Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-04-25T14:10:00.000+00:00
Duration: 7 min 15 s
Description: 学ぶVノッチ堰の流量方程式係数の決定法。排水制御構造における流量監視のための実験室校正手順とオンラインツールを用いて、正確な排水量推定と水管理の向上を実現します。

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<ol><li>American Public Health Association. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Standard+methods+for+the+examination+of+water+and+wastewater%22">Standard methods for the examination of water and wastewater</a>. , 24th edition, APHA Press. (2023).</li>
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<li>Katuwal, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Calibration+of+v-notch+and+compound+weirs+for+subsurface+drainage+water+level+control+structures%5BTitle%5D)+AND+%22App+Eng+Agric%22%5BJournal%5D)">Calibration of v-notch and compound weirs for subsurface drainage water level control structures.</a> App Eng Agric. 40 (4), 453-463 (2024).</li>
<li>Maxwell, B. M., Cooke, R. A., Christianson, R. D., Christianson, L. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stage-discharge+relationships+of+drawdown+plates+for+denitrifying+woodchip+bioreactors%5BTitle%5D)+AND+%22App+Eng+Agric%22%5BJournal%5D)">Stage-discharge relationships of drawdown plates for denitrifying woodchip bioreactors.</a> App Eng Agric. 37 (6), 1023-1029 (2021).</li>
<li>Partheeban, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((%26%2334%3BDemonstrating+the+Effectiveness+of+Nitrate-nitrogen+Removal+of+Denitrifying+Bioreactors+in+South+Dakota+for+Improved+Drainage+Water+Management%26%2334%3B%5BTitle%5D)+AND+%22Electronic+Theses+and+Dissertations%22%5BJournal%5D)">&#34;Demonstrating the Effectiveness of Nitrate-nitrogen Removal of Denitrifying Bioreactors in South Dakota for Improved Drainage Water Management&#34;.</a> Electronic Theses and Dissertations. 635, https://openprairie.sdstate.edu/etd/635 (2014).</li>
<li>Shokrana, M. S. B., Ghane, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+empirical+v-notch+weir+equation+and+standard+procedure+to+accurately+estimate+drainage+discharge%5BTitle%5D)+AND+%22App+Eng+Agric%22%5BJournal%5D)">An empirical v-notch weir equation and standard procedure to accurately estimate drainage discharge.</a> App Eng Agric. 37 (6), 1097-1105 (2021).</li>
<li>Utt, N., Jaynes, D., Albertsen, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Demonstrate+and+evaluate+saturated+buffers+at+field+scale+to+reduce+nitrates+and+phosphorus+from+subsurface+field+drainage+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Report+No.+CIG+Final+Report+to+NRCS+and+FSA%22%5BJournal%5D)">Demonstrate and evaluate saturated buffers at field scale to reduce nitrates and phosphorus from subsurface field drainage systems.</a> Report No. CIG Final Report to NRCS and FSA. , 215 Agricultural Drainage Management Coalition Member Companies. (2015).</li>
<li>Napierała, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+simple+crested+weirs+to+control+outflows+from+tiles+drainage%5BTitle%5D)+AND+%22Water%22%5BJournal%5D)">Application of simple crested weirs to control outflows from tiles drainage.</a> Water. 15 (18), 3248(2023).</li>
<li>El Hattab, M. H., Mijic, A., Vernon, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optimised+triangular+weir+design+for+assessing+the+full-scale+performance+of+green+infrastructure%5BTitle%5D)+AND+%22Water%22%5BJournal%5D)">Optimised triangular weir design for assessing the full-scale performance of green infrastructure.</a> Water. 11 (4), 773(2019).</li>
<li>Jaynes, D. B., Isenhart, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Performance+of+saturated+riparian+buffers+in+Iowa%2C+USA%5BTitle%5D)+AND+%22J+Environ+Qual%22%5BJournal%5D)">Performance of saturated riparian buffers in Iowa, USA.</a> J Environ Qual. 48 (2), 289-296 (2019).</li>
<li>Moriasi, D. N., Gitau, M. W., Pai, N., Daggupati, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrologic+and+water+quality+models%3A+Performance+measures+and+evaluation+criteria%5BTitle%5D)+AND+%22Trans+ASABE%22%5BJournal%5D)">Hydrologic and water quality models: Performance measures and evaluation criteria.</a> Trans ASABE. 58 (6), 1763-1785 (2015).</li>
<li>Johnson, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effectiveness+of+saturated+buffers+on+water+pollutant+reduction+from+agricultural+drainage%5BTitle%5D)+AND+%22J+Nat+Resour+Agric+Ecosyst%22%5BJournal%5D)">Effectiveness of saturated buffers on water pollutant reduction from agricultural drainage.</a> J Nat Resour Agric Ecosyst. 1 (1), 49-62 (2023).</li>
<li>Inline water level control structures. , Agri Drain Corporation. Available from: 
 <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>

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

<table><tbody><tr><td>流量計</td><td>Banjo Corp</td><td>MFM300</td><td>電磁流量計、精度 &plusmn; 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 &deg;C</td></tr><tr><td>パイプと継手</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>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。</td></tr><tr><td>ポンプ</td>US<td>モーター15706017-100</td><td>モデル15411 60 HP 3相VFD駆動&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>ストップログ</td><td>Agri Drain</td><td>700320 (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)</td>高さ <td>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</td></tr><tr><td>巻尺</td><td>Stanley PowerLock</td><td>33-158</td><td>5m/16' 巻尺</td></tr><tr><td>V ノッチ堰</td><td>アグリドレン</td><td>701132</td><td>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)</td></tr><tr><td>水位排水制御構造</td><td>アグリドレン</td><td>3CINLINE06X08PVC</td><td>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)</td></tr></tbody></table>

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

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

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</...

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

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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JoVE Journal

Environment

環境

この原稿は、移動粒子が画像分析によって追跡される寝床積堆積物輸送実験の伝導のためのプロトコールを提示する。実験施設、実行実現とデータ処理の手順、そして最後にいくつかの概念実証結果をここに示します。...

ベッド負荷実験における画像ベースのラグランジュ粒子トラッキング

技術とエンドユーザーの期待の上昇の伴い必要と汚濁負荷推定のため時間分解能の高いデータの使用が増加しています。このプロトコルでは、その場で連続水質監視リソース管理意思決定情報に基づいた水を高い時間分解能データを取得する方法について説明します。...

連続インストリームの栄養素と農業生態系流域における堆積物の監視

粒子形態の栄養素は、農業集落排水処理水の全体的な負荷に大きく貢献できます。本研究では、排水のイベントの期間全体にわたって水の流れ加重とファーム運河排水から浮遊微粒子をキャプチャする手法について説明します。...

排水のイベント中に水の流れ加重と農業用水路から浮遊微粒子をキャプチャ

生態系サービスとヴァーナル池やこれらのサービスを提供するために彼らの能力に人間活動の影響によって提供されるプロセスを理解すること集中的な水理モニタリングが必要です。その場の監視装置を使用してこのサンプリング...

連続的な水文水質ヴァーナル池のモニタリングと

土壌透水排水灌漑への影響: 結合フィールド サンプリングと飽和透水係数の実験室測定

このプロトコルの目的は、詳細な流れフィールドの可視化を可能にし、振動パイプラインによって誘導される平衡調査穴内の近境界せん断および通常の応力の決定を可能にすることです。...

平衡スカウトホール内の振動パイプライン周辺の流れ場の可視化

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マルチモーダル光学顕微鏡法カリビアン·リーフビルサンゴにポリープの組織形態と構造を明らかに

伝統的な熱勾配テーブルは、表面全体にさまざまな温度を作り出します。熱勾配テーブルの表面に垂直な溶接ガセットは、温度を深く制御し、可能な研究アプリケーションを増やします。...

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コレクションと真菌 DNA の分析のための産業大気サンプルの抽出

ここでは、提案する植物病原菌と植物病原性をテストするためのプロトコルいもち病。このレポートは菌分離株の pathotype...

植物感染試験: スプレーと傷を介した植物病原体イネいもち病菌接種

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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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