13.5. Измерение скоростей течения вертушками

Вертушками измеряют скорости течения в различных точках живого сечения, определенным образом распределенных по ширине и глубине реки. По ширине гидрометрического створа намечают ряд скоростных вертикалей (см. рис. 13.1, в) на каждой из которых проводят измерение скоростей течения в одной или нескольких точках на разной глубине от поверхности.

На реках шириной до 100 м обычно намечают 5–7 скоростных вертикалей, шириной 100–150 м – до 11 вертикалей.

Распределение скоростных вертикалей по ширине реки проектируют на поперечном профиле гидрометрического створа. В первую очередь намечают вертикали по стрежню реки и в местах резкого изменения поперечного уклона дна русла. Остальные вертикали располагают примерно на одинаковых расстояниях друг от друга.

Количество точек для измерения скоростей течения на каждой вертикали назначают в зависимости от глубины реки и требуемой точности определения расхода воды. Стандартные точки измерения установлены в долях глубины вертикали, отсчитываемой от поверхности. При h < 0,75 м применяется одноточечный способ измерения скорости на глубине 0,6h_i ; при h = 0,75–1,5 м – двухточечный на глубинах 0,2h_i и 0,8h_i ; при h > 1,5 м – пятиточечный: у поверхности, на глубинах 0,2h_i , 0,6h_i , 0,8h_i и вблизи дна или сокращенный по трем вышеуказанным точкам; при наличии ледяного покрова – на глубинах 0,15h_i , 0,5h_i, 0,85h_i .

При назначении точек для измерения скоростей на вертикалях нужно следить, чтобы расстояния между ними были не менее 1,5 диаметров винта вертушки, а также, чтобы лопасти вертушки не выходили при вращении из воды и не касались дна или ледяного покрова

Местоположение скоростных вертикалей в плане определяют способами, изложенными в п.12.2.

Работу на каждой скоростной вертикали начинают с измерения ее глубины. Затем вычисляют соответствующие доли глубины для определения мест установки вертушки. Скорости на вертикали измеряют сперва у поверхности воды, а затем последовательно в остальных точках.

Речные потоки характеризуются значительной пульсацией скоростей. Скорости в одних и тех же точках потока изменяются во времени как по величине, так и по направлению. Для измерения осредненных скоростей нужно продержать вертушку в каждой точке достаточное время для устранения влияния пульсации. Так как у дна реки пульсация больше, чем у поверхности, скорости следует измерять здесь дольше. Минимально необходимое время для измерения средних скоростей составляет: вблизи дна 5 мин; на глубине 0,8h_i – 4 мин; на глубине 0,6h_i – 3 мин; на глубине 0,2h_i и у поверхности – 2 мин. Обычно при измерении скоростей течения на равнинных реках вертушку в каждой точке выдерживают до получения пяти сигналов.

13.6. Определение расходов воды по скоростям, измеренным вертушкой

Расходы воды можно определить по измеренным скоростям аналитическим, графоаналитическим и графомеханическим способами. В настоящем параграфе рассмотрен аналитический способ как наиболее простой и распространенный. С другими способами вычисления расхода воды можно ознакомиться в специальной литературе.

При аналитическом способе общий расход воды в реке определяют путем суммирования частных расходов воды, протекающей через все части живого сечения, ограниченные смежными скоростными вертикалями.

Расчет начинают с вычисления средних скоростей течения на каждой вертикали, которые в зависимости от принятого способа измерения скоростей течения определяются по формулам:

при пятиточечном способе

v_i = 0,1(u_пов + 3 u_0,2h + 3 u_0,6h + 2 u_0,8h + u_дон ); (13.6)

при трехточечном способе

v_i = 0,25(u_0,2h + 2 u_0,6h + u_0,8h ); (13.7)

при двухточечном способе

v_i = 0,5(u_0,2h + u_0,8h ); (13.8)

при одноточечном способе для открытого русла

v_i = u_0,6h . (13.9)

При наличии ледяного покрова

v_i = 0,33(u_0,15h + u_0,5h + u_0,85h ), (13.10)

или приближенно v_i = u_{0,4 h} .

Средние скорости для частей живого сечения, заключенных между двумя смежными скоростными вертикалями, принимаются равными полусумме средних скоростей на этих вертикалях. Например, средняя скорость для части живого сечения между второй и третьей вертикалями определится по выражению

Для крайних частей живого сечения, примыкающих к урезам воды, средние скорости устанавливают по соотношениям

; ,

где v₁ и v_n–1 – средние скорости на крайних скоростных вертикалях.

Площади частей живого сечения между смежными скоростными вертикалями определяют геометрическим способом по поперечному профилю реки при расчетном уровне воды с учетом всех измеренных глубин на промерных и скоростных вертикалях.

Расход воды, протекающей через часть живого сечения между двумя смежными вертикалями, вычисляется по зависимости

ΔQ = Δωv. (13.11)

Общий расход воды Q определяется по формуле

Q = ΣΔQ. (13.12)

Расчет расхода воды аналитическим способом удобно вести в табличной форме. Числовой пример такого расчета приведен в табл. 13.2.

Т а б л и ц а 13.2. Вычисление расхода воды по скоростям, измеренным