Вимiрювання глибин, швидкостi течiї та розрахунок витрати води в водостоцi.

Мета: навчитись будувати поперечний профiль русла потоку i розраховувати його морфометричнi показники; визначати швидкiсть течiї за допомогою поверхневих поплавкiв та гiдрометричних млинків; розраховувати витрати води.

Визначення витрати води Q в даному створi рiчки, каналу чи iншого водостоку є однiєю з основних задач гiдрологiї та гiдрометрiї. Як вiдомо

Q = V ω (м³/с), де (3.1)

V - середня в потоцi швидкiсть течiї, м/с

ω – площа живого перетину потоку, м².

Отже для визначення витрати потрiбно знати ω i V.

Для визначення ω поперек русла через певну вiдстань замiряють глибини потоку, якi при ухилi дна до 10⁰ практично дорiвнюють вiдстанi по нормалi вiд дна до вiльної поверхнi води. Число промiрних вертикалей при ширині ріки до 50 м не перевищує 10. Якщо дно плавне, число замiрiв зменшують, якщо має багато переломiв рельєфу дна – збiльшують (рис.3.1)

На основi замiрiв будують поперечний профiль рiки. Для визначення площi живого перетину ω, а також інших морфометричних характеристик русла - протяжностi змоченого периметру χ і гідравлічного радіусу R перетин потоку розбивають на прямокутнi трикутники i трапецiї i визначають ω і χ як суму площ правильних геометричних фігур.

R = ω / χ (м) (3.2)

Cередню швидкiсть потоку V визначають поверхневими поплавками або гiдрометричними вертушками.

1. Визначення швидкості течії та витрати за допомогою поверхневих поплавків.

Спосiб поверхневих поплавкiв використовують при невеликих швидкостях течiї i вiдсутностi млинків. При цьому вибирають дiлянку рiки з прямолiнiйним руслом i на нiй перпендикулярно до течiї розбивають три створи: верхнiй, середнiй i нижнiй. Вище верхнього створу пускають по черзi 10 поплавкiв i фiксують час проходження ними верхнього i нижнього створу (рис.3.2). На час проходження поплавками шляху будуть впливати рiзнi фактори (вiтер, хвильовi явища, збурення течiї та iн.), гальмуючи їх швидкiсть. Для розрахункiв беруть два поплавки, час яких найменший, i розраховують двi найбiльшi швидкостi поплавкiв: V₁ i V₂.

Поверхнева швидкiсть потоку V_п = (V₁ + V₂)/2; (3.3)

Як вiдомо, середня швидкiсть потоку у всьому живому перетинi V_с менша, нiж поверхнева за рахунок гальмуючого впливу дна русла. Тому

V_с = V_п k; (3.4)

Коефiцiєнт k = C/(C+14), де (3.5)

С - швидкiсний коефiцiєнт формули Шезi.

Для визначення С запропоновано цілий ряд формул, найчастіше застосовується формула Маннiнга:

, де (3.6)

Використовується також формула Базена:

, де (3.7)

В цих формулах

R - гiдравлiчний радiус.

n, n_б - коефiцiєнти шорсткостi дна, беруться з таблиць, причому абсолютні значення n і n_б значно відрізняються, тому слід бути уважним при їх застосуванні.

Значення n приведені в таблиці 3.1.

Рис. 3.1. Розташування промірних вертикалей в створі річки.

Рис. 3.2. Вимірювання поверхневої швидкості течії поплавками.

Таблиця 3.1

Значення коефiцiєнту шорсткостi дна n для природних рiвнинних водостокiв

Кате- горiя	Характеристики русла	n
1	Прямолiнiйнi дiлянки каналiзованих рiчок в щiльних грунтах з тонким шаром мулистих вiдкладень.	0,020
2	Звилистi дiлянки каналiзованих рiчокк в щiльних грунтах з тонким шаром мулистих вiдкладень	0,022
3	Природнi землянi русла в сприятливих умовах, чистi i прямi, з спокiйною течiєю.	0,025
4	Русла з гальки i гравiю в цих же умовах.	0,030
5	Русла постiйних водостокiв, переважно великих i середнiх рiчок в сприятливих умовах стану ложа i течiї води .	0,035
6	Порiвняно чистi русла постiйних водостокiв в звичайних умовах, звилистi або з деякими неправильностями в напрямi струмин або ж прямi, але з неправильностями в рельєфi дна (мiлини, промоїни, мiс-цями камiння). Незарослi рiвниннi заплави	0,040
7	Русла великих i середнiх рiчок, значно засмiченi, звивистi i частково зарослi, кам'янистi з неспокiйною течiєю. Заплави великих i середнiх рiчок, порiвняно розробленi, вкритi нормальною кiлькiстю рослинностi (трави, чагарники).	0,050
8	Русла перiодичних водостокiв, сильно засмiченi i звивистi. Порiвняно зарослi, нерiвнi, погано розробленi заплави рiчок (промоїни, чагарники, дерева). Порожистi дiлянки рiвнинних рiчок.	0,065
9	Русла i заплави значно зарослi (з слабою течiєю), з великими глибокими промоїнами	0,080
10	Заплави такi ж, як i в попереднiй категорiї, але з сильно неправильними косоструминними течiями.	0,100
11	Рiчки болотного типу (зарослi, купини, в багатьох мiсцях стояча вода та iн.). Заплави лiсистi з дуже великими мертвими дiлянками, з мiсцевими поглибленнями, озерами та iн.	0,140

Маючи попередньо розрахований R i вибравши з таблиць значення n, розраховують С, потiм k i Vc i нарештi витрату Q.