книги из ГПНТБ / Быков В.Д. Гидрометрия учебник

в соответствующую строку под профилем; масштаб скоростей на всех эпюрах принимается одинаковым;

5)вычисляют элементарные расходы для всех вертикалей, ско­ ростных и промерных, для этого значения средних скоростей умно­ жают на глубины; полученные величины элементарных расходов вписывают в соответствующую строку под профилем;

6)строят эпюру элементарных расходов, для этого полученные значения элементарных расходов откладывают вверх от линии уровня на каждой вертикали и по полученным точкам проводят плавную линию;

7)вычисляют расход воды, для этого измеряют площадь эпю­ ры элементарных расходов планиметром или палеткой.

Рис. 13.24. Схема к вычислению расхода воды по изотахам.

После вычисления расхода на чертеже составляют таблицу при­ нятых данных.

Для наглядного представления о распределении скоростей в жи­ вом сечении на профиле вычерчивают изотахи.

Способ вычисления расхода воды по изотахам. Этот способ ос­ нован на использовании формулы (12.6) с заменой интегрирования суммированием конечного числа элементов, на которые разделя­

где coo — площадь живого сечения; соi, сог,- •. — площади, ограни­ ченные первой, второй изотахой и т. д.; а — интервал скорости ме­ жду изотахами; QK — объем концевого отсека, равный

В формуле (13.23) соп — площадь, ограниченная последней изо­ тахой; ыМакс — наибольшая скорость; ип — скорость, соответствую­ щая последней нзотахе.

197

Изотахи проводят через равные интервалы скоростей, поэтому формула (13.22) может быть упрощена

сечения реки;

2)на том же листе вычерчивают эпюры скоростей на вертика­ лях в том же вертикальном масштабе;

3)на профиле поперечного сечения реки вычерчивают изотахи

вколичестве 6—10;

4)измеряют площади, ограниченные изотахамн, применяя для этого планиметр или палетку;

5)вычисляют расход воды, для этого используют формулу

(13.24); вычисления делают в табличной форме.

и

и макс

Рис. 13.25. Тахиграфическая кривая.

В заключение укажем, что вычислять расход можно с помощью тахиграфической кривой, для построения которой по осп абсцисс откладывают площади, ограниченные изотахамн, по оси ординат — соответствующие им величины скоростей; по полученным точкам проводят плавную кривую, которая и.называется тахиграфической (рис. 13.25). Площадь, заключенная между кривой и осями коор­ динат, в масштабе чертежа равна расходу воды. Так, для элемен­ тарной площадки udoz площадь, ограниченная тахиграфической кривой и осями координат, может быть представлена формулой

Q = f и с/ш,

которая, как известно из предыдущего, выражает расход воды. Можно расположить элементарную площадку в перпендикуляр­ ном предыдущему направлении, тогда ее площадь будет codu, а вся площадь тахиграфической кривой может быть представлена

198

формулой

Практически величина расхода воды определяется путем пла­ ниметрирования площади тахиграфической кривой.

13.8. Измерение расходов воды на малых реках и водотоках

На малых реках в период межени нередко встречаются затруд­ нения при измерении расхода воды вертушкой вследствие малых скоростей течения и глубин. В таких случаях необходимо улуч­ шить условия протекания воды в русле, что может быть достиг­ нуто различными способами.

Для успешного измерения расхода воды вертушкой требуется, чтобы глубина потока была не менее диаметра лопастного винта, а скорости течения воды были не менее удвоенной величины на­ чальной скорости вертушки (см. табл. 11.1), так как при меньших скоростях возрастают погрешности измерения. При проведении ме­ роприятии по улучшению протекания воды в русле надо обращать внимание на то, чтобы при этом не происходил размыв дна потока,

атакже чтобы створ не находился в зоне переменного подпора.

Взависимости от местных условий и технических возможностей расходы воды в малых водотоках можно измерять в естественных упорядоченных и канализированных руслах или искусственных кон­ трольных сечениях.

Измерение расходов в естественном русле. Для обеспечения удобства и требуемой точности измерения расхода естественное русло упорядочивается на длине не менее десятикратной ширины. Работы производят в меженный период при низком уровне воды.

Упорядочение русла достигается следующими мероприятиями:

1)спрямлением русла;

2)планировкой береговых откосов и приданием им однообраз­

меняют одерновку откосов или засевание их травой. Если берега сложены легко размываемыми грунтами, то целесообразнее делать каменную отмостку;

4) расчисткой русла — уборкой камней и карчей, засыпкой ям и неровностей, при этом не должен быть нарушен естественный ук­ лон дна;

5) канализацией русла, которая заключается в том, что на уча­ стке упорядоченного русла прокладывают канал прямолинейного направления с откосами, соответствующими углу естественного от­ коса грунта; канализацию русла обычно предпринимают при не­ больших расходах, не более 0,2 м3 /с.

199

Расходы воды в упорядоченном естественном русле измеряют гидрометрической вертушкой обычным способом.

Измерение расходов в искусственных контрольных сечениях. Искусственные контрольные сечения устраивают в случаях, когда оказывается невозможным измерять расходы в естественном русле.

Необходимость устройства искусственного контрольного сечения может возникнуть в следующих случаях:

Самописец

~/4У °/

По а-а

Рис. 13.26. Донный контроль.

1) при неустойчивости речного русла как на самом гидромет­ рическом створе, так и ниже него;

2)при недостаточных скоростях -течения, близких к начальной скорости вертушки;

3)при больших скоростях течения, но слишком малых глуби­ нах, меньших, чем диаметр лопастного винта вертушки.

Искусственные контрольные сечения бывают двух типов: дон­

венно на горных реках с большим уклоном и скальным руслом, за­ полненным крупным аллювием. Особенно удобно применять дон­ ный контроль в местах резкого перелома у к л о н а — н а порогах, перепадах, водопадах.

200

Донный контроль представляет собой полосу бетонированного дна на протяжении 0,1—0,2 ширины реки, но не уже 2 м, возвыша­ ющуюся над естественным дном на 0,2—0,5 м. Впоследствии реч­ ное русло выравнивается заподлицо с порогом в результате отло­ жения наносов. Порогу придается несколько увеличенный попереч­ ный уклон, чтобы при малых расходах вода собиралась в узкой и глубокой части русла под одним берегом, что способствует более

Для регистрации колебаний уровня створ оборудуют самопис­ цем, устанавливаемым, как показано на рис. 13.26. Нулевое деле­ ние рейки контрольного водомерного поста должно быть на одной отметке с наиболее пониженной частью порога.

Расходы воды измеряют вертушкой обычным способом.

201

на реке устраняет возможность деформаций дна от размывов, а также исключает влияние переменного подпора от нижележащего участка реки.

Порог-контроль представляет собой низконапорную глухую пло­ тину из бетона пли железобетона с заглублением в дно реки на 0,5—1,5 м. Превышение гребня порога над дном реки принимается порядка 0,5 м. В поперечном сечении порог должен быть закруг­

" 1I

—I 1

Рис. 13.28. Контрольные сечения временного типа.

а — в руслах с малыми скоростями течения; б — в руслах с не­

достаточными глубинами .

гон заподлицо с поверхностью порога. В средней части русла реки порогу придается плавное очертание в соответствии с естественным профилем русла, а сопряжение с берегами делается в виде верти­ кальных или наклонных стенок.

Гидрометрический створ для измерения расхода воды вертуш­ кой оборудуется мостиком. Водомерный пост обычно размещают в 2—5 м выше порога, в пределах подпора, и оснащают самопис­ цем уровня.

Если с помощью порога-контроля необходимо измерять как ма­ лые расходы воды, до нескольких литров в секунду, так и относи­ тельно большие расходы, до нескольких кубических метров в се­ кунду, то он должен быть дополнительно оборудован мерным во­ досливом.

202

этом надо иметь в виду, что слишком сильное сужение может выз­ вать размыв русла, чего надо избегать. Сужение русла достигается устройством продольных ряжевых или шпунтовых стенок, примы­

мают равной четырехкратной ширине. Гидрометрический створ и самописец уровня располагают на расстоянии 0,6—0,8 длины ка­ нала от входной части.

Второй представляет собой фильтрующую перемычку из камня (рис. 13.28б, правый), которая создает подпор воды, чем и дости­ гается увеличение глубин. Применяется на реках с незначительным содержанием наносов. Гидрометрический створ и самописец уровня располагают в зоне подпора.

В обоих типах при увеличении глубины должно быть обеспе­ чено условие, чтобы скорости течения были бы не менее предельно допустимых для применяемой вертушки.

Измерение расходов в контрольных сечениях временного типа выполняют обычными способами.

13.9. О точности измерения расходов воды гидрометрической вертушкой

в качестве измерителя скорости гидрометрической вертушки, отли­ чается от действительного расхода воды на какую-то величину &Q, которая включает в себя погрешности всех измерений при опреде­ лении расхода. Можно записать, что

Рассмотрим источники погрешностей в определении расхода воды и оценим их величины. На точность измерения расхода ока­ зывают влияние:

203

1)свойства и качество измерительных приборов,

2)методы и условия производства измерений,

3)изменчивость измеряемых величин во времени.

Кроме погрешностей, возникающих при измерении, на точность определения расхода воды влияют способ вычисления расхода и ошибки, которые могут быть при этом допущены. При надлежащем контроле эти ошибки можно устранить. Однако применение того или иного вычислительного приема не может устранить погрешно­ сти, допущенные при полевых измерениях.

Все погрешности при измерении расхода можно разделить на случайные и систематические.

Случайные погрешности могут возникать как при измерении площади живого сечения, так и при измерении скоростей течения. При каждом измерении глубин, расстояний между вертикалями, скоростей погрешности могут быть как положительные, так и от­ рицательные.

Причины случайных погрешностей при измерении площади жи­ вого сечения следующие: 1) приближенность измерения глубин и расстояний между вертикалями, 2) невозможность строго выдер­ жать постоянство положения промерных вертикалей. По данным полевых измерений случайная погрешность в определении пло­ щади живого сечения составляет около 3%.

Причины случайных погрешностей при измерении скоростей те­ чения следующие: 1) приближенность определения продолжитель­

Общая величина случайных погрешностей при измерении рас­ хода воды составляет около 3—4%.

Систематические погрешности, в отличие от случайных, оказы­ вают одностороннее влияние на результат измерения, завышая или занижая значение измеряемой величины.

Причины систематических погрешностей при измерении пло­ щади живого сечения следующие: 1) невертикалы-юе положение штанги или троса при промерах (глубины завышаются), 2) набе­ гание воды на штангу или наметку, 3) влияние грунта дна при промерах —при мягком дне глубины завышаются, при каменистом занижаются, и др. Суммарное влияние указанных причин обычно приводит к некоторому завышению площади живого сечения, до 2 - 3 % .

Причины систематических погрешностей при измерении скоро­ стей течения следующие: 1) погрешность в тарировании вертушки (в пределах прямолинейного участка тарнровочной кривой погреш­

204

личины трения в механизме вертушки в процессе ее эксплуатации (трение возрастает, вызывая занижение измеряемых скоростей, особенно при малых значениях последних), 4) влияние вязкости масла (при понижении температуры вязкость возрастает и наобо­ рот), 5) неучитываемое влияние косоструйности, 6) погрешность, вносимая неопределенностью экстраполяции эпюры распределения скоростей по вертикали от нижней точки измерения до диа, и др.

Общая величина систематических погрешностей при определе­ нии расхода воды находится обычно в пределах — 1 , + 5%.

На точность измерения расхода воды значительное влияние ока­ зывают условия производства работ, например наличие в русле значительного количества шуги, наличие водной растительности, заросшая пойма и пр. В табл. 13.4 приводятся ориентировочные величины погрешностей определения расхода воды при различных условиях измерения (см. в кн. «Наблюдения на гидрометеорологи­ ческой сети СССР» [42]).

Таблица 13.4

Ориентировочные величины погрешностей определения расхода воды методом «скорость—площадь» (измерение гидрометрической вертушкой)

Принципиальные основы оценки погрешности определения рас­ хода воды сформулированы Г. В. Железняковым и Б. Б. Данилевичем [28] в форме следующей зависимости:

где Ah — абсолютная погрешность измерения глубин; До — абсо­ лютная погрешность измерения скорости течения; А6 — абсолютная погрешность измерения расстояний между вертикалями; со„ — пло-

205

щадь, ограниченная эпюрой распределения средних скоростей на

можным, например при ледоходе, молевом лесосплаве, а также при аварийном состоянии гидрометрической переправы. При ледоходе поплавками служат приметные льдины, при лесосплаве — бревна. Поплавки находят широкое применение при измерении расходов воды аэрометодами.

Для измерения расхода воды выше и ниже основного гидро­ метрического створа на равных расстояниях разбивают дополни­ тельно два створа с таким расчетом, чтобы продолжительность хо­

округления до целой секунды и, кроме того, за счет некоторой неточности определения моментов прохождения поплавка через ли­ нии створов. Наблюдения показали, что ошибки в определении продолжительности хода поплавков могут достигать 1—2 секунд.

206