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

диагонали и через точку их пересечения — промежуточные линии АВ и CD. Для проведения этих линий с помощью треугольника и линейки линиями, параллельными сторонам 1—2 и 3—4, нано­ сятся метки на сторонах 2— 3 и 1—4. Затем линиями, параллель­

ными диагоналям, через полученные метки проводятся засечки то­ чек А и В. Соединив точку А, пересечение диагоналей и точку В, получим промежуточную линию АВ. Аналогичными построениями на сторонах 1—2 и 3—4 находят точки С и D, и проводится вто­ рая промежуточная прямая CD. В полученных дополнительных че­

тырехугольниках снова проводятся диагонали и новые координат­ ные линии и т. д. После построения проективных сеток подобия на рабочий планшет переносится положение поплавков с обоих сним­ ков. Для этого с помощью четырехкратной лупы дешифрируют

Рис. 92. Построение проективных сеток подобия (а) и рабочий план­ шет (б ) .

аэроснимок и определяют центр ядра уранинового поплавка. Определяют координаты данного поплавка в элементарном четырех­ угольнике, находят идентичный четырехугольник на планшете, и по полученным координатам точка переносится на планшет (рис. 92 6).

При плановом аэрофотографировании перенесение положения поплавков с аэроснимков на рабочий планшет выполняется графи­ ческим или оптико-фотомеханическим редуцированием. Более точ­ ные результаты получаются при использовании фототраисформаторов ФТБ или ФТЛ.

Дальнейшая обработка, независимо от способа съемки, произ­ водится следующим образом. С рабочего планшета на чистый лист ватмана перекалываются контур реки, линия рабочего створа и положение поплавков (рис. 93). Затем проводятся векторы пути

190

ных скоростей течения. По плану определяются расстояния до каждой вертикали от постоянного начала.

Для вычисления поверхностных скоростей течения векторы пути поплавков проектируются на линии, перпендикулярные створу, и для каждого поплавка определяют величину проекции пути по­ плавка в метрах (1—1", 2—2", ...). Разделив полученную величину

проекции вектора на промежуток времени между двумя аэросним­ ками, получим поверхностную скорость течения для данного по­ плавка. При наличии во время измерения расхода воды ветра

/

в измеренные скорости течения вводится поправка До на ветер, вычисляемая по формуле

где AvB— ветровая составляющая скорости перемещения поплавка

в воде, определяемая по графику зависимости Див от скорости ветра w (рис. 94); ср — угол между направлением течения и на­

правлением ветра.

При ветре против течения значение поправки прибавляется к из­ меренной скорости течения, а при ветре по течению — вычитается.

Для вычисления расхода воды строится эпюра распределения поверхностных скоростей течения по ширине реки. В местах пере­ гибов эпюры, а при плавном ее очертании через равные расстояния назначаются скоростные вертикали, обязательно совмещаемые с промерными. Для каждой скоростной вертикали с эпюры сни­ мается значение поверхностной скорости течения и вычисляются полусуммы скоростей на смежных вертикалях. Последующим умно­ жением полусуммы скоростей на площадь живого сечения между

191

скоростными вертикалями получают частичные расходы воды. Сумма частичных расходов дает величину общего фиктивного рас­ хода воды. Умножив значение фиктивного расхода на переходный коэффициент, получают действительный расход воды.

§59. Определение расхода воды по площади живого сечения

ипродольному уклону

Определение расхода воды по площади живого сечения и про­ дольному уклону водной поверхности основано на формуле равно­ мерного движения воды в русле, при котором расход равен про­ изведению площади живого сечения на среднюю скорость течения, вычисляемую по формуле Шези. Формула расхода воды при этом имеет вид

В естественном речном русле движение воды, близкое к рав­ номерному, наблюдается лишь при высоких уровнях воды, поэтому данный способ применяется главным образом для определения максимальных расходов.

Для вычисления расхода воды по формуле (60) нужно опреде­ лить площадь живого сечения F, продольный уклон водной поверх­ ности /, гидравлический радиус R и коэффициент С формулы

Шези.

Так как формула (60) предполагает равномерное движение воды, то участок для определения расхода должен быть прямоли­ нейным, с однообразными по длине реки глубиной, шириной, про­ дольным уклоном водной поверхности и шероховатостью русла и по возможности с правильной формой профиля поперечного се­ чения.

На выбранном участке примерно на равных расстояниях друг от друга назначается не менее трех створов. Для них вычисляется площадь живого сечения, смоченный периметр и гидравлический радиус. За расчетные величины этих характеристик принимаются средние арифметические из их значений, определенных отдельно для каждого профиля. Для широких и неглубоких рек гидравли­ ческий радиус обычно заменяется средней глубиной.

Продольный уклон водной поверхности определяется нивелиро­ ванием урезных кольев, забитых одновременно вровень с поверх­ ностью воды на концах выбранного участка.

Значение коэффициента С для больших и средних рек наиболее

точно может быть получено по данным вертушечных измерений расходов воды. В этом случае для каждого измеренного расхода вычисляется значение коэффициента С по формуле

*'ср

(61)

V hcpl

По полученным данным строится график зависимости C = f (Я). Для больших и средних рек кривая C = f (Я) в верхней части

192

в большинстве случаев приближается к прямой, параллельной оси

При отсутствии вертушечных измерений расходов значение ко­ эффициента С может быть определено по эмпирическим формулам.

коэффициента шероховатости по приложению 3 или вычисляемый по формуле

Для приближенных вычислений можно пользоваться упрощен­

Значение коэффициента С можно вычислить по формуле Базена

где у — коэффициент шероховатости.

Для определения коэффициента п или у обследуются берега и

дно русла реки и поймы, в процессе которого оценивается шерохо­ ватость и назначается ее категория по шкале Срибного.

Способ определения расхода воды по площади живого сечения и уклону чаще всего применяется при рекогносцировочных обсле­ дованиях, проводимых с целью определения максимальных расхо­ дов пересохших водотоков по меткам уровня высоких вод.

§ 60. Измерение расходов воды на малых реках

Для малых рек характерна большая изменчивость внутригодо­ вого колебания стока воды в зависимости от физико-географиче­ ских факторов, климатических условий и хозяйственной деятель­ ности человека. В таких условиях отдельные измерения расходов воды вертушкой не могут осветить фактическую изменчивость стока во времени. Кроме того, вследствие недостаточных глубин, ма­ лых скоростей течения и неустойчивости русла использование спо­ соба «площадь—скорость» представляет значительные трудности.

13 Зак, № 549

193

Указанные причины обусловливают необходимость оборудова­ ния гидростворов на малых реках гидрометрическими сооружени­ ями, обеспечивающими непрерывный автоматический учет стока воды. Такими сооружениями являются гидрологические расходо­ меры, к которым относятся водосливы различных типов, гидромет­ рические лотки. Они позволяют определять расход воды только по значению уровня (напора) на основании использования гидрав­ лических зависимостей между расходами и уровнями пли данных тарировки сооружения.

В ряде случаев по техническим и другим причинам устройство

расходомеров становится невозможным, тогда используются дру­ гие методы учета стока.

На малых реках рекомендуются следующие способы измерения расходов воды:

1) гидрометрической вертушкой в естественном упорядоченном русле;

2)гидрометрической вертушкой в искусственных контрольных руслах;

3)с использованием водосливов или гидрометрических лотков;

4)объемным способом;

5)способом смешения.

Наиболее совершенными устройствами для измерения расхода воды являются гидрологические расходомеры, поэтому данный спо­ собу следует применять во всех случаях, где это возможно. Объем­ ный способ используется главным образом для тарировки расходо­ меров и измерения очень малых расходов. Способом смешения измеряются расходы воды преимущественно на горных реках. Учет стока воды путем измерения расходов вертушкой следует произво­ дить лишь при невозможности устройства расходомеров (из-за от­ сутствия строительных материалов, рабочей силы и т. п.).

Независимо от способа учета стока воды регистрация высоты уровня на малых реках производится самописцами уровня.

Измерения вертушкой в естественном упорядоченном русле. Эти измерения возможны в том случае, если скорости течения не меньше 0,15 м/с и глубины не менее двух диаметров лопастного винта вертушки. При скоростях течения, меньших предельных, следует пользоваться глубинным поплавком.

^Для измерения расходов воды выбирается участок, прямоли­ нейный на протяжении не менее 10-кратной ширины реки, с пра­ вильной корытообразной формой русла, с устойчивыми берегами и дном. Для получения достаточно точных результатов отдельных измерений расходов русло реки на выбранном участке необходимо 5'порядочить путем спрямления, расчистки и планировки откосов

берегов; в некоторых случаях русло канализируется.

Измерение скорости течения в упорядоченном и канализирован­ ном русле производится на нескольких вертикалях (не меньше пяти) точечным способом. В периоды половодья и паводков при быстрых изменениях уровня (свыше 15 см/ч) время измерения рас­ хода нужно сократить. Для этого вертушка выдерживается в точке

194

в течение 30—35 с. При малых скоростях измерения прекраща­ ются после получения третьего сигнала. Отсчеты по секундомеру записываются с точностью до 0,2 с.

Измерения вертушкой в контрольных руслах. Контрольным руслом называется короткий участок реки, специально оборудо­ ванный для повышения точности измерений расходов и обеспече­ ния благоприятных условий выполнения работ. Устраиваются они

При малых скоростях течения и незначительных глубинах конт­

Л*// # V*U<*//*//«»

Л\W/ >»/>ЧУ//

"°! 0,5-1,561

Рис. 95. Контрольное русло временного типа для измерения расхода воды на реках с малыми скоро­ стями течения.

На реках с устойчивым профилем и достаточными глубинами, но с малыми скоростями течения контрольные русла устраиваются в виде искусственного сужения русла, в котором скорости течения увеличиваются до 0,20—0,25 м/с, что позволяет производить изме­ рения расхода воды вертушкой. Сужение русла достигается уст­ ройством продольных ряжевых или шпунтованных стенок, соеди­ ненных с берегом и образующих в центральной части русла канал (рис. 95). Пространство за стенками засыпается глиной или дру­ гим водонепроницаемым грунтом.

На реках с устойчивым руслом и достаточными скоростями те­ чения, но с незначительными глубинами контрольные русла устра­ иваются в виде искусственного канализированного участка, увели­ чивающего глубины в гидрометрическом створе (рис. 96 а). Ка­

налу придается прямоугольный или трапецеидальный профиль с откосами 1 :2— 1 : 4. Длина канала назначается равной не менее четырехкратной его ширины. Гидрометрический створ, водомерный пост и самописец уровня устанавливаются на расстоянии 0,6—0,8 длины канала от его верхней границы.

При незначительном количестве наносов глубины можно увели­ чить путем устройства фильтрующей каменной наброски (рис. 96 б ).

Гидрометрический створ и самописец уровня устанавливаются в зоне подпора в 5— Юм выше наброски,что обеспечивает отсутствие мертвых пространств в придонном слое потока. В целях создания

обеспечивает постоянство связи между расходами воды и уров­ нями.

Контрольные русла устраиваются на участках рек со значитель­ ными продольными уклонами (более 2—3%о) или в местах с рез-

по аа

Рис. 97. Контрольное русло постоянного типа.

кими переломами продольного профиля водной поверхности, где происходит переход от малого к большему уклону (например, пе­ ред порожистым участком, на перекатах).

Контрольное русло (рис. 97) представляет собой полосу бето­ нированного дна, простирающуюся поперек потока от одного бе­

196

рега к другому, с увеличенным по сравнению с естественным укло­ ном. Ширина бетонной плиты назначается равной 0,1—0,2 ширины потока, но не менее 2 м. Глубина заложения плиты в дио потока принимается в случае скального дна равной 0,5 м, а при наличии аллювия — до 2 м. Высота плиты над естественным дном назнача­ ется равной 0,2—0,3 м; впоследствии речное дно в результате от­ ложения наносов выравнивается заподлицо с сооружением. Для устройства контрольного русла выбирается место с асимметричным поперечным профилем, что обеспечивает более точное измерение малых расходов и способствует более свободному транзиту нано­ сов через сооружение. Водомерный пост, самописец уровня и гид­ рометрический створ устраиваются в створе сооружения. Измере­ ние расходов производится вертушкой с гидрометрического мостика.

Место измерения напора

Измерения с помощью тонкостенных незатопленных водосливов. Водосливами обычно измеряют расходы воды от самых малых (0,06 л/с) до 10 м3/с в потоках с небольшим количеством наносов.

Водослив представляет собой вертикальную стенку, преграж­ дающую поток перпендикулярно направлению течения и имеющую для прохода воды вырез (отверстие) прямоугольной, треугольной, трапецеидальной или другой формы. Расход воды через водослив определяется по высоте переливающегося через ребро водослива слоя воды — напора на водосливе.

Для измерения расходов воды рекомендуются следующие типы тонкостенных водосливов:

1)водослив с горизонтальным ребром — прямоугольный без бо­ кового сжатия, прямоугольный с боковым сжатием и трапецеи­ дальный;

2)треугольные водосливы;

3)водосливы криволинейных очертаний — параболический, ра­

диальный, пропорциональный.

197

П р я м о у г о л ь н ы й в о д о с л и в б е з б о к о в о г о с ж а т и я

плоскими, а дно — горизонтальным. Стенка водослива устанавли­ вается на расстоянии, равном пятикратному наибольшему напору. Ребро водослива должно быть строго горизонтальным, длиной во всю ширину канала и возвышаться над дном не менее чем на 0,2 м. Для точного определения расхода воды необходимо, чтобы наи­ больший напор над ребром водослива был не более 1,00 м, а наи-

Рнс. 99. Прямоугольный водослив с боковым сжа­ тием.

меньший — не менее 0,05 м. Расход воды через такой водослив вы­ числяется по формуле

нала. Вода переливается через прямоугольный с острыми краями вырез в стенке. Расход воды через такой водослив определяется по формуле (65), но численные значения коэффициента расхода здесь несколько меньше, чем для водослива без бокового сжатия.

198

Т р а п е ц е и д а л ь н ы й в о д о с л и в (рис. 100а) имеет вырез в стенке в форме равнобедренной трапеции с наклоном боковых стенок к ребру водослива, равным 4:1. Длина ребра водослива должна быть в три-четыре раза больше величины наибольшего напора.

Наименьший напор, обеспечивающий точное определение рас­ хода воды, должен быть 0,05 м, наибольший— 1,00 м. Расход воды вычисляется по формуле (65), но численные значения коэффи­ циента расхода для трапецеидального водослива иные.

Т р е у г о л ь н ы й в о д о с л и в (рис. 100 6) имеет вырез в форме равнобедренного треугольника с углами при вершине 120, 90, 60, 45 и 20°. Треугольный водослив устраивается при выходе из подво­ дящего канала, ширина которого зависит от величины наибольшего напора и от угла выреза водослива.

Точное измерение малых расходов возможно при напоре не ме­ нее 0,06 м. Наибольший напор рекомендуется назначать для водо-

Рис. 100. Схемы водосливов: трапецеидального ( а ), тре­ угольного ( б ) .

где ц — коэффициент расхода, равный 0,58—0,59; 0 — угол выреза водослива; Я — напор.

П а р а б о л и ч е с к и й в о д о с л и в (рис. 101 а) имеет вырез,

очерченный по контуру параболы второй степени, уравнение кото­ рой х2 = 2ру. Наименьший напор, обеспечивающий достаточно точ­

ное измерение расхода воды, равен 2 см. Наибольший напор реко­ мендуется назначать не более 0,5 м. Расход воды, протекающей через параболический водослив, вычисляется по формуле

199