Grupp 4. Veden pinnankorkeuden määritys vaaitsemalla ja teoriakatselmus V-padon toiminnasta

Veden pinnankorkeuden määrittäminen vaaitsemisen avulla

Kurssin viimeinen kenttäkerta oli tiistaina 23.10. Aamun sää oli mukavan kirpsakka, joten lähdimme raikkaassa syyssäässä suorittamaan päivän harjoitusta, jossa tarkoituksena oli määrittää sekä Pieni-Valkeisen että Iso-Valkeisen vesien pinnankorkeudet vaaitsemalla. Vaaitus oli ryhmälle jo entuudestaan tuttu menetelmä, mutta kertasimme vaaituksen perusperiaatteita edellisenä iltana, jotta tehtävän suorittaminen sujuisi ilman suurempia ongelmia.

Vaaituksen tarkoituksena on siis selvittää kahden pisteen välinen korkeusero latan avulla. Välineiksi tarvitaan vain jalusta, vaaituskone sekä latta, jotka näkyvät alla olevassa kuvassa. Vaaitus voidaan tehdä, kun tiedetään jonkin lähellä olevan pisteen korkeustaso. Meillä tiedossa oli Pieni-Valkeisen lähellä sijaitsevan kaivonkannen korko (+98,965 m).

Vaaituskone asetettuna jalustan päälle ja täyteen mittaan säädetty latta

Ensimmäiseksi lähdimme selvittämään Pieni-Valkeisen veden pinnankorkeutta. Pystytimme vaaituskoneen jalustoineen kaivonkannen ja Pieni-Valkeisen puoliväliin siten, että välissä ei ollut näköesteitä, jotka haittaisivat latan lukemien näkemistä. Vaaituskone täytyy aina ensin säätää vaateriin "häränsilmän" ja säätöruuvien avulla, joten sen teimme seuraavaksi. Tämä vaihe on tärkeä tehdä tarkasti, jotta saadaan luettua oiket lukemat latasta ja määritettyä korkeustasot luotettavasti.

Vaaituskoneen "häränsilmä" (kuva lainattu opiskelumateriaaleista)

Kun vaaituskone oli saatu säädettyä vaateriin, yksi ryhmäläisistä meni latan kanssa seisomaan kaivonkannen tunnetun korkeustason pisteelle, jotta voisimme määrittää ensin koneaseman koron. Vaaituskoneella tähdättiin lattaan ja latasta luettiin ylin arvo, joka saatiin heiluttelemalla lattaa hitaasti eteen ja taakse. Vaaituskone näytti kiikarista katsottuna maailman väärinpäin, joten alkuun oli hieman hankala hahmottaa miten lattaa oikeen luetaan. Lisäksi millimetrien lukeminen latasta oli hyvin tarkkaa puuhaa. Se vei usein hieman aikaa, sillä halusimme saada mahdollisimman tarkkoja arvoja.

Näin meillä oli tiedossa, paljonko vaaituskone on maanpinnan yläpuolella. Lisäämällä kyseinen lukema (+1,532 m) kaivonkannen korkoon, saimme selville koneaseman koron (+100,497 m). Tämän jälkeen pystyimme selvittämään lammen koron. Latta vietiin vedenpinnan tasolle ja vaaituskoneella tähdättiin jälleen lattaan. Nyt saatu lukema (-3,387 m) tuli vähentää koneaseman korosta, jolloin Pieni-Valkeisen koroksi saimme +97,11 m.

Seuraavaksi meidän tuli selvittää Iso-Valkeisen veden pinnankorkeus. Koska Pieni-Valkeisen ja Iso-Valkeisen välinen ero on noin pari sataa metriä, täytyi koneasemia pystyttää matkan varrelle useita. Etenimme kohti Iso-Valkeista pystyttämällä välille kolme koneasemaa. Lähdimme liikkeelle tähtäämällä tunnettuun kaivonkannen pisteellä olevaan lattaan ja viimeiseksi latta vietiin Iso-Valkeisen vedenpinnan tasolle, josta luettiin lukema. Iso-Valkeisen pinnankorkeudeksi saimme +89,459 m.

Iso-Valkeisen pinnankorkeutta mittaamassa

Kuten saaduista korkolukemista huomaa, korkeuserot ovat suuria alueella, sillä Pieni-Valkeisen ja Iso-Valkeisen korkeusero on yli 7,5 m. Tästä johtuen välillä olikin hankaluuksia saada latta näkymään vaaituskoneesta, koska neljämetrinen latta ei tahtonut olla riittävän pitkä. Senpä vuoksi etäisyydet vaaituskoneen ja latan välillä eivät voineet olla kovin pitkiä.

Harjoitus ei loppunut vielä tähän, vaan seuraavaksi tehtiin tarkistus, kuinka oikeelliset tulokset olimme onnistuneet saamaan. Tarkoituksena oli siis edetä Iso-Valkeiselta kaivonkannen luokse ja päästä mahdollisimman lähellä kaivonkannen koron lukemaa. Nyt meillä tunnettuna korkolukemana oli Iso-Valkeisen pinnankorkeus. Matkalle pystytimme jälleen kolme koneasemaa, ja viimeinen lattalukema luettiin kaivonkannelta. Koroksi saimme +98,984 m, joka on 1,9 cm enemmän kuin tunnettu korkolukema. Ero on melko pieni, joten voimme todeta, että onnistuimme kohtuullisen hyvin.

Tulokseen vaikutti ennenkaikkea latan arvojen lukeminen, joka osoittautui välillä melko haastavaksi. Erityisen haastavaa lukeman lukeminen oli latan päästä, monen metrin korkeudesta, sillä lattaa ei saanut pidettyä millään täysin paikallaan niin korkealta. Lisäksi millimetrilukemien erottaminen oli vaikeaa erityisesti, jos latta oli kaukana koneasemasta ja lukema piti ottaa läheltä latan päätä. Korkoeroon saattoi vaikuttaa myös vaaituskoneen vaateriin asettaminen, vaikka tässä tarkkoja olimmekin. Mitä tarkempi vaaituskoneen säätämisessä vaateriin on, sitä oikeellisemmat tuloksista tulee.

Alla on vielä kuvat vaaituksen etenemisestä ja laskennasta paperille piirrettynä.

Iso-Valkeisen ja Pieni-Valkeisen pinnankorkeuksien määrittäminen

Kaivonkannen koron tarkistaminen

Kaikenkaikkiaan onnistuimme harjoituksessa hyvin, ja pienistä ongelmista huolimatta saimme tulokset aikaan. Jos joskus vielä ajaudumme vaaituksen pariin, luonnistuu se todennäköisesti taas paremmin ja sujuvammin!

Teoriakatselmus V-padon toiminnasta

Ryhmämme tarkoituksena oli suorittaa tällä kertaa vaaitus-harjoituksen lisäksi myös v-pato-harjoitus. Kuitenkin aiemmassa harjoituksessa meni suunniteltua kauemmin sekä ilma oli kylmä kyseisenä päivänä. Tämän vuoksi päädyimme opettajan kanssa päätökseen, että ryhmämme tekisi teorikatselmuksen v-padon toiminnasta korvaavana tehtävänä harjoitukselle, eikä meidän tarvitsisi siten palella viellä lisää Pieni-Valkeisen alueella.

Mittapatoja käytetään yleisesti nesteiden virtaaman mittaamiseen avouomissa. Tämä mittaustapa on toiminnaltaan yksinkertainen, helposti rakennettavissa ja käytettävissä sekä kustannuksiltaan halpa. Mittapatoja muoto vaihtelee, mutta V-pato on suosituin. (SHEN, 1981.) Alla olevassa kuvassa on esitetty eri muotoisia mittapatoja. Erilaisissa v-padoissa vuorostaan aukon kulman suuruus vaihtelee ja näistä erilaisista suosituin on Thomsonin. (SHEN, 1981.) Tässä teoriakatselmuksessa käsitellään yleisiä mittapatojen toimintaperiaatteita, mutta painotutaan yksityiskohdassa v-patoihin.

Erimuotoisia mittapatoja ovat suorakaidepato, v-pato, laakapato sekä näiden yhdistelmät. Laakapadot eroavat eniten muista mittapadoista, sillä niissä ei ole kapeaa metallilevyä purkausaukon kohdalla. Niitä käytetäänkin usein esimerkiksi padoissa ylijuoksun mittaamiseen. Suorakaidepadot voivat olla joko yhtä leveitä tai kapeampia kuin itse uoma. (Engineeringtoolbox.com.) Muissa mittapadoissa purkausaukon raunassa on metallinen ohut levy, jonka paksuus on noin 2 mm. Kuitenkin, jos metallilevy on paksumpi, tulee siinä olla vähintään 45° viiste alavirran puolelle. Tällöin saavutetaan haluttu 2 mm paksuus purkautumiskohdan reunassa. (Vesihuolto I: RIL 124-1-2003.)

Erimuotoisia mittapatoja (Intermountain Environmental, Inc.)

Kuten muutenkin ammattilaiskäytössä olevat mittausmenetelmät, myös v-pato mittauksille on laadittu ISO-sandardit laadun varmistamiseksi (Engineeringtoolbox.com). V-pato asennetaan mittauspaikkaan yleensä vain väliaikaisesti, kuten myös tähän kurssiin kuuluvassa harjoituksessa. Kaikki uomassa virtaava vesi tulee ohjata virtaamaan v-padon läpi. (Räsänen, 2018.) Patoaukko on v-padossa yleensä uomaa kapeampi (Vesihuolto I: RIL 124-1-2003), jolloin aukosta virtaavan vesimassan poikkileikkaus on korkeampi. Tämä helpottaa ylisyöksykorkeuden lukemista mitta-asteikolta. V-pato patoaa veden taakseen, minkä seurauksena patoutunut vesi purkautuu vapaasti, ja siten pystytään määrittämään uoman virtaama laskemalla (Räsänen, 2018).

Asennettaessa v-patoa on huomioitava, että se on  suorassa kulmassa uoman veden pintaan nähden (Räsänen, 2018). Eteen tai taaksepäin kallellaan oleva pato antaa todellisuutta suuremman lukeman ylisyöksyn korkeudelle. Kun määritetään ylisyöksykorkeutta, on huomioitava, että se luetaan laskeutumattomasta vedenpinnasta (Vesihuolto I: RIL 124-1-2003). Tätä havainnollistaa alla oleva kuva. Korkeutta ei siis lueta patoaukossa olevasta mitta-asteikosta aukon kohdalta vaan pyritään hahmottamaan kauempana oleva vedenpinnankorkeus.

Havainnekuva siitä, miten ylisyöksykorkeus luetaan (Engineeringtoolbox.com)

Kun ammattilaiset käyttävät v-patoa virtauksen määrityksessä, ylisyöksykorkeus mitataan laitteilla eikä lueta silmämääräisesti mitta-asteikolta. Tämä johtuu usein siitä, että halutaan tietää virtaamia useampana eri ajankohtana keskimääräisen virtaaman määrittämiseski. Yksittäistapauksissa mitta-asteikko on toimiva menetelmä. (Vesihuolto I: RIL 124-1-203.) Käytettäviä mittalaitteita ovat ahtaalla putkella uomaan yhdistetty kammio uimurilla, paineanturi tai ultraääneen perustuva. (Vesihuolto I: RIL 124-1-2003; Engineeringtoolbox.com). 

Jatkuvatoimisia menetelmiä käytettäessä tulee tietää myös uoman ylävirranpuoleisen pohjan ja aukon alareunan välinen etäisyys. Ultraääntä hyödyntävä pinnankorkeusmittari sijoitetaan uoman yläpuolelle, kun taas paineanturi uoman pohjalle (Engineeringtoolbox.com). Jotta saatu vedenpinnan korkeus vastaa mahdollisimman hyvin todellisuutta, tulisi mittaus suorittaa  4h - 5h:n etäisyydellä padosta ylävirtaan (Shen, 1981). Kirjain h tarjoittaa yllä olevan kuvan mukaisesti ylisyöksykorkeutta. Nämä laitteet vaativat myös, että vettä tulisi uomassa olla vähintään 6 cm verran (LMNO Engineering).

V-pato (ResearchGate)

Virtaaman laskemiseen v-padon yhteydessä käytetään seuraavaa kaavaa

Q = 8/15 * c * tanα * √(2 * g) * h^5/2

Q = virtaama m^3/s, pienillä virtaamilla järkevämpää muuttaa lopuksi yksikköön l/s

c = virtaamakerroin, oletetaan tavallisesti vakioksi 0,58 

α = puolet aukon kärjen kulman arvosta

g = putoamiskiihtyvyys, 9,81 m/s^2

h = ylisyöksyn korkeus aukon kärjestä mitattuna, m

(Vesihuolto I: RIL 124-1-2003)

Yleisesti käytössä, kuten myös tämänkin kurssin harjoituksessa, olevan Thompsonin padon aukon kulma on 90° eli α = 45° (Vesihuolto I; RIL 124-1-2003). Tämän myöta aiemmin esitetty kaava supistuu seuraavasti

Q = 8/15 * c * tanα * √(2 * g) * h^5/2 = 8/15 * c * tan 45° * √(2 * g) * h^5/2 

    = 8/15 * c * 1 * √(2 * g) * h^5/2 = 8/15 * c* √(2 * g) * h^5/2

Eli Thompsonin padossa käytettävä laskentakaava uoman virtaamalle on

Q = 8/15 * c* √(2 * g) * h^5/2

Kaavassa virtaamakerroin c oletetaan yleensä vakioksi 0,58. Tämä vakio on johdettu kokeellisesti eri tekijöiden pohjalta, jotka ovat padon purkauskulma, veden purkautumiskerroin sekä uoman kaltevuus (Shen, 1981; Räsänen, 2018).

V-pato ja siitä mitattavat suureet (Vesihuolto I: RIL 124-1-2003)

V-pato soveltuu käytettäväksi vain tietynlaisissa uomissa. V-padon mittaustarkkuus on suurempi kuin muiden mittapatojen, mikä tekee siitä mm. soveltuvamman pienille virtaamille (Enineeringtoolbox.com). Virtausnopeus uomassa ei saa olla liian suuri, kuten ei myöskään virtaama (Vesihuolto I: RIL 124-1-2003; Engineeringtoolbox.com). Täten V-pato soveltuu erityisen hyvin käytettäväksi juurikin esimerkiksi puroissa. Kuitenkin, mittauskohdassa uomassa tulee olla tarpeeksi suuri pudotus, jotta vesi putoaa vapaasti v-padon aukosta (Vesihuolto I: RIL 124-1-2003). Tämä puotos eli korkoero maanpinnan valillä ennen ja jälkeen mittauspatoa, tulisi olla vähintään 6 cm. Myöskin uoman tulisi olla leveydeltään vähintään 91 cm. (LMNO Engineering.)

Aina ei kuitenkaan kaikissa uomissa saavuteta suosituksia uoman soveltuvuuden suhteen. Tällöin mittausten luotettavuus ei ole niin suuri, mutta ne antavat kuitenkan suunnan siitä, mitä suuruusluokkaa virtaama uomassa on. Myöskin vaatimukset eri v-patojen välillä vaihtelevat, jolloin osa niistä soveltuu isompiin ja osa pienempiin uomiin.

Muita mittausepävarmuuksia aiheuttavat mm. ohivirtaus. Ohivirtauksessa osa uoman virtaamasta pääsee menemään padon ohi muusta kohdasta kuin purkuaukosta. Tämä aiheuttaa sen, että mitattu virtaama on todellisuutta pienempi. Ylisyöksynkorkeus saatetaan erehdyksissä lukea purkuaukon kohdalta, jossa vedenpinta on matalammalla kuin todellisuudessa. Muita epävarmuutta aiheuttavia tekijöitä on mainittu siellä täällä aiemmassa tekstissä.

Jos olisimme toteuttaneet tämän harjoituksen, yhtenä tehtävänämme olisi sitten ollut verrata aiemmin siivikolla saamiamme virtaustuloksia näihin tuloksiin. Kuitenkaan niiden vertaaminen ei olisi menetelmien tarkuudesta ja tulosten verrattavuudesta kertonut paljoakaan sillä aikaa näiden mittausten välillä olisi ollut kulunut jo 5 viikkoa. Tällöin virtaaman suuruus kerkeää muuttua näin syksyllä jo ihan luonnostaan eivätkä eroavaisuudet olisi johtuneet vain mittausmenetelmistä.

Lähteet

ENGINEERINGTOOLBOX.COM. Weirs - Open Channel Flow Rate Measurement. [viitattu 2018-10-28] Saatavissa: https://www.engineeringtoolbox.com/weirs-flow-rate-d_592.html

INTERMOUNTAIN ENVIRONMENTAL, INC. Weirs ro Measure Flow. [viitattu 2018-10-30] Saatavissa: https://www.inmtn.com/agriculture/canal-control/flume-weir-flow/weirs/

LMNO ENGINEERING. V-Notch (Triangular) Weir Calculator, Discharge and Head Calculations, Equations, and Guidelines for water flow measurement in streams and channels. [viitattu 2018-10-28] Saatavissa: https://www.lmnoeng.com/Weirs/vweir.php

RESEARCHGATE. Example of a V-notch weir measuring the overflow from Blaydon Hazard Shaft, an abondoned coal mine near Newcastle upon Tyne, UK. [viitattu 2018-10-30] Saatavissa: https://www.researchgate.net/figure/Example-of-a-V-notch-weir-measuring-the-overflow-from-the-Blaydon-Hazard-Shaft-an_fig10_225431915

RÄSÄNEN, Teemu. 2018. Instructions for Field Exercises - Ohjeistus kenttäharjoituksiin. Savonia University of Applied Sciences, Environmental technology.

SHEN, John. Discharge Characteristics of Triangular-notch Thin-plate Weir. 1981.]

VESIHUOLTO I: RIL 124-1-2003. Helsinki: Suomen Rakennusinsinöörien Liitto RIL ry.