Измерения расхода поверхностными поплавками имеют существенно более низкую точность, чем измерения с помощью вертушек, поэтому поверхностные поплавки применяются при рекогносцировочных обследованиях рек, выходе вертушек из строя. При интенсивном ледоходе, когда измерения вертушками становятся невозможными, в качестве поплавков могут служить отдельные льдины.

Рис. 31.

АВ - пусковой створ; I - базис; 2 - верхний; 3 - главный;

4 - нижний створы реки

Поплавочные измерения проводят при штиле или небольшом ветре 2-3 м/с. Для измерения скоростей поверхностными поплавками па участке реки, удовлетворяющем требованиям к гидрометрическим створам, по берегу параллельно основному направлению течения прокладывается магистраль и па ней выбирается базис - I (рис. 31). Перпендикулярно к нему разбиваются три створа: верхний - 2, главный - 3 (посредине) и нижний - 4. Расстояние между створами назначается такое, чтобы продолжительность хода поплавков между ними составляла не менее 20 с. Главный створ 3 разбивается примерно посередине базиса.

Если для упрощения и ускорения проведения гидрометрических работ используется мост, то главный створ совмещают со створом моста.

Положение базиса и створов на местности фиксируется колышками и вехами. В створах могут натягиваться над водой размеченные через 1 м тросы. На всех створах по урезу воды забиваются колья; их расстояние до базиса измеряют мерной лентой. Для запуска поплавков дополнительно разбивается пусковой створ АВ на 5-10 м выше верхнего створа.

Производят промеры глубин и определяют площадь живого сечения по основному створу. Промеры проводят под каждой меткой размеченного троса, начиная от «постоянного начала» (урезного кола). Результаты измерений заносятся в таблицу. При отсутствии размеченного троса в створе расстояние от промерной вертикали до берега определяется методом засечек, т.е. путем измерения горизонтального угла между базисом и линией визирования (см. рис. 15). Нахождение точки промера в створе контролируется по выставленным на берегу вехам.

Измерение скоростей течения воды поплавками проводится в следующем порядке. На пусковом створе бросают в воду последовательно 15-25 поплавков, распределенных приблизительно равномерно по ширине реки. При прохождении поплавка через створы наблюдатели подают сигналы отмашкой или голосом. В эти моменты фиксируется место прохождения (расстояния от берега) поплавка в каждом створе методом засечек или наблюдателем на мосту по разметочным тросам. Одновременно секундомером измеряют время прохождения поплавка от верхнего до нижнего створа.

Рис. 32.

Результаты измерений скорости поплавков записываются в таблицу. Причем записи по прибившимся к берегу поплавкам исключаются. На рис. 32 показано распределение продолжительности хода поплавков по ширине реки. На графике по горизонтальной оси откладываются расстояния от постоянного начала до места прохождения поплавками среднего створа, а по вертикальной оси - продолжительность хода поплавков между верхним и нижними створами. По нанесенным точкам проводится осредненная эпюра распределения продолжительности хода поплавка по ширине реки. Скоростные вертикали проводят через равные расстояния и в местах перегиба эпюры. Назначается не менее 5-6 скоростных вертикалей, которые для удобства обработки совмещаются с промерными вертикалями. Для каждой скоростной вертикали вычисляется поверхностная скорость течения путем деления расстояния между верхним и нижним створами на продолжительность хода поплавка, снятую с эпюры. Запись результатов измерений расходов воды поплавками ведется в таблице.

Умножая площади отсеков между скоростными вертикалями на полусумму поверхностных скоростей на них, получают частичные фиктивные расходы воды. Их сумма, с учетом краевых коэффициентов, дает общий фиктивный расход воды (2ф:

где vi, v„ - поверхностные скорости на скоростных вертикалях; coi, ..., со„ - площади живых сечений между скоростными вертикалями; к - коэффициент для урезного участка, равный 0,7.

Действительный расход вычисляется по формуле:

где К - переходный коэффициент, от фиктивного расхода к действительному.

Величину переходного коэффициента A^i можно найти по таблицам или определить по формуле 5.6, если Q - расход, определенный одновременно по измерениям вертушкой и поплавками. Можно также определять К по формуле:

где С - коэффициент Шези, который рекомендуется вычислять по формуле Н.Н. Павловского:

где при R 1 м и при R > 1 м; п - коэффициент

шероховатости, определяемый по таблицам в гидравлических справочниках.

Если невозможно пустить поплавки по всей ширине реки, например на реках с быстрым течением, где поплавки сносятся к середине потока, расходы воды определяются по наибольшей поверхностной скорости. В этом случае на стрежневую часть потока пускается 5-10 поплавков. Из всех пущенных поплавков выбираются три с наибольшей продолжительностью хода, отличающиеся друг от друга по времени не более чем на 10 %; при большем отклонении продолжительности хода пускается еще 5-6 поплавков.

Если с помощью поплавков измерена наибольшая поверхностная скорость, то она используется для вычисления расхода воды

где К наиб - среднее значение скоростей трех наиболее быстрых поплавков; коэффициент К

где И - средняя глубина потока; g - ускорение свободного падения; со - площадь водного сечения.

Измерение расхода воды глубинными поплавками используется для измерения сравнительно малых скоростей течения (до 0,15-0,20 м/с), когда вертушечные измерения ненадежны и для определения границ мертвого пространства. Скорости течения измеряются с лодки, обору-

дованной тремя жестко скрепленными параллельными створными рейками на расстоянии друг от друга через 1 м. При помощи шеста на расстоянии 0,5 м от расположенной ближе к носу лодки рейки (верхней) пускается глубинный поплавок. По секундомеру определяется время прохождения поплавком расстояния от верхнего до нижнего створа. В каждой точке поплавок пускается не менее трех раз. Скорость в точке вычисляется делением длины базиса - расстояния между створными рейками на среднюю продолжительность хода поплавка. В расчет берется среднее значение. Расход воды вычисляется аналитическим способом аналогично расходу воды, измеренному вертушкой.

В речной гидрометрии наиболее распространенным методом измерения расхода воды является метод «ско­рость -площадь». Он заключается в определении пло­щади водного сечения путем промеров глубин по гидро­створу и измерении гидрометрической вертушкой в от­дельных точках водного сечения скорости течения.

При измерении расхода воды необходимо:

1) записывать обстановку работы;

2) наблюдать за уровнем воды;

3) измерять глубины на гидрометрическом створе;

4) измерять скорости течения воды в отдельных точ­ках живого сечения на скоростных вертикалях.

Все записи данных наблюдений и измерений расхода воды производятся простым черным карандашом в «Книжке для записи измерения расхода воды» КГ-ЗМ *.

Перед началом работ необходимо проверить исправ­ность гидрометрической вертушки и принадлежностей к ней, секундомера, а также наличие и исправность спаса­тельных средств для обеспечения безопасности работ, состояние всего оборудования гидрометрического ство­ра (приложение 1). Для предупреждения несчастных случаев студенты обязаны изучить и строго руководство­ваться инструкцией по технике безопасности (приложе­ние 2).

Для измерения расхода воды выбирается участок реки, отвечающий по возможности следующим требова­ниям:

1) берега ровные (не извилистые), параллельные;

2) русло ровное, устойчивое и не заросшее расти­тельностью;

4) отсутствие мертвого пространства (часть водного сечения, где нет течения).

Для учебной практики на выбранном участке реки должны быть глубины более 1 м, чтобы можно было выявить закономерности изменения скоростей течения.

На выбранном участке намечают гидрометрический створ (гидроствор), на котором и производят измерение расхода воды. На малых реках гидроствор разбивают на глаз перпендикулярно направлению течения реки и закрепляют на обоих берегах знаками - кольями. Знак на одном из берегов принимается за постоянное начало, от которого измеряются расстояния до каждой промер­ной (скоростной) вертикали. В гидростворе натягивает­ся трос (шнур), размеченный через 1 м. Если измерения производятся с лодки, параллельно с разметочным тро­сом (под ним) натягивается ездовой трос, служащий для перемещения лодки вдоль створа и установки ее на вер­тикали.

Наблюдения и измерения производят в следующем порядке.

1. Сведения об обстановке работы (со­стояние реки, погоды, приборов и оборудования) запи­сываются в раздел книжки расхода «Обстановка работ». Отмечаются все явления, которые могут повлиять на направление и величину скорости течения или отразить­ся на точности определения расхода воды. Например, указывается ширина выкошенной полосы гидроствора и отмечается, в каком состоянии она находится: «выкоше­на чисто», «на дне остатки водной растительности вы­сотой... см». Кроме того, указывается степень зараста­ния водной растительностью русла реки ниже гидро­створа (у берегов, сплошь, редкая, густая). Отмечаются отмели, косы, осередки, сооружения (запруды, перемыч­ки, плотины, мосты): следует указать, на каком расстоя­нии от гидроствора они расположены.

2. Наблюдения за уровнем воды ведут на основном гидрологическом посту перед началом и после промеров глубин, а также перед началом и после

измерения скоростей течения. Запись данных наблюде­ний за высотой уровня воды при промерах и измерении расхода производится в соответствующих таблицах книжки расхода.

3. Промеры глубин на гидростворе про­изводятся для вычисления площади водного сечения, как описано в разделе «Производство съемки и обработка результатов промеров». Глубины измеряются один раз перед измерением скоростей течения и записываются в. книжке расхода в разделе «Промеры» (в графу 11). В первой и последней строках, соответствующих первой: и последней промерным вертикалям на урезе воды, в. графе 0 записывается «Ур.л.б.» или «Ур. п.б.» (урез ле­вого или правого берега), а в графу И -глубина на урезе. При обрывистых берегах эта глубина может быть не равна нулю. Графы 3 и 4 заполняются только в тех случаях, когда глубина измеряется при неустойчивом русле дважды: прямым и обратным ходом.

4. Измерения скоростей течения на вер­тикалях обычно выполняют одной гидрометрической вертушкой, последовательно перемещаемой в различные точки вертикали.

Число скоростных вертикалей, на которых произво­дится измерение скоростей течения, при ширине реки до 50 м принимается равным пяти. При выборе мест скоростных вертикалей нужно стремиться к тому, чтобы они по возможности равномерно располагались по ши­рине реки и при этом попадали бы на точки резкого^ перелома дна и в наиболее глубокую точку створа. Крайние скоростные вертикали должны быть как можно" ближе к берегу (насколько это позволяют скорости те­чения и глубины).

Число точек, в которых измеряется скорость течения на вертикали, устанавливают в зависимости от рабочей глубины скоростной вертикали (табл. 4).

Рабочей глубиной скоростной вертикали, так же как и на промерных вертикалях, считается расстояние по> вертикали от дна до поверхности воды. При неизменном уровне воды разница в глубинах на вертикали по проме­ру и в момент измерения скорости в условиях устойчиво­го русла не должна превышать 2-3 см при глубинах до-1 м, 5 см - при глубинах от I до 3 м. При большей раз­нице промер следует повторить.

Таблица 4

Зависимость числа и местоположения измерений скоростей течения на вертикали от рабочей глубины

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО СТАНДАРТАМ

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
РАСХОДОМЕТРИИ (ВНИИР)

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

РАСХОД ВОДЫ НА РЕКАХ И КАНАЛАХ.
МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ
МЕТОДОМ «СКОРОСТЬ - ПЛОЩАДЬ»

МИ 1759-87

Москва
ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ
1987

РАЗРАБОТАНЫ Государственным гидрологическим институтом Государственного комитета СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды

ИСПОЛНИТЕЛИ:

Карасев И.Ф., докт. техн. наук, профессор (руководитель темы), Савельева А.В., канд. техн. наук, Ременюк В.А., канд. техн. наук

ПОДГОТОВЛЕНЫ К УТВЕРЖДЕНИЮ Всесоюзным научно-исследовательским институтом метрологической службы

Ст. эксперт отдела Трейвас Л.Г.

УТВЕРЖДЕНЫ Всесоюзным научно-исследовательским институтом расходометрии на НТС института 11 июня 1986 г., протокол № 8

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ГСИ. Расход воды на реках и каналах. Методика выполнения
измерений методом «скорость - площадь»

МИ 1759-87

Введены в действие

Настоящие методические указания устанавливают основные положения методики измерений расхода воды на реках и каналах методом «скорость - площадь» с использованием гидрометрических вертушек для измерения скоростей течения.

Применение методических указаний обеспечивает суммарную относительную погрешность измерений расхода воды S Q , не более:

6 % - при детальном способе;

10 % - при основном способе;

12 % - при ускоренно-сокращенном способе.

МУ не распространяются на измерения расхода воды с помощью поплавков и интеграции скоростей течения по ширине потока.

Определения и пояснения терминов, встречающихся в тексте, даны в приложении .

1. ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ВОДЫ МЕТОДОМ «СКОРОСТЬ - ПЛОЩАДЬ» И КЛАССИФИКАЦИЯ ЕГО ВАРИАНТОВ

1.1. Сущность метода и принципы измерения

1.1.1. Метод «скорость - площадь» является разновидностью косвенных измерений расхода воды. При этом в результате наблюдений в фиксированном гидрометрическом створе определяются следующие элементы расхода:

глубины на промерных вертикалях и их удаление от постоянного начала по линии гидрометрического створа, для определения площади водного сечения (с точностью до трех значащих цифр, но не точнее 1 см);

продольные (нормальные к гидрометрическому створу) составляющие средних скоростей течения на вертикалях, на основе которых рассчитываются средние скорости в отсеках между ними (с точностью до трех значащих цифр, но не точнее 1 см/с).

1.1.2. Расход воды вычисляют по его элементам одним из следующих способов (с точностью до трех значащих цифр):

аналитическим, как сумму частных расходов воды, проходящих через отсеки водного сечения потока, ограниченные скоростными вертикалями;

графическим, как площадь эпюры распределения элементарных расходов воды по ширине потока.

1.1.3. При вычислении расхода воды должны определяться также основные гидравлические характеристики потока, используемые при оценке точности измерений и учете речного стока:

уровень воды над нулем поста Н ;

площадь водного сечения F ;

средняя и наибольшая скорости течения: v и v н (v = Q / F ); v н является наибольшей из скоростей, измеренных вертушкой;

ширина водного сечения В ;

глубины потока: средняя h ср и наибольшая h н (h ср = F / B ); h н является наибольшей из измеренных на промерных вертикалях.

1.2. Классификация способов измерения

1.2.1. В зависимости от методики определения средних скоростей на вертикали различают интеграционный и точечные способы.

1.2.2. Интеграционный способ основан на измерении средней скорости течения на вертикали вертушкой, равномерно перемещаемой по глубине.

1.2.3. Точечные способы, основанные на определении средней скорости течения на вертикали по результатам измерений в точках, подразделяются на:

основной способ - при измерении скорости течения на вертикали в двух (свободное русло) или трех точках (наличие водной растительности, ледостав);

детальный способ - при измерении скорости течения на вертикали в пяти (свободное) или шести точках (ледостав, водная растительность).

При малых глубинах (см. табл. ) допускается применение одноточечного способа.

1.2.4. Для основного способа измерений расхода воды в однорукавном русле назначается 8 - 10 скоростных вертикалей.

В случае применения детального способа количество скоростных вертикалей увеличивается в 1,5 - 2 раза. Детальный способ применяется при научно-методических работах по оценке точности и оптимизации процессов измерения расхода воды - для уточнения числа промерных и скоростных вертикалей, а также обоснования возможности перехода к основному способу в данном гидростворе.

Сокращенный способ измерений расхода допускает использование менее восьми скоростных вертикалей при двух-, трехточечном измерении скоростей на вертикалях (аналогично основному способу).

2. УЧАСТОК ГИДРОМЕТРИЧЕСКОГО СТВОРА

2.1. Гидрометрический створ (в дальнейшем - гидроствор) входит в состав гидрологического поста наряду с его устройствами для измерения уровней, температуры воды и других элементов водного режима реки (канала). К участку гидроствора относится часть реки, непосредственно примыкающая к гидроствору на удалении двух - трех ширин русла сверху и снизу по течению.

2.2. Условия измерений расхода воды считаются нормальными, если на участке гидроствора соблюдается прямолинейность русла:

отсутствуют резкие переломы, профиль водного сечения и эпюры распределения скоростей по ширине потока устойчивый;

обеспечен правильный одномодальный, выпуклый профиль распределения скоростей течения по глубине потока;

отсутствует выраженная пульсация скорости течения по значению и направлению, а также значительная систематическая косоструйность потока;

отсутствуют помехи при измерении скоростей течения, глубин, уровня воды и координирования скоростных и промерных вертикалей.

расположение гидроствора на плесовых участках реки;

отсутствие поймы с протоками и рукавами;

отсутствие естественных или искусственных преград;

отсутствие водной растительности в самом гидростворе, а также выше и ниже его на расстоянии до 30 м;

коэффициент вариации скорости (число Кармана Ka ) в среднем по сечению должен быть не более 15 %;

косоструйность течения на гидростворе (отклонение в плане направлений течения в отдельных точках от его среднего значения для сечения в целом) должно быть не более 20°;

мертвые пространства должны иметь четкие границы и составлять не более 10 % от площади водного сечения;

при ледоставе должен отсутствовать многоярусный ледяной покров и незамерзающие полыньи;

зашугованность русла не должна превышать 25 % площади водного сечения;

средняя скорость течения в живом сечении должна быть не менее 0,08 и не более 5 м/с;

при измерении расхода воды вблизи моста участок гидроствора должен быть расположен выше, но в случаях частых скоплений льда и заломов леса - ниже моста (на удалении не менее 3 - 5 ширин русла в обоих случаях).

2.4. Во всех случаях, где это возможно, для приведения участка в соответствие с требованиями п. должны производиться работы по упорядочению и канализованию русла.

2.5. Гидроствор должен быть расположен на однорукавном участке реки. При необходимости допускается назначать гидроствор» на участке разветвления русла на рукава и протоки.

3. ГИДРОСТВОРЫ И ИХ ОБОРУДОВАНИЕ

3.1. Местоположение и направление гидроствора

Это требование считается удовлетворительно выполненным при соблюдении следующих условий:

для беспойменных участков рек - среднее значение отклонения направления течения от нормали к гидроствору (косина струй в плане) на скоростных вертикалях не должна превышать ± 10°;

для пойменных участков рек - средняя косина струй на скоростных вертикалях не должна превышать ± 20°. При расхождении средних направлений течения в основном русле и на пойме более 20° допускается разбивать гидроствор в виде ломаной линии, участки которой соответствуют условию перпендикулярности направлению течений.

3.1.2. В случаях, когда направление гидроствора удовлетворяет указанным требованиям только при определенном наполнении русла, для данных разных фаз водного режима должны оборудоваться гидростворы, удовлетворяющие условиям п. .

3.2. Оборудование гидроствора

3.2.1. Гидроствор должен быть закреплен на местности стальным канатом или гидрометрическим мостиком, или створными знаками. Створные знаки должны быть хорошо видимыми со стороны реки и обеспечивать предельное уклонение судна от линии створа g = 1° (угол g образован линией гидроствора и линией визирования, проходящей через створные знаки и гидрометрическое судно, причем вершина угла g совпадает с положением ближнего к реке створного знака).

3.2.2. В створе устанавливается береговой знак (столб, репер и т.п.), закрепляющий постоянное начало для отсчета расстояний до урезов берегов, промерных и скоростных вертикалей, границ мертвого пространства и водоворотных зон.

3.2.4. При координировании промерных вертикалей геодезическими методами участок дополнительно оборудуется стоянкой угломерного инструмента.

4. ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ВОДЫ

4.1. При каждом измерении расхода воды на гидрологическом посту должен быть измерен соответствующий ему уровень воды.

Правила выполнения измерений уровня воды должны соответствовать требованиям ГОСТ 25855-83 .

Время каждого измерения уровня фиксируется.

4.3. При наличии в гидростворе дополнительного уровенного поста (п. ) наблюдения за уровнем должны проводиться на обоих постах: основном и дополнительном.

5. КООРДИНИРОВАНИЕ ПРОМЕРНЫХ И СКОРОСТНЫХ ВЕРТИКАЛЕЙ В ГИДРОСТВОРЕ

5.1. Способы координирования вертикалей

5.1.1. Местоположение промерных и скоростных вертикалей в гидростворе определяется расстоянием от постоянного начала.

5.1.2. На гидростворах, оборудованных лодочной, паромной или люлечной переправой с постоянно подвешенным разметочным канатом либо гидрометрическим мостиком, необходимо закреплять положение вертикалей согласно п. .

5.1.3. При наличии прочного ледяного покрова местоположение вертикалей следует определять теодолитным ходом по льду или мерной лентой.

5.1.4. На судоходных реках или при ширине сечения более 300 м местоположение вертикалей должно определяться засечками теодолитом или кипрегелем с берега.

В отдельных случаях (например, в условиях заболоченных или широких пойм и др.) допускается применение косых или веерных створов для закрепления рабочих вертикалей.

5.2. Точность координирования промерных вертикалей в гидростворе

5.2.1. Относительная средняя квадратическая погрешность координирования вертикалей в гидростворе () должна удовлетворять требованию

(5.1)

где s к - абсолютная среднеквадратическая погрешность координирования, м;

B - ширина реки, м.

5.2.2. При назначении мест мензульных (теодолитных) стоянок необходимо, чтобы угол, образуемый направлением гидроствора и лучом визирования, a был не менее 30°.

5.2.3. Длина линий на плане l (см) при мензульной съемке должна удовлетворять условию

(5.2)

где L - длина линии на местности, м.

5.2.4. Абсолютная погрешность координирования s к , обусловленная уклонением судна от гидроствора (D Х , м), определяется по зависимости

(5.3)

где D X ср - среднее уклонение судна от гидроствора, м (табл. );

a cp - среднее значение угла, образованного лучом визирования и направлением гидроствора.

Значение уклонения судна на каждой вертикали определяется расстоянием между створными знаками l c и удалением судна от ближайшего знака L c . Допускаемое расстояние между створными знаками определяется по зависимости D X ср от l с и L c в табл. .

Таблица 1

L с, км

h - глубина на вертикали, м; при D X д = h . (5.5) 6. ИЗМЕРЕНИЕ ГЛУБИН И ВЫЧИСЛЕНИЕ ПЛОЩАДЕЙ ОТСЕКОВ МЕЖДУ СКОРОСТНЫМИ ВЕРТИКАЛЯМИ 6.1. Требования к точности измерения глубин 6.1.1. Измерения глубин должны производиться по линии гидрометрического створа с соблюдением требований п. . 6.1.2.. Средства измерения должны обеспечивать определение глубины в точке с инструментальной погрешностью не более 2 %. Это требование должно отвечать существующим и вновь разрабатываемым средствам измерения глубин. гидрометрическая штанга или наметка должны применяться во всех случаях, когда наибольшая глубина в створе не превышает длину инструмента и условия измерений позволяют устойчиво зафиксировать штангу на вертикали и снять отсчет глубины (если указанные требования не выполняются, необходимо использовать промерный канат с гидрометрическим грузом или эхолот); на каждой промерной вертикали судно должно устанавливаться на якорь или фиксироваться на канатной переправе; при работе в руслах с илистым дном должны применяться наметки и штанги, снабженные круглым поддоном диаметром 12 - 15 см, препятствующим их погружению в ил; при промерах штангой на реках со сплошным скальным дном следует применять штангу без конусообразного наконечника.

Масса груза, кг

Таблица 3 Угол отклонения каната от вертикали, градус 6.1.6. На мелководных горных реках глубина должна определяться как разность расстояний до дна и поверхности воды, измеряемых штангой или наметкой от перетянутого через реку каната, настила моста и т.п. 6.1.7. При набеге воды на штангу, необходимо использовать свободно перемещающийся по штанге металлический ползунок со стрелкой - указателем поверхности воды вне зоны набега. 6.2. Промеры глубин на гидростворе при измерении расхода воды 6.2.1. Промеры глубин производятся для определения площади водного сечения F и его отсеков f в . При устойчивом русле допускается использовать результаты предшествующих промеров и не производить их при каждом измерении расхода воды. Устойчивость русла оценивается на основании анализа совмещенных профилей поперечного сечения потока по гидроствору, а также по рассеянию точек эмпирической связи F (Н ) - зависимости площади водного сечения от уровня воды. вертикальные деформации русла выражены, но за время измерения расхода воды не превышают допускаемой среднеквадратической погрешности промеров глубин; русло устойчиво, свободно от ледовых образований, но измерения расхода проводятся эпизодически (один - два раза за период характерной фазы гидрологического режима). 6.2.4. Промеры глубин следует выполнять при каждом измерении расхода воды в два хода, если: вертикальные деформации русла за время измерения расхода превышают допускаемую среднеквадратическую погрешность промеров глубин; расход воды измеряется реже трех раз за фазу водности и в живом сечении отмечаются шуга и внутриводный лед; русло в створе измерений неровное, сложено валунами или с выходами коренных пород. 6.2.5. В случаях, когда выполнение промеров на пойме затруднено, глубины в пойменной части гидроствора должны определяться по профилю, полученному инструментальной съемкой в меженный период с учетом фактических уровней воды. 6.2.6. В первые два - три года работы гидрологического поста промеры глубин должны выполняться в два хода при каждом измерении расхода воды для обоснования последующих измерений, производимых в соответствии с пп. , . 6.3. Количество промерных вертикалей 6.3.1. Количество промерных вертикалей (или засечек местоположения гидрометрического судна при промерах с помощью эхолота) следует назначать в зависимости от формы профиля водного сечения, исходя из требования: относительная среднеквадратическая погрешность измерения площади сечения не должна превышать 2 %. 6.3.2. В основных руслах равнинных и полугорных рек минимальное количество промерных вертикалей n h (min) следует назначать в соответствии с табл. в зависимости от параметра формы русла. Таблица 4 6.3.3. При неоднородном распределении глубин по ширине потока необходимо назначать дополнительные промерные вертикали в гидростворе на всех участках излома линии дна. 6.4. Местоположение промерных вертикалей 6.4.1. В основных руслах промерные вертикали следует размещать равномерно по ширине реки и дополнительно в переломных точках поперечного профиля. 6.4.2. На реках с неустойчивым руслом в зоне максимальных глубин число промерных вертикалей следует увеличить в 1,5 раза. 6.5. Вычисление рабочей глубины на вертикали 6.5.1. Рабочая глубина на вертикалях должна рассчитываться по имеющемуся поперечному профилю с учетом срезки уровня, если имеет место несовпадение уровней при промерах и измерении расхода воды. При измерении расхода воды используются данные предварительных промеров. 6.5.2. При выполнении промеров глубин в два хода рабочая глубина на вертикалях вычисляется как среднее арифметическое из двух промеров. 6.5.4. В качестве рабочих необходимо принимать глубины с исключенным систематическим отклонением в соответствии с пп. и . 6.6. Вычисление площади водного сечения потока 6.6.1. Площади отсеков водного сечения f s необходимо вычислять по следующим формулам: (6.2) где m s - количество промерных вертикалей в s- м отсеке сечения; h i - рабочая глубина на i -й вертикали, м; b i , i +1 - расстояние между i -й и (i + 1)-й промерными вертикалями. 6.6.2. Площадь водного сечения потока должна определяться по формуле (6.3) где N - число отсеков водного сечения потока. 6.6.3. При наличии в водном сечении зон мертвого пространства расход воды вычисляется по живому сечению потока F (6.4) где - площади между скоростными вертикалями, ограничивающими мертвое пространство потока. 7. ИЗМЕРЕНИЕ И ВЫЧИСЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЙ НА ВЕРТИКАЛИ 7.1. Назначение числа и положения скоростных вертикалей для основного и детального способов измерения расхода воды 7.1.1. Число скоростных вертикалей в створе N v должно составлять от 8 до 15, в зависимости от особенностей скоростного поля потока. При одномодальной плановой эпюре поверхностных скоростей N v = 8 - 10; при многомодальной форме эпюры скоростей N v = 12 - 15. Для особо точных измерений при установившемся режиме число скоростных вертикалей может быть увеличено. в основной части потока скоростные вертикали должны назначаться таким образом, чтобы отсеки живого сечения, ограниченные соседними скоростными вертикалями, пропускали одинаковые частичные расходы q s полного расхода Q , составляющие q s ≈ Q / N . (7.1) При многомодальном характере распределения поверхностных скоростей по ширине реки дополнительные скоростные вертикали назначаются в характерных точках плановой эпюры скоростей: скоростные вертикали назначаются только в пределах живого сечения потока. Границы мертвых пространств должны быть установлены до начала или во время измерения скоростей пуском поверхностных поплавков или по результатам рекогносцировочных измерений скоростей вертушкой; прибрежные вертикали, а также вертикали, граничащие с мертвым пространством водного сечения, назначаются на таком расстоянии от берегов или мертвого пространства, чтобы частичный расход воды в краевом отсеке не превышал 30 % от частичных расходов основной зоны живого сечения; на пойме скоростные вертикали должны назначаться в характерных точках поперечного профиля. В понижениях поймы, где образуются обособленные потоки, пропускающие частичный расход q s > 0,1 Q , необходимо назначать не менее трех скоростных вертикалей. 7.2. Точечные способы измерения средней скорости течения на вертикали 7.2.1. Измерение скоростей течения производится на скоростных вертикалях гидрометрическими вертушками, соответствующими ГОСТ 15126-80 . 7.2.2. Количество точек измерения и их относительное заглубление под поверхность воды (льда) назначается в зависимости от способа измерения расхода воды, способа крепления гидрометрической вертушки в потоке, состояния русла и соотношения глубины на скоростной вертикали h и диаметра лопастного винта вертушки D в соответствии с табл. . Таблица 5 v = q / h , (7.11) где q - элементарный расход, м 2 /с, представляющий собой площадь эпюры скорости в масштабе чертежа, получаемую в результате планиметрирования. 7.5.3. При работе вертушкой на канатном подвесе в условиях косоструйности, характеризуемой средним углом отклонения a направления струй на вертикали от нормали к гидроствору, среднюю скорость на вертикали необходимо определять по формуле 7.6.1. При выполнении интеграционных измерений скорости на вертикали необходимо выдерживать следующее соотношение между скоростью перемещения вертушки w и продольной скоростью потока v , в зависимости от допускаемой погрешности интеграции δ д: δ д (%) w / v 0,12 0,16 0,24 0,30 0,44. 7.6.2. Продольная составляющая средней скорости течения на скоростной вертикали устанавливается с использованием градуировочного графика вертушки по частоте вращения лопастного винта, определенной как частное от деления суммарного числа оборотов винта за время интеграции на время интеграции. 7.6.3. При интеграционном измерении скорости на вертикали среднее значение скорости вычисляется по формуле (), при этом значение среднего угла косоструйности на вертикали принимается по данным специальных наблюдений, выполненных согласно п. . 7.6.4. Для исключения систематической положительной погрешности интегрирования средней скорости на вертикали, обусловленной неполным освещением придонной зоны потока, в измеренное значение скорости следует вводить корректирующий множитель Kh . а 0,30 0,20 0,15 0,10 0,05 Kh 0,90 0,93 0,95 0,97 0,98, где а - относительное минимальное удаление оси вертушки от дна потока (в долях от глубины). 8. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ И ВЫЧИСЛЕНИЕ РАСХОДА ВОДЫ 8.1. Вычисление расхода воды на основе линейно-детерминированной модели при основном или детальном способе измерений 8.1.1. В соответствии с линейно-детерминированной моделью (в дальнейшем ЛД-моделью) расход воды рассчитывается по формуле (8.1) где f i - площади отсеков живого сечения потока, i = 1 ... п. Вычисление средней скорости на вертикали v i должно производиться в соответствии с пп. и . Порядок вычисления площадей отсеков поперечного сечения потока приводится в разд. . 8.1.2. Коэффициенты K i и K n для скоростей v i и v n на прибрежных скоростных вертикалях при отсутствии мертвого пространства принимаются равными: 0,7 - при пологом береге с нулевой глубиной на урезе; вблизи границы скопления неподвижной шуги; 0,8 - при естественном обрывистом береге или неровной стенке (бут, неотесанный камень); 0,9 - при гладкой бетонной или сплошь обшитой досками стенке, а также при течении воды поверх льда. При наличии мертвого пространства в прибрежной зоне коэффициенты K 1 и K n равны соответственно 0,5. 8.1.3. ЛД-модель допустимо использовать при вычислении расхода воды при числе скоростных вертикалей N v , удовлетворяющем требованиям п. . 8.2. Вычисление расхода воды на основе интерполяционно-гидравлической модели при сокращенном способе измерений 8.2.1. Применение сокращенного способа измерений с последующим вычислением расхода воды по интерполяционно-гидравлической модели является целесообразным и допускается, если при уменьшении числа скоростных вертикалей до трех - пяти (для потоков с шириной сечения более 10 м) отклонения результатов измерения от значений, полученных детальным способом, носят случайный характер, а среднеквадратическое отклонение не превышает 5 %. 8.2.2. Согласно линейной интерполяционно-гидравлической модели (в дальнейшем ЛИГ-модели), расход воды должен вычисляться по формуле (8.2) где D s - число отсеков водного потока; i , j - индексы ограничивающих s -й отсек скоростных вертикалей; P s - весовой коэффициент, равный 0,7 для прибрежных отсеков и 0,5 - для основного водного сечения; а - гидравлический коэффициент, вычисляемый по формуле (8.3) где N v - число скоростных вертикалей в живом сечении. 8.2.3. В случае, когда живое сечение потока состоит из выраженных гидравлически обособленных зон (например, разделено затопленным осередком), в каждой из них необходимо вычислять расход воды как для отдельного русла, а общий расход в гидростворе определять суммированием этих значений. 8.2.4. Прибрежные скоростные вертикали (или ближайшие к границе обособленных зон сечения) должны быть расположены на удалении не более 0,3 b k от урезов (или границ обособленных зон), где b k - ширина соответствующей гидравлически обоснованной зоны живого сечения. 8.3. Графический способ вычисления расхода воды 8.3.1. Графический способ целесообразно применять при сложном распределении скоростей по глубине и ширине потока, обеспечив достаточно большое количество (не менее пяти) точек измерения скоростей течения на вертикали и число вертикалей в сечении N v ³ 8. 8.3.2. Расход воды вычисляется в следующем порядке: на миллиметровой бумаге вычерчивается профиль поперечного сечения по расчетному уровню воды и приведенным к нему глубинам, с нанесением скоростных вертикалей; вычерчиваются эпюры распределения скорости течения по вертикали и определяются средние скорости на вертикалях посредством планиметрирования площадей эпюр, выражающих элементарный расход воды на скоростных вертикалях (см. п. ); на профиль живого сечения наносится плавная эпюра распределения средних скоростей на вертикали по ширине потока v (в ); на основе эпюры v (в ) и профиля глубин строится эпюра распределения по ширине потока элементарного расхода воды q (в ); расход воды определяется как площадь эпюры q (в). 8.3.3. Масштаб изображения эпюр распределения скоростей, глубин и удельных расходов должен выбираться таким, чтобы все элементы расхода воды, вычисляемые графическим способом, размещались на листе миллиметровой бумаги размером 407 ´ 288 или 407 ´ 576 мм. Наиболее удобными масштабами изображения являются: для эпюр скоростей: вертикальный - в 1 см 0,5 м; горизонтальный - в 1 см 0,2 м/с; для профиля глубин: вертикальный - в 1 см 0,5 м; горизонтальный - в 1 см 2, 5, 10, 20 м; для кривой элементарных расходов: вертикальный - в 1 см 1 м 2 /с 8.4. Вычисление уровня, соответствующего измеренному расходу воды 8.4.1. Для построения кривой расхода Q (Н ) измеренному расходу воды Q должен соответствовать уровень Н , при котором расход Q измерен: (8.4) где H s - уровень воды, отвечающий частичному расходу q s , полученный интерполяцией между наблюдаемыми значениями уровней (см. п. ). 8.4.2. Если относительное изменение уровня за время измерения расхода воды не превышает 2 % от средней глубины сечения, применяется упрощенная формула (8.5) где H н и H к - соответственно уровни воды в начальный и конечный период времени измерений. 8.4.3. Расчетный уровень, определенный для дополнительного поста, приводится к уровню на основном посту по связи соответственных уровней. 8.5. Оперативный контроль точности измерений 8.5.1. Контроль точности измерений должен выполняться непосредственно на гидростворе при производстве измерений. Сомнительные значения элементов расхода воды (глубины, скорости, расстояния, уровня) уточняются и исправляются либо подтверждаются проведением повторных измерений. 8.5.2. При устойчивой (однозначной) связи расхода и уровней расход воды измеряется с целью контроля устойчивости многолетней кривой расхода Q(Н ). В свою очередь эта кривая используется для оперативного контроля точности измерений и выявления промахов наблюдений на основе критериального соотношения где S Q - относительная, суммарная погрешность измерений; δ д - допускаемая погрешность. 9.1.3. Поставленная задача оптимизации относится к классу некорректных, так как допускает неоднозначность решений, т.е. неединственность выбора оптимального вектора характеристик детальности. На практике достаточно остановиться на любом векторе (N s , n s , N m ), удовлетворяющем условию () и обеспечивающем достаточные удобство и безопасность, удовлетворительные трудоемкость и энергоемкость процесса измерений расхода воды. 9.1.6. Для практических расчетов оценки составляющих и допустимо выполнять по графическим зависимостям на черт. и . Зависимость относительной случайной средней квадратической погрешности измерения площади отсека живого сечения от числа промерных вертикалей и параметра формы сечения n s - числа промерных вертикалей в отсеке; j - параметр формы сечения Черт. 1 Зависимость относительной случайной среднеквадратической погрешности измерения средней скорости в отсеке от числа Кармана Ka и среднего числа точек N m измерения скорости на вертикали Черт. 2 9.2. Оптимизация длительности измерений 9.2.1. Длительность измерительного процесса T и является одним из определяющих факторов точности измерений расхода: при уменьшении T и погрешность возрастает за счет недостаточного осреднения пульсаций скорости; при увеличении T и возрастает погрешность, обусловленная «срезкой» пиков и провалов водности при прохождении волн попусков и паводков. Длительность T и должна находиться в интервале T min £ T и £ T max , (9.5) где T min и T max - минимально и максимально допустимая длительности измерительного процесса. Время T min определяется из зависимости (), а T max - по формуле (9.6) где T п - период колебания волн попуска (паводка), ч или сут; j - фаза периода колебаний, на которую приходится середина интервала времени измерений T и ; 0 £ j £ 2 p ; А - относительная амплитуда волн попуска (9.7) где Q max и Q с - максимальный и средний за период попуска расходы воды соответственно. 10. ТРЕБОВАНИЯ К КВАЛИФИКАЦИИ ИСПОЛНИТЕЛЯ И ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ РАБОТ 10.1. Требования к квалификации исполнителя 10.1.1. Квалификация наблюдателя должна соответствовать условиям, средствам и методам измерений. На малых реках, в условиях межени и небольшой глубины потока, когда допустимо производство наблюдений вброд, а из технических средств используются лишь вертушка и гидрометрическая штанга, а также в других случаях к измерениям расходов воды допустимо привлекать технический персонал с квалификацией гидрометеонаблюдателя, специально обученный и проинструктированный относительно особенностей измерений в данном створе. 10.1.2. В тех случаях, когда используются более сложные технические средства (например, дистанционные установки, различного типа судовые комплексы, эхолоты и т.д.), а также в период повышенной опасности наблюдений при высокой водности потока, значительных глубинах и скоростях течения, при неустойчивости русла, значительной косоструйности потока и других осложняющих измерения факторах к работе следует привлекать исполнителей с квалификацией не ниже техника-гидролога. 10.1.3. Наблюдатель должен знать принцип действия и устройства средств измерения и уметь обращаться с ними при выполнении измерений; знать водный и русловой режим на участке измерений и условия их выполнения при различных фазах режима; уметь использовать электронные калькуляторы для обработки расходов воды и результатов измерений. 10.2. Требования к технике безопасности работ 10.2.1. К выполнению измерений расхода воды в открытых руслах допускаются только лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности. Результаты инструктажа фиксируются в специальном журнале, хранящемся на гидрологической станции. 10.2.2. При выполнении измерений расходов воды необходимо руководствоваться «Правилами по технике безопасности при производстве наблюдений и работ на сети Госкомгидромета» (Гидрометеоиздат, 1983). 11. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА 11.1. При выполнении измерений расхода воды должны быть применены измерительные установки, средства измерений и устройства, приведенные в табл. . Таблица 7 Наименование измеряемых физических величин и параметров Вертушка гидрометрическая: ГР-21, ГР-99 Средняя скорость потока Кипрегель Горизонтальное проложение до точки визирования Теодолит Превышения Рейка нивелирная Рейка водомерная переносная ГР-104 Уровень воды Рейка водомерная с успокоителем ГР-23 Уровень воды при волнении Рейка ледоснегомерная ГР-31 Толщина ледяного покрова Максимальная рейка ГР-45 Наибольший уровень между сроками наблюдений Штанга гидрометрическая ГР-56 Глубина потока Самописец уровня: СУВ-М «Валдай», ГР-38 Непрерывная регистрация уровня воды Секундомер Длительность измерений Установка для измерения расхода воды дистанционная: ГР-70, ГР-64М Глубина и скорость потока, расстояние от постоянного начала Лебедка гидрометрическая Глубина потока Рулетка измерительная Расстояние Груз гидрометрический: ГГР, ПИ-1 Глубина потока Канат разметочный Расстояние от постоянного начала Люлька гидрометрическая Мостик гидрометрический Канатная переправа С Y - коэффициент вариации элементов (2.1) где s (Y ) - среднее квадратическое отклонение элемента, - математическое ожидание значений Y (X ) и Y (t ), ξ к - радиус корреляции (п. ) (2.2) t к - среднее время корреляции (2.3) где R (ξ) и R (t ) - автокорреляционные функции соответственно для Y (X ) и Y (t ). Определение ξ к и t к удобно производить по графикам функции R (ξ) к R (t ), рассчитанных по стандартной программе математического обеспечения ЭЦВМ для данной выборки значений { Y (X )} и { Y (t )}.

Измерение расхода воды гидрометрической вертушкой

Многоточечный (детальный) способ предусматривает измерение расхода воды по увеличенному против обычного числу скоростных вертикалей 10-15 с измерением скорости в 5-10 точках (пов.;0,2;0,6;0,8;дно-при свободном русле; пов.;0,2;0,4;0,6;0,8;дно-при несвободном русле) на каждой вертикали. Многоточечный способ даёт наиболее точное значение расхода.

Основной способ, когда число скоростных вертикалей уменьшается в 1.5-2 раза по сравнению с детальным, а скорости течения измеряются в 2-3 точках на каждой вертикали.

Интеграционный способ по вертикалям применяется при глубинах более 1 м и скоростях течения более 0.2 м/с. Измерение производится с помощью интегральной установки ГР-101.

Ускоренный способ применяется при быстрых изменениях уровня за время измерения расхода воды при интенсивной деформации русла, при наличии переменного подпора и в других неблагоприятных условиях.

Сокращенные способы предусматривают измерение расхода воды по средней скорости на 1-2 репрезентативных вертикалях или единичной скорости в точке 0.2 её рабочей глубины.

Измерение расхода воды поплавками

Измерения поверхностными поплавками. Точность поплавочных измерений существенно ниже, чем вертушечных. При интенсивном ледоходе, когда вертушечные измерения становятся невозможными, а в качестве поплавков служат отдельные льдины.

Измерение расхода воды глубинными поплавками и поплавками-интеграторами

Поплавки этого вида используются для измерения сравнительно малых скоростей течения (до 0,15-0,20 м/с), когда вертушечные измерения мало надежны.

Измерение расхода воды гидравлическим способом

Используется когда измерить расход воды другими способами не представляется возможным. Расход воды вычисляется по формуле

Q=VсрF, Vср=C RJ,

где R-гидравлический радиус; J-продольный уклон; C-скоростной коэффициент или коэффициент Шези C=1/nR x-1,5 n при R<1 м;x-1,3 n при R>1 м.

Наблюдения за уровнями рек

Результаты наблюдений за уровнями позволяют установить зоны и продолжительность затопления отдельных участков речной долины, скорость продвижения паводочной волны вдоль по реке (в том случае, если «а реке имеется не менее двух водомерных постов) и сделать выводы об общем характере изменения водности реки в течение года в многолетнем периоде, о наиболее высоких половодьях и т. д.

Среди этих так называемых характерных уровней наибольший практический интерес представляют уровни: 1) наивысший годовой, 2) весеннего ледохода, 3) осеннего ледохода, 4) летних и осенних паводков, 5) наинизший летний и зимний.

Речной сток - перемещение воды в виде потока по речному руслу.

Происходит под действием гравитации. Является важнейшим элементом круговорота воды в природе, с помощью которого происходит перемещение воды с суши в океаны или области внутреннего стока. Количественное значение стока в единицу времени называется расходом воды.

В гидрологии под речным стоком обычно подразумевается объём стока - объём воды, прошедшей через определённый створ в единицу времени, чаще всего год. Объединяет поверхностный сток (образующийся в результате осадков и снеготаяния) и подземный сток, формируемый за счет грунтовых вод. Речной сток за год является объективным показателем для определения полноводности реки.

Главной характеристикой речного стока являются расходы воды.

Все остальные характеристики речного стока, по сути, являются производными от соответствующих расходов воды. Рассмотрим наиболее часто употребляемые характеристики речного стока.

Объем стока W (м 3 , км 3) - количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо интервал времени (сутки, месяц, год и т. д.).

Модуль стока М (л/с * км 2) или q[м 3 /c * км 2)] -количество воды, стекающей с единицы площади водосбора в единицу времени.

Слой стока h (мм) - количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо интервал времени, равное толщине слоя, равномерно распределенного по площади этого водосбора.

Коэффициент стока - отношение слоя стока к количеству выпавших на площадь водосбора осадков, обусловивших возникновение стока.

Годовой сток подсчитывается в умеренном климате за гидрологический год, начинающийся осенью (1 октября или 1 ноября), когда запасы влаги в речных бассейнах, переходящие из одного года в другой, малы.

Для измерения скорости течения используют два вида приборов: электрические и механические. Во многих измерениях течений как механических, так и электрических датчиком скорости течения служит вращающаяся на оси крыльчатка, а датчиком направления-магнитный компас. Все эти приборы основаны на измерении числа оборотов крыльчатки за определенный промежуток времени. Это делается с помощью механического (вертушка Экмана) или электрического (измеритель течений Робертса) счетчика. В последнее время широко используются ротор Савокиуса, обороты которого регистрируются электрическим счетчиком, и буквопечатающая вертушка Алексеева. В вертушке Алексеева запись ведется на ленте с помощью специального устройства через определенное количество оборотов вертушки.

В практике лимнологов для определения скорости течения используются также термометры сопротивления-термогидрометры, основанные на изменении сопротивления термопар в зависимости от скорости водного потока, омывающего эти датчики. В последнее время появились усовершенствованные электрические записывающие измерители скорости и направления течений-АЦИТ.

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

3.1 Приборы и оборудование.

Для измерения расхода, на практике используется гидрометрическая вертушка ГР-21М, номер вертушки указан на лопастном винте. Лопастные винты бывают № 1 основной – диаметром 12 см и геометрическим шагом 20 см,№ 2 –неокомпанентный, диаметром 12 см, геометрическим шагом 50 см. Обязательно указываться то на чем опускается вертушка в воду (штанга, трос). Основные части вертушек:

1)Лопастной винт или ротор приводится во вращательное состояние в результате силового воздействия набегающего потока.

2)Оси, на которой вращается лопастной винт или ропот. Ось служит для укрепления лопастного винта, она может быть подвижной, соединенной непосредственно с лопастным винтом.

3)Корпус вертушки. Он служит основой для укрепления и размещения отдельных деталей вертушки, для укрепления вертушки на штанге или тросе. Целесообразной формой корпуса является обтекаемая, создающая наименьшее сопротивление потоку.

4)Счетно-контактный механизм. Он служит для подсчета оборотов лопастных винтов.

5)Хвост или руль. Хвостовое оперение или руль, служит для установки вертушки в потоке по направлению течения, что особенно важно при работе с тросом.

Рис.2. Рис.3.

Также для измерения расходов воды используются поплавки. Гидрометрические поплавки считаются самым неточным способом измерения расхода воды. Для нашей реки использовались поверхностные поплавки, которые были сделаны в виде кружков, отпиленных от сухого бревна диаметром 5-15 см и толщиной 2-3 см. не более 4 штук.

3.2. Методы измерения расходов воды.

Расход воды - это объем воды, прошедший через данное поперечное сечение речного потока за 1 с. Для крупных водотоков – рек, каналов, водосбросов гидротехнических сооружений и т.п. – расход воды выражается в кубических метрах в секунду. Расход воды малых водотоков – родников, ручьев, скважин, а также лабораторных лотков выражается в литрах в секунду.

Существуют следующие методы вычисления расходов воды, можно их разделить на две основные группы:

1. Непосредственное измерение расхода.

2. Косвенное измерение расхода.

К непосредственному измерению расхода относиться, так называемый, объемный метод, который основан на измерении расхода, посредством мерных сосудов, подставляемых под струю воды. Так же измеряется время наполнения мерного сосуда. Расход определяется делением объема воды в сосуде на продолжительность наполнения.

Косвенное измерение расхода воды может выполняться различными методами, общей особенностью которых является, то, что в них измеряется не сам расход воды, а отдельные элементы потока, причем величина расхода получается путем вычисления. К таким методам относятся:

а). Определение расхода, с помощью промерных устройств: гидрометрические лотки, водосливы.

б). Метод смешения, который имеет несколько разновидностей (тепловой, электрический и колориметрический).

в). Определение расхода по измеренным скоростям течения и площади поперечного сечения потока, называется метод «скорость-площадь». Этим методом мы пользовались на практике. Площадь поперечного сечения потока находится по результатам промеров глубин, а скорости в отдельных точках живого сечения.

3.3. Измерение расхода гидрометрической вертикали.

Определение расходов воды с применением гидрометрических вертушек производиться методом «скорость-площадь». Для обеспечения достаточной точности измерения расходов необходимо, что бы на выбранном участке наблюдалось плавно изменяющееся движение воды, течение воды как в коренном русле, так и на пойме должно иметь общее направление по всей ширине реки. Скорость течения в межень должна быть не менее 0,15-0,25 м/cек, что бы можно было изменить вертушкой. Желательно, чтобы в перерод половодья и паводков, скорости не превышали 3,0-4,0 м/сек. Зимой участок реки должен быть покрыт сплошным ледяным покровом. На участке не должно быть зон со стоячей водой или обратными течениями. При выборе участка для проведения временных работ, достаточно учитывать удобство расположения в данный период года.

Гидрометрический створ-поперечник через реку, в котором измеряются расходы воды. Положение гидрометрического створа закрепляется на плоскости прочными столбами - реперами.

Гидрометрический створ разбивают перпендикулярно общему направлению реки, ориентируясь на направление берегов, так как для правильного определения расходов, необходимо чтобы поперечное сечение реки по линии створа было расположено нормально к среднему направлению течения. Как правило, на участке измерений устанавливается один гидрометрический створ, совпадающий со створом водомерного поста или находящийся вблизи от него. Однако в некоторых случаях необходимо иметь два, а иногда и три створа. Это связанно с тем, что в различные периоды года может существенно изменяться условия протекания воды.

Определение направления гидрологического створа по средствам вертушки, измеряющей направление течения.

Работы по определению направления створа выполняются в следующей последовательности:

1)на предварительно выбранном и закрепленном створе проводят промеры глубин, после чего сообразуясь с шириной реки и очертаниями профиля створа, назначаются скоростные вертикале в количестве не более 10-12;

2)на всех скоростных вертикалях измеряются скорости и направления течения, в одной точке на глубине 0,6 h от поверхности; полученная величина скорости на вертикали принимается за среднюю скорость на вертикали.

3)вычисляются расходы воды (умножаем скорость реки на площадь водного сечения)* смотреть КГ-3 Расход воды для вертушки ГМЦМ-1

При измерении расходов воды вертушками применяются три способа – детальный, составной и сокращенный, которые различаются по степени подробности измерений скорости в живом сечении.

До провидения измерения расходов воды необходимо проверить исправность гидрометрической вертушки, а так же состояние всего оборудования гидрометрического створа. При измерении расхода воды выполняются следующие работы:

1)описание состояние реки, погоды, водной растительности, состояние русла реки, сплав леса с указанием вида сплава, сила и направление ветра, волнение, мутность воды, наличие ледовых явлений.

2) наблюдение над уровнем воды.

3) промеры глубин на гидростворе.

4)измерение скоростей течения на вертушках.

При измерении скоростей по каждой вертикали, производятся следующие работы:

1) Отличается состояние погоды и реки.

2) Определяется (при значительных изменениях) уровень воды по наблюдениям на водомерном посту для начала и конца работы по вертушкам.

3) Измеряется глубина на вертикали; зимой дополнительно измеряется толщина снега, льда, погруженного льда и шуги.

4) Вычисляется рабочая глубина на вертикали и производится расчет глубин, погружение вертушки в точки измерения скоростей.

5) Измеряются скорости течения в отдельных точках.

Чтобы измерить расход воды вертушкой ГР21-М, нужно опустить ее на 0,6 глубины в центральной промерной вертикали и считать количество звонков. Первые 2-3 сигнала пропускаются без записи. Это нужно, чтобы лопастной винт обрел скорость вращения, соответствующую скорости течения воды. Далее включается секундомер и по истечению ≈ 100 сек. Считаются звонки (один звонок – 20 оборотов). Количество звонков умножается на 20 и этот результат делится на количество секунд, получаем число оборотов в секунду:

По тарировочной таблице определяем скорость:

V= 0,0408+0,3233*(0,2405) 2 = 0,1185 м/с

Q= 0,1185*2,2775= 0,27 м 3 /с

3.4 Измерение расхода воды при помощи поверхностных поплавков.

Кроме гидрометрической вертушки, определение скорости течения можно произвести гидрометрическими поплавками. Метод основан на регистрации скорости плывущего тела-поплавка. При определении скорости поплавками допускается, что скорость течения равна скорости движения поплавка. Для измерения расхода воды поверхностными поплавками выше и ниже гидрометрического створа на равных расстояниях разбивают дополнительно два створа с таким расчетом что бы продолжительность хода поплавков между верхним и нижними створами была не менее 20 сек. При скоростях течения более 2 м.сек продолжительность хода поплавков может быть и меньше, но не менее 10 сек. Расстояние между верхним и нижним створами должно быть измерено с большей точностью – дважды стальной лентой. В ветреную погоду применение поверхностных поплавков ограничено. При измерении скоростей поплавками, полученная в каждом случае, есть наибольшая скорость течения на траектории поплавка, ту скорость принимают за местную скорость в точке пересечения линии створа и траектории поплавка. По разбитым створам под водой натягивают тонкие шнуры. У верхнего створа становится один из членов бригады с секундомером, а в основном и ниже становятся два других члена бригады. Студент пускает поплавок несколько выше верхнего створа, забрасывая его на стрежень реки с берега. В момент прохождения поплавка через верхний створ он включает секундомер и следит за поплавком. В момент прохождения поплавка через гидроствор наблюдатель следит, находится ли поплавок на стрежне реки. В момент прохождения поплавком нижнего створа, наблюдатель делает сигнал (голосом) и студент включает секундомер. Из всех пушенных на стрелке поплавков отбирают три поплавка, показывающую наименьшую продолжительность хода между створами. Крайнее значение продолжительности хода этих трех поплавков не должно отличаться друг от друга не более чем на 10 %. Вычисление расхода измеренного поверхностными поплавками приводится только по наибольшей скорости потока по формуле.