книги из ГПНТБ / Быков В.Д. Гидрометрия учебник

При больших скоростях течения ошибки в определении продолжи­ тельности хода поплавков оказывают меньшее влияние на точность измерения скорости. Поэтому при скоростях более 2 м/с прини­

В 5—10 м выше верхнего створа разбивают пусковой створ, обозначая его вехами на берегах; он служит для запуска поплав­ ков. Остальные створы также закрепляют вехами. На основном

с берега, на широких с лодки; поплавки пускают из пяти—восьми мест по ширине реки так, чтобы через основной створ они про­ ходили группами по две—четыре штуки;

2)при прохождении каждого поплавка через створы наблюда­ тели дают сигналы; продолжительность хода каждого поплавка от верхнего до нижнего створа определяется по секундомеру;

3)на основном створе в момент пересечения его поплавком от­

ния с берега при наличии перетянутого через реку размеченного троса; при большой ширине реки наблюдения ведут с лодки, а при невозможности пользоваться размеченным тросом применяют за­ сечки угломерными инструментами.

При измерении скоростей течения у берегов, где поплавки могут задерживаться прибрежной растительностью и где скорости тече­ ния малы, рекомендуется пускать поплавки на более коротком уча­ стке, разбивая для этой цели верхний и нижний створы на мень­ шем расстоянии между ними.

При невозможности пустить поплавки по всей ширине реки измеряют только наибольшую поверхностную скорость течения.

207

Такой случай возможен, например, на горных реках с быстрым те­ чением, где поплавки относятся к стрежню. При измерении расхода по наибольшей поверхностной скорости порядок и состав работ ос­ тается тот же, но со следующими изменениями;

1)поплавки забрасывают только на стрежень реки, где наблю­ дается наибольшая скорость течения;

2)количество поплавков уменьшается до 5—10;

3)положение поплавков в основном створе не определяют;

4)из всех запущенных поплавков отбирают три поплавка с наи­ меньшей продолжительностью хода.

Вычисление расхода воды. Если измерение производили поплав­ ками, запускаемыми по всей ширине реки, то вычисление выполня­ ют в такой последовательности:

1) по данным промеров глубин вычисляют площадь живого се­ чения по основному створу;

2)на клетчатку, помещенную в «Книжке для записи измере­ ния расхода воды поплавками», наносят точки для каждого по­ плавка, для этого по оси абсцисс откладывают расстояния от по­ стоянного начала до точки пересечения поплавком линии среднего створа, а по оси ординат — продолжительность хода поплавков ме­ жду верхним и нижним створами. По нанесенным точкам проводят плавную эпюру продолжительности хода поплавков по ширине ре­ ки (рис. 14.2), при этом центры тяжести групп точек определяют глазомерно;

3)если эпюра имеет плавное очертание, то на ней через рав­

в местах перегибов;

208

4) для каждой скоростной вертикали снимают с эпюры продол­ жительность хода поплавка и вычисляют поверхностную скорость

где Vi — поверхностные скорости на скоростных вертикалях; он — площади живого сечения между скоростными вертикалями; k — коэффициент, учитывающий наличие течения воды на урезе, опре­ деляемый по данным, приведенным в разделе 13.7;

6) вычисляют действительный расход воды по формуле

где К\ — переходный коэффициент от фиктивного расхода к дей­ ствительному.

Величина переходного коэффициента может быть определена путем одновременного измерения расхода воды вертушкой и по­ плавками. Приняв расход, измеренный вертушкой, за действитель­ ный, величину переходного коэффициента находят из соотношения

воды производят несколько таких одновременных измерений и строят график зависимости К\ от уровня, используемый в дальней­ шем при поплавочных измерениях расхода.

Величину переходного коэффициента часто выражают формулой

приемом, для получения его величины можно пользоваться эмпи­ рическими формулами. В настоящее время наиболее распростра­ нены следующие формулы:

где С — коэффициент Шези, величина которого берется из прило­ жения 4 в зависимости от значения коэффициента шероховатости п, определяемого по приложениям 2 и 3, и величины гидравличе-

ского радиуса R= — , где x — смоченный периметр (для равнин­

ных рек принимают/? равным средней глубине Л.0р и /icp=-g- >

В — ширина реки).

Если измерение расхода воды производили поплавками, запу­ скаемыми только на стрежень реки, то вычисление расхода делают

как среднее арифметическое из показаний трех поплавков с наи­ меньшей продолжительностью хода между верхним и нижним ство­ рами;

Ориентировочное представление о величинах переходных коэф­ фициентов К\ и К2 дает табл. 14.1.

Следует иметь в виду, что при выходе воды на пойму при вы­ соких уровнях величины переходного коэффициента К\ будут раз­ личнымидля основного русла и для поймы, и их следует опреде­ лять раздельно в соответствии с условиями протекания воды в пой­ менных отсеках. Подробное рассмотрение этого вопроса выходит за рамки учебника. Рекомендации по определению величин K i для пойменных створов имеются в «Методических указаниях управле­ ниям Гидрометслужбы», ГГИ, № 72, 1966 г., а также в статье Н. К. Сибиряковой [52].

Поплавочные измерения проводят, как правило, в безветренную погоду или при слабом ветре.

210

да), горные реки с бурным течением

14.2. Измерение расходов воды глубинными поплавками

Глубинные поплавки применяют при очень малых скоростях течения, меньше удвоенной начальной скорости применяемой вер­ тушки. Применение глубинных поплавков в таких случаях позво­ ляет повысить точность измерения скоростей течения.

Рис. 14.3. Схема оборудования лодки для измерения скоростей глубинными поплавками.

При употреблении глубинных поплавков "(см. рис. 11.33) при­ нято измерять скорости течения на вертикалях в следующих точ­ ках:

Скорости измеряют с лодки, устанавливаемой на якоре в ли­ пни створа. Для определения пути, пройденного поплавком, лодку

Поплавки запускают с помощью шеста на 0,25—0,5 м выше верхней створной рейки и не ближе 1 м от борта лодки. Продолжи­ тельность хода поплавков между створными рейками измеряют по секундомеру. В каждой точке вертикали измерения делают не ме­ нее трех раз, при этом расхождения продолжительности хода по­ плавков не должны отличаться более чем на 10%, в противном слу­ чае делают дополнительные измерения. В расчет принимают сред­ нюю продолжительность. Результаты измерений записывают в «Книжку измерений расхода вертушкой», а обработку результа­ тов измерений производят аналитическим способом, как при из­ мерении скоростей вертушкой.

Глава 15

РАСЧЕТНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ВОДЫ

15.1. Сущность способа

Сущность этого способа заключается в том, что площадь жи­ вого сечения определяется по имеющемуся поперечному профилю створа, а средняя скорость потока вычисляется по формуле Шези; величина расхода получается умножением площади на среднюю скорость

Q = u>v,

где со — площадь живого сечения; v — средняя скорость течения реки, вычисленная по формуле Шези.

Формула Шези справедлива для равномерного движения воды. Равномерное установившееся движение характеризуется тем, что

В естественных реках соблюдение указанных условий может на­

212

в реках может иметь место неустановившееся движение воды, ха­ рактеризующееся изменением расхода воды во времени, — при про­ хождении паводков, половодий. При выраженном неравномерном и

в реках на прямолинейных участках с правильной формой попе­ речного сечения русла, не заросшего водной растительностью. Та­ кие условия соблюдаются обычно только при движении воды в глав­ ном русле. При выходе потока на пойму условия его движения су­ щественно изменяются, особенно если поверхность поймы неровная,

спротоками, покрыта древесной и кустарниковой растительностью.

Втех случаях, когда поверхность поймы ровная и незаросшая и, кроме того, соблюдается параллельность и прямолинейность осей главного русла и поймы, можно с некоторым приближением счи­ тать движение воды как в русле, так и на пойме равномерным и, следовательно, применять для расчетов формулу Шези.

Таким образом, мы рассмотрели случаи, в которых применима формула Шези для определения расхода воды расчетным спосо­ бом. Теперь рассмотрим некоторые расчетные приемы.

15.2. Вычисление расходов воды в беспойменных створах

Если на данном створе производилось регулярное измерение рас­ ходов воды, но не было измерений расходов при высоких уровнях, то для их определения можно применить формулу Шези. Величина площади живого сечения определяется по поперечному профилю створа. Для определения коэффициента Шези применяют такой прием. По данным измеренных ранее расходов воды определяют значения коэффициентов Шези по формуле

где v — средняя скорость течения реки; Л о р — средняя глубина, оп­ ределяемая делением площади живого сечения на ширину реки (для равнинных рек величина гидравлического радиуса с достаточ­ ной точностью принимается равной средней глубине); / — уклон водной поверхности, измеряемый на уклонных водомерных постах или путем непосредственного нивелирования.

По полученным величинам коэффициентов Шези строят график зависимости этого коэффициента от уровня (рис. 15.1). При высо­ ких уровнях часто, особенно на больших реках, величина коэффи­ циента Шези принимает постоянное значение. Кривую C = f(H) экстраполируют до уровней, при которых надо определить расходы воды, и таким путем находят значения С при высоких уровнях.

213

Для вычисления расхода при заданном высоком уровне приме­ няют формулу

сЛО'ВСКОГО

Для определения коэффициента Шези по формуле Павловского •составлена таблица, которой и следует пользоваться при расчетах (приложение 4).

Для определения площади живого сечения делают нивелировку по линии створа до отметок, несколько превышающих уровень высо­ ких вод на обоих берегах, и промеры глубин в русле. По этим дан­ ным вычерчивают поперечный профиль, на нем проводят линию уровня высоких вод, затем вычисляют со и /гс р .

214

Отметки уровня высоких вод при отсутствии наблюдений за уровнем устанавливают по меткам уровня на береговых склонах—• отложениям на берегах и кустах растительного мусора (травы, во­ дорослей и пр.), илистых частиц, по размыву берегов, смыву нанос­ ной породы.

Положение высоких уровней за прошлые годы определяют по опросу местных жителей-старожилов. Во всех случаях определения отметок уровней высоких вод необходимо убеждаться, что эти уровни не были вызваны подпором, например, от затора, зажора пли других причин.

При отсутствии данных наблюдений на уклонных водомерных постах и наблюдений за уровнем при прохождении высокого па­ водка приближенно определить уклон водной поверхности можно путем нивелирования меток уровня высоких вод. Однако предва­ рительно необходимо очень внимательно осмотреть и отобрать наи­ более достоверные метки.

15.3. Вычисление расходов воды на пойменных створах

Применение формулы Шези для вычисления расходов на пой­ менных створах возможно только при указанных ранее условиях. Однако надо иметь в виду, что при подъеме уровня выше бровок главного русла и выходе воды на пойму (рис. 15.2) гидравлические условия протекания потока существенно изменяются. Образуются как бы два потока при односторонней пойме или три при двусто-

Гпавное русло Пойма

\ —

Рис. 15.2. Схема пойменного створа.

ронней пойме. Эти потоки не изолированы друг от друга, а взаимо­

токов возникают значительные градиенты скоростей в поперечном направлении, результатом чего является образование вихрей в по­ верхностях раздела. Описанные явления исследованы эксперимен­

Взаимодействие руслового и пойменных потоков приводит к не­ которому уменьшению средней скорости в главном русле и увели­ чению скоростей в пойменных отсеках, особенно вблизи главного

215-

русла. Таким образом, пропускная способность главного русла со­ ответственно уменьшается. Следует отметить, что при непараллель­ ности осей главного русла и поймы степень взаимодействия увели­ чивается и пропускная способность русла еще более уменьшается.

На пойменных участках шероховатость больше, чем в русле.

а допускается, что на поверхностях раздела шероховатость и со­ противление отсутствуют. Такое допущение вносит погрешность в результат расчета, величину которой трудно определить, но прак­

параллельности и прямолинейности главного русла и поймы эф­ фект взаимодействия пренебрежимо мал (53, стр. 94).

Для вычисления расхода воды поперечное сечение створа разде­ ляют на отсеки (см. рис. 15.2). Линии раздела проводят верти­ кально от бровок меженного русла. Если в пределах поймы име­ ются участки с различной шероховатостью, например на одном участке заросли кустарников или деревьев, а на другом ровная по­ верхность луга или пашни, то их выделяют в отдельные отсеки и расходы для них вычисляют раздельно. Для каждого выделенного участка поймы и русла определяют величину коэффициента шеро­ ховатости по таблице М. Ф. Срибного (приложение 2); для пойм больших рек рекомендуется пользоваться данными Л. А. Василь­ евой [16], полученными по результатам натурных наблюдений (приложение 3). Значения коэффициента Шези для каждого от­ сека определяют по формуле Павловского, как это было указано выше. Величину площади живого сечения для каждого отсека опре­ деляют по поперечному профилю створа, который должен быть пред­ варительно составлен по данным нивелирования и промеров. Расход воды в каждом выделенном отсеке вычисляют по формуле (15.3). Общий расход воды получают суммированием расходов через все выделенные отсеки. Уклон водной поверхности принимают общим для всего живого сечения. Определяют уклон так же, как было опи­ сано ранее.

Глава 16

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДОВ ВОДЫ С ПОМОЩЬЮ МЕРНЫХ УСТРОЙСТВ

16.1. Определение расходов воды с помощью гидрометрических лотков

Гидрометрические лотки применяются для измерения расходов воды на небольших водотоках, периодически действующих логах и т. п. Широко используются гидрометрические лотки для учета ко­ личества воды на оросительных каналах.

216