Определение расходов воды в реке
Большое внимание на гидрологических станциях уделяется измерению расхода воды.
Расходы жидкости определяются различными способами, в основном зависящими от вида движения жидкости (напорное или безнапорное) и величины расхода. Самые точные способы - весовой и объёмный способы, которые изучались в курсе «Гидравлика», однако они применимы только для определения малых расходов жидкости. Для измерения расходов напорных потоков применяются диафрагмы, трубки Вентури, расходомеры.
В условиях речных потоков чаще всего применяется способ, основанный на измерении местных скоростей и глубин, по которым подсчитывается расход, так называемый метод «скорость – площадь» (рис. 6.2.3.1).
Рис. 6.2.3.1. Определение расходов воды в реке методом «скорость-площадь»
На водотоках с повышенной турбулентностью целесообразно применять метод смешения, заключающийся во введении в поток раствора-индикатора и измерении его концентрации в створе полного перемешивания. На небольших водотоках устраиваются гидрометрические сооружения, представляющие собой водосливы, гидрометрические лотки, искусственные контрольные сечения, водомерные насадки и др. В ирригации применяются водомеры-автоматы. Для определения расходов используются и сами гидротехнические сооружения (например, расходы на ГЭС могут быть установлены по рабочим характеристикам турбин).
При использовании метода «скорость-площадь» река по ширине разбивается на участки, так называемыми промерными вертикалями. На каждом участке измеряют площади водного сечения и средние скорости течения потока и в последующем определяют расход воды в реке с использованием зависимости:
Q = w(i-1) Vср(i-1) + wi Vсрi + w(i+1) Vср(i+1) + …;
где Q – расход воды в заданном створе реки, м3/с;
wi – площадь водного сечения (живого сечения) между промеренными вертикалями глубины, м2;
Vсрi – средняя скорость течения воды в данном отсеке между промерными вертикалями, м/с.
Иногда применяют ускоренный метод определения расхода воды, используя зависимость:
Q = K w Vпов;
где Q – расход воды, м3/с; K – коэффициент, принимаемый равным 0,85; Vпов – поверхностная скорость течения воды, м/с; w - площадь водного сечения, м2, которая определяется по формуле
W = 2/3 B Hмакс.
Здесь B – ширина реки, м; Hмакс – максимальная глубина в данном створе, м.
Для небольших потоков (ручьев) можно соорудить специальные мерные водосливы, чтобы определить их расход воды. Расход воды через трапецеидальный водослив определяется по формуле
Q= 1,86 b H3/2.
Здесь b – ширина мерного водослива понизу; H – глубина потока на водосливе.
Для треугольного водослива
Q= 1,4 b H5/2.
Здесь H – глубина потока на водосливе.
Определение расходов воды речных потоков аэрогидрометрическими методами
Возможность измерений с самолета таких характеристик потока, как его глубина, скорость и расход воды, - большое достижение науки в данной области.
Определения глубин. Существуют две методики определения глубин: первая - с применением буйковой системы(рис. 6.2.4.1), состоящей из груза (якоря), к которому прикреплены на прочных нитях различной длины два буя; вторая - по расходу на вертикали q, измеренному поплавком-интегратором.
По первой методике буйковая система, сброшенная с самолета, погружается на дно потока Оба буя всплывают на поверхность воды и удерживаются нитями на некотором расстоянии l друг от друга. По этому расстоянию, измеренному с помощью аэрофотосъемки, и длине нитей L1 и L2 определяют глубину потока на вертикали
Расстояние l1 или l2 определяет положение вертикали, на которой определяют глубину потока h; l2-l1=/ - расстояние между буями.
Положение вертикали с глубиной h фиксируется расстоянием l1 или l2, где
Решая треугольники 123 и 124, получим:
Желательно, чтобы параметры буйковой системы были L2/L1= 2-3; L1/h > 1.
Рис. 6.2.4.1. Схема для определения глубин с помощью буйковой системы
Практически значения L1h не превышают 1,5. Буи всегда должны находиться над поверхностью воды. Средняя квадратичная погрешность измерения глубин этим способом составляет 8-10 %.
По второй методике расстояние, на котором всплывает поплавок-интегратор от места его выпуска, определяют аэрофотосъемкой. Расход на вертикали, как это следует из теории поплавка-интегратора, q=ωl= uсрh. Среднюю скорость на вертикали uср представим как
иср= К1uмакс,
где uмакс - cкорость на свободной поверхности воды;
коэффициент К1 приближенно принимают равным 0,85.
Следовательно,
ωl =K1uмаксh, откуда
Скорость всплывания поплавка-интегратора известна (ее заранее находят опытным путем), l и uмакс определяют с помощью аэрофотосъемки.
Определение скорости течения и расходов воды. Скорости течения и расходы воды могут быть определены тремя способами:
1) с помощью аэрометодов измеряют кинематику потока на его свободной поверхности. Глубины измеряют наземными средствами;
2) кинематику потока измеряют на его свободной поверхности аэрометодами. Глубины измеряют также аэрометодами (с применением буйковых систем);
3) измеряют с самолета расходы воды на вертикалях (интеграционным способом).
Сущность первого способа заключается в последовательном фотографировании с самолета или вертолета перемещающихся поплавков. Аэрофотосъемку выполняют так, чтобы на снимках получилось изображение берегов и неподвижных контурных точек. Продольное перекрытие между снимками должно составлять около 60 %.
Если один из аэрофотоснимков сделан в момент времени t1, другой - в следующий момент t2. то разность t2-t1=∆t представляет собой интервал времени между экспозициями.
За время ∆t изображение поплавков (1, 2, ..., п на одном снимке; 1', 2', ..., п’ на другом снимке) под влиянием течения воды сместится. Смещение поплавков составит:
l’1- l1= ∆l1; l’2- l2 = ∆l2, ..., 1'п- ln= Δln.
Скорость движения поплавка
uмакс= m ∆l/∆ t,
где т - масштаб аэрофотосъемки, равный отношению высоты полета Н к фокусному расстоянию аэрофотокамеры f.
Следовательно, uмакс= ∆lH/∆ tf.
Высоту измеряют при помощи радиовысотомера с погрешностью, не превышающей 2-3 м. Время t определяют с точностью до 0,1 с.
Последовательное фотографирование изучаемого участка реки с самолета позволяет по смещению соответствующих точек 1 и 1', 2 и 2' , ..., п и п’ построить план течений, так как линии перемещения указанных точек являются траекториями движения поверхностных поплавков.
Для маркировки поверхности воды применяют поплавки, выпускаемые с судна, листы белой бумаги, сбрасываемые с самолета, льдины во время ледохода, пятна машинного масла, сброшенного с самолета в стеклянных ампулах.
При масштабе аэрофотосъемки 1:5000, скорости течения воды 1-2м/с, скорости ветра 2-3м/с, примерно симметричном распределении скоростей и глубин относительно центра аэрофотосъемки средняя квадратичная погрешность определения расходов в основном русле составляет 5-6 %. При соблюдении этих же условий, но для поймы при скоростях 0,1-0,5м/с погрешность возрастает до 10-12 % .
Аэрогидрометрический метод определения расходов воды в реках.
В основные уравнения для расхода Q=ωV входят кинематические элементы потока. Это дает возможность более эффективно использовать аэрогидрометрические методы.
При измерении скоростей поверхностными поплавками расход воды Q определяют по средним поверхностным и наибольшим скоростям по формулам:
Q=K1ωVпов; Q=K2ωvмакс,
где K1 и K2 – переходные коэффициенты (при рекогносцировочных обследованиях рек принимают средние значения K1= 0,85 и К2= 0,65); Vпов – средняя поверхностная скорость; vмакс - наибольшая поверхностная скорость; ω – площадь водного сечения.
Точность определения расходов гидравлико-гидрометрическим способом ниже, чем при измерении скоростей вертушками во всем живом сечении.