Metoda rychlost – plocha (též zvaná metoda rychlostního pole) je základní metodou pro hydrologická měření průtoku v síti pozorovacích (vodočetných a limnigrafických) stanic na vodních tocích, je však používána např. i pro ověřování i kalibraci jiných průtokoměrných zařízení v otevřených korytech (měrné žlaby, přelivy nestandardního provedení, elektromagnetické a ultrazvukové měření průtoku aj.). Metoda spočívá v proměření řady místních (bodových) rychlostí v příčném profilu koryta a následném vyhodnocení průtoku (vč. jeho nejistoty) z těchto rychlostí a tvaru koryta. Metoda je popsána ČSN EN ISO 748^[1] a další literaturou (viz např. ^{[2][3][4][5][6][7]}).

Volba měrného profilu

Měrný profil by měl být co možná pravidelný a souměrný, dostatečné hloubky, bez překážek (kameny, balvany, vodní rostliny) v přímé trati stálého sklonu délky optimálně ${\displaystyle 7B}$ kde ${\displaystyle B}$ je šířka profilu v hladině (z toho ${\displaystyle 5B}$ nad a ${\displaystyle 2B}$ pod měrným profilem), minimálně však délky ${\displaystyle 3B}$. Koryto by mělo mít stabilní dno a břehy. Měrný profil má být kolmý na směr proudění a voda má proudit paralelně celým profilem s co možná pravidelným rychlostním profilem. Nevhodná jsou místa, kde dochází k tvoření vírů a úplavů, s přirozenými či umělými překážkami (balvanité úseky, zarostlé úseky, profily s nánosy, mostními pilíři a pod.). Pokud nelze výše uvedená kritéria dodržet, je nutné při vlastním měření dbát na eliminaci nepříznivých vlivů vhodným umístěním, případně zahuštěním měrných a sondovacích svislic a pod. Metodu nelze podle ČSN EN ISO 748 použít, pokud je průměrná hloubka menší než čtyřnásobek průměru propeleru nebo těla vrtule (podle toho co je větší) nebo je průměrná hloubka menší než trojnásobek svislého rozměru čidla elektromagnetického měřidla.

U menších toků, kde se měření provádí broděním, je často možné (a vhodné) profil poněkud upravit – odstranit kameny větších rozměrů, které mohou nepříznivě ovlivňovat proudění, odstranit vodní vegetaci a pod. Upravit bývá nutné nejen samotný profil, ale zpravidla i krátký úsek nad ním, aby do měrného profilu pokud možno nezasahovaly úplavy za většími kameny nebo trsy submerzních rostlin výše proti proudu.

Má-li měření průtoku sloužit k vypracování nebo ověřování měrné křivky vodoměrné stanice, je žádoucí, aby měrný profil byl umístěn v její blízkosti a trvale vyznačen.

Počet a rozmístění měrných a sondovacích svislic

Počet svislic je dán ČSN EN ISO 748 – viz tabulka:

Rozdělení svislic může být pravidelné, resp ekvidistantní (zejména v pravidelném profilu), nebo, zejména v nepravidelných profilech, nepravidelné, co možná přizpůsobené tvaru příčného profilu. U břehů nemá být svislice blíže než 0,1 m od břehu. Žádnou svislicí nesmí podle normy protékat více než 10 % celkového průtoku, doporučuje se méně než 5 % (tento požadavek nelze splnit pro toky malých šířek, kde je počet svislic omezený (viz tabulka výše). Na druhou stranu však vzdálenost mezi svislicemi nesmí být menší než je průměr propeleru vrtule.

Často se z důvodu přesnějšího určení průtočné plochy vkládají další, tzv. sondovací svislice, v nich se měří pouze hloubka (zejména u větších toků).

Oproti tuzemské (resp. evropské) praxi např. USGS^[6] požaduje při použití (v USA standardní) dvoubodové metody – viz níže – 25 – 30 měrných svislic a obdobně normě doporučuje, aby žádnou svislicí neprotékalo více než 5 % celkového průtoku.

V každé svislici se měří její vzdálenost ${\displaystyle b}$ od zvoleného břehu, resp. zvoleného pevného bodu na břehu (tzv. staničení), hloubka vody ${\displaystyle h}$ a rychlost proudění ${\displaystyle v}$ v několika bodech. Aby bylo možné určit polohu jednotlivých svislic v profilu, obvykle se (při menších šířkách toku) v profilu napne pásmo nebo měřičské lanko, na němž se poloha jednotlivých svislic a průsečíku hladiny s břehem odečítají. U velkých toků i u splavných toků je třeba použít jiných metod (dálkoměr, geodetické metody, profesionální GPS systém a pod.).

Určení bodových rychlostí

Rychlosti v jednotlivých bodech svislice se měří vhodným měřidlem – hydrometrickou vrtulí nebo měřidlem elektromagnetickým či akustickým, které musí být předem zkalibrováno. Hydrometrická vrtule může být upevněna na tyči nebo na laně se závažím, elektromagnetická a akustická měřidla bodových rychlostí bývají upevněna na tyči. Tyče jsou zpravidla vybaveny přesuvným rukávem, který dovoluje nastavení příslušné hloubky ponoření měřidla bez nutnosti vyndavání soutyčí z vody.

Hydrometrická vrtule má být postavena proti směru proudění, resp. kolmo k příčnému profilu v němž se měří. Pokud je proudění vůči profilu šikmé a nikoliv kolmé, je nutné použít komponentní propeler, nebo měřit (vhodnou pomůckou nebo alespoň odhadem) úhel mezi kolmicí k profilu a směrem proudění, a změřenou místní rychlost posléze redukovat na složku kolmou k profilu. V případě vrtule na laně se závažím se obvykle předpokládá, že proudění je kolmé k profilu, je však třeba uvažovat snášení vrtule, díky čemuž je nutno délku odvinutého závěsu (který by měl udávat hloubku vrtule) opravovat podle ČSN EN ISO 748^[1].

Doba měření by měla být minimálně 30 sekund, při větších turbulentních pulzacích rychlosti (dají se odhadnout podle nepravidelnosti chodu čítače) přiměřeně více, zpravidla však maximálně 100 s. Před zahájením měření v daném bodu by se vrtule měla nechat volně otáčet ca 10 s, aby se vyrovnala setrvačnost propeleru s hydrodynamickými silami, které jej roztáčejí.

Měřidlo elektromagnetické nebo akustické se orientuje proti směru proudění, výslednou rychlost je třeba redukovat na složku kolmou k měrnému profilu. Pro elektromagnetická měřidla požaduje ISO 748:2007 dobu měření nejméně 10 s, podle zkušeností je žádoucí dodržet stejné doby měření jako s vrtulí (viz též ^[2]).

Pokud se měří broděním, musí obsluha držet soutyčí s vrtulí či jiné měřidlo před sebou v natažené paži, doporučuje se postoj bokem proti proudu, aby rychlostní pole v místě měření bylo co nejméně ovlivněno přítomností měřiče v proudu.

Po dokončení měření se v případě vrtule zapíše do příslušného formuláře poloha měřidla ve svislici a počet otáček vrtule, v případě měřidel s vlastní vyhodnocovací jednotkou změřená rychlost. Při zpracování se pak z těchto údajů na základě kalibrační rovnice měřidla stanoví skutečná časově střední rychlost v daném bodu.

Určení střední svislicové rychlosti

Hloubka bodů, v nichž se měří místní rychlosti ve svislici může být zvolena libovolně, nebo se (a to zpravidla) používá standardního schématu rozmístění měrných bodů. Počet měrných bodů, resp. jejich vzdálenosti, se má volit tak, aby vzdálenost měrných bodů ve svislici nebyla větší než 1 m a současně nesmí být menší než je průměr propeleru vrtule. Podle počtu bodů ve svislici se nazývají jednotlivé standardní metody měření – úplná, pětibodová a tříbodová, plus tzv. metody zkrácené – dvoubodová a jednobodová. Existují též akustická (ultrazvuková) měřidla, která měří střední svislicovou rychlost – ta se potom pro výpočet průtoku použije přímo.

Početní metody

Úplné měření se provádí v poloze měřidla těsně nade dnem (v případě vrtule její osa nemá být výše než 1,5 násobek průměru propeleru, avšak vrtule nesmí narážet na dno a proudění nesmí být ovlivňováno většími výstupky dna), dále ve výšce ${\displaystyle 0,2h}$, ${\displaystyle 0,4h}$, ${\displaystyle 0,6h}$, ${\displaystyle 0,8h}$ a těsně pod hladinou (žádná část měřidla se nesmí ani krátkodobě dostávat nad hladinu). Střední svislicovou rychlost ${\displaystyle v_{s}}$ je pak možné určit graficky nebo početně ze vzorce

${\displaystyle v_{s}=0,1(v_{d}+2v_{0,2h}+2v_{0,4h}+2v_{0,6h}+2v_{0,8h}+v_{p})}$

kde ${\displaystyle v_{d}}$ a ${\displaystyle v_{p}}$ jsou bodové rychlosti u dna a u hladiny (tzv. rychlost dnová a povrchová) a indexy ostatních bodových rychlostí označují výšky bodů nade dnem. Vzhledem k časové náročnosti se tato metoda používá zejména při důležitých měřeních.

Při pětibodové metodě se vypouští bod ${\displaystyle 0,6h}$; střední svislicovou rychlost lze určit opět graficky, nebo početně ze vzorce

${\displaystyle v_{s}=0,1(v_{d}+2v_{0,2h}+3v_{0,4h}+3v_{0,8h}+v_{p})}$

nebo

${\displaystyle v_{s}=0,1(v_{d}+3v_{0,2h}+2v_{0,4h}+3v_{0,8h}+v_{p})}$.

První vztah uvádí ČSN EN ISO 748^[1], druhý uvádí Boiten^[4]. Není zcela jasné, který vzorec je vhodnější.

V případě pravidelného parabolického rychlostního profilu ve svislici se doporučuje metoda tříbodová, kde se oproti pětibodové metodě ještě vypouští měření rychlosti dnové a povrchové; přitom za uvedených podmínek není prakticky rozdílu mezi výsledky získanými pěti a tříbodovou metodou. Výpočet se provede podle vzorce

${\displaystyle v_{s}={1 \over 3}(v_{0,2h}+v_{0,4h}+v_{0,8h})}$

nebo váženým průměrem

${\displaystyle v_{s}=0,25(v_{0,2h}+2v_{0,4h}+v_{0,8h})}$.

WMO^[2] doporučuje vážený průměr, ovšem s tím že „kde je požadován větší důraz na měření v hloubce 0,2 a 0,8H pod hladinou, použije se aritmetický průměr“.

Dvoubodová metoda (kterou ale např. U.S.G.S. používá jako metodu standardní^[6], a která se dá i teoreticky odvodit z parabolického rozdělení rychlosti) spočívá v měření v bodech ${\displaystyle 0,2h}$ a ${\displaystyle 0,8h}$, výpočet se provede podle vzorce

${\displaystyle v_{s}=0,5(v_{0,2h}+v_{0,8h})}$.

Jednobodová metoda, ač též teoreticky oprávněná v případě parabolického rozdělení rychlosti, dává výsledky více-méně orientační, používá se, kromě rychlých orientačních měření, zejména v malých hloubkách. Platí

${\displaystyle v_{s}\doteq v_{0,4h}}$.

Integrační metoda

V některých případech se používá tzv. integrační měření, kdy se vrtule spouští rovnoměrnou rychlostí od hladiny ke dnu (nebo výjimečně zvedá). Výsledkem je počet otáček, který odpovídá přímo střední svislicové rychlosti. Rychlost svislého pohybu vrtule nesmí překročit 5 % průměrné svislicové rychlosti, resp. 0,04 ms⁻¹ podle toho co je větší. Integrační měření vyžaduje jednak komponentní propelery vrtulí (nejlépe propeler typu A pro vrtuli typu C-31) , jednak speciální zařízení, které zajišťuje spouštění vrtule rovnoměrnou rychlostí. Dále je třeba zajistit, aby zařízení ukončilo načítání otáček i času přesně v okamžiku dosednutí vrtule na dno (běžně se používá koncový spínač).

Grafická metoda

Grafická metoda je vhodná pouze v případě úplného nebo pětibodového měření, nebo v případě, kdy polohy měrných bodů ve svislici volíme libovolně – nutným předpokladem je však jejich dostatečný počet (obvykle pět a více) a vhodné rozmístění. Do grafu se ve vhodném měřítku vynesou rychlosti v příslušných hloubkách a rychlosti se spojí (od ruky) plynulou křivkou, úseky křivky od měřené povrchové rychlosti k hladině a od měřené dnové rychlosti ke dnu se extrapolují. Extrapolaci ke dnu lze provést odhadem, ČSN EN ISO 748 však doporučuje použít extrapolace s využitím mocninného zákona rozdělení rychlostí,

${\displaystyle v_x=v_0(\frac{y_x}{y_0}{)}^{}}$Zdroj:https://cs.wikipedia.org?pojem=Metoda_rychlost_–_plocha_(koryta)
Text je dostupný za podmienok Creative Commons Attribution/Share-Alike License 3.0 Unported; prípadne za ďalších podmienok. Podrobnejšie informácie nájdete na stránke Podmienky použitia.