книги из ГПНТБ / Быков В.Д. Гидрометрия учебник

теля импульсный генератор запускает задерживающее устройство ЗУ с регулируемым временем задержки t3. Задним фронтом им­ пульса задержки запускается развертывающее устройство РУ, вы-

ип

Рис. 11.44. Блок-схема осциллографического устройства для измерения импульсным методом

рабатывающее пилообразное напряжение (рис. 11.45) для откло­ нения по горизонтали луча электроннолучевой трубки, и генера­ тор калибровочного напряжения ГКН высокой частоты. Для повы­ шения точности отсчета длительность развертки выбирается ма-

Рис. 11.45. Диаграмма импульсных сигналов

вотдельных узлах осциллографического

устройства.

лой, достаточной лишь для изображения двух-трех полупериодов переднего фронта принятого импульса.

Если калибровочное напряжение подвести к катоду электронно­ лучевой трубки, то оно будет управлять яркостью луча трубки, пе­ риодически усиливая яркость или гася ее.

159

РАЗДЕЛ V

И З МЕРЕ НИЕ РАСХОДОВ ВОДЫ

Глава 12

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ПРИМЕНЯЕМЫХ МЕТОДАХ. МОДЕЛЬ РАСХОДА

12.1. Методы определения расходов воды

Расходом воды называется объем ее, протекающий через попе­

Расход воды является одним из основных гидравлических эле­ ментов потока. Для рек расход воды — важнейшая характери­ стика, определяющая другие ее параметры, как, например, уровень воды, скорость течения, уклон водной поверхности и др. На осно­ вании систематических определений расходов воды вычисляют ве­ личины средних суточных расходов, максимальные и минимальные расходы, а также объемы стока реки за тот или иной интервал вре­ мени.

Существующие методы определения расхода воды можно раз­ делить на две основные группы: непосредственное измерение икосвенное определение.

К первой группе относится так называемый объемный метод, основанный на измерении расхода посредством мерных сосудов, подставляемых под струю воды. При этом измеряется время на­ полнения мерного сосуда. Расход определяется делением объема воды в сосуде на время наполнения. Практически этот метод при­ меним только на малых водотоках — ручьях, родниках, лаборатор­ ных лотках и т. п. Этим методом можно измерять расход с боль­ шой точностью.

Косвенное определение расхода воды может выполняться раз­ личными методами, общей характерной особенностью которых яв­ ляется то, что в них измеряется не сам расход (объем воды), а от­ дельные элементы потока, при этом величина расхода получается путем вычислений. К таким методам относятся:

1) определение расхода по измеренным скоростям течения и площади поперечного сечения потока, сокращенно называемый ме­ тодом «скорость—площадь»;

2) определение расхода с помощью мерных устройств: гидро­ метрических лотков, водосливов. В данном случае измеряемой ве­ личиной является напор на водосливе или во входной части лотка, при этом расход определяется по гидравлическим зависимостям; 3) определение расхода методом смешения; он имеет несколько разновидностей (электролитический, тепловой, колориметриче­ ский). В настоящее время применяется преимущественно электро­ литический метод, в котором расход воды определяется в зависи­ мости от изменения электропроводности вводимого в поток раст­

вора электролита при смешении его с водной средой.

Метод «скорость—площадь» наиболее распространен в речной гидрометрии. Площадь поперечного сечения потока определяется по результатам измерений глубин, а скорости в отдельных точках живого сечения измеряются чаще всего гидрометрической вертуш­ кой; реже для измерения скоростей применяют другие приборы или поплавки. К данному методу следует также отнести расчетный способ определения расхода по площади живого сечения и сред­ ней скорости потока, вычисленной по формуле Шези. В дальней­ шем мы главное внимание обратим на способы определения рас­ хода с применением гидрометрических вертушек, наиболее распро­ страненные в настоящее время в речной гидрометрии.

печивает достаточную точность измерения скоростей течения и пло­ щади живого сечения. Необходимым условием успешного приме­ нения этого метода является хорошо выраженный турбулентный режим движения воды, при котором обеспечивается хорошее пере­ мешивание вводимого в поток раствора с водной средой.

12.2. Метод «скорость—площадь». Модель расхода

Сущность метода «скорость—площадь» заключается в опреде­ лении объема модели расхода, т. е. водяного тела объемом, чис­ ленно равным расходу воды через поперечное сечение потока.

Рассмотрим поперечное сечение потока (рис. 12.1). Скорости те­ чения в различных точках сечения неодинаковы: наибольшие ско­ рости у поверхности в середине потока, а у берегов и дна они меньше. Соответственно этому различны и расходы воды через элементарные площадки в различных частях поперечного сечения. Скорости в различных точках могут иметь разные направления. Чтобы определить расход воды через элементарную площадку, не­ обходимо величину этой площадки умножить на скорость течения.

162

Но поскольку вектор местной скорости может быть направлен под углом к нормали, то следует учитывать не сам вектор, а его про­ екцию на нормаль. Тогда расход воды через элементарную пло­ щадку можно выразить формулой

нормали

Рис. 12.1. Поперечное сечение потока.

и — скоростной вектор; и cos а — проекция скоростного вектора на нор­ маль к площадке .

Расход воды через всю площадь поперечного сечения потока будет

Если бы угол а сохранял свое значение для всех элементарных площадок, то предыдущее выражение можно было бы представить так:

или водяного тела, вид которого показан на рис. 12.2. Это тело ограничено сзади поперечным сечением потока, сверху — поверх­ ностью, представляющей собой эпюру поверхностных скоростей течения, и снизу — криволинейной поверхностью, определяемой зависимостью u = f(x, у).

Из сказанного видно, что определение расхода воды методом «скорость—площадь» сводится к определению указанного выше интеграла. Однако такой способ не применим ввиду того, что не известен вид функции u = f(x, у). На практике при определении расхода поступают так: измеряют площадь поперечного сечения потока и скорости течения на вертикалях, затем производят вы­ числение расхода по приближенной формуле, в которой интегри­ рование заменяется суммированием. Способ вычисления расхода, основанный на применении формулы (12.4) с указанным выше упрощением, называется аналитическим.

Рис. 12.2. Модель расхода.

ОЕВ — живое сечение; OMDNB — эпюра поверхностных ско­ ростей; CDE — эпюра скоростей на вертикали; MKN — нзотаха .

Определить расход можно также следующими способами. Во-первых, если известны расходы воды на вертикалях (в гид­

рометрии их принято называть элементарными расходами), то рас­ ход определится по формуле (рис. 12.3 а)

где q— элементарный расход, равный произведению средней ско­

ные между каждой изотахой и линией уровня воды, то объем мо­

164

где cou — площадь, ограниченная изотахой со скоростью а и линией уровня воды; «макс — наибольшая скорость в сечении потока.

Объем модели расхода воды двумя последними способами оп­ ределяется практически также путем измерения скоростей течения на вертикалях в возможно большом количестве точек с последу­ ющим вычислением расхода по двум последним формулам. Реше­ ние интеграла (12.5) выполняется графическим способом, решение

У

Рис. 12.3. Схема к вычислению расхода: а — по формуле (12.5), б — по формуле (12.6).

же интеграла (12.6) — методом конечных разностей. Вычисление расхода всеми тремя способами рассматривается ниже.

Остановимся на некоторых свойствах модели расхода.

Если модель расхода рассечь плоскостями, параллельными по­ верхности воды, то площади сечений будут представлять собой эпюры распределения скоростей течения по ширине реки на соот­ ветствующих глубинах.

Если рассечь модель расхода вертикальными плоскостями, пер­ пендикулярными плоскости живого сечения, то площади сечения будут представлять собой эпюры распределения скоростей на вер­ тикалях.

Если рассечь модель расхода вертикальными плоскостями, па­ раллельными плоскости живого сечения, то линии пересечения бу­ дут представлять собой линии равных скоростей, т. е. изотахи.

165

Глава 13

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДОВ ВОДЫ С ПОМОЩЬЮ ГИДРОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕРТУШЕК

13.1. Выбор участка реки

Основные требования к участку реки для измерения расхода воды совпадают с требованиями, предъявляемыми к участку для водомерных наблюдений (см. главу 5), но имеются и дополнитель­ ные требования.

Для обеспечения достаточной точности измерения расхода не­ обходимо, чтобы на выбранном участке наблюдалось равномерное движение воды. Как в коренном русле, так и на пойме течение воды должно иметь общее направление по всей ширине. Скорости течения в межень не должны быть менее 0,15—0,25 м/с, чтобы их можно было измерять вертушкой с достаточной точностью. В пе­ риоды половодий и паводков желательно, чтобы скорости течения не превышали 3,0-—4,0 м/с. На участке не должно быть зон со сто­ ячей водой или обратными течениями.

Зимой на участке должен образовываться сплошной ледяной покров, без полыней, или же река не должна замерзать вовсе. Кро­ ме того, по возможности надо выбирать участок, где в зимний пе­ риод не образуется шуга, скапливающаяся под ледяным покровом.

Следует обращать внимание на то, чтобы на участке не наблю­ далось неустановившееся движение воды 1 от расположенных выше гидротехнических сооружений, а также чтобы участок не нахо­ дился в условиях переменного подпора от сооружений, располо­ женных ниже по течению.

В реальных условиях трудно найти участок реки, где бы вы­ полнялись все требуемые условия, но во всех случаях необходимо стремиться к возможно более полному соответствию участка пере­ численным требованиям. При выборе участка для проведения вре­ менных работ достаточно, чтобы участок был удобным для выпол­ нения измерений в данном сезоне года.

13.2. Определение направления гидрометрического створа

Для правильного определения расходов воды требуется на выб­

В первом приближении этому условию удовлетворяет створ, раз­ битый на глаз перпендикулярно общему направлению реки, ориен­ тируясь на направления берегов.

1 Неустановившееся движение воды — движение, при котором расход изме­ няется во времени.

166

димо параллелоструйным течением, может производиться глазомерно.

Направление створа, предназначенного для систематических измерепий, должно быть определено более точно.

направлению течения пересекаемой им части русла.

На участках, имеющих русло, расчлененное на протоки, створы разбиваются отдельно в основном русле и протоках, при этом пол­ ный расход определяется как сумма частичных расходов.

Как правило, на участке измерений стараются назначить один гидрометрический створ, совпадающий со створом водомерного по­ ста или находящийся вблизи от него. Однако в некоторых случаях возникает необходимость иметь два, а иногда и три створа. Это связано с тем, что в различные периоды года могут существенно изменяться условия протекания воды, например в период поло­ водья, при развитии водной растительности, при возникновении ле­ дяных образований и т. п. Каждый створ в этом случае назнача­ ется с соблюдением указанных выше условий, а также с учетом того, чтобы между створами не было увеличения или потерь стока, например впадения притоков, водозаборных сооружений и пр.

Если гидрометрический створ будет удален от створа основного водомерного поста, то необходимо устроить водомерный пост при гидрометрическом створе. За нуль графика поста на створе жела­ тельно принимать ту же отметку, что и на основном водомерном посту.

Ввиду того что условия протекания воды могут со временем из­ меняться, необходимо проверять правильность направления гидро­ метрического створа. На реках с устойчивым руслом такую про­ верку достаточно делать раз в три года, если не произошло замет­ ных на глаз изменений потока.

На реках с неустойчивым руслом изменение направления или перенос створа производится сразу же, как только гидрометриче­ ский створ перестает удовлетворять требованиям достаточно точ­ ного измерения расхода.

Следует иметь в виду, что с изменением уровня воды изменя­ ется величина косоструйности течения, причем эти изменения бы­ вают различны в разных местах потока. В основном русле измене­

167

к направлению створа. Если косина струй на отдельных вертика­ лях больше, то целесообразно выбрать новый створ.

При измерении скоростей течения на вертикалях компонент­ ными вертушками (ГР-11, ГР-21, ГР-55) на штанге вертушку рас­ полагают нормально к линии створа, при этом косина струй учи­ тывается автоматически соответственно компонентиостп применя­ емой вертушки (см. табл. 11.1).

При применении для измерения скоростей вертушек на тросе необходимо измерять также угол между осью вертушки и нор­ малью к линии створа, при этом величина проекции скорости опре­ деляется умножением измеренной величины скорости на косинус угла. Не останавливаясь здесь на способах определения углов, укажем, что в подобных случаях лучше всего применять измери­ тель течений ГР-42, позволяющий одновременно измерять вели­ чину скорости и угол; описание этого прибора приведено в раз­ деле V I I I .

Косина струй менее 10°, как правило, не учитывается, так как при этом ошибка измерения расхода не превысит 1,5%.

Определение направления гидрометрического створа с приме­ нением измерителя течения ГР-42. Этот способ является более точ­ ным по сравнению с описываемым ниже способом разбивки створа с помощью поверхностных поплавков, кроме того, он требует меньшей затраты времени. Работа по определению направления створа выполняется в такой последовательности:

1)на предварительно выбранном створе производят промеры глубин, после чего, сообразуясь с шириной реки н очертанием ли­ нии дна, намечают скоростные вертикали в количестве не более 10—12;

2)на всех скоростных вертикалях измеряют скорости и на­ правления течения на глубине 0,6 h от поверхности; полученная величина скорости принимается за среднюю скорость на верти­ кали;

3)вычисляют элементарные расходы на вертикалях путем ум­ ножения средней скорости на глубину

Для частичного расхода, относящегося к первой вертикали, ве­ личина Ь будет определяться как сумма расстояний от уреза воды

168