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Artigo de método

Parametrização de equações de Weir de entalhe em V para monitoramento de vazão em uma estrutura de controle de drenagem

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DOI:

10.3791/67971

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25 de abril de 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

Neste artigo

Resumo

Este protocolo descreve métodos para obter coeficientes de equação de fluxo de açude para um açude de entalhe em V dentro de uma estrutura de controle de drenagem usando (1) um procedimento de calibração de laboratório e (2) uma ferramenta online, a "Calculadora de Coeficientes de Equações de Fluxo de Açude", desenvolvida pelos autores. Esses métodos se aplicam a fluxos contidos no entalhe em V e fluxos de galgamento.

Resumo

A estimativa precisa da descarga de drenagem (vazão ou volume de água por unidade de tempo) é essencial para calcular as cargas de nutrientes entregues às águas superficiais e avaliar o desempenho das práticas de conservação na borda do campo. A determinação das vazões de drenagem requer o monitoramento da altura manométrica em uma estrutura de controle de drenagem e a aplicação de uma equação apropriada para o açude instalado na estrutura. Estudos anteriores que desenvolveram equações calibradas para açudes em estruturas de controle produziram diferentes equações (ou seja, diferentes coeficientes de equação de fluxo de açude) para o mesmo tipo de açude e tamanho de estrutura de controle. Este estudo descreve procedimentos para estabelecer medições experimentais de vazão de água e carga dentro de uma estrutura de controle de drenagem e desenvolver uma equação de açude para vazões contidas em um açude de entalhe em V. Além disso, o procedimento para obter uma equação de açude para fluxos de galgamento - quando o nível da água excede o topo do açude de entalhe em V - é descrito. Esse processo envolve o uso da equação de açude desenvolvida em laboratório para um açude de entalhe em V e uma ferramenta online, a "Calculadora de Coeficientes de Equações de Fluxo de Açude", desenvolvida pelos autores. A ferramenta on-line também pode gerar coeficientes de equação de fluxo de açude para fluxos contidos em V e de galgamento em vários tamanhos de estruturas de controle de água Agri Drain, mesmo quando os usuários não têm vazão específica do local vs. relacionamento de cabeça.

Introdução

Ao avaliar o desempenho das práticas de conservação de borda de campo que reduzem a perda de nutrientes da água de drenagem subterrânea (tampões saturados, biorreatores e gerenciamento de água de drenagem), é importante determinar com precisão a descarga de drenagem e as concentrações de nutrientes. Métodos padrão estão prontamente disponíveis para determinar com precisão as concentrações de nutrientes (por exemplo, nitrato), como métodos laboratoriais de amostras de água1 ou sensores para monitoramento contínuo de nutrientes 2,3. A determinação das taxas de fluxo de drenagem em práticas de conservação de borda de campo, por outro lado, não é tão direta quanto com a concentração de nitrato e geralmente envolve o uso de uma estrutura de controle do nível da água de drenagem 4,5. Uma estrutura de controle do nível da água de drenagem é usada em uma prática de conservação de borda de campo com o duplo propósito de controlar a cabeça de água a montante e monitorar as taxas de fluxo de descarga com o uso de açudes. Componentes importantes a serem considerados ao determinar as taxas de fluxo de drenagem incluem o tamanho da estrutura de controle de drenagem, o tipo de açude usado na estrutura, as condições de fluxo dentro da estrutura, a medição precisa das cargas e o uso de equações de açude apropriadas para converter as cargas em taxas de fluxo de descarga. Embora essas estruturas sejam geralmente limitadas a terras drenadas artificialmente "ladrilhos", as terras agrícolas drenadas excedem 21 milhões de hectares nos EUA6 e impactam as cargas de nutrientes para córregos e rios7.

A determinação de vazões usando açudes é uma prática comum, e procedimentos padrão e equações de calibração estão disponíveis para vazões em canais abertos8. No entanto, apenas um número limitado de estudos desenvolveu equações de calibração para açudes em uma estrutura de controle de drenagem 5,9,10,11,12,13,14,15,16,17. Chun e Cooke10 foram pioneiros no desenvolvimento de equações de calibração para açudes retangulares para vários tamanhos de estruturas de controle. Seguindo Chun e Cooke10, Christianson et al.9 desenvolveram uma única equação de calibração para um açude de entalhe em V de 45 ° em estruturas de controle de 15 cm (6 pol) e 25 cm (10 pol) com açudes colocados em diferentes alturas a partir da parte inferior das estruturas. Shokrana e Ghane14 forneceram uma equação de fluxo diferente para um açude de entalhe em V de 45 ° em uma estrutura de 25 cm (10 pol) de Christianson et al.9, quando o açude foi colocado cerca de 30 cm acima da parte inferior da estrutura. Os autores atribuíram a diferença nas duas equações de calibração ao uso de um dispositivo de pesagem calibrado para medir vazões, sugerindo que falta um procedimento unificado para obter vazões, alturas manométricas e equações de calibração para açudes para vazões contidas no entalhe em V em estruturas de controle.

Em nosso estudo recente11, desenvolvemos equações de calibração para açudes de entalhe em V de 45° em estruturas de controle de drenagem agrícola com base em seu tamanho (15 cm [6 pol], 20 cm [8 pol] e 30 cm [12 pol]) para fluxos contidos no entalhe em V e fluxos de galgamento (ou seja, quando a altura ultrapassa o topo de um açude de entalhe em V). Enquanto a equação de calibração para fluxos contidos no entalhe em V é uma relação de potência simples entre a carga (h) e a taxa de fluxo (Q, equação 1)5,9,11,13,14, os fluxos de galgamento requerem o uso de uma equação de açude composta, que é mais complicada (ou seja, tem mais termos) porque combina equações para um açude de entalhe em V e um açude retangular (equação 2)11.

figure-introduction-1Características (1)

onde, Q = vazão, h = altura manométrica e a e b = coeficientes de açude cujos valores dependem da forma do açude, do tamanho da estrutura de controle, das condições de vazão e das unidades para Q e h.

figure-introduction-2(2)

onde, Q = vazão, h = a altura manométrica total, h1 = altura acima do topo do açude do entalhe em V (ou seja, no açude retangular acima do entalhe em V), W = largura da seção retangular do açude acima do topo do açude do entalhe em V, Wv = largura superior do açude do entalhe em V, a e b = coeficientes do açude para o açude do entalhe em V e a1 e b1 = coeficientes do açude para a seção retangular acima do açude do entalhe em V.

A adoção de um sistema de drenagem inteligente com sensores para monitorar e ajustar automaticamente os níveis de água em uma estrutura de controle usando válvulas de gaveta ajustáveis controladas remotamente está aumentando nas práticas de conservação de borda de campo nos EUA. A maioria desses sistemas, que foram originalmente projetados para usar apenas uma função de potência simples, não podem acomodar a equação do açude composto (equação 2) para os fluxos de galgamento e exigem o desenvolvimento de equações de fluxo únicas da forma mostrada pela equação (1) para cada estrutura de controle de drenagem para fluxos de galgamento. Além disso, os usuários envolvidos na medição e monitoramento de vazões e perdas de nutrientes podem achar complicado usar a equação (2) para vazões de galgamento devido à necessidade de mais parâmetros. Para superar esses desafios, desenvolvemos a ferramenta "Calculadora de Coeficientes de Equações de Fluxo de Weir". Esta ferramenta online (disponível em: https://www.ars.usda.gov/midwest-area/ames/nlae/docs/tools-available-from-nlae/) fornece coeficientes de equação de fluxo de açude para tamanhos padrão de estruturas de controle de drenagem (Tabela 1) para um açude de entalhe em V de 45°. Mais importante, a ferramenta calcula os coeficientes da equação do fluxo do açude para o fluxo de galgamento e consiste em apenas dois parâmetros, conforme apresentado na equação (1), com base no tamanho e nas dimensões da estrutura de controle fornecida pelo usuário. Quando o equipamento apropriado está disponível para medir a vazão específica do local vs. , a ferramenta também aceita uma equação de calibração para fluxos contidos no açude de entalhe em V como entrada do usuário e calcula os coeficientes da equação de fluxo do açude para fluxos de galgamento. Assim, este protocolo descreve a configuração para medição de vazão em uma estrutura de controle de drenagem e um método universal para o desenvolvimento de uma equação de calibração específica do local. Em seguida, é descrito o uso da ferramenta "Weir Flow Equation Coefficients Calculator" para calcular os coeficientes da equação de fluxo do açude para fluxos contidos no V-notch e fluxos de galgamento. Por fim, é descrito o monitoramento e a manutenção de vazões em uma estrutura de controle de drenagem, o que facilitará a estimativa precisa das vazões de drenagem usando as equações do açude obtidas na ferramenta.

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Protocolo

Os detalhes dos consumíveis e equipamentos usados neste estudo estão listados na Tabela de Materiais.

1. Obtenção de coeficientes de equação de escoamento de açude para escoamentos contidos no entalhe em V por calibração laboratorial numa estrutura de controlo de drenagem

  1. Configurando a estrutura de controle de drenagem para um experimento de calibração
    1. Conecte a seção de entrada da estrutura de controle ao conjunto da bomba (consistindo em uma bomba, um medidor de vazão e os tubos, conexões e válvulas necessários) e a seção de saída ao tubo de drenagem (consulte a Figura 1). Certifique-se de vedar saídas adicionais da estrutura de controle, se houver.
    2. Meça a largura superior (Wv, Figura 2A) e a profundidade (D, Figura 2B) do açude de entalhe em V.
    3. Meça a distância (largura, W) entre as vias (Figura 3A) onde os stoplogs (placas usadas para manter a profundidade do nível da água na estrutura de controle, Figura 3B) e o açude de entalhe em V se encaixam na estrutura de controle de drenagem.
    4. Insira os registros de parada entre as faixas, um de cada vez. Certifique-se de que o registro de parada inferior esteja firmemente na parte inferior da estrutura de controle para que não haja vazamento por baixo do registro de parada.
    5. Empilhe stoplogs adicionais acima dos existentes na estrutura de controle até que a altura desejada seja atingida. Certifique-se de que os registros de parada estejam bem ajustados e que não ocorra vazamento entre os registros de parada e os trilhos.
      NOTA: A altura total das rolhas deve ser maior que a abertura do tubo de entrada e corresponder à profundidade de projeto do lençol freático no tampão saturado, biorreator ou sistema de drenagem controlada. A configuração no laboratório para o experimento de calibração deve representar melhor as condições de fluxo no campo para estimativas precisas da taxa de fluxo.
    6. Coloque a placa do açude firmemente acima da batente superior.
    7. Meça a altura interna da estrutura de controle (D1) e a distância entre o topo da estrutura de controle e o topo do açude de entalhe em V (D2) usando uma fita métrica com a marcação de zero nivelada com a borda da fita (consulte a Figura 4A).
    8. Calcule a altura da crista do entalhe em V a partir da parte inferior da estrutura de controle (D3) como: D3 = D1- D2- D, onde D é a profundidade do entalhe em V obtida na etapa 1.1.2.
      NOTA: Não calcule a altura da crista do entalhe em V a partir da parte inferior da estrutura de controle, pois a soma das alturas das toras usadas como junta de borracha ao redor das toras aumenta a altura combinada das toras de parada.
    9. Conecte firmemente o tubo do manômetro/poço de destilação (usado para determinar o nível de água na estrutura de controle) à estrutura de controle. Fixar uma fita métrica na parede exterior da estrutura de comando junto ao manómetro com o valor "zero" correspondente à base do interior da estrutura de comando (ver figura 4B).
  2. Medição de vazões e altura manométrica
    1. Ligue a bomba e deixe a água encher a câmara de entrada e, posteriormente, fluir através do açude.
    2. Selecione uma vazão de cerca de 1-1.5 L.s-1 (15-25 gpm) ajustando a válvula no conjunto da bomba e monitorando o visor no medidor de vazão.
    3. Dê tempo suficiente para que o fluxo se estabilize, geralmente pelo menos 3 min. A altura manométrica correspondente deve ter pelo menos 6 cm (>2.4 pol.) para que a napa de fluxo não grude na placa do açude8. Aumente a vazão se a altura manométrica for inferior a 6 cm (2.4 pol) (Figura 5A).
    4. Quando o fluxo estiver estável, registre a leitura da vazão no visor do medidor de vazão. Faça de 8 a 10 leituras consecutivas em 2 minutos e calcule a vazão média (Q) (Figura 5B).
    5. Meça a altura da água no poço de acalmação/tubo do manômetro. Se o nível de água no poço de acalmação/tubo do manômetro flutuar, faça as leituras para os níveis altos e baixos de água durante um período de pelo menos 30 s e obtenha o valor médio para a altura da água acima do fundo da estrutura (D4) (Figura 5C).
    6. Calcule a cabeça (h) como: h = D4- D3.
    7. Aumente a vazão em aproximadamente 1-1.3 L.s-1 (15-20 gpm) e espere que a vazão se estabilize.
    8. Obtenha a vazão e a altura manométrica correspondente, conforme descrito nas etapas 1.2.3 a 1.2.6.
    9. Aumente a vazão pelo menos mais 5 vezes até que o nível da água atinja perto do topo do entalhe em V e repita os procedimentos 1.2.3-1.2.6 para cada aumento na vazão.
  3. Desenvolvimento da equação de calibração do açude para escoamentos contidos no entalhe em V
    1. Em uma planilha do Excel, insira os valores da altura manométrica (h, cm) e as vazões correspondentes (Q, L.s-1) através do açude de entalhe em V.
      NOTA: Uma planilha do Excel que consiste em vazões e alturas manométricas medidas em uma estrutura de controle de 20 cm (8 pol) é fornecida como Arquivo Suplementar 1.
    2. Representar graficamente os caudais medidos (eixo Q, Y) em relação à altura manométrica medida (h, eixo X) e ajustar uma função de potência como na equação (1). Selecione o intervalo de dados na planilha e clique em Inserir > Gráficos > Dispersão. Clique com o botão direito do mouse nos pontos de dados no gráfico e clique em Adicionar linha de tendência > potência > Exibir equação no gráfico > Exibir valor de R-quadrado no gráfico.
    3. Verifique a qualidade do ajuste da função de potência visualmente e usando o valor R2 (Figura 6). Esta é a equação do açude para o fluxo contido no entalhe em V para a estrutura de controle.

2. Usando a "Calculadora de Coeficiente de Equação de Fluxo de Açude" para obter coeficientes de açude para fluxos contidos no entalhe em V e fluxos de galgamento

NOTA: As etapas a seguir requerem o uso da ferramenta "Calculadora de Coeficiente de Equação de Fluxo de Weir" disponível em https://www.ars.usda.gov/midwest-area/ames/nlae/docs/tools-available-from-nlae/.

  1. Coeficientes de equação de fluxo de açude para fluxos de galgamento usando equação de calibração própria
    1. Abra o link https://www.ars.usda.gov/midwest-area/ames/nlae/docs/tools-available-from-nlae/ e clique em "Calculadora de Coeficientes de Equações de Fluxo de Weir" na página da web. Esta etapa abrirá a ferramenta em um novo navegador (Figura 1 suplementar).
    2. Selecione a unidade entre as unidades Métrica (SI) e Usual dos EUA usando os botões de opção (Figura Suplementar 2).
    3. Na seção Tamanho da estrutura de controle, deixe a seleção com o valor padrão de 6 pol (15 cm), pois o usuário fornece seus próprios coeficientes de equação de açude.
    4. Clique em Sim como resposta a "Você tem sua própria equação de calibração?" e insira os valores dos parâmetros a e b correspondentes à equação para fluxos contidos no entalhe em V, Q = ahb e obtidos na etapa 1.3.2 (Figura Suplementar 2).
    5. Insira os valores das especificações do açude na seção Entradas da ferramenta. As entradas incluem a largura entre as trilhas (W), a profundidade do entalhe em V (D) e a largura do topo em V (Wv). Consulte a figura à direita para os símbolos (Figura Suplementar 2).
    6. Obtenha os valores dos coeficientes para vazões de galgamento da tabela Coeficientes para a equação do açude do entalhe em V, Q = ahb, e o gráfico da vazão em relação à altura manométrica da seção Resultados da ferramenta (Figura Suplementar 2).
  2. Coeficientes de equação de fluxo de açude para fluxos contidos no entalhe em V e fluxos de galgamento usando a ferramenta
    1. Abra a ferramenta conforme descrito na seção 2.1.1. e selecione a unidade e o tamanho da estrutura de controle usando os botões de opção (Figura Suplementar 3).
    2. Clique em Não como resposta a "Você tem sua própria equação de calibração?"
    3. Insira os valores das especificações do açude conforme descrito na seção 2.1.5.
    4. Obtenha os valores dos coeficientes para fluxos com açude de entalhe em V e fluxos de galgamento da tabela e o gráfico de vazão vs. profundidade do fluxo em relação à crista do entalhe em V da seção Resultados da ferramenta (Figura Suplementar 3).

3. Monitorização e manutenção de caudais em estruturas de controlo de drenagem

  1. Verificação dos níveis de água em uma estrutura de controle de drenagem
    NOTA: Garantir que os níveis de fluxo obtidos dos sensores estejam corretos é crucial para uma estimativa precisa das taxas de fluxo, o que é obtido comparando as leituras do sensor com as medições manuais por meio de visitas regulares de campo.
    1. Usando uma fita métrica, meça a distância do nível da água do topo da estrutura de controle na câmara de entrada perto da localização do sensor dentro da câmara.
    2. Para fazer a medição, abaixe a fita métrica na estrutura de controle até que ela toque o menisco do nível da água. Faça esta medição 1-3 vezes e registre a distância.
    3. Para obter o registro da leitura do sensor, abra a caixa do painel de controle e registre o número correspondente à leitura do nível da água (Figura 7).
      NOTA: Dependendo das configurações do painel de controle, a tela pode exibir a medição do nível de água na parte superior ou inferior da estrutura de controle de drenagem.
    4. Para comparar a medição manual com a leitura do sensor correspondente a um valor da profundidade da água a partir da parte inferior da estrutura de controle, subtraia sua medição manual da altura interna da estrutura de controle e compare-a com a leitura do sensor.
    5. Se houver uma discrepância entre os valores medidos e do sensor, verifique se há fontes de erros, incluindo a presença de sedimentos/detritos dentro da estrutura de controle, mudanças não contabilizadas na altura do açude resultantes do gerenciamento do açude, deslocamento dos sensores e mau funcionamento dos sensores e corrija de acordo.
  2. Obtenção de séries temporais de vazões
    NOTA: Uma planilha consistindo em dados de exemplo de um local tampão saturado (BC-2)18 e o procedimento para obter séries temporais de taxas de fluxo usando os coeficientes da equação de açude da ferramenta é descrita nas seções 2.2.1-2.2.4 e é apresentada no Arquivo Suplementar 2.
    1. Baixe a série temporal de dados de nível de fluxo do respectivo registrador de dados ou servidor associado ao sistema de drenagem.
    2. Usando os dados de nível de fluxo da série temporal, calcule a carga.
    3. Determine a condição de fluxo, ou seja, o fluxo contido no entalhe em V (h ≤ D) ou no fluxo de galgamento (h > D) comparando a altura manométrica (h) com a profundidade do entalhe em V (D) para cada registro de tempo.
    4. Calcule o caudal de drenagem para o estado de escoamento utilizando a equação do açude (1) com os coeficientes da equação do caudal do açude obtidos na ferramenta "Calculadora do coeficiente da equação do caudal do açude" (conforme descrito na secção 2.1. ou 2.2.).
    5. Em uma prática de conservação de borda de campo equipada com um sistema de drenagem inteligente, obtenha as séries temporais de vazões diretamente do painel do respectivo site (Figura 8).

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Resultados

A calibração de um açude de aço inoxidável de 45° com entalhe em V foi realizada em estruturas de controle de 15 cm (6 pol), 20 cm (8 pol) e 30 cm (12 pol) para fluxos contidos no entalhe em V11. Os valores medidos das caudais e das alturas manométricas e as equações do açude obtidos através do ajuste de uma função de potência (equação 1) aos dados medidos para os caudais contidos no entalhe em V, conforme descrito no protocolo, são apresentados na figura 9A-C...

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Discussão

O protocolo (etapa 1) descreve um método para desenvolver uma equação de calibração para um açude de entalhe em V de 45° em uma estrutura de controle de drenagem de Agri Drain. No entanto, o método pode ser adaptado para o desenvolvimento de equações de calibração para diferentes tipos de açudes, como um açude retangular, um açude trapezoidal ou um açude de entalhe em V com vários ângulos em qualquer estrutura de controle de drenagem. Durante o procedimento de calibração, é particularmen...

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Divulgações

Todas as opiniões expressas neste artigo são dos autores e não refletem necessariamente as políticas e pontos de vista do USDA, DOE ou ORAU/ORISE. Qualquer uso de nomes comerciais, de empresas ou de produtos mencionados neste artigo é apenas para fins descritivos e não implica recomendações ou endosso do Departamento de Agricultura dos EUA. O USDA é um provedor e empregador de oportunidades iguais.

Agradecimentos

Os autores agradecem a ajuda de Shane Svoboda na captura de fotografias usadas neste artigo. Este trabalho foi apoiado em parte por uma nomeação para o Programa de Participação em Pesquisa do Serviço de Pesquisa Agrícola (ARS) administrado pelo Oak Ridge Institute for Science and Education (ORISE) por meio de um acordo interagências entre o Departamento de Energia dos EUA (DOE) e o Departamento de Agricultura dos EUA (USDA). A ORISE é administrada pela ORAU sob o número de contrato do DOE DE-SC0014664. Esta pesquisa foi uma contribuição da Rede de Pesquisa de Agroecossistemas de Longo Prazo (LTAR). O LTAR é apoiado pelo Departamento de Agricultura dos Estados Unidos, Serviço de Pesquisa Agrícola.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Medidor de vazãoBanjo CorpMFM300Medidor de vazão eletromagnético, precisão dentro de ± 2-3% para vazões entre 0,88 e 42,3 L.s-1 (14 a 670 gpm), e faixa de temperatura operacional de -12 a 54 ° C
Tubos e conexõesN/AN/AO comprimento e as conexões do tubo devem ser necessários, mas atender aos requisitos mínimos de tubos estreitos para montante e a jusante do medidor de vazão de acordo com a recomendação do fabricante.
BombaUS Motors15706017-100Modelo 15411 60 HP 3 Fase VFD acionada 
StoplogsAgri Drain700320 (stoplog de 5 in.), 700321 (stoplog de 7 in.), 700333 (stoplog inferior de 7 in. com junta inferior)Três tipos de stoplogs de PVC de alturas 5 polegadas, 7 polegadas e 7 polegadas stoplog inferior com junta inferior
Fita MétricaStanley PowerLock33-1585m/16' Fita métrica
V-notch weir AgriDrain701132Aço inoxidável 45° (3 mm de espessura, profundidade do entalhe em V de 17,145 cm) açude entalhado com suporte de PVC (13 mm de espessura)
Estrutura de Controle de Drenagem do Nível de ÁguaAgri Drain3CINLINE06X08PVCUma estrutura de controle de nível de água em linha de 3 câmaras com tamanho nominal de 20,32 cm (8 polegadas) e açude de entalhe em V presente no primeiro portão (Stoplogs incluídos na compra)

Referências

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