Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Учебная гидрологическая практика. Методические рекомендации
.pdf
33
Глубина потока h, м
при диаметре винта вертушки, см
Глубина точек измерения в
долях от h
5-7
12-13
При отсутствии водной растительности; при отсутствии льда
Более 0,60
0,40 – 0,60
0,20 – 0,40
0,10 – 0,20
Более 1,00
0,60 – 1,00
0,35 – 0,60
0,20 – 0,35
У поверхности 0,2; 0,6;
0,8; у дна
0,2; 0,6; 0,8
0,2; 0,8
0,2; 0,8
0,6
При наличии водной растительности; при наличии льда
Более 0,60
0,25 – 0,60
0,08 – 0,25
Более 1,00
0,40 – 1,00
0,15 – 0,40
У поверхности 0,2;
0,4; 0,6; 0,8 у дна
0,15; 0,50; 0,85
0,5
у дна. Результаты таких измерений мало отличаются ( 3%) от результатов полученных при детальном способе.
3. Сокращенный способ, предусматривающий измерения по одной или
трем скоростным вертикалям и по одной или трем точкам на них. Он
применяется на реках с практически устойчивым руслом при необходимости проведения быстрых и частых измерений. Возможность перехода на этот способ измерений тщательно анализируется.
Разновидностью сокращенного способа является интеграционный метод.
При интеграционном методе штанга с вертушкой равномерно поднимается или
опускается одновременно со счетом импульсов. С помощью этого метода можно определить только среднюю скорость потока на вертикали.
Следует отметить, что в зимние периоды, при наличии ледяного покрова,
первая точка отсчета берется не от поверхности воды, а непосредственно у
нижней поверхности льда. При наличии шуги наибольшие скорости обычно
наблюдаются на глубине 0,4h. Если дно имеет неправильную форму, то число
точек на скоростной вертикали увеличивается, а сами точки могут располагаться равномерно по глубине. Рекомендуемые способы и координаты точек измерения в различных условиях приведены в табл. 2.
Таблица 2
Способы и координаты точек измерения скоростей течения вертушкой
34
Вертикаль
Поверхность
Дно
0,15 м
0,15 м
0,2 h
0,6 h
0,8 h
h
u
пов
u
0,2h
u
0,6h
u
0,8h
u
дна
Рис. 8.
Положение вертушек при измерении воды в реке
Примечание.
1. Промежуточные глубины 0,2; 0,6; 0,8 и т. д. в табл. 1 представлены в
долях рабочей глубины от h (рис. 8).
2. При измерении скорости у поверхности и у дна необходимо, чтобы ло-
пасти вертушки были полностью погружены в воду и не касались дна. Таким
образом, в этих точках ось вертушки должна быть ниже поверхности уровня и
выше дна на 0,15м.
Пульсации скоростей влияют на результаты измерений. Чтобы избежать
ошибок от них, необходимо увеличить время измерения в точке. По мере приближения измерительного прибора к берегам и дну пульсации возрастают, поэтому время измерения скорости вертушкой у поверхности длится 2 минуты, у
дна и берегов увеличивается в 2 раза, а в средней части потока – 1,5 раза.
35
Измерение скорости течения заключается в записи числа сигналов замыкания вертушки и общей продолжительности наблюдения в секундах. Гидрометрическая вертушка является наиболее распространенным и точным прибором для измерения скоростей течения в отдельных точках. Она состоит из лопастей, насаженных на ось, герметически закрытого корпуса со счетчиком оборотов внутри, контактами и хвоста-руля. Вертушка крепится к штанге или
тросу и опускается в ту точку потока, в которой необходимо измерить скорость.
Благодаря хвостовому оперению лопасти вертушки сами устанавливаются на
встречу потоку и начинают вращаться, замыкая через определенное число оборотов электрические контакты. В вертушках конструкции Н.Е. Жестовского
импульсы поступают через 20 оборотов, а в вертушках, разработанных П.И.
Бурцевых, импульсы соответствуют каждому обороту вала вертушки. Минимальная выдержка времени пребывания вертушки в точке должна быть не менее 120 с. После установки вертушки в точку с заданной глубиной (рис. 8), необходима выдержка по времени, в течение которого частота вращения лопастей
вертушки приходит в соответствие с величиной скорости набегающего потока.
В журнал полевых работ записывается число оборотов и время измерения. Разделив зарегистрированное количество оборотов на время всей операции, получают среднюю частоту вращения – число оборотов в секунду:
n = N/t, (10)
где N – число оборотов лопастей в точке,
t – продолжительность времени наблюдения в секундах.
Зависимость между числом оборотов лопастного винта и скоростью течения воды выражается уравнением:
υ = k n, (11)
где υ – скорость движения воды в данной точке;
k – коэффициент, зависящий от геометрического шага винта, а также от
гидравлических и механических сопротивлений, возникающих при вращении
последнего;
n – число оборотов винта в секунду.
36
Коэффициент k а, следовательно, и зависимость скорости движения воды
υ от числа оборотов n вертушки или υ = f(n) определяется экспериментально в
процессе тарирования вертушки. Вертушки тарируют в стоячей воде в прямоугольных лотках. При этом вертушку перемещают в воде с определенной скоростью, одновременно определяя число оборотов и время ее передвижения.
Обычно над лотком по отшлифованным рельсам с помощью электродвигателя
движется тележка с укрепленной на ней вертушкой. Через определенные расстояния установлены контакты, замыкаемые тележкой при ее движении, чем и
определяется пройденный путь. Все данные записываются автоматически. Изменяя скорость движений тележки, получают значения n при различных скоростях. Данные, полученные при тарировке, оформляют графически в виде тарировочных кривых υ = f(n).
Каждая вертушка имеет предельные, характеризующие диапазон ее работы, скорости, которые также уточняются в процессе тарировки и указываются в
паспорте. Начальная скорость, при которой винт начинает вращаться, но еще
неравномерно, для вертушек большинства типов равна 0,040,06 м/с. Нижний
предел применения вертушки, при которой она начинает работать с достаточ-
ной точностью, в зависимости от ее типа, обычно равен 0,080,15 м/с. Верхний
предел применения вертушки, то есть максимально допустимая для ее работы
скорость, в зависимости от конструкции, габаритов и назначения составляет: υ = 20 м/с.
Перед началом измерения скоростей вертушкой необходимо проверить
исправность вертушки, наличия необходимых к ней принадлежностей, в том
числе и тарировочной зависимости. Следует также проверить исправность секундомера и его готовность к работе.
Измерение скоростей течения начинается с первой скоростной вертикали
от одного из берегов. При наличии у берегов мертвого пространства определяется его граница, на которой устанавливается дополнительная вертикаль. Граница мертвого пространства определяется поплавками или вертушкой. Если для
этого используется вертушка, то ее погружают в воду на 0,2 ÷ 0,5 м и постепенно перемещают по створу от уреза к первой основной вертикали. В том месте,
37
где лопасти начинают вращаться, назначается дополнительная вертикаль. Перед началом измерения скоростей, наметкой или лотом определяют, рабочую
глубину на вертикали и вычисляют для каждой точки глубину погружения вертушки. Вертушку на штанге или тросе следует устанавливать перпендикулярно
к выбранному гидравлическому створу. В случае определения расхода воды
вертушкой необходимо строго следить за состоянием уровня воды, для чего параллельно с измерением скоростей и промерами ведутся наблюдения на водомерном посту.
При свободном русле среднюю скорость течения на вертикале определяют по следующим формулам в зависимости от числа точек наблюдения (пяти,
трех и двух (см. рис. 8)):
υ
= 0,1(υ
ср.в
пов
+ 3υ
0,2h
+ 3υ
0,6h
+ 2υ
+ υдн); (12)
0,8h
υ
= 0,25(υ
ср.в
υ
= 0,5(υ
ср.в
0,2h
0,2h
+ 2υ
+ υ
+ υ
0,6h
). (14)
0,8h
); (13)
0,8h
При одноточечном способе измерений на глубине 0,6 от всей вертикали
средняя скорость
υ
ср.в
= υ
. (15)
0,6h
Здесь υ
пов
, υ
0,2h
, υ
0,6h
, υ
0,8h
, υ
– скорости, измеренные вертушкой в точках
дн
соответственно на поверхности, на глубинах 0,2; 0,6 и 0,8 от глубины вертикали
и на дне. При наличии ледяного покрова или водной растительности рекомендуется пользоваться формулой шеститочечного метода:
υ
= 0,1(υ
ср.в
пов
+ 2υ
0,,2h
+ 2υ
0,4h
+ 2υ
0,6h
+ 2υ
+ υдн) (16)
0,8h
или формулой трехточечного метода:
υ
ср.в
= (υ
0,15h
+ υ
0,5h
+ υ
)/3. (17)
0,8h
Изложенный метод расчета средней скорости на вертикали является аналитическим. При многоточечном методе измерения среднюю скорость можно
определять графическим способом. Для этого, откладывая в определенном
масштабе глубину по вертикали, а скорости течения по горизонтали (см. рис.
9), строится эпюра скоростей (годограф). Средняя скорость на вертикали представляет собой частное от деления площади эпюры на глубину:
38
Эпюра скоростей по вертикали
h
u
в
О
С В
Е
0,37
0,44
0,51
0,58
0,64
0,70
0,76
0,82
0,84
0,87
u
в
= 6,53/10 = 0,653
Рис. 9.
υ
=S/h. (18)
ср.в
Площадь эпюры можно заменить равновеликой площадью прямоугольника, у которого ширина равна средней скорости, а высота – глубине вертикали. Произведение глубины на среднюю скорость представляет собой элементарный (удельный) расход (м2/с) на этой вертикали:
q = h υ
. (19)
ср.в
Средние скорости и элементарные (удельные) расходы на всех вертикалях используются для вычисления расхода. При камеральной обработке проводится вычисление расхода двумя способами: аналитическим и графическим
(или графометрическим).
Аналитический способ в гидрометрической практике работ принят за основной. Он заключается в определении частичных расходов для площадей между скоростными вертикалями с последующим их суммированием (рис. 10).
Расход воды, проходящей через каждую частичную площадь, равен произведению полусуммы средних скоростей соседних скоростных вертикалей на
площадь между этими же вертикалями, а полный расход воды через все живое
сечение равен сумме этих расходов:
39
1
2 3
в
0
в
1
в
n-1
в
n
w
0
w
1 w
n-1
w
nh
1
h
2
h
3
Рис. 10.
Аналитический метод определения расхода воды в реке
Условия прибрежных зон
К
Пологий берег с глубиной на урезе
h = 0 м
Естественный обрывистый берег или неровная
стенка (неотесанный камень, бут)
Гладкая бетонная стенка
При наличии мертвого пространства
0,7
0,8
0,9
0,5
Таблица 3
Значения коэффициента К
Графоаналитический (или графомеханический) способ вычисления расхода воды дает более точные результаты. Вычисления ведут в следующей последовательности.
1. По расчетному уровню воды и приведенным к нему глубинам вычер-
чивают профиль поперечного сечения створа (см. рис. 11), на котором
показывают положение промерных и скоростных вертикалей, расстояния от постоянного начала, глубины и отметку расчетного уровня.
2. Далее строят эпюры скоростей (годографы) на вертикалях.
40
3. Затем определяют элементарный (удельный) расход q = h υ
ср.в
как
площадь эпюры на каждой вертикали. Эту площадь определяют планиметром или палеткой, а среднюю скорость получают делением площади на глубину.
4. По ширине реки (створа) строят эпюру распределения средних скоро-
стей υ
на вертикалях.
ср.в
5. По масштабу определяют средние скорости на промерных вертикалях.
6. После этого вычисляют элементарные (удельные) расходы на всех
промерных вертикалях.
7. По всем полученным значениям элементарных (удельных) расходов
строят эпюру их распределения q, при этом масштаб выбирают так,
чтобы наибольшее значение ординаты не превышало 710 см.
8. В конечном итоге вычисляют расход воды, для этого с помощью пла-
ниметра или палетки определяют площадь фигуры заключенную между расчетным уровнем и кривой q.
Детальное описание графического метода вычисления расхода воды приведено в работах (3, 4).
41
0.2
1,0
2,0
h, м
u, м/с
Основные
характеристики
№ промерной
вертикали
№ скоростной
вертикали
Расстояние от
пост. нач. м
Средняя скорость
u, м/с,
Урез
л. б.
Урез
пр. б.
1
26.01.05
35.01.10
46.01.25
50.01.30
55.01.201.410.49
65.01.250.420.52
75.01.320.450.59
80.01.400.490.68
90.01.620.621.01
100.01.980.661.30
105.02.000.661.33
110.02.200.651.44
120.02.100.621.30
130.02.050.541.11
140.02.000.340.68
144.01.600.230.36
146.01.300.160.20
149.00.000.000.00
10.200.0
18.00.78
21
352476
83
9
10
4
1112135
14
156
17
18
0
0.4
0.6
0.8
Н, см
Q, м /с
3
w, м
2
В, м
hср, м
h
max
, м
uср, м/с
u
max
, м/с
206
103
204
139
1,47
2,20
0,50
0,80
1 2 3 4 5 6
u
ср
q
об
дно
16
0
0,5
1,0
1,5
q, м /с
2
Элементарный
расход воды, q, м /с
2
Глубина воды, , мh
0.300.23
0.460.49
0.480.52
0.460.57
0.420.55
0.000.00
Вычисление расхода воды графоаналитическим методом
Вертикаль № 1 Вертикаль № 2
Вертикаль № 6Вертикаль № 5
0,51
0,46
0,50
0,44
0,45
0,43
0,43
0,40
0,39
0,36
0,10
0,21
0,63
0,84
0,95
1,05
0
Вертикаль № 4
Вертикаль № 3
hм,
hм,
hм,
u, /cм u, /cм u, /cм
0,10 0,10
0,26 0,26
0,78 0,79
10,4
1 05,
1 20,
1 22,
1, 03
1,32
0
0
0,52
0,51
0,45
0,40
0,34
0,10
0,32
0,97
1 30,
1 52,
1,62
0
hм,
u, /cм
0,72
0,64
0,70
0,61
0,62
0,54
0, 35
0,46
0,48
0,42
u, /cм
hм,
0,10
0,41
2 05,
1 95,
1 64,
1,23
0
hм,
0,10
0,44
2 20,
2 10,
1 76,
1,31
0
0,48
0,53
0,65
0,80
0,74
Рис. 11.
3.2. Измерение скоростей течения и определение расхода воды в реке
Наиболее точным прибором для измерения скоростей при определении
расходов является вертушка, однако в некоторых случаях измерение расходов с
помощью поплавков оказывается единственно возможным. К таким случаям
с помощью гидрометрических поплавков
42
относятся ситуации при: ледоходе; молевом лесосплаве; большом содержании наносов в воде; малых скоростях течения, которые не фиксируются вертушкой; очень больших скоростях течения (в период половодий и паводков);
рекогносцировочных исследованиях. При соблюдении должных условий измерение скоростей поплавками может обеспечить достаточно надежные результаты. В связи с этим при прохождении практики студенты должны освоить этот
метод наряду с методом более точным.
Измерение скоростей поплавками необходимо проводить в тихую погоду
(особенно при измерении малых скоростей) и в период установившегося уровня
воды. Для измерения скоростей должен выбраться прямолинейный участок реки, имеющий однообразные глубины и длину, равную пятикратной ширине реки. Предварительные работы при измерении скоростей поплавками (выбор участка реки, установление гидрометрического створа, съемка, промеры) ведутся
так же, как и при измерении вертушкой.
Определение скоростей течения воды вертушкой отличается от определения с помощью поплавков тем, что в первом случае измеряются скорости в различных точках и в выбранных вертикалях, а во втором – поверхностные скорости в случайных точках основного створа. Выше и ниже основного (среднего)
створа на равных расстояниях от него устанавливаются два дополнительных
створа, так называемые поплавочные - верховой и низовой (рис. 12). Зная расстояние между крайними створами, и, определив по секундомеру время, в течение которого поплавками пройден путь между створами, вычисляют среднюю
скорость движения поплавка как частное от деления пути на время:
υ
= L/t, (21)
пов
где L – расстояние между верхним и нижним створами;
t – время дрейфа поплавка.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]