Name: Drainage Control Structure의 유량 모니터링을 위한 V-노치 위어 방정식 매개변수화 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-04-25T14:10:00.000+00:00
Duration: 7 min 15 s
Description: 배우세요 V-노치 위어 방정식 매개변수화를 통한 배수 제어 구조물의 유량 모니터링 방법입니다. 이 프로토콜은 연구자들이 정확한 유량 추정을 위해 실험실 보정 절차와 온라인 도구를 활용할 수 있도록 합니다.

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<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>
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</ol>

지하 배수수(포화 완충액, 생물반응기 및 배수수 관리)에서 영양분 손실을 줄이는 피사계 보존 관행의 성능을 평가할 때 배수 배출 및 영양염 농도를 정확하게 결정하는 것이 중요합니다. 영양염 농도(예: 질산염)를 정확하게 측정하기 위해물 샘플1의 실험실 방법 또는 영양소의 지속적인 모니터링을 위한 센서 2,3과 같은 표준 방법을 쉽게 사용할 수 있습니다. 반면에 field-of-field 보존 관행에서 배수 유량을 결정하는 것은 질산염 농도만큼 간단하지 않으며 일반적으로 배수 수위 제어 구조 4,5의 사용을 포함합니다. 배수 수위 제어 구조는 상류 수두를 제어하고 둑을 사용하여 배출 유량을 모니터링하는 이중 목적으로 필드 가장자리 보존 관행에 사용됩니다. 배수 유량을 결정할 때 고려해야 할 중요한 구성 요소에는 배수 제어 구조의 크기, 구조물에 사용된 둑 유형, 구조 내의 흐름 조건, 헤드의 정확한 측정, 헤드를 토출 유량으로 변환하기 위한 적절한 둑 방정식의 사용이 포함됩니다. 이러한 구조물은 일반적으로 인위적으로 "타일"로 배수된 토지로 제한되지만, 배수된 농경지는 미국에서 2,100만 헥타르를 초과하며6 하천과 강7에 영양분 부하에 영향을미칩니다.
둑을 사용하여 유량을 측정하는 것은 일반적인 관행이며, 개방 채널8의 흐름에 대해 표준 절차 및 교정 방정식을 사용할 수 있습니다. 그러나 배수 제어 구조물 5,9,10,11,12,13,14,15,16,17의 둑에 대한 교정 방정식을 개발한 연구는 제한적입니다. Chun과 Cooke10은 다양한 크기의 제어 구조를 위한 직사각형 둑에 대한 교정 방정식 개발을 개척했습니다. Chun과 Cooke10에 이어 Christianson et al.9은 15cm(6인치) 및 25cm(10인치) 제어 구조물에서 45° V-노치 둑에 대한 단일 보정 방정식을 개발했으며 둑은 구조물의 바닥에서 서로 다른 높이에 배치되었습니다. Shokrana와 Ghane14는 둑이 구조물의 바닥에서 약 30cm 위에 놓였을 때 Christianson et al.9의 25cm(10인치) 구조에서 45° V-노치 둑에 대해 다른 흐름 방정식을 제공했습니다. 저자들은 두 교정 방정식의 차이를 유속 측정을 위해 보정된 계량 장치를 사용했기 때문이라고 말하며, 제어 구조에서 V-노치 내에 포함된 흐름에 대한 둑에 대한 유속, 헤드 및 보정 방정식을 얻기 위한 통합 절차가 부족하다고 제안했습니다.
최근 연구11에서, 우리는 V-노치 및 오버토핑 흐름(즉, 머리가 V-노치 둑의 상단을 초과하는 경우)에 대한 크기(15cm[6인치], 20cm[8인치] 및 30cm[12인치])에 따라 농업 배수구 제어 구조의 45° V-노치 둑에 대한 교정 방정식을 개발했습니다. V-노치에 포함된 흐름에 대한 보정 방정식은 수두(h)와 유량(Q, 방정식 1) 사이의 간단한 전력 관계이지만, 오버토핑 흐름은 V-노치 둑과 직사각형 둑(방정식 2)에 대한 방정식을 결합하기 때문에 더 복잡한(즉, 더 많은 항이 있음) 복합 둑 방정식을 사용해야 합니다.11.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/67971/67971eq01.jpg" style="margin: auto;">(1)
여기서 Q = 유속, h = 양정, a 및 b = 위어 계수 값은 둑의 모양, 제어 구조의 크기, 흐름 조건, Q 및 h의 단위에 따라 달라집니다.
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/67971/67971eq02.jpg" style="margin: auto;">(2)
여기서, Q = 유속, h = 총 수두, h1 = V-노치 둑의 상단 위의 머리(즉, V-노치 위의 직사각형 둑에서), W = V-노치 둑의 상단 위의 직사각형 둑 단면의 너비, Wv = V-노치 둑의 상단 너비, a 및 b = V-노치 둑에 대한 둑 계수, a1 및 b1 = V-노치 둑 위의 직사각형 섹션에 대한 둑 계수.
원격으로 제어되는 조정 가능한 게이트 밸브를 사용하여 제어 구조물의 수위를 모니터링하고 자동으로 조정하는 센서가 있는 스마트 배수 시스템의 채택은 미국의 필드 가장자리 보존 관행에서 증가하고 있습니다. 원래 단순한 동력 함수만 사용하도록 설계된 이러한 시스템의 대부분은 범람 흐름에 대한 복합 둑 방정식(방정식 2)을 수용할 수 없으며 범람 흐름에 대한 각 배수 제어 구조에 대해 방정식 (1)에 표시된 형식의 고유한 흐름 방정식의 개발을 요구합니다. 또한 유속 및 영양염 손실을 측정하고 모니터링하는 데 관련된 사용자는 더 많은 매개변수가 필요하기 때문에 오버토핑 유량에 대해 방정식 (2)를 사용하는 것이 번거로울 수 있습니다. 이러한 문제를 극복하기 위해 "Weir Flow Equation Coefficients Calculator" 도구를 개발했습니다. 이 온라인 도구(https://www.ars.usda.gov/midwest-area/ames/nlae/docs/tools-available-from-nlae/ 에서 사용 가능)는 45° V-노치 둑에 대한 배수 제어 구조물(표 1)의 표준 크기에 대한 둑 흐름 방정식 계수를 제공합니다. 더 중요한 것은 이 도구가 오버토핑 흐름에 대한 위어 흐름 방정식 계수를 계산하고 사용자가 제공한 제어 구조의 크기와 치수를 기반으로 방정식 (1)에 표시된 것처럼 두 개의 매개변수로만 구성된다는 것입니다. 현장별 유량 vs. 헤드 관계, 이 도구는 또한 V-노치 둑 내에 포함된 흐름에 대한 보정 방정식을 사용자 입력으로 수락하고 오버토핑 흐름에 대한 둑 흐름 방정식 계수를 계산합니다. 따라서 이 프로토콜은 배수 제어 구조에서 유량 측정을 위한 설정과 현장별 교정 방정식 개발을 위한 보편적인 방법을 설명합니다. 다음으로, V-노치 및 오버토핑 흐름 내에 포함된 흐름에 대한 위어 흐름 방정식 계수를 계산하기 위한 "Weir Flow Equation Coefficients Calculator" 도구의 사용에 대해 설명합니다. 마지막으로, 배수 제어 구조에서 흐름의 모니터링 및 유지 관리에 대해 설명하며, 이는 도구에서 얻은 둑 방정식을 사용하여 배수 유량을 정확하게 추정할 수 있도록 합니다.

<table><tbody><tr><td>플로우 미터</td><td>Banjo Corp</td><td>MFM300</td><td>전자기 유량계, 정확도는 &plusmn; 0.88에서 42.3 L.s-1 (14에서 670 gpm) 사이의 유량에 대해, 그리고 작동 온도 범위는 -12에서 54 &deg; C</td></tr><tr><td>파이프 및 피팅</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>파이프 길이와 피팅은 필요에 따라 해야 하지만 제조업체의 권장 사항에 따라 유량계의 상류 및 하류에 대한 최소 가선 파이프 요구 사항을 충족해야 합니다.</td></tr><tr><td>펌프</td><td>US Motors</td><td>15706017-100</td><td>모델 15411 60 HP 3 단계 VFD 구동&nbsp;</td></tr><tr><td>정지 로그</td><td>Agri Drain</td><td>700320 (5 in. stoplog), 700321 (7 in. stoplog), 700333 (7 in. 하단 스톱로그와 하단 개스킷)</td><td>높이 5 인치, 7 인치, 7 인치 하단 스톱로그의 세 가지 유형의 PVC 스톱로그와 하단 개스킷</td></tr><tr><td>줄자</td><td>Stanley PowerLock</td><td>33-158</td><td>5m/16' 줄자</td></tr><tr><td>V-노치 위어</td><td>Agri Drain</td><td>701132</td><td>스테인레스 스틸 45°C; (3mm 두께, 17.145cm의 V-노치 깊이) PVC 캐리어가 있는 노치 둑(13mm 두께)</td></tr><tr><td>수위 배수 제어 구조</td><td>농업 배수</td><td>3CINLINE06X08PVC</td><td>공칭 크기가 20.32cm(8인치)이고 첫 번째 게이트에 있는 V-노치 둑을 가진 3챔버 인라인 수위 제어 구조(구매 시 스톱로그 포함)</td></tr></tbody></table>

drainage control structure의 유량 모니터링을 위한 v-노치 위어 방정식 매개변수화

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

스테인리스강 45° V-노치 둑의 교정은 V-노치11 내에 포함된 흐름에 대해 15cm(6인치), 20cm(8인치) 및 30cm(12인치) 농업 배수구 제어 구조에서 수행되었습니다. 프로토콜에 설명된 바와 같이 V-노치 내에 포함된 유량에 대한 측정된 데이터에 전력 함수(방정식 1)를 피팅하여 얻은 유량 및 양정의 측정값과 위어 방정식은 그림 9A-C에 나와 있습니다. V-노치 내에 포함된 흐름에 대한 이러한 위어 흐름 방정식 계수는 "위어 흐름 방정식 계수 계산기" 도구에 포함되어 있습니다. 그림 9A-C에 제시된 오버토핑 흐름에 대한 위어 방정식은 "Weir Flow Equation Coefficient Calculator" 도...

Drainage Control Structure의 유량 모니터링을 위한 V-노치 위어 방정식 매개변수화

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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연구

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환경

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토양 유출을 연구하기 위해 강우 시뮬레이션을 실시하기위한 프로토콜

원고는 움직이는 입자가 이미지 분석에 의해 추적되는 층상 퇴적물 수송 실험의 전도 프로토콜을 제시한다. 실험 시설, 실행 실현 및 데이터 처리 절차, 그리고 일부 개념 증명 결과가 여기에 제시됩니다.

베드로드 실험에서 이미지 기반 라그랑주 입자 추적

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Drainage Control Structure의 유량 모니터링을 위한 V-노치 위어 방정식 매개변수화

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