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

2. Пипетка опускается па требуемую глубину, и по истечении определенного времени переводом указателя крана в положение «ВК» отбирается проба суспензии.

3. После заполнения пипетки до черты, соответствующей объ­ ему 25 мл, край переводится влево в положение полного перекры­ тия вакуума, и засасывание пробы прекращается.

4.Указатель крана переводится в положение «ВЗ», и взятая проба переливается из пипетки в бюкс.

5.Указатель крана переводится в положение «ПР» (промыва­ ние), и оставшиеся на стенках пипетки частицы смываются дистил­ лированной водой из смывного сосуда в тот же бюкс.

Взятые пробы выпариваются на водяной или песчаной бане и в воздушно-сухом состоянии взвешиваются с точностью до 0,0001 г.

фракциометре. Предварительно из оставшейся в цилиндре суспен­ зии удаляются частицы мельче 0,05 мм путем трехкратного отстоя ее в течение 3 мин и слива осветленного слоя воды. Остаток сус­ пензии с частицами крупнее 0,05 мм переводится из цилиндра в ко­ ническую колбочку для дальнейшего подразделения их на фрак­ циометре. Обработка результатов анализа состоит в следующем.

По разности веса бюкса с наносами и пустого бюкса вычисля­ ется вес наносов в пипетке. Полученный вес для отдельных проб пересчитывается на содержание во всей суспензии в цилиндре по

0,005; 0,005—0,001 мм, надо произвести последовательные вычита­ ния количеств наносов, вычисленных для отдельных проб по фор­

фракций, выделенных на фракциометре, получается непосредст­ венно. Содержание каждой фракции вычисляется в процентах от­ носительно взятой на анализ навески; сумма содержания всех фракций, выделенных пипеткой и фракциометром, должна состав­ лять 100%. Если отклонение от 100% не превышает ±3% , то ана­ лиз считается выполненным удовлетворительно, а полученная не­ вязка, если она с положительным знаком, вычитается из веса фракции 0,2—0,1 мм, а если с отрицательным знаком, прибавля­ ется к фракции мельче 0,01 мм (мельче 0,001 мм).

Комбинированный метод пипетка—фракциометр может исполь­

271

производиться на одной и той же пробе без предварительного вы­ деления навески, что позволяет сохранить естественное агрегатное состояние наносов и, кроме того, значительно ускоряет определение мутности и упрощает процесс выполнения гранулометрического анализа. Мутность воды определяется при этом следующим обра­ зом. Проба воды со взвешенными наносами объемом около 1 л переводится из бутылки в цилиндр пипеточной установки и до метки доливается дистиллированной водой. Дальнейший процесс работы слагается из тех же операций, что и при определении круп­ ности наносов, с той лишь разницей, что пипеткой берется всего одна проба с частицами мельче 0,05 мм, а все наносы крупнее 0,05 мм собираются на фракциометре между третьим и четвертым зажимами с отстоем по наибольшему сроку.

§ 77. Определение гигроскопической влаги в пробе, удельного и объемного веса наносов

Содержание г и г р о с к о п и ч е с к о й в л а г и определяется лишь для донных отложений, поступающих на анализ пипеточным методом. По содержанию гигроскопической влаги вес наносов в воздушно-сухом состоянии пересчитывается на абсолютно сухой вес.

Для определения гигроскопической влаги проба в воздушно­ сухом состоянии просеивается через сито с отверстиями 1 мм и из просеянной части берется навеска 1,0—1,5 г. Взятая навеска про­ сушивается в термостате в течение 5 ч при температуре 105— 110° С и после охлаждения вновь взвешивается. Содержание ги­ гроскопической влаги в граммах определяется по разности веса

частиц определенного объема к весу такого же объема дистилли­ рованной воды.

Удельный вес определяется с помощью пикнометра, отградуиро­ ванного на 50— 100 мл. Пикнометр наполняется дистиллированной водой до метки и с закрытой пробкой взвешивается на техниче­ ских весах. После взвешивания вода из пикнометра выливается и в него переводится 10— 15 г наносов в воздушно-сухом состоянии с частицами мельче 1 мм. В пикнометр с наносами примерно до половины объема доливается дистиллированная вода, проба кипя­ тится в течение 30 мин для удаления воздуха из пор наносов. По­ сле кипячения проба в пикнометре охлаждается, снова доливается до метки дистиллированной водой, пикнометр закрывается проб­ кой и опять взвешивается. Из оставшейся части образца берется навеска для определения гигроскопической влаги.

Удельный вес наносов вычисляется по формуле

272

где Р — вес абсолютно сухого наноса в граммах; R — вес пикно­ метра с водой в граммах; т — вес пикнометра с пробой в граммах.

Вес наносов в абсолютно сухом состоянии вычисляется по фор­ муле

содержание гигроскопической влаги в %.

О б ъ е м и ы й вес наносов представляет собой отношение веса наносов к их объему.

Для определения объемного веса берется навеска 25—30 г для мелких наносов (глина, ил, пыль), 50—70 г для средних наносов (песок) и 150—300 г для крупных наносов (гравий, галька). На­ веска растирается с водой в фарфоровой чашке и затем пере­ водится в градуированный цилиндр объемом 100—150 см3, куда добавляется вода на 3—4 см выше поверхности пробы. Наносы отстаиваются до установления постоянного объема в течение не менее пяти дней для мелких наносов и двух дней для средних и крупных; длительность отстоя илистых и глинистых частиц может увеличиваться до 12 дней. Для ускорения отстоя наносы уплот­ няются путем постукивания резиновым молоточком о стенки ци­ линдра в начале и конце рабочего дня.

где Р — вес наносов в воздушно-сухом состоянии, а для глинистых и илистых наносов в абсолютно сухом состоянии в граммах; W —

уплотненный объем наносов в см3.

Г Л А В А Д Е В Я Т А Я

ВЫЧИСЛЕНИЕ СТОКА ВОДЫ

§78. Материалы для построения кривой расходов воды

иих анализ

единиц выражения стока являются значения средних суточных рас­ ходов воды.

При устойчивом незаросшем русле и отсутствии переменного подпора между расходами и уровнями воды существует однознач­ ная зависимость, при которой определенному значению уровня со­ ответствует только одно значение расхода воды. В этом случае, имея достаточное количество расходов воды, измеренных при раз­ личных уровнях, можно установить зависимость между этими эле­ ментами и определить значение расхода за каждый день по наб­ люденным на водомерном посту уровням. Связь между расходами

и уровнями воды обычно устанавливается графически в виде кривой Q = f (Я).

В ряде случаев в результате воздействия различных факторов однозначная зависимость между расходами и уровнями может быть нарушена; такими факторами могут быть: 1) неустановившееся движение воды, что особенно ярко проявляется при прохож­ дении паводочных волн; 2) неустойчивость русла, когда вследствие намывов и размывов дна одному и тому же расходу могут соот­ ветствовать различные уровни воды; 3) ледовые явления, вызыва­ ющие стеснение площади живого сечения потока и увеличение ше­ роховатости; 4 ) зарастание русла; 5) наличие переменного подпора, когда режим расходов и уровней зависит не только от изменения водности, но и от действия источника переменного подпора.

Чтобы установить характер связи между расходами и уров­ нями, необходимо тщательно проверить и проанализировать исход­ ные материалы. К ним относятся: 1) таблица «Измеренные рас­ ходы воды» (ИРВ); 2) таблица «Ежедневные уровни воды» (ЕУВ); 3) совмещенные профили поперечных сечений по гидро­ метрическому створу; 4) план участка поста; 5) поперечный про­ филь по гидроствору до уровня высоких вод; 6) техническое дело поста; 7) литературные и архивные материалы, характеризующие режим реки на участке гидрометрического створа.

Анализ материалов наблюдений следует начинать с таблицы ИРВ; при этом нужно произвести: 1) арифметическую проверку величин средней скорости и средней глубины; 2) проверку соот­ ветствия уровня воды в день измерения расхода уровню того же дня в таблице ЕУВ; 3) сопоставление записей о состоянии реки

втаблице ИРВ с теми же данными в таблице ЕУВ.

Впроцессе анализа таблицы ИРВ важно выяснить, учитывался ли при измерении полный расход воды или только часть его (без расходов в пойме и протоках). Выяснение полноты измерения рас­

хода производится по топографическому плану участка поста, по­ перечному профилю гидрометрического створа, построенному до высшего уровня, и таблице ИРВ. Для этого по поперечному про­ филю гидроствора определяется отметка уровня воды, при которой начинают затапливаться пойма и действовать протоки и рукава. Затем, сопоставляя помещенные в таблице ИРВ величины площади водного сечения и ширины реки с их значениями по профилю (при уровне выше выхода реки на пойму), выясняется, учитывался рас­ ход в пойме или нет. При наличии рукавов (проток) проверяется, соответствует ли число обозначенных литерами расходов воды в таблице ИРВ числу проток по плану или профилю.

Большую помощь при проведении анализа материалов наблю­ дений могут оказать совмещенные поперечные профили по гидро­ метрическому створу, построенные по промерам глубин, выполнен­ ным при измерениях расхода воды. Анализ совмещенных профи­ лей дает возможность установить степень устойчивости русла и определить характер деформации. Если глубины измерялись пра­ вильно и русло реки устойчивое, то линии дна всех профилей дол­

274

жны совпасть. Если же в какой-то части русла происходит изме­ нение глубин, то линии дна в этой части профиля разойдутся.

Так как для каждого расхода воды имеем равенство Q = FvcР,

то оказывается удобным дальнейший анализ измеренных расходов производить графическим путем. С этой целью на листе миллимет­ ровой бумаги строят три кривые (рис. 137): кривую расходов воды Q —f ( H) , кривую площадей поперечных сечений F = f (Я) и кри­ вую средних скоростей vcp— f (Я ). При построении кривых по вер­

щадь поперечного сечения и средняя скорость. Посредине полосы нанесенных точек (Q, Я), (F, Я), (vcp, Я) проводятся плавные кривые Q=f (Я), F — f (Я) и vcp= f (Я).

средних уровнях. Пологость кривой в верхней части зависит от крутизны и шероховатости склонов берегов. Если крутизна скло­ нов уменьшается, то кривая делается более пологой; увеличение шероховатости склонов, наоборот, уменьшает пологость кривой.

Зависимость F = f (Я) при правильной форме русла имеет вид

плавной кривой с выпуклостью, обращенной также к оси уровней; в местах резкого изменения профиля направление кривой площади меняется. При прямоугольной форме русла кривая F = f (Я) пре­

вращается в прямую линию. Если расходы воды измерялись в не­ скольких гидрометрических створах, то на чертеже может быть несколько кривых F =f (Я).

Зависимость vcp= f (Я) менее определенная, так как на вели­

чину скорости оказывает влияние шероховатость русла, продоль­ ный уклон водной поверхности и гидравлический радиус. Лишь

для устойчивых незаросших русел при отсутствии переменного под­ пора зависимость vcp= f (Я ) имеет вид плавной кривой с выпук­

лостью, обращенной к горизонтальной оси. При резком увеличении шероховатости, что особенно ярко проявляется при выходе воды на пойму, средние скорости уменьшаются и направление кривой vcp= f (Н ) может меняться на обратное. При дальнейшем повыше­

нии уровня воды влияние шероховатости будет уменьшаться и зна­ чение средней скорости будет постепенно возрастать.

В результате анализа материалов наблюдений выясняются осо­ бенности режима реки и выбираются способы вычисления еже­ дневных расходов воды. Ниже будут рассмотрены способы уста­ новления связи расходов воды с уровнями и методы вычисления стока воды при: 1) однозначной связи между расходом и уровнем; 2) неустановившемся режиме (паводочные петли); 3) ледовом ре­ жиме; 4) зарастании русла; 5) неустойчивом русле; 6) перемен­ ном подпоре.

§ 79. Построение кривой расходов при однозначной связи между расходом и уровнем

Кривая расходов воды Q — f (Я) строится на миллиметровой

бумаге в прямоугольной системе координат совместно с кривыми F = f (Я) и vcp= f (Я). Масштабы для построения кривых подбира­

ются в зависимости от амплитуды уровней, расходов, площадей и скоростей течения с таким расчетом, чтобы хорда кривой расходов расположилась примерно под углом 45°, а хорды кривых площадей и средних скоростей под углом 60° к оси абсцисс. Чтобы кривые не пересекались, нули шкал площадей и скоростей сдвигаются вправо. Точки с координатами (Q, Я ), (F, Н) и (оСр, Я) обводятся круж­

ками диаметром 1,5—2,0 мм; против точек расходов на расстоянии 3—5 см от них (по горизонтали) выписываются даты измерения. Кривая расходов воды проводится посредине полосы рассеивания точек (Q, Я) сначала от руки, а затем по лекалу. При наличии большого количества измеренных расходов кривая Q= f (Я) может быть проведена по центрам тяжести групп точек. Таким же спо­ собом проводятся кривые F = f (Я) и оСр = / (Я).

Если на участке гидрометрического створа при определенном уровне начинают действовать пойма, протоки и рукава, то кривые

чения расходов для этой кривой получаются суммированием рас­ ходов, снятых с кривых для основного русла, поймы, проток при одной высоте уровня для всех кривых.

При значительной амплитуде расходов, когда отношение наи­ большего расхода к наименьшему составляет 20 и больше, нижняя часть кривой расходов в пределах 20—30% амплитуды уровней вы­ черчивается в увеличенном масштабе (обычно в 5— 10 раз круп­

276

нее). Такое построение позволяет вычислять сток воды при низких уровнях значительно точнее.

Кривые Q=f (Я ), F = f (Я) и vcp= f (Я) связаны между собой равенством Q = Fvcр, по которому производится их увязка. Для

этого через каждые 10% амплитуды уровня, а на более изогну­ тых отрезках чаще с кривых снимаются значения расходов воды, площадей и скоростей и подставляются в формулу Q — Fvcv. Если расхождение между произведением Fvcр и расходом, снятым с кри­

вой, не более 1%, то кривые проведены правильно. Если расхож­ дение больше, нужно исправить ту из кривых (или все кривые), которая отклоняется от среднего положения. Чтобы получить пра­ вильный результат, обычно требуется несколько раз вводить ис­ правления и увязывать кривые. Увязку кривых удобно произво­ дить по форме, приведенной в табл. 19.

Для подсчета ежедневных расходов воды по построенной кри­ вой расходов составляется таблица координат Q — f (Я). Форма та­

кой таблицы приведена в табл. 20. Таблица составляется следую­ щим образом. Сначала в нулевую графу выписываются коорди­ наты опорных точек, за которые принимаются значения расходов, снятые с кривой Q = f (Я) при высшем и низшем уровнях, и значе­

ния расходов через 2, 1 или 0,5 см на графике (в зависимости от кривизны отдельных участков кривой и масштаба уровня). Обычно значения расходов снимаются с кривой через интервалы уровня от 5 до 20 см, а при мелком масштабе и при пологой кривой эти интервалы можно увеличить до 50 см. Затем путем прямолиней­ ной интерполяции вычисляются промежуточные значения расхо­ дов для каждого сантиметра уровня. Расходы, вычисленные путем интерполяции, не должны отклоняться от кривой более чем на 1,5% в верхней и средней частях и на 3% в ее нижней части. При снятии координат опорных точек необходимо следить, чтобы при­ ращение расхода для каждого последующего интервала уровня было больше предыдущего или оставалось без изменения.

Построение кривой расходов заканчивается проверкой найден­ ной зависимости. Эта проверка выполняется путем вычисления от­ клонений (в процентах) измеренных расходов от кривой Q = f (Я).

Полученную зависимость можно считать удовлетворительной, если среднее отклонение измеренных расходов находится в пределах 2—4%. Содержание и порядок проверки найденной зависимости Q — f (Я) видны из табл. 21.

Ежедневные расходы воды для периода свободного русла вы­ числяются непосредственно по таблице координат. Для этого из таблицы «Ежедневные уровни воды» берется значение среднего суточного уровня и из таблицы координат выбирается соответст­ вующий ему расход воды. При значительных суточных колебаниях уровня следует определять расход для каждого срочного уровня, а средний суточный расход вычислять как среднее взвешенное по времени из полученных значений расходов. По средним суточным расходам воды составляется таблица «Ежедневные расходы воды»

(табл. 22).

277

П о с т р о е н и е м н о г о л е т н е й к р и в о й р а с х о д о в воды. При наличии измеренных расходов за несколько лет можно по­ строить одну многолетнюю кривую и использовать ее для подсчета стока на протяжении нескольких лет. Многолетняя кривая может считаться надежной, если она построена по расходам, измеренным в течение не менее трех лет, и общее количество расходов не меньше 50—60. Отклонение измеренных расходов и площадей не дол­ жно превышать в средней и верхней частях кривых 8— 10% для расходов и 4—5% для площадей, а в нижней части кривых— 12% для расходов и 6% для площадей. Отклонение точек в пределах, больших указанных, свидетельствует о неустойчивости русла, п многолетней кривой в этом случае пользоваться нельзя.

При построении многолетней кривой точки расходов, измерен­ ных в различные годы, наносятся на графике разными знаками, например пустым кружком, залитым кружком, крестиком п т. п. Вычисление стока воды по многолетней кривой может произво­ диться в течение ряда лет при условии проверки кривой контроль­ ными измерениями расходов.

§ 80. Экстраполяция кривой расходов воды

Кривая расходов воды должна охватить полную амплитуду ко­ лебаний уровня за тот период, для которого вычисляется сток воды. Если при самых высоких и самых низких уровнях расходы не измерялись, то кривая проводится (экстраполируется) вверх до высшего уровня и вниз до низшего уровня. Кривая расходов счи­ тается достаточно надежной, если экстраполяция вверх не превы­ шает 15—20%, а вниз — 5% амплитуды уровней.

Экстраполяция кривой расходов до высшего уровня может быть произведена следующими способами: 1) непосредственным продол­

формы русла и гидравлических сопротивлений на участке гидро­ створа.

Э к с т р а п о л я ц и я н е п о с р е д с т в е н н ы м п р о д о л ж е ­

вой расходов не превышает 10% амплитуды колебаний уровней и профиль поперечного сечения в пределах этого участка не имеет резких переломов, а шероховатость склонов берегов по высоте изменяется несущественно. Кривая расходов воды продолжается до высшего уровня по общему ее направлению. При этом следует учитывать характер изменения поперечного профиля и шерохова­ тости склонов берегов в пределах экстраполируемого участка. Если крутизна склонов берегов уменьшается, то пологость кривой должна увеличиваться; при увеличении шероховатости пологость кривой должна уменьшаться.

278

Э к с т р а п о л я ц и я по э л е м е н т а м р а с х о д а произво­ дится с помощью кривых F = f (Я) и vcp— f (Я). Сначала достраи­

вается до высшего уровня кривая площадей. Площади в пределах экстраполируемого участка определяются по профилю поперечного сечения. Затем экстраполируется кривая скоростей соответственно направлению обоснованной части с учетом шероховатости склонов берегов. После этого для разных уровней в пределах экстраполиру­ емого участка с кривых F = f (Я) и vcp— f (Я) снимаются значения F и оср; необходимые для экстраполяции расходы воды вычисля­ ются по формуле Q = Fvcр. Точки (Q, Я) наносятся на график, и

по ним кривая расходов плавно продолжается до высшего уровня. Данный способ экстраполяции применяется при условии, что паводочные расходы измерялись в одном гидрометрическом створе и профиль поперечного сечения в пределах экстраполируемого

участка не имеет резких переломов.

Э к с т р а п о л я ц и я по с п о с о б у С т и в е н с а применяется для больших равнинных рек с правильной корытообразной формой русла при средней глубине в пределах экстраполируемого участка не менее 3,5—4 м. Этот способ основан на том, что кривую рас­ ходов воды можно изобразить линией, близкой к прямой, если вы­ разить зависимостью

где F— площадь водного сечения; /гср — средняя глубина.

Зависимость вида Q = f (F'Yhcp) может быть получена из фор­

При средней глубине, большей 3,5—4,0 м, произведение CYL

практически можно принять постоянным, а гидравлический радиус для широких рек может быть заменен средней глубиной. Прини­

= f (FyTicp). Эта зависимость графически выражается прямой ли­

нией, которую легко экстраполировать до любого значения F У hcр.

Экстраполяция по этому способу производится следующим об­ разом. Сначала обычным способом строится кривая Q = f (Н ) по

всем расходам, измеренным при открытом русле. 'Затем на одном

графике с ней строится кривая Q = f ( F y hcp) с использованием

только паводочных расходов (рис. 138).

Для построения кривой Q = f ( F Y hcp) составляется таблица по

форме табл. 16.

Таблица составляется следующим образом. Из таблицы ИРВ выписываются значения паводочных расходов и соответствующие

им величины F, 1гср. Для каждого расхода вычисляются Y Лер и

279

с графика Q = f (FYhcv) снимается значение расхода и на по­ лученную точку экстраполируется кривая Q = / (Я ).

Рис. 138. Экстраполяция кривой расходов воды по способу Стивенса.

При наличии резких переломов в поперечном профиле русла

зависимость Q = f {FYh ср) выражается ломаной линией, что сни­

жает точность данного способа.

Э к с т р а п о л я ц и я по с п о с о б у С т и в е н с а — В е л и к а ­ нова. Данный способ целесообразно применять, когда попереч­ ный профиль русла при высоких уровнях имеет резкие переломы.

280