Development and testing of a modified transparent velocity-head rod for stream discharge measurements

Abstract

Accurate measurements of streamflow velocity and discharge can be challenging due to the technical nature of the instruments and often-associated high cost. Velocity-head rods measure the head difference in water flowing around an obstacle (i.e. the head rod) and use hydraulic theory to estimate water velocity. This article presents the construction and testing of a modified transparent velocity-head rod (mTVHR). Approximately 2400 pairs of mTVHR and SonTek FlowTracker (FT, acoustic Doppler) measurements were made on 31 dates, by seven operators at 14 sites. This data set allowed for the development of a calibrated relationship for velocity, for the investigation of accuracy among multiple users and for the definition of stream conditions where mTVHR use is appropriate. While there was evidence of differences between users for measurements of velocity-head and water depth, these differences were small and did not greatly influence discharge estimates derived using the instrument. While statistical analysis determined a minimum measureable velocity-head value of 1 mm, field experience with the instrument indicates the mTVHR should be used to measure velocity-head values greater than 2 mm. The maximum water depth recommended is approximately 0.75 m due to the 1-m height of the instrument and the difficulty of safe operation at moderately fast streamflow velocities. Turbulent streams and/or streams with large bed materials are not appropriate for use of the mTVHR due to rapid velocity-head fluctuations. The mTVHR is an accurate instrument for measuring streamflow velocity, depth and discharge. In addition, its ease of use, low cost (< CAN $100), and durability make it an attractive option for streamflow measurement.

Il est souvent difficile de faire des mesures précises de la vitesse du débit d’eau, en raison de la nature technique des instruments et des coûts élevés souvent associés avec cette mesure. Les tiges pour mesurer la hauteur dynamique mesurent la différence du débit d’eau coulant autour de la tige, et utilise la théorie hydraulique pour estimer la vitesse de l'eau. Cet article présente le travail fait pour la construction et les essais d'une tige de la hauteur dynamique transparente modifiée, dite “modified transparent velocity-head rod” ou mTVHR. Environ 2400 paires de mesures, à l’aide du mTVHR et d’une sonde acoustique Doppler SonTek, ont été effectuées sur une période de 31 jours, à 14 sites, par sept opérateurs. Cet ensemble de données, verifier par l’enquête de précision auprès de multiples utilisateurs, a permit le développement d'une relation calibré pour la vitesse, et pour la définition des conditions pour les courants d’eau où l’utilisation du mTVHR est approprié. Bien que l’enquête de précision a révélé des différences entre les utilisateurs pour les mesures de profondeur et de la hauteur dynamique, celles-ci étaient faibles et n'ont pas grandement influencé les estimations obtenues à l'aide de l'instrument. Bien que l'analyse statistique a déterminé que la valeur minimale de la hauteur dynamique devrait être dans l’ordre de 1 mm, l’expérience sur le terrain avec l'instrument indique que le mTVHR doit être utilisé pour mesurer la hauteur dynamique pour toute valeur supérieure à 2 mm. La profondeur d'eau maximale recommandée est environ 0,75 m en raison de la hauteur de l'instrument, qui est de 1 m, et de la difficulté à prendre des mesures en toute sécurité à des vitesses de débit modérément rapide. Les cours d’eau où le courant est turbulent, ou ceux avec des matériaux de fonds assez large, ne sont pas appropriés pour l'utilisation du mTVHR, en raison des fluctuations rapides de la hauteur dynamique. Le mTVHR est un instrument précis pour mesurer la vitesse du débit d’eau et la profonde du courant. C’est aussi un instrument facile à utiliser, dont le faible coût (< CAN $100) et la durabilité, en font une option intéressante pour la mesure du débit d'eau.

Acknowledgements

The authors thank the following for their input and assistance with this project: Emilia Young, Geneen Russo, Peter Tschaplinski, Celine Davis, Gabe Sentlinger, Kevin Rieberger, Jennifer Turner, Sylvia Barroso, Joanne McLeod and Warren Cooper. The authors also thank the editors and two anonymous reviewers for their comments which helped to improve the manuscript.