Page 1
บทท 5
การวดปรมาณนาในทางนาเปดดวยวธและเครองมอพเศษ
จากบทท 4 ไดกลาวถงแนวทางการตรวจวดปรมาณน าในทางน าเปดทมหลายแนวทาง ในบทนจะกลาวถงการตรวจวดโดยการใชเครองมอหรอวธการตางๆ ทไมใชเครองมอทกาหนดใหเปนเครองมอมาตรฐานในการตรวจวด ซงในยคแรกเครองมอทกาหนดเปนมาตรฐานคอเครองวดกระแสน า(Current meters) ซงมแบบลกถวยและแบบใบพด และตอมาเมอคดคนเครองมอวดกระแสนาแบบอเลกทรอนคส จงไดมการกาหนดมาตรฐานเครองมอวดระบบนขนมาใหม
อาจแบงกลมของเครองมอตรวจวดกระแสนาเปน 3 กลมใหญไดดงน
1. เครองมอพเศษ เปนเครองมอทไมอยใน 2 กลมทจะกลาวถดไป ไดแก
1.1 การใชทนลอย (Float method)
1.2 Pitot tube . 1.3 Velocity head rod . 1.4 เครองมอ อปกรณ หรอวธการอนๆ
2. เครองมอวดเชงกล (Mechanical velocity meters) แบงยอยเปน 3 ประเภท
2.1 ประเภททมการหมนรอบแกนตง (Vertical axis current meters)
2.2 ประเภททมการหมนรอบแกนนอน (Horizontal axis current meters) * เครองมอวด 2 ประเภทขางตนอาจเรยก Rotor type current meters
2.3 ประเภททใชหลกการแกวงตว (Pendulum current meters)
3. เครองมอวดกระแสนาแบบอเลกทรอนกส ไดแก
3.1 Electromagnetic velocity meters
3.2 Doppler velocity meters ไดแก Doppler Ultrasonic, Acoustic Doppler, ระบบ Laser หรอ Radar เปนตน
3.3 Optical strobe velocity meters
Page 2
5-2
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
ในบทนจะกลาวถงการตรวจวดโดยการใชวธการและการใชเครองมอพเศษ ซงไดแก
การตรวจวดดวยวธ Volume metric method
การคานวณโดยวธ Slope area method
การใชทนลอย (Float method)
การใชสารเคมและส
การใช Pitot tube
การใช Velocity head rod
5.1 การตรวจวดดวยวธวดปรมาตร (Volume metric method)
วธการวดปรมาตร หรอ Volume metric method นอาจเรยก “Bucket and
stopwatch method” ตามวธการตรวจวด คอการใชภาชนะรองรบน าในชวงเวลาใดเวลาหนงแลวนาน ามาหาปรมาตร โดยการตวงหรอชงน าหนก เพราะเรารแลววา นาปรมาตร 1 ลกบาศกเมตร มน าหนก 1,000 กโลกรม วธการนใชสาหรบการหาอตราการไหลของน าทมอตรานอย ๆ ไมสามารถใชเครองมอวดความเรวกระแสน าไดสะดวก เชน ปรมาณน าทไหลรนในลาธาร หรอลาน าในชวงหนาแลง นอกจากนยงใชหาอตราการไหลของนาทออกจากทอขนาดเลก หวนาหยดใหน าแกพช ฯลฯ
หลกการตรวจวดจะรองรบปรมาณน าในชวงเวลาทเหมาะสม โดยการจะรองรบน านนตองพจารณาประยกตตามสถานการณตามความเหมาะสม 1) รองรบน าโดยตรงในตาแหนงททองน ามระดบแตกตางกนมาก ซงจะมการไหลลกษณะคลายนาตก โดยอาจขดแตงทองนาขนมาใหมลกษณะดงกลาวกได
2) ปดกนทางน าเพอรวบรวมน าใหมระดบสงขนแลวใหน าไหลผานชองหรอผานทอลงสภาชนะไดสะดวกขน 3) Hauer and Lamberti,1996 ใชถงพลาสตกทปากถงยดตดกบวสดทแขงและเรยบ 2 ดานเพอทาใหปากถงปดทบกนคอนขางสนทและสามารถทาใหยกเปดปากถงดานบนขนไดสะดวก โดยในการตรวจวดจะนาถงทกดปากถงสนทกนไปวางขวางทางน าไหลโดยใหสวนปากลางยดตดทองน าอยางมนคง (นาไหลลอดไปไดนอยทสด) กอนการตรวจวดจะใหน าไหลผานขามถงออกไปกอน เมอทาการตรวจวดกเพยงยกปากถงสวนบนขนใหพนผวน า ทาใหน าทงหมดในขณะนนไหลเขาถงพรอมจบเวลาเรม และเมอปรมาณน าเขาถงพอสมควรทจะวดปรมาณไดแลวกยกถงทงหมดขน พรอมจบเวลาสดทาย
Page 3
5-3
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
การคานวณอตราการไหล
tVo
Q
Q = อตราการไหล หนวย ลตร/วนาท, ลกบาศกเมตร/วนาท Vo = ปรมาตรของนาทรองรบเกบไวได หนวย ลตร, ลกบาศกเมตร อาจชงน าหนกเปนกโลกรม แลวมาแปลงเปนปรมาตร t = ชวงเวลาทใชรองรบเกบนา หนวย วนาท
5.2 การคานวณโดยวธ Slope area method
วธการ Slope-area method เปนวธการคานวณอตราการไหลของนาในทางน าเปดโดยอาศยหลกการทางชลศาสตร จากความสมพนธของความลาดของผวนากบพนทหนาตดของการไหลเฉลย มผนาเสนอวธการคานวณหลายรปแบบ แตวธการคานวณโดยใชสตรของ Robert
Manning วศวกรชาวไอรช จะเปนทนยมใชทสดเพราะงายในการคานวณ ซงแสดงดงตอไปน
รปท 5-1หนาตดของทางนาธรรมชาตทวไป
Manning's equation 2/13/2 SARn
1Q
เมอ Q = อตราการไหลของนา หนวย ม.3/วนาท A = พนทหนาตดเฉลยของการไหล หนวย ม.2
R = รศมชลศาสตรของหนาตดการไหล (Hydraulic radius) หนวย ม. = A/P
P = เสนขอบเปยกของหนาตดการไหล (Wetted perimeter) หนวย ม. S = ความลาดเทของผวนาของทางนาชวงทตรวจวด ไมมหนวย n = คาสมประสทธความขรขระของ Manning (Manning roughness
coefficient) แสดงในตารางท 5-1 และ 5-2
Page 4
5-4
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
ตารางท 5-1 คาสมประสทธความขรขระ (n) ของทางนาเปด
ผวทางนาไหล n
(1) ทางนาเปดธรรมชาต (Natural channels)
เรยบและตรง ไหลชาเนองจากมสระลกเปนชวงๆ แมนาสายหลก
(2) ลมแมนาทมนาทวมถง (Flood plains)
ทงหญา ไมพนธเตยบางๆ ไมพนธเตยหนา
(3 ) ทางนาเปดดนขด (Excavated earth channels) เรยบ มกรวดบาง เตมไปดวยหญา กอนหน (4) ทางนาเปดดาดผว (Artificially Lind channels)
แกว ทองเหลอง เหลกเรยบ
เหลกทาส เหลกมหมดย า เหลกหลอ คอนกรตขดผว คอนกรตผวหยาบ ไมไสเรยบ ไมไมไดไส ดนเหนยว กออฐ แอสฟลต โลหะลกฟก หนเรยง
0.030 0.040 0.035
0.035 0.050 0.075
0.022 0.025 0.030 0.035
0.010 0.011 0.012 0.014 0.015 0.013 0.012 0.014 0.012 0.013 0.014 0.015 0.016 0.022
0.025
Page 5
5-5
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
ตารางท 5-2 คาสมประสทธความขรขระ (n) ของทางนาเปดประเภท ค คลอง
ลกษณะของทางนาเปด n คลองดาดดวยคอนกรต โดยมซเมนตอดบรเวณรอยตอระหวางแผงคอนกรต และททองนากดาดคอนกรตเปนฐานดวย
0.012
คลองคอนกรต 0.014 คขนาดเลกดาดดวยคอนกรต มแนวคเปนเสนตรงสมาเสมอ ความลาดทองนานอย โดยมตะกอนหยาบปกคลมบรเวณดานขางและทองค
0.016
คลองดาดคอนกรตโดยไมมการปรบแตงใหเรยบ พนผวปกคลมดวยวชพชละเอยดขนาดเลก และทองนามตะกอนทราย
0.018
คลองดนเหนยวขด มตะกอนเปนดนทรายทกลางคลอง และตะกอนโคลนบรเวณขางคลอง
0.018
คลองคอนกรตทสรางจากหนลาวาตดตรงดง โดยทผนงมลกษณะหยาบ 0.020 คลองชลประทานแนวคลองเปนเสนตรงพนผวบดอดทรายเรยบ 0.020 คลองดาดซเมนต (Cement-paster lining) เปนแนวตรงบนคลองดน โดยทบรเวณรอยแตกมวชพช และทองคลองมตะกอนทราย
0.022
คลองทขดผานดนเหนยวปนตะกอนทราย สภาพทองคลองแขงแรง 0.024 คดาดทงกนคและลาดขางดวยหนหรออฐหก ทองนาไมเรยบมกรวดตกอยอยางกระจดกระจาย ผนงดานขางคอนขางอยในแนวดง
0.024
คลองขดขางภเขา โดยตลงดานภเขามรากพชเปนระยะๆ สวนตลงดานลาดลงมผนงคอนกรต และทองคลองมกรวดปกคลม
0.026
แมนาธรรมชาต มกอนกรวดและหนขนาดใหญเลกคละกน มความเรวกระแสนาไหลผานสง
0.028
คลองดนขด มลกษณะเปนตะกอนทราย โดยมทรายตกทบถมบรเวณทองคลอง สวนดานขางมหญาขนตามธรรมชาต
0.029
คลองทมหนกรวดขนาดใหญททองคลอง 0.030 คลองธรรมชาต ดานขางบางแหงมสภาพขรขระไมเรยบ ทองนาเรยบมตะกอนดนเหนยว สภาพหนาตดเปลยนแปลงนอยมาก
0.035
คลองหนขดโดยวธระเบดแนวคลอง 0.040 คลองดนเหนยวปนตะกอน ความลาดดานขางไมเรยบ มหญาขน 0.040
Page 6
5-6
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
ตารางท 5-2 (ตอ) คาสมประสทธความขรขระ (n) ของทางนาเปดประเภท ค คลอง
ลกษณะของทางนาเปด n
คลองดนขดดานขางและดานลางไมเรยบ โดยดานขางมดนเหนยวสดาและเหลองปนกนอย รปตดทางนามการเปลยนแปลงไมมาก
0.045
คลองดนขดดานขางและดานลางไมเรยบ ดนคลองเปนดนเหนยวสดา มหญาและวชพช รปรางหนาตดคอยๆ เปลยนแปลงตามแนวคลอง
0.050
คดนเหนยวปนตะกอนทราย ดานขางและดานลางไมเรยบ มตนไมขนาดใหญขนตลอดแนวหนาตดคอนขางสมาเสมอ
0.060
คลองดนเหนยวสดาปนตะกอนเทา ดานขางและดานลางไมเรยบมพชปกคลมหนาแนน
0.080
คลองดนเหนยวปนตะกอนเทา มตนไมขนาดใหญในหนาตดคลอง 0.110
คลองระบายนาธรรมชาต สภาพดนเปนดนทรายละเอยดปานกลางและดนเหนยวละเอยด ไมมความลาดดานขาง ทองคลองเปนลกคลน มแนวตนไมขวางทศทางการไหลกระจดกระจาย
0.125
แมนาธรรมชาต สภาพดนเปนดนเหนยวปนดนทราย รปรางไมแนนอน มรากไมตนไมและทอนซงขวางทางนา
0.150
5.2.1 คาคณสมบตทางชลศาสตรของทางนา
ดงทกลาวแลววาทางนานนมทงทางนาธรรมชาต และทางนาทสรางขน โดยทางนาทสรางขนมกสรางใหมหนาตดเปนรปทรงเรขาคณตเสมอ คณสมบตมตทางชลศาสตร(A, R, P) จงคานวณไดจากสตรรปทรงเรขาคณต แตถาเปนทางน าธรรมชาตหรอทางน าทสรางขนแลวพนทหนาตดเกดการเปลยนแปลงตางไปจากรปรางหนาตดเดม คาคณสมบตทางชลศาสตรกจะเปลยนไปดวย จะตองสารวจรปตดขวางของทางนาเพอคดคาคณสมบตทางชลศาสตรใหม
สาหรบคาความลาดเทของผวน าของทางน า (S) ซงกาหนดใหเทากบความลาดเทของพนทองทางน า อาจใชขอมลจากแบบกอสราง จากการสารวจรปตดตามยาวของทางน านน หรอกรณการประเมนอยางหยาบๆ อาจพจารณาจากเสน Contour จากแผนท 1: 50,000 กได
Page 7
5-7
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
5.2.2 ทางนาทมรปรางหนาตดแบบผสมมวสดหลายชนด (Compound channel)
โดยทวไปแลวทางน าธรรมชาตมกมหนาตดเปนรปทรงคลาย U-Shape หรอ Parabola ซงเปนรปแบบหนาตดเดยว แตจากอตราการไหลทมการเปลยนแปลงอยเสมอ ทาใหทางน าปรบตวใหมรปรางและขนาดสอดคลองกบอตราการไหลของน าดงกลาว เปนผลใหเกดการกดเซาะและเกดการตกจมของตะกอน ทาใหรปรางหนาตดเปลยนแปลงไป การทพนผวทางน ามวสดหลายประเภทปกคลมทงนรวมถงตนไมทขนปกคลมและมวตถอนๆ อยในทางนา ลวนมผลใหคาสมประสทธความขรขระในทางน าตาแหนงตางๆ มความแตกตางกน จงเรยกหนาตดทางน าลกษณะนวา หนาตดการไหลแบบผสม ซงในการคานวณอตราการไหลกตองพจารณาเปนกรณเฉพาะ
รปท 5-2 ตวอยางทางนาทมรปรางหนาตดแบบผสม
รปแบบของหนาตดการไหลแบบผสมทชดเจนนน ไดแกการสรางพนทรองรบนานองเกนเกณฑปกต (Flood plain) ในทางน าทงกรณทางน าธรรมชาตและทางระบายน าทสรางขน มหลกการคอการเพมพนทหนาตดการไหลของทางน าเดมใหเพยงพอทจะรองรบปรมาณน า
Page 8
5-8
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
สงสดเทาทเคยปรากฏมา เพอไมทาใหเกดน าทวมสรางความเสยหายไดอก พจารณาจากรปท 5-2 บรเวณหนาตดหมายเลข 1 เปนทางน าเดม เมอสรางคนกนน าสองฝงทางน าในตาแหนงทเหมาะสมโดยการขดดนจากพนทเขตทางน าจานวนนอยแตไดหนาตดการไหลมาก พนทในสวนท 2 และ 3 เปนพนท Flood plain ซงอาจกวางมากเทาททาใหเกดหนาตดการไหลเพมขนเพยงพอ (อาจสรางดานเดยวกได) พนผวสวนท 2 และ 3 จะแตกตางจากสวนของทางนาเดม โดยในยามปกตใชทาประโยชนในกจกรรมตางๆ เชน เปนสนามหญา ปลกตนไม สวนหยอม สนามกฬา ปลกพชผก ฯลฯ รปแบบการปองกนน าทวมแบบนนยมสรางมากในตางประเทศ เชนประเทศญปน สวนในประเทศไทยรปแบบไมชดเจนโดยมกสรางพนทสวน 2 และ 3 แคบ ๆ ผลทไดจงเปนการเพมพนทหนาตดทางน าเดม สวนท 1 ไดอกเลกนอยเทานน ทงนอาจเปนเพราะปญหาเรองทดน เพราะการกอสรางแบบนตองใชพนทมาก 5.2.3 การคานวณอตราการไหลในทางนาหนาตดแบบผสม
รปท 5-3 ตวอยางทางนาหนาตดแบบผสม 3 หนาตด
321 QQQQ
2/13/233
3
2/13/222
2
2/13/211
1
SRAn
1SRA
n
1SRA
n
1Q
3
33
2
22
1
11 P
AR,
P
AR,
P
AR
3/233
3/53
3/222
3/52
3/211
3/512/1
Pn
A
Pn
A
Pn
ASQ
กรณแบงหนาตดเปน N หนาตด หาอตราการไหลไดจาก
N
1i3/2
ii
3/5i2/1
PnA
SQ เมอ i = 1, 2, 3,…, N
หมายเหต : ปญหาความผดพลาดในการคานวณนนอยทเลอกใชคาสมประสทธความ ขรขระ (n) ไดถกตองตรงกบลกษณะสภาพของทางนาหรอไม
Page 9
5-9
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
5.3 การใชทนลอย (Float method)
5.3.1 วธการตรวจวดโดยใชทนลอย เปนวธการตรวจวดความเรวของน าแบบงาย ๆ ทมหลกการคอ การสงเกตจากวตถทลอยบนผวน าในทางน าวาเคลอนทไปเปนระยะทางทกาหนดในเวลาเทาใด ทาใหทราบความเรวกระแสน า เปนระยะทางตอเวลา ซงวธนไดผลการตรวจวดเปนคาโดยประมาณเทานน การวดวธนเหมาะกบการตรวจวดเบองตนเมอ ไมมเครองมอตรวจวด หรอเปนการประเมนเบองตนเพอการเลอกใชเครองมอตรวจวดทเหมาะสมตอไป หรอใชในกรณทไมสามารถใชเครองมออยางอนตรวจวดในทางน านนได เชน นาสกปรกมาก มตะกอนหรอมวตถลอยมากบนามาก เปนตน
การตรวจวดโดยใชทนลอยทใชงานกนม 3 ลกษณะคอ
1) Surface float ตวทนลอยทใชในการวดเปนวตถอะไรกไดทลอยน าได เชน ลกบอล กลอง แทงไมหรอทอนไมสนๆ หรอแมแต ผลไม วชพชน า เปนตน โดยตวทนควรจมน านอยกวา 25 % ของขนาดความสงทน
2) Double float จากการทเราทราบแลววาความเรวเฉลยของการไหลในทางน าจะอยทระดบ 0.6 ของความลกจากจากผวน า ดงนนจงตดตงทนเปน 2 ตวเขาดวยกน ตวหนงเปนทนลอยทผวน า อกตวเปนทนจมในตาแหนงความลก 0.6 ของความลกน า วธนไมเหมาะกบทางน าทมสงกดขวาง
3) Rod float เปนการดดแปลงทนลอยแบบ Double float มาใชทอนไม หรอทอ PVC ทถวงน าหนกทปลายลางเพอใหเกดการลอยตวในแนวดง โดยตาแหนงปลายทนจมน าในระดบ 75 – 95 % ของความลกน า วธนเหมาะกบทางน ารปสเหลยมทมการไหลคอนขางราบเรยบและไมมสงกดขวางในทางนา
รปท 5-4 แสดงลกษณะรปแบบของทนลอย
Page 10
5-10
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
วธการตรวจวด (พจารณาจากรปท 5-5)
1) เลอกตาแหนงการตรวจวดในทางน าบรเวณทมแนวตรง การไหลไมปนปวนมากหนาตดทางนาคอนขางสมมาตร 2) กาหนดจดเรมตนการวด ตาแหนง 1 จดสนสดการตรวจวดตาแหนง 2 ใหมระยะ L ประมาณ 10 - 20 เมตร
รปท 5-5 แสดงการตรวจวดโดยใชทนลอย
3) โดยทวไปมกปลอยทนลอยในตาแหนงทกงกลางหนาตดของทางน า แตหากทางน าขนาดใหญอาจกาหนดทตาแหนงอน ๆ ทหางตลงพอสมควร โดยจดปลอยหรอสงเกตครงแรกใหอยเหนอตาแหนงสงเกต 1 ออกไปพอสมควร เมอทนลอยไหลมาถงตาแหนง 1 เรมจบเวลา เปนเวลา t0 พอวตถสงเกตไหลถงตาแหนง 2 หยดจบเวลา เปนเวลา t1 ซงแนวการเคลอนทของทนลอยนนเปนอสระขนกบเคลอนตวของนาทไมสามารถกาหนดหรอควบคมได 4) จะไดขอมลระยะเวลาททนลอยเคลอนทจากจากตาแหนง 1 ไปยงตาแหนง 2ระยะทาง L เปนเวลา t = t1 – t0
5) ตรวจวดแตละตาแหนงประมาณ 10 ครงเพอนาผลการตรวจวดมาหาคาเฉลยเพอลดความผดพลาด และคาเฉลยของแตละแนวจะเปนความเรวเฉลยของการไหลในทางนา
Page 11
5-11
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
5.3.2 การคานวณอตราการไหลโดยการใชทนลอย
t
LVfloat
floatV.CV
VAQ
V = ความเรวเฉลยการไหล หนวย ม./วนาท
floatV = ความเรวการไหลทวดจากทนลอย หนวย ม./วนาท L = ระยะทางระหวางตาแหนงสงเกต 2 ตาแหนง หนวย ม. t = เวลาทวตถสงเกตเคลอนจาก 2 ตาแหนงสงเกต หนวย วนาท
Q = อตราการไหล หนวย ม.3/วนาท
A = หนาตดเฉลยของทางนาชวงทตรวจวด หนวย ม.2
C = คาสมประสทธของการไหลเฉลยของหนาตดการไหลเมอเทยบกบ
การไหลทวดไดจากทนลอย
5.3.3 คาสมประสทธทใชในการตรวจวดกบทนลอยแบบตางๆ
1) กรณการใช Surface float นน U.S. Bureau of Reclamation ไดกาหนดคาสมประสทธของความเรวเฉลย ดงแสดงในตารางท 5-3
ตารางท 5-3 คาสมประสทธการไหล การตรวจวดโดย Floating Method
ความลกของนา(ม.) 0.30 0.60 0.90 1.20 1.50 1.80 2.70 3.60 4.50 6.00+
สมประสทธ C 0.66 0.68 0.70 0.72 0.74 0.76 0.77 0.78 0.79 0.80
2) กรณการใช Rod float กาหนดคาสมประสทธของความเรวเฉลยแสดงในตารางท 5-4
ตารางท 5-4 คาสมประสทธการไหล การตรวจวดโดย Rod float
y/d 0.10 0.25 0.50 0.75 0.95 C 0.86 0.88 0.90 0.94 0.98
หมายเหต : เมอ d = ความลกของนาในทางนา และ y = ความยาวของ Rod float
และ Hydraulic radius (R) ของทางนาควรมคา 0.50 < R < 2.50 ม.
Page 12
5-12
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
5.3.4 ความคลาดเคลอนในการตรวจวดโดยการใชทนลอย
1) ไมสามารถควบคมใหทนลอย ไหลในแนวหรอตาแหนงทตองการในทางนาได
2) คาสมประสทธการไหล C ยอมใหมความผดพลาดได 10 – 20 % เพราะในสภาพทางน าจรงในระดบความลกของการไหลทเทากน แตขนาดความกวางของทางน าทตางกนยอมทาใหคาสมประสทธการไหล C แตกตางกน วธการตรวจวดนจงใหคาโดยประมาณเทานน 3) หากพนทหนาตดการไหลเฉลย A มความผดพลาด ผลการคานวณกยงผดพลาด
5.4 Dilution (Dye) method: วธการเจอจางสาร
วธการเจอจางสาร เปนวธการวดความเรวของการไหลวธพเศษวธหนงดวยการใชสารเคมหรอส โดยใชวดการไหลในทางน าทใชเครองมอหรอวธการวดอนๆ ไมสะดวก อาจเนองจากมการไหลแบบปนปวน ทางน าคดเคยว มสงทไหลปะปนมากบน ามาก เชนตะกอน วชพช ซากพช เปนตน วธการตรวจวดมหลายวธแบงตามชนดของสารทนามาใช ไดแก Salt dilution method, Dye method, Radioisotopes, สารเรองแสง (Fluorescent dye) เปนตน
1) Salt dilution method เปนการตรวจวดทใชหลกการตรวจวดคาความเขมขนของสารละลายทอยในน า โดยจะฉดสารละลายทมกใช นาเกลอ คาความเขมขนสง C1 ลงไปในทางน า ตาแหนง a ดวยอตราคงท q การไหลทปนปวนของน าจะทาใหสารละลายเกดการผสมกบน าในทางน าดานทายน า เกบตวอยางน าเพอตรวจวดความเขมขนของสารละลายในตาแหนงทมการผสมของสารละลายทวถงตลอดหนาตดการไหล ใหเปนตาแหนง b เปนความเขมขน C2 แลวหยดฉดสารละลายเขมขนลงในน า แลวเกบตวอยางน าทตาแหนง a เพอเปนตวแทนของน ากอนการปลอยสารละลายเขมขน หาคาความเขมขนเปน C0 (ความเคมของน าตามปกตของทางน า) อตราการไหลของนาในทางนา Q คานวณไดจาก
210 CqQqCQC
02
21
CCCC
qQ
หนวยการวดของคาปรมาตร และเวลา ตองสมพนธเปนหนวยเดยวกน ตวอยางการใชหนวยวด C = mg/ลตร q และ Q = ลตร/วนาท
Page 13
5-13
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
รปท 5-6 รปแปลนของทางนาแสดงการตรวจวดโดย Salt Dilution Method
เปนการตรวจวดอตราการไหลโดยตรง ไมไดวดความเรวการไหล จงไมตองวดคาหนาตดการไหล
ถาความเคมของน าทไหลในทางน าตามปกตในแตละชวงเวลามคาไมแนนอน กจะเกดความผดพลาดไดมาก ตองตรวจวดหลายๆ ครง
2) Dye method หรอ Color-velocity method เปนวธการตรวจวดคลายวธ Floating Method นนคอ การตรวจวดเวลาการเคลอนทของน าในระยะทาง L ทกาหนด แตใชสแทนทนลอยซงจะมขอดทสจะผสมกบน าจงเปนตวแทนของการเคลอนทของน าเกอบทงหนาตดของการไหล การจบเวลาจะเรมเมอสวนหวของน าสไหลถงจดสงเกตแรก และหยดจบเวลาเมอสวนหวของนาสไหลถงจดสงเกตทสอง ไดเวลา t
Q = AV
V = L/t
เมอ Q = อตราการไหล ม.3/ วนาท V = ความเรวการไหล ม./วนาท A = หนาตดการไหล ม.2
L = ระยะทางของ 2 ตาแหนงตรวจวด ม. t = เวลาทน าไหลผาน 2 ตาแหนงตรวจวด วนาท
ขนาดของทางน าตองไมใหญเกนไปจนทาใหการแพรกระจายของสไมเตมหนาตดอยางเหมาะสมทจะเปนตวแทนของทงหนาตดการไหล
นาในทางนาตองไมขนจนสงเกตสไดลาบาก
ระยะการตรวจวดตองไมยาวเกนไปจนเกดการกระจายตวของสจนไมสามารถสงเกตสวนหวของนาสทชดเจนได
สทใชตองไมเปนพษตอสงแวดลอม
Page 14
5-14
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
3) การวดอตราการไหลของนาโดยใชเรดโอไอโซโทป (Radioisotopes)
ในการวดอตราการไหลของน าในแมน าลาคลองทวๆไปนนวดดวยเครองมอวดกระแสน าในบางกรณทแมน าลาคลองบรเวณนนตนเขนเตมไปดวยโขดหนเกะกะ และมกระแสน าไหลหมนวนมากหรอบรเวณนนลกและมอตราการไหลของน าสงมากเครองมอวดกระแสน าไมสามารถใชวดได การใชเทคนคทางนวเคลยรสามารถกระทาไดโดยปลอยเรดโอไอโซโทปลงไปในแมน าลาคลองแลวใชเครองมอวดรงสวดปรมาณรงสตรงบรเวณ ตอนใตของจดทปลอยเรดโอไอโซโทปบนทกปรมาณรงสทวดไดกบระยะเวลาหลงจากปลอยเรดโอไอโซโทปลงไปกจะสามารถคานวณหาอตราการไหลของนา ณ บรเวณนนได
ในป 2514 สานกงานปรมาณเพอสนตรวมกบกรมชลประทาน ไดทดลองทาการศกษาวดอตราการไหลของน าทปลอยออกจากเขอนแกงกระจาน เพอเปรยบเทยบคาทคานวณไดจากการเปลยนระดบประตระบายน า การทดลองไดเปลยนระดบประตน าหลายระดบ ผลสรปไดวา คาทไดจากการใชเทคนคทางนวเคลยร มคาใกลเคยงกนกบคาทคานวณไดจากการเปลยนระดบประตระบายน า จดประสงคในการศกษากเพอจะทดสอบวาการใชเทคนคทางนวเคลยรวธนสามารถนามาใชไดหรอไม เพอจะไดนาเทคนคทางนวเคลยรวธนไปพฒนาใชประโยชนตอไปในอนาคต
4) Fluorescent dye เปนการตรวจวดคลายวธการใชส แตใชสารเรองแสงแทน เชน Fluorescein, Rhodamine B, Rhodamine WT เปนตน ในการตรวจวดตองใชเครองตรวจจบสารเรองแสงโดยเฉพาะ
ตาราง 5-5 คณสมบตของสาร Fluorescent dyes
Page 15
5-15
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
5.5 การใช Pitot tube
Pitot tube เปนเครองมอใชวดความเรวการเคลอนทของของไหล ซงปจจบนมใชงานดงน
1. วดความเรวของลม - ความเรวลมในอโมงคลม –วดความเรวของอากาศยาน
2. วดความเรวการไหลของของเหลว –ในทอ –ในทางนาเปด
Pitot tube ไดประดษฐขนครงแรกโดยวศวกรชาวฝรงเศส Henri Pitot โดยในป ค.ศ. 1732 เขาไดเสนอผลงานวชาการชอ "Description d'une machine pour mesurer la
vitesse des eaux courantes et le sillage des vaisseaux” (Description of a
machine to measure the speed of running waters and the wake of vessels.) แนะนาสงประดษฐเครองมอวดกระแสน ารปแบบใหม แสดงในรปท 5-7 เปนทอหลอดแกว 2 ทอตดตงในแนวดงบนแผนไมททาเปนแถบ Scale โดยทอหนงมปลายปลอยตรงเรยกทอ Static สวนอกทองอ ปลาย 90 องศา เรยก ทอ Pitot การตรวจวดนาเครองมอไปจมวดในทางน าโดยใหปลายทอดานทงอหนหนาตานทศทางการไหล ระดบน าในทอจะมความแตกตางกน โดยน าในทงอปลายรบแรงดนน าไหลจะสงกวาอกทอ และยงกระแสน าแรงมากขนเทาไร ความแตกตางของระดบน าในทอกยงมาก เครองมอดงกลาวในเวลาตอมาเรยกวา เครองวดความเรวการไหลแบบ Pitot tube
รปท 5-7 เครองมอวดกระแสนารปแบบของ Henri Pitot ซง Rouse and Ince, 1957. ไดสรางขนมาใหม
Page 16
5-16
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
เครองมอวดกระแสน าของ Pitot ในเวลานนไมเปนทยอมรบและถกลมเลอนไป เพราะยงไมสามารถอธบายและวเคราะหผลจากปรากฏการณตางๆ ทเกดขนในเชงทฤษฏได การใชงานไมสะดวก มความผดพลาดในการวดสงเพราะยงไมมการ Calibrate ทดพอ เครองมอมขนาดใหญตานกระแสนาจนทาใหการวดผดพลาดโดยบอยครงททาใหระดบน าในทอ Static อยต ากวาระดบผวน า และระดบน าในทอมการกระเพอมมาก เพราะยงไมเขาใจถงผลกระทบทเกดจากรปรางของปากของทอ Pitot
ตอมาในป ค.ศ. 1858 Henry Philibert Gaspard Darcy วศวกรชาวฝรงเศสไดศกษางานของ Pitot และไดพฒนาเครองมอวดกระแสนา Pitot tube ขนมาใหม ดงแสดงในรปท 5-8
a) b) c)
รปท 5-8 Darcy’s Pitot tube designs by publication date; a) 1856, b) 1857, c) 1858.
Page 17
5-17
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
โดย Darcy สามารถแกปญหาทเคยเกดขนในเครองมอเดมของ Pitot ใหหมดไป และอธบายปรากฏการณทเกดขนโดยใชสมการของนกวทยาศาสตรชาวอตาล Evangelista Torricelli (1643) ทใชอธบายการไหลของน าทออกจากถงน า ซงสอดคลองกบหลกการทางชลศาสตรของข อ ง ไ ห ล ท Bernoulli (1738) น ก ค ณ ต ศ า ส ต ร ช า ว ด ช -ส ว ส เ ผ ย แ พ ร ใ นหน ง ส อ Hydrodynamica
Torricelli’s equation: gh2V
เมอ V = ความเรวของนาทจดใดๆ ม. / วนาท = Calibration coefficient ของเครองมอ
g = คาความเรงเนองจากแรงดงดดของโลก = 9.81 ม./ (วนาท) 2
h = ความตางระดบของนาในทอ Static กบทอ Pitot ม.
5.5.1 หลกการทางานของ Pitot tube
รปท 5-9 แสดงการวดการไหลในทางนาเปดและในทอโดยใช Pitot tube
พจารณาการวดการไหลในทอปดดวย Pitot tube วดความเรวเปนจด ความเรว ณ จด 1 พลงงานของการไหล ณ จด 0 จะถกเปลยนเปนพลงงานศกยทอยในรปของ Pressure
head ณ จด 1 โดยความเรว ณ จด 0 คานวณไดจากสมการของ Bernoulli
g2
V
g
P
g2
V
g
P211
200
เมอ V0 และ V1 เปนความเรวทจด 0 และ 1 ตามลาดบ P0 และ P1 เปนความดนทจด 0 และ 1
g เปนคานาหนกจาเพาะ (Specific weight) ของของไหล
V1 = 0 ; 2001 V
21
PP ........ (1)
ความดน P0 ตรวจวดไดทปลายของ Piezometer เปน P3
Page 18
5-18
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
และความดน P1 ตรวจวดไดทปลายทอ Pitot เปน P2 P0 = P3 และ P1 = P2
P2 - P3 = ρgh
ดงนน P1 – P0 = ρgh ........ (2)
แทนคา (2) ใน (1) ; 20V
21
gh
gh2V0
5.5.2 การวดกระแสนาในทางนาเปดดวย Pitot tube มหลกการเชนเดยวกบการวดในทอ โดยตดตงทอ Static แทน Piezometer แลวตดตง Manometer เพอวดความแตกตางแรงดนทปลายทอทงสอง เปนคา Pressure head ทมคา h ใชคานวณคา gh2V0 เชนเดยวกน
รปท 5-10 แสดงการวดการไหลในทางนาเปดแสดงการวดการไหลในทางนาเปด
วธการตรวจวดความเรวการไหลของนาดวย Pitot tube
ลกษณะการตรวจวดดวย Pitot tube นนจะใชตรวจวดอตราการไหลในทางน าโดยวธ Velocity – area method
นนคอการวดความเรวเฉลยในพนทหนาตดยอยของทางน า เชนเดยวกบการใช Current meter ตรวจวดนนเอง การวดจะตดต งเครองวดกบแทงเหลกวดความลกระดบน าเพอวดในระดบความลกตางๆ เชน 0.2, 0.6, 0.8 จากผวนา ใหสอดคลองกบของความลกของน าตามทกาหนดในวธ Velocity – Area Method ในการวดจะหนปลายทอ pitot ใหอยในแนวเดยวกบทศการไหลของน ามากทสด ดดน าจากปลายทอดานบนหรอสวนทเปน Manometer เพอยกระดบน าในทอใหสงขนจะไดอานคาความแตกตางของระดบนาในทอวดไดสะดวกขน โดย แตละตาแหนงททาการวด จะตรวจวดหลายครงเพอนาคาเฉลยมาใช จะไดลดความผดพลาดในการวด (การตรวจวดครงใหมเพยงบดปลาย Pitot ไปอยในแนวอนแลวบดมาวางแนวใหขนานกบทศทางการไหลใหม)ภ 4-10
Tube
Page 19
5-19
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
5.5.3 การคานวณความเรว
นาคาความแตกตางของระดบน าในทอทงสองทอ หรอ Manometer ซงเปนคา Pressure head (h) มาคานวณ โดยเครองมอแตละเครองจะมคาสมประสทธทไดจากการ Calibrate เครองมอใหมความถกตองในการตรวจวด ในการคานวณจงตองคณคาสมประสทธของเครองมอดวย
gh2CV
V = ความเรวกระแสนา ม./วนาท
h = ความแตกตางของระดบนาในทอทงสอง ม. g = คาความเรงเนองจากแรงดงดดของโลก = 9.81 ม./ (วนาท) 2 C = คาสมประสทธปรบแกของเครองมอเครองนน
5.5.4 ความผดพลาดในการตรวจวดและอานคา
1) การอานคาระดบน าในทอตองใหผวน าในทออยในระดบสายตาไมเชนนนจะอานคาผดพลาด เพราะผวนาในทอจะโคง 2) ความไมสมบรณ การชารดของเครองมอ เชน มการรวของรอยตอทอตาง ๆ หววดเสยหายเปลยนรปไปจากเดม เปนตน
3) คาสมประสทธปรบแกของเครองมอนนเปลยนแปลงไป เนองจากใชงานมานาน การบารงรกษาหลงการใชงานไมด อาจมสงสกปรก หรอเกดตะกรนจบในทอ ตองสอบเทยบคาปรบแกเครองมอ
4) ทศทางของปลาย Pitot tube ไมอยในแนวเดยวกบทศการไหล การวางตาแหนงทตางไปจากทศการไหลเกนกวาคาความเบยงเบนทยอมใหได ทาใหผลการวดคลาดเคลอนทไมสามารถปรบแกอะไรไดอกเลย
Dally และคณะ (1993) ไดนาเสนอถงผลความคลาดเคลอนในการตรวจวดจากการวาง Pitot tube ผดแนว ดงแสดงในกราฟของ รปท 5-11 โดยคาความผดพลาดขนกบมมของหววดทเบยงเบนไป และรปรางหววดทตางกนจะมคาความคลาดเคลอนทไมเทากน ดงนนในการตรวจวดจงตองใชความระมดระวงในการวางแนวของหววดใหมาก
a
'aa
a
aP
PPPP
Error
เมอ 'aP คอคาความดนจลนทวดได
Page 20
5-20
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
รปท 5-11 คาความคลาดเคลอนทเกดจากการวาง Pitot tube ผดแนว (Dally et al. 1993)
5.5.5 ขอด ขอเสยของการใช Pitot tube
แมวาในปจจบนมเครองมอวดความเรวของการไหลหรอกระแสน าชนดตางๆ มากมาย แต Pitot tube กยงเปนทนยมใชในปจจบน ทงนเพราะยงมคณสมบตทดบางประการ
ขอด ราคาถก ตดตงใชงานงาย
ตวเครองมอมผลกระทบกบการไหลนอย
ความดนสญเสยจากการไหลผานหววดตา
ขอเสย
มความออนไหวตอแนวการไหล
ความเทยงตรง ± 5 % คาความผดพลาดอาจมากขนหาก Velocity
profile ของลาการไหลเลยนแปลง (การไหลมความปนปวนมาก) ไมเหมาะกบการวดความเรวของสารทมความสกปรก มความหนดมาก
เพราะอาจทาใหเกดการอดตน
Page 21
5-21
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
สาหรบในประเทศไทย นายวทยา สมาหาร อดตผอานวยการสานกวจยและพฒนา กรมชลประทาน ไดออกแบบประดษฐเครองวดความเรวน าแบบ Pitot เพอใชในหนวยงานกรมชลประทาน เปนผลงานทไดรบรางวลผลงานประดษฐนกวจยแหงชาต และตอมาคณะวจยของสานกวจยและพฒนา ไดตอยอดนามาพฒนาใหสามารถวดความเรวน าเปนตวเลขดจตอล และคานวณอตราการไหลหรอปรมาณน า รวมกบการสรางโปรแกรมใหบนทกขอมลเปนแบบตอเนอง Real time แสดงผลทสถานตรวจวด และสงผานขอมลระบบออนไลนใหแสดงผลทางคอมพวเตอรทหองควบคมสามารถตรวจดขอมลไดตลอดเวลาทตองการ
5.6 Velocity head rod
เปนอปกรณวดความเรวการไหลของน าทมลกษณะเปนแทงไมและไมบรรทดประกอบกน การวดโดยนาเครองมอไปขวางแนวน าไหลแลววดระดบของน าทยกตวขนจากการตานการไหลของเครองมอ นามาคานวณความเรว โดยความเรวทตรวจวดเปนความเรวทผวนา Velocity head rod ประดษฐโดย Wilm และ Storey (1944) ชางเทคนคของ USDA
Forest Service Equipment Development Center, San Dimas, California. แมวาอาจเกดความคลาดเคลอนไดสง แตกมความสะดวกในการใชวดกระแสนาในทางนาขนาดเลก
รปรางลกษณะของ Head rod แสดงในรปท 5-13 ทาดวยไมขนาด 1 นว x 4 นว ยาว 4 ฟต หนาตดของเครองมอมลกษณะคลายสเหลยมประกบกบสามเหลยมโดยการลบมมทระยะ 1.5 นวของหนาตด ใหมลกษณะเปนขอบคม โดยทขอบคมทงสองดานตดแถบเหลกเคลอบวดระยะจากตลบเมตร
5.6.1 วธการตรวจวดดวย Head rod
การตรวจวดจะกาหนดตาแหนงการวดจะแบงหนาตดทางน าเปนสวนๆ ใหกระจายทวถงตลอดหนาตดการไหลในทางน า แสดงตวอยางตาแหนงการวดในรปท 5-14 โดยในแตละตาแหนงของการตรวจวด จะวดความลกนาจากทองนาถงผวน า จงตองวางเครองวดในแนวดงใหสวนฐานวางอยบนทองทางน า แลวอานคาระดบน าจากแถบวดระดบจากสวนทเปนขอบคมของเครองวด 2 ครง ครงแรกเมอใหปลายขอบคมชไปทางดานเหนอน า และครงท 2 เมอปลายขอบคมชไปทางดานทายน า โดยวางตาแหนงเครองมอใหปลายดานเรยบตงฉากกบแนวการไหล ทงนใหวดซ าอยางนอยอยางละ 3 ครง แลวหาคาเฉลยเพอลดความผดพลาด แลวจงนาคาไปคานวณตอไป
Page 22
5-22
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
รปท 5-13 รปรางลกษณะของ Head rod
รปท 5-14 แสดงการใช Head rod วดกระแสนาจดละ 2 ครง เมอหนปลายสนคมไปทางดานเหนอนาและดานทายนา
Page 23
5-23
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
รปท 5-15 ตวอยางตาแหนงของ Head rod ทใชวดกระแสนาในทางนา
5.6.2 การคานวณอตราการไหลเมอวดดวย Head rod
N
1iiiAVQ (i=1, 2, 3 ,....,N)
ii gh2V
เมอ Q = อตราการไหลรวมของหนาตดการไหลยอยของทางนา ลบ.ม. / วนาท
Vi = ความเรวของนาทตาแหนงวดบนหนาตด ม. / วนาท
Ai = พนทหนาตดยอย i ม.2 g = คาความเรงเนองจากแรงดงดดของโลก [คา g = 9.81 ม./ (วนาท) 2 หรอ 981 ซ.ม. / (วนาท) 2 ]
h = Velocity head ทตาแหนง i ม. ud hhh
hd = คาเฉลยระดบนาวด 3 ครงเมอปลายขอบคมเครองมอชไปทางทายนา hu = คาเฉลยระดบนาวด 3 ครงเมอปลายขอบคมเครองมอชไปทางเหนอนา
ตวอยางการตรวจวดและการคานวณ ของหนาตดการไหลตามรปท 5-15 แสดงในตารางท 5-6 และ ตารางท 5-7
Page 24
5-24
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
ตารางท 5-6 แสดงตวอยางการวดคา และคานวณทตาแหนง A ของหนาตดทางนาตามรปท 5-15
การคาอานจาก Rod คาทอานได เมอหนดานสนคมไปทางดานเหนอนา (cm.)
คาทอานได เมอหนดานสนคมไปทางดานทายนา (cm.)
อานคาครงท 1
อานคาครงท 2
อานคาครงท 3
รวม เฉลย
55.40
55.20
55.30
165.90
55.30 = hu
60.70
60.50
60.60
181.80
60.60 = hd
Velocity head (cm.) h = hd - hu
h = 60.60 – 55.30 = 5.30
gh2V
(cm./s)
30.5x981x2V = 102.0
ตารางท 5-7 ตวอยางการตรวจวดคานวณจากหนาตดการไหลของรปท 5-15
Page 25
5-25
หลกการคานวณปรมาณนาผานอาคารชลประทาน ปราโมท พลพณะนาว สานกชลประทานท 8
5.6.3 ขอจากดในการตรวจวดดวย Head rod และการเกดความผดพลาด 1) หากความเรวการไหลนอยกวา 0.50 เมตร/ วนาท การยกตวของนาจากการตานการไหลของเครองมออาจนอยจนอานคาไดยาก
2) หากความเรวของน ามากกวา 2.50 เมตร/ วนาท กระแสน าจะทาใหการตงเครองมอใหอยในแนวดงยากลาบาก เพราะหากเครองมอไมอยในแนวดงการตรวจวดจะเกดความผดพลาดสง 3) หากกระแสน าไหลปนปวนมาก การกระเพอมของน าจะทาใหอานคาลาบาก เกดความผดพลาดไดมาก
4) การตรวจวดอานคาอาจยากลาบากเพราะตองอานคาบรเวณผวนา 5) พนทองน าตองแขงพอทจะไมทาใหแทงไม เครองมอจมลงไปซงทาใหการตรวจวดผดพลาดไดมาก เพอลดความผดพลาดกรณดงกลาวใชแผนไมหรอแผนเหลกเปนฐานของเครองวด ดงแสดงในรปท 5-16
รปท 5-16 การตดฐานของ Head rod
6) หากออกแบบให Head rod มรปรางและขนาดตางไปจากรปแบบของ Wilm และ Storey จะตองมการ Calibrate หาคาสมประสทธของเครองมอดวย
รปท 5-17 ตวอยางการประยกตนาไมบรรทดกวาง 1 นวมาใชเปน Head rod
-----------------------------------------------------------------------