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

значение средней скорости; расход воды вычисляется как произ­ ведение средней скорости иа площадь живого сечения.

Расход воды, измеренный способом Дементьева, получается несколько преувеличенным: 1) за счет неучета малых скоростей придонного слоя и прибрежной зоны реки; 2) при перемещении вертушки по горизонтали и вертикали измеряется не скорость те­ чения, а равнодействующая трех компонентов скорости — скорости течения, горизонтальной и вертикальной скоростей перемещения вертушки. При вычислении расхода воды эти ошибки учитываются введением отрицательных по знаку поправок, значения которых берут из специальных таблиц.

§ 56. Специальный анализ расходов воды, измеренных вертушкой

На неизученных створах для измерения расхода воды назнача­ ется увеличенное число скоростных вертикалей (детальный спо­ соб). По мере накопления материала проводится специальный анализ измеренных расходов с целью отбора наименьшего коли­ чества скоростных вертикалей и точек для основного и сокращен­ ного способов измерения расходов воды.

Отбор скоростных вертикалей для основного способа произво­ дится в результате анализа 20—30 расходов, измеренных деталь­ ным способом. При этом все измеренные расходы обрабатываются графически и для каждой скоростной вертикали дополнительно вычисляется средняя скорость аналитическим способом по сокра­ щенному числу точек: 0,2 и 0,8 рабочей глубины для открытого и незаросшего русла; 0,15; 0,50 и 0,85 рабочей глубины для расходов, измеренных при ледоставе и при наличии водной растительности. Значения средней скорости наносятся на чертеж графической об­ работки расхода и по ним проводится вторая эпюра средних ско­ ростей (рис. 90). Для основного способа отбираются те скоростные вертикали, на которых значения средней скорости, вычисленные по сокращенному и полному числу точек, совпадают или разнятся незначительно. При сокращении числа скоростных вертикалей одну из них следует назначить в стрежневой части потока, а осталь­ ные — в местах переломов эпюры распределения средних скоро­ стей по ширине реки.

Чтобы проверить правильность отобранных вертикалей, вычис­ ляют вторично расход воды, но уже аналитическим способом по уменьшенному количеству вертикалей и скоростных точек. Переход на основной способ возможен при условии, что значения расходов, вычисленных по сокращенному числу скоростных вертикалей, для 75% всех измеренных расходов отличаются от расходов, вычислен­ ных по полному числу вертикалей, не более чем на ±3%. В ре­ зультате анализа количество скоростных вертикалей может быть сокращено примерно вдвое по сравнению с первоначальным их числом.

180

Для перехода на сокращенный способ измерения анализиру­ ются не менее 50 расходов, измеренных детальным и основным способами. Анализ заключается в отборе одной скоростной верти-

Рис. 90. Эпюры распределения средних скоростей по ширине реки при различном количестве скоростных вертикалей.

/ — скоростные вертикали, принятые для измерения расхода воды детальным способом; 2 — то же основным способом.

кали в стрежневой части потока, значение скорости на которой (средней, в точке 0,6 или 0,2), умноженное на постоянный коэффи­ циент, отличается от средней скорости живого сечения не более чем на ±10%.

и м / с

Рис. 91. График связи средней скорости в живом сечении реки и средней скорости на отдельных вертикалях.

Анализ выполняется следующим образом. Для трех-четырех скоростных вертикалей, расположенных в стрежневой части по­ тока, строятся графики зависимости средней скорости на вертикали от средней скорости живого сечения (рис. 91). При построении графика в одном масштабе по вертикальной оси откладывается

181

значение средней скорости живого сечения, а по горизонтальной оси — значение средней скорости на вертикали. По полученному полю точек проводится средняя линия и около нее линии, ограни­ чивающие 5 и 10%-иые отклонения точек. Для сокращенного спо­ соба отбирается та вертикаль, по которой количество точек, вы­ шедших за пределы крайних линий, не превышает 25% общего числа анализируемых расходов.

Пользуясь полученным графиком, вычисляют коэффициент пе­

Если ни одна скоростная вертикаль не дает удовлетворительной связи, то можно попытаться построить зависимость между средней скоростью живого сечения и средней скоростью по двум-трем стрежневым вертикалям.

§57. Измерение расходов воды поплавками

Вряде случаев измерение расхода воды производится не вер­ тушкой, а поплавками (поверхностными, глубинными или интегра­ торами).

Глубинные поплавки и поплавки-интеграторы используются для измерения малых скоростей течения (до 0,15—0,20 м/с), когда вертушечные измерения малонадежны. Поверхностные поплавки при­ меняются в следующих исключительных случаях: а) при отсутст­ вии или повреждении вертушки, б) при аварийном состоянии переправы или на необорудованных створах, в) при ледоходе или большом содержании наносов.

Состав и порядок работ по измерению расхода воды поплав­ ками тот же, что и при измерении расхода вертушкой, кроме опре­ деления скорости.

Измерение скорости течения глубинным поплавком произво­ дится на всех скоростных вертикалях гидрометрического створа в следующих точках: а) при открытом незаросшем русле — в точ­

Скорость течения измеряется с лодки, на которой устроены из трех горизонтальных реек створы: верхний, средний и нижний. Рейки располагаются на расстоянии 1 м одна от другой и для удобства работ связываются в жесткую раму.

Скорость измеряется следующим образом. На 0,25—0,50 м выше верхнего створа при помощи шеста пускается глубинный попла­ вок. По секундомеру определяется время прохождения поплавком расстояния от верхнего створа до нижнего. Если продолжитель­ ность хода поплавка от верхнего до среднего створа более 20 с, то

182

секундомер останавливается в момент прохождения поплавком среднего створа. В каждой точке поплавок пускается не менее трех раз. Если продолжительность хода какого-либо поплавка отлича­ ется от других более чем на 10%. то наблюдения в этой точке повторяются еще два-три раза.

Скорость в точке вычисляется делением расстояния между ство­ рами (1 или 2 м) на среднюю продолжительность хода поплавка.

Расход воды вычисляется аналитическим способом аналогично расходу воды, измеренному вертушкой.

Пользоваться поверхностными поплавками при измерении рас­ хода воды следует по возможности при установившемся уровне, так как при подъеме уровня поплавки прибиваются к берегам, а при спаде сносятся в стрежневую часть потока. Значительное влияние на поверхностную скорость течения оказывают скорость и направление ветра. Поэтому применять поверхностные поплавки следует в тихую (безветренную) погоду или при скорости ветра до 2—3 м/с.

Для измерения расхода воды поверхностными поплавками вы­ бирается прямолинейный участок реки с однообразными глуби­ нами, шириной и продольным уклоном водной поверхности на про­ тяжении трех—пятикратной ширины реки.

На выбранном участке параллельно основному направлению течения прокладывается магистраль и перпендикулярно к ней раз­ биваются три створа: верхний, средний и нижний. Расстояние ме­ жду крайними створами назначается таким, чтобы продолжитель­ ность хода поплавков между ними была не менее 20 с. Если на участке имеется гидрометрический створ, то он обычно служит средним створом, а верхний и нижний створы разбиваются парал­ лельно ему на равных расстояниях. В 5—10 м выше верхнего створа назначается пусковой створ, с которого при измерении скорости течения пускаются поплавки с таким расчетом, чтобы при подходе к верхнему створу поплавок принял скорость той струи потока, ко­ торая его перемещает.

Створы на реках шириной до 100 м закрепляются натянутыми как можно ниже над водой тонкими тросами. Обычно трос натя­ гивается лишь на одном среднем створе, а положение верхнего и нижнего створов закрепляют вешками. Трос, натягиваемый черезсредний створ, размечается хорошо заметными с берега метками (например, свешивающимися с троса цветными полосками мате­ рии), которые служат для промера глубин и для определения мест прохождения поплавками створа. На более широких реках, где пользоваться тросами неудобно или затруднительно, створы за­ крепляются вехами, а место пересечения поплавком среднего створа и положение промерных точек определяется засечками с берега угломерным инструментом.

Измерение скорости поверхностными поплавками состоит в опре­ делении времени прохождения ими расстояния от верхнего до нижнего створа и мест прохождения через средний створ и произ­ водится в следующем порядке.

183

В пусковом створе забрасывается с берега или пускается с лодки первый поплавок, и в момент прохождения им верхнего створа по сигналу наблюдателя, стоящего в этом створе, техник пускает секундомер. В момент пересечения поплавком среднего створа отмечается место его прохождения от постоянного начала по размеченному тросу или засечками с берега угломерным ин­ струментом. Засечка поплавка производится в момент подачи сиг­ нала наблюдателем, стоящим в среднем створе. На мензульном планшете техник ставит черточку на линии створа и около нее записывает номер поплавка. При прохождении поплавком нижнего створа по сигналу наблюдателя, стоящего у этого створа, техник останавливает секундомер.

Следующий поплавок пускается на некотором расстоянии от первого, и вся работа по измерению скорости течения повторя­ ется в том же порядке. Всего пускается 15—20 поплавков, равно­ мерно распределенных по ширине реки.

Во время ледохода, когда производить измерение скоростей вертушкой опасно, в качестве поплавков используются приметные небольшие отдельно плывущие льдины. Засечки льдин произво­ дятся по хорошо заметным точкам на них.

Если невозможно пустить поплавки по всей ширине реки, на­ пример на реках с быстрым течением, где поплавки сносятся к се­ редине потока, расходы воды определяются по наибольшей по­ верхностной скорости. В этом случае на стрежневую часть потока пускается 5—10 поплавков. Из всех пущенных поплавков выбира­ ются три поплавка с наименьшей продолжительностью хода, отли­ чающиеся друг от друга по времени не более чем на 10%; при большем отклонении в продолжительности хода пускается еще 5— 6 дополнительных поплавков.

Вычисление расхода воды, измеренного поверхностными по­ плавками, пущенными по всей ширине реки, производится анали­ тическим способом. Так же как и при обработке расхода воды, измеренного вертушкой, вычисляется расчетный уровень расхода воды, продольный уклон водной поверхности и площадь водного сечения между промерными вертикалями. Затем на клетчатке «Книжки для записи измерения расхода воды поплавками» стро­ ится график продолжительности хода поплавков, на котором по горизонтальной оси откладываются расстояния от постоянного на­ чала до места прохождения поплавками среднего створа, а по вер­ тикальной оси — продолжительность хода поплавков между верх­ ним и нижним створами. По нанесенным точкам проводится осредненная эпюра распределения продолжительности хода поплавков по ширине реки. В местах перегибов эпюры, а при плавной ее форме через равные расстояния назначается не менее пяти-шести скорост­ ных вертикалей, которые для удобства обработки совмещаются с промерными вертикалями. Для каждой скоростной вертикали вычисляется поверхностная скорость течения путем деления рас­ стояния между верхним и нижним створами на продолжительность хода поплавка, снятую с эпюры.

184

Зная расстояние до скоростных вертикалей, вычисляют значе­ ния площади водного сечения между ними путем суммирования величин площадей между промерными вертикалями. Умножением полученных площадей на полусумму скоростей смежных вертика­ лей вычисляются частичные фиктивные расходы воды. Для при­ брежных участков площади водного сечения значение скорости берется с учетом коэффициента k (см. § 54). Фиктивные расходы

воды называются потому, что они вычислены по поверхностным ско­ ростям, которые завышены по сравнению со средними скоростями. Суммируя частичные расходы, получим общий фиктивный расход воды (ЗфиктДействительный расход воды (Здейств получается умно­ жением фиктивного расхода на переходный коэффициент К'-

Q.-efiCTii Q<[)hkt-/C (53)

Значение переходного коэффициента К может быть различным

в зависимости от ряда факторов: величины гидравлического ради­ уса, коэффициента шероховатости русла, продольного уклона вод­ ной поверхности. Значительное влияние на его величину оказы­ вают также скорость и направление ветра.

Наиболее точно величина переходного коэффициента К опреде­

ляется на основании детальных вертушечных измерений расходов. Для этого расход воды, измеренный вертушкой, вычисляется два раза: по поверхностным скоростям на вертикалях и по средним скоростям. В первом случае получаем значение фиктивного рас­

При отсутствии детальных вертушечных измерений, но при на­ личии расходов воды, измеренных основным способом, и данных об уклоне водной поверхности значение К определяется следующим

образом. Предварительно для каждого измеренного расхода вычис-

^Ср ляется значение коэффициента С в формуле Шези С= - = = и по

У hcpl

полученным данным строится кривая C = f (Н ).

Для больших и средних рек эта кривая в верхней части обычно приближается к прямой, параллельной оси уровней. С графика C — f (Н ) через одинаковые интервалы уровней снимаются четырепять значений С, и по средней величине С определяется коэффи­ циент К по формуле

При отсутствии вертушечных измерений и данных о продоль­ ном уклоне водной поверхности допускается принимать значение

185

переходного коэффициента К в пределах 0,80—0,90 или вычислять

•его по различным эмпирическим формулам, например по формуле Г. В. Железнякова

Расход воды по наибольшей измеренной поверхностной скоро­

где К — коэффициент перехода от наибольшей поверхностной ско­

рости к средней скорости для всего живого сечения; г»наИб — наи­ большая поверхностная скорость, вычисленная как среднее ариф­ метическое из значений скоростей для трех наиболее быстрых по­ плавков; F — площадь живого сечения потока.

Значение коэффициента К определяется по данным вертушеч-

ных измерений, а при их отсутствии принимается в зависимости от характеристики русла и средней глубины в пределах 0,43—0,79.

§ 58. Измерение расходов воды с помощью аэрофотосъемки

Сущность способа заключается в определении поверхностных скоростей течения путем фотографирования специальных поплавков, сбрасываемых с самолета, а в отдельных случаях плывущих пред­ метов (льдин, бревен и т. д.). Фотографирование выполняется не менее двух раз с фиксированием промежутка времени между двумя аэрофотоснимками.

Для измерения поверхностных скоростей течения используются специальные ураниновые поплавки, представляющие собой дере­ вянный цилиндр диаметром 4 см и высотой 11 см. Вдоль цилиндра выбраны два (четыре) паза, в которые заправляется ураниновая паста. К основанию поплавка крепится железное кольцо такого веса, чтобы высота выступающей части погруженного в воду по­ плавка не превышала 1,5—2,0 см над поверхностью воды. При попадании поплавка в воду ураниновая паста растворяется и окра­ шивает при этом воду в ярко-зеленый цвет. Пятно окрашенной воды перемещается течением и удерживается на поверхности в течение

10— 15 мин.

Для сброса поплавков в люке кабины самолета устанавлива­ ется механический сбрасыватель, представляющий собой металли­ ческий цилиндр высотой 55 см и диаметром 35 см. В цилиндре име­ ется 19 гнезд для поплавков. Снизу цилиндр закрывается круглым

186

диском с отверстием, диаметр которого немного больше диаметра гнезда. С помощью рукоятки диск поворачивается на 19°, откры­ вая при этом очередное гнездо и освобождая поплавок.

Измерение расхода воды может выполняться перспективным (при наклонном положении оптической оси объектива) и плановым фотографированием (при отвесном положении оптической оси). В первом случае получается перспективный снимок, масштаб ко­ торого в разных частях снимка неодинаков. При плановом фото­ графировании снимок получается плановым, т. е. сохраняющим в определенных пределах постоянство масштаба.

Перспективное аэрофотографирование выполняется преимущест­ венно на реках шириной до 500—600 м с использованием фото­ аппаратов «Зенит-Зс» или «Зенит-Зм». К корпусу фотоаппарата крепится секундомер и при нажиме на специальную планку одно­ временно срабатывают механизм затвора и секундомер. В момент фотографирования первого снимка секундомер включается, а в мо­ мент второго — выключается.

На более широких реках измерение поверхностных скоростей течения осуществляется плановым фотографированием с самоле­ тов АН-2 с использованием топографических аэрофотоаппаратов типа АФА-37 или АФА-41.

П о л е в ы е р а б о т ы на р е к а х ши р и н о й до 500—600 м. Для измерения расхода воды выбирается прямолинейный участок протяженностью не менее пятикратной ширины реки. Посредине участка назначается рабочий створ (гидроствор) для фотографиро­ вания положения поплавков, а на 50— 100 м выше— сбросной створ для сброса поплавков. На рабочем створе выполняются ни­ велировочные и промерные работы с целью получения площади водного сечения. Если измерение расхода воды производится на участке, где имеется гидрометрический створ, то он обычно служит рабочим створом. В этом случае нивелировочные и промерные ра­ боты могут не производиться. Для вычисления площади водного се­ чения используется профиль по гидроствору, построенный до уровня высоких вод.

Для получения планового обоснования перспективных аэро­ снимков заблаговременно производится маркировка рабочего участка реки путем оборудования опознавательных знаков в виде крестов, квадратов, угольников. На каждом берегу устанавлива­ ется по два знака на расстоянии не менее 0,5—0,6 ширины реки. В каждой маркированной точке теодолитом измеряется угол ме­ жду сторонами образованного четырехугольника и длины сторон.

Если маркировка участка не производилась, то для планового обоснования снимков после фотографирования положения поплав­ ков нужно получить третий снимок с линией видимого горизонта. Снимком должен быть захвачен весь рабочий участок реки и ви­ димый горизонт местности.

После подготовительных работ производится облет рабочего участка, в процессе которого намечается высота и маршрут полета, и производится сброс поплавков.

187

Для сброса поплавков самолет снижается до высоты 50—100 м и при пролете сбросного створа производится сброс поплавков. Вначале выполняется пробный сброс 3—4 поплавков для прибли­ женного определения средней поверхностной скорости течения, за­ тем производится рабочий сброс поплавков по всей ширине реки для измерения расхода воды.

После рабочего сброса поплавков самолет набирает необходи­ мую высоту, равную 1,35 (где 5 — ширина реки), и совершает полет вдоль берега на расстоянии от уреза воды, равном ширине реки. При пролете рабочего створа производится первый снимок поплавков. Затем самолет делает разворот по кругу и заходит на тот же маршрут полета. В момент повторного пролета створа про­ изводится второй снимок поплавков. На снимке должны быть изо­

же маршрут производится с таким расчетом, чтобы приурочить его подлет к створу через намеченный интервал времени между пер­ вым и вторым аэроснимками. При скорости течения 1,0—1,5 м/с интервал времени между фотографированием двух рабочих сним­ ков должен быть не менее 1 мин, а при скорости 0,20 м/с — не ме­

600 м. Состав подготовительных работ и порядок измерения ско­ рости течения при плановом аэрофотографировании примерно те же, что и при перспективном, но поскольку работы выполняются топографическими аэрофотоаппаратами, маркировка рабочего участка не производится.

Перед началом аэрогидрометрических работ производятся не­ обходимые расчеты на воздушное фотографирование: устанавли­ вается захват участка местности на аэроснимке, определяется вы­ сота полета и интервал времени между экспонированием снимков.

В зависимости от ширины реки и масштаба съемки могут быть два случая фотографирования положения поплавков: 1) рабочий участок реки с поплавками захватывается одиночными аэросним­ ками и 2) рабочий участок может быть захвачен только парой пе­ рекрывающихся в центре реки аэроснимков.

Первый случай возможен на реках шириной до 1,5—2,0 км. Съемка производится следующим образом. После пробного и ра­ бочего сброса поплавков самолет пролетает вдоль створа и при подлете к берегу включаются аэрофотоаппарат и секундомер. Про­ летев противоположный берег, выключают аэрофотоаппарат и запи­ сывают отсчет по секундомеру (без его остановки). В зависимости от расчетного промежутка времени между двумя фотографирова­ ниями самолет заходит на повторное фотографирование положения поплавков. При значительной скорости течения (1,5—2,0 м/с) по­ вторное фотографирование производится при пролете самолета в обратном направлении по сравнению с первым маршрутом, а если

188

средняя скорость течения не превышает 0,2—0,5 м/с, съемка выполняется по направлению первого маршрута. При повторном фотографировании отмечается время включения и выключения аэрофотоаппарата.

На реках шириной более 2,5 км захват всего рабочего участка одиночным снимком невозможен. Поэтому фотографирование вы­ полняется с таким расчетом, чтобы рабочий участок реки захваты­ вался двумя парами аэроснимков, каждая из которых имеет 15%- ное .перекрытие в центре реки. Съемка производится следующим образом. При пробном сбросе поплавков дополнительно сбрасыва­ ются на середине реки 1—2 поплавка на якоре. Для этого исполь­ зуются ураниновые поплавки с капроновым шнуром и грузом (яко­ рем). При падении в воду якорь опускается на дно и удерживает поплавок на поверхности воды в неподвижном положении. Затем производится рабочий сброс поплавков и маршрутное (вдоль створа) фотографирование первого и второго положения поплавков с фиксированием по секундомеру времени первого и последнего кадров съемки первого маршрута, а также времени первого и по­ следнего кадров съемки второго маршрута фотографирования. Каждая пара перекрывающихся аэроснимков должна иметь при­ мерно в центре перекрытия изображения поплавков на якорях. В процессе аэрофотосъемки непрерывно фиксируется по радиовы­ сотомеру высота полета самолета.

Кроме перспективного и планового воздушного фотографирова­ ния, измерение поверхностных скоростей течения может быть про­ изведено высотной фотосъемкой с берега. Фотографирование плы­ вущих поплавков выполняется специальными фотоустановками с высотных наземных пунктов (многоэтажных зданий, высоких бе­ регов, элеваторов, геодезических сигналов, а также со специально устраиваемых вышек).

О б р а б о т к а м а т е р и а л о в п о л е в ых и з м е р е н и й со­ стоит в перенесении положения поплавков с аэроснимков на рабо­ чий планшет, вычислении поверхностных скоростей течения и рас­ хода воды.

Для перенесения положения поплавков с перспективных аэро­ снимков на рабочий планшет используют геодезические материалы маркировки рабочего участка. Зная координаты опорных (марки­ рованных) точек, наносят эти точки на планшет и, соединив их прямыми линиями, получают четырехугольник. Маркированные точки на обоих аэроснимках также соединяют прямыми линиями. В полученных четырехугольниках строят проективные сетки подо­ бия. Координатные линии этих сеток делят четырехугольники на ячейки (треугольники, четырехугольники), в пределах которых исключаются перспективные искажения и практически сохраняется постоянство масштаба.

Построение проективных сеток подобия производится одинаково как на планшете, так и на рабочих снимках и выполняется следу­ ющим образом. Опорные точки 1, 2, 3, 4 (рис. 92 а) соединяются

прямыми линиями. В полученном четырехугольнике проводятся

189