6.6. Измерение расхода наносов

И СОДЕРЖАНИЯ РАСТВОРЕННЫХ В ВОДЕ ВЕЩЕСТВ

При изучении режима наносов и растворенных веществ изме­ряют мутность и ее изменение в пространстве и во времени, зерно­вой состав влекомых наносов и количество растворенных веществ.

Одним из методов определения мутности является отбор проб воды с последующим фильтрованием и измерением массы сухого осадка на фильтре. Могут измеряться мгновенные и осредненные по времени значения мутности, что обычно практикуется при сроч­ных наблюдениях на речных гидрометрических станциях и постах. При научных исследованиях на море мгновенные значения мутно­сти измеряют при взятии проб воды.

Для отбора проб воды с целью измерения мутности, содержания растворенных веществ и т. д. применяют специальные приборы — батометры. При измерении мгновенной мутности в реках использу­ют батометр Н. Н. Жуковского, представляющий собой цилиндр с двумя крышками на пружинах. Батометр с открытыми крышками опускают в заданную точку потока и устанавливают горизонталь-

* На вертикальной оси отмечаются значения Q, на горизонтальной — значе­ния Н.

7* 195

но и параллельно направлению течения. По команде наблюдателя крышки захлопывают и батометр извлекают из воды.

Для определения средней мутности в заданной точке потока ис­пользуют батометры длительного наполнения: батометры-бутылки и вакуумные батометры. В первом случае это широкогорлые литро­вые бутылки, в пробку которых вставлены две трубки: одна — для забора воды, направленная навстречу течению, вторая — для отво­да воздуха, изогнутая по течению.

Вакуумный батометр основан на принципе всасывания воды че­рез заборный наконечник с помощью насоса. Наконечник прикреп­ляют к грузу и опускают в поток в заданную точку открытым кон­цом навстречу течению. Через соединительную трубку вода посту­пает в вакуумную камеру, где поддерживается постоянный вакуум, обеспечивающий равенство скорости всасывания воды с местной скоростью течения. Объем камеры может быть 1,3 и 6 л. Взятую пробу можно фильтровать непосредственно из камеры, соединив ее с фильтровальной установкой и создавая в камере избыточное дав­ление (не более 0,981 Па).

При измерении расхода взвешенных наносов берут пробы на мутность на скоростных вертикалях, единичные пробы для установ­ления связи мутности единичной пробы со средней мутностью реки и пробы для определения зернового состава наносов. Пробы на мутность для определения расхода берут точечным, суммарным и интеграционным способами.

При точечном способе пробы отбирают в отдельных точках на скоростных вертикалях, причем число точек изменяется от 5 до 1 с уменьшением глубины на вертикалях.

При мутности реки менее 50 г/м³ можно применить суммарный способ — пробы, взятые в двух точках на каждой вертикали (на 0,2d и 0,8d), сливаются вместе и определяется средняя мутность. Если мутность реки менее 20 г/м³, то пробы сливаются со всех то­чек живого сечения и определяется средняя мутность реки.

Интеграционный способ заключается в том, что проба воды за­бирается при равномерном перемещении батометра вниз и вверх по вертикали. При этом мутность осредняется по вертикали. Спо­соб рекомендуется использовать при неустановившемся движении, когда требуется быстро определить мутность на вертикали. При мутности реки менее 20 г/м³ пробы со всех вертикалей сливаются вместе и определяется средняя мутность реки.

Мутность (кг/м³) проб вычисляют по формуле

(6.14)

где т_ац — масса наносов в пробе, кг; V — объем пробы, м³.

Расход взвешенных наносов вычисляется по данным измерений мутности графическим или аналитическим способом.

При графическом способе строят эпюры мутности на вертика­лях, вычисляют единичные расходы наносов в точках измерения мутности и скорости, строят зпюры единичных расходов наносов

196

и вычисляют элементарные расходы на вертикалях, по которым вы­черчивают кривую изменения элементарных расходов наносов по ширине реки. Площадь между этой кривой и поверхностью воды численно определяет общий расход наносов R (кг/с).

Аналитический метод определения расхода применяют при из­мерении мутности в двух и в одной точке по вертикали; при измере­нии расхода в пяти точках аналитический метод дает меньшую точ­ность, чем графический.

Сток взвешенных наносов находят либо исходя из зависимости средней мутности S от местной мутности S,, либо исходя из зави­симости расхода наносов R от расхода воды Q. В первом случае строят график 5,=/[(Г) и сопоставляют с гидрографом Q=f₂(T), где Т — время. Точки с резким отклонением от общей закономерности S_t—f\(T) исключают. По графику S,=/₃(S) нахо­дят ежедневные S и R = SQ и строят график 7? = /₄(7') —гидрограф взвешенных наносов. Площадь, ограниченная этой кривой, числен­но равна стоку взвешенных наносов W_aii за определенный период времени.

Если связь S=h(S_t) неоднозначна, то используют связь R и Q. Определив R=f(,(Q) по ежедневным Q, находят ежедневные R и подсчитывают сток W_aii аналогично расчету стока воды.

При измерении концентрации взвешенных наносов в морских условиях, а также в водохранилищах и озерах для отбора проб во­ды используют батометры мгновенного действия (см. ниже) и ва­куумные батометры. Принципиальное отличие первых от ва­куумных батометров, описанных выше, заключается в том, что за­борный наконечник выполнен в виде двух горизонтальных пластин с зазором между ними. Это обусловлено знакопеременной скоро­стью движения жидкости при волнении. Кроме того, скорость вса­сывания принимается в З...3,5 раза меньше скорости жидкости. Это объясняется инерционностью взвешенных частиц, что проявляется при их колебательном движении. Опыт работ по определению мут­ности воды при волнении показал, что осреднение пробы взвешен­ных насосов реализуется за время, равное примерно 100...120 сред­ним периодам волнения. При этом работа с батометрами осложня­ется, особенно с батометрами мгновенного наполнения (большое число подъемов в одной точке).

Расход влекомых наносов в реке измеряют донными батометра­ми, которые представляют собой различной конструкции сетки или ящики с двумя открывающимися стенками, устанавливаемые на дне потока *. Расход донных наносов измеряют на тех же вертика­лях, на которых определяют скорости и расход взвешенных нано­сов. В год производят не менее 10 измерений, большинство из них в период паводков и половодья.

* Точность измерения расхода донных наносов невысока, так как установ­ленный на дно реки батометр, имеющий относительно большие размеры, изме­няет поле скоростей в придонном слое и, следовательно, режим движения на­носов.

197

При наличии на дне грядовых форм донные батометры следует устанавливать на верхнем (пологом) скате вблизи гребня гряды.

Батометры выдерживаются в потоке определенное время, затем извлекаются из потока. Массу наносов и элементарный расход на­носов для каждой вертикали определяют по формуле

(6.15)

где m_aii,i—масса наносов, кг; Т — время выдерживания батометра на дне, с; / — ширина входного отверстия батометра, м.

Полный расход донных наносов (кг/с) определяют по формуле

(6.16)

где Г; — элементарные расходы наносов на вертикали, кг/ (м- с); bi, Ь₂, ... , Ъ_п~\ — расстояние между вертикалями; Ь₀, Ъ_п — расстояние от крайних вертикалей до границ движения наносов (обычно вбли­зи уреза движения донных наносов не наблюдается).

Для вычисления стока наносов определяют связь между расхо­дом донных наносов и расходом воды R = f(Q) и по ежедневным расходам Q определяют ежедневные расходы R и подсчитывают сток наносов за определенный период времени, например за год.

Наиболее достоверное представление о расходе влекомых нано­сов в береговой зоне морей, озер и водохранилищ можно получить в результате систематических промеров и сопоставления между со­бой построенных профилей пляжа — надводного и подводного, рас­сматриваемых в хронологическом порядке.

Для измерения количества растворенных веществ в воде отби­рают специальные пробы. В реках ввиду интенсивного турбулент­ного перемешивания растворенные вещества распределены по се­чению реки достаточно равномерно. Поэтому пробы воды берут только с поверхности воды специальным мерным ведром, ополас­кивая его 2...3 раза перед взятием пробы. В морях, озерах и водо­хранилищах пробы воды берут как с поверхности, так и с различ­ных горизонтов. Для отбора проб воды в озерах, водохранилищах и в береговой зоне моря могут быть использованы батометр И. В. Молчанова (рис. 6.13) и опрокидывающийся морской бато­метр БМ-48 *, который получил наибольшее распространение в практике морских гидрометрических работ (рис. 6.14).

Пробы, отобранные в реке, отправляют в лабораторию, где про­водят полный химический анализ воды. Определяют содержание катионов (Са+, Mg²+, N+, К+) и анионов (НС0₃~, S0₄²-, С1~, NO₃ , NO₂~), сумму ионов и все виды щелочности.

* Кроме батометра БМ-48 используют в морской гидрометрии и батомет­ры других типов.

198

Массу растворенных веществ (сухого остатка) в единице объ­ема называют минерализацией воды а (кг/м³) и вычисляют по формуле

(6.17)

где mdr.r — масса сухого остатка, кг; V — объем пробы, м³. Расход растворенных веществ

(6.18)

Ежедневные расходы растворенных веществ определяют по еже­дневным расходам воды и значениям минерализации воды, вычис-

Рис. 6.13. Батометр И. В. Молчанова:

/ — втулки; 2 — головка; 3 — собачки; 4, 16 — втулки; 5, 11 — верхнее и нижнее ос­нования; 6 —кронштейн; 7 — ось; 8 — цилиндр; 9 — стяжки; 10, 23 — непрозрачные кольца; 12—резиновые прокладки; 13 — металлические диски (крышки); 14—кран; /5, 20 — ручки; 16 — планка; П — коромысло; 19 — резиновое кольцо; 21 — пружина;

22 — термометр

Рис. 6.14. Батометр БМ-48:

1—рычаг; 2—зажимное устройство; 3 — сбрасывающее устройство; 4 — пластинка; 5 — шток; 6 — направляющая пластинка; 7—спусковое устройство; 8 — крановые за­творы; 9 —сливной кран; 10 — латунный цилиндр; //— угольник; 12 — оправа; 13 —