6.4. Измерение скорости течения воды

Скорости течения в реках, озерах, водохранилищах и береговой зоне моря могут измеряться различными способами с помощью приборов разного типа и конструкции.

Способы измерения течений могут быть разделены на две группы: способы поплавочные, при которых для определения те­чения наблюдают за движением плавающих предметов, естест­венных или искусственных (поплавков), и способы вертушечные, при которых скорость течения определяют в фиксированной точке с помощью неподвижно установленных приборов по измерению давления потока воды на лопастные винты этих приборов.

Поплавочные способы позволяют получить пространственную картину течений в виде линий тока — траекторий движения по­плавков. Вертушечный способ позволяет определить значение ско­рости течения в данной точке в условиях моря и направление вектора скорости.

В рассматриваемых условиях (реки и береговая зона моря) широкое распространение получили свободно плавающие поплав­ки. Эти поплавки подразделяют на поверхностные и глубинные. Поверхностные поплавки представляют собой простейшие приборы в виде отпиленных от бревна кружков высотой 5...7 см, крестовины из поставленных на ребро досок и т. п. Для лучшей видимости на поплавках закрепляют яркие флажки и для повышения устой­чивости и снижения влияния ветра снизу крепят на тросике (или шнуре) соответствующий груз. Глубинные поплавки применяют для измерения скорости и определения течения на заданной глу­бине. Глубинные поплавки состоят из двух поплавков, связанных между собой; из них верхний находится на поверхности воды, а нижний — на заданной глубине. Верхний поплавок должен иметь некоторую избыточную плавучесть, его делают обычно из пробки или пенопласта, чтобы поддержать нижний поплавок в заданном

186

положении, который обладает небольшой отрицательной плаву­честью *.

Чтобы измерить поплавками скорость течения на реке, пред­варительно разбивают магистраль на берегу и четыре створа, расположенные по нормали к течению (рис. 6.7) и закрепленные створными знаками. Створы привязывают к' магистрали и измеряют расстояние L между створами. Поплавки выпускают поочередно (15...20 шт.). При прохождении поплавка через створ определяют его расстояние от магистрали b методом засечек угломерными инструментами. Зная время прохождения T_t поплавка от створа 2 до створа 4, находят y_max = L/r и, зная Ь, строят эпюру поверх­ностной скорости по ширине реки. Проделав аналогичную операцию на других створах, можно построить траекторию движения по­плавков.

Рис. 6 7. Схема измере­ния скоростей течения воды поверхностными по­плавками:

/ — пусковой створ; 2 -

Верхний створ, 3 — главный створ, 4 — нижний створ;

5 — магистраль

Данные наблюдений наносят на план­шет, определяют скорости и направления течения за выбранные интервалы времени, среднюю скорость и общее направление те­чения на участке наблюдений (между ство­рами).

Скорость течений на подповерхностных горизонтах определяют с помощью глубин­ных поплавков в том же порядке и теми же способами, что и при изучении поверхностных течений.

Среднюю скорость на вертикали u_v можно рассчитать с по­мощью поплавка-интегратора, имеющего плотность меньше плот­ности воды, что определяет скорость всплывания поплавка со' (эту скорость находят испытанием поплавка в спокойной воде).

Так как co'=/i//, то u_v = l/l; следовательно, чтобы вычислить u_v, надо измерить величину горизонтального сноса поплавка / и глубину потока h или время всплывания t.

Для измерения течений на реках и морях широко используют так называемые гидрометрические вертушки, которые конструк­тивно состоят из рабочего колеса с вертикальной или горизон­тальной осью вращения, корпуса, счетно-контактного механизма, хвостового оперения и в морской вертушке — указателя направ­ления течения. Датчиком скорости гидрометрической вертушки является рабочее колесо, частота вращения которого зависит от скорости течения п=п(и) или и = и(п). Зная число оборотов ра­бочего колеса N за Т секунд, можно найти n—N/T и по тари-ровочной кривой определить и.

Наибольшее распространение в практике измерения скоростей

Плавучесть — способность тела держаться на воде.

187

Рис. 6.8. Устройство гидрометрической вертушки ГР-55:

1 —• ось с контактным механизмом; 2 — червячная шестерня с двадцатью зубцами и штифтом; 3 — стопорный винт; 4 — вывод массы; 5- изолированный вывод (—); 6 — зажимные винты; 7 — корпус; 8—штепсельное гнездо; 9—токопроводящий стержень, изолированный от массы; W — зажимная муфта; // — радиальные шарикоподшипники; 12 — упорная втулка; 13 — осевая гайка; 14 — лопастный винт; 15 — стабилизатор на­правления

течения в реках получили вертушки с горизонтальной осью вра­щения ГР-55 Н. Е. Жестовского (рис. 6.8). Конструкция вертуш­ки подробно описана в специальной литературе [1, 3].

Вертушки типа ГР закрепляют на штанге при глубине до 3 м или на тросе при большей глубине. В последнем случае к вертушке подвешивают груз, чтобы уменьшить снос вертушки течением.

Измерения скорости течения вертушками можно производить точечным или интеграционным способом. При точечном способе скорость измеряют в строго фиксированной точке потока. При интеграционном способе измеряют осредненную скорость по ка­кому-либо направлению. Например, если гидрометрическую вер­тушку перемещать в потоке по вертикали, то можно сразу опре­делить среднюю скорость на вертикали. Более часто применяют точечный метод, который позволяет получить значения скорости потока в различных точках на вертикали и построить эпюру скоростей.

Наиболее часто измеряют скорость в пяти точках: у поверх­ности, на 0,2; 0,6; 0,8 глубины и у дна. При наличии ледяного покрова или растительности прибавляют шестую точку на глубине 0,4d.

При измерении скорости в пяти точках на вертикали среднюю скорость вычисляют по формуле

(6.3)

где Us, иь — соответственно измеренные скорости у поверхности и дна.

При наличии ледяного покрова или развитой водной расти­тельности в скобках добавляют член 2и₀,4 и коэффициенты при «о,2 и «о,з принимают равными 2.

Время измерения местных скоростей на вертикалях по стан­дарту СССР принято не менее 7₀=100 с при средних значениях величины турбулентной пульсации. На горных реках и у дна время измерения скоростей увеличивается и может достигать 10 мин.

Для измерения скорости течения реки с целью определения расхода выбирают гидрометрический створ-поперечник перпенди­кулярно среднему направлению течения реки в этом сечении.

В непосредственной близости от гидрометрического створа должны быть оборудованы водомерный пост и уклонные водо­мерные посты. Должны быть предусмотрены средства для про­ведения измерений на створе (гидрометрические мостики, плав­средства и т. п.). На гидрометрическом створе намечают поло­жение скоростных вертикалей, расстояние между которыми за­висит от ширины реки и профиля дна и составляет 2... 10 м для реки шириной менее 200 м и 20...50 м при ширине реки более 200 м. Скоростные вертикали закрепляют на местности различ­ными способами в зависимости от ширины реки. На скоростных вертикалях измеряют глубины, строят профиль дна реки и вы­числяют площадь живого сечения реки. По измерениям на уклон­ных водомерных постах вычисляют уклон поверхности воды. Ско­рость измеряют обычно одной гидрометрической вертушкой, после­довательно перемещаемой в различные точки вертикали. Предва­рительно на скоростной вертикали определяют уровни воды в начале и в конце работы на вертикали, глубины на вертикали (зимой — от нижней поверхности льда), далее вычисляют рабочую глубину и глубину погружения вертушки (см. выше).

По данным измерений скоростей на каждой вертикали строят эпюру скоростей, для чего в точках измерения откладывают в определенном масштабе значение скорости и концы векторов сое­диняют плавной кривой (рис. 6.9, б).

Распределение скоростей по живому сечению наглядно пред­ставляется линиями равных скоростей — изотахами. Для их пост­роения на вычерченном поперечном сечении реки наносят ско­ростные вертикали, в точках измерения скоростей выписывают их значения. Методом интерполяции проводят изотахи через рав­ные значения скорости, которые принимают 0,05...0,5 м/с в зави­симости от скорости течения (рис. 6.9, а). Расстояния между изо­тахами уменьшаются от поверхности ко дну в связи с увеличе­нием градиента скорости в этом направлении (рис. 6.9, б).

Полученные гидрологические и гидравлические характеристики потока (реки) позволяют перейти к определению расхода (см. §6.5).

В морских условиях скорости течений измеряют гидрометри­ческими вертушками и самописцами. Наибольшее распростране-

189

Рис. 6.9. Распределение скоростей и расходов в живом сечении безнапор­ного потока: а — изотахи, распределение скоростей и расходов; б — эпюра скоростей

ние при работах в береговой зоне получила вертушка морская модернизированная (ВММ), которая является концевой вертуш­кой одноразового действия — после каждого измерения ее подни­мают для снятия отсчетов и перезарядки (рис. 6.10). В отличие от ГР-55 вертушка ВММ, закрепленная всегда на тросе, свободно вращается на оси. Снизу к вертушке подвешивают тяжелый (ме­таллический) поддон. Так как морские течения характеризуются сильной изменчивостью по направлению в отличие от течения в реках, то в морской вертушке предусмотрены пусковой механизм и приспособление для определения направления течений. Частота вращения винта фиксируется специальным счетчиком, который за­пускается от удара посыльного груза по втулке, передающей уси­лие на спусковой стержень. Вертушка на заданном горизонте выдерживается достаточное для осреднения показаний время, но не более 15 мин, после чего посылается второй груз, который выключает счетчик оборотов. Время между посылками грузов фик­сируется, что позволяет вычислить частоту вращения винта в единицу времени и по тарировочной кривой определить скорость течения. Направление течения определяют по компасной коробке, которая разделена высокими перегородками на 36 отсеков. Маг­нитная стрелка, вращающаяся на иголке, имеет в центре верхней части углубление и желобок на ее северном конце. Через опре­деленное число оборотов с помощью специального механизма по

190

Рис. 6.10. Морская вертушка ВММ:

1 — латунная рама; 2 — вертикальная ось, 3, 16 — шарикопод­шипники, 4 — ушко для поддона, 5 — кронштейн; 6 -^ компас­ная коробка; 7, 11 — консоли, 8 — защитное кольцо; 9 — откид­ная штанга, 10 — арретир, 12 — спусковой стержень; 13 — втул­ка, 14 — прорезь для троса; IS — руль; 17 — приливы рамы; 18— барабан, 19 — счетчик оборотов; 20 — лопастный винт

магнитной стрелке скатывается латунный шарик диаметром 3 мм и попадает в соответствующий сектор. Характер рассеивания ша­риков по секторам позволяет судить о среднем направлении век­тора скорости течения.

Дальнейшая обработка данных по измерению морских течений зависит от поставленной задачи, что подробно излагается в спе­циальной литературе [1, 3].