1578

относительно большего сопротивления у них. В соответствии с уравнением Бернулли, возникает некоторый перепад уровней в поперечном сечении потока: они выше у берегов и ниже в средней части реки. В итоге появляются вторичные течения в виде двух винтовых потоков, где поверхностные скорости направлены от берегов к оси, а донные – в обратном направлении. Это искажает траектории поверхностных поплавков, сбивая их к стрежню реки. Но это искажение заметно на длине в несколько километров, что гораздо больше участка гидрометрических работ.

Глубинный поплавок (рис. 9) должен быть немного тяжелее воды: проваренный в олифе деревянный шар или крестовина, бутылка, заполненнаябольше, чем дляповерхностного поплавка.

Рис. 9. Глубинные поплавки:

а – из деревянного шара; б – из бутылки; в – из деревянной крестовины

На нужной глубине его удерживает поверхностный поплавок, соединённый с глубинным тонкой нитью. Поверхностный поплавок является указателем планового положения глубинного поплавка. Обычно поверхностный поплавок-указатель делают в 4÷5 раз меньше глубинного

43

и придают ему плохообтекаемую форму с высоким коэффициентом сопротивления.

Глубинные поплавки наиболее эффективны при измерении скоростей до0,15 м/с, которыене всегда можно замерить вертушкой.

Обычная длинаучастковпоплавковых наблюдений:

Участок наблюдений выбирается так, чтобы около 2/3 его протяжения располагались выше и примерно 1/3 ниже трассы мостового перехода. Запуск поплавков осуществляют в пусковом створе, который находится на 5÷10 м выше первого верхового гидроствора. Это необходимо для того, чтобы перед вхождением в створ поплавок уже приобрёл реальную скорость течения потока.

При запуске стараться распределить поплавки равномерно по всей ширине потока.

Число поплавков в каждом наблюдении должно быть не меньше:

Поплавкипускают последовательно по одному.

Плановое положение поплавка в гидростворе устанавливают засечкой кипрегеля при мензульной съёмке, фиксируют горизонтальным углом между базисной линией и нахождением поплавка в гидростворе теодолитом или буссолью, закреплёнными на репере магистрали (базиса). Одновременно секундомером определяется время прохождения поплавком расстояниямежду створами.

44

Всплывающие поплавки-интеграторы используют для определения средней скорости потока на вертикали. Их изготавливают в виде лёгких шариков диаметром 30÷35 мм из дерева, целлулоида, пенопласта и т.д., используют лёгкие жидкости, например нефтяные масла, или пузырьки закачиваемого по шлангу воздуха. Как и глубинные поплавки, поплавки-интеграторы чаще всего применяют для измерения малыхскоростей (до 0,2м/с).

Метод жидких поплавков-интеграторов в сочетании с аэрофотографированием выхода поплавков на поверхность воды обеспечивает определение поверхностных скоростей потока с точностью

2÷3%.

При сильном ветре производство поплавковых работ не допускается.

Гидрометрическая вертушка – прибор для определения скорости течения жидкости до 5 м/с, частота вращения ротора которого определяется кинетической энергией набегающего потока. Существует много типов вертушек, отличающихся конструкцией разных частей. Однако любой тип вертушки обязательно включает следующие основные части:

–лопасти и крылья;

–ось, к которой крепится лопасть;

–подшипники для закрепления оси, позволяющие вращаться с минимальным сопротивлением;

–корпус, в котором помещается ось с подшипниками, и приспособление для счёта числа оборотов вертушки, которым вертушка крепится к штанге или тросу;

–приспособление для регистрациичисла оборотов вертушки.

Принцип действия гидрометрической вертушки можно продемонстрировать на примере вертушки марки Ж-3 конструкции Н.Е. Жестовского (рис.10).

45

заменяется скоростью движения самой вертушки.

Вертушечные наблюдения скоростей течения производятся по гидрометрическому створу. На реках с весенним половодьем наблюдения производятся после окончания ледохода, а на реках с летними паводками

– с момента подъёма уровня воды. Наблюдениями должны быть охвачены подъём уровня воды, пик паводка и его спад до межени. Все вертикали данного гидроствора должны быть обработаны в течение одного рабочего дня.

Различают два способа измерения скоростей гидрометрической вертушкой: точечный и интеграционный. Вертикали, на которых измеряют вертушкой местные скорости в отдельных точках или интеграционно среднюю по глубине скорость, называют скоростными вертикалями. Скоростные вертикали следует назначать равномерно по ширине гидрометрического створа, чтобы учесть изменение поля скоростейпо всему живому сечениюпотока.

Обычно скоростные вертикали совмещают с промерными, где измерялись предварительно глубины, но их берётся значительно меньше, чем промерных. Число скоростных вертикалей зависит от ширины реки и способаизмерения.

Так при детальном способе, который даёт наиболее полное описание кинематики потока, рекомендуют назначать количество вертикалей в следующих пределах:

Шаг скоростных вертикалей на поймах больше, чем в русле, но не реже, чем через 2 промерных вертикали.

Точечный способ заключается в записи сигналов вертушки или

47

показаний счётчика импульсов и общей продолжительности измерения скорости в точке. Количество точек зависит от глубины скоростной вертикали, которая называется рабочей глубиной (h) и состоянии русла

(табл. 2).

Заглубление вертушки рассчитывается относительно её горизонтальной оси. Положение вертушки «у поверхности» предполагает полное погружение лопастного винта под воду плюс 2 см. Положение вертушки «у дна» предполагает погружение лопастного винта на глубину, которая позволяет свободное вращение лопастей без захвата донного грунта. Как правило, это составляет 10 см от свободной поверхности и 10 см ото дна реки. При работе вертушки на тросе с грузом нижняя точка измерения у днаудаляется на15÷40см.

В зависимости от количества точек на скоростной вертикали выполняют одноточечный замер, трёхточечный замер, пятиточечный замер или шеститочечный замер.

При глубинах до 3,0 м вертушку крепят на штанге. В этом случае удобно определить положение вертушки не от свободной поверхности, а от дна по рискам на штанге (отсчёт по штанге). Глубина погружения

48

вертушки на тросе определяется или по разметке на последнем или по счётчику лебёдки с учётом превышения её стрелынад уровнем воды.

Согласно основному способу число скоростных вертикалей сокращается до 5, и число точек измерения на каждой из них – до 2 3. Условием применения основного способа является совпадение 20÷30 значений расхода основного и детального способов с погрешностью до ±3% в пределах годичного колебанияуровней.

Сокращённый способ применяется при частых и быстрых измерениях, например, при неустановившемся движении. При этом число точек сокращается до двух с координатами 0,2h и 0,8h. В заросшем русле и подо льдом берутся 2 3 вертикали с глубиной погружения вертушки на

0,15h; 0,5h; 0,85h.

Непосредственно в ходе измерений на скоростной вертикали фиксируется следующее:

–состояние погоды и реки: ветер, ледоход и т.д.;

–уровень воды в начале и конце работ; резкие изменения уровня требуют его измерения в начале и конце работ на каждой скоростной вертикали;

–рабочая глубина на скоростной вертикали (зимой дополнительно измеряется толщина снега, льда, шуги и т.д.);

–глубины погружения промерных точек;

–время между отдельными сигналами контактного устройства вертушки или полное время точечного наблюдения современными измерителями скорости.

Период времени нахождения вертушки на точке рекомендуется сохранять 60 с и более, т.к. после опускания вертушки в точку на заданную глубину лопастному винту необходимо некоторое время для преодоления сил инерции. Как правило, это обеспечивает определение скоростис точностью до 2%.

49

В настоящее время разработаны гидрометрические вертушки, в комплект которых входит устройство, самостоятельно преобразующее угловую скорость лопастного винта в линейную. Что позволяет значительно облегчить трудоёмкий процесс определения скорости, сохранив достаточную точность измерений.

Измеритель скорости потока ИСП-1 имеет в составе гидрометрическую вертушку с двумя лопастными винтами (диаметры 70 мм и 120 мм) и преобразователь сигналов вертушки ПСВ-1. Преобразователь при работе с вертушкой:

–считает и отображает количество оборотов лопастного винта вертушкиза произвольный интервалвремени;

–вычисляет и отображает частоту вращения лопастного винта вертушки, усреднённую за время измерения;

–вычисляет и отображает среднюю скорость водного потока за время измерения;

–отображает времяизмерения;

–выдаёт визуальные сигналы для оповещения оператора о вращении лопастного винта вертушки;

–вырабатывает акустический сигнал при нажатии любой кнопки преобразователя.

Гидрометрическая вертушка ИСП-1 применяется в качестве датчика, преобразующего скорость набегающего водного потока в частоту импульсов выходного электрического сигнала вертушки и определяет скорости в диапазоне от 0,03м/с до5,0 м/с.

Гидрометрическая микровертушка ГМЦМ – 1 при диаметре лопастного винта 0,025 м, изготовленного из высокопрочной водостойкой пластмассы, измеряет скорость в диапазоне от 0,05 м/с до 4,0 м/с. В комплект вертушки входит блок измерительной информации, на жидкокристаллическом индикаторе которого отображается осреднённая за 35 с величина скорости. В последней модификации ГМЦМ-1 2010 года

50

добавлена функция передачи данных измерений на компьютер через USB-порт при помощи кабеля. Данные мгновенных осреднённых скоростей накапливаются в файле с указанием даты и времени момента измерения.

7. ОПРЕДЕЛЕНИЕРАСХОДА ВОДЫ В РЕКЕ

Расход воды в реке можно определить как объёмное количество жидкости, проходящее через живое сечение (гидроствор) в единицу времени. Существует несколько методик определения расхода, и большинство из них основано на измеренных глубинах в живых сечениях и скоростях потока.

Метод «скорость – площадь» является разновидностью косвенных измерений расхода воды. При этом в результате наблюдений в фиксированном гидрометрическом створе определяются следующие элементы расхода:

–глубины на промерных вертикалях и их удаление от постоянного начала по линии гидрометрического створа, для определения площади живого сечения (с точностью до трёхзначащих цифр, но не точнее 1см);

–продольные (нормальные к гидрометрическому створу) составляющие средних скоростей течения на вертикалях или распределённые по ширине русла поверхностные скорости, на основе которых рассчитываются средние скорости в отсеках между ними (с точностью до трёх значащих цифр, ноне точнее 1см/с).

Расход воды вычисляют по его элементам одним из следующих способов (с точностью до трёх значащих цифр):

– аналитическим методом, как сумму частных расходов воды, проходящих через отсеки живого сечения потока, ограниченные скоростными вертикалями;

51