Rapportage veldproef te Strijbeek

Rapportage veldproef te Strijbeek
Lex van Loon, Hydrion BV; Hans van Kapel, Brabantse Delta, Michelle Talsma STOWA
Debiet meten met de visvriendelijke Venturi-meetdoorlaat
Samenvatting
In de Strijbeekse beek in Noord-Brabant is een uitgebreide veldproef uitgevoerd met een
nieuwe meettechniek waarbij het mogelijk blijkt bij lage stroomsnelheden nauwkeurig continu
het debiet te meten en de vispasseerbaarheid gewaarborgd blijft.
Dit nieuwe meetsysteem heet een Venturi-meetdoorlaat en werkt op basis van de wet van
Bernoulli en is speciaal geschikt voor het meten van debieten wanneer weinig verval
aanwezig is. In de Strijbeekse beek was enig verval juist vereist, waardoor een vistrap achter
de meetopstelling is aangelegd. Al het water stroomt dan door de vistrap waardoor deze het
gehele jaar werkzaam blijft. Veldmetingen lieten zien dat de meettechniek nog verder kon
worden verfijnd en de zogenaamde drijver niet meer nodig was. De meetopstelling wordt dan
veel minder gevoelig voor drijfvuil en wordt naast vispasseerbaar in principe ook
kanopasseerbaar.
Foto1
Meetmethode
In figuur 1 stroomt het water van links naar rechts. In de vernauwing tussen de drijver en de
drempel wordt de snelheid van het water hoger. De druk van het water onder de drijver is
daardoor wat lager dan de druk op dezelfde hoogte voor de meetdoorlaat. Uit dit verschil in
druk kan de gemiddelde stroomsnelheid in de vernauwing worden berekend.
Vermenigvuldiging van deze stroomsnelheid met het doorstroomde oppervlak geeft het
debiet. Deze meetmethode is uitvoerig op een schaalmodel in een lab getest. De resultaten
staan in publicatie 106 van de Sectie Waterhuishouding van de Wageningen Universiteit.
Figuur 1
Locatiebeschrijving
De Strijbeekse beek is een laaglandbeek bovenloop op de grens met Vlaanderen in het
beheergebied van waterschap Brabantse Delta. Het betreft een beek met nog vrij natuurlijke
trajecten. Beekherstelmaatregelen zijn al uitgevoerd en er zullen er nog meer volgen.
De beek heeft de functie waternatuur/viswater. Voor de beek betekent dit onder meer de
wens tot vrije migratiemogelijkheden voor vis.
Voor de beek geldt vanuit de provincie Noord-Brabant een
debietmeetverplichting omdat het een grensoverschrijdende
waterloop betreft. Voor 2002 bevond zich op de plaats van de
huidige vispassage/meetdoorlaat een geijkte meetstuw die voor
de meeste vissoorten een groot deel van het jaar niet
passeerbaar was (foto 2).
Foto 2
Om zowel aan de eisen voor de visstand, als aan
de debietmeetverplichting te voldoen, is gezocht
naar een vispasseerbare meetoplossing in de
vorm van een Venturi-meetdoorlaat gecombineerd
met een drietal V-vormige overlaten. De overlaten
dienen om de boven-waterstand op peil te houden
omdat zich daar natuurgebieden bevinden.
Figuur 2
Praktijkervaringen
De opstelling in de Strijbeekse beek was oorspronkelijk ontworpen om stroomsnelheden van
0,20 tot 1,00 m/s in de meetdoorlaat goed te kunnen meten. De ondergrens van 0,20 m/s
was eerder in een laboratoriumopstelling getest, waar was vastgesteld dat deze nog
nauwkeurig kon worden gemeten. De bovengrens van 1,00 m/s was opgegeven door de
toenmalige Organisatie ter Verbetering van de Binnenvisserij (OVB) als een snelheid welke
door de meeste vissen nog gemakkelijk kan worden overbrugd.
In de praktijk kwamen in de meetopstelling in de Strijbeekse beek ook lagere en hogere
snelheden voor. Na wat aanpassingen aan de meetopstelling en de bijbehorende software
konden tenslotte snelheden van 0,05 m/s tot 1,40 m/s goed worden gemeten.
Vergelijking met traditionele meetstuwen
De traditionele meetstuwen zoals een lange overlaat, korte overlaat (foto 2), scherpe
overlaat of meetgoten zoals de RBC Flume werken op basis van dezelfde wet van Bernoulli.
Alleen moet het water vrij over de rand stromen of wordt de stroomsnelheid van het water in
de meetgoot over een korte afstand tijdelijk zo hoog opgevoerd dat de meetstuw ‘kritisch’
wordt. Dan kunnen bepaalde afvoerformules worden toegepast die slechts zijn gebaseerd op
de ‘overstorthoogte’ van de stuw. Deze overstorthoogte is dan groot genoeg om het debiet
met peilmeetapparatuur nauwkeurig te kunnen berekenen (zie Rekenmethode Venturimeetdoorlaat).
Als onbedoeld bijeffect zijn deze meetstuwen echter voor de meeste vissoorten niet meer
passeerbaar. Een ander nadeel is dat ze slechts onder beperkte condities goed werken
(modulair zijn). Bij te hoge waterstand verdrinkt de stuw en bij te lage waterstand neemt de
weerstand van de overlaat onevenredig toe. In beide gevallen is de afvoerrelatie niet meer
correct. Het meetbereik van deze meetsystemen is daardoor altijd beperkt.
Visvriendelijkheid
Bij een Venturi-meetdoorlaat is een geringe snelheid van het water voldoende om een
nauwkeurige debietmeting uit te voeren. Er zijn geen ‘kritische’ stromingscondities vereist.
Ook bij lage afvoer is het meetpricipe toepasbaar, mits de gemiddelde stroomsnelheid in de
vernauwing niet lager wordt dan circa 0,05 m/s. Hierdoor is het meetbereik heel groot en
kunnen vissen praktisch het gehele jaar blijven passeren. Alleen heel lage waterstanden
boven de drempel vormen voor vissen nog een obstakel.
Meettechniek
De kinetische energie van het water in de vernauwing moet bij een Venturi-meetdoorlaat wel
uit een (zeer) klein drukverschil worden berekend. Dat was vroeger niet goed mogelijk. De
combinatie van een intelligent onderstation met datalogger en een zeer nauwkeurige
verschildruksensor maakt deze meetmethode nu wel goed toepasbaar.
Bij een verschildruksensor doen de feitelijke waterdieptes niet ter zake waardoor een veel
hogere meetnauwkeurigheid kan worden gerealiseerd. Indien de bovenwaterstand ook
bepaald moet worden, is hier wel een aparte peilmeting voor nodig met een vlotter, een
druksensor of anderszins.
Meetnauwkeurigheid
In het laboratorium
De meettechniek is vooraf uitgebreid in het laboratorium van de sectie Waterhuishouding van
de WUR te Wageningen getest. Als belangrijkste resultaat kwam hieruit naar voren dat de
afvoer van de meetdoorlaat, mist deze juist is vormgegeven, goed overeenstemt met het (in
het lab) bekende debiet. Wanneer de juiste afvoercoëfficiënt werd gekozen, was over een
ruim meetbereik het verloop in deze coëfficiënt slechts maximaal +/- 1,5% )1.
Interne controlemetingen in het veld
Tijdens veldwaarnemingen in mei 2005 bleek er ook een interne controle op de
nauwkeurigheid van het meetsysteem mogelijk. Bij een veldinspectie bleek de waterstand in
de beek zodanig gedaald dat de instelbare nok, die voor een minimum doorlaatopening
zorgt, de drijver zo ver had tegengehouden dat deze nog maar net in het water hing.
1) A. Dommerholt, W. Boiten en R.T. Oosterhoff, 2002. Modelonderzoek van de Venturimeetdoorlaat; een vispasseerbare debietmeetinrichting, WUR rapport 106
De gemeten afvoer bleek in deze situatie al enige tijd ongeveer 62 l/s te zijn. Nadat de nok
was teruggezet naar een lagere stand, was de drijver ongeveer 12 cm gezakt voor hij weer
vrij op het water dreef. Na deze aanpassing bleef de gemeten afvoer nog geruime tijd 62 l/s,
zie figuur 3; Afvoer Strijbeek 28/5/05.
Wanneer de doorlaat nauwer wordt gemaakt zal dit snel resulteren in een iets grotere
opstuwing wat een grotere stroomsnelheid in de doorlaat geeft. In het ideale geval verandert
er dan niets aan de afvoer. Uit figuur 3 blijkt dat ook het geval te zijn.
Afvoer Strijbeek 28/5/2005
300
250
Doorlaat (mm)
200
Snelheidshoogte(10-2
mm)
150
Snelheid (mm/s)
100
Afvoer (l/s)
50
0
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33
Figuur 3, de X-as is in log-intervallen. Tot punt 25 is dat 15 minuten na punt 25 is dat 5 minuten
Bij een tweede veldproef werd de doorlaat eerst iets verkleind door de drijver met
ballastwater te verzwaren en daarna wat vergroot door dit water weer te lozen en de drijver
gedeeltelijk te lichten. Daarna werd de drijver geheel boven het water getild. Deze actie
verstoorde het gelijkmatige afvoerregime van de beek enige tijd. Na het terugplaatsen van de
drijver in de beek bleef de afvoer nog steeds langzaam afnemen wat met de lange termijn
trend in overeenstemming was, zie figuur 4; Afvoer Strijbeek 10/5/05.
N.B. bij het lichten van de drijver uit de beek werd automatisch door het onderstation de
waterdiepte boven de drempel bepaald in plaats van de doorlaatopening tussen drempel en
drijver. Hierdoor werd steeds het goede doorstroomde oppervlak berekend.
Afvoer Strijbeek 10/5/2005
900
800
Doorlaat (mm)
700
600
500
Snelheidshoogte(10-2
mm)
400
Snelheid (mm/s)
300
Afvoer (l/s)
200
100
0
1
4
7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37
Figuur 4, de X-as geeft de tijd in log-intervallen van 5 minuten.
Externe controlemetingen in het veld
Er zijn ook enkele controlemetingen gedaan in het veld volgens de ‘velocity-area’ methode.
Met een elektromagnetische snelheidsmeter is een dertigtal meter stroomafwaarts van de
Venturi-meetdoorlaat het dwarsprofiel van de beek doorgemeten. Over een periode van 2
jaar zijn vier veldmetingen uitgevoerd. Bij nader inzien konden de eerste 2 metingen om
meettechnische redenen niet worden gebruikt. De derde meting gaf een verschil van +15%
te zien ten opzichte van de Venturi-meetdoorlaat (QV =173 l/s). De vierde meting die werd
uitgevoerd nadat de elektromagnetische stroomsnelheidmeter recentelijk was gekalibreerd
gaf een verschil van –2% te zien ten opzichte van de Venturi-meetdoorlaat (QV =108 l/s).
Extreme debieten
Zeer lage stroomsnelheden komen in najaar en winter soms voor als de afvoer van de
Strijbeekse beek stagneert doordat de waterstand in de Mark, waar de beek in uitmondt,
sterk is gestegen. Deze combinatie van hoge waterstanden en stagnerende afvoer duurt
echter maar een paar uur. De stroomsnelheid in de meetdoorlaat kan dan tijdelijk tot 0 m/s
teruglopen.
Eenmaal in de 3 tot 5 jaar komen ook extreem hoge afvoeren in de Strijbeekse beek voor.
Op 21 januari 2005 werd gedurende 4 ½ uur een afvoer van ruim 4000 l/s gemeten. Het
water van de beek stond voor de meetopstelling tot 11 cm onder het maaiveld. Er werd toen
een maximale gemiddelde stroomsnelheid in de meetdoorlaat van 1,640 m/s berekend terwijl
de doorlaatopening 1,258 m open stond: Hieruit werd een afvoer berekend van 4130 l/s.
N.B. De doorlaatopening werd met een gekalibreerde potmeter bepaald waardoor deze tot
+/- 2 mm nauwkeurig kon worden gemeten.
Vispasseerbaarheidsonderzoek
Van half maart tot half mei 2004 is de vispasseerbaarheid van de Venturi-meetdoorlaat en de
drie V-vormige overlaten onderzocht door een fuik bovenstrooms voor de meetdoorlaat te
plaatsen. Voor dit doel zijn ook vissen gemerkt die zich zowel boven- als benedenstrooms
van de passage bevonden alsmede vissen die zich in de vispassage bevonden. De vissen
werden met behulp van elektrovisserij gevangen. Het totale aanbod van vis was niet groot. In
totaal werden ca. 200 vissen gemerkt, verdeeld over 10 soorten. Deze vissen zijn aan de
stroomafwaartse zijde van de passage/meetdoorlaat teruggeplaatst.
In de onderzoeksperiode zijn ongeveer 400 vissen in de fuik gevangen, verdeeld over 11
soorten. Daarbij zaten zowel stroomminnende soorten (o.a. Riviergrondel), maar ook soorten
van stagnant water (o.a. Zeelt). De meest gevangen soort was Blankvoorn (ca. 300 stuks).
Van de gemerkte exemplaren werd slechts 3% terug gevangen (6 stuks).
De vangsten uit de fuik vertegenwoordigden zowel soorten die over de grond migreren
(Paling, Riviergrondel) als soorten die over de gehele waterkolom migreren. De gevangen
vissen variëerden in lengte van 6 cm tot 80 cm (Snoek). Genoemde soorten en lengten
waren dus in staat om zowel de vispassage als de Venturi-meetdoorlaat te passeren. Voor
de soorten Bermpje, Vetje en Driedoornige stekelbaars is het niet helemaal zeker of ze de
vispassage kunnen passeren (wel gevangen bij de merkactie). Mogelijk zijn een aantal kleine
exemplaren letterlijk door de mazen van het net geglipt. Op basis van de vangst van Zeelt,
een langzame zwemmer, mag worden aangenomen dat ook deze drie soorten zowel de
passage als de meetdoorlaat kunnen passeren.
Conclusie
Uit het vispasseerbaarheidsonderzoek kan geconcludeerd worden dat zowel de V-vormige
overlaten als de meetdoorlaat goed passeerbaar zijn voor alle vissoorten.
Voor- en nadelen van de Venturi-meetdoorlaat met drijver
Voordelen
• Het belangrijkste voordeel is dat zeer nauwkeurige debietmetingen automatisch continu
kunnen worden vastgelegd terwijl de meetdoorlaat vispasseerbaar blijft.
• De meetechniek heeft een groot meetbereik. In de Strijbeekse beek kon een afvoer van
minimaal 10 l/s tot maximaal 4000 l/s nog goed worden gemeten.
• Verschillende metingen kunnen tegelijk worden vastgelegd zoals: watertemperatuur,
bovenwaterstand, stroomsnelheid in de doorlaat en de afvoer van de beek.
• Sediment in de Strijbeekse beek weet de meetopstelling het hele jaar goed te passeren.
De drempel blijft schoon; het natte oppervlak van de meetsectie blijft goed gedefinieerd.
Nadelen
• De constructie van een Venturi-meetdoorlaat met drijver is een stuk ingewikkelder en
daardoor duurder dan een gewone meetoverlaat.
• Door de drijver is de doorlaat wel vis- maar niet kanopasseerbaar.
• Een drijver op het water nodigt uit tot ophoping van drijfvuil.
• Deze ophoping van drijfvuil vergt niet alleen meer onderhoud maar kan ook tot fouten in
de berekening van het debiet leiden.
• Een klein deel van het passerende zand komt via kleine openingen in de drukkamer van
de drempel terecht waardoor deze om de drie jaar moet worden doorgespoeld.
De Venturi-meetdrempel; een meetdoorlaat zonder drijver
Het veldonderzoek aan de opstelling te Strijbeek heeft geleid tot een nieuwe versie van de
Venturi-meetdoorlaat welke nog slechts uit een onderwater meetdrempel bestaat.
Deze versie is toepasbaar indien de stroomsnelheid boven de drempel voor het merendeel
van de tijd groter is dan 0,05 m/s (zie tekst Rekenmethode) en heet Venturi-meetdrempel.
Het nauwkeurig meten van lage stroomsnelheden kon worden bereikt door ieder kwartier
een automatische nulpuntsijking van de verschildruksensor uit te voeren. Het verloop van het
nulpunt van de verschildruksensor wordt voornamelijk veroorzaakt door schommelingen in
temperatuur en voor een klein deel door variaties in de voedingsspanning.
De drijver in de meetopstelling diende er voor om de stroomsnelheid in de doorlaat te
verhogen. Na verfijning van de meettechniek bleek de drijver in de Strijbeekse beek niet
meer nodig.
Wanneer de drijver achterwegen kan worden gelaten zijn er vijf voordelen:
1. De constructie wordt eenvoudiger en daardoor een stuk goedkoper.
2. Drijfvuil kan zich niet meer voor de drijver ophopen wat minder onderhoud geeft.
3. Drijfvuil kan de berekende afvoer niet meer nadelig beïnvloeden.
4. De doorlaat kan nu ook trapezium vormig zijn.
5. De meetdoorlaat is nu naast vispasseerbaar ook kanopasseerbaar.
De onderwater meetdrempel vervult vier functies:
1. In de drempel wordt de gemiddelde hydrostatische druk gemeten welke nodig is voor
het berekenen van de gemiddelde stroomsnelheid boven de drempel.
2. De drempel zorgt ervoor dat natte oppervlak van de meetsectie goed gedefinieerd is.
3. De drempel zorgt er voor dat zich geen sediment ophoopt in de meetsectie.
4. Door een bepaalde drempelhoogte te kiezen kan deze voor enige opstuwing zorgen.
Omdat de waterdiepte boven de drempel nu ook in absolute zin moet worden gemeten is
een extra drukmeter nodig die de bovenwaterstand bij voorkeur tot 1 mm nauwkeurig
registreert. De waterdiepte boven de drempel is dan gelijk aan de bovenwaterstand minus de
verschildrukmeting.
Heeft een meetoverlaat slechts 1 sensor nodig (de bovenwaterstandmeter bepaalt tevens de
overstorthoogte), een Venturi-meetdrempel heeft twee sensoren nodig; een voor de
bovenwaterstand en een voor de verschildruk tussen de bovenwaterstand en de gemiddelde
hydrostatische druk boven de drempel, die de snelheidshoogte vertegenwoordigt.
Rekenmethode Venturi-meetdoorlaat
Voor het berekenen van het debiet wordt gebruik gemaakt van de vergelijking van Bernoulli
waarbij de afzonderlijke termen als eenheid de meter hebben. Voor stroming door een buis
waarbij van een gemiddelde stroomsnelheid vgem wordt uitgegaan geldt de vergelijking:
P/ρg + z + α x vgem2 /2g = H (in meters H2O)
De termen heten: drukhoogte, plaatshoogte, snelheidshoogte en energiehoogte .
In de Venturi-meetdoorlaat wordt het verschil tussen twee waterdrukken gemeten. De
eerste druk heeft betrekking op stilstaand water net voor en naast de meetopstelling waar
de energiehoogte H gelijk is aan de drukhoogte plus de plaatshoogte (want v=0). De andere
heeft betrekking op de gemiddelde drukhoogte van het stromende water in de meetdoorlaat.
Wanneer z (referentieniveau) gelijk blijft, is het drukverschil dP tussen deze twee locaties
gelijk aan de kinetische energie per volume eenheid:
dP (N/m2) = α x ½ x ρ x vgem2
ρ is de dichtheid van water. Deze is bij 4º C; 1000 kg/m3 en bij 20º C; 998 kg/m3.
vgem is de gemiddelde snelheid in de meetdoorlaat in m/s. α is een correctiefactor welke iets
groter is dan 1,00 en afhankelijk is van de snelheidsverdeling in de meetdoorlaat. Ingevuld
geeft dit voor een gemiddelde T van 12º C:
dP = α x 499,5 x vgem2
Wanneer we dP in mm H2O meten, moeten we dP delen door 9,81 (1 mm H2O = 9,81 N/m2)
We krijgen dan: dP = α x 499,5/9,81 x vgem2 ≈ α x 51 x vgem2 . Als we α in de afvoercoëfficiënt
Cd onderbrengen wordt de formule voor Q in m3/s met A in m2 en dP in mm H2O:
_____
Q = Cd x V dP/51 x A
Hoe groot is nu dP in mm H2O bij verschillende vgem in m/s bij verwaarlozing van α ?
vgem in m/s
dP in mm H2O
0,01
0,005
0,02
0,020
0,05
0,127
0,10
0,510
0,20
2,040
0,40
8,160
0,80
32,640
1,00
51,000
1,50
114,750
2,00
204,000
De verschildruksensor die werd gebruikt kan een dP die dicht bij nul ligt tot 0,02 mmH2O
nauwkeurig meten. Stel we meten 0,11 mm voor dP terwijl het 0,13 mm had moeten zijn.
Dan wordt een vgem berekend van 0,046 m/s in plaats van 0,050 m/s. We maken dan een
fout van 0,004 m/s. Dat is 8% van de meetwaarde; 0,050 m/s is daarom een acceptabele
ondergrens van het meetbereik van de stroomsnelheid voor een Venturi-meetdoorlaat.
Deze hoge nauwkeurigheid van de ondergrens wordt bereikt door de meetopstelling
automatisch regelmatig een zeer nauwkeurige nulpuntsijking te laten uitvoeren.
Uit het verband tussen dP en vgem blijkt ook dat dP bij hogere waarden van vgem minder
nauwkeurig behoeft te worden gemeten. Bij vgem = 1,50 m/s geeft een meetfout in dP van
1 mm H2O een fout van 0,007 m/s voor vgem ,dat is 0,5 % van de meetwaarde. Vandaar dat
men bij een Parshal Flume of RBC Flume (die ook weinig verval creëren) het water over een
korte afstand laat ‘schieten’ wat een grote watersprong geeft. Met een meetlint of met een
vlotterwaterstandsmeter die maar 1 mm nauwkeurig zijn, kan dan toch een nauwkeurige
debietmeting worden uitvoerd.