книги из ГПНТБ / Орлова, В. В. Гидрометрия учебник

масштабы вследствие неравномерности хода судна во время про­ меров. На каждой батиграмме в виде вертикальных линий пока­ заны места, где находилось судно иа профиле в момент засечек с берега.

Составление плана русла реки по батиграммам эхолота произ­ водится в такой последовательности: 1) на план наносятся маги­ страль и поперечные профили; 2) по засечкам с берега вычисля­ ются расстояния от магистрали до урезов воды и до промерного судна, эти расстояния откладываются на плане по линии соответствующего профиля; 3) на батиграмме проводятся горизонтальные линии через расстояния, рав­

Чтобы перенести положение изобат с линии АВ на план, посту­

пают следующим образом. На ленточку миллиметровой бумаги с плана переносятся точки засечек урезов левого и правого бере­ гов и положения промерного судна. Затем эта ленточка приклады­ вается к линии АВ точкой уреза левого берега и перемещается

параллельно вспомогательной линии до тех пор, пока точка первой засечки на ней не совпадет с линией аО. При перемещении лен­

точки нужно следить за тем, чтобы точка уреза левого берега на ней не сходила с линии АО. Место пересечения пунктирных линий

(линий глубин) с ленточкой отмечается на последней, как по­ казано на разорванной линии А'В'. Полученные точки дают

местоположение изобат на плане на участке от уреза левого бе­ рега до первой засечки.

Чтобы перенести на ленточку положение изобат между первой и второй засечками, ленточка передвигается параллельно линии АВ так, чтобы точка первой засечки на ней перемещалась по ли­ нии аО до тех пор, пока точка второй засечки на ленточке не сов­ падет с линией 60 , т. е. с линией второй засечки. Таким же

образом переносится на ленточку положение изобат между осталь­ ными засечками. Затем ленточка прикладывается к плану, совме­ щаются точки урезов и положение изобат переносится с нее на линию поперечного профиля.

Перенесение глубин с батиграммы эхолота на план может быть произведено также механическим способом с помощью специаль­ ных приборов и оптическим способом с использованием проектора.

План русла реки в изобатах составляется для судоходных це­ лей и для общей характеристики рельефа дна. Для проектирова­ ния гидротехнических сооружений и изучения деформации русла более удобны планы, составленные в горизонталях.

Г Л А В А П Я Т А Я

ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТЕЙ ТЕЧЕНИЯ

§ 34. Цель измерений. Скорость в точке

Скорость течения представляет собой путь, пройденный части­ цами воды за единицу времени; скорость измеряется в метрах за одну секунду (м/с).

Скорости течения обычно измеряются для вычисления расхода воды. Иногда измерения производятся в специальных целях, на­ пример в связи с устройством на реке мостов, плотин, дамб и дру­ гих гидротехнических сооружений, а также для нужд судоходства и лесосплава. В этих случаях часто одновременно с величиной скорости определяется и направление течения.

Движение воды в реках происходит неравномерно и имеет весь­ ма сложный характер. В различных точках живого сечения вслед­ ствие турбулентного режима потока скорости неодинаковы. Вели­ чина и направление скоростей течения зависят от многих факторов: от изменения глубин по длине и ширине реки, степени шероховатости дна и берегов, наличия водной растительности и ледяного покрова. Степень воздействия этих факторов не остается постоянной, поэтому в каждой точке потока скорость непрерывно меняется как по величине, так и по направлению. Это явление но­ сит название пульсации скорости.

В условиях открытого русла пульсация обычно увеличивается от поверхности ко дну. По ширине реки пульсация скорости умень­ шается при удалении от берегов. Величина пульсации увеличива­ ется с возрастанием шероховатости русла, и поэтому она меньше

100

в равнинных реках с песчаным руслом, чем в горных потоках, имеющих галечно-каменистое дно. По этой же причине пульсация скорости возрастает при ледяном покрове и при наличии в русле водной растительности.

В связи с явлением пульсации в каждой точке потока можно наблюдать мгновенную и осредненную (местную) скорости.

Мгновенной скоростью называется скорость, наблюденная в данный момент времени; величина и направление ее непрерывно изменяются.

Под осредненной скоростью понимают среднее значение из мгновенных скоростей, определенных в данной точке за достаточно длительный промежуток времени; эта скорость имеет более устой­ чивое значение. При гидрометрических измерениях обычно опре­ деляют осредненные скорости. В зависимости от пульсации про­ должительность измерения для получения величины осредненной скорости может быть 100 секунд и более.

§ 35. Распределение скоростей в потоке

Несмотря на разнообразие и изменчивость условий, определяю­ щих величины скоростей течения, существуют определенные зако­ номерности в их распределении по глубине и ширине реки.

Р а с п р е д е л е н и е с к о р о с т е й по г л у б и н е можно изо­ бразить графически, путем построения графика распределения

тикальной оси откладываются в определенном масштабе глубины,

При открытом русле наибольшая скорость обычно наблюдается у поверхности воды или несколько ниже нее, наименьшая — у дна (рис. 52 а) . От поверхности скорость уменьшается сначала мед­

ленно, а затем с некоторой глубины — быстро.

В общем случае молено считать, что скорости на вертикали яв­ ляются функцией глубины, однако в зависимости от шероховатости русла, продольного уклона водной поверхности, рельефа дна, ледо­ вых явлений и других факторов формы эпюры скоростей могут быть весьма различными.

При наличии ледяного покрова вследствие дополнительного тре­ ния воды о нижнюю поверхность льда распределение скорости по глубине иное, чем при открытом русле. Наибольшая скорость пе­ ремещается от поверхности к середине глубины потока; при этом чем больше шероховатость нижней поверхности льда, тем глубже

101

сопротивление, то максимальная скорость располагается ниже се­ редины вертикали (рис. 52в).

Значительная разница в распределении скорости по глубине наблюдается на плёсах и перекатах. В большинстве случаев наи­ большая скорость на перекатах располагается ближе ко дну, чем к поверхности воды, как это наблюдается на плёсах.

Рис. 52. Эпюры скоростей течения на вертикалях.

При наличии препятствий в русле или при резком поднятии дна эпюра скоростей имеет перегиб на высоте гребня препятствия, и ниже него скорости значительно уменьшаются; в ряде случаев ско­

линии равных скоростей— из от ах и. При открытом русле скоро­ сти увеличиваются ото дна к поверхности воды и изотахи имеют вид разомкнутых кривых (рис. 53 а). При наличии ледяного по­ крова скорости увеличиваются к середине потока и изотахи в ос­ новном имеют вид замкнутых кривых (рис. 53 б).

102

§ 36. Классификация приборов для измерения скоростей течения

Приборы для измерения скоростей течения по принципу их дей­ ствия можно разделить на следующие группы: 1) поплавки, 2) вер­ тушки, 3) динамометры, 4) электротермические приборы.

Все приборы, кроме поплавков, требуют специального испыта­ ния, называемого тарировкой, в процессе которого устанавлива­ ется зависимость между скоростью течения и тем или иным пока­ занием прибора.

Принцип измерения скоростей течения поплавками основан на определении расстояния L, пройденного поплавком вместе с теку­ щей водой, и соответствующего промежутка времени t. Скорость

течения при этом вычисляется по формуле

Вертушки являются основным прибором для измерения скоро­ стей течения. Измерение скорости вертушкой основано на исполь­ зовании зависимости скорости вращения лопастного винта под действием течения от скорости течения воды. При измерении ско­ рости течения определяется число оборотов лопастного винта за определенный промежуток времени, что позволяет вычислить число оборотов за одну секунду и по тарировочной зависимости вертушки найти скорость.

Динамометры — приборы, при помощи которых скорость тече­ ния определяется по величине давления, производимого массой движущегося потока. К наиболее распространенным приборам этого типа относятся гидрометрические трубки, широко применяе­ мые в лабораторных условиях.

Измерение скорости течения электротермическими приборами основано на определении некоторых физических свойств воды, из­ меняющихся с изменением течения. К приборам этого типа отно­ сятся термисторы, применяемые главным образом в лабораторных условиях. Для измерения скорости термистор включается в элект­ рическую мостовую схему. Помещенный в движущийся поток термистор охлаждается тем интенсивнее, чем больше скорость те­ чения. При изменении скорости меняется сопротивление, и по колебаниям тока в цепи устанавливается величина скорости.

Помимо указанных существует ряд других методов и приборов для измерения скорости течения, используемых преимущественно при научно-исследовательских работах в лабораториях.

§ 37. Поплавки

Поплавками можно измерить скорость в поверхностном слое, на различных глубинах и среднюю скорость на вертикали. В зави­ симости от устройства и назначения поплавки делятся на типы: 1) поверхностные, 2) глубинные и 3) поплавки-интеграторы.

103

форма поплавков могут быть различными. Наиболее распростра­ нены поплавки в виде кружков диаметром 8—30 см, высотой 2— 7 см, отпиленных от бревна. Поверхностными поплавками также могут служить бутылки, частично наполненные водой и закупорен­ ные пробкой с цветным флажком.

Для широких рек с большими глубинами поплавки изготавли­ ваются больших размеров в виде крестообразно соединенных до­ сок с подвешенным грузом. Во время ледохода поплавками могут служить отдельно плывущие льдины.

Размер и форму поплавков подбирают так, чтобы они как можно меньше возвышались над водой, не обладали большой па­ русностью и были хорошо видны с берега.

В настоящее время поверхностные поплавки получили широкое применение для измерения расхода воды с помощью аэрофото­ съемки. При этом используются специальные ураниновые поплавки (поплавки-красители), сбрасываемые в поток с самолета.

Г л у б и н н ы е п о п л а в к и служат для измерения скоростей течения в различных точках вертикали; применяются при малых скоростях (до 0,15 м/с), недостаточно точно определяемых вер­ тушкой.

Глубинный поплавок состоит из двух соединенных тонкой ни­ тью поплавков: верхнего (поверхностного) и нижнего (глубин­ ного), опускаемого на определенную глубину. Размер поверхност­ ного поплавка в четыре-пять раз меньше глубинного, и поэтому скорость движения этих поплавков приблизительно равна скорости течения на глубине погружения нижнего поплавка; верхний попла­ вок является лишь указателем для фиксации положения глубин­ ного.

В качестве глубинного поплавка можно применять деревянный, проваренный в олифе шарик диаметром 4—5 см, небольшой стек­ лянный пузырек или соединенные накрест пластинки целлулоида (рис. 54 а). Поверхностный поплавок делается из обычной пробки или пенопласта. Расстояние между поплавками регулируется сое­ динительной нитью, наматываемой на поверхностный поплавок или зажимаемый в нем деревянной шпилькой.

Для измерения скорости течения на определенной глубине при­ меняются также двойные поплавки одинаковой формы и размера (рис. 54 6). При этом погруженная часть верхнего поплавка дол­ жна быть равна по объему глубинному поплавку. Такой поплавок движется со скоростью, равной полусумме поверхностной и глу­ бинной скоростей течения:

t'nOB -Т ^гл

104

Таким образом, для определения скорости на глубине погруже­ ния нижнего поплавка по схеме, представленной на рис. 54 б,

нужно сначала пустить двойной поплавок и измерить &дв, затем пустить поверхностный поплавок и определить оПов.

П о п л а в к и - и н т е г р а т о р ы служат для измерения средней скорости по глубине вертикали; применяются при скорости течения до 0,10—0,20 м/с. Принцип измерения скорости основан на сле­ дующем. Если на дно водоема опустить шарик, удельный вес кото­ рого немного меньше веса воды, то в стоячей воде он всплывет на поверхность вертикально, а в текущей воде, подвергаясь сносу те­ чением воды, он всплывет на некотором расстоянии от места пуска (рис. 55 а). При подъеме шарик пройдет все слои воды с различ­ ными скоростями, и величина сноса будет зависеть от скорости

Рис. 54. Типы глубинных поплавков.

течения и глубины погружения поплавка. Для измерения скорости течения нужно определить величину сноса поплавка L и время его всплытия t. Скорость течения при этом вычисляется по формуле

В качестве поплавка-интегратора молено применять целлулоид­ ный шарикдиаметром 30—35 мм, заполненный воском, парафином, или другой тип поплавка, вес которого не меняется при пребыва­ нии в воде.

Для пуска поплавка-интегратора применяется устройство, со­ стоящее из двух реек (рис. 55 б) : горизонтальной 1 и вертикаль­ ной 2. Поплавок 3 закладывается в углубление поддона 4 верти­

кальной рейки. Поддон закрывается накладкой 5, предохраняющей поплавок от преледевременного всплытия. Накладка с помощью шнура 6 молеет подниматься вверх и освоболщать поплавок. Гори­

зонтальная рейка, соединенная с помощью обоймы 7 с вертикаль­ ной рейкой, молсет свободно перемещаться по ней. По горизонталь­ ной рейке определяется величина сноса поплавка течением воды.

105

Если для данного поплавка заранее определить скорость подъ­ ема его в стоячей воде и, то измерение средней скорости течения

можно производить без определения времени всплытия такого по­ плавка на поверхность. При этом

■»ср cL,

где с= ы//г, h — глубина вертикали.

Результаты измерений поплавком-интегратором получаются не­ сколько заниженными, так как, поднимаясь из нижних слоев в слои с большей скоростью течения, поплавок не успевает вслед­ ствие инерции воспринять скорость соответствующего слоя.

§38. Гидрометрические вертушки, принцип их действия

иосновные части

Наиболее распространенным прибором для измерения скорости течения является гидрометрическая вертушка.

Ходовой частью вертушки, воспринимающей скорость движу­ щейся воды, является рабочее колесо (лопастный винт). Между скоростью течения v и числом оборотов п лопастного винта вер­ тушки в одну секунду существует зависимость v = f(n), устанавли­

ваемая для каждой вертушки тарированием в специальных тарировочных бассейнах.

Для измерения скорости течения вертушка опускается в поток на определенную глубину и измеряется число оборотов N лопаст­

106

ного винта за промежуток времени t. Чтобы получить величину

скорости, вычисляется число оборотов лопастного винта в 1 се­ кунду (об/с)

Скорость течения определяется в зависимости от полученного значения п по тарировочной таблице вертушки.

Основные части вертушки следующие: 1) рабочее колесо, 2) ось, 3) корпус, 4) счетно-контактный механизм, 5) хвостовое оперение.

Р а б о ч е е к о л е с о в е р т у ш е к бывает в виде лопастного винта с различным очертанием лопастей или в виде конусообраз­ ных чашек, представляющих собой турбинку (ротор). Наиболее распространены лопасти параболического и винтового очертания, имеющие то преимущество, что криволинейные поверхности, очер­ чиваемые ими при вращении, всегда нормальны к оси вертушки. Это важно при работе в косоструйных потоках, так как такие ло­ пасти показывают величину скорости, близкую к ее проекции на ось вертушки. Вертушки с лопастями в виде конусообразных чашек воспринимают не только скорости, нормальные к створу, но и бо­ ковые; величина скорости, измеренная такой вертушкой, оказы­ вается завышенной.

Наклон лопастей к оси вертушки характеризуется их шагом, как и для обыкновенного винта. При данной скорости течения ло­ пасти будут вращаться тем быстрее, чем меньше их шаг. При боль­ шой скорости лопасти малого шага будут вращаться очень быстро и это затруднит отсчеты числа их оборотов. В связи с этим неко­ торые вертушки снабжаются двумя-тремя сменными лопастями с разным шагом.

Размеры лопастей могут быть различными; имеются лопасти диаметром 4—5 см, но есть и такие, диаметр которых достигает 20 см. Лопасти изготавливаются из легкого, но прочного металла (алюминия, латуни), а также из пластмассы.

У большинства вертушек лопастный винт насажен непосредст­ венно на ось и вращается вместе с ней. Для уменьшения трения ось тщательно шлифуется и концам ее придается округлая или иглообразная форма. Постоянство трения достигается применением в качестве опор для оси шариковых подшипников и подпятников из агата, сапфира и других твердых материалов.

К о р п у с служит для соединения отдельных частей вертушки, укрепления ее на штанге или вертлюге и подключения сигнальной цепи. Внутри корпуса размещается контактная камера, ось с под­ шипниками и подпятниками.

Чтобы вертушка меньше нарушала естественное движение воды, корпус ее должен иметь обтекаемую форму и по возможности ма­ лые размеры. Обычно корпусу придается цилиндрическая, конусо­ образная или прямоугольная форма.

107

С ч е т н о - к о н т а к т н ы й м е х а н и з м служит для регистрации числа оборотов лопастей вертушки. Счетное устройство может быть различного типа. Некоторые вертушки имеют механический счетчик числа оборотов лопастей, состоящий из зубчатых колес. Неудобство таких счетчиков заключается в том, что вертушку после наблюдений в каждой точке нужно поднимать на поверх­ ность для производства отсчетов; кроме того, такой счетчик реги­ стрирует суммарное число оборотов, что не позволяет проследить пульсацию скорости.

Большинство вертушек снабжено электрическими счетными уст­ ройствами, в которых через определенное число оборотов лопаст­ ного винта происходит замыкание электрической цепи на звонок, лампочку или специальный счетчик.

Счетно-контактный механизм расположен в специальной кон­ тактной камере, заполненной трансформаторным маслом, которое изолирует контактный механизм от воды. Некоторые вертушки имеют открытую контактную камеру. Недостаток таких камер за­ ключается в том, что при работе в потоках с большим содержанием наносов они засоряются, а при значительном количестве растворен­ ных солей соли оседают на контактном устройстве.

Х в о с т о в о е о п е р е н и е обеспечивает установку вертушки навстречу течению, что особенно важно при работе с троса. При опускании вертушки на штанге хвостовое оперение применяется в том случае, если вертушка свободно вращается вокруг штанги. Хвостовое оперение состоит из одной или двух пластин, располо­ женных симметрично или под некоторым углом к оси вертушки.

§ 39. Принадлежности для работы с вертушками

Для работы с вертушками необходимы следующие принадлеж­ ности.

Г и д р о м е т р и ч е с к а я ш т а н г а — служит для крепления на ней вертушки. Изготавливается она из металлических труб диа­ метром 2—4 см с различной формой поперечного сечения (круглой, овальной, яйцевидной) и для удобства транспортировки делается разборной в виде отдельных звеньев длиной 0,5—2,0 м. Соединение звеньев производится заподлицо с помощью винтов или путем свинчивания. На поверхности штанги нанесены деления через 1, 5 или 10 см. Для вертушек, применяемых на гидрологических стан­ циях Гидрометслужбы, штанги изготавливаются круглого сечения диаметром 25—28 мм. Каждая штанга состоит из двух звеньев длиной 150 см, которые могут применяться отдельно или вместе.

Штанги могут использоваться с упором в дно реки или как подвесные. Вертушка на штанге, используемой с упором, закреп­ ляется винтами неподвижно, и для перемещения ее в нужную точку по глубине штангу вынимают из воды. Применение вертушки на упорной штанге возможно при глубине потока до 3 м и при скоро­ сти течения до 1,0—1,5 м/с. При большей глубине и значительной скорости течения работать с вертушкой на штанге затруднительно.

108