The uncertainty of the calculative value of the volumetric flow rate in open channel

• Autorzy: Opyrchał Leszek , Bąk Aleksandra

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2024.148904

Warianty tytułu

PL

Niepewność obliczonej wartości natężenie przepływu w kanałach otwartych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The well-known Manning formula is usually used for the calculation of the calculative volumetric flow rate in a river or open canal. The discharge depends on the geometry of the channel, i.e. the water area, the wetted perimeter and the slope, as well as on the roughness coefficients. All these quantities are determined with some uncertainty. The article proposes a methodology for calculating the uncertainty of the roughness coefficients of the riverbed and the floodplain as well as the uncertainty of the geometric dimensions of the riverbed. Then, the method of calculating the uncertainty of the calculative discharge is then given. If these uncertainties are taken into consideration in the process of discharge calculation, then, as has been demonstrated for a hypothetical river channel, the ratio of the uncertainty to the calculated value of the discharge will change from several dozen percent in case of small flows to about ten percent in case of big, flood flows. It has also been shown that the uncertainty of the roughness coefficients has the biggest influence on the uncertainty of the flow rate. The presented calculations show that in order to take into account the influence of uncertainty of linear dimensions and roughness coefficients, the engineer designing the riverbed should assume for the calculations the flow rate increased by 10% then design flow. The obtained results can be used for homogeneous flows only, which is usually assumed in practical engineering calculations.

PL

Do obliczenia natężenia przepływu w rzece lub otwartym kanale zwykle stosuje się dobrze znany wzór Manninga. Przepływ zależy od geometrii koryta, nachylenia, a także od współczynników chropowatości. Wszystkie te wielkości są określone z pewną niepewnością. W hydrotechnice wyróżnić można trzy rodzaje wartości przepływu. Po pierwsze natężenie przepływu mierzone w przekrojach wodowskazowych, po drugie estymowane natężenie przepływu, na podstawie ciągów pomiarowych. Zwykle jest to przepływ minimalny lub maksymalny o zadanym prawdopodobieństwie wystąpienia, oraz projektowane natężeni przepływu. Jest to wartość obliczona podczas projektowania koryta kanału lub regulowanej rzeki. Jeżeli metoda obliczania niepewności dwóch pierwszych natężeń przepływu tj. mierzonego i estymowanego została opracowana to wzory do wyznaczania niepewności projektowanego natężenia przepływu nie były dotychczas podane explicite. W niniejszym artykule zaproponowano metodologię obliczania projektowanego natężenia przepływu. Jeśli ta niepewność zostanie uwzględniona w procesie obliczania projektowanego przepływu, to jak wykazano dla hipotetycznego koryta rzeki, stosunek niepewności do obliczonej wartości przepływu zmieni się od kilkudziesięciu procent przy małych przepływach do około dziesięciu procent w przypadku dużych przepływów powodziowych. Wykazano również, że największy wpływ na niepewność natężenia przepływu ma niepewność współczynników chropowatości. Z przedstawionych obliczeń wynika, że aby uwzględnić wpływ niepewności wymiarów liniowych i współczynników chropowatości, inżynier projektujący koryto rzeki powinien przyjąć do obliczeń natężenie przepływu zwiększone o 10% w stosunku do przepływu projektowego. Otrzymane wyniki można wykorzystać tylko dla przepływów jednorodnych, co zwykle przyjmuje si ę w praktycznych obliczeniach inżynierskich.

Słowa kluczowe

EN

discharge uncertainty; flow uncertainty; open channel

PL

niepewność natężenia; niepewność przepływu; kanał otwarty

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 70, nr 1
• Strony: 141--154
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys.

Twórcy

autor

Opyrchał Leszek

• Military University of Technology, Department of Civil Engineering and Geodesy, ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2, 00 -908 Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-7585-843X

autor

Bąk Aleksandra

• Military University of Technology, Department of Civil Engineering and Geodesy, ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2, 00 -908 Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-5340-7790

Bibliografia

• [1] L. Kyutae, H. Hao-Che, M. Muste, and W. Chun-Hung, “Uncertainty in open channel discharge measurements acquired with StreamPro ADCP”, Journal of Hydrology, vol. 509, pp. 101–114, 2014, doi: 10.1016/j.jhydrol.2013.11.031.
• [2] P.P. Pelletier, “Uncertainties in the single determination of river discharge: a literature review”, Canadian Journal of Civil Engineering, vol. 15, no. 5, pp. 834–850, 1988, doi: 10.1139/l88-109.
• [3] M. Muste, K. Lee, and J-L. Bertrand-Krajewski, “Standardized uncertainty analysis for hydrometry: A review of relevant approaches and implementation examples”, Hydrological Sciences Journal, vol. 57, no. 4, pp. 643–667, 2012, doi: 10.1080/02626667.2012.675064.
• [4] E. Kaca and J. Kubrak, Buildings and devices for measuring water flow in melioration canals. Poznan: Bogucki Scientific Publishers, 2020 (in Polish).
• [5] ISO 1088 Hydrometry-Velocity-area Methods Using Current-Meters-Collection and Processing of Data for Determination of Uncertainties in Flow Measurement. International Organization for Standardization, 2007.
• [6] S. Barbetta, L. Brocca, F. Melone, T. Moramarco, and V.P. Singh, “Addressing The Uncertainty Assessment For Realtime Stage Forecasting”, in World Environmental and Water Resources Congress, Bearing Knowledge for Sustainability, R.E. Beighley and M.W. Killgore, Eds. ASCE, 2011, pp. 4791–4800, doi: 10.1061/41173(414)497.
• [7] G.C. Reis, T.S. Pereira, F.G.S. Rodrigues, and K.T.M. Formiga, “Analysis of the Uncertainty in Estimates of Manning’s Roughness Coecient and Bed Slope Using GLUE and DREAM”, Water, vol. 12, no. 11, art. no. 3270, 2020, doi: 10.3390/w12113270.
• [8] W.T. Dickinson, Accuracy of discharge measurements. Colorado State University, 1967.
• [9] Guide to the expression of uncertainty in measurement. Geneva: Organization for Standardization, 1993.
• [10] R. Manning, “On the flow of water in open channels and pipes”, Transactions of the Institution of Civil Engineers of Ireland, vol. 20, pp. 161–207, 1891.
• [11] V. T. Chow, Open-channel hydraulic. New York: McGraw-Hill, 1959.
• [12] F. James, Statistical Methods In Experimental Physics, 2 ed. New Jersey: World Scientific Publishing, 2006.
• [13] “Open Channel Flow”, Iowa Statewide Urban Design and Specifications, 2013. [Online]. Available: https: //iowasudas.org/manuals/design-manual/. [Accessed: 15.05.2022].
• [14] G.J. Arcement and V.R. Schneider, Guide for selecting Manning’s roughness coefficients for natural channels and flood plains. United States Government Printing Office, 1989.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).