7. Гидрометрия

Гидрометрия – наука о методах и способах определения величин, характеризующих движение и состояние жидкости, а также режим водных объектов. К ее задачам относится измерение уровней, глубин, скоростей течения жидкости, расходов воды и наносов и др.

7.1 Наблюдения за уровнями воды.

Измерение уровня воды в реках и водоемах производится на водомерных постах. Их створы разбивают перпендикулярно течению реки и закрепляют реперами на обоих берегах.

Водомерные посты делятся на 4 типа:

1. с визуальным отсчетом (реечные и реечносвайные),

2. с автоматической записью (линниграфы),

3. дистанционные уровнемеры с передачей уровней воды по электроводным канатам или радиосвязи с автоматической записью на месте приема,

4. с автоматической сигнализацией.

7.2. Измерение глубин.

Для измерения глубин применяют рейки, наметки, лот ручной, лот механический, эхолот (прибор для измерения глубины с помощью ультразвука, время прохождения сигнала от прибора до дна и обратно пересчитывается на значение глубины). Для непрерывного измерения глубин при определенной скорости перемещения (до 15 км/ч) применяют профилографы.

7.3. Измерение скоростей потока.

Наиболее распространены 2 способа измерения течения: с помощью поплавков и вертушками.

Вертикали, на которых измеряют местные скорости U или средние по вертикали U_в, называются скоростными вертикалями.

Местные скорости на вертикалях измеряют вертушками в пяти, трех, двух точках или одной, в зависимости от глубины h.

При h>1,5 м применяют 5 или 3-хточечный способ. Средние скорости по вертикали вычисляют по формулам:

- при 5-точ. способе: U_в= 0,1 * (U_пов + 3 * U_0,2 + 3 * U_0,6 + 2 * U_0,8 + U_дн), при h=1,5-2 м

- при 3-точ. способе: U_в= 0,25 * (U_0,2 + 2 * U_0,6 + U_0,8), при h=1,5-2 м

- при 2-точ. способе: U_в= 0,5 * (U_0,2 + U_0,8), при h=0,75 - 1,5 м

- при 1-точ. способе: U_в= U_0,6,

где индексы обозначают глубину, отсчитываемую от поверхности воды.

7.4

Приборы для измерения скоростей

Используются следующие приборы: поплавки, гидрометрические вертушки (микровертушки), гидрометрические трубки, термогидрометры, лазерные измерители, ультразвуковые датчики.

7.4.1

Гидрометрические поплавки

Делят на точечные (измеряют местную скорость U) и интеграционные (измеряют среднюю скорость на вертикали U_в, или среднюю скорость по живому сечению).

Точечные поплавки делят на: поверхностные и глубинные.

Поверхностные – круглые куски дерева высотой 3-7 см или две доски, соединённые крестом, снабжённые флажками для видимости.

На участке водотока разделяют створы, перпендикулярно направлению течения воды и закрепляют вехами. Натягивают через водоток трос и пускают поочерёдно 10-20 поплавков, распределяя их равномерно по ширине реки. Отсчитывая длину и время прохождения поплавков определяют поверхностные скорости U_max = L / t_n.

C помощью глубинных поплавков можно измерять местные скорости на любой глубине.

С помощью поплавка-интегратора измеряют среднюю скорость на вертикали U_в.

(рисунок)

За время dt поплавок переместится в вертикальном направлении на величину dh = V_вспл. * dt. А в горизонтальном dl = U * dt, где:

V_вспл. – скорость всплытия поплавка,

U – местная скорость.

l = ∫ (U / V_вспл. ) * dh.

l = (1/ V_вспл. ) * ∫ Udh = h * U_в / V_вспл., т.к. V_вспл. = h / t, то U_в = l / t.

7.4.2

Гидрометрические вертушки

(рисунок)

1 – рабочее колесо с осью;

2 – корпус;

3 – счётно-контактный механизм;

4 – хвостовое оперение;

5 – место крепления штанги.

Датчики скорости – рабочее колесо (ротор). Чем больше скорость течения жидкости U, тем быстрее оно вращается, следовательно, число оборотов n = n(U), где:

n – число оборотов в единицу времени.

Практически эту связь записывают U = U(n).

Зная зависимость n(U) и определив при помощи счётно-контактного механизма число оборотов N, за время t, n = (N / t), можно найти число оборотов в секунду. И по кривой связи определяется скорость.

(рисунок – тарировочная кривая)

Вертушки устанавливаются на штанге при h < 3 м или на тросе при большей глубине.

В комплекте вертушки 2 лопастных винта. Лопастной винт №1, диаметром 120 мм, геометрический шаг 215 мм, используется в диапазоне скоростей до 2 м / с. Точность измерения составляет ±2%. Лопастной винт №2, диаметром 120 мм, геометрический шаг 500 мм, используется в диапазоне скоростей 2-5 м / с. Каждая вертушка имеет свою тарировочную кривую.

7.4.3

Гидрометрические трубки

Действие гидрометрических трубок основано на связи между скоростью и давлением жидкости.

(рисунок)

При движении жидкости уровень в трубке под влиянием скорости должен подняться на величину, равную скоростной высоте: h_u = U² / 2 * g, откуда с учётом вязкости U = φ * √ 2 * g * h_u, где:

φ – опытный коэффициент, приблизительно равный 1, учитывающий вязкость.

Измерив h_u, по формуле находим U.

На рисунке (а) – простейшая гидрометрическая трубка Пито. Отсчёт h_u в ней приходится делать в непосредственной близости от воды. Во избежание этого Дарси предложил объединить динамическую (1) и статическую (3) трубки (рисунок б). Под действием отсоса воздуха в трубке (2), в трубках (1) и (3) понижается давление. Оба уровня поднимутся. Измерение h_u становится более удобным.

Лосиевский предложил полностью заполнить обе трубки водой, и по скорости движения воды в них ω на мерном участке l’ определять скорость потока U (рисунок в).

7.4.4

Лазерный измеритель скорости

Луч лазера направляется в точку потока, скорость которого нужно измерить. В потоке используется естественная мутность или вводят мелкие частицы полистирола, поропластов, алюминиевую пудру, которые могут рассеивать падающий на них свет. Отражённый или рассеянный частицами луч света падает в приёмник светового сигнала, который регистрируется самописцем. Лазерные Доплеровские измерители используются в лабораторных условиях для точных измерений. Они не связывают возмущения в потоке и не требуют тарировки.

7.4.5

Ультразвуковой измеритель

Датчики, позволяющие посылать и принимать ультразвуковые импульсы, устанавливают под свободной поверхностью воды у берегов с некоторым смещением по длине потока. Осреднённые скорости по ширине потока U_L определяют при погружении датчиков под свободной поверхностью на глубину l:

U_L = (B / 2 * sinα * cosα) * (l / t₁ – l / t₂), где:

B - ширина потока;

t₁ и t₂ – время прохождения звуковым импульсом расстояния от A к B и обратно.

(рисунок)

Измерив скорости при различных длинах l и глубины потока, можно рассчитать среднюю скорость всего потока.