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

Перед измерением расхода воды нужно проверить наличие и исправность всех приборов и оборудования. Особенно тщательно следует проверить вертушку и электрическую сигнализацию. Серь­ езное внимание должно быть уделено проверке исправности обо­ рудования гидрометрического створа в отношении безопасности проведения работ.

Для записи результатов измерений расхода воды служат книжки стандартного образца формы КГ-3 для детального способа измере­ ния и КГ-4 для основного способа.

О п и с а н и е с о с т о я н и я р е к и и о б с т а н о в к и р а б о т . В соответствующих разделах книжки для записи измерения рас­ хода воды отмечаются явления, которые могут оказать влияние на условия протекания воды и отразиться на точности измерения рас­ хода: наличие водной растительности, ледовые явления, сплав леса, расчистка русла, волнение, сила и направление ветра и т. п.

И з м е р е н и е у р о в н я вод ы. Измерение расхода воды тре­ бует довольно значительного времени, в течение которого высота уровня может измениться. Чтобы с достаточной точностью полу­ чить значение уровня, к которому будет отнесен расход воды (на­ зываемый расчетным уровнем расхода), необходимо организовать возможно частые наблюдения за уровнем. При устойчивом уровне или незначительном его колебании наблюдения производятся не менее четырех раз — в начале и конце промеров глубин, а также перед началом и по окончании измерения скоростей течения.

Если за время определения расхода воды ожидается изменение уровня более чем на 10 см, то высота уровня измеряется дополни­ тельно три-четыре раза. В этом случае отмечается время наблю­ дения за уровнем и время измерения скорости течения на каждой вертикали в точке 0,6 или 0,2 рабочей глубины. По значениям на­ блюденных уровней строится график колебаний уровня за время измерения расхода воды, и с него снимаются значения уровня для моментов времени, когда производились измерения на каждой скоростной вертикали.

Наблюдения за уровнем воды производятся на основном посту,

течения. На изученных створах при условии, что русло не дефор­ мируется, глубины можно измерять через три—пять определений расхода. В. этом случае для промежуточных расходов используются данные предыдущего промера с учетом разницы в уровнях при промере и при измерении расхода воды. Промерные вертикали на­ значаются через равные расстояния в количестве 20—35. При не­ ровном, загроможденном валунами дне количество промерных вер­ тикалей увеличивается.

159

определяются глубинным поплавком. Расстояние между верхним

инижним поплавками делается равным 20—30 см. Поплавок не­ сколько раз опускается в воду с постепенным приближением к бе­ регу. Граница мертвого пространства принимается там, где попла­ вок стоит неподвижно или движется в обратную сторону.

Внекоторых случаях мертвые пространства могут наблюдаться

ипосредине реки, тогда также определяются их границы и назна­ чаются дополнительные скоростные вертикали.

И з м е р е н и е с к о р о с т и т е ч е н и я . Перед измерением ско­ рости на каждой вертикали измеряют рабочую глубину и сравни­ вают ее с глубиной, полученной при промерах. Если русло устой­ чивое и высота уровня воды не изменяется, то разница в глубинах не должна превышать удвоенную точность измерения.

При работе вертушкой, подвешенной на тросе, измерение глу­ бины производится следующим образом: а) вертушку с грузом опускают так, чтобы ось лопастного винта находилась на поверх­ ности воды, и при этом положении ставят показания счетчика на нули; б) опускают вертушку до соприкосновения груза с дном и по счетчику производят отсчет. Чтобы получить глубину вертикали, нужно к показанию счетчика прибавить расстояние от оси вер­ тушки до низа груза. При отклонении троса от вертикального по­ ложения более чем на 10° измеряется угол относа троса течением.

После определения рабочей глубины намечают положение то­ чек, в которых должна измеряться скорость течения, и вычисляют для них глубины погружения вертушки. Во всех случаях глубины скоростных точек рассчитываются по измеренной глубине без вве­ дения поправки на угол относа троса. Исправленная глубина при­ нимается в расчет при вычислении площади водного сечения и при построении годографов.

В обычных условиях (когда направление течения перпендику­ лярно гидрометрическому створу или косина струй не более 10°) вертушку на штанге следует укреплять неподвижно и устанавливать перпендикулярно гидрометрическому створу. Для контроля пра­ вильности положения вертушки на надводном конце штанги укреп­ ляется указатель, ориентируемый параллельно или перпендику­ лярно оси лопастного винта. Вертушка при этом может приме­ няться без хвостового оперения.

Установив вертушку в нужную по глубине вертикали точку, пропускают один-два сигнала и по следующему включают секун­ домер. Включение и остановка секундомера, а также отсчеты вре­ мени производятся по концу сигнала. При малых скоростях тече­ ния (менее 0,5 м/с), когда сигнал может быть прерывистым и про­ должительным, пускать секундомер и отсчитывать время следует по началу сигнала.

В процессе измерения скоростей течения необходимо следить за правильным их распределением по глубине вертикали. При откры­ том, незаросшем русле скорости должны увеличиваться ото дна к поверхности. В точках, где наблюдается отклонение скоростей от их нормального распределения, измерение нужно повторить.

160

П р о д о л ь н ы й у к л о н в о д н о й п о в е р х н о с т и опреде­ ляется в начале и конце измерения расхода воды путем нивелиро­ вания урезных кольев или по наблюдениям на уклонных водпостах.

§53. Особенности измерения расходов воды

вразличных условиях

Л е д я н о й по кро в . При наличии ледяного покрова измере­ ние расхода воды производится со льда при условии, что толщина его не менее 10 см. При этой минимальной толщине льда измере­ ния можно проводить лишь при отрицательной температуре воз­ духа.

На каждой скоростной и промерной вертикали измеряется об­ щая глубина, толщина погруженного льда и шуги. На реках с устойчивым руслом и при отсутствии шуги промеры глубин можно производить не при каждом измерении расхода воды. Тол­ щина погруженного льда на промерных вертикалях в этом случае определяется интерполяцией между измеренными значениями ее на скоростных вертикалях. При каждом определении расхода воды измеряется расстояние от постоянного начала до урезов нижней поверхности льда, а расстояние до урезов воды определяется по профилю створа.

Расчет глубин точек для измерения скорости течения произво­ дится по рабочей глубине, которая вычисляется как разность об­ щей глубины и толщины погруженного льда. При наличии шуги рабочая глубина равна расстоянию ото дна до нижней поверхности шуги.

При наличии нескольких ярусов ледяного покрова расход воды каждого потока, протекающего между прослойками льда, измеря­ ется отдельно.

В сильные морозы, чтобы вертушка не обмерзала, ее следует переносить с вертикали на вертикаль в ведре с водой или работы по измерению скоростей производить из отапливаемой (керосинкой или железной печкой) будки, поставленной на полозья.

При малых скоростях течения, когда измерение вертушкой ста­ новится невозможным, гидрометрический створ переносится на участок с большими скоростями или принимаются меры по искус­ ственному промораживанию створа (толщина льда увеличивается, площадь живого сечения уменьшается и скорости повышаются). Для этого вдоль створа по всей ширине реки полосой 5— 10 м рас­ чищается снег. Если это не помогает, то во льду вырубается тран­ шея шириной 2 м и глубиной 20—50 см. Вырубать траншею сле­ дует постепенно, по мере нарастания льда снизу снимаются верхние слои льда по 5—10 см толщиной.

На зашугованных реках измерение зимних расходов связано со значительными трудностями. Вследствие большого скопления под­ ледной шуги и малых скоростей течения летний гидроствор в ряде случаев может оказаться непригодным для измерения расходов

зимой. Чтобы правильно выбрать место для зимнего гидроствора, производится рекогносцировочное обследование, в процессе кото­ рого на участке реки протяженностью равной 7— ЮЛ (где В —

ширина реки) нивелированием водной поверхности определяется продольный уклон. Гидроствор следует устраивать на середине однородного участка с большим уклоном, где обычно скапливается меньше шуги и скорости течения достаточно большие, что обеспе­ чивает необходимую точность измерения. Кроме того, при выборе места для гидроствора необходимо учитывать форму залегания шуги. Не следует устраивать гидроствор там, где вследствие шуговых скоплений русло реки разбивается на несколько рукавов.

Вследствие того что форма залегания шуги в течение времени может изменяться, промерные работы производятся при каждом измерении расхода воды. Количество промерных и скорстных вер­ тикалей назначается большим по сравнению с периодом свобод­ ного русла. Если русло реки разделено шугой на несколько частей (рукавов), то в каждой из них назначается не менее трех скоро­ стных вертикалей.

З а р а с т а н и е рус ла . Если на участке гидрометрического створа наблюдается зарастание русла, то перед каждым измере­

хода воды дважды — до и после измерения скоростей. Скорости течения в точках на вертикали нужно измерять ото дна к поверх­ ности, так как вследствие неоднократного погружения штанги в одно и то же место вокруг нее может образоваться размыв, ко­ торый отразится на распределении скоростей, особенно в придон­ ном слое. При значительных изменениях в рельефе дна назна­ чаются дополнительные вертикали или положение постоянных вертикалей изменяется так, чтобы была обеспечена необходимая точность измерений.

Весьма важно систематически следить за правильным направ­ лением гидрометрического створа, так как при деформации русла, особенно плановой, условия протекания воды могут измениться и направление течения будет неперпендикулярно створу. При косине струй, превышающей 10°, направление гидрометрического створа нужно изменить. В случае резкой деформации гидрометрический створ необходимо перенести на участок с более устойчивым руслом.

В е с е н н е е п о л о в о д ь е . Измерение расходов воды в период весеннего половодья представляет собой весьма важную задачу, так как от количества измеренных расходов и освещенности ими высших уровней будет зависеть точность вычисления стока воды за год.

При высоких уровнях измерения расходов воды обычно связаны ■со значительными трудностями, поэтому необходимо заранее вы­ полнить ряд подготовительных работ:

162

1)заблаговременно (осенью) расчистить створ в пойме от ку­ старниковой и луговой растительности;

2)проверить надежность створного оборудования и плав­ средств;

3)вследствие больших скоростей течения могут возникнуть значительные трудности при промерах глубин. Поэтому нужно за­ ранее пронивелировать пойму и незадолго до вскрытия произвести тщательные промеры в русле реки. Определение расходов в этом случае ограничивается только измерением скоростей течения;

4)на перемерзших и занесенных снегом реках нужно подгото­ вить русло к измерениям в период снеготаяния. Для этого в стреж­ невой части русла в снегу прокапывают канавку шириной 0,5— 1,0 м и длиной не менее 20 м. Измерение расходов весеннего поло­ водья начинают в этом искусственном русле, которое постепенно будет размываться текущей водой.

Вряде случаев из-за больших скоростей течения, значительной засоренности воды и плывущих льдин измерять скорости течения вертушкой невозможно. В таких условиях измерение скоростей

можно производить поверхностными поплавками или путем наблю­ дений за плывущими льдинами.

При резких и быстрых колебаниях уровня гидравлические эле­ менты потока могут измениться. Поэтому измерение расхода нельзя растягивать на длительное время. Сократить продолжи­ тельность работ можно путем одновременного измерения скоростей несколькими вертушками или уменьшением числа точек на вер­ тикали.

При наличии на участке поймы, рукавов весьма важно учиты­ вать полный расход воды. Определение расходов в русле реки, пойме и рукавах может производиться в разное время и при раз­ личных уровнях, но гидрометрические работы нужно организовать так, чтобы для каждого створа можно было получить самостоя­ тельную кривую расходов.

§ 54. Вычисление расхода воды

Вычислять расход воды необходимо сразу после его измерения или в крайнем случае не позже следующего дня, чтобы в случае каких-либо ошибок можно было произвести дополнительные опре­ деления расхода.

Расход воды, измеренный вертушкой, может быть вычислен способами: 1) аналитическим, 2) графическим, 3) графо-аналити­ ческим, 4) по изотахам.

При нормальном распределении скоростей течения по глубине вертикали и правильной форме русла аналитический .способ дает необходимую точность и применяется как основной. Другие спо­ собы вычисления (графический, графо-аналитический и по изота­ хам) применяются для расходов воды, измеренных детальным спо­ собом, и при сложном распределении скоростей в потоке вследствие

скопления шуги, наличия мертвых пространств и других причин, искажающих нормальное распределение скоростей.

Независимо от способа вычисления расхода необходимо пред­ варительно просмотреть и проверить все полевые записи в книжке измерения расхода воды, обратив особое внимание на: 1) сведения об обстановке работ и на замечания о явлениях, которые могут отразиться на точности промеров глубин и измерения скоростей течения; 2) правильность вычисления глубин точек для измерения скорости течения; 3) записи показаний секундомера в отношении соблюдения правил регистрации сигналов вертушки.

А н а л и т и ч е с к и й с п о с о б . На рис. 83 показана схема к вычислению расхода воды аналитическим способом, где fo — пло­ щадь водного сечения между урезом воды левого берега и первой скоростной вертикалью; f {— площадь водного сечения между пер-

Рис. 83. Схема к вычислению расхода воды аналити­ ческим способом.

вой и второй скоростной вертикалью; [п — площадь водного сече­

ния между последней скоростной вертикалью и урезом воды про­

Обработка расхода воды состоит в вычислении следующих эле­ ментов: 1) расчетного уровня расхода воды, 2) площади водного сечения, 3) скорости течения и 4) расхода воды.

Если за время измерения расхода воды уровень был устойчив или изменялся не более 10 см, то расчетный уровень расхода вы­ числяется как среднее арифметическое из высот уровней, измерен­ ных в начале и конце определения расхода воды.

При значительном колебании уровня за время измерения рас­ хода, когда производились дополнительные наблюдения, расчетный уровень вычисляется при равномерном распределении скоростных

164

где Ни Н 2, .... Нп — значения уровня воды на каждой скоростной

вертикали, снятые с графика колебаний уровня воды (см. § 52); <7ь 9z, • • ., q-n— элементарные расходы воды на скоростных вер­

тикалях в м2/с, равные произведению средней скорости на глубину. При неравномерном распределении скоростных вертикалей по ширине реки расчетный уровень расхода вычисляется по формуле

(рис. 84)

Площадь водного сечения вычисляется в соответствии с реко­ мендациями, приведенными в главе четвертой.

Если уровень при промере отличается от расчетного уровня рас­ хода более чем на 1 см или промеры глубин при измерении

Рис. 84. Схема к вычислению расчетного уровня расхода воды.

данного расхода воды не производились, то площадь водного се­ чения вычисляется с учетом срезки глубин на разницу в уровне при промере и при измерении расхода воды. Вместо срезки глубин по всем промерным вертикалям можно сначала подсчитать пло­ щади водного сечения между скоростными вертикалями по уровню воды при промере, а затем ввести поправки в эти площади на раз­ ницу между уровнем промера и расхода воды. Поправка AF к пло­

щади вычисляется по формуле

АН — разница между уровнями при промере и при измерении рас­

лях— формулы (28) — (34).

По полученным значениям средней скорости на вертикалях вы­ числяются средние скорости течения для площадей водного сече­ ния, заключенных между урезами воды (границей мертвого

165

пространства) и ближайшими к берегу скоростными вертикалями, и для площадей между скоростными вертикалями.

Для прибрежных участков площади водного сечения (от уреза воды до первой скоростной вертикали и от последней скоростной вертикали до уреза воды) средняя скорость принимается равной средней скорости на ближайшей к берегу скоростной вертикали, умноженной на коэффициент k, значения которого берутся в за­

висимости от характера берега следующими.

Средние скорости для площадей, заключенных между скорост­ ными вертикалями, вычисляются как полусумма скоростей на смежных вертикалях.

Умножая значения площадей водного сечения между скорост­ ными вертикалями на среднюю скорость между ними, получают частичные расходы воды для прибрежных участков и между ско­ ростными вертикалями. Так, для прибрежного участка с площадью fo (см. рис. 83) частичный расход воды AQo равен

Частичный расход воды между первой и второй скоростными

Полный расход воды через все живое сечение вычисляется как

По окончании вычисления расхода воды в книжке для записи измерения расхода воды заполняется таблица «Принятые данные».

Пример. Вычисление аналитическим способом расхода воды,

измеренного вертушкой.

Да но : выписка из «Книжки для записи измерения расхода воды вертушкой» р. Буй у д. Бортниково от 14 мая 1968 г., вклю­ чающая данные об измерении скоростей течения (табл. 5) и про­ мерах глубин (табл. 6). Табл. 5 и 6 приведены в сокращенном виде.

Р е ше н и е . Обрабатываем данные табл. 5 в следующей после­ довательности (все расчеты приведены для вертикали № 1).

1. Проверяем результаты вычисления глубин опускания вер тушки от поверхности (графа 4) и отсчет по штанге (графа 5).

166