การไหลในลำน้ำและอุทกพลศาสตร์ของร่องน้ำ

การไหลในลำน้ำและอุทกพลศาสตร์ของร่องน้ำอธิบายถึงการเคลื่อนที่ของน้ำผ่านร่องน้ำเปิด และความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการไหลกับความลึก ความลาดชัน และความขรุขระ รวมถึงวิธีการวัดในทางปฏิบัติ

Definition

การไหลในลำน้ำคือการไหลของน้ำในร่องน้ำเปิด และอุทกพลศาสตร์ของร่องน้ำคือทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับความลึก ความเร็ว และอัตราการไหลของน้ำนั้นกับรูปทรงเรขาคณิตของร่องน้ำ ความลาดชัน และความขรุขระภายใต้ผิวน้ำอิสระ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมหลักการของการไหลในร่องน้ำเปิด การไหลสม่ำเสมอและการไหลแปรผันอย่างช้าๆ สมการความต้านทานที่เชื่อมโยงความเร็วกับคุณสมบัติของร่องน้ำ และการวัดการไหลในลำน้ำผ่านการวัดกระแสน้ำและการสร้างกราฟความสัมพันธ์ระหว่างระดับน้ำกับอัตราการไหล โดยจะกล่าวถึงการไหลภายในร่องน้ำเอง ส่วนตะกอนและรูปแบบของร่องน้ำจะกล่าวถึงในหัวข้อแยกต่างหาก

Core questions

• อัตราการไหลมีความสัมพันธ์กับความลึกของร่องน้ำ ความลาดชัน และความขรุขระอย่างไร?
• อะไรคือความแตกต่างระหว่างการไหลสม่ำเสมอ การไหลแปรผันอย่างช้าๆ และการไหลแปรผันอย่างรวดเร็ว?
• การไหลในลำน้ำถูกวัดภาคสนามอย่างไร?
• กราฟความสัมพันธ์ระหว่างระดับน้ำกับอัตราการไหลเปลี่ยนระดับน้ำให้เป็นอัตราการไหลได้อย่างไร?

Key concepts

• การไหลในร่องน้ำเปิด
• การไหลสม่ำเสมอและการไหลแปรผันอย่างช้าๆ
• สมการแมนนิ่งและความขรุขระ
• รัศมีชลศาสตร์และพื้นที่หน้าตัด
• การวัดอัตราการไหล
• กราฟความสัมพันธ์ระหว่างระดับน้ำกับอัตราการไหล

Key theories

สมการความต้านทานของร่องน้ำเปิด

กฎความต้านทานเชิงประจักษ์ เช่น สมการแมนนิ่ง เชื่อมโยงความเร็วเฉลี่ยของการไหลกับความลาดชันของร่องน้ำ รัศมีชลศาสตร์ และสัมประสิทธิ์ความขรุขระ ซึ่งเป็นวิธีการมาตรฐานในการคำนวณอัตราการไหลในร่องน้ำเปิด

กราฟความสัมพันธ์ระหว่างระดับน้ำกับอัตราการไหล

เนื่องจากการวัดอัตราการไหลต่อเนื่องโดยตรงนั้นไม่สามารถทำได้ในทางปฏิบัติ อัตราการไหลจึงมีความสัมพันธ์กับระดับน้ำที่บันทึกได้ง่ายผ่านกราฟความสัมพันธ์ที่ปรับเทียบโดยการวัดกระแสน้ำเป็นระยะ ซึ่งเป็นรากฐานของการวัดการไหลในลำน้ำ

Clinical relevance

อุทกพลศาสตร์ของร่องน้ำเป็นพื้นฐานในการออกแบบร่องน้ำ ท่อระบายน้ำ และงานระบายน้ำท่วม การดำเนินงานของเครือข่ายสถานีวัดระดับน้ำที่ให้ข้อมูลสำหรับอุทกวิทยาผิวดินเกือบทั้งหมด และการเคลื่อนที่ของคลื่นน้ำท่วมผ่านระบบแม่น้ำ

History

อุทกพลศาสตร์ของร่องน้ำเปิดพัฒนาขึ้นผ่านสูตรความต้านทานในศตวรรษที่ 18 และ 19 (Chezy, Manning) และถูกสังเคราะห์ขึ้นในตำราของ Chow ในปี 1959 การวัดการไหลในลำน้ำอย่างเป็นระบบด้วยเครื่องวัดกระแสน้ำและการสร้างกราฟความสัมพันธ์ระหว่างระดับน้ำกับอัตราการไหล ซึ่งถูกกำหนดโดยหน่วยงานต่างๆ เช่น USGS ทำให้บันทึกอัตราการไหลต่อเนื่องเป็นแกนหลักของอุทกวิทยา

Key figures

• Ven Te Chow
• Robert Manning

Seminal works

• chow1959
• dingman2015
• rantz1982

Frequently asked questions

อัตราการไหลของแม่น้ำถูกวัดอย่างต่อเนื่องได้อย่างไร?

อัตราการไหลจะถูกวัดโดยตรงเป็นระยะเท่านั้น โดยการวัดความเร็วข้ามร่องน้ำ การวัดเหล่านี้จะใช้ในการปรับเทียบกราฟความสัมพันธ์ระหว่างระดับน้ำกับอัตราการไหล เพื่อให้ระดับน้ำที่บันทึกอย่างต่อเนื่องสามารถแปลงเป็นอัตราการไหลได้ระหว่างการวัดโดยตรง

สมการแมนนิ่งใช้สำหรับอะไร?

ใช้ในการประมาณความเร็วเฉลี่ย และดังนั้นจึงประมาณอัตราการไหลของการไหลในร่องน้ำเปิดจากความลาดชันของร่องน้ำ รัศมีชลศาสตร์ และสัมประสิทธิ์ความขรุขระ และมีการใช้อย่างแพร่หลายในการออกแบบร่องน้ำ การทำแผนที่น้ำท่วม และการคำนวณอัตราการไหล