細は、 材料表に記載されています。

1. 排水制御構造物における実験室較正によるVノッチ内に含まれる流れの堰流量方程式係数の取得

  1. キャリブレーション実験のための排水制御構造の設定
    1. 制御構造の入口セクションをポンプアセンブリ(ポンプ、流量計、および必要なパイプ、継手、バルブで構成)に接続し、出口セクションを排水パイプに接続します( 図1を参照)。制御構造から追加のコンセントがある場合は、必ず密閉してください。
    2. Vノッチ堰の上部の幅(Wv、 図2A)と深さ(D、 図2B)を測定します。
    3. ストップログ(制御構造物の水位深さを維持するために使用されるボード、図3B)とVノッチ堰が排水制御構造物に収まる線路(図3A)間の距離(幅、W)を測定します。
    4. 線路間にストップログを1つずつ挿入します。下部のストップログが制御構造の下部にしっかりと配置されていることを確認して、ストップログの下から漏れないようにします。
    5. 目的の高さに達するまで、制御構造内の既存のストップログの上に追加のストップログを積み重ねます。ストップログがしっかりと設定され、ストップログとレールの間に漏れが発生していないことを確認します。
      注:ストップログの合計高さは、入口パイプの開口部よりも大きく、飽和バッファー、バイオリアクター、または制御された排水システムの地下水面の設計深さに対応している必要があります。キャリブレーション実験のための実験室のセットアップは、正確な流量推定のために、現場の流量条件を最もよく表している必要があります。
    6. 堰プレートを上部のストップログの上にしっかりと配置します。
    7. ゼロマーキングがテープの端と同じ高さになっている測定テープを使用して、制御構造の内部高さ(D1)と制御構造の上部とVノッチ堰の上部(D2)の間の距離を測定します( 図4Aを参照)。
    8. 制御構造(D3)の底部からVノッチの頂高を次のように計算します:D3 = D1- D2- D(ここで、Dはステップ1.1.2から取得したVノッチの深さ)。
      注意: ストップログの周りのゴム製ガスケットとして使用されるストップログの高さの合計がストップログの合計高さを増やすため、制御構造の下部からVノッチクレストの高さを計算しないでください。
    9. 圧力計チューブ/スティリングウェル(制御構造内の水位を決定するために使用)を制御構造にしっかりと接続します。圧力計の隣の制御構造の外壁に巻尺を貼り付け、制御構造の内部の底面に対応する「ゼロ」値を付けます( 図4Bを参照)。
  2. 流量とヘッドの測定
    1. ポンプを始動し、水が入口チャンバーを満たし、続いて堰を流れるようにします。
    2. ポンプアセンブリのバルブを調整し、流量計の表示を監視することにより、約1-1.5 LS-1 (15-25 gpm)の流量を選択します。
    3. 流れが安定するまで十分な時間(通常は少なくとも3分)を待ちます。対応するヘッドは、フローナッペが堰プレート8にくっつかないように、少なくとも6 cm(>2.4インチ)である必要があります。ヘッドが6 cm(2.4インチ)未満の場合は、流量を増やします(図5A)。
    4. 流量が安定したら、流量計のディスプレイから読み取った流量を記録します。8分以内に10〜2回連続して読み取りを行い、平均流量(Q)を計算します(図5B)。
    5. 静止井戸/圧力計チューブ内の水の高さを測定します。静止井戸/圧力計チューブの水位が変動する場合は、少なくとも30秒間の高水位と低水位の読み取りを行い、構造物の底部(D4)からの水の高さの平均値を取得します(図5C)。
    6. 頭(h)をh = D4- D3として計算します。
    7. 流量を約1〜1.3 L.s-1 (15〜20 gpm)増やし、流量が安定するのを待ちます。
    8. 手順1.2.3-1.2.6で説明されているように、流量と対応するヘッドを取得します。
    9. 水位がVノッチの上部近くに達するまで、流量を少なくとも5回増やし、流量が増加するたびに手順1.2.3〜1.2.6を繰り返します。
  3. Vノッチ内に含まれる流れの堰較正方程式の開発
    1. Excelスプレッドシートで、Vノッチ堰を通るヘッドの値(h、cm)と対応する流量(Q、LS-1)を入力します。
      注:20 cm(8インチ)の制御構造の測定された流量とヘッドで構成されるExcelスプレッドシートは、 補足ファイル1として提供されます。
    2. 測定された流量(Q、Y軸)を測定されたヘッド(h、X軸)に対してプロットし、式(1)のように電力関数を適合させます。スプレッドシートでデータ範囲を選択し、「 >グラフを挿入」>「散布図」をクリックします。グラフ内のデータ ポイントを右クリックし、[ トレンドラインの追加] > [Power > Display Equation on chart] > [Display R-squared value on chart] をクリックします。
    3. べき乗関数の適合度を視覚的に確認し、R2 値を使用して確認します(図6)。これは、制御構造のVノッチ内に含まれる流れの堰の方程式です。

2. 「堰流方程式係数計算機」を使用して、Vノッチ内および越流に含まれる流れの堰係数を取得します

注意: 次の手順では、https://www.ars.usda.gov/midwest-area/ames/nlae/docs/tools-available-from-nlae/ で利用可能な「Weir Flow Equation Coefficient Calculator」ツールを使用する必要があります。

  1. 独自のキャリブレーション方程式を使用したオーバートッピングフローの堰流方程式係数
    1. リンク https://www.ars.usda.gov/midwest-area/ames/nlae/docs/tools-available-from-nlae/ を開き、Webページの「Weir Flow Equation Coefficients Calculator」をクリックします。この手順では、新しいブラウザでツールが開きます(補足図1)。
    2. ラジオボタンを使用して、 メートル法(SI) と 米国の慣習 単位の間の単位を選択します(補足図2)。
    3. 「制御構造のサイズ」セクションでは、ユーザーが独自の堰方程式係数を指定するため、選択をデフォルト値の 6 インチ (15 cm) のままにします。
    4. 「Do you have your own calibration equation?」に対する回答として「Yes」をクリックし、ステップ1.3.2(補足図2)から取得したVノッチ内に含まれるフローの方程式に対応するパラメータaおよびbの値を入力します(補足図2)。
    5. ツールの [入力] セクションに堰の仕様の値を入力します。入力には、トラック間の幅 (W)、V ノッチの深さ (D)、および V トップの幅 (Wv) が含まれます。記号については、右の図を参照してください(補足図2)。
    6. Vノッチ堰方程式の係数、Q = ahbの表からオーバートッピングフローの係数の値を取得し、ツールの[結果]セクションからヘッドに対する流量のプロットを取得します(補足図2)。
  2. ツールを使用したVノッチ内および越流に含まれる流れの堰流方程式係数
    1. セクション 2.1.1 の説明に従ってツールを開きます。をクリックし、 ラジオ ボタンを使用してユニットと制御構造のサイズを選択します(補足図3)。
    2. 「Do you have your own calibration equation?」に対する回答として 「No 」をクリックします。
    3. セクション 2.1.5 の説明に従って、堰の仕様の値を入力します。
    4. Vノッチ堰を使用した流れの係数の値を取得し、テーブルと流量 対のプロットからオーバートッピングフローを取得します。ツールの[結果]セクションからのVノッチの頂上に対する流れの深さ(補足図3)。

3. 排水制御構造物の流量監視と維持管理

  1. 排水制御構造物の水位検証
    注:センサーから取得した流量レベルが正しいことを確認することは、流量の正確な推定にとって重要であり、これはセンサーの読み取り値を定期的なフィールド訪問による手動測定と比較することによって達成されます。
    1. 巻尺を使用して、チャンバー内のセンサーの位置に近い入口チャンバー内の制御構造の上部からの水位の距離を測定します。
    2. 測定を行うには、巻尺を水位のメニスカスにちょうど触れるまで制御構造に下げます。この測定を1〜3回行い、距離を記録します。
    3. センサーの読み取り値の記録を取得するには、コントロールパネルのボックスを開き、水位の読み取り値に対応する番号を記録します(図7)。
      注意: コントロールパネルの設定によっては、排水制御構造の上部または下部からの水位測定値が画面に表示される場合があります。
    4. 手動測定を、制御構造の底部からの水深の値に対応するセンサーの読み取り値と比較するには、制御構造の内部の高さから手動測定を差し引き、センサーの読み取り値と比較します。
    5. 測定値とセンサ値との間に不一致がある場合は、制御構造内の堆積物/破片の存在、堰の管理に起因する堰の高さの計上されていない変化、センサの変位、センサの誤動作など、エラーの原因を確認し、それに応じて修正します。
  2. 流量の時系列の取得
    注:飽和バッファサイト(BC-2)18 からの例データから構成されるスプレッドシートと、ツールからの堰方程式係数を使用して流量の時系列を取得する手順は、セクション2.2.1-2.2.4で説明されており、 補足ファイル2で提示されています。
    1. 排水システムに関連付けられたそれぞれのデータロガーまたはサーバーから、流量レベルデータの時系列をダウンロードします。
    2. 時系列の流量レベル データを使用して、ヘッドを計算します。
    3. 各時間レコードのヘッド(h)とVノッチの深さ(D)を比較することにより、Vノッチ内に含まれる流れ(h ≤ D)またはオーバートッピング流れ(h > D)の流れ条件を決定します。
    4. 堰方程式(1)と「Weir Flow Equation Coefficient Calculator」ツール(セクション2.1または2.2で説明)から取得した堰流量方程式係数を使用して、流れ条件の排水流量を計算します。
    5. スマート排水システムを備えたフィールドの端の保全活動では、それぞれのWebサイトのダッシュボードから直接流量の時系列を取得します(図8)。

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結果

ステンレス製の45°Vノッチ堰の校正は、Vノッチ11に含まれる流れについて、15 cm(6インチ)、20 cm(8インチ)、および30 cm(12インチ)のアグリドレン制御構造で実行されました。流量と落差の測定値、およびプロトコルで説明されているように、Vノッチ内に含まれる流れの測定データに電力関数(式1)を適合させることによって得られる堰の方程式を図9A-Cに示します。Vノッチ内に含まれる流れのこれらの堰の流れ方程式係数は、「堰の流れ方程式係数計算機」ツールに含まれています。図 9A-C に示されている越流の堰方程式は、「Weir Flow Equation Coefficient Calculator」ツールから取得しました。流量の推定誤差は、二乗平均平方根誤差 (RMSE、式 3

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ディスカッション

プロトコル(ステップ1)は、Agri Drain排水制御構造の45°Vノッチ堰の較正方程式を開発する方法を説明しています。ただし、この方法は、長方形の堰、台形の堰、または任意の排水制御構造でさまざまな角度を持つVノッチ堰など、さまざまなタイプの堰の校正方程式を開発するために適応させることができます。校正手順では、特に制御構造内の水位が乱流になりがちな大流量で、正確なヘッドが得られることが特に重要です。水位は、静止井戸または圧力計チューブ内で測定する必要があります。圧力計チューブ/スティリングウェルの近くに測定テープを取り付けることで、水位の確認と水位高さの同時測定が可能になり、ヘッド測定の誤差を減らすことができます。排水制御構造にまだ存在しない場合は、マノメーターまたは堰の頂上から最も遠い位置に配置されたスティリングウェルを追加することにより、制御構造の変更が必要になる場合があります。水位測定装置/センサーを使用して水位の高さを測定する場合は、デバイスから得られる測定値を手動測定で確認する必要があります。

流量計を...

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開示事項

このホワイトペーパーで表明されたすべての意見は著者のものであり、必ずしもUSDA、DOE、またはORAU / ORISEのポリシーと見解を反映しているわけではありません。この記事に記載されている商号、会社名、または製品名の使用は、説明のみを目的としており、米国農務省による推奨または承認を意味するものではありません。USDAは機会均等の提供者であり、雇用主です。

謝辞

著者は、この記事で使用した写真を撮る際にシェーン・スヴォボダの協力に感謝します。この作業は、米国エネルギー省(DOE)と米国農務省(USDA)の間の省庁間協定を通じて、オークリッジ科学教育研究所(ORISE)が管理する農業研究サービス(ARS)研究参加プログラムへの任命によって部分的に支援されました。ORISEは、DOE契約番号DE-SC0014664でORAUによって管理されています。本研究は、長期農業生態系研究(LTAR)ネットワークからの寄稿によるものです。LTARは、米国農務省の農業研究サービスによってサポートされています。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
流量計Banjo CorpMFM300電磁流量計、精度 ± 0.88 から 42.3 L.s-1 (14 から 670 gpm) の間の流量で 2-3% (14 から 670 gpm)、および動作温度範囲 -12 から 54 °C
パイプと継手N/AN/Aパイプの長さと継手は必要に応じて行う必要がありますが、メーカーの推奨に従って流量計の上流と下流のminiumum straigthパイプ要件を満たします。
ポンプモーター15706017-100モデル15411 60 HP 3相VFD駆動 
ストップログAgri Drain700320 (5 インチストップログ)、700321 (7 インチストップログ)、700333 (7 インチボトムストップログ、ボトムガスケット付き)5 インチ、7 インチ、7 インチの 3 種類の PVC ストップログ、ボトムガスケット付き
巻尺Stanley PowerLock33-1585m/16' 巻尺
V ノッチ堰アグリドレン701132ステンレス鋼45°C;(厚さ3mm、Vノッチ深さ17.145cm)ノッチ付き堰(PVCキャリア付き)(厚さ13mm)
水位排水制御構造アグリドレン3CINLINE06X08PVC公称サイズ20.32cm(8インチ)の3チャンバーインライン水位制御構造と最初のゲートに存在するVノッチ堰(ストップログは購入に含まれています)
US高さ

参考文献

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