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

рез живое сечение потока в единицу времени. Обычно расход вы­ ражается в кубических метрах в секунду (Q м3 /с), для малых

водотоков (ручьи, родники) — в литрах в секунду (л/с).

Расход воды определяет собой в основном режим стока данной реки, так как с изменением количества протекающей воды изме­ няются высота уровня, скорости течения, глубины, продольный уклон. Расходы, измеренные в различные фазы гидрологического режима, служат основой для вычисления объемов стока воды за определенные интервалы времени (сутки, месяц, сезон, год и т. д.). При проектировании, строительстве и эксплуатации гидротехниче­ ских сооружений сток воды является одним из основных расчетных элементов. Сведения о стоке воды используются при составлении проектов его регулирования, водоснабжения, оросительных и осу­ шительных мероприятий и решении ряда других водохозяйственных

площади живого сечения и скорости течения. Площадь живого се­ чения определяется путем производства промеров глубин, а ско­ рости течения измеряются различными приборами: гидрометриче­ скими вертушками, поплавками и др.

Г и д р а в л и ч е с к и й с п о с о б основан на использовании формул гидравлики. В этом случае измеряется не скорость тече­ ния, а другие элементы, входящие в расчетные формулы, — высота уровня (напор на водосливах), продольный уклон водной поверх­ ности, площадь живого сечения.

Гидравлический способ применяется в основном при измерении расходов воды через водосливы и отверстия в гидротехнических сооружениях, а также при определении максимальных расходов пересохших водотоков и расходов малых рек.

О б ъ е м н ы й с п о с о б заключается в непосредственном изме­ рении объема воды W, притекающей в мерный сосуд за определенный

139

промежуток времени t. Расход воды при этом вычисляется

по формуле

(37)

Этот способ применяется при измерении расходов воды малых водотоков (ключей, небольших ручьев, источников и т. п.) и в ла­

индикатора (например, поваренной соли), и после его перемеши­ вания с речной водой определяется электропроводность воды или концентрация этого индикатора. Способ смешения применяется преимущественно на горных реках, где измерение расхода воды методом «площадь—скорость» затруднено вследствие загроможде­ ния русла камнями и бурного течения.

§ 47. Способ «площадь—скорость». Модель расхода

Наиболее распространенным способом измерения расхода воды является способ «площадь—скорость». Применение этого способа основано на следующем.

Если в плоскости живого сечения потока выделить элементар­ ную площадку, то расход воды q через нее будет зависеть от вели­

чины скорости течения и выразится объемом призмы, у которой основанием является площадь элементарной площадки Af, а высо­ той — величина вектора скорости v:

Так как скорости течения по ширине и глубине потока неоди­ наковы, то и расходы воды через элементарные площадки, распо­ ложенные в разных частях живого сечения, будут различны. Общий расход воды через всю площадь живого сечения потока будет ра­ вен сумме расходов через отдельные площадки: Q = '£1q.

Формула (38) действительна при условии, что скорость течения нормальна к площадке Д/. Если же направление течения не пер­ пендикулярно плоскости живого сечения, то формула (38) будет иметь вид

где а — угол между направлением течения и линией, перпендику­

лярной плоскости живого сечения.

Таким образом, истинное значение расхода воды можно полу­ чить при условии, что направление течения будет перпендикуляр­ ным плоскости живого сечения. Поэтому в косоструйных потоках, помимо величины скорости, необходимо измерять и направление течения.

Если скорости течения изобразить в виде векторов, нормальных к плоскости живого сечения, то расход воды выражает объем во­

140

дяного тела (рис. 73), заключенного между двумя плоскостями (вертикальной и горизонтальной) и криволинейной поверхностью. Вертикальная плоскость представляет собой площадь живого сече­ ния, горизонтальная плоскость — эпюру поверхностных скоростей течения, а криволинейная поверхность характеризует распределе­ ние скоростей по ширине и глубине v=f(b, к). Это водяное тело,

равное по объему расходу воды, называется моделью расхода. Чтобы определить объем модели расхода, нужно измерить пло­

щадь живого сечения и скорости течения в различных местах по ширине реки и в различных точках по глубине. Место, где измеря­

тикалей рассечь модель расхода вертикальными плоскостями, пер­ пендикулярными плоскости живого сечения, то расход воды разделится на отдельные объемы, которые представляют собой частичные расходы воды.

Ь

Рис. 73. Модель расхода воды.

На рис. 73 показан частичный расход воды между четвертой и пятой скоростными вертикалями. Чтобы определить этот расход, нужно знать площадь живого сечения между этими вертикалями и среднюю скорость между ними. Площадь вычисляется по данным промеров глубин, а скорость — по результатам измерений на этих вертикалях. Согласно формуле (38), частичный расход воды между четвертой и пятой скоростными вертикалями q4 - 5 будет равен

а общий расход воды для всего живого сечения будет равен сумме частичных расходов воды.

§ 48. Частота измерений расходов

Расходы воды измеряются главным образом для вычисления стока воды. Достаточно точные данные по стоку могут быть полу­ чены при систематическом определении расходов воды в течение года. Частота измерений расходов зависит от режима уровней, устойчивости русла, наличия переменного подпора и от степени

141

изученности реки. Общее количество измеренных расходов должно быть таким, чтобы можно было установить связь между расходами и уровнями и использовать ее для подсчета стока. При наличии такой связи количество измерений может быть меньшим. Более часто должны измеряться расходы в период весеннего половодья, при наличии переменного подпора, деформации русла, водной ра­ стительности и ледовых явлений.

В зависимости от режима реки частота измерений расходов воды в течение года для вновь открываемых постов в соответствии с указаниями наставлений Гидрометслужбы может быть сле­ дующей.

1.На реках с устойчивым руслом в периоды отсутствия водной растительности и ледяных образований расходы воды измеряются равномерно по всей амплитуде колебаний уровня. Одно измерение должно приходиться примерно на 10%-ный интервал амплитуды колебания уровня отдельно для периода подъема и спада. В ме­ жень, когда высота уровня меняется незначительно, расходы воды следует измерять через 10— 12 дней.

2.При наличии в русле водной растительности измерениями должны быть освещены начало, середина и конец вегетационного

периода.

В первый месяц появления водной растительности расходы из­ меряются через каждые 5—7 дней, а затем до полного ее отмира­ ния— через 10— 12 дней. Частота измерения расходов воды во время дождевых паводков, проходящих в заросшем русле, зависит от высоты паводка.

3. В зимний период, когда связь между расходами и уровнями нарушается, частота измерений расходов зависит не только от ко­ лебания уровня воды, но и от смены фаз ледовых явлений. Изме­ рениями должны быть освещены периоды осеннего замерзания, ледостава и весеннего вскрытия.

При устойчивом ледоставе и отсутствии шуги в случае плавного изменения уровня расходы воды необходимо измерять не реже чем через 15—20 дней, а в периоды осеннего замерзания и весеннего вскрытия — как можно чаще.

4. На реках с неустойчивым руслом в периоды половодья и дождевых паводков расходы воды измеряются ежедневно или через 1—2 дня, в период межени — через 8—10 дней.

5. На участках рек с переменным подпором при отсутствии ежедневных наблюдений за продольным уклоном водной поверх­ ности измерения расходов производятся через 3—4 дня. При на­ личии ежедневных наблюдений за уклоном водной поверхности расходы воды в межень измеряются через 5— 10 дней, а в период паводков — чаще.

Приведенные рекомендации о частоте измерений расходов воды в течение года являются ориентировочными. Необходимая и доста­ точная частота измерений устанавливается для каждого створа по мере накопления и анализа материалов наблюдений.

142

Весьма важно осуществлять непрерывный контроль за измерен­ ными расходами воды в целях выявления ошибок отдельных опре­ делений и выяснения условий, нарушающих связь между расхо­ дами и уровнями. Контроль удобно выполнять графически. Для этого непосредственно после измерения и вычисления расхода на миллиметровой бумаге в определенных масштабах откладывают по вертикальной оси значения уровней, при которых измерялись расходы, а по горизонтальной оси — значения расходов, площадей водного сечения и средних скоростей. Если точки ложатся узкой полосой с отклонением в пределах точности измерений, то мате­ риалы можно считать надежными. При значительном разбросе точек необходимо выяснить причины нарушения связи между гид­ равлическими элементами. Такими причинами могут быть: неточ­ ность или неправильность определений и вычислений расходов, деформация русла, переменный подпор, наличие водной раститель­ ности в русле и ледяные образования.

В тех случаях, когда отклонение точек не может быть объяс­ нено, необходимо проверить исходный материал и при необходи­ мости повторить измерение расхода.

Для наглядного представления, насколько часто и правильно измерялись расходы воды в зависимости от хода уровня и водного режима, на графике колебаний уровня в составе комплексного графика результатов гидрометеорологических наблюдений отме­ чают черточками даты измерения расходов воды (см. рис. 32). На основании этого графика можно судить, подробно ли освещены измерениями весеннее половодье, отдельные дождевые паводки, летняя и зимняя межени.

§ 49. Устройство гидрометрического створа

Для измерения расходов воды, наносов и других элементов гид­ рологического режима устраивается гидрометрический створ, пред­ ставляющий собой закрепленный на местности поперечник через реку.

В состав работ по устройству гидрометрического створа входит: 1) выбор участка реки, 2) топографическая съемка участка, 3) определение направления гидрометрического створа и его за­ крепление, 4) оборудование гидрометрического створа.

Работы по выбору участка реки для устройства гидрометриче­ ского створа и по производству съемки этого участка выполняются обычно во время организации наблюдений за уровнями воды.

В основном требования, предъявляемые к участку для измере­ ния расходов воды способом «площадь—скорость» с использова­ нием вертушек, те же, что и при устройстве водомерного поста. Для обеспечения необходимой точности измерений важно, чтобы на выбранном участке течение наблюдалось по всей ширине реки и направление его было параллельно берегам. Скорости течения должны быть в пределах 0,15—3,5 м/с, так как при малых скоро­ стях уменьшается точность измерения вертушкой, а при больших

143

становится затруднительным выполнение работ. В зимний период река должна покрываться сплошным ледяным покровом, без скоп­ лений шуги. Важным условием с точки зрения установления зави­ симости между расходами и уровнями является неизменяемость русла на выбранном участке и отсутствие переменного подпора. Желательно, чтобы на участке не было рукавов, проток и поймы; если последней избежать нельзя, она должна быть по возможности узкой, ровной, без стариц, возвышенностей, лишена древесной и кустарниковой растительности.

Гидрометрический створ устраивается приблизительно посре­ дине участка; обычно он совмещается со створом водомерного поста или назначается в непосредственной близости от него в це­ лях использования регулярных наблюдений за уровнями воды по основному посту. На участке, как правило, должен находиться один гидрометрический створ, но в некоторых случаях для удоб­ ства измерений допускается устройство нескольких створов. На­ пример, один створ служит для измерения расходов при высоких уровнях, а второй — при низких или в одном створе измеряются расходы воды при ледоставе, а в другом — при открытом русле. В этих случаях гидрометрические створы должны находиться на таком расстоянии друг от друга, чтобы между ними не было по­ терь или увеличения стока воды. Если на участке имеются протоки, рукава, то гидрометрические створы устраиваются как в основном русле, так и во всех его разветвлениях.

Если гидрометрический створ не совпадает со створом водомер­ ного поста и расположен на значительном расстоянии от него, тона гидрометрическом створе устраивается дополнительный водомер­ ный пост, на котором ведутся наблюдения за уровнем воды лишь во время измерения расхода.

Определение направления гидрометрического створа. Чтобы получить значение расхода воды, близкое к действительному, на­ правление гидрометрического створа должно быть перпендикуляр­ ным среднему направлению течения.

При наличии поймы, рукавов, протоков направления течения в них и в основном русле могут не совпадать. Если средние направ­ ления течения различаются менее чем на 30°, то назначается один гидрометрический створ, перпендикулярный направлению течения в основном русле. При разнице более 30° гидрометрический створ назначается в виде ломаной линии, участки которой перпендику­ лярны направлению течения пересекаемых ими русла и поймы.

Определение направления гидрометрического створа в зависи­ мости от ширины реки и требуемой точности измерений расходов воды производится различными способами.

В экспедиционных условиях на прямолинейных участках неши­ роких рек направление створа может быть назначено на глаз пер­ пендикулярно общему направлению течения, ориентируясь на очертание берегов.

Для систематических измерений расходов .воды направление гидрометрического створа назначается после определения направ­

144

ления течения поверхностными поплавками, бифилярным подвесом, морской вертушкой или измерителями течений.

раллельно берегу прокладывается магистраль и перпендикулярно к ней разбиваются три—пять створов (рис. 74); средний из них является гидрометрическим створом. В 5—10 м выше верхнего створа пускается последовательно 8— 10 поверхностных поплавков, равномерно распределенных по ширине реки. Для каждого поплавка определяется время, за которое он проходит расстояние от верх­ него до нижнего створа, и место пересечения всех створов. Место пересечения поплавками створов фиксируется на реках шириной

г

Рис. 74. Определение направления гидрометрического створа поверхностными поплавками.

до 100 м по размеченным тросам, а на более широких реках — за­ сечками теодолитом или мензулой.

Обработка результатов определения направления гидрометри­ ческого створа производится на копии плана участка реки, где по точкам прохождения поплавков через все створы проводятся тра­ ектории движения поплавков (пунктирные линии на рис. 74). За­ тем для каждого поплавка вычисляется скорость движения делением расстояния между верхним и нижним створами на соот­ ветствующее время прохождения.

На линии среднего створа в точках пересечения его поплав­ ками откладываются в выбранном масштабе векторы скоростей. Направление вектора проводится параллельно линии, соединяющей точки пересечения поплавками верхнего и нижнего створов, а длина его определяется величиной скорости. Производится графиче­ ское сложение векторов. Для этого в свободную часть чертежа

с помощью треугольника и линейки переносится первый вектор, затем к нему последовательно пристраиваются все остальные век­ торы. Соединив начало первого и конец последнего векторов пря­ мой линией АВ, получим равнодействующую, которая представляет

собой среднее направление течения на данном участке. Перпенди­ куляр БГ к равнодействующей принимается за правильное направ­

них реках. Сначала направление гидрометрического створа назна­ чается на глаз примерно перпендикулярно общему направлению течения. По створу производятся промеры глубин и назначается 8— 10 скоростных вертикалей. На всех скоростных вертикалях вер­ тушкой на бифилярном подвесе измеряется скорость и направление течения в поверхностном слое.

На плане участка для каждой скоростной вертикали в опреде­ ленном масштабе строится вектор, направление которого соответ­ ствует углу, измеренному бифилярным подвесом, а длина опреде­ ляется величиной скорости. Сложив графически векторы, получим равнодействующую, которая представляет собой среднее направ­ ление течения. Перпендикуляр к равнодействующей означает пра­ вильное направление гидрометрического створа.

Учитывая, что условия протекания воды могут со временем из­ меняться, необходимо периодически (раз в два-три года) проверять правильность направления гидрометрического створа. Проверка производится путем определения направления течения на всех ско­ ростных вертикалях. Если в результате проверки окажется, что на некоторых вертикалях угол между линией, перпендикулярной гид­ рометрическому створу, и направлением течения (косина струй) будет больше 30°, направление гидрометрического створа необхо­ димо изменить. Если на отдельных вертикалях косина струй со­ ставляет 10—30°, то при измерении скорости некомпонентной вер­ тушкой нужно определять и направление течения. Косина струй до 10° обычно не учитывается, так как ошибка измерения расхода в этом случае будет не больше 1,5%.

Закрепление гидрометрического створа. Установленное направ­ ление гидрометрического створа закрепляется на обоих берегах прочными столбами-реперами. Один из реперов служит постоян­ ным началом, от которого определяются расстояния до промерных

искоростных вертикалей. На больших реках, кроме реперов, уста­ навливаются створные вехи на обоих или на одном берегу, в за­ висимости от рельефа местности и видимости. По гидрометриче­ скому створу в пределах возможного затопления удаляется кустар­ никовая растительность, мешающая выполнению гидрометрических работ. По линии створа разбивается пикетаж и производится ниве­ лирование берегов до незатопляемых отметок, а в русле, старицах

идействующих протоках измеряются глубины. По данным проме­ ров и нивелирования берегов строится профиль поперечного се­ чения по гидрометрическому створу, на котором показывается

146