Бабиков Б. В. Гидротехнические мелиорации (2002)

Существует множество экспериментальных методов измерения скоростей, из них наибольшее распространение получил способ

поплавков и гидрометрических вертушек.

Определение скорости движения воды поплавками. ДrIя этого

на прямом участке реки выбирают место, где нет подпора воды.

При наличии подпора протяженность его 1вычисляют по формуле

1= hj - h2

(59)

1

где h) и 112 - глубина воды в реке в начале и конце подпора; i - уклон

дна реки.

На выбранном участке реки закладывают три поперечника (ство­ ра) - верхний В, средний С и нижний Н (рис. 15). Расстояние между створами устанавливают, в зависимости от наибольшей скорости, с таким расчетом, чтобы время прохождения поплавка между верхним и нижним CTBOPOl\" было не менее 20 с. Для пуска поплавков выше

верхнего створа на расстоянии 0,2L намечают пусковой створ П.

Рис. 15. Схе!\ш разбивки створов

Положение створов закрепляют вешками, устанавливаемыми на

берегах реки и урезах воды. На маленьких речках между вешками,

установленными возле урезов воды, натягивают канат (шпагат).

Момент прохождения поплавков через створы фиксируют с помо-

•

щью геодези:еских инструментов (теодолита, мензулы), а на малых водотоках - визуально по канату, натянутому поперек реки. ДrIя измерения скорости движения воды применяют или поверхно­

стные, или глубинные, или двойные поплавки. Наибольшее рас­

пространение получили поверхностные поплавки: отрезки ствола

дерева определенных размеров (рис.16).

50

Рис. 16. Поплавок

в центре поплавка для лучшей видимости можно установить

флажок. Поплавки запускают несколько выше пускового створа на средине потока. Время прохождения поплавком пути от верхнего

до нижнего створов определяют по секундомеру.

Число поплавков в зависимости от ширины реки колеблется от

8 до 15, но пускают их раздельно. Зная время .Прохождения рас­

стояния между крайними створами, определяют поверхностную

скорость, м/с:

Средняя поверхностная скорость Vc,n , определяется как средне­ арифметическая по сумме скоростей:

LVПОВ

(61)

n

где n - число поплавков.

Упрощенно поверхностную скорость можно определить по двум

поплавкам, прошедшим расстояние t-.-tежду крайниl'vIИ створами наи­

более быстро.

Переход от средней поверхностной к средней скорости потока

по живому сечению реки можно определить по фОР~'lуле

Значение коэффициента Кзависит отуровня воды, шероховатос­

ти русла, уклона дна:

51

где С - скоростной коэффициент формулы Шези.

Дr1я вычисления расходов по формуле (57) определяют площа­ ди живых сечений и смоченные периметры на каждом створе. Для этого через определенные расстояния (0,1-1,0 м и более) произво­ дят промер глубин. Чем уже река и больше колебания в глубинах, тем чаще необходимо промерять глубины, тем меньше устанавли­

вают расстояние между промерами.

Площадь живого сечения каждого створа определяют как пло­ щадь элементарных геометрических фигур - трапеций, треуголь­ ников (рис. Смоченный периметр вычисляют как сумму гипо­ тенуз треугольников (e l + е2 + ... + е). Средние значения живого сечения и смоченного периметра определяют по формулам:

4

где СО и Х - живое сечение и смоченный периметр верхнего (в), сред­ него (е) и нижнего (Н) створов.

Рис. 17. Схема промера живого сечения реки

•

Определение скорости движения воды в водотоке

гидрометрическими вертушками. Гидрометрическая вертуш­

ка позволяет определить скорость течения более точно, чем по­ плавки. В настоящее время пользуются вертушкой Н.Е. Жестов­ ского (рис. 18).

52

Рис. 18. Общий вид гидрометрической вертушки:

J - лопастной BIIHT: 2 - корпус; 3 - клеммы звонка; 4 - штанга; 5 - втулка; 6 - хвостовое оперенltе

Скорость движения воды определяют по частоте вращения ло­

пастного винта, которую учитывают с помощью электрического

тока, подводимого от батарей через клеммы. Вертушка погружает­

ся в воду на требуемые глубины, перемещаясь по штанге. Скорость

вращения лопастного винта фиксируется с помощью звонка. Одно замыкание электрической сигнальной цепи соответствует 20 обо­ ротам винта. Скорость вычисляет после тарировки вертушки по специальным графикам или таблицам, в которых приводится ско­

рость В зависимости от частоты вращения лопастного винта.

Расход воды в небольших водотоках, осушительных и ороси­

тельных каналах можно определить при помощи гидрометричес­

ких водосливов (гл. 2.5) .

Расход воды в реке или ином водотоке находится в зависимос­

ти от уровня воды, увеличиваясь по мере повышения уровня. Имея

измеренные расходы воды в реке при разных уровнях воды, мож­

НО построить кривую расходов (рис. 19). Кривую строят в прямоугольной системе координат, откладывая по оси ординат

~зоо

~.... /50

~100

~

~ /50

~

~ /00

()

~ )0

IJ J б g /1 /5 111 1/

Ра скои JOd/)/, м.ус

Рис. 19. Кривая расходов

53

уровни воды над нулем графика (.Н, см), по оси абсцисс - расход

воды (Q, м3/с).

Кривая расходов позволяет быстро определять расходы воды в

реках непосредственно по измеряемому уровню воды.

3.4. Обработка наблюдений за расходами воды

Расходы воды в реках, постоянно изменяющиеся в течение года

(рис. 20) и по годам, используют для определения расчетных моду­ лей стока по фактическим наблюдениям, вычисления величины твердого стока, планирования водохозяйственных мероприятий.

10

18

/8

.....

~, /4

~

~- //

~

Joo., /0

~

~

~8

8

~

Z

о

r л 7ll Л У Л.Е(1!IlL ЖХ ЯЛ

Л"ес,нць/

Рис. 20. Гидрограф стока р. ТОСНО (1980 г.)

Построение.кривоЙ обеспеченности расходов. При проектирова­

нии осушительных систем для определения размеров проводящих

каналов, расч'ета диаметров труб, ширины отверстий водосбросных

сооружений, пролетов мостов и других целей вследствие большой

изменчивости расходов необходимо знать их обеспеченность (веро-

54

ятность превышения). Обеспеченность определенного значения рас­

хода, модуля или уровня показывает вероятность появления и пре­

вышения данных величин и вычисляется в процентах (от 100 %),

Например, с вероятностью 100 % можно утверждать, что в непере­

сыхающих водотоках будет постоянно наблюдаться движение воды, но с очень малой вероятностью возможен катастрофически большой расход (или уровень). Обеспеченность наглядно характеризуется те­ оретической кривой обеспеченности (рис. 21).

Вследствие большой изменчивости расходов для построения кри­ вой обеспеченности необходимо иметь достаточно продолжитель­

ный ряд наблюдений. Вполне достоверный результат можно полу­ чить при использовании только длительных, не менее ЗО-50 лет, на­ блюдений. Однако в практике гидрологических расчетов, особенно

при проектировании осушения лесных земель в удаленных районах,

не всегда есть возможность вести длительные наблюдения, прихо­ дится ограничиваться краткими 15-20-летними наблюдеНИЯl\,Ш.

Построению кривой обеспеченности предществует обработка результатов наблюдений. В табл. 8 приведена обработка 15-летних

наблюдений за расходами воды в р. Тигода. В основу обработки

положены методы математической статистики.

По расходам разных лет Q по мере убывания их величины (гра­

фа З) определяем среднеарифметическую величину расхода Q(сред­

нее значение):

Зная среднее значение расхода, вычисляем модульный коэффици­

ент (графа 4), который определяется отношением величины расхо­

да каждого из членов ряда наблюдений Qj к среднему значению:

Проведя вычисления (графы 5 и 6), находим коэффициент вариа­

ции по формуле

(68)

55

ТаБЛlща 8

Вычисление параметров кривой обеспеченности средних годовых расходов (р. Тигода; F = 58 900 га)

где К - модульный коэффициент; N - число лет наблюдений. В на­

шем примере

Кривая обеспеченности обычно асимметрична относительно

среднего значения, ее характеризует коэффициент асимметрии С;

При небольшwх коэффициентах вариации коэффициент асиммет­

рии принимается. равным удвоенному коэффициенту вариации:

.

56

Коэффициент асимметрии, вычисленный по формуле (69), для данных табл. 8 оказывается равным 0,60.

По данным табл. 8 можно вычислить эмпирическую обеспечен­ ность каждого члена ряда по формуле Н.Н.Чегодаева:

где т - порядковый номер члена ряда в ранжированном ряду; N - общее число членов ряда.

Вычисления обеспеченности членов ряда приведены в графе 7

табл.8.

Для построения теоретической кривой обеспеченности ведут

вычисления по форме табл. 9. Ординаты кривой обеспеченности

динат кривой Пирсона 111 типа от середины для соответствующего

коэффициента асимметрии Cs - (принимается по таблице прил. 3); Су - коэффициент вариации; Q - средний расход.

Таблица 9

Вычисление обеспеченности среднегодовых расходов

(р. Тигода, С,. = 0,30, С. = 0,60)

в табл. 9 приведено вычисление обеспеченности среднегодовых

расходов р. Тигода. Площадь водосбора реки 58 900 га. С учетом

коэффициента асимметрии по таблице прил. 3 находят отклонения

ординат Ф, вводят поправку с учетом коэффициента вариации и по

формуле (71) вычисляют расход воды для соответствующей обес­

печенности. По данным табл. 9 строят теоретическую кривую обес­ печенности (рис. 21). Для построения кривой по оси ординат откла­

дывают расходы (м3/с), по оси абсцисс - обеспеченность P.~\.. Для

57

~.

~. J

~

"t~ ~

I.J

~

~ J

1

1

(}!~t:пе'(еtftfосml>. 70

Рис. 21. Теоретическая кривая обеспеченности:

• эмnирическис данныс; о расчетные зна'lеШIЯ

сравнения данных на этом же графике по табл. 8 откладывают рас­ ходы (графа 3) соответствующей обеспеченности (графа 7).

Построенная таким образом теоретическая кривая обеспечен­

ности сглаживает эмпирические данные и позволяет определять

величины для малых и больших значений обеспеченности за пре­

делами экспериментального ряда.

3.5. Твердый сток

Стекающая по земной поверхности вода разрушает ее. Различа­

ют два вида деятельности поверхностных вод: смывание и размы­

вание. При движении в руслах вода вызывает разрушение (разr-.'lЫВ) берегов. Продукты смыва и размыва попадают в реки, образуя на­

носы. Наносы имеют большое экологическое влияние и промыш­

ленное значение~ Они изменяют профиль дна и глубину рек в раз­

ных местах, вл~яют на жизнь водоемов и на рыбное хозяйство, воз­

действуют на работу гидроэлектростанций, на формирование дель­

ты и пр.

58