Гидрометрия - Томский Государственный Архитектурно

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Томский государственный архитектурно-строительный университет»
ГИДРОМЕТРИЯ
Учебное пособие
к самостоятельной работе по гидрологии по направлению
подготовки бакалавров – 270800 «Строительство»
Составитель Г.Д. Слабожанин
Томск 2014
Слабожанин Г.Д. Гидрометрия. Учебное пособие по гидрологии /Слабожанин Г.Д.: Томск: Изд-во Томск. Гос. архит.-строит.
ун-та, 2014. – 58 с.
Рецензент к.т.н. В.И. Мельков
Редактор Т.С. Володина
Учебное пособие предназначено для изучения дисциплины «Гидрология» по направлению подготовки бакалавров – 270800 «Строительство» по профилям подготовки «Автомобильные дороги» и «Автодорожные мосты и тоннели».
Кратко изложены основные сведения из гидрометрии: организация гидрометрических работ на реке; методы и приборы для измерения глубин, уровней, скоростей, расходов; обработка результатов наблюдений и их анализ.
2
1. ВВЕДЕНИЕ В ГИДРОМЕТРИЮ
1.1. Предмет гидрометрии
Гидрометрия - это наука о методах и средствах измерения
параметров водотоков и водоёмов.
В задачи гидрометрии входят измерения: 1) геометрических
параметров потока (уровней, глубин и направлений течения); 2) кинематических параметров (скоростей течения); 3) расходов воды и
наносов; 4) параметров ледового и термического режимов потоков.
Эти данные необходимы для рационального проектирования,
строительства и эксплуатации мелиоративных систем, гидротехнических сооружений и ГЭС, мостов, автомобильных и железных дорог. Систематические наблюдения за водными объектами (реками,
ручьями, озёрами, болотами, ледниками, водохранилищами) проводятся опорной сетью постоянно действующих метеорологических
станций и гидрологических (водомерных) постов, находящихся в
ведении Государственного комитета по гидрометеорологии. Кроме
того, имеются станции и посты, организуемые разными ведомственными учреждениями (научными, проектными и др.), например, у
мостов, на шлюзах и перекатах.
Предварительные характеристики водотоков для проектирования могут быть взяты в гидрометеостанциях, расположенных
вблизи проектируемого сооружения. Расширенный объём данных
получают только путём непосредственных натурных измерений в
ходе проведения гидрометрических работ на месте проектируемого
сооружения. Наиболее полно эта работа ведётся для строительства
мостовых переходов.
1.2.Общие сведения о реке
Река - водный поток (водоток) в разработанном им русле в
углублениях земной поверхности. Она имеет исток – начало и
устье – место впадения реки в море, озеро, водохранилище, другую
реку. Река 1, которая впадает в море 3, называется главной.Реки, непосредственно впадающие в главную реку, являются притоками I
порядка (рис. 1.1). В них впадают притоки II порядка и т. д.
3
Главная река и все её притоки образуют речную систему, а
территория, с которой поверхностные и подземные воды стекают в
речную систему, именуется водосбором или бассейном реки. Граница между бассейнами проходит по наиболее возвышенным участкам местности и называется водоразделом 2. В зависимости от
площади бассейна реки делятся на большие (более 50 тыс. км2),
средние (2 – 50 тыс. км2) и малые (менее 2 тыс. км2).
Река протекает по пониженной части бассейна – долине, выработанной в ходе многовековой деятельности самой рекой. Долина
имеет склоны 1 и дно 2 (рис. 1.2) и обычно заполнена слоем продуктов разрушения земной коры (ил, песок, гравий, валуны). Они
перемещаются потоком и называются аллювием или наносами 3.
Слой наносов прорезан руслом 4, в котором сосредоточен речной
поток в маловодные периоды (в межень). Поймой 5 называется
часть долины, затапливаемая только в многоводные периоды (во
время паводков и половодий). Поймы обычно имеют плоскую поверхность и покрыты травяной и кустарниковой растительностью.
В течение тысячелетий русла рек размываются текущей водой
и поэтому меняют свою форму как в поперечном сечении, так и в
плане (блуждают в пределах долины).
В плане речное русло имеет прямолинейные участки и изгибы, называемые излучинами (меандрами). На крутых излучинах поверхностные струи воды ударяются в вогнутый берег, отражаются
от него и направляются вниз, а затем около дна к противоположному выпуклому берегу, вызывая поперечную циркуляцию 1 в водотоке (рис. 1.3). Винтовой характер течения вызывает следующие
процессы: размыв вогнутого берега и дна русла и, как следствие,
формирование крутых берегов и глубоких участков около них, называемых плесами 2; перенос продуктов размыва (наносов) к противоположному берегу и скопление их в виде гряд, называемых побочнями 3. При спаде уровня скопление донных наносов на выпуклом берегу речной излучины обнажается и в этом случае называется
пляжем или косой.
На участках перехода реки из излучины одного в излучину
другого направления образуется перекат 4 – форма донного рельефа в виде гряды насосов, пересекающей русло. Линия наибольших
глубин вдоль реки называется фарватером 5.
4
Рис. 1.1. Речная система:
1– главная река;
2 – водораздел; 3 – море,
озеро, океан;
I, II, III – притоки главной
реки соответственно первого, второго и третьего порядков
УВВ
УМВ
Рис. 1.2. Долина реки:
1, 2 – склон и дно долины;
3 – наносы; 4 – русло; 5 –
пойма
Рис. 1.3. Русло реки в плане: 1–поперечная циркуляция; 2 – плес; 3 – побочень;
4 - гребень переката; 5 фарватер
Рис.1.4 Продольный
профиль по фарватеру:
1– плес; 2 – гребень переката
5
Продольный профиль (разрез) по фарватеру (рис. 1.4) характеризует изменение отметок дна и свободной поверхности по длине
реки. Разность высотных отметок Н воды в двух точках, расположенных на некотором расстоянии L вдоль реки, называется падением реки. Продольный уклон свободной поверхности представляет
собой падение, приходящееся на единицу длины потока i = Н/L .
Наблюдение и измерение характеристик речного потока проводят в специально выбранных вертикальных плоскостях, называемых створами. След такой плоскости на плане называют линией
створа. Створ чаще располагают перпендикулярно основному течению (нормальный створ или поперечник), а иногда под углом к
нему (косой створ) или вдоль реки (продольник).
Уровень воды Н, см - высота поверхности воды, отсчитываемая от некоторой плоскости сравнения.
Урез воды – граница воды у берега водоема. Ширина реки
В, м – расстояние между урезами воды у противоположных берегов.
Глубина h, см – расстояние по вертикали от поверхности воды
до дна.
Расход Q, м3/с – объем воды, протекающей через живое сечение потока в единицу времени (обычно в секунду).
Сток W, м3 – количество воды, стекающей с данного участка
суши (водосбора) за продолжительное время (сутки, месяц, год).
Речной сток имеет четыре источника питания: дождевое, снеговое,
ледниковое и подземное. Питание рек подземными водами происходит постоянно. Дождевое питание имеет периодический характер
и может вызвать значительные колебания уровня воды. Существенную долю в питании большинства рек России дает снежный покров,
накапливающийся на площадях их бассейнов.
Гидрологический режим рек включает водный, термический,
ледовый и русловой режимы. Водный режим характеризуется изменением во времени уровней, расходов и объемов воды в реках и
почвогрунтах. Основными фазами (периодами) водного режима
равнинных рек России является весеннее половодье, дождевые паводки, летняя и зимняя межени.
Половодье – фаза водного режима реки, которая характеризуется наибольшей в году водностью, высоким и длительным подъемом уровня с выходом воды из русла на пойму. Ежегодно повторяется в одно и то же время.
6
Паводок - сравнительно кратковременный подъем уровня воды, возникающий нерегулярно.
Межень – период года, в течение которого наблюдается низкая водность.
В зимнем периоде рек наблюдаются три фазы: замерзание, ледостав и ледоход. Замерзание заканчивается образованием ледяного
покрова, а ледостав завершается вскрытием реки.
Замерзание реки начинается с образования неподвижных полосок льда (заберегов) у берегов. Затем вода в реке охлаждается по
всей глубине потока до 0оС и вокруг взвешенных наносов и в придонном слое потока образуются кристаллы льда. Они всплывают на
поверхность, образуя шугу. При дальнейшем понижении температуры всплывшие массы льда смерзаются и образуют осенний ледоход. Затем количество и размеры льдин увеличиваются. В условиях
низких температур льдины смерзаются и образуют сплошной ледяной покров, т.е. наступает период ледостава.
Весной при таянии снега и поступлении воды в реку поверх
льда возникают вспучивания, подвижки, разрушение и движение
льда, т.е. весенний ледоход.
1.3. Организация гидрометрических работ
Гидрометрические изыскания проводят в три этапа (периода):
подготовительный, полевой и камеральный.
Подготовительный период характеризуется сбором исходных
данных по району будущего строительства: сведений о бассейне реки, ее системе и бытовом режиме из карт и материалов гидрологических и метеорологических станций, водомерных постов и др.;
данных об условиях эксплуатации существующих, строящихся и
проектируемых поблизости мостов и различных гидротехнических
сооружений. На основе предварительного изучения исходных данных составляется план проведения гидрометрических работ.
Полевой период включает изыскательские работы по выбору
исследуемого участка реки, разбивку гидрометрических створов и
водомерных постов и следующие гидрометрические работы: определение уровня воды; подводную съемку русла и староречий; определение скоростей течения воды; съемку продольного профиля и
7
уклона реки; наблюдения за направлением течения воды, траекториями движения льдин, судов, плотов.
Участок для наблюдений целесообразно выбирать в месте
створа проектируемого мостового перехода. Обработка результатов
наблюдений базируется на уравнениях в формах для равномерного
и плавноизменяющегося движения, поэтому участок должен быть
прямолинейным без косоструйности и водоворотов с относительно
постоянными формой и размерами поперечного сечения, шероховатостью и продольным уклоном. Кроме того, для упрощения измерений и экономии времени мерные сечения назначают в местах с минимальной шириной русла и пойм.
Гидрометрические работы могут проводиться во время паводка и в период между паводками. Первый случай дает более ценные данные и применяется на крупных реках со сложными условиями (при наличии протоков, неустойчивого русла и т.п.). Во втором случае работы более экономичны, в частности и потому, что
обычно проводятся одновременно с другими полевыми инженерными изысканиями, но их результаты менее точны.
Камеральный период служит для обработки материалов изысканий, составления и выпуска отчетных документов.
1.4. Правила техники безопасности в полевой период
Перед выездом в поле инженерно-технический персонал сдает экзамен по технике безопасности, а рабочих изыскательских партий знакомят с нижеприведенными правилами под расписку.
Организация лагеря. Лагерь запрещается разбивать у подножия крутых и обрывистых склонов, на дне ущелий и сухих русел, на
низких затопляемых и легко размываемых берегах, речных косах, в
зонах возможного падения деревьев. Запрещается перемещение лагеря на новое место без заблаговременного уведомления отсутствующих, самовольная отлучка работников, пребывание в лагере посторонних лиц.
Санитарная безопасность. Территория лагеря должна содержаться в чистоте. Мусорные ямы располагаются не ближе 30 м от
жилых и производственных помещений. Предусматриваются укры-
8
тия от дождя и жары. Палатки окапываются канавой для стока воды. Группы работников обеспечиваются медицинскими аптечками.
Пожарная безопасность. Запрещается хранить легко воспламеняющиеся вещества в жилых палатках, курить и пользоваться открытым огнём в огнеопасных местах, хранить легковоспламеняющиеся жидкости в открытых сосудах, оставлять без присмотра работающие двигатели внутреннего сгорания, разводить костры ближе 10 м от палаток и ближе 100 м от мест хранения горючих материалов.
Движение по маршруту. Запрещаются одиночные маршруты,
передвижение в ночное время и при потере ориентировки. Обязательны сигнальная (звуковая, световая и др.) связь, отметки по ходу
маршрута (затёсы, вешки). Завалы следует обходить, при появлении
признаков лесных пожаров группа должна выйти к реке или оврагу.
Работа в речных долинах и на болотах. Запрещается хождение вблизи кромки обрыва, и работа на узких пляжах, примыкающих к высоким крутым берегам. Следует остерегаться топкого дна
и засасывающих илов. Передвигаться по болотам нужно по проторенным дорогам или с использованием шестов, верёвки с интервалами между людьми не менее 2-3 м. При переходе через топи выполняются настилы.
Работы на воде отличаются повышенной опасностью и требуют соблюдения особых правил безопасности:
не умеющих плавать и грести к работам на воде не допускают; технический персонал должен уметь делать искусственное дыхание; к управлению плавсредствами допускают только лиц,
имеющих соответствующие права;
плавсредства должны иметь спасательные средства по комплекту на каждого работника; нельзя применять лодки с превышением бортов над поверхностью воды меньше 20 см;
якорь крепят на канате, который при необходимости может
быть легко обрублен, его длина должна быть не менее двухкратной
глубины реки;
запрещается зачаливаться за мосты, движущиеся суда, плоты
или обстановочные знаки на воде, подходить к близко идущим судам и пересекать их курс, пересаживаться на плаву с лодки на лодку, садиться на борта;
9
до натягивания троса через судоходную или сплавную реку
должно быть получено соответствующее письменное разрешение
судоходной или лесосплавной организации; при эксплуатации троса
устанавливаются береговые и плавучие сигналы, а также приспособления для быстрого затопления троса при подходе судов и плотов; при скорости течения более 2,5 м/с запрещается выполнять работы с лодок и понтонов, направляемых по натянутому через реку
тросу;
работы приостанавливаются при ветре свыше 8 м/с и волнах
более 3 баллов, а также во время тумана, ледохода, шуги. и молевого сплава.
В случае аварии все участники работ должны выполнять следующее:
не плыть от опрокинувшегося плавсредства к берегу, а держаться за плавсредство и вместе с ним подплывать к берегу;
освободиться от всех лишних предметов и одежды, какие
можно сбросить с себя;
если с берега организуется действенная помощь, то не торопиться доплыть до берега, а беречь силы, стараясь поддерживаться
на плаву;
при подошедшей на помощь лодке влезать в неё с носа или
кормы, а не с борта, чтобы её не опрокинуть;
Работы с использованием инженерных сооружений. Необходимо предотвращать скопление людей и проезд транспорта на гидрометрических мостиках. При использовании люлечной переправы
всё оборудование подвесных люлек должно пройти испытание при
двойной-тройной перегрузке. Наблюдатель в люльке снабжается
монтажным поясом для крепления карабином к тросу.
Работа на льду допускается при его толщине не менее 10 см.
Следует помнить, что прочность ледяного покрова падает от берегов к середине реки. При слабом ледяном покрове каждая рабочая
группа должна иметь верёвку, а идущий впереди - длинный деревянный шест. Промоины и проталины под глубоким рыхлым снегом, лунки и проруби ограждаются вешками или ельником; вблизи
населённых пунктов, дорог и троп лунки должны быть менее 20 см.
При проваливании под лёд, если в руках нет доски, рейки,
жерди и т.п., широко раскинуть руки, чтобы не уйти под лёд; выле-
10
зать на лёд нужно упираясь в противоположный край льда; выбравшись на лёд, не вставая на ноги, ползти к берегу.
Топографо - геодезические работы. Нужно избегать установки приборов на скальных выступах и краю обрывов. Запрещается
смотреть на солнце через оптические приборы и работать с зонтом
при сильном ветре.
2. ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЕЙ
2.1.Сведения об уровнях воды
Уровни воды в реке и водоёмах постоянно изменяются с различной периодичностью. Многолетние колебания уровней связаны
с периодическими изменениями климата. Длительные (например,
вековые) похолодания или потепления вызывают уменьшение или
увеличение таяния снегов и ледников на повышенных участках
земной поверхности и соответствующие изменения количества воды и её уровня в реках, озёрах, морях. Другой причиной многолетних колебаний являются геологические процессы (поднятие или
опускание дна водоёма), или размыв русла рек, снижающий уровень воды в реке. Годовые колебания уровня вызываются метеорологическими условиями данного года (количеством выпавших
осадков, температурой, влажностью воздуха, ветром). Так, в годы с
обильными осадками уровни стоят выше, чем в засушливые годы.
Сезонные колебания уровня воды зависят от географического положения района и распределения осадков внутри года. Это обстоятельство вызывает подъём уровня на одних реках весной, на других
- осенью. На сезонные колебания уровней оказывают влияние гидротехнические сооружения. Суточные колебания наиболее выражены на небольших реках в периоды дождей или на реках, питающихся водой при таянии ледников в горах, вследствие суточного
изменения солнечной радиации и температуры воздуха. Значительные суточные колебания наблюдаются в нижних бьефах гидроэлектростанций, работающих по суточному графику нагрузки.
11
Наблюдения за уровнями воды в реках имеют большое народнохозяйственное значение. Их результаты используются для рационального и надёжного проектирования и строительства мостов,
плотин, гидроэлектростанций, пристаней, водозаборов, ирригационных (оросительных) каналов, дорог и населённых пунктов. Так,
построенный без достаточно полного учёта гидрологических условий мост может оказаться препятствием для судоходства на реке в
период высоких уровней вод или будет затопляться. Самотечные
водозаборы без достаточной изученности режима колебаний уровня
реки могут в маловодные меженные периоды оказаться без воды.
Населённые пункты и береговые сооружения, находящиеся вблизи
реки, в многоводные периоды или в периоды ледохода могут подвергаться разрушительному действию наводнений и льда.
Наблюдения за уровнями имеют важное значение и для самой гидрометрии: они позволяют по связи расходов с уровнями воды получить представление о значениях расходов воды за прошлые
периоды времени, а также вычислить сток.
Характерными уровнями воды в реках являются: ВИУ - высокий исторический уровень, т.е. самый высокий уровень воды, когда
либо наблюдавшийся на данной реке и устанавливаемый по опросам старожилов или по визуальным следам на капитальных сооружениях; УСВВ - уровень самых высоких вод за весь период наблюдения; УВВ - уровень высоких вод, определяемый как средний из
всех высоких; РУВВ - расчётный уровень высоких вод, который соответствует расчётному расходу воды и принят основным при проектировании сооружений; РСУ - расчётный судоходный уровень,
являющийся наивысшим уровнем воды в судоходный период и
имеющий большое значение при определении высотного положения элементов моста; УМВ - уровень меженных вод, т.е. уровень в
период между паводками; УСНВ - уровень самых низких вод за
весь период на наблюдения.
2.2. Водомерные посты
Для измерения и регистрации уровня воды в реке служат водомерные (уровнемерные) посты, которые чаще входят в состав
12
гидрологических постов – пунктов на водном объекте для систематических гидрологических наблюдений.
По назначению водпосты бывают опорно-наблюдательные
для общего изучения режима рек; оперативные для гидрометеорологического прогнозирования; специальные для обслуживания различных проектных и эксплуатационных организаций. Специальные
посты дают информацию для проектирования новых и правильной
эксплуатации старых искусственных сооружений, портов, причалов, для обеспечения нормальных условий судоходства и лесосплава, для контроля состояния осушительных и оросительных каналов.
При изысканиях мостового перехода устанавливают не менее трёх
специальных водомерных постов. Один из них совмещают с главным гидроствором, а два других размещают вверх и вниз по течению на расстоянии от главного гидроствора в пределах 0,1 – 5,0 км
в зависимости от уклона реки.
По устройству различают следующие типы водпостов:
1 – простые, на которых уровень воды отсчитывается непосредственно по рейке, смачиваемой водой; к ним относятся реечные, свайные и реечно-свайные посты;
2 – передаточные, где уровень фиксируется на некотором
расстоянии от свободной поверхности, т.е. положение уровня передаётся регистрирующей части прибора при помощи датчика;
3 – автоматические, оборудованные самопишущими приборами для непрерывной записи колебаний уровня.
Водпосты состоят из приспособления для непосредственного
измерения уровней (чаще всего реек или свай) и двух постоянных
высотных знаков (реперов) – основного и контрольного, установленных вне зоны затопления высокими водами. Основной репер
нужен для поверок контрольного и привязывается к ближайшему
высотному реперу государственной нивелирной сети. Контрольный
репер служит для систематических поверок высотного положения
измерительных устройств и располагается непосредственно у поста,
например, в створе свайного поста. Закладывается репер на глубину
не менее, чем на 0,5 м ниже границы промерзания грунта.
Уровни на водпосту отсчитываются от условной горизонтальной плоскости, которая называется нулем водпоста и назначается ниже наинизшего уровня воды с тем, чтобы исключить отрицательные отчёты.
13
Водпосты располагают на прямолинейных участках реки с
мало деформируемым руслом без островов и зарослей водной растительности, вне подпора плотины (или реки, если пост находится
на притоке), в непосредственной близости от населенных пунктов и
дорог, что обеспечивает доступность для наблюдений в любое время года.
Реечный водпост состоит из одной или нескольких неподвижно закреплённых водомерных (уровнемерных) реек. Он наиболее прост по устройству, экономичен и удобен в эксплуатации.
Применяется на реках и водоёмах с небольшой амплитудой колебаний уровня воды (до 2 – 3 м). Стандартные деревянные металлические рейки длиной 2 м имеют двухсантиметровые деления и дециметровые цифровые обозначения (рис. 2.1, б). Рейки устанавливаются чаще в вертикальном положении и прикрепляются к обрывистым скальным берегам, устоям мостов, сваям, стенкам набережной, шлюза, плотины. Для защиты от ударов плывущих льдин и т.
п. рейки размещаются в специальных пазах, ограждаются отбойными брусьями, сваями и ледорезами, располагаются с низовой стороны мостовых опор, а также в специальном ковше-котловане, который сообщается с рекой и дополнительно служит успокоителем
волн (рис. 2.2).
Рис.2.1. Типы водомерных реек:
а – переносная; б – стационарная;
в – максимального уровня
14
Рис 2.2. Размещение рейки в ковшекотловане
Периодичность наблюдений на постах часто не позволяет зафиксировать наибольший уровень. Это можно сделать рейкой максимального уровня (рис. 2.1, в), которая имеет зубчатые кромки и
снабжена поплавком с плоскими пружинами, предотвращающими
опускание поплавка при падении уровня. Эта же рейка будет фиксировать минимальный уровень, если поплавок перевернуть. Другая
конструкция рейки максимального уровня представляет собой
стержень с сантиметровыми делениями, покрытый разведённым в
воде мелом и вставленный в вертикальную трубу. Максимальный
уровень указывает граница смытого мела.
Свайный водомерный пост состоит из одного ряда свай, расположенных в створе, перпендикулярном течению реки (рис. 2.3).
Головка (торец) верхней сваи должна быть на 0,5 м выше максимально возможного, а головка нижней сваи - на 0,5 м ниже минимально возможного уровня воды в реке. Разность отметок головок
соседних свай не превышает 0,8 м, что ограничено метровой длиной
стандартной переносной водомерной рейки (рис. 2.1, а).
Рис. 2.3. Свайный водпост:
1 – репер; 2 – свая; 3 – переносная
водомерная рейка
Рис. 2.4. Смешанный водпост:
1 – стационарная водомерная рейка; 2 – свая; 3 – граница промерзания
В настоящее время наибольшее распространение получили
винтовые сваи, которые завинчиваются в грунт специальным ключом. Могут применяться сваи из труб и другого стального проката,
а также железобетонные и деревянные сваи. Сваи забиваются (за-
15
винчиваются) ниже границы промерзания грунта для исключения
изменения их отметок за счёт морозного пучения грунта. Головки
свай не должны выступать над поверхностью земли более 0,25 м.
Все сваи нумеруют, начиная с верхней, и нивелируют от контрольного репера 1 для получения отметок их головок и приводок к
нулю водпоста, т.е. превышений hпр головок свай над нулём водпоста (см. рис. 2.3).
Уровень воды определяется так: метровую переносную водомерную рейку с сантиметровыми делениями (см. рис. 2.1, а) устанавливают на торец ближайшей к берегу затопленной сваи 2 и делают отсчет h . По таблице нивелировки находят приводку этой
сваи hпр и вычисляют уровень Н (высоту уровня воды над нулем
графика) суммированием отсчета уровня по рейке и приводки сваи
Н = h + hпр .
Реечно-свайный (смешанный) пост является комбинацией реечного и свайного постов. Применяется при резких переломах
склонов берега. Причем на крутой части склона устанавливается
стационарная рейка, а на пологой – уровнемерные сваи. Использование таких постов целесообразно и при наличии сооружений, например, мостов, плотин, шлюзов (рис. 2.4).
Передаточный водпост устраивается при крутых и высоких
берегах или при наличии искусственных сооружений, когда подход
к воде затруднён. Высота уровня определяется путём измерения
рейкой или тросом вертикального расстояния от уровня воды до какой - либо постоянной точки, расположенной выше водной поверхности.
На рис. 2.5 представлен передаточный пост со стрелой 1 и
тросом 6, перекинутым через блок 5. На конце троса подвешен груз
7 массой 2-5 кг, другой его конец наматывается на лебёдку 3. Водомерную рейку 2 укладывают на стреле 1 нулевым делением в сторону реки так, чтобы отсчёт по ней напротив указателя 4 закрепленного на тросе, соответствовал высоте уровня над нулём графика.
При измерении уровня груз 7 лебёдкой 3 опускается до соприкосновения с водой и на рейке считывается высота уровня с точностью
2-3 см.
По принципу передаточного водомерного поста работает
стрелочный указатель уровня У-52. Он состоит из поплавка с противовесом, заключенных в металлическую трубу, и связанного с
16
ними тросом редуктора с циферблатом и стрелками. Указатель позволяет определить уровень воды в момент наблюдения и предельные (наивысший и наинизший) уровни между сроками наблюдений
с точностью до 1 см.
Рис. 2.5. Передаточный пост:
1 - стрела; 2 - рейка; 3 - лебёдка;
4 - указатель; 5 - блок; 6 - трос;
7 - груз
Рис. 2.6. Автоматический пост:
1 - барабан; 2 - перо; 3 - шкив;
4 - трос; 5 - поплавок;
6 - противовес
Автоматические посты (самописцы уровня) непрерывно
фиксируют и записывают значение уровня без участия наблюдателя. Они состоят из датчика поплавкового или манометрического
типа и регистрирующего прибора (самописца).
Упрощенная схема наиболее распространенного самописца
уровня «Валдай» приведена на рис. 2.6. Барабан 1 с укрепленной на
нем бумагой связан со шкивом 3, через который перекинут трос 4.
На одном конце троса закреплен поплавок 5, а на другом - противовес 6. При колебаниях уровня воды поплавок поднимается или
опускается и вращает барабан, а перо 2 равномерно передвигается
вдоль барабана часовым механизмом и вырисовывает на бумаге
график изменения уровня во времени. Для гашения волнения и исключения обмерзания поплавка самописцы устанавливают в будке с
колодцем, сообщающимся с рекой горизонтальной трубой.
Дистанционные посты автоматически регистрируют и передают показания измерений высоты уровня. Они содержат датчик
уровня (поплавковый, манометрический, радиоактивный), передающее устройство (радио- или электропроводную связь с источником питания) и регистрирующий прибор (самописец или шкальный
указатель).
17
2.3. Наблюдения на водпосту и обработка данных
Наблюдения на водпостах проводятся ежедневно в 8 и 20 ч по
местному времени, а в период половодий чаще, иногда при большой скорости подъема и спада - ежечасно. Если на реке волнение,
то отсчеты по рейке берутся дважды - при набеге и отходе волны и
определяется их среднее значение. Если уровень падает на середину
деления, то его значение округляют до четного числа. Точность отсчетов при измерении уровней составляет 1 см.
Кроме уровней на водпосту измеряют температуру воды и
воздуха, отмечают направление ветра, волнение на реке, изменение
русла, появление водной растительности, начало и конец навигации, наблюдают за ледовыми явлениями: осенью - за появлением
сала (отдельные скопления смерзшихся ледяных игл в воде), шуги
(рыхлые скопления льда и снега), зажоров (скопление шуги подо
льдом) и весною - за появлением закраин (полосы открытой воды
вдоль берегов), подвижки льда, ледохода, заторов (задержки льда
при ледоходе). Измерение толщины льда, снега на льду и подледной шуги проводятся 10, 20го числа и в последний день месяца.
Данные наблюдений сводятся в таблицу 2.1.
Таблица 2.1
Обработка данных наблюдений заключается в приведении
самим наблюдателем измеренных уровней к нулю водпоста и в вычислении средних суточных уровней Н = (Н8 + Н20)/2 , по которым
18
затем на гидрологической станции составляется график колебаний
уровней Н = Н(t) за год (рис. 2.7).
Рис. 2.7. График колебаний
уровней воды: 1– весеннее половодье; 2– дождевой паводок; 3, 4
– летняя и зимняя межени; 5период ледостава; 6- ледоход
Месяцы
2.4. Уклонные посты
Уклонные посты служат для регистрации перепадов и продольных уклонов водной поверхности на исследуемом участке.
Значения уклона используются при переносе на створ проектируемого сооружения (мостового перехода) расчётных уровней реки с
ближайшего постоянного водпоста, экстраполяции кривой Q=Q(H),
определения коэффициента шероховатости русла и пойм, расходов
редкой повторяемости. Особенно он важен при неустановившемся
движении, когда расход определяется не только уровнем, но и уклоном, т.е. при Q=Q(H, i). Однозначная связь между расходом и
уровнем нарушается также при наличии на реке явлений переменного подпора перед искусственным сооружением, при половодье,
заторах и зарастании русла.
Систематически действующие уклонные посты представляют
собой обычные водпосты (чаще реечные), расположенные на концах исследуемого участка. Расстояние L между постами может измеряться вдоль линии берега и принимается от 0.1 до 8 км в зависимости от величины самого уклона водной поверхности и допускаемой погрешности его измерения. Для получения погрешности
менее 10 % нужно принять расстояние, обеспечивающее падение
водной поверхности на исследуемом участке более 20 см. Отметки
нуля графика уклонных постов и основного водпоста следует назначать одинаковыми.
19
Для определения уклона одновременно по часам или по звуковому сигналу регистрируют уровни в верхнем HB и нижнем HH
створах (рис. 2.8), вычисляют падение водной поверхности
Н=HB-HН, а затем и её уклон i = H/L. При расстоянии между уклонными постами до 2 км уровни может измерять один наблюдатель. Если переход между постами занимает более 10 минут, то измерения по первому посту повторяют; в расчёт принимают среднее
значение из двух наблюдений.
Рис. 2.8. Схема к определению уклона
поверхности воды:
НВ ,НН – высота уровня на верхнем и
нижнем уклонных постах; L – расстояние
между ними; Н, i – падение уровня и
уклон
Для эпизодических измерений уклона можно ограничиться
установкой реперов на концах участка и от них нивелировать уровни на урезах. При большом уклоне реки, когда длина участка не
превышает 200 м, падение определяют нивелировкой урезов воды,
устанавливая нивелир посредине между урезными кольями, а геодезическую рейку - на их торцы.
В экспедиционных условиях уклоны водной поверхности определяют нивелированием по урезным кольям. Для получения
среднего значения уклона желательно, чтобы исследуемый участок
включал по три переката и плеса. Урезные колья забивают в воде
около берега в заливчиках или специальных канавках, соединенных
с рекой, чтобы избежать волнения. Над поверхностью воды колья
должны выступать на 2-5 см. Их добивают до поверхности воды
синхронно. Это требование объясняется тем, что движение в реке
неустановившееся (пульсирующее), т.е. изменение расходов и
уровней носит волновой характер. Длина волн значительно превышает длину участка измерений L, поэтому мгновенная фиксация
свободной поверхности воды исключает замеры в противоположных фазах (вершина и впадина) волны расходов и уровней и, следовательно, грубые ошибки.
20
2.5. Связь уровней водпостов
Если два водпоста находятся на схожих участках реки и между ними нет значительных притоков, то можно построить график
связи уровней таких постов. Для этого сначала по данным синхронных (одновременных) наблюдений на постах строят совмещенные
графики колебаний верхнего НВ и нижнего НН постов (рис. 2.9), которые в значительной степени оказываются подобными, но несколько смещенными по времени. Затем на обеих кривых выделяют
соответственные точки (1 и 1/, 2 и 2/ и т.д.) и по ним выписывают
соответственные уровни ( НВ1 и НН1, НВ2 и НН2 и т.д.), т.е. пары
уровней с одинаковыми фазами их колебаний (пики, впадины, изломы). Далее строят график связи соответственных уровней
(рис. 2.10), откладывая по оси абсцисс уровни нижнего водпоста
НН, а соответствующие им уровни верхнего водпоста НВ – по оси
ординат.
Рис. 2.9
Рис. 2.10
Связь уровней водпостов позволяет восстановить многолетние колебания и вычислить характерные значения уровня одного
поста (например, временно развернутого в створе проектируемого
сооружения) по данным другого ближайшего на этой реке постоянного водпоста. Для примера на рис. 2.10 показан ход определения
вероятного значения уровня самых высоких (УСВВ) в створе верхнего поста (в створе будущего строительства) по значению УСВВ,
зарегистрированному за весь многолетний период наблюдений в
створе нижнего водпоста.
21
3. ИЗМЕРЕНИЕ ГЛУБИН
3.1. Общие сведения о глубинах
Глубина – это расстояние от поверхности воды до дна по вертикали. Теоретически, для точного вычисления площади живого сечения глубина должна измеряться в его плоскости, т.е. по нормали
к свободной поверхности. Однако, уклон водной поверхности рек,
обычно менее 10° и, следовательно, разница между указанными
глубинами не превышает 1.5 %, т.е. лежит в пределах точности измерения глубин. Поэтому для упрощения производства работ глубины измеряют по вертикали.
Значения глубин используются для определения геометрических характеристик живых сечений, построения продольных и поперечных профилей, планов рек в изобатах (линиях равных глубин)
и т.д. Глубины необходимы не только для решений этих задач гидрометрического характера, но и для проектирования самих конструкций мостовых переходов и других гидротехнических сооружений.
3.2. Приборы для измерения глубин
Приборы для измерения глубин подразделяются на две группы: 1) для измерения глубин в отдельных точках (переносная рейка,
гидрометрическая штанга, наметка, лот) и 2) для непрерывной
съемки профиля дна (профилографы).
Переносные водомерные рейки (см. рис. 2.1, а) применяют для
измерения малых глубин (до 1м).
Гидрометрическая штанга состоит из двух разъемных стальных труб диаметром 28 мм с дециметровыми делениями и длиной
1.5 м каждая. Низ штанги имеет диск и заостренный конец для упора в дно. Штангой измеряют глубины до 3м с точностью отсчета до
5 см.
Наметка представляет собой шест диаметром около 5 см и
длиной 5-7м с дециметровыми делениями (рис. 3.1, а). На нижний
конец наметки надевается стальной башмак, помогающий погружать наметку в воду, или диск диаметром 15-30см при илистом дне.
22
Во время волнения берут два отсчета: по гребню и впадине волны.
В расчете принимают средний из них. Точность измерения - 5см.
Речной лот применяют для измерения глубин больше 5м. Он
представляет собой груз продолговатой формы массой до 10кг,
привязанный за ушко к шнуру (лотлиню) с дециметровой разметкой
марками из лоскутов цветной ткани или кожи (рис. 3.1, б). При
промерах лот непосредственно с рук забрасывают против течения с
упреждением по ходу судна так, чтобы в момент отсчета глубины
он находился в вертикальном положении. Погрешность измерения
глубин – 10см.
Механический лот состоит из груза 1 обтекаемой (рыбовидной) формы массой 5-100кг со стабилизатором направления, лебедки 2 с ручным или ножным тормозом, троса 3 для опускания груза
(лота), счетчика глубин (рис. 3.1, в). Чтобы опустить лот, стравливают канат под тяжестью груза, сдерживая вращение барабана тормозом. Когда груз коснется воды, барабан стопорится (останавливается) и счетчик устанавливается на нуль. Затем лот опускается до
дна и по счетчику записывается глубина воды. Точность отсчета составляет 5-10см. При больших скоростях течения длина вытравленной подводной части троса l за счет относа становится больше глубины h (см. рис. 3.1, в) и поэтому из показаний счетчика следует
вычесть поправки на отклонение троса от вертикали и на его изгиб
[1, c. 103-104].
Рис. 3.1. Приборы для измерения глубин:
а – наметка; б – ручной лот; в – механический лот
23
Профилографы позволяют непрерывно автоматически регистрировать глубины при большой скорости перемещения (до 17
км/ч) с передачей отсчетов на стрелочный указатель или самописец.
По принципу действия их делят на механические, гидростатические
и акустические. Механические профилографы измеряют глубину с
помощью промерного груза на тросе или штанги, упирающейся
нижним концом в дно (регистрируют ее наклон, который определяется глубиной). Гидростатические профилографы снабжены датчиком давления, перемещаемым на тросе по дну. Их действие основано на зависимости гидростатического давления на дне от глубины. В качестве датчика обычно используются сильфоны (цилиндры
с гофрированной боковой поверхностью). Акустические профилографы (эхолоты) позволяют определить глубину по скорости звука
в воде (1460 м/с при 10оС) и по времени хода ультразвуковых колебаний от излучателя до дна и обратно до приемника, которое пропорционально глубине.
3.3. Методика измерения глубин
Процесс измерения глубины называют промером, а места, где
измеряют глубины - промерными или глубинными вертикалями. Их
располагают в поперечном, продольном или косом сечениях потока.
Определение координат вертикалей в плане (координирование)
проводят совместно с измерением глубины. Промеры ведут с мостов, паромных или лодочных переправ, катеров и лодок, а если реки
мелкие, вброд.
Промеры по поперечникам (поперечным сечениям) удобно
проводить с железнодорожных, автодорожных и наплавных мостов,
если они имеются на исследуемом участке реки. Для определения
положения глубинных вертикалей измеряют мерной лентой расстояние от берега до них по настилу моста. На небольших речках
для измерения глубин и расходов иногда устраивают специальные
гидрометрические мостики или люлечные переправы, содержащие
растянутый через реку трос с люлькой, с которой проводят наблюдения. Если на исследуемом поперечнике мост отсутствует, то при
ширине реки до 200 м и скорости течения менее 1.5 м/с через реку
над водой натягивают размеченные марками шнур или стальной
24
трос диаметром около 3 мм, по которым определяют расстояние l от
промерных вертикалей до произвольно выбранного постоянного
начала (рис. 3.2, а). На малых реках промеры проводят вброд через
каждый метр. На относительно широких и глубоких реках для поддержки троса над водой под него ставят поплавок или лодки на якорях, а промеры проводят из лодки против соответствующих марок
(меток) на мерном тросе. В этом случае рядом с мерным натягивают
ездовой (силовой) трос, по которому перемещается лодка.
На широких (более 200 м) и судоходных реках положение
промерных вертикалей на поперечнике определяют методом засечек (рис. 3.2, б). Для этого поперечник 1закрепляют на каждом берегу двумя створными знаками (вехами) 2 и 3, которые представляют собой ярко окрашенные шесты высотой 3-5 м и образуют визирную систему. Под углом 90о к поперечнику разбивают базис 4, в
конце которого устанавливают теодолит 5. Наблюдатель в лодке
передвигается от одного берега к другому с таким расчетом, чтобы
ближний для него знак 2 закрывал дальний 3 (условие нахождения в
створе 1), и в момент промера глубины дает сигнал, по которому
другой наблюдатель теодолитом делает засечку промерной вертикали, т.е. фиксирует теодолитом угол  между базисом и лучом визирования на вертикаль. Положение вертикали на поперечнике определяют по формуле l = в tg  , где в – длина базиса.
Рис. 3.2. Координирование промерных вертикалей по мерному тросу на
поперечнике (а) и методом засечек на поперечнике (б), продольнике (в) и
кривых галсах (г): 1 – поперечник; 2, 3 – створные знаки; 4 – базис; 5 –
теодолит; 6 – продольник; 7 – кривой галс
На глубоких реках с большими скоростями течения (более 1,5
м/с) удержать лодку (катер) на линии поперечника трудно. Поэтому
промеры проводят по продольникам со свободно сплавляющегося
судна или по косым галсам (отрезки пути между поворотами), когда
25
лодка сносится течением и поэтому пересекает реку под переменным углом. В этих случаях засечки промерных вертикалей, т.е. определение планового положения лодки при промерах проводят с
берегового базиса двумя угломерными инструментами (см. рис. 3.2,
в,г).
3.4. Обработка результатов промеров глубин
По результатам промеров глубин строится поперечный профиль реки. Для этого на чертеже наносят точку постоянного начала
и горизонтальную линию поверхности воды. Вниз от неё по промерным вертикалям откладываются глубины. Для получения более
рельефного профиля вертикальный масштаб чертежа обычно принимают в несколько раз больше горизонтального. Под профилем
помещается таблица со значениями измеренных величин (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Поперечный профиль реки
Для каждого профиля вычисляют следующие морфологические характеристики.
Площадь водного сечения  определяется с помощью планиметра или аналитически суммированием площадей прямоугольных
26
треугольников и трапеций, на которые делится сечение промерными вертикалями:
 =  0.5(hi + hi+1)вi ,
где вi - расстояние между соседними вертикалями;
hi и hi+1 - глубины на соседних вертикалях (см. рис. 3.3).
Смоченный периметр  - длина контура живого сечения по
стенкам русла; измеряется на чертеже (курвиметром, линейкой) или
подсчитывается по формуле
 = (вi2 + (hi+1 - hi)2)0,5.
Ширина реки В определяется разностью расстояний урезов
левого и правого берегов от постоянного начала.
Гидравлический радиус R = / .
Средняя глубина hср = /В .
Наибольшая глубина реки hmaх устанавливается по промерной
книжке.
Результаты промеров по поперечникам, продольникам или
косым галсам позволяют составить план реки в изобатах (линия
равных глубин) аналогично построению плана местности в горизонталях. Отличие состоит в том, что отсчет делается не от горизонтальной плоскости вверх, а от свободной поверхности реки вниз.
Предварительно наносят на план линии урезов воды – они являются
изобатами с нулевыми глубинами. Обозначают на плане точками
промерные вертикали и записывают около них соответствующие
глубины, ориентируясь на которые проводят изобаты.
На плане намечают точки, соответствующие наибольшим
глубинам на профилях и галсах, и проводят через них линию наибольших глубин – фарватер.
Для составления продольного профиля реки наносят линии
свободной поверхности и дна вдоль фарватера, а также уровень реки самого высоководного года, и дают отметки бровок берега, реперов, населенных пунктов.
27
4. ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТЕЙ ТЕЧЕНИЯ
4.1. Распределение скоростей в речном потоке
Скоростью течения называется путь, который частица воды
проходит в единицу времени.
Течение в реке вызывается силой тяжести воды, которая движется по руслу под уклон с высоких мест (от истока) на низкие (к
устью реки). Ее скорость возрастает с увеличением продольного
уклона реки и снижается на участках с более шероховатым руслом.
Ввиду подтормаживающего действия поверхности русла скорости
течения вблизи дна и берегов меньше, чем у поверхности или на середине реки.
Движение воды в реках почти всегда турбулентное. Неровности дна русла (выступы, камни, гряды) вызывают завихрения
(вращение) масс жидкости, которые, отрываясь от дна, перемещаются во всей толще потока и создают пульсации скорости около некоторого осредненного значения с относительно большим периодом времени. Поэтому для более точного определения осредненной
во времени скорости при гидрометрических работах ее фиксируют
в каждой точке не менее, чем 100 с.
Рассмотрим распределение осредненной продольной местной
скорости U по глубине и ширине потока.
Распределение скоростей по глубине потока (рис. 4.1, а) может быть описано формулой
U = UП (y/h)1/7,
где UП - поверхностная скорость; y - расстояние от дна; h - глубина
воды на вертикали.
Если измерить площадь эпюры скоростей и разделить ее на
глубину вертикали, то получим среднюю скорость на вертикали
VВ. Наблюдениями установлено, что средняя скорость на вертикали
открытого потока обычно равна местной скорости на глубине 0.6h
от поверхности, а ее отношение к поверхностной скорости лежит в
диапазоне КВ=0.85–0.65 и определяется по формуле
КВ= VВ/UП = С/(С+8),
(4.1)
где С – коэффициент Шези (скоростной множитель).
28
Нормальный вид эпюры скоростей может искажаться под
влиянием различных факторов, например: наличия неровности дна
или водорослей (рис. 4.1, б), ледяного покрова (рис. 4.1, в).
Распределение скоростей по ширине реки следует за распределением глубин (рис. 4.1, г), при этом средние скорости на вертикалях выражаются формулой Шези-Маннинга:
VВ = С (h i)0,5,
(4.2)
где i – уклон водной поверхности.
Отношение средней по живому сечению скорости V к максимальной поверхностной скорости Vmaх может быть оценено по формуле
К = V/Umaх = С/(С + 14)
(4.3)
Рис. 4.1. Распределение скоростей по глубине (а – нормальное, б – при наличии водорослей, в – при ледяном покрове и ширине (г).
4.2. Приборы для измерения скоростей
Основными приборами для измерения скоростей течения воды в реках и каналах являются гидрометрические поплавки и вертушки. Поплавком называют тело, свободно перемещаемое потоком. В речной гидрометрии чаще всего применяют поверхностные
поплавки, реже глубинные и поплавки-интеграторы.
Поверхностные поплавки применяются для измерения скоростей и направлений течения на свободной поверхности водотока.
Они чаще изготавливаются в виде деревянных кружков диаметром
10-30см, толщиной 3-5см и снабжаются флажком для улучшения их
видимости (рис. 4.2, а). Более точно отражают движение поверхностного слоя воды поплавки в виде крестовин из поставленных на
29
ребро досок. В качестве поверхностных поплавков могут использоваться частично наполненные водой бутылки, отдельные куски древесины, пятна масла на воде, льдины и другие предметы, плывущие
по реке.
Принцип измерения скорости поплавками непосредственно
вытекает из ее определения как пути, пройденного в единицу времени: UП = L/t, где L - длина траектории поплавка, пройденная им
за время t. Для работы с поплавками на малых реках в качестве дополнительного оборудования нужен секундомер, а на больших –
еще лодка и угломерный инструмент для фиксирования положения
поплавков в плане аналогично координированию промеров глубин
(см. п. 3.3). Точность определения поверхностной скорости зависит
от погрешностей измерений пути и времени. К недостаткам поверхностных поплавков можно отнести невозможность измерения ими
скоростей течения в отдельных точках и в ветренную погоду.
Рис. 4.2. Гидрометрические поплавки:
а – поверхностный; б – глубинный; в – интеграционный
Глубинные поплавки позволяют измерять скорость и направление течения на заданной глубине. Глубинный поплавок состоит
из двух связанных нитью поплавков (рис. 4.2, б). Нижний поплавок
значительно больше верхнего и представляет собой проваренный в
олифе деревянный шар или сосуд (бутылка, пузырек), частично заполненный водой или песком с таким расчетом, чтобы его средняя
плотность немного превышала плотность воды. Верхний поплавок легкий, изготавливается из пробки или пенопласта. Он удерживает
нижний поплавок на нужной для определения скорости глубине и
указывает его положение в плане. Методика определения скоростей
та же, что и для поверхностных поплавков.
30
Интеграционные поплавки позволяют сразу измерить среднюю по вертикали (глубине) скорость течения. В качестве поплавков-интеграторов применяют деревянные, пенопластовые или другие легкие шарики, а иногда масляные капли или пузырьки воздуха,
закачиваемого по шлангу на дно русла.
Для измерения скорости поплавок 1 с помощью устройства
(рис. 4.2, в), состоящего из штанги 2 и плавающей рейки 3, погружают на дно, затем выпускают его, поднимая накладку 4 шнуром 5.
Поплавок всплывает на поверхность с постоянной скоростью w и
одновременно сносится течением на расстояние L с переменными
по глубине скоростями U, интегрируя их. Измерив время всплытия
t, можно определить среднюю скорость на вертикали как VВ = L/t.
Измерение времени всплытия можно исключить, т.к. его можно вычислить по формуле t = h/w через глубину на вертикали h, если заранее определить опытным путем скорость всплытия w поплавка в
стоячей воде. Поплавок-интегратор дает погрешность измерения
более 10 %.
Гидрометрическая вертушка является наиболее распространенным и надежным прибором для измерения скорости течения воды в реках. Метод измерения вертушкой основан на зависимости
частоты вращения лопастного винта от скорости набегающего на
него потока.
Наиболее распространенные конструкции гидрометрических
вертушек содержат лопастной винт 1 с контактным механизмом,
корпус 2 с электрическими клеммами, стабилизатор (хвост) 3, регистратор частоты вращения (лампочка 4, электрический звонок или
электромеханический счетчик) и источник питания 5 (рис. 4.3, а).
Вертушка крепится к штанге 6 или тросу и опускается в заданную
точку вертикали. Благодаря стабилизатору вертушка устанавливается навстречу потоку и винт начинает вращаться, вызывая через
определенное количество оборотов (обычно через 1 или 20 оборотов) кратковременное замыкание контактов и срабатывание регистратора (мигание лампочки). Наблюдатель подсчитывает количество
сигналов (миганий), а затем число оборотов винта N за заданный
промежуток времени t (обычно 100с), вычисляет частоту вращения
винта n = N/t и через нее по градуированному графику вертушки
(рис. 4.3, б) определяет скорость течения U в точке установки вер-
31
тушки. На графике показана наименьшая скорость U0 набегающего
потока, при которой винт начинает вращаться.
Градуировка вертушки представляет собой процесс обратный
процессу измерения скоростей течения. При этом определяются
частоты вращения винта при разных известных скоростях перемещения вертушки в стоячей воде и по ним строится градуировочная
зависимость. В этом случае движение воды заменяется на движение
самой вертушки.
Рис. 4.3. Общий вид гидрометрической вертушки (а) и ее градуировочная
зависимость (б)
Различают два способа измерения скоростей течения воды
вертушками: точечный и интеграционный. Точечный способ заключается в измерении скоростей U в фиксированных точках. Эти точки и вертикали, на которых измеряют скорости называют скоростными. При пятиточечном способе скорости измеряют на вертикали:
у поверхности, на глубине 0.2h; 0.6h; 0.8h (считая от поверхности
воды) и у дна. Скорости в этих точках – UП , U0.2 , U0.6 , U0.8 , Uq , а
средняя скорость на вертикали
VВ =(UП + 3U0.2 + 3U0.6 + 2U0.8 + Uq)/10
(4.4)
В случае измерения скоростей в трех, двух и одной точках
VВ =(U0.2 + 2U0.6 + U0.8 )/4
(4.5)
VВ =(U0.2 + U0.8 )/2
(4.6)
VВ =U0.6
(4.7)
Пятиточечный способ обычно применяют при глубине h1м,
трехточечный – при 0.6 ... 1.0 м, двухточечный – при 0.35 ... 0.6 м,
одноточечный – при глубине менее 0.35 м.
32
Интеграционный способ позволяет измерить сразу среднюю
скорость по вертикали, горизонтали (по ширине потока) или по
всему живому сечению. Например, если равномерно опускать вертушку во время ее работы по всей глубине h на вертикали до дна и
скорости течения будут лежать в области линейной части градуировочной зависимости (см. рис. 4.3, б), то средняя скорость на вертикали VВ определится средней частотой вращения винта n за период
опускания t по формуле VВ =kN/t = kn , где k – гидравлический шаг
вертушки; N - суммарное число оборотов винта вертушки на вертикали.
Интеграционные способы ускоряют проведение полевых работ. Например, интеграцией (суммированием) скоростей по живому
сечению можно за один рейс катера или лодки измерить среднюю
скорость, а по ней определить расход реки. Однако, при этом снижается точность полученных результатов и требуется более сложное оборудование.
5. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДОВ
5.1. Принципы определения расходов
Расход определяется как объем воды, протекающей через поперечное сечение потока в единицу времени (обычно за одну секунду). С геометрической точки зрения расход можно представить
объемом воды, который ограничен свободной поверхностью, плоскостью живого сечения и поверхностью, проходящей через концы
векторов скоростей течения. Это водяное тело называется гидрометрической моделью расхода (рис. 5.1, а). На рисунке через U обозначена скорость в произвольной точке живого сечения, UП - местная скорость на свободной поверхности, VП ,VВ ,V – средние скорости соответственно по ширине В свободной поверхности, по глубине h вертикали и по площади  живого сечения потока. Между скоростями, как указывалось ранее, существуют следующие устойчивые связи:
VВ = КВ UП , V = КВ VП , V = К Umaх,
(5.1)
33
где КВ, К - числовые понижающие коэффициенты, вычисляемые по
формулам (4.1, 4.3) или принимаемые при ориентировочных расчетах КВ = 0.85 и К = 0.65.
В более простом случае расход рассчитывают по формуле
Q=V, где среднюю скорость потока V предварительно определяют, например, используя соотношения (5.1).
Рис. 5.1. Модель (а) и схема (б) для вычисления расхода
Основные методы измерения расхода следующие:
1) метод «скорость - площадь», основанный на измерении поперечного сечения потока и местных (в точках) или средних (например, по вертикали) скоростей;
2) метод «уклон - площадь», использующий продольный уклон водной поверхности, площадь и гидравлический радиус живого
сечения;
3) метод смешения с вводом в поток индикаторов и определением степени их разбавления;
4) объемный метод, основанный на фиксации времени наполнения емкостей с известным объемом;
5) гидравлические методы, осуществляемые с использованием расходомерных устройств и характеристик пропускной способности гидротехнических сооружений;
6) физические методы - с применением ультразвука, электромагнитной индукции и др.
7) гидрологические методы, являющиеся косвенными, т.к. не
требуют измерений самого потока; основаны на связи расходов воды с физико-географическими факторами бассейна реки и позволя-
34
ют приближенно (с погрешностью до 10-30%) рассчитать средние
за длительный период и экстремальные значения расходов.
5.2. Метод «скорость - площадь»
Расход обычно измеряют в поперечнике реки, который называют гидрометрическим створом. Он назначается на прямом неразветвленном на рукава участке реки с правильной формой русла, устойчивым дном и неширокой поймой перпендикулярно среднему
направлению течения, желательно вблизи действующего водпоста.
Местоположение гидрометрического створа закрепляется прочными столбами-реперами. Для удобства проведения замеров при небольшой ширине реки строят гидрометрический мостик или с берега на берег над водой натягивается трос с метровой разметкой вертикалей.
Допустим, что в гидрометрическом створе измерены глубины
вертикалей h и вычислены средние скорости VВ на вертикалях (рис.
5.1, б) по формуле (5.1) при использовании поверхностных поплавков или по формулам (4.4 – 4.7) при замерах вертушками. Тогда
общий расход определится суммированием расходов через отдельные площади поперечного сечения между вертикалями (индекс «В»
опущен).
Q = bi(Vi +Vi+1)(hi + hi+1)/4
(5.2)
Полный расход реки можно определить и через удельные
расходы (приходящиеся на единицу ширины потока – в = 1м)
q=VВhb=VВh по формуле:
Q = bi(qi + qi+1)/2
(5.3)
Можно также построить эпюру удельных расходов q (см. рис. 5.1, б)
и измерить планиметром ее площадь с учетом масштаба. Она равна
расходу реки.
Следует заметить, что в формуле (5.2) вместо средних скоростей VВ=КВUП по вертикалям можно использовать поверхностные
скорости UП на этих вертикалях, например, измеренные поверхностными поплавками. В этом случае получают фиктивный (завышенный) расход QФ, который приводят к действительному по формуле Q = КВQФ.
На горных реках в соответствии с уравнением Бернулли возникает значительный уклон уровней от берегов к средней части ре-
35
ки, поэтому поверхностные скорости воды направлены от берегов к
оси и поплавки быстро сбиваются к стрежню (линия наибольших
поверхностных скоростей). В этом случае измеряют только максимальную поверхностную скорость, запуская 5-10 поплавков по
стрежню из одной точки и фиксируя время их хода между верхним
и нижним створами. За максимальную поверхностную скорость
Umaх принимают среднеарифметическую величину из скоростей
трёх поплавков с наименьшей продолжительностью хода. Расход
определяют по формуле Q=V=KUmaх.
5.3. Метод «уклон - площадь»
Метод «уклон - площадь» основан на использовании уравнения гидравлики для равномерного движения
Q= C(Ri)0,5 ,
(5.4)
где  – площадь живого сечения потока; С – коэффициент Шези;
R – гидравлический радиус живого сечения; i – продольный уклон
водной поверхности в реке.
Для определения расхода выбирают прямолинейный участок
с правильной корытообразной формой поперечного сечения русла.
Значения  и R определяют по данным промеров глубин в
поперечном створе, уклон - нивелированием, а коэффициент Шези
по эмпирическим формулам, например, по формуле Маннинга
C = R 1/6/n,
(5.5)
где n - коэффициент шероховатости, определяемый в зависимости
от характеристик русла [ 1, с.255; 3, с.392] по таблице 5.1.
Таблица 5.1.
Характеристика русла.
Естественное русло в благоприятных условиях
(чистое, прямое, земляное, со свободным течением)
Чистое извилистое ложе с небольшим числом
отмелей
То же, но слегка заросшее и с камнями
Значительно заросшие участки рек с очень медленным течением и глубокими промоинами
36
n
0.025 - 0.033
0.033 - 0.045
0.035 - 0.05
0.05 - 0.08
5.4. Метод смешения
Метод смешения основан на зависимости степени разбавления раствора вещества - индикатора, выпускаемого в поток, от расхода этого потока. Применяется для измерения небольших расходов
(до 5м3/с) в реках с высокой степенью турбулентности, например,
на горных реках с бурным течением, небольшими глубинами и
крупными валунами в русле, где затруднено применение других методов. Оригинальность метода состоит в том, что не требуется измерять скорости и площади живых сечений.
Техника и методика применения метода смешения весьма
своеобразны. Он может осуществляться следующим образом. На
участке реки с турбулентным течением на расстоянии 100-1000м
назначают два створа (сечения): верхний 1 - пусковой, и нижний 2 контрольный (рис. 5.2). В верхнем створе в середине реки вводят
раствор поваренной соли с высокой концентрацией С1, близкой к
насыщению (200-300г/л). Расход q вводимого раствора поддерживается постоянным и составляет примерно 0.01-0.02% от расхода Q
воды в реке. Благодаря самопроизвольному турбулентному перемешиванию концентрация соли резко уменьшается по течению и в
нижнем створе становится постоянной по всему объему воды в реке. Причем, чем больше расход реки, тем ниже значение концентрации С2 в нижнем створе.
Измерив концентрации С1 и С2 химическим или электрометрическим (по электропроводности) методом, величину расхода реки
Q вычисляют из условия равенства расходов соли в верхнем и нижнем створах С1q = С2(Q + q), откуда Q = q(C1 - C2)/C2 . Погрешность
метода оценивается в 10%.
Рис. 5.2
Рис. 5.3
37
5.5. Объемный метод
По объемному методу расход определяется отношением известного объема W мерного сосуда или резервуара (бассейна) к
времени t его наполнения: Q=W/t (рис. 5.3). Минимальная погрешность метода составляет 0.2-0.5%.
5.6. Гидравлические методы
В гидрометрии для определения расхода широко используют водосливы с тонкой стенкой, которые представляют собой стенку, перегораживающую поток (ручей) поперек и имеющую прямоугольный,
трапецеидальный или треугольный вырез для пропуска воды. Наибольшее распространение получил треугольный
водослив с
углом выреза в 90о (рис. 5.4). Расход воды определяется по измеряемому геометрическому напору Н из формулы Q = 1,4 Н2.5 . Гидрометрические водосливы дают погрешность 0.5-2%. Водосливами
на реках являются плотины. Они могут устраиваться на малых реках и в лабораториях специально для определения расхода.
Рис. 5.4
Рис. 5.5
Малые мосты и дорожные трубы также могут быть использованы для определения расхода. Они работают по принципу водослива с широким порогом при нулевой его высоте и по схеме протекания делятся на свободные и подтопленные со стороны нижнего
бьефа.
При свободном истечении обычно образуются два перепада
(на входе в сооружение и при выходе из него), а глубина под мостом и в трубе приблизительно равна критической глубине hК, соответствующей минимуму удельной энергии сечения (рис. 5.5). Подпертый уровень (геометрический напор Н) перед сооружением в
38
этом случае определяется только свободным истечением на входе и
не зависит от бытовой глубины hб в нижнем бьефе.
При подтоплении со стороны нижнего бьефа (свободная поверхность показана пунктиром) геометрический напор Н перед сооружением зависит от бытовой глубины и всех сопротивлений по
длине сооружения. Критерии подтопления записываются в виде
hб/hК1.25 или hб/H00.8 .
Расход воды определяют способом последовательных приближений по формуле
Q = m(2g)1/2 в H03/2 П ,
где m - коэффициент расхода, возрастает в диапазоне 0.32-0.39 с
увеличением отношения в/В от 0.1 до 1.0 [1]; в - ширина отверстия
сооружения; В – ширина потока перед сооружением;  – коэффициент Кориолиса; Н0=Н + V02/2g – полный напор; V0 – средняя скорость течения перед сооружением;  – коэффициент подтопления;
для свободного истечения равен 1, при подтоплении уменьшается
до 0.43 с возрастанием отношения hб/H0 от 0.8 до 0.98 [1].
Подмостовые русла средних и больших мостов также могут
быть использованы для приближенной оценки расхода воды. Расходы Q, пропускаемые через подмостовые русла на поймах, можно
приближенно определить по формуле
Q =  (2gZ)1/2,
где  – коэффициент скорости, принимают равным 0.5-0.7;  –
площадь живого сечения под мостами; Z – разность уровней воды
с верховой стороны насыпи у границы разлива и в отверстии моста.
5.7. Авиационные способы проведения гидрометрических
работ
В малообжитой и труднодоступной местности гидрометрические работы могут проводиться с использованием авиации (самолетов, вертолетов). При этом определение расходов основано на поплавочных измерениях и может осуществляться тремя способами.
1. Путем авиационного измерения поверхностных скоростей
и промера глубин наземными средствами.
39
2. Путем авиационных измерений как поверхностных скоростей, так и глубин (с применением буйковых систем).
3. Путем измерения с самолета расходов воды на вертикалях
(удельных расходов) интеграционными поплавками, всплывающими со дна.
Для авиационного измерения поверхностных скоростей поплавки выпускают с судна или сбрасывают с самолета. Кроме
обычных поплавков для маркировки водной поверхности используют листы белой бумаги, льдины во время ледохода, пятна различных веществ, например, машинного масла, сброшенного с самолета
в стеклянных ампулах. После фотографирования с самолета или
вертолета двух последовательных положений поплавков через заданный промежуток времени строят план поверхностных течений
(рис. 5.6). Положения поплавков в моменты съемок отмечают точками 1 и 2. Соединив их получают траектории движения поплавков.
Средние точки траекторий проектируют на линию створа 3 и находят точки 4, которые определяют положение скоростных вертикалей для каждого поплавка. Поверхностные скорости течения вдоль
оси потока в точках 4 вычисляют по формуле UП = Lm/t через смещение поплавка L вдоль оси потока, интервал времени t между моментами съемок и знаменатель масштаба m аэрофотосъемки, равный отношению высоты полета (измеряют радиовысотомером) к
фокусному расстоянию камеры. Скорости изображают в виде векторов или эпюр.
Рис. 5.6
Рис. 5.7
Рис. 5.8
Для авиационных измерений глубин могут применяться буйковые системы, состоящие из груза (якоря), к которому прикреплены на прочных нитях различной длины два буя (рис.5.7). Буйковая
40
система сбрасывается в поток с самолета. По расстоянию l между
буями, измеренному с помощью аэрофотосъемки, и известной длине нитей L1 и L2 вычисляется глубина потока h. При этом погрешность измерения глубин составляет 8...10 %.
Для определения расхода первым и вторым способами по известным скоростям и глубинам, полученным в ходе авиационных
измерений, применяют рассмотренный ранее в п. 5.2 метод «скорость-площадь».
В соответствии с третьим способом выполняют маршрут на
небольшой высоте (до 100м) по линии гидрометрического створа и
сбрасывают маркирующие сосуды (ампулы) с индикатором (с интегрирующей жидкостью). Одновременно выполняют аэрофотосъемку мест падения сосудов в воду, которые опускаются на дно
створа и 6-8 минут выделяют жидкость - индикатор, которая всплывает на поверхность в виде устойчивой струи или отдельных капель
(рис. 5.8). Второй маршрут вдоль реки на расчетной высоте полета
позволяет по устойчивому началу индикаторной струи определить
расходный отрезок L (расстояние от скоростной вертикали до точки
всплытия индикатора) и вычислить удельный расход по формуле q
= Lw, где w - скорость всплытия жидкости-индикатора в стоячей
воде (ее заранее находят опытным путем).
Общий расход получают суммированием площади эпюры
удельных расходов, как это принято при стандартных режимах измерения расхода, например, с помощью вертушки. Применение
жидких поплавков-интеграторов позволяет определить расход воды
с точностью 5...6 %.
Следует отметить, что по удельным расходам можно вычислить и глубины на вертикалях по формуле h = q/(KUП), если известны поверхностные скорости UП на них, которые могут быть определены также с использованием аэрофотосъемки.
41
6. СВЕДЕНИЯ ПО ГИДРОЛОГИЧЕСКОМУ ПОСТУ
на р.Ушайке
6.1. Описание поста
Гидрологический пост расположен в северной части поселка
Степановка. Расстояние от устья (от р.Томи) – 13км. Открыт
31.07.73г.
Долина реки ящикообразная, шириной до 400 м, склоны долины крутые, высокие (до 10-12м от подошвы), поросшие хвойным
лесом с преобладанием сосны. Поймы выражены четко, ширина
правобережной и левобережной поймы приблизительно одинаковы
(порядка 150 м), в основном распаханы, сложены галечником, суглинками. Выход воды на пойму происходит при уровне 100 см над
нулем поста. Берега высотой до 3 м, правый крутой, левый пологий,
русло на участке поста прямолинейное, сложено суглинками, водной растительностью не зарастает.
В весенний период в 300 м и выше водомерного поста возможно образование заторов из-за автодорожного моста. Из-за незначительной глубины при низких уровнях в осенний период наблюдается образование внутриводного льда. В зимний период
уровни воды могут быть в подпоре от частичного перемерзания нижележащего переката и за счет выхода воды на лед могут образовываться наледи. В конце зимы на участке поста из-за наличия
мощного снежного покрова наблюдаются пропарины. В районе поста и выше отмечается выход грунтовых вод.
Гидрологический пост включает водомерный пост (устройство для наблюдением за уровнем воды) и два гидрометрических
створа (сечения, в которых измеряются расходы). Гидроствор №1
совмещен с водомерным постом, гидроствор №2 расположен в 300
м выше поста на автодорожном мосту (рис. 6.1).
Температура воды измеряется в створе водпоста, в 5 м от берега, толщина льда - в 15 м выше поста на середине реки в одной
точке. Измерения проводятся с использованием ледового бура и ледомерной рейки; с начала льдообразования - по пятидневкам, затем
подекадно.
42
Мутность воды и расходы взвешенных и влекомых наносов
не определяются. Пробы на химанализ не отбираются. Их отбирают
в устье реки (при впадении в р.Томь).
Рис. 6.1. Схема расположения гидрологического поста на р.Ушайке в
пос.Степановке
6.2. Описание реперов поста
Пост оборудован двумя одинаковыми грунтовыми реперами:
основным (Рn1) и контрольным (Рn2). Они содержат металлические
трубы и бетонные монолиты (рис. 6.2). Схема расположения
Рис. 6.2
Рис. 6.3
43
реперов относительно водомерного поста представлена на
рис. 6.3 . Основной репер находится в 47 м ниже водпоста, контрольный - ниже водпоста на 38 м.
Отметка основного репера 82.54 м БС (приводка - превышение над нулем графика - 365 см), контрольного - 82.88 м БС (приводка - 399 см). Отметка нуля графика водпоста принята равной
78.89 м БС.
6.3. Наблюдения за уровнем воды
Водомерный пост оборудован 10 стандартными металлическими сваями. Спуск к сваям хороший, естественный. Для измерения уровня воды используется стандартная металлическая рейка.
Рис. 6.4. Профиль свайного водомерного поста на р.Ушайке
Наблюдения за уровнем воды проводятся ежедневно в 8 и 20 часов,
а в период половодья - учащенно. Высотные отметки свай по результатам нивелирования за 11.08.89г. указаны на профиле водомерного поста (рис. 6.4).
44
6.4. Измерение расхода воды
Расход измеряется в двух гидрометрических створах.
Гидроствор №1 совмещен с водпостом. Промерные вертикали расположены через 0.5 м, скоростные - через 1.0 м. Гидроствор
оборудован тросовой переправой, лодкой и спасательными средствами. За постоянное начало принят столб на левом берегу реки.
Гидроствор №2 оборудован в 300 м выше водпоста на автодорожном мосту. За постоянное начало принята опора автодорожного моста. Схема гидроствора №2 приведена на рис. 6.5 .
Рис. 6.5. Поперечный профиль р.Ушайки по гидроствору №2
Расход воды в створах измеряется вертушкой на тросе или на
штанге основным способом несколько раз в месяц. Измерение уклона водной поверхности проводится нивелировкой при посещении
поста работниками гидрометеостанции.
6.5. Результаты наблюдений на посту
По результатам одновременных замеров уровней и соответствующих им расходов для гидрологичекого поста построена кривая
расходов (рис. 6.6). Пунктиром отмечены границы изменения ее положения за период 1974-89 годы.
Рис. 6.6. Кривая расходов для поста
на р.Ушайке в п.Степановк
45
Используя ежедневные значения уровней, по кривой расходов получают ежедневные значения расходов, и затем из них выбирают наибольшие и наименьшие значения за каждый месяц и год и
вычисляют среднемесячные и среднегодовые расходы. Ниже приведены значения наибольших годовых расходов (табл. 6.1) и, для
примера, подробные результаты наблюдений за 1989 год (табл. 6.2).
5
6
7
8
9
Таблица 6.1
1979 1980
147 92.1
1989 1990
71.4 28.5
Таблица 6.2
10 11 12
111
93
50
44
39
33
38
54
60
184
151
64
58
50
36
57
66
64
78
71
53
41
39
34
31
35
44
55
0.9
1.39
19.4
15.4
2.61
1.24
0.6
0.31
1.17
1.06
0.63
0.98
4.45
71.4
40.8
5.44
2.66
1.16
0.36
3.35
4.51
0.66
0.77
0.8
5.77
3.52
1.03
0.85
0.36
0.28
0.34
0.61
0.62
-
-
0.6
7.1
15.3
21.5
17.6
9.5
3.6
-
-
12
40
12
52
13
64
14
44
14
55
9
66
4
13
8
27
11
48
18
56
0
60
5
21
11
33
Год 1954 1955 1956 1974 1975 1976 1977 1978
Q, м3/с 60.8 55.0 51.4 65.0 70.9 78.6 104 71.0
Год
1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988
Q, м3/с 66.2 68.5 111 154 111 81.7 98.4 114
Месяц
1
Уровень воды , м
средний 68
высший 76
низший 62
Расход, м3/с
средний
наибольший
наименьший
3
4
77
85
81
101
74
0.94
1.02
0.88
Средняя температура воды, оС -
2
Толщина льда, см
высота снега, см
10й день
20й день
последний день
месяца
10
24
Ледовые явления на участке поста: начало осенних ледовых явлений 22.10;
шугохода 29.10; ледостава 11.11;
начало весенних ледовых явлений 15.03; ледохода 08.04; шугохода 18.04;
высший уровень ледохода 170 см (дата 09.04); конец ледовых явлений 25.04; продолжительность весеннего ледохода - 3, шугохода - 6, ледостава - 147, со всеми ледовыми явлениями - 186 суток.
46
7. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОВЕДЕНИЮ
ГИДРОМЕТРИЧЕСКОЙ ПРАКТИКИ
7.1. Цель, задачи и содержание практики
Учебная гидрометрическая практика проводится на дорожностроительном факультете на третьем курсе с целью закрепления
студентами знаний по курсу «Гидравлика, гидрология и гидрометрия» и приобретения навыков по выполнению гидрометрических
работ при изыскании дорожно-мостовых и аэродромных сооружений.
Задачи практики: 1) изучение приборов и оборудования гидрологических постов; 2) получение навыков по выполнению натурных измерений параметров водотоков; 3) освоение методов камеральной обработки результатов полевых гидрометрических работ.
Практика выполняется в течение недели по следующему графику: 1 день даётся для пояснений организации, проведения, техники безопасности работ и для подробного ознакомления с настоящим
пособием; 1 день на просмотр кинофильмов по гидрометрии, подготовку приборов, инвентаря и журналов наблюдений; 2 дня выполняются гидрометрические и морфометрические полевые работы на
р. Ушайке; 1день предоставляется на камеральную обработку полевых материалов; 1 день - на оформление отчёта, подготовку и индивидуальную защиту составленного бригадой отчёта.
Академическая группа на период практики разбивается на
бригады. Из числа наиболее успевающих и авторитетных студентов
бригады назначается бригадир. Он должен: получить на складе
приборы и инвентарь и возвратить их в сохранности; обеспечить
своевременную явку студентов бригады на место проведения работ;
расставлять их по рабочим местам в соответствии с указаниями руководителя практики; поддерживать трудовую дисциплину; обеспечивать соблюдение правил техники безопасности и охраны окружающей среды.
Учебной программой гидрометрической практики предусмотрено:
47
1. Ознакомление с работой и оборудованием водомерных постов и гидрологической станции.
2. Изучение способов работы с гидрометрическим оборудованием и измерительными приборами.
3. Разбивка главного и промерных створов с замерами глубин
по ним и последующим вычерчиванием поперечных профилей и
плана реки в изобатах.
4. Нивелирование поймы реки по гидрометрическому створу
с последующим вычерчиванием поперечного профиля.
5. Измерение скорости течения реки поплавками с определением гидрометрического створа и расхода реки.
6. Измерение скоростей течения гидрометрической вертушкой с построением эпюр скоростей на вертикалях и по ширине реки,
определение средних скоростей по вертикалям и расхода реки.
7. Определение продольного уклона свободной поверхности
реки по данным нивелировки мгновенного уровня воды и расчет
коэффициентов Шези и шероховатости.
8. Построение и экстраполяция кривой Q=(Н) графоаналитическим способом.
9. Построение фактической и теоретической кривых вероятностей превышения максимальных расходов и определение расчетного расхода.
10. Выполнение необходимых графических работ и составление отчета.
7.2. Рекогносцировка и съемка участка реки
Рекогносцировка (от лат. - осматривать) - это разновидность
экспедиционных исследований участка реки с целью выбора места
для гидрометрических работ и оценки диапазона измерений характеристик гидрологического режима (уровней воды, глубин и скоростей потока, мутности, условий ледообразования и т.п.). Рекогносцировочные обследования обычно проводятся дважды: при низком
уровне летней межени и в период весеннего половодья.
Рекогносцировка участка реки района проведения практики
выполняется в порядке экскурсии в составе всей группы студентов.
Осматривается участок реки протяженностью до 1 км. Руководитель практики даёт информацию о характере долины, поймы, русла
48
и использовании реки для нужд народного хозяйства. У студентов
должно составиться целостное впечатление о характере реки на
участке проведения работ: извилистости русла, русловых образованиях в виде плесов, перекатах, островах и отмелях; зарастаемости
русла, высоте, крутизне откосов берегов реки; характере течения и
т.д.).
По результатам рекогносцировки выбирается участок реки
для производства гидрометрических работ и намечаются места для
разбивки створов. Они должны: располагаться нормально к направлению потока; находиться на прямолинейном плесовом участке реки без островов, отмелей и проток, где устойчивые берега и наиболее узкая, незаросшая и незаболоченная пойма.
В ходе рекогносцировки студенты знакомятся с устройством
водомерного поста, расположением гидрометрических створов,
створных знаков, реперов, системой отметок, отдельными следами
прохождения паводков. Руководитель рассказывает о работе наблюдателя, измерении уровней воды и визуальных наблюдениях.
По результатам рекогносцировки делается описание исследуемого участка реки. К описанию прилагается план участка с нанесением всех элементов ситуации (дороги, мосты, береговые сооружения и угодья), контуров кустарника и очертаний коренных
берегов. Изображение реки даётся линиями урезов воды в момент
проведения практики и при наивысшем уровне. На плане показываются сваи водомерного поста, гидрометрические створы, репера и
указываются высотные отметки характерных точек местности,
включая метки высоких уровней. Совокупность геодезических измерений, выполняемых для получения плана местности, называется
топографической съёмкой.
7.3. Нивелирование водомерного поста
Нивелирование поста проводится для определения отметок
головок свай. Нивелирование ведётся замкнутым ходом от основного репера через контрольный к последней свае и от неё обратно к
исходной точке. Допустимая невязка, т.е. расхождение сумм превышения между реперами и последней сваей по прямому и обратному ходу, вычисляется по формуле m = 3n , где m - невязка в мм;
n - число стоянок инструмента по двум ходам. При этом за связую-
49
щие точки принимаются только сваи водпоста. В процессе нивелирования берётся отсчёт и на уровень воды, для чего вровень с горизонтом воды вбивается колышек, на который и ставится нивелирная
рейка.
Измерение расстояния между сваями выполняется мерной
лентой. При этом также определяется превышение головки каждой
сваи над землёй и расстояние уреза воды от ближних свай. По результатам измерений вычисляются отметки свай и строится профиль водомерного поста.
7.4. Наблюдения на водомерном посту
В период практики наблюдают за уровнем воды, волнением,
ветром, осадками и водной растительностью. Наблюдения на водомерном посту начинают с определения h уровня воды над ближайшей к берегу сваей, покрытой водой. Для этого переносная водомерная рейка устанавливается на головку сваи и делается отсчёт h
по уровню воды с точностью до 1 см. Этот результат и информация
о ветре, волнении воды, осадках и водной растительности вносятся
в таблицу 2.1 в книжку гидрологических наблюдений.
В полевой книжке указаны абсолютные отметки Набс головок
свай, полученные в результате нивелировки и их «приводки» hnp высоты головок над нулём графика водпоста. Уровень H воды над
нулём графика вычисляется суммированием отсчёта h по водомерной рейке и «приводки» hnp для сваи, на которую устанавливается
рейка (см. рис. 2.3, 6.4): H = h + hпр .
7.5.Определение расхода с помощью поплавков
7.5.1. Полевые работы. Для измерения скоростей поплавками
на участке реки, удовлетворяющем вышеизложенным требованиям,
на берегу около уреза воды разбивается базис 1параллельно общему
направлению течения и под прямым углом к базису, например с
помощью теодолита, - верхний 2, главный 3 и нижний 4 створы
(рис. 7.1). Расстояние между верхним и нижним створами для р.
Ушайки составляет около 50-80 м и назначается с таким расчётом,
чтобы время движения поплавков между ними было не менее 30 секунд. Главный створ 3 разбивается примерно посередине базиса.
50
Если для упрощения и ускорения проведения гидрометрических работ используется мост, каким является автодорожный мост на гидрологическом посту в п. Степановке (см. рис. 6.1, 5.5), то главный
створ совмещают со створом моста.
Положение базиса и створов на местности фиксируется колышками и вехами 5. В створах могут натягиваться над водой размеченные через 1м тросы. На всех створах по урезу воды забиваются колья 6, их расстояние до базиса измеряют мерной лентой. Для
запуска поплавков дополнительно разбивается пусковой створ 7 на
5 м выше верхнего створа.
Промер глубин имеет целью выявление рельефа дна русла,
изучение русловых процессов и определение площади живого сечения. В условиях гидрометрических работ по учебной практике глубины измеряются через 1м во всех трёх створах промерной рейкой
вброд или с моста. Промеры проводят под каждой меткой размеченного троса, начиная от «постоянного начала» (урезного кола).
Результаты измерений заносятся в таблицу (см. рис. 3.3). При отсутствии размеченного троса в створе расстояние от промерной
вертикали до берега определяется методом засечек т.е. путём измерения теодолитом 8 горизонтального угла  между базисом 1 и линией визирования (см. рис.7.1), а нахождение точки промера в створе контролируется по выставленным на берегу вехам 5.
Рис.7.1. План исследуемого участка реки
Измерение скоростей течения воды поплавками проводится в
следующем порядке. В пусковом створе бросают в воду поплавок.
Проходя до верхового створа его скорость уравнивается со скоростью воды. При прохождении поплавка через створы стоящие около
51
них студенты подают сигналы отмашкой или голосом. В эти моменты фиксируется место прохождения (расстояния l1, l2, l3 от берега)
поплавка в каждом створе методом засечек или наблюдателем на
мосту по разметочным тросам. Одновременно секундомером измеряют время t прохождения поплавка от верхнего до нижнего створа.
Всего запускают более 20 поплавков, распределенных приблизительно равномерно по ширине реки. Результаты измерений
записываются в таблицу 7.1. Причем, записи по прибившимся к берегу поплавкам исключаются.
Таблица 7.1
№
Расстояние Время Скорость Глубина Удельный
поплавка от ПН, м хода по- поплавка, вертикали расход
плавка t, UП, м/с
h, м
qФ, м2/с
l1 l2 l3
с
7.5.2. Камеральные работы. По результатам промеров глубин и наблюдениям за движением поплавков выполняются следующие камеральные работы: построение плана реки в изобатах;
определение положения гидрометрического створа; расчет расхода
реки.
Для построения изобат на плане исследуемого участка реки
наносятся створы. На них точками обозначаются промерные вертикали (места промера глубин) и указываются значения глубин около
точек, что позволяет построить на плане изобаты, т.е. линии равных
глубин. Изобаты дают возможность судить о характере рельефа дна
на данном участке реки и построить линию максимальных глубин фарватер.
Положение гидрометрического створа определяют в следующем порядке. На план реки (см. рис. 7.1) наносят траектории
движения поплавков и измеряют их длины, поделив которые на
время t движения получают среднюю скорость каждого поплавка.
Векторы средних скоростей наносят на главном створе. Причем, если направление траектории на участке выше и ниже главного створа
различное, то вектор средней скорости UП откладывают по биссектрисе угла между направлениями траекторий (см. рис. 7.1). Затем на
плане рядом с урезом воды откладываются векторы один за другим с
сохранением их направлений. Далее начало первого и конец послед-
52
него векторов соединяются прямой линией, которая указывает среднее направление течения, а перпендикуляр к ней, проведенный в
месте главного створа, представляет собой гидрометрический створ
10. Его положение необходимо знать при выборе оси проектируемого мостового перехода через водоток и при высокоточном определении расхода. Расход может быть вычислен двумя способами (см. п.
5.2): 1 – по поверхностным скоростям на всей ширине потока; 2 – по
максимальной поверхностной скорости.
По первому способу строят поперечный профиль реки в главном створе (см. рис. 3.3). Затем от точек свободной поверхности,
через которые прошли поплавки, откладываются вверх отрезки,
равные соответствующим скоростям движения поплавков. Соединяя концы этих отрезков прямыми, получим эпюру поверхностных
скоростей UП (см. рис. 5.1, б). По этой эпюре через масштаб можно
определить поверхностные скорости в любых промежуточных точках. Подставляя в формулу (5.2) поверхностные скорости UП и соответствующие им глубины h находят фиктивный расход QФ, а затем и действительный Q=КВQФ , где КВ - понижающий коэффициент, вычисляемый по формуле (4.1). Можно перемножить поверхностные скорости на соответствующие глубины и получить фиктивные удельные расходы qф=UП h , площадь эпюры которых также
равна фиктивному расходу QФ.
В соответствии со вторым способом определяется максимальная поверхностная скорость Umaх , как среднеарифметическая
величина из двух наибольших скоростей поплавков. Площадь живого сечения , смоченный периметр  и гидравлический радиус R
вычисляются как средние величины для верхнего, главного и нижнего створов:
 = (В + 2Г + Н)/4;
 = (В + 2Г + Н)/4;
R = / .
Коэффициент Шези определяют по формуле (5.5), понижающий коэффициент К – по зависимости (4.3), а расход находят по формуле
Q = КUmaх .
7.6. Определение расхода с помощью вертушки
7.6.1. Полевые работы. После выноса в натуру гидрометрического створа и промера глубин в нем строится поперечный про-
53
филь дна реки и преподавателем назначаются скоростные вертикали (не менее 8 шт).
Подготовка к измерению расхода вертушкой включает проверку исправности вертушки и принадлежностей к ней, определение способа измерения, вычисление глубин погружения вертушки,
получение и доставку на гидроствор необходимого оборудования.
Проверка исправности вертушки делается в день измерения
расхода. Она выполняется в присутствии преподавателя, который
предварительно знакомит студентов бригады с устройством вертушки, ее сборкой и разборкой, проверяет ход лопастного винта,
действие контактного устройства и т.д.
Число точек измерения (способ измерения) и глубина погружения вертушки определяется глубиной на вертикали (см. п. 4.2).
На вертикали с наибольшей глубиной (даже при h1м) замеры сделать по пятиточечному способу. При измерении скоростей «у дна»
ось вертушки устанавливается в 8 см от поддона штанги (нуля
штанги), а «у поверхности» - в 8 см от уровня воды. Предварительно определяют также расстояние мерных точек от дна, т.к. вертушка устанавливается с использованием отсчёта от нуля штанги. Все,
необходимые для замеров данные заносятся в журнал измерения
скоростей вертушкой (табл. 7.2).
Таблица 7.2
30
31
5
6
0.5
0.2
0.8
0.1
0.40
0.40 28
0.10 21
560
420
102
100
5.49
4.20
1.10
0.84
0.97
Измерение скоростей может выполнятся двумя-тремя студентами, находящимися в воде, на мосту или в лодке. Фиксация скоростной вертикали производится так же, как и при измерении глубин.
Измерение скоростей выполняется от дна к поверхности. Отсчёты
по секундомеру общего времени t наблюдений рекомендуется делать по концу сигнала. После установки вертушки в нужной точке
вертикали пропускают один-два сигнала прежде чем включить секундомер, чтобы скорость вращения винта стала соответствовать
54
скорости течения. В ходе измерений следят за промежутками времени между сигналами - значительных расхождений не должно
быть. В противном случае неисправна электрическая сигнализация.
7.6.2. Камеральные работы. Скорости течения в заданных
точках вертикали определяются по градуировочному графику вертушки (см. рис. 4.3, б), а средняя скорость на вертикали вычисляется по одной из формул (4.4-4.7).
По результатам измерений скоростей на вертикали с наибольшей глубиной строят эпюру местных скоростей (см. рис. 4.1, а).
С помощью планиметра определяют площадь эпюры скоростей, которая численно равна удельному расходу q. Средняя скорость на
вертикали находится как основание прямоугольника, равновеликого
площади эпюры скоростей VВ = q/h .
Для определения расхода реки на поперечном профиле гидроствора строят эпюру средних скоростей VВ и элементарных расходов q (см. рис. 5.1, б). С помощью планиметра определяется суммарная площадь удельных расходов, которая равна полному расходу реки Q. Для проверки определяют расход и по формуле (5.2).
7.7. Определение продольного уклона свободной поверхности реки
В условиях учебной практики уклон реки определяют на участке, где измерялись скорости поплавками, между верхним и нижним створами по методике описанной в п. 2.4. Для этого мерной
лентой измеряется расстояние между урезными кольями 6 верхнего
и нижнего створа вдоль уреза воды (см. рис. 7.1). Затем эти колья
добиваются одновременно вровень с горизонтом воды и нивелируются замкнутым ходом от верхнего к нижнему и обратно. Уклон
вычисляется с точностью до пятого десятичного знака по формуле
i = Н/L (см. п. 2.4).
Значения уклона используют для вычисления коэффициентов
Шези С и шероховатости n из формул Q = C(Ri)0,5 , С = R1/6/n .
55
7.8. Общие требования и содержание отчета
Отчет состоит из пояснительной записки, чертежей, приложения. Пояснительная записка пишется на стандартных листах писчей
бумаги формата А4. Чертежи выполняются на миллиметровой бумаге
или листе ватмана.
В общей части должны быть приведены следующие сведения:
место и время проведения практики; погодные условия; физикогеографическое описание района; гидрология реки; план практики и
его выполнение.
В основной части приводятся результаты гидрологических
расчетов и камеральной обработки по всем видам работ, предусмотренных программой практики (см. п. 7.1). Экстраполяция кривой Q = Q(H) графоаналитическим способом и построение теоретической и фактической кривых вероятности превышения максимальных расходов с определением расчетного расхода выполняется по
методикам, описанным в работе [3, с. 375-387].
В приложение входят журнал нивелировки водомерного поста, таблица наибольших расходов по годам и связи Q = Q(H), журналы промера глубин по верхнему, главному и нижнему створам,
журналы измерения скоростей поплавками и вертушкой, градуировочная кривая гидрометрической вертушки.
В выводах дается оценка результатов гидрометрических работ, отражаются положительные и отрицательные моменты практики, пожелания.
56
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Железняков Г.В. Гидрология и гидрометрия. - М.: Высш. шк.,
1981.- 264с.
2. Константинов Н.М., Петров Н.А., Высоцкий Л.И. Гидравлика,
гидрология, гидрометрия. Ч.II. - М.: Высш. шк., 1987. - 431с.
3. Примеры гидравлических расчетов / Н.М. Константинов, Н.А.
Петров, В.А. Александров и др. - М.: Транспорт, 1987. - 440с.
4. Невский В.В., Копац Л.Н., Смирнов Ю.С. Гидравлика, гидрология, гидрометрия. - М.: Транспорт, 1988. - 231с.
5. Александров Л.Н. Гидрометрия для гидротехнических специальностей. - Л.: ЛПИ, 1980. - 83с.
6. Константинов Н.М., Китов Е.И., Климешов В.И. Методические
указания по проведению гидрометрической практики. - М.: МАДИ, 1982. 26с.
7. Чеботарев А.И. Гидрологический словарь. - Л.: Гидрометеоиздат,
1964. - 222с.
8. Железняков Г.В. Гидравлика и гидрология. - М.: Транспорт, 1989.
- 376с.
9. Карасев И.Ф., Шумков И.Г. Гидрометрия. - Л.: Гидрометеоиздат,
1985. - 384с.
10. Строительные нормы и правила. Мосты и трубы (СНиП 2.05.03 - 84). М. :ЦИТП Госстроя СССР, 1985. - 200с.
11. Строительные нормы и правила. Определение расчетных гидрологических характеристик (СНиП 2.01.14 - 83). - М.: ЦИТП Госстроя СССР,
1983. - 97с.
12. Поляков М.П. Примеры гидрологических расчетов мостовых переходов. Учеб. пособие. - Саратов: Изд-во Саратов, гос. техн. ун-та, 1996. 92с.
13. Слабожанин Г.Д., Нягин К.Ю., Шерстобоев М.В. Гидравлика
мостовых переходов. Методические указания к лабораторнопрактическому занятию. - Томск: Изд-во ТГАСУ, 2002. - 23с.
14. Практикум по мостовой гидравлике на портативной лаборатории
«Капелька-3»: Методические указания к лабораторно-практическим работам / Сост. Г.Д. Слабожанин, Д.Г. Слабожанин, А.И. Соболев, Н.А. Калинников. - Томск: Изд-во Томского архит.-строит. ун-та. -2005.- 31с.
15. Определение расчетного максимального расхода: Методические
указания / Сост. Г.Д. Слабожанин. - Томск: Изд-во Томского архит.строит. ун-та. - 2005. - 28 с.
57
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Введение в гидрометрию
1.1. Предмет гидрометрии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... 3
1.2. Общие сведения о реке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3
1.3. Организация гидрометрических работ . . . . . . . . . . . . 7
1.4. Правила техники безопасности в полевой период . . 8
2. Измерение уровней
2.1. Сведения об уровнях воды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2. Водомерные посты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12
2.3. Наблюдения на водпосту и обработка данных . . . . .18
2.4. Уклонные посты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19
2.5. Связь уровней водпостов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 21
3. Измерение глубин
3.1. Общие сведения о глубинах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2. Приборы для измерения глубин . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3. Методика измерения глубин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4. Обработка результатов промеров глубин . . . . . . . . . 26
4. Измерение скоростей течения
4.1. Распределение скоростей в речном потоке . . . . . . . .28
4.2. Приборы для измерения скоростей . . . . . . . . . . . . . . 29
5. Измерение расходов
5.1. Принципы определения расходов . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.2. Метод «скорость-площадь» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
5.3. Метод «уклон-площадь» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.4. Метод смешения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.5. Объемный метод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … 38
5.6. Гидравлические методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 38
5.7. Авиационные способы гидрометрических работ…...39
6. Сведения по гидрометрическому посту на р.Ушайке
6.1. Описание поста . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...42
6.2. Описание реперов поста . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..43
6.3. Наблюдения за уровнем воды . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
6.4. Измерение расхода воды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..45
6.5. Результаты наблюдений на посту . . . . . . . . . . . . . . . .45
7. Методические указания по гидрометрической практике
7.1. Цель, задачи и содержание практики . . . . . . . . . . . . 47
7.2. Рекогносцировка и съемка участка реки . . . . . . . . . . 48
7.3. Нивелирование водомерного поста . . . . . . . . . . . . . ..49
7.4. Наблюдения на водомерном посту . . . . . . . . . . . . . . .50
7.5. Определение расхода с помощью поплавков . . . . . . 50
7.6. Определение расхода вертушкой …………………....53
7.7. Определение продольного уклона…………………...55
Список литературы………………………………………………...57
58