«ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие Раздел 1. Гидрология. Общие сведения об организации гидрометрических измерений – основы изысканий для составления проектов охрны земель от подтопления 1.1 Уровни воды 1.1.1 Приборы и устройства ...»

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие

Раздел 1. Гидрология. Общие сведения об организации гидрометрических

измерений – основы изысканий для составления проектов охрны земель от

подтопления

1.1 Уровни воды

1.1.1 Приборы и устройства для измерения уровней воды

1.1.2 Задание к работе «Обработка материалов наблюдений за уровнем воды» 16

1.1.3 Измерение и вычисление уровня воды

1.1.4 Составление ведомости повторяемости (частоты) и продолжительности (обеспеченности)

1.1.5 Построение графика кривых повторяемости и продолжительности стояния уровней

1.2 Промеры глубин водных объектов

1.2.1 Приборы и устройства для измерения глубин водных объектов................ 22 1.2.2 Обработка материалов промеров глубин

1.3 Скорости течения

1.3.1 Приборы для измерения скоростей движения воды

1.3.2 Методика измерения скоростей

1.4 Расходы воды

1.4.1 Задание к вычислению расхода воды

1.4.2 Гидрометрические приборы для измерения характеристик потока........... 1.4.3 Связь между расходами и уровнями воды (расчетно-графическая работа по гидрометрии)

1.4.4 Методические указания к изучению курса гидрологии

Раздел 2. Гидрологические расчеты для обоснования земельноохранных мероприятий

2.1 Норма стока

2.1.1 Характеристики стока. Определение. Единицы измерения

2.1.2 Определение нормы стока при наличии длительного ряда гидрометрических наблюдений

2.1.3 Расчет нормы годового стока при коротком ряде наблюдений

2.1.4 Определение нормы стока при отсутствии гидрометрических данных..... 2.2 Определение расчетных расходов (расчетно-графическая работа по гидрологии)

2.2.1 Внутригодовое распределение речного стока

2.2.2 Расчет межсезонного распределения стока

2.2.3. Расчет внутрисезонного распределения стока

2.3. Расчет внутригодового распределения стока методом реального года............ 2.4 Расчет максимальных расходов воды при наличии длительного ряда наблюдений за их величинами

2.5 Методика изучения раздела «Гидрологические расчеты»

Раздел 3 Регулирование стока

3.1. Характеристики водохранилища

3.1.1 Топографическая характеристика водохранилища

3.1.2 Определение минимального уровня воды и мертвого объема водохранилища

3.1.3 Экономическая характеристика водохранилища (определение стоимости строительства земляной плотины и сооружений на ней, компенсационных затрат, удельной стоимости)

3.2 Водохозяйственный расчет сезонного (годичного) регулирования речного стока балансовым (аналитическим) методом

3.2.1 Расчет сезонного регулирования стока

3.2.2 Регулирование стока по первому варианту

3.2.3 Регулирование стока по второму варианту

3.2.4 Расчет сезонного регулирования стока с учетом потерь на фильтрацию и испарение (по первому варианту)

3.3 Расчет водохранилища многолетнего регулирования стока

3.4 Расчет регулирующего влияния водохранилища на максимальный сток......... 3.5 Расчет многолетнего регулирования стока водохранилища графическим методом (курсовая работа по регулированию стока)

3.5.1 Объемная характеристика водохранилища. Построение. Определение полезного и мертвого объемов

3.5.2 Расчет регулирования стока графическим методом на постоянный расход

3.5.3 График бытовых расходов. Построение. Анализ

3.5.4 Расчет интегральной кривой стока

3.5.5 Построение интегральной кривой стока в косоугольной системе координат. Линия зарегулирования

3.5.6 Лучевой масштаб. Построение. Определение величины зарегулированного расхода

3.5.7 График режима работы водохранилища. Построение. Анализ................. 3.6 Методика изучения курса «Регулирование стока»

Раздел 4 Регулирование стока в бассейне реки Кубань

4.1 Техническая схема. Современное состояние водохозяйственного комплекса

4.2 Методика водохозяйственных расчетов и исходные расчетные положения.. 4.2.1 Результаты водохозяйственных расчетов на современном уровне.......... 4.2.2 Водохозяйственные расчеты в бассейне реки Кубань на перспективу.... 4.2.3 Оптимизация регулирования речного стока в низовьях Кубани с применением компьютерного моделирования

Приложения

Список мспользованных источников

ПРЕДИСЛОВИЕ

Одной из главных целей строительства водохранилищ на р. Кубань является обеспечение охраны земель от затопления обширных территорий в бассейнах рек при половодьях и паводках, а также от подтопления территорий.

В первом разделе монографии изложена методика и приведены примеры обработки основных гидрометрических измерений уровней, глубин, скоростей течения, расходов и стока воды, представлены приборы, описаны методики измерения вышеуказанных характеристик водного объекта. Эти характеристики потока служат исходными материалами для гидрологического обоснования проектов охраны земель Во втором разделе рассмотрены методы гидрологических расчетов, примеры расчета нормы стока, расчетных расходов за каждый сезон года, каждого месяца, а также максимального расчетного расхода для проектирования сооружения первого класса капитальности.

Третий раздел посвящен гидрологическим расчетам, приведены методики сезонного и многолетнего регулирования речного стока, потерь водохранилища, экономической эффективности регулирования стока.

Четвертый раздел посвящен регулированию стока в бассейне реки Кубань для охраны земель от подтопления, приведены методика и результаты расчетов регулирования на современном этапе, а также на перспективу до 2015 г.

Монография поможет развитию творческой активности будущих специалистов совершенствовать организации самостоятельной работы, что поспособствует формированию специалиста новой формации.

Результаты научных исследований будут интересны для работников занимающихся проблемой мелиорации, рекультивации и охраны земель от подтоплений.

Структура монографии предполагает необходимость использования студентами учебников, нормативных документов, справочной литературы. В конце каждого курса приведены вопросы для самоконтроля знаний студентами. При наличии затруднений с ответами на вопросы рекомендуется использовать для проработки практического материала по теме учебную литературу, список которой приведен в монографии.

При подготовке монографии использовались материалы методических указаний, изданных ранее в МГМИ и КубГАУ, а также материалы ВНИИГИМ, ООО «Кубаньводпроект»

Раздел 1. ГИДРОЛОГИЯ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОРГАНИЗАЦИИ

ГИДРОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ – ОСНОВЫ ИЗЫСКАНИЙ ДЛЯ

СОСТАВЛЕНИЯ ПРОЕКТОВ

Гидрометрия – самостоятельный раздел гидрологии суши.

В задачи гидрометрии входят измерения уровней и глубин водных потоков, скоростей и направлений течения жидкости, расходов воды и наносов, гидравлических уклонов и других элементов водных объектов, характеризующих их режим.

Гидрометрические наблюдения за режимом рек, каналов, озер, болот, водохранилищ ведутся на гидрологических станциях и постах, входящих в гидрологическую сеть, находящуюся в ведении Государственного комитета по гидрометеорологии и контролю природной среды. В единую систему государственного учета вод и их использования входят также ведомственные гидрологические станции и посты, организуемые различными министерствами (мелиорации и водного хозяйства, энергетики и электрификации, речного флота, геологии и др.).

Наблюдения на всех станциях и постах и обработка материалов наблюдений ведутся по единой методике, утвержденной Госкомгидрометом и изложенной в «Наставлениях гидрометеорологическим станциям и постам».

Обработанные результаты наблюдений в систематизированном виде публикуются в материалах Государственного водного кадастра (ГВК) и включают как результаты наблюдений за режимом вод за каждый календарный год, так и материалы о многолетних характеристиках водных объектов, качестве вод, водопотреблении и др.

Проектирование, строительство и эксплуатация гидротехнических сооружений на реках и каналах, озерах и болотах, водохранилищах и морях, а также в населенных пунктах вдоль русел рек необходимо вести с учетом изменения уровней воды в водотоках и водоемах.

Непрерывное определение уровней и периодическое измерение расходов воды в в одотоках позволяет установить величину расхода водотока и в конечном итоге подсчитать водный сток за определенный период, т. е. достичь главной цели организации гидрометрических работ.

1.1 Уровни воды Уровнем воды называется высота водной поверхности относительно условной горизонтальной плоскости сравнения – нуля графика.

Уровни воды в реках и других водных объектах постоянно изменяются. Эти колебания могут происходить под влиянием многих факторов: типа питания, деформации русла, хозяйственной деятельности и т. д.

Наблюдения за уровнями воды ведутся ежедневно на гидрологических постах, об орудованных соответствующими устройствами и приборами (реечными, свайными, самопишущими и др.). Сроки измерения уровней воды устанавливают в зависимости от режима водного объекта и назначения поста. Результаты измерений уровней воды заносят в полевую книжку КГ-1М(н), форма которой соответствует требованиям подготовки данных для занесения их на технические носители и обработки на ЭВМ.

В этой же книжке выполняется первичная обработка материалов наблюдений за уровнями воды и их анализ. К первичной обработке относится приведение измеренных уровней к нулю графика поста, вычисление среднесуточных уровней, составление годовой таблицы «Ежедневные уровни воды» (ЕУВ) и графика колебаний среднесуточных уровней воды.

За нуль графика гидрологического поста принимают обычно условную горизонтальную плоскость сравнения, отметка которой на 0,15 м ниже минимального уровня воды в створе поста (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема к определению уровня воды на гидрологическом посту Уровни воды над нулем графика поста принято выражать в сантиметрах.

Среднесуточный уровень воды вычисляют как среднеарифметическое (или средневзвешенное) значение из всех отсчетов за соответствующие сутки. Если измерения проведены с помощью самописца, то ленту прибора разбивают на ряд интервалов (по времени или по характерным точкам) и среднесуточный уровень определяют как среднеарифметическое значение отсчетов, соответствующих границам назначенных интервалов в пределах суток.

Среднесуточные уровни воды сводят в таблицу ежедневных уровней воды ЕУВ, отмечая в ней фазы ледового режима условными обозначениями (см. далее – таблица 2 и рисунок 13). В примечаниях к таблице отмечают особые явления: случаи пересыхания или промерзания реки в районе поста, отборы воды на орошение или другие нужды, сбросы сточных вод и др.

Кроме суточных, определяют также характерные уровни, к которым относятся средние, высшие и низшие уровни за каждый месяц и за год.

Среднемесячные уровни вычисляют как среднеарифметическое из среднесуточных уровней, а среднегодовой – из среднемесячных.

Высший и низший уровни за соответствующие месяцы и год устанавливают путем выборки экстремальных уровней из материалов срочных наблюдений на постах. Их заносят в таблицу (ЕУВ) с указанием дат их наступления.

Таблицы ЕУВ публикуются в «Гидрологических ежегодниках».

По данным таблицы ЕУВ строят график колебаний среднесуточных уровней воды, на котором отмечают также фазы ледового режима. Для сопоставления нередко на данном чертеже совмещают графики колебаний уровней воды на соответствующем посту за несколько лет.

При проектировании и эксплуатации гидромелиоративных систем и других водохозяйственных объектов необходимо знать также такие важные характеристики, как повторяемость (частоту) уровней и продолжительность (обеспеченность) их стояния в течение года или многолетнего периода.

Повторяемость и продолжительность стояния соответствующих уровней устанавливают путем статистической обработки таблицы ежедневных уровней. Результаты подсчетов сводят в ведомость и по ее данным строят кривые повторяемости и продолжительности уровней.

1.1.1 Приборы и устройства для измерения уровней воды Самописец уровня «Валдай» СУВ-М. Самописец уровня воды «Валдай» (рисунок 2) служит для записи колебаний уровня на речных, озерных и других гидрологических постах Гидрометслужбы.

Рисунок 2 – Самописец уровня воды «Валдай» СУВ-М (общий вид) В настоящее время в системе Гидрометслужбы находятся в эксплуатации две модели самописца «Валдай»: образца 1948 г. и образца 1952 г. (модернизированная).

Первая модель имеет два масштаба записи уровня (1:1 и 1:2) при одном масштабе записи времени (1 ч=12 мм хода пера на ленте). Модернизированный самописец СУВМ образца 1952 г. позволяет регистрировать ход уровня в четырех масштабах (1:1, 1:2, 1:5 и 1:10) при двух масштабах записи времени (1 ч=12 мм и 1 ч = 24 мм хода пера на ленте барабана).

Самописец уровня «Валдай» (рисунок 3, а) состоит из поплавкового устройства, с помощью которого передаются колебания уровня воды, барабана с надетой на него бумажной лентой, на которой в определенном масштабе вычерчивается график колебаний уровня, и часового механизма, приводящего в движение пишущее устройство.

Поплавковое устройство включает в себя: пустотелый металлический поплавок 2, прикрепленный к нему груз-балласт 1 для погружения поплавка, противовес-гирю 3, металлический мягкий трос в хлорвиниловой оболочке 18 и поплавковое колесо 4, 5, которое вращает барабан 16. В зависимости от подъема или спада уровня воды барабан поворачивается вокруг своей оси в ту или иную сторону.

Пишущее устройство состоит из часового механизма 7, пера 15 с кареткой 10, двух направляющих стержней 12, стальной струны 11 и гирьки-отвеса 14. Струна проходит между двумя стержнями каретки 10; один конец ее закреплен и навит на барабанчик заводной головки часового механизма 8, а другой конец, выпущенный из корпуса самописца, несет гирьку-отвес 14. Последняя, оттягивая и раскручивая струну с головки барабана, приводит в действие часовой механизм. Каретка с пером при помощи специального зажима крепится к натянутой струне и во время хода часового механизма движется вместе со струной вдоль барабана, скользя по направляющим стержням. Перо в это время чертит график колебаний уровня на ленте барабана. По горизонтальной оси этого графика дается время в часах, а по вертикальной – высота уровня.

Рисунок 3 – Самописец уровня воды «Валдай» СУВ-М (а – кинематическая схема самописца; б – схема включения масштабных шестеренок с барабаном):

1 – груз; 2 – поплавок; 3 – противовес; 4 и 5 – поплавковое колесо; 6 – шестерня; 7 – часовой механизм;

8 – барабан; 9 – ролик; 10 – каретка; 11 – струна; 12 – направляющие стержни; 13 – ролик; 14 – груз; 15 – перо;16 – барабан; 17 – шестерня; 18 – трос; 19 – штифт; 20 – зубчатое колесо-трубка; 21 – ось редуктора;

22 – ось, сцепленная с барабаном; 23 – шестерня, закрепленная на оси 22; 24 – шайба; 25 – подкладки;

26 – головка подвижной оси Конструкция прибора допускает запись уровня при многократных оборотах поплавкового колеса. На рисунке 4, а представлена запись хода уровня (подъем и спад), при котором барабан более двух раз обернулся вокруг оси.

Рисунок 4 – Запись суточного хода уровня на ленте самописца «Валдай»:

а – вид записи на ленте при повороте барабана вокруг своей оси более двух раз; б – развертка этой записи на миллиметровой бумаге Развертка этой записи дает кривую. Развертка записи производится следующим путем: пусть в 00 ч данных суток уровень воды, зарегистрированный при установке ленты, составлял 80 см над нулем графика (см. рисунок 4, а); затем, как это видно на графике (ленте), происходил непрерывный подъем уровня и в 03 ч 30 мин уровень достиг значения 300 см. Этому моменту на графике соответствует начало и другой кривой, имеющей нулевую отметку уровня. Это свидетельствует о том, что барабан к этому времени (т. е. к 03 ч 00 мин) совершил свой первый оборот. Уровень воды продолжал повышаться и в период от 03 ч 30 мин до 6 ч повысился от 300 до 600 см; за это время барабан совершил свой второй оборот. На 6-часовой срок опять имеются две отметки уровня 300 (фактически 600 см) и 0 (фактически свыше 600 см); следовательно, вторая отметка есть продолжение предыдущей. Так, расшифровку записи на ленте выполняют до конца суток, после чего строится график хода уровней, изображенный на рисунке 4.б.

Барабан вращается на подвижном центре, укрепленном в левой боковине прибора, и на оси поплавкового колеса, расположенной в правой боковине прибора. Бумажная лента для записи уровня удерживается в прорезях барабана зажимом, расположенным внутри него.

Самописец «Валдай» обеспечивает возможность выбора масштаба записи уровня воды в зависимости от величины амплитуды его колебания.

Установка желаемого масштаба записи достигается следующим образом. Для записи хода уровня в масштабах 1:1 и 1:2 поплавковое колесо закрепляется на основной оси прибора 22 (рисунок 3, б); масштаб записи 1:1 будет получен при наложении троса на малый диск 4 поплавкового колеса, а масштаб 1:2 – при наложении троса на большой диск 5.

Для записи хода уровня в масштабах 1:5 и 1:10 поплавковое колесо закрепляется на вспомогательной оси 21. Зубчатое колесо-трубка 20 при этом сдвигается вдоль оси до сцепления с шестерней 23, закрепленной на оси 22.

Соответственно для получения масштаба записи 1:5 трос должен быть наложен на малый диск поплавкового колеса 4, а для получения масштаба 1:10 – на большой диск 5.

При установке на запись уровня в масштабах 1:1 или 1:2 трубка 20 должна быть выведена из зацепления с шестерней 23.

Для сохранения на ленте постоянства направления записи при разных масштабах необходимо навешивать поплавок на колесо 4, 5 так, чтобы он при масштабах 1:1 или 1:2 был слева, а при масштабах 1:5 и 1:10 справа от оси, если смотреть на самописец со стороны поплавкового колеса (рисунок 5).

Рисунок 5 – Положение поплавка по отношению к поплавковому колесу при разных I – масштаб записи 1:5; II – масштаб записи 1:1; III – масштаб записи 1:2; IV – масштаб записи 1: Для того чтобы завести часовой механизм, необходимо отпустить винт, закрепляющий каретку к струне, и навить струну на барабанчик заводной головки; затем каретку, освобожденную от струны, передвинуть так, чтобы перо ее оказалось на нужной абсциссе времени, обозначенной на ленте меткой, и в таком положении прикрепить каретку к струне.

Для регулировки хода часового механизма на крышке его коробки имеются два рычага: один – для пуска и остановки часов, другой – для регулировки их хода в пределах 5 мин за сутки.

Каждый прибор комплектуется двумя сменными барабанчиками: основной надевается на заводную головку для записи времени в масштабе 1 ч=12 мм, а другой – в масштабе 1 ч = 24 мм. При этом следует иметь в виду, что регулировка хода часового механизма самописца при смене барабана не сохраняется.

Чтобы надеть (или снять) ленту на барабан, необходимо его вынуть из кожуха прибора, для чего оттянуть выступающую на левой боковине кожуха прибора головку оси 26 (см. рисунок 3, б), на которую опирается барабан. После этого освобождается зажимное устройство в барабане, расположенное с правой стороны, лента заправляется в прорезь барабана и зажимается. Зажимное устройство должно обеспечивать плотное прилегание ленты к барабану. При вращении барабана перо не должно задерживаться на прорези. Весь пишущий механизм прибора собран в литом металлическом кожухе, который одновременно является его основой и защищает самописец от повреждений, пыли и влаги. Крышка футляра снабжена автоматически действующей защелкой и, будучи открыта, удерживается в таком положении. Чтобы закрыть футляр, крышку нужно слегка приподнять, а нижний конец защелки подать на себя.

Кожух снаружи имеет приливы с отверстиями для болтов, которыми прибор крепится в измерительном павильоне над колодцем. На крышке кожуха имеется марка завода-изготовителя с набитым порядковым номером и годом выпуска прибора.

Самописец уровня воды ГР-38. Самописец уровня воды длительного действия ГРрисунок 6) предназначается для непрерывной регистрации высоты уровня воды в одоемов и водотоков при продолжительности действия без смены ленты в течение 8, или 32 дней. Самописец состоит из двух основных узлов: поплавкового устройства и регистрирующего механизма (рисунок 7).

Параллельно ходовому винту установлена шкала 14, по которой с помощью указки 13 делают отсчет высоты уровня. Держатель карандаша (пера) 7 крепится на шарнире, что позволяет производить его установку на нужное деление ленты барабана, соответствующее значению уровня в данный момент времени.

При установленных зубчатых шестеренках на оси поплавкового колеса и винте с передачей 1:1 уровень записывается в масштабе 1:20 при амплитуде колебания уровня до 6 м; соответственно при шестеренках с передачей 2:1 масштаб записи уровня 1:10 и предельная амплитуда колебания уровня 3 м; при шестеренках с передачей 4:1 масштаб записи уровня 1:5, амплитуда колебания уровня 1,5 м.

1 – груз; 2 – поплавок; 3 – противовес; 4 – колесо; 5, 9, 11, 12 – шестерни; 6 – барабан; 7 – держатель карандаша; 8 – каретка; 10 – часовой механизм Барабан самописца установлен на двух кронштейнах на центрах. Правый кронштейн имеет выдвижной центр, фиксируемый в рабочем положении зажимным винтом.

Барабан приводится в движение, как указано выше, посредством зубчатой передачи от часового механизма, смонтированного на специальном кронштейне. Зубчатая передача сменная.

Регистрирующий механизм и поплавковое колесо самописца заключены в металлический кожух со смотровым окном. Прибор смонтирован на литой силуминовой плате.

Для предохранения механизма прибора от пыли и влаги между кожухом и платой проложена резиновая прокладка и установлен стаканчик с влагопоглотителем.

Работа прибора заключается в следующем. Изменение уровня воды через поплавок 2 вызывает угловое перемещение поплавкового колеса 4, а это в свою очередь – линейное перемещение каретки 5 с карандашом (пером) 7 вдоль оси барабана 6. Одновременно происходит равномерное вращение барабана 6 часовым механизмом 10.

В самописце этого типа амплитуда колебаний уровня воды записывается вдоль образующей барабана 6, а ось времени располагается перпендикулярно к ней. Запись колебаний уровня воды производится на бумажной ленте, наложенной на барабан. Лентами наблюдатель снабжается на станции.

В период эксплуатации самописца необходимо иметь в виду следующее: в случае, когда фактическое изменение уровня воды за время одного оборота барабана превысит предельную амплитуду уровня, регистрируемую самописцем при данном масштабе записи, карандаш (перо) доходит до края ленты, запись уровня прерывается, а карандаш скользит вдоль края ленты до момента, когда уровень вновь войдет в пределы освещаемой прибором амплитуды, т. е. в пределы размеров ленты. При установке самописца необходимо проследить, чтобы начальное положение каретки с карандашом обесп ечивало возможно более полное освещение ожидаемого изменения уровня. Например, при установке самописца накануне (в начале) подъема уровня в половодье каретка с карандашом в начальном положении должна помещаться в левом углу ленты на барабане.

Гидростатический дистанционный уровнемер ГР-97. Уровнемер ГР-97 (рисунок 8) предназначен для измерения уровня подземных вод и передачи данных измерений на расстояние по проводной линии связи.

Принцип работы уровнемера основан на манометрическом способе измерения гидростатического давления воды с последующим преобразованием его в числоимпульсный код, пропорциональный измеряемому ртутный манометр, на одно колено которого воздействует суммарный напор гидростатического и атмосферного давления, на второе – только атмосферное Уровнемер выполнен в виде металлического цилиндра, внутри которого расположен ртутный манометр и Для измерения высоты ртутного столба в трубке манометра используется реверсивный двигатель, ось которого соединена с микрометренным винтом, по которому Рисунок 8 – Уровнемер ГР- Управление работой электродвигателя осуществляется с помощью электромагнитных реле и переключателей.

Информация регистрируется с помощью электромеханического счетчика.

Прибор целесообразно использовать:

3) как датчик уровня подземных вод при автоматизации измерений. Уровнемер предназначен для работы успокоителем основан на гашении волнения в резервуаре успокоителя и отсчете по шкале рейки установивРисунок 9 – Рейка водомерная переносная с успокоителем ГР- Рейка представляет собой резервуар, имеющий в сечении форму ромба, склеенный из плексигласовых профилированных пластин. На каждой пластине нанесена сантиметровая шкала с оцифровкой снизу вверх через 10 см в пределах от 0 до 100 см.

В нижнюю часть рейки вклеено плексигласовое дно, защищенное металлической планкой, установленной на винтах. В верхней части рейка заканчивается деревянной ручкой. В дне имеются отверстия, которые снаружи заканчиваются сменными ниппелями с диаметрами отверстий 2, 4 и 6 мм. Ниппель с отверстием 2 мм применяется для измерения уровня при высоте волны до 0,4 м, при спокойной поверхности воды или при незначительном волнении используются ниппели с диаметрами отверстий 4 и 6 мм.

Для производства измерений рейка погружается в воду с открытым клапаном. Клапан поддерживается открытым с помощью скобы, расположенной на ручке. Затем отверстия в дне рейки перекрывают клапаном.

Отсчет установившегося уровня производится после извлечения рейки из воды.

В верхней части одной из пластин рейки имеется отверстие, предназначенное для выхода воздуха при заполнении успокоителя водой и слива ее после измерения уровня.

Для удобства отсчета, особенно в темное время, внутри резервуара помещен кольцевой пенопластовый поплавок.

Рейка водомерная переносная ГР-104 (РВП-III-49). Рейка ГР-104 (рисунок 10) предназначена для измерения высоты уровня воды на свайном водомерном посту.

Рейка водомерная переносная представляет собой трубу, в один конец которой заподлицо с ее торцовой поверхностью вмонтирована металлическая пробка, на другой конец надета ручка. На наружной поверхности трубы от нижнего ее конца в направлении к ручке нанесена шкала, имеющая 1000 делений. Оцифровка шкалы дана через каждые 10 см.

Для измерения высоты уровня воды рейку устанавливают вертикально на головку сваи водомерного поста.

Рейка максимальная ГР-45. Рейка ГР-45 (рисунок 11) предназначена для измерения максимального уровня воды в промежуток между сроками наблюдений.

Рисунок 10 – Рейка водомерная переносная ГР-104 (РВП-III-49) Рисунок 11 – Рейка максимальная ГР- Рейка представляет собой трубу с винтовым наконечником, предназначенным для установки рейки в грунте. Внутрь рейки устанавливают шток с сантиметровыми делениями. На шток перед установкой его в трубу наносят слой мела, по смыванию которого определяется максимальный уровень воды.

Максимальную рейку устанавливают на водомерном посту путем ввинчивания наконечника в грунт. Трубку рейки устанавливают с таким расчетом, чтобы нулевые деления на ней и на штоке совпадали с головкой сваи.

1.1.2 Задание к работе «Обработка материалов наблюдений за уровнем воды»

1. Измерить и вычислить уровни воды (Н, см) в гидрометрическом лотке.

2. Построить график колебания ежедневных уровней воды за конкретный год и нанести ледовую обстановку (по варианту, пример – таблица 1).

3. Составить таблицу повторяемости и продолжительности стояния уровней.

4. Построить график кривых повторяемости (частоты) и продолжительности обеспеченности) стояния уровней.

5. Определить:

а) продолжительность навигации в заданном створе реки с условием ее возможности при уровнях Н min+1 м;

б) характерные уровни и их продолжительность;

в) значения уровня 25, 50; 75%; обеспеченности и продолжительность стояния уровня 75% обеспеченности для нужд орошения.

Значение уровня воды обеспеченностью, например, 50% от 365 дней, т. е. в течение 183 дней, отметка воды была выше 120 см.

В инженерной гидрологии (эксплуатационная, ирригационная) и при регулировании стока используют гидрометрические данные.

1.1.3 Измерение и вычисление уровня воды Измерение уровня в настоящей работе производятся с помощью водомерной рейки, установленной в гидрометрическом лотке лаборатории № 8 а также самописцем уровня «Валдай». Результаты наблюдений за уровнем воды в гидрометрическом лотке записываются в журнал лабораторных работ, и расчет ведется в табличной форме (таблица 1).

Таблица 1 – Уровни воды в гидрометрическом лотке Определение уровня воды на свайном водомерном посту производят лишь после приведения отсчетов по рейке к условной постоянной для этого створа плоскости – «нуль графика», принимаемой на 0,5 м ниже минимального исторического уровня. Величина уровня рассчитывается суммированием отсчета по рейке с приводкой сваи.

При использовании самописца «Валдай» средний уровень воды за сутки определяется планиметрированием площадки, ограниченной линией записи на ленте самописца, с последующим делением ее на длину (абсциссу) линии записи.

Обработка материалов наблюдений за уровнями воды осуществляется на основании данных «Гидрологического ежегодника» (таблица 2).

Таблица 2 – Ежедневные уровни воды р. Большой Зеленчук (ст-ца Исправная, 1961 г.), см

Число I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Средний годовой уровень – 144. Высший – 236 (25/VI). Низший – 98 (24/XII).

Примечание. 18/I снежница. 12/II забереги выше и ниже водопоста.

График изменения средних суточных уровней строится по данным таблицы 2 «Ежедневные уровни воды» на миллиметровой бумаге размером 407288 мм (рисунок 12).

Рисунок 12 – График колебания уровня воды р. Большой Зеленчук (ст-ца Исправная) На горизонтальной оси графика – время (месяцы года); на вертикальной – значения уровней над нулем графика (см). Вертикальный масштаб подбирается в зависимости от годовой амплитуды колебания уровней. Последняя вычисляется как разность максимального Н max и минимального Н min среднесуточного уровней. Выбор масштаба рекомендуется производить по таблице 3.

Таблица 3 – Масштабы для построения графика колебания ежедневных уровней Годовая амплитуда, м Построение графика изменения уровня производится следующим образом. На расстоянии 1 мм от начала координат (что по времени соответствует 1 января) восстанавливают перпендикуляр до пересечения с перпендикуляром к оси ординат на отметке 126 см (уровень 1 января). Пересечение перпендикуляров отмечают точкой. И так за каждые сутки года. Соединяя точки, получают кривую, дающую наглядное представление об изменении режима уровней на конкретном водомерном посту, а также о типе питания реки.

Ледовая обстановка наносится на график по данным ледовых явлений на водном объекте, проставляемым справа от значений уровня (таблица 2). Их условные обозначения приводятся рядом с величинами уровней в «Ежегодниках» (рисунок 13, б).

Рисунок 13 – Условные обозначения ледового режима на графиках (а) и в таблицах (б):

1 – сало, 2 – забереги; 3 – сало при заберегах; 4 и 5 – редкий и густой шугоход; 6 и 7 – редкий и густой ледоход; 8 – ледостав; 9 – вода поверх льда; 10 – закраины или поднявшийся лед; 11 – дата затора или зажора; 12 – дата подвижки льда 1.1.4 Составление ведомости повторяемости (частоты) и продолжительности (обеспеченности) Повторяемостью уровня называют количество дней с данным уровнем в пределах заданного интервала. Продолжительность – количество дней с уровнем воды не ниже заданного.

Для составления ведомости повторяемости и продолжительности стояния уровней годовая амплитуда колебания делится на 13–20 интервалов (по 10, 20, 40 см). Производится выборка количества дней повторения уровня в каждом интервале за каждый месяц (из таблицы 2) и результат вносится соответственно интервалу и месяцу в таблицу 4 в графу 7 против интервала 236–230 число 2 и так по каждому интервалу за каждый отдельный месяц года. В графу «Итого» записывают сумму дней по вертикали.

Она должна равняться числу дней в месяце.

Таблица 4 – Ведомость повторяемости и продолжительности уровней над нулем Повторяемость уровня за год для каждого интервала получаем сложением числа дней появления уровней и записываем в графу 14 таблицы 4. Например, в интервале 189–180 повторяемость равна 46 дням.

Продолжительность стояния уровня в днях вычисляется путем последовательного суммирования повторяемостей в отдельных интервалах начиная с наивысшего (графа 16).

На графике указывается название реки и поста, год, отметка нуля графика.

1.1.5 Построение графика кривых повторяемости и продолжительности стояния Построение кривой повторяемости в днях производится по данным граф 1 и 14 таблицы 4, а частоты – граф 1 и 15. Для построения кривой продолжительности используем данные граф 1 и 16, обеспеченности – граф 1 и 17. Точки по оси координат откладывают в середине интервала для кривой повторяемости и нижнем конце интервала для кривой продолжительности. Плавно соединяя точки, получают кривые повторяемости и продолжительности (рисунок 14).

Частоту и обеспеченность уровней определяют из таблицы 4 (графы 15 и 17) или по рисунку 14, используя кривые повторяемости и продолжительности и ось времени (абсциссу) в процентах от года.

Рисунок 14 – График повторяемости (1) и продолжительности (2) уровней р. Большой Построенные кривые продолжительности (обеспеченности) и повторяемости (частоты) уровня используются при решении многих практических задач, например при определении продолжительности затопления, для расчета отметок водозабора и т. д.

В задании нужно определить сколько дней в году были обеспечены уровни Нmax, Нmin, Нср.год, а также судоходные глубины при условии, что последние соответствует уровню Н min+1 м. Как видно из рисунка 14, уровень воды в р. Большой Зеленчук (ст-ца Исправная) не опускался ниже 97 см, т. е. судоходными глубины Н 0,97+1=1,97 м были 20 дней.

Оформляется задание чернилами, рисунки выполняются в карандаше. Кривые вычерчивают разным цветом или условными обозначениями.

Глубиной водного объекта называется расстояние по вертикали от поверхности воды до дна (реки, канала, озера, водохранилища и т. п.). Измерения глубин (промерные работы) – важный вид гидрометрических работ. Сведения о глубинах водотоков необходимы для нужд судоходства и лесосплава, проектирования, строительства и эксплуатации систем водоснабжения, гидротехнических сооружений, определения расходов воды, наносов, а также величин объемов воды в озерах и водохранилищах.

При промерных работах применяют различные приборы и устройства (наметки, лоты, эхолоты).

Поскольку глубина воды измеряется от ее поверхности, при проведении промерных работ обязательно ведут наблюдения за уровнем воды. Уровень воды во время пром еров называется рабочим уровнем НР. По материалам промерных работ строят поперечные и продольные профили реки или водоема, определяют их морфометрические характеристики.

1.2.1 Приборы и устройства для измерения глубин водных объектов При промерных работах применяют различные приборы и устройства (наметки, лоты, эхолоты, гидрометрические штанги).

Наметка. Это устройство (рисунок 15, а) представляет собой деревянный шест круглого сечения диаметром 4–5 см, длиной до 5–7 м.

Рисунок 15 – Простейшие приборы для измерения глубин:

При измерении глубин наметку выбрасывают нижним концом вперед по ходу промерного судна, а отсчет глубин по ней производят в тот момент, когда наметка окажется на дне водоема в вертикальном положении. Отсчеты глубин определяют с точностью до 2–5 см.

При малых глубинах для промеров могут применяться различного рода рейки, а также гидрометрические штанги.

Лот (ручной, механический). Лот ручной представляет собой металлический груз весом от 2 до 5 кг, на верхнем конце которого имеется ушко для прикрепления его к линю, в качестве которого употребляют предварительно растянутый пеньковый или капроновый шнур или мягкий стальной трос. Лотлинь размечают мерками на метры и дециметры.

Стандартный ручной лот (рисунок 15, б) рассчитан на измерение глубин в реках до 25 м, а в водоемах без течения – до 100 м.

При измерении глубин лот забрасывается вперед против течения, отсчет берут в момент, когда лот достиг поверхности дна, а линь находится в натянутом положении.

Вследствие прогиба линя и относа лота течением, точность измерения лотом меньше, чем наметкой (5–10 см).

Лот механический состоит из трех основных частей:

1) лебедки со счетчиком, служащей для опускания и подъема груза (лота) при изм ерении глубин;

2) троса, на котором опускается груз;

3) груза обтекаемой рыбовидной формы.

Для измерения глубин и других гидрометрических работ чаще всего применяются лебедки «Нева» (рисунок 15, в) и «Луга».

Счетчики лебедок указывают длину размотанной части троса с точностью до 1 см и имеют приспособления для установки на нуль. Длина троса на обеих лебедках по 22 м.

Лебедка «Нева» удобна для применения глубин с гидрометрического мостика, а «Луга» – с лодки.

Стандартные гидрометрические грузы имеют вес от 5 до 100 кг, их подбор регламентируется скоростью течения потока (рисунок 16).

Рисунок 16 – Схема к определению поправок на относ лотлиня течением Эхолоты. Промерные эхолоты используются для автоматического измерения глубин с помощью гидроакустики. Они обеспечивают высокую точность измерения глубин, а также большую оперативность выполнения промерных работ.

Речные промерные эхолоты можно разделить на два основных типа: 1) эхолоты с самопишущим устройством; 2) эхолоты с указателем глубин.

1.2.2 Обработка материалов промеров глубин Исходные данные: выписка из книжки для записи промеров глубин (таблица 5).

Глубины измеряли с лодки наметкой с поддоном, расстояния – по размеченному стальному тросу. Погода: ясно, ветер – слабый по течению, русло – свободное. Уровень воды на гидрологическом посту принят равным Н=3,8 м над нулем графика, равным 678,5 м.

Требуется: 1) обработать материалы промеров; 2) построить профиль водного сечения реки; 3) вычислить основные морфометрические характеристики водного сечения.

Отметки дна на каждой промерной вертикали вычисляют путем вычитания отметки водной поверхности глубины воды на каждой вертикали (графа 5).

Таблица 5 – Выписка из книжки для записи промеров глубин (нуль графика поста – 678,5 м усл.) промерной 2. Поперечный профиль водного сечения (рисунок 17) строят по расстояниям между промерными вертикалями от постоянного начала и глубинам (графы 2 и 5 таблицы 5).

Вертикальный масштаб обычно принимают крупнее горизонтального. Откладывают глубины вниз от поверхности воды, соединяют их концы прямыми линиями, получают профиль дна. Разность между отметкой поверхности воды и глубиной на вертикали даст отметку дна реки.

3. Для каждого профиля вычисляют основные морфометрические характеристики, необходимые для гидрологических и гидравлических расчетов: площадь водного сеч ения ; ширину реки или водоема В; среднюю глубину hср, наибольшую глубину h max, гидравлический радиус R.

Принятые данные:

№ промерной вертикали постоянного начала, м Площадь, ограниченную профилем дна и поверхностью воды, перпендикулярную вектору скорости потока, называют площадью водного сечения. Ее можно определить планиметрированием профиля или аналитически – суммированием рассчитанных площадей, ограниченных промерными вертикалями и поверхностью воды и дном (см. рисунок 17).

Для прибрежных участков, если h0 = h = 0, то площадь водного сечения определяют по формуле Все остальные участки площади, ограниченные промерными вертикалями, представляют собой трапеции и определяются по формуле:

Общая площадь водного сечения вычисляется суммой отдельных площадей вычисленных по формулам (1) и (2).

где: h1, h2, h3, …, h n – рабочие глубины, м;

b0 – расстояние между урезом правого берега и первой вертикалью и расстояние между урезом левого берега и последней вертикалью.

b1, b2, … b n – расстояние между промерными вертикалями, м.

Результаты вычислений приведены в графе 7 таблицы 5.

Ширину реки определяют как разность расстояний левого и правого урезов берегов от постоянного начала:

Средняя глубина составляет:

Наибольшая глубина в водном сечении h max=3,8 м.

Если ширина реки значительно превышает среднюю и наибольшую глубину, гидравлический радиус принимают равным средней глубине:

Полученные морфометрические характеристики водного сечения реки выписывают в качестве принятых данных на поперечный профиль (см. рисунок 17).

При решении гидрометрической задачи по измерению расходов воды наиболее ответственным является измерение скоростей течения как составного гидравлического элемента речного потока.

Скоростью движения воды называют путь, пройденный частицей жидкости в одну секунду. Скорость потока измеряют с помощью гидрометрических вертушек, поплавков, трубок Пито, микровертушек и лазерных установок.

1.3.1 Приборы для измерения скоростей движения воды Гидрометрическая вертушка ГР-21М (рисунок 18) предназначена для измерения скоростей течения в водотоках. Опускается в поток на штанге или тросе.

Работа гидрометрической вертушки основана на преобразовании угловой скорости вращения винта под действием набегающего потока в частоту следования электрич еских импульсов. Между скоростью течения и числом оборотов лопастного винта в единицу времени существует определенная зависимость, устанавливаемая при тарировке.

Вертушка состоит из корпуса, винта, управляющего контактным преобразователем, и хвостового оперения. Корпус, в котором расположен контактный преобразователь, водонепроницаем и заполнен маслом. Сигнальное устройство состоит из электрическ ого звонка или лампочки, управляемых контактным преобразователем. Один электрический импульс в сигнальной цепи отмечается через 20 оборотов винта. Для счета числа импульсов в единицу времени используется секундомер.

Прибор рассчитан на работу в полевых условиях с плавсредств или с гидрометрических сооружений (мостик, люлька) в летний период и со льда – в зимний период. Вертушка рекомендуется для эксплуатации на реках равнинного типа.

Гидрометрическая вертушка ГР-55 (рисунок 19) служит для измерения скоростей течения воды. Опускается в водоток на штанге или тросе.

Принцип действия гидрометрической вертушки ГР-55 аналогичен вертушке ГРМ. Отличительной особенностью является конструктивное решение электромеханического преобразователя, упрощающее технологию изготовления деталей и улучшающее эксплуатационные качества прибора.

Вертушка ГР-55 рекомендуется для эксплуатации на реках горного типа и для работы в гидротехнических сооружениях. Лопастный винт № 2 рекомендуется применять при опускании на тросе.

Микровертушка ГР-96. Микровертушка ГР-96 (рисунок 20) предназначена для измерения скорости течения воды. Опускается в поток на штанге.

Определение скорости основано на зависимости между скоростью течения набегающего потока и угловой скоростью вращения лопастного винта. Скорость течения в любой точке потока определяется по тарировочному графику. Прибор состоит из вертушки и регистратора импульсов.

Вертушка состоит из корпуса, ходовой части с лопастным винтом и контактного устройства.

Преобразование числа оборотов винта в электрические сигналы основано на использовании электропроводности воды, составляющей электрическую цепь линии связи. Сигналы в линии связи следуют через один оборот лопастного винта.

Регистратор импульсов состоит из усилителя и электромеханического счетчика.

Усилитель предназначен для формирования и усиления электрических импульсов, а электромеханический счетчик – для суммирования их количества. Отсчет времени производится по секундомеру.

Микровертушка ГР-96 рекомендуется для эксплуатации в лабораторных условиях, а также в естественных руслах и каналах при отсутствии травы, водорослей и пр.

Гидрометрическая вертушка ГР-99. Вертушка ГР-99 (рисунок 21) предназначена как для измерений скоростей течения воды в отдельных точках, так и интеграционным способом. Опускается в поток на штанге или тросе.

Определение скорости основано на функциональной зависимости между скоростью течения набегающего потока и угловой скоростью вращения лопастного винта.

Прибор состоит из вертушки и пульта со счетчиком импульсов. Преобразование числа оборотов лопастного винта вертушки в электрические импульсы осуществляется с помощью магнитоуправляемого контакта (геркона). Суммирование импульсов, п оступающих от контактов геркона, осуществляется регистратором импульсов.

Пульт состоит из электромеханического счетчика, секундомера и устройства, обеспечивающего синхронное включение и выключение счетчика и секундомера.

Скорость течения воды определяется по тарировочному графику.

Вертушка ГР-99 рекомендуется для эксплуатации на реках равнинного и горного типа с плавсредств или с гидрометрических сооружений (мостик, люлька).

Рисунок 21 – Гидрометрическая однооборотная вертушка ГР- Установка гидрометрическая интеграционная ГР-101. Установка ГР-101 (рисунок 22) представляет собой комплекс приборов и предназначена для измерения интеграционным способом средней скорости течения на вертикали при определении расходов воды в реках.

Установкой можно также измерять скорость течения воды в отдельных точках потока и выполнять промерные работы.

Действие прибора основано на непрерывном суммировании сигналов гидрометрической вертушки при перемещении ее по измерительной вертикали с некоторой постоянной скоростью.

В комплект установки входят: гидрометрическая вертушка, гидрометрические грузы массой 25 и 50 кг, снабженные донным контактом, и измерительный пульт.

Гидрометрическая вертушка является датчиком скорости и состоит из корпуса и ходовой части с контактным устройством.

Контактное устройство, служащее для преобразования вращательного движения лопастного винта вертушки в электрические импульсы, состоит из магнитоуправляемого контакта типа КЭМ-2, постоянного магнита и магнитного экрана. Контактное устройство периодически, через один оборот лопастного винта, замыкает цепь, в которую включена вертушка.

Рисунок 22 – Установка гидрометрическая интеграционная ГР- Гидрометрические грузы предназначены для удерживания вертушки на вертикали и ориентации ее в потоке.

На грузе установлены: кронштейн с гайкой для установки и закрепления вертушки;

планка с отверстиями, укрепленная на стойках и служащая для подвешивания груза к несущему тросу лебедки; донный контакт, предназначенный для сигнализации о достижении грузом дна потока.

Измерительный пульт предназначен для суммирования сигналов вертушки и определения времени ее работы при измерении средней скорости интеграционным способом.

Суммирование сигналов вертушки производится электромеханическим счетчиком типа МЭС-54, а измерение времени работы вертушки – механическим секундомером, кнопка которого кинематически связана с рычагом блока управления. Включение и выключение счетчика и секундомера производится синхронно. Включение производится вручную, а выключение – автоматически, при срабатывании донного контакта груза.

Перемещение вертушки с грузом по вертикали производится с помощью гидрометрической лебедки (типа «Луга», «Нева», ГР-36 и т. п.), при этом равномерность перемещения обеспечивается вращением рукоятки лебедки по звуковым сигналам метронома. Интервалы между сигналами метронома 1, 4 и 6 с. Генератором звуковых сигналов метронома является звонок.

Измерения установкой производятся с моста, лодки, катера, люльки и других средств переправы, а также с берега, если гидрометрический створ оборудован установкой ГР-64 или ГР-70.

1.3.2 Методика измерения скоростей Скорости течения измеряют на скоростных вертикалях. Число скоростных вертикалей и точек измерения скорости зависит от состояния водотока, глубины потока и требуемой точности вычисления расхода.

Различают три способа измерения скоростей вертушкой: детальный, основной и сокращенный.

Детальный способ. При этом способе измерения скорости число точек по глубине равно пяти: поверхность; 0,2h; 0,6h; 0,8h и дно.

При измерении скорости у поверхности ось вертушки устанавливается на глубину, равную 0,1 м.

При измерении скорости у дна ось вертушки должна устанавливаться так, чтобы лопасть винта возвышалась над дном на 0,1 м.

Глубина погружения на 0,6 h с учетом глубины вертикали (h=3,15 м) составляет 0,6·3,15=1,89 м, аналогично следует проверить и расчет глубин положения точек 0,6h и 0,8h.

Глубины погружения указываются от поверхности воды, отсчеты же по штанге вычисляются от дна. Следовательно, чтобы получить отсчет по штанге для точки «п оверхность» следует из общей глубины вычесть глубину погружения в метрах. Аналогичные расчеты проводятся для всех точек вертикали. Число точек зависит от глубины, состояния реки и размеров вертушки (расстояние между точками должно быть не менее диаметра лопастного винта). При наличии ледяного покрова к пяти точкам добавляется точка 0,4h.

При детальном способе для наблюдения за пульсацией скорости производится запись времени поступления отдельных сигналов.

При небольших скоростях течения записывается отсчет времени для каждого сигнала, при больших скоростях – через один или несколько сигналов.

Вводится термин «прием», который означает число сигналов, поступающих за промежуток времени между записями.

При поступлении сигналов чаще, чем через 3–5 с, следует переходить на сокращенный способ измерения с записью только общего числа оборотов за время измерения.

Число приемов за время измерения должно быть четным, не менее двух и не более восьми. Общая продолжительность наблюдений должна быть не менее 100 с. При малой пульсации скорости отсчеты по секундомеру должны не значительно отличаться друг от друга.

Если при проверке записей отсчетов по секундомеру обнаружатся ошибки в сигналах, то сомнительные записи следует исключить из расчета. Таким образом, проверив сигналы для всех точек, убеждаемся, что полевые записи произведены верно и можно приступать к дальнейшей обработке и вычислению скорости в точке.

Основной способ. При русле свободном ото льда и растительности, скорость измеряется в точках 0,2h и 0,8h. Если глубины недостаточны, то в одной точке – 0,6h.

При заросшем русле или при наличии ледяного покрова измерения производятся в точках 0,15h; 0,50h и 0,85h. Если глубины недостаточны, то наблюдения за скоростями проводят в точке 0,5h.

Сокращенный способ. Измерение скоростей производится в двух точках – 0,2h и 0,8h или в одной точке – 0,6h.

Согласно вышеизложенным указаниям и рекомендациям по проверке записей расположения вертушки по глубине определяется правильность погружения вертушки на заданные точки.

При основном и сокращенном способах определения расхода наблюдения за пульсацией не производится. Поэтому записывается общая продолжительность периода измерения t, причем первый сигнал, по которому включается секундомер, не учитывается. При проверке наблюдений нужно придерживаться следующих правил: 1) если за 100 с поступит пять сигналов и более, то по следующему сигналу секундомер останавливается и измерения прекращаются; 2) если за 100 с поступит один – три сигнала, то наблюдения продолжаются до четвертого сигнала. Продолжительность наблюдений может быть меньше 100 с при больших скоростях течения. В бланке записывается номер последнего сигнала. Предположим, что за время t = 128 с поступило 16 сигналов, число оборотов за прием равно 20, тогда сумма оборотов равна 16·20=320.

После проверки записи показаний вертушки вычисляется сумма оборотов лопастей вертушки N (как произведение номера отсчета по секундомеру на число оборотов за прием).

При всех способах измерений число оборотов лопастей в секунду определяется с точностью до 0,01 по формуле (об./с):

где N – сумма оборотов лопасти в точке, об.;

t – продолжительность наблюдений, с.

Вычисление скорости в точке производится по тарировочной кривой или по градировочной таблице 6 в зависимости от числа оборотов лопасти в секунду. Тарированием гидрометрической вертушки называется испытание, в результате которого устанавливается зависимость между скоростью течения U (м/с) и n (об./с). По полученному значению n1 определяется скорость в точке U1 (м/с).

Таблица 6 – Градуировочная таблица вертушки ГР-21 (№ 375220) по определению скорости (м/с) в зависимости от числа оборотов в секунду оборотов Среднюю скорость на скоростной вертикали вычисляют по одной из следующих формул: при свободном русле в случае измерения скорости в пяти стандартных точках (детальный способ):

при убывании скорости от поверхности ко дну:

в одной точке:

в двух точках:

При наличии ледяного покрова или растительности в случае измерения в одной точке:

На графике указывается название реки и поста, год, отметка нуля графика, где k = =0,9.

Результаты измерения скоростей, а также глубин воды на скоростных вертикалях заносят в книжку для записи измерения расхода воды КГ-ЗМ (таблица 7).

Расход воды, т. е. количество воды, протекающей через живое сечение потока в секунду, – одна из главных гидравлических характеристик потока жидкости, определяющая другие его параметры: уровни воды, скорости течения, уклоны свободной поверхности, движение наносов и пр.

В гидрометрии наиболее распространен способ определения расходов воды, основанный на измерении местных скоростей течения гидрометрической вертушкой и площади живого сечения потока, сокращенно называемый способом «скорость – площадь».

Вычисление расхода воды осуществляется по скоростям, измеренным гидрометрической вертушкой, и глубинам потока, а также площадям живого сечения потока (аналитическим или графическим способом).

Аналитический способ применяют при детальном и основном способах измерения расхода. Он основан на рассечении модели расхода вертикальными плоскостями, перпендикулярными живому сечению, и определении расхода воды Q как суммы частичных расходов между соседними плоскостями, проходящими через скоростные вертикали. Расчетная схема к этому способу представлена на рисунке 23.

Сложная по форме модель расхода по этой схеме заменяется рядом правильных геометрических фигур (пирамид или призм), объем которых может быть подсчитан по формуле (8).

Например, частичный расход воды между первой и второй скоростной вертикалями равен:

где Uср i – средние скорости соответственно на i-тых вертикалях;

i – площадь живого сечения между вертикалями.

Аналогично подсчитывают частичные расходы воды и между другими скоростными вертикалями.

Таблица 7 – Расчетная таблица скоростей течения воды Рисунок 23 – Схема к вычислению расхода воды аналитическим способом Для прибрежных участков, ограниченных урезами берегов, первой и последней скоростными вертикалями, частичные расходы определяют по формулам:

где Uср – средние скорости соответственно на первой и последней скоростных вертикалях;

0 и П – площади живого сечения соответственно между урезом левого берега и первой скоростной вертикалью, и урезом правого берега и последней скоростной вертикалью;

k = 0,7 – пологий берег с глубиной на урезе h = 0, k = 0,8 – обрывистый берег или неровная стенка, k = 0,9 – гладкая стенка, k = 0,5 – наличие мертвого пространства.

Полный расход через все живое сечение вычисляют как сумму частичных расходов:

Площади живого сечения 0, 1,..., r между скоростными вертикалями вычисляют по материалам промерных работ. Средние скорости на скоростных вертикалях Uср1, Uср2, …, Uср определяют по формулам (4–7). Все вычисления ведутся в табличной форме (см. таблица 5).

1.4.1 Задание к вычислению расхода воды Требуется в соответствии с заданием вычислить расход воды аналитическим способом по скоростям, измеренным гидрометрической вертушкой, и глубинам потока.

Исходные данные: выписка из книжки для записи измерения расхода воды ( см.

таблица 7). Скорости измеряли вертушкой типа ГР-21; контакт через 20 оборотов;

градуировка № 15.

Порядок вычислений следующий:

1. Обрабатывают материалы промеров глубин по гидроствору и подсчитывают площади водного сечения между промерными и скоростными вертикалями (таблица 8).

Площади между промерными вертикалями (таблица 8, графа 7) вычисляют как площади трапеций, образованных промерными вертикалями, линией дна и свободной поверхности, а между скоростными вертикалями (графа 8) – как суммы площадей между соответствующими промерными вертикалями. Например, между урезом правого берега и скоростной вертикалью I 0 = 2,6 м2, а между скоростными вертикалями I и II 1 = 6,4+8,2 = 14,6 м2 и т. д.

Таблица 8 – Вычисление расхода воды аналитическим способом промерной Общая площадь водного сечения =112,3 м2 получена как сумма частичных площадей между промерными или скоростными вертикалями.

2. Вычисляют скорости течения на скоростных вертикалях (таблица 7) в таком порядке:

Подсчитывают суммарное число оборотов лопастного винта вертушки за время измерения в каждой точке (графа 14 таблицы 7).

где p – число оборотов за прием;

S – общее число приемов в точке измерения.

Например, на скоростной вертикали I при измерении скорости на глубине 0,6 h число приемов S1=6. Поскольку лопасть вертушки делает 20 оборотов за прием, суммарное их число за время измерения N=20 · 6=120.

Рассчитывают частоту вращения лопастного винта, т. е число оборотов в секунду в точках измерения (графа 15 таблицы 7):

где t – общая продолжительность измерения (отсчет по секундомеру на последний сигнал, графы 11–13). Для рассматриваемой точки n1=120/127=0,945 об./с.

По градуировочной таблице 6 определяют скорости течения в точках измерения (графа 16). В частности, при n1=0,945 об.·с–1 местная скорость U1=0,22 м/с.

3. Далее определяют средние скорости на скоростных вертикалях (таблица 6, графа 17). При этом в зависимости от числа точек измерения скорости по глубине и состоянию русла применяют одну из формул (5, 6). Для первой вертикали Uср=0,22 м/с, для 2-й – Uср=0,30 м/с.

4. Расход воды между скоростными вертикалями (графа 11 таблицы 7) вычисляют по формулам (8–10). Для прибрежных вертикалей коэффициент k принимают равным 0,7 (0,8 – пологий берег с глубинами на урезе h = 0).

5. Общий расход воды получают суммированием частных расходов между скоростными вертикалями (графа 11 таблицы 7).

Рассчитанные данные выписывают отдельно в виде вывода: расход воды Q = =29,19 м3/с; площадь водного сечения =112,3 м2; ширина реки В = 50 м; средняя глубина hср = /В =2,24 м; наибольшая глубина hmax = 3,8 м; средняя скорость течения U = Q/ = 0,25 м/с; наибольшая скорость течения U max = 0,3 м/с.

По данным графы 11 таблицы 6 строят эпюру скоростей по ширине потока, а по графе 12 таблицы 7 – эпюру расходов (рисунок 24).

6. Определяют характеристики стока р. Большой Зеленчук (ст-ца Исправная) за 1961 г.:

1) объем стока W = Q·T = 29,19·31,54·106 = 921·106 м3;

2) модуль стока М = Q·103/F = 29,19·103/1900 = 15,4 л/(с·км2);

3) слой стока h = W/F·103 = 921·106/1900·103 = 0,48 мм.

Принятые данные:

№ промерной вертикали постоянного начала, м Рисунок 24 – Поперечный профиль реки Большой Зеленчук (ст-ца Исправная, 1961 г.) 1.4.2 Гидрометрические приборы для измерения характеристик потока Шугобатометр ГР-ЗМ (рисунок 25) предназначен для взятия проб шуги в реках, каналах и водоемах с целью определения толщины слоя, плотности или объемного веса плывущей по поверхности шуги.

Действие прибора основано на консервации взятой пробы с последующим определением ее объема и веса.

Шугобатометр представляет собой металлическую трубку квадратного сечения с деревянной рукояткой.

Для более надежного погружения прибора в шугу нижняя часть трубы снабжена наконечником, имеющим острые режущие кромки. С обоих концов трубы имеются откидные дверцы, нижняя из которых (с откидной пружиной) удерживает шугу от выпадения при подъеме прибора, верхняя – предохраняет шугу от выбрасывания ее через верх трубы при взятии пробы, а также предназначена для извлечения шуги из батометра. Вода, взятая с шугой, сливается через отверстия в нижней дверце и боковых стенках трубы. Толщину слоя взятой пробы определяют деревянной рейкой с делениями, входящей в комплект шугобатомет- Рисунок 25 – Шугобатометр ГР-ЗМ ра. Для взвешивания взятой пробы шуги в комплект шугобатометра входят ведро и пружинные весы.

Если для взятия проб шуги длина рукоятки 1,5 м недостаточна, рекомендуется заменять рукоятку веревкой или цепью, длина которой обеспечивает погружение шуг обатометра только па заданную глубину.

Батометр вакуумный модернизированный ГР-61. Батометр ГР-61 (рисунок 26) предназначен для взятия проб воды на мутность.

Рисунок 26 – Батометр вакуумный модернизированный ГР- Действие батометра основано на засасывании через заборный наконечник пробы воды за счет разрежения, создаваемого насосом в вакуумной камере.

Батометр вакуумный состоит из вакуумной камеры, ручного воздушного насоса и водозаборного наконечника, соединенных между собой двумя резиновыми шлангами, а также крана-тройника со струбцинкой.

Вакуумная камера представляет собой цилиндрический сосуд, нижняя часть которого заканчивается конусом, имеющим на конце кран для сливания пробы. В верхней части камеры (крышке) установлены три крана, два из них соединяются при помощи резиновых шлангов с насосом и водозаборным наконечником, через третий кран в вакуумную камеру поступает атмосферный воздух. В центре крышки имеется отверстие, герметически закрытое пробкой, служащее для промывания камеры, а также для установки вакуумметра.

Вдоль цилиндрической части камеры прорезано смотровое окно, закрытое органическим стеклом. По обеим сторонам смотрового окна на прижимной рамке нанесены деления шкалы. Оцифровка шкалы трехлитровой камеры нанесена через 25 делений.

Заборный наконечник представляет собой изогнутую металлическую трубку с карабинами для крепления на грузе или штанге. Ручной насос и заборный наконечник соединены с вакуумной камерой резиновыми шлангами.

Прибор применяется на равнинных и горных реках. Работа с прибором может производиться с лодки, катера, понтона, мостика, люльки, а на малых реках – с берега.

В зимнее время прибор опускается со льда.

Срок службы батометра не менее 5 лет.

Батометр-бутылка на штанге ГР-16М. Батометр-бутылка ГР-16М (рисунок 27) предназначен для взятия проб воды со взвешенными наносами при длительном наполнении.

Батометр состоит из однолитровой бутылки с широким горлышком, которая вставляется в металлическую обойму и закрепляется в ней с помощью зажимной ленты и винта.

Обойма с бутылкой устанавливается с помощью муфты на штанге (от вертушки ГРи закрепляется винтом.

Бутылка снабжена металлической головкой с двумя трубками – водозаборной и воздухоотводной. На концы обеих трубок навинчиваются насадки, соответствующие скорости течения.

При взятии пробы прибор ориентируется в потоке по указателю-визиру на штанге так, чтобы водозаборная трубка располагалась против течения, а воздухоотводная – по течению, причем обе – в одной вертикальной плоскости.

Заполнение бутылки происходит при постоянном гидростатическом напоре, об условленном разностью высот (4 см) внешних концов обеих трубок.

Для заполнения бутылки со скоростью, близкой к скорости течения в потоке, к комплекту прибора прилагается пять насадок с отверстиями соответствующих размеров.

Батометр Молчанова ГР-18. Батометр ГР-18 (рисунок 28) предназначен для взятия проб воды на озерах с одновременным измерением температуры воды.

Отбор проб воды производится путем опускания прибора на тросе на заданную глубину с последующим мгновенным закрыванием крышек цилиндров при помощи пружинного механизма. Пружинный механизм приводится в действие посыльным грузом.

Батометр состоит из двух одинаковых цилиндров, изготовленных из органического стекла емкостью 2 л каждый, связанных между собой металлической рамой, состоящей из двух оснований – верхнего и нижнего.

Донышки цилиндров, связанные между собой коромыслом, открываются и отводятся вместе с центральной осью и временно закрепляются в таком положении с помощью двух подпружиненных собачек, расположенных у верхнего края оси.

В верхней части центральной оси имеется паз с винтом для подвеса батометра к тросу и головка, ударом по которой посыльным грузом разводятся подпружиненные собачки и закрываются донышки и верхние торцы цилиндров.

Внутри каждого цилиндра имеется термометр для измерения температуры воды (ГОСТ 6083-69).

Термометры закреплены внутри цилиндра на специальных кронштейнах. Два непрозрачных кольца, надетых на каждый цилиндр, защищают термометры от попадания на них прямых солнечных лучей. На нижней стороне каждого донышка имеется кран для слива пробы воды.

Нижнее значение вероятности безотказной работы прибора при доверительной в ероятности Р = 0,8 не ниже 0,90 за 500 ч работы.

Батометр-бутылка в грузе ГР-15. Батометр-бутылка ГР-15 (рисунок 29) предназначен для взятия проб воды со взвешенными наноса при длительном наполнении.

Батометр состоит из груза рыбовидной формы и однолитровой бутылки. Груз имеет корпус, хвостовое оперение и откидную головку с вертикальным пазом, через который наружу выходят две трубки.

Хвостовое оперение имеет передвижной грузик для балансировки прибора на тросе.

Груз подвешивается к тросу карабином-скобой за кольцо. В корпусе груза помещается бутылка, закрепляемая неподвижно посредством откидной скобы и поддона.

Бутылка снабжена металлической головкой, через которую проходят две трубки – водозаборная и воздухоотводная. На концы обеих трубок навинчивается соответствующая скорости течения пара насадок.

В пазу откидной головки груза обе трубки располагаются в одной вертикальной плоскости.

Бутылка вкладывается в полость груза до упора дном в пружинящий поддон и закрепляется откидной планкой, после чего закрывается передняя откидная часть груза.

Груз крепится к тросу и опускается с лебедки. В потоке при воздействии течения воды на хвостовое оперение груза водозаборная трубка бутылки устанавливается против течения, а воздухоотводная – по течению.

Гидрометрическая лебедка ГР-36. Лебедка ГР-36 (рисунок 30) предназначена для производства гидрометрических работ.

В лебедке применяется трос с токопроводящей жилой, позволяющей использовать приборы с электроконтактным механизмом.

Лебедка состоит из основания, подъемного механизма, стрелы и вьюшки со счетчиком. К плоскости основания приварена опорная стойка, на которую надета колонка (труба), предназначенная для закрепления стрелы и поворота ее в горизонтальной плоскости.

Стрела в нужном положении фиксируется тормозом.

Подъемный механизм, представляющий собой домкрат, служит для изменения выноса стрелы с подвешенным прибором. Подъем или опускание стрелы осуществляется вращением ходового винта. Стрела представляет собой сварную раму, шарнирно закрепленную на колонке в подъемном механизме. На стреле закреплена вьюшка и направляющий ролик. Наличие у вьюшки более совершенного тормозного устройства – барабана, состоящего из двух колодок с пружинами, делает вьюшку лебедки ГР- надежной и безопасной в работе. Длина вытравленного троса определяется по счетчику типа С-52М.

Прибор фильтровальный Куприна ГР-60. Прибор ГР-60 (рисунок 31) предназначен дли ускоренного фильтрования проб воды отбираемых для определении мутности (взвешенных наносов).

Действие прибора основано на использовании избыточного давления воздуха, создаваемого в баллоне с пробой воды, для ускорения ее фильтрования через бумажный фильтр.

Фильтровальный прибор представляет собой прозрачный баллон, верхняя часть которого закрывается крышкой со штуцером, а нижняя оканчивается уплотнительным кольцом для соединения с конусом. На верхней части конуса установлена сетка для укладки бумажного фильтра диаметром 11 см. Уплотнительное кольцо баллона и конус прижимаются друг к другу с помощью зажима, герметичность соединения обеспечивается резиновой прокладкой. Баллон установлен на штативе и с помощью зажимного винта может закрепляться на различной высоте. Через штуцер полость баллона связана резиновым шлангом с манометром и ручным насосом для создания избыточного давления внутри баллона.

Прибор может использоваться в лабораторных и полевых условиях. При мутности более 0,5 кг/м3 для увеличения скорости фильтрования необходимо создавать максимально допустимое давление в баллоне.

Фильтровальный прибор целесообразно применять при мутности не более 1,0 кг/м3.

Нижнее значение вероятности безотказной работы прибора при доверительной в ероятности Р = 0,8 не ниже 0,90 за 500 ч.

Взятие пробы происходит в процессе поворота заборного ковша под воздействием силы, развиваемой заборного ковша, установленного на оси, пружинного силового привода, связанного с ковшом гибкой Рисунок 32 – Дночерпатель ГР- Щуп донный ГР-69 (рисунок 33) служит для взятия проб донных отложений на лабораторный анализ из водотоков и водоемов с илистым, песчаным, гравелистым и мелкогалечным дном.

Прибор состоит из заборного стакана с расположенным внутри поршнем и противовеса. Заборный стакан навинчен на конец противовеса, который может вращаться на цапфах в вертикальной плоскости.

В верхней части прибора имеется наконечник, который закрепляется на гидрометрической штанге или шесте.

Перед опусканием прибора для отбора пробы стакан с противовесом устанавливается заборным отверстием вниз, (противовес находится над стаканом), фиксируется в этом положении и опускается на дно.

Стакан вдавливается в грунт под действием усилия, прилагаемого к штанге. При подъеме стакана из грунта стакан под тяжестью противовеса переворачивается заборным отверстием вверх и в таком положении поднимается на поверхность. При подъеме ото- Рисунок 33 – Щуп донный ГР- бранной пробы оси цапф, имеющие конусные срезы, входят в конусные пазы и фиксируют стакан с противовесом в этом положении. Извлечение пробы грунта из стакана производится с помощью поршня, который перемещают в крайнее положение.

Нижнее значение вероятности безотказной работы изделия при Р = 0,8 не ниже 0, за 1000 ч.

Дождемер почвенный ГР-28 (рисунок 34) предназначен для измерения жидких осадков на почвенных испарительных площадках.

Почвенный дождемер состоит из дождемерного ведра и гнезда для установки ведра.

Дождемерное ведро имеет форму цилиндра; верхний его срез представляет собой круг площадью 500 см 2. На расстоянии 17 см от дна внутри ведра закреплена диафрагма с шестью отверстиями у вершины конуса диафрагмы. Ведро имеет носик для слива осадков, расположенный под диафрагмой и закрывающийся колпачком, прикрепленным к дождемеру на цепочке. Колпачок на носике и диафрагма служат для предохранения собранных осадков от испарения, что особенно важно в жаркие летние дни, а также для предотвращения загрязнений.

Осадки, собранные дождемерным ведром, измеряются дождемерным стаканом. П оследний представляет собой стеклянный цилиндр из прозрачного стекла, несколько суженный в нижней части и имеющий для устойчивости широкое плоское дно. На стенке стакана нанесено 100 делений. Каждое деление соответствует по объему 5 см3, или слою осадков 0,1 мм.

Гнездо для установки ведра имеет форму цилиндра. В дне гнезда находятся отверстия, через которые стекает вода, поступившая в гнездо. С внутренней стороны ко дну прикреплены три пружинящие опоры для установки на них дождемерного ведра.

Диск белый ДБ (рисунок 35) используется для определения относительной прозрачности воды, а также для создания сравнительного фона при определении цвета воды в морях и озерах. Представляет собой металлический круглый диск, окрашенный белой матовой краской. В центре диска имеется втулка, в отверстие которой вставляется трубка с предварительно надетым на нее грузом-поддоном. Трубка и груз-поддон придают диску устойчивое горизонтальное положение при опускании последнего в воду на лине, размеченном на метры и дециметры, или на тросе, пропущенном через блок-счетчик. Линь или трос пропускается через трубку диска, на конце завязывается узел.

Диск опускается в воду до полного его исчезновения из поля зрения. В момент исчезновения диска по маркам линя или по блок-счетчику замечают глубину погружения диска. Опустив после этого диск глубже на 1–2 м, через некоторое время (30–50 с) его медленно поднимают и в момент обнаружения снова отмечают глубину. Среднее из двух отмеченных глубин принимают за наблюденную величину. Наблюдения повторяют несколько раз.

Для определения цвета воды белый диск опускают с теневого берега на глубину, равную половине прозрачности, а затем сравнивают цвет воды над диском с цветами стандартной шкалы.

Срок службы диска не менее 5 лет.

Шкала цветности воды ШЦВ. Шкала цветности воды (рисунок 36) предназначена для определения естественного цвета воды морей, заливов, озер, водохранилищ и других водоемов.

Работа со шкалой основана на визуальном подборе оттенка шкалы к цвету воды.

Шкала цветности состоит из 22 стеклянных запаянных пробирок, заполненных цветными растворами, с постепенным переходом цвета от синего к коричневому. Пробирки вмонтированы в две откидные рамки футляра. Определение цвета воды может производиться двумя способами:

1) сравнением цвета воды водоема на фоне белого диска, погруженного в воду на половину глубины прозрачности воды, с цветом жидкости в пробирках на фоне белой бумаги, подложенной под пробирки шкалы;

2) сравнением цвета воды (без применения диска) с цветом жидкости в пробирках на фоне черной бумаги, подложенной под пробирки шкалы.

Испаромер ГГИ-3000. Испаромер ГГИ-3000 (рисунок 37) предназначен для измерения испарения с водной поверхности, что при одновременном измерении ряда гидрометеорологических элементов позволяет в результате соответствующей обработки получить сведения о режиме и размере испарения с поверхности водоема.

Испаромер может быть установлен на плоту в водоеме или закопан в землю.

Испаромер состоит из испарителя, дождемера, объемной бюретки и измерительных трубок. Испаритель представляет собой цилиндрический бак с конусообразным дном.

В центре дна бака установлена металлическая реперная трубка, на которую при изм ерениях устанавливают объемную бюретку.

Для индикации уровня воды в испарителе служит укрепленная на трубке игла, острие которой регулировкой устанавливается на 75 мм ниже края испарителя.

Дождемер также представляет собой цилиндрический бак с конусообразным дном.

В бак дождемера вставляется воронка, к верхнему краю которой припаян козырек.

Осадки стекают через трубу в приемное ведро. Объемная бюретка служит для отбора из испарителя некоторого количества воды с целью определения высоты ее уровня относительно плоскости, проходящей через верхний срез реперной трубки.

Бюретка представляет собой цилиндрический стакан, к плоскому дну которого снаружи прикреплен стержень для установки бюретки на реперную трубку испарителя.

У самого дна в боковой стенке бюретки имеется отверстие, плотно закрывающееся резиновой пробкой, закрепленной на конце Г-образного рычага. Вращением винта, вызывающим перемещение Г-образного рычага, можно закрывать или открывать отверстие в бюретке. У верхнего края бюретки имеется воронка для слива воды в измерительную трубку.

Измерительная трубка служит для измерения объема воды, взятого при помощи бюретки из испарителя.

1.4.3 Связь между расходами и уровнями воды (расчетно-графическая работа Между расходами и уровнями воды водотока существует гидравлическая связь.

Имея ряд расходов воды, измеренных при различных уровнях, можно установить зависимость Q=Q(H) для соответствующего сечения водотока. Она обычно выражается в виде кривой Q=Q(H) и называется кривой расходов воды. С ее помощью по уровням H определяют расходы воды Q, не измеряя скорости потока и площади живого сечения.

Кривую расходов Q=Q(H) строят в прямоугольной системе координат, причем в гидрометрии принято по оси ординат откладывать уровни воды H, а по оси абсцисс – измеренные расходы Q. На том же чертеже проводят также кривые площадей живого сечения =(H) и средних скоростей U=U(Q).

При нанесении точек на графики могут встретится следующие случаи:

1. Точки расходов, площадей и средних скоростей располагаются без разброса, что дает возможность провести по ним плавные однозначные кривые.

2. Точки площадей образуют однозначную кривую, а точки расходов и средних скоростей – три ветви: одну – для меженного периода I и две – для подъема II и спада III паводка или половодья.

3. Точки кривых расходов и площадей разбросаны беспорядочно, точки кривой скоростей имеют малый разброс.

Отсутствие однозначной связи между площадью водного сечения и уровнем свидетельствуют о неустойчивости (деформации) русла. В этом случае по точкам, относящимся к периоду устойчивого русла, проводят осредненную (стандартную) кривую.

4. Группы точек кривых расходов и скоростей отклоняются влево при однозначной связи между площадью водного сечения и уровнем.

Это указывает на наличие переменного подпора, вызываемого зарастаемостью русла, ледовыми образованиями и другими причинами.

При этом стесняется живое сечение потока и возрастают гидравлические сопротивления на участке поста или ниже его, вследствие чего точки измеренных расходов и средних скоростей отклоняются влево от соответствующих кривых свободного русла.

В таких случаях кривую Q=Q(H) строят по точкам, относящимся к летнему периоду, т. е. периоду, когда русло свободно ото льда и растительности и отсутствует переменный подпор.

Окончательно кривые закрепляют только после их увязки.

Кривые Q=Q(H), =(H) и U=U(Q) связаны между собой равенством:

поэтому расход, снятый с кривой расходов для какого-нибудь уровня, должен быть равен расходу, получаемому в результате перемножения соответствующих данному уровню площади и скорости. Увязку делают в табличной форме, в которую записывают значения Q, и U, снятые с кривых через разные интервалы уровней (10, 20, 50, 100 м и т. д.). Число увязываемых точек не должно быть менее 8–10. Если расхождения превышают 1%, то следует проверить кривые в рассматриваемом интервале уровня и исправить их.

В тех случаях, когда при помощи кривой расходов приходится определять много расходов, целесообразно составлять расчетную таблицу. Для этого с кривой снимают расходы через интервалы уровня от 5 до 20 см, а промежуточные их значения (через 1 см) находят прямолинейной интерполяцией.

Полученная зависимость Q=Q(H) считается надежной, если средневероятная погрешность, вычисляемая по формуле (15), находится в пределах 2–4%:

где n – число измеренных расходов; – отклонение в процентах.

Задание. 1. Построить кривые расходов Q = Q(H), средних скоростей U = U(H) и площадей водного сечения = (H).

2. Увязать кривые.

3. Составить расчетную таблицу расходов.

4. Составить таблицу ежедневных расходов и построить гидрограф.

5. Вычислить объем, слой и модуль годового стока.

Порядок выполнения. 1. Кривую расходов Q = Q(H) строят в системе прямоугольных координат вместе с кривыми площадей и средних скоростей, причем по оси ординат откладываем уровни H, а по оси абсцисс – расходы Q, площади и средние скорости U.

Масштаб для построения кривой расходов следует выбирать так, чтобы хорда, соединяющая концы кривой Q = Q(H), была расположена примерно под углом 45 к оси абсцисс, а для кривых U = U(H) и = (H) – под углом 60.

Чтобы кривые не пересекались, нули шкал и U можно сдвинуть вправо от оси абсцисс.

По данным измеренных уровней, расходов и площадей живого сечения наносят на график точки Q(H), (H) и U(H) с указанием их порядкового номера. Условными знаками отмечают точки, относящиеся к периоду свободного русла, зарастания, ледостава и т.д.

По точкам, относящимся к периоду свободного русла, проводят плавные кривые Q = Q(H), = (H) и U = U(H) так, чтобы они возможно точнее осредняли данные измерений. При этом не учитывают точки, относящиеся к периоду зарастания или зимнему периоду, когда вследствие уменьшения живого сечения снижается пропускная способность русла, поэтому измеренные расходы и средние скорости отклоняются влево от кривой свободного русла 2. Перед окончательным закреплением кривых проводят их увязку в таблице, сопоставляя расходы, снятые с кривой Q = Q(H) для соответствующих уровней H, с расходами, вычисленными по формуле (14), при условии, что значения U и определяют по кривым U = U(H) и = (H) для тех же уровней воды. Исправляя кривую Q = Q(H) в интервалах, где расхождения сопоставляемых расходов превышает 1%, ее окончательно закрепляют.

3. Снимая с кривой Q = Q(H) расходы через равные интервалы уровня воды, составляют расчетную таблицу. Промежуточные расходы (через 1 см) определяют интерполяцией между расходами, полученными с кривой, последовательно прибавляя вычисленные приращения Q при изменении уровня на 1 см к предыдущему значению Q.

Для определения расходов Н max и Hmin при которых измерения Q не проводились (половодье, ледоход, и пр.), а также при проектировании когда Н проектные превышают наблюдаемые, необходимо экстраполировать (т. е. продолжить) вверх до Н max и вниз до H min кривую расходов Для проверки точности построенной кривой Q = Q(H) и расчетной таблицы сопоставляют измеренные расходы воды Qi со значениями, найденными для тех же уровней воды по расчетной таблице Qp, вычисляя абсолютные отклонения Q, относительные погрешности =Q/Qi·100% и среднюю вероятную погрешность по формуле (15).

Подсчеты сводят в таблицу.

Выполнение расчетной работы. 1. Построить кривые зависимости расхода, площади живого сечения реки, средней скорости течения от уровня воды: Q = Q(H), = = (H), Uср = Uср(H).

2. Произвести увязку построенных кривых.

3. Составить расчетную таблицу координат к кривой расходов.

4. Вычислить ежедневные расходы, проверить расчетную таблицу расходов. Построить гидрограф.

5. Вычислить объем, слой и модуль годового стока.

Исходными данными для расчетно-графической работы служат материалы «Измеренные расходы воды» (таблица 2) для рек и гидростворов («Ежегодник» за 1974 г.).

Пояснительная записка к расчетно-графической работе На основании данных (таблица 9) строятся кривые зависимости гидравлических элементов русла (Q,, Uср) от расчетных уровней воды на гидростворе. По данным таблицы 4 строится график (рисунок 38), экстраполируются кривые до значений Hmax и Hmin (при необходимости).

Используя данные ежедневных уровней воды (таблица 4) и расчетной таблицы 3 к кривой Q=Q(H), определяются ежедневные расходы воды, по ним вычисляют средние месячные и средний годовой расходы (таблица 5).

Таблица 9 – Измеренные расходы воды р. Большой Зеленчук (ст-ца Исправная, 1961 г.) Для проверки и увязки кривых зависимостей через интервалы уровней равные 10 см. снимаются значения Q,, Uср и сравниваются произведения Uср· со значением расхода Qi взятого с кривой Q = Q(H) для соответствующих уровней H (таблица 10).

Расхождения между расходами не должно быть более 1,5%; если расхождения будут больше 1,5%, то в соответствующем интервале исправляют кривые так, чтобы соблюдалось равенство Q = Uср· (рисунок 38). Расчетную таблицу к кривой расходов (таблица 11) составляют на всю амплитуду колебания уровней от H max до Hmin (таблица 12).

При этом с кривой Q = Q(H) берутся значения расходов Qi через интервалы 10 см., а промежуточное значение расходов (через 1 см) определяются интерполяцией.между расходами полученными с кривой.

1 – кривая расходов Q = Q(H); 2 – кривая живого сечения =(H); 3 – кривая скорости Uср = Uср(H) Рисунок 38 – Кривые зависимости расходов, площадей живого сечения и скоростей от уровня воды Таблица 10 – Увязка кривых (площадей, скоростей, расходов) р. Большой Зеленчук Qi – величины расходов взятые с кривой Q=Q(H) (см. рисунок 38).

Для проверки точности построенной кривой Q = Q(H) сопоставляют измеренные расходы воды Qi со значениями, найденными для тех же уровней воды по расчетной таблице кривой Q = Q(H). Вычисляют абсолютные отклонения Q и относительную погрешность = Q/Qi·100%, а среднюю вероятную погрешность по формуле:

Зависимость Q=Q(H) надежная, так как меньше 4%.

Таблица 11 – Расчетная таблица к кривой Q = Q(H), м3/с 190 95,50 97,76 100,02 102,28 104,54 106,80 109,06 111,32 113,58 115, 200 118,10 120,78 123,47 126,15 128,84 131,52 134,20 136,89 139,57 142, 210 144,94 148,07 151,20 154,34 157,47 160,60 163,73 166,86 170,00 173, 220 176,26 179,83 183,40 186,97 190,54 194,12 197,69 201,26 204,83 208, 230 211,97 215,96 219,95 223,94 227,93 231,92 235,90 239,89 243,88 247, Таблица 12 – Ежедневные уровни воды р. Большой Зеленчук (ст-ца Исправная, 1961 г.), см

Число I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Средний годовой 144. Высший 256 (25/VI). Низший 97 (24/XII).

Затем по данным таблиц 11 и 12 определяют расходы на каждый день (таблица 13).

Таблица 13 – Ежедневные расходы воды р. Большой Зеленчук (ст-ца Исправная, 1961 г.), м3/с Число

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Qср.год=35 м3/с.

Рисунок 39 – Гидрограф р. Большой Зеленчук (ст-ца Исправная, 1961 г.) По величине среднегодового расхода воды вычисляют:

1) модуль стока:

где F – площадь водосбора, км2;

2) объем стока воды за год:

W = Qср.г. T = 43 31,54 106 = 1356,22 106 м3, где T – время в году, с;

3) слой стока за год:

Вывод. В результате выполненных расчетов и построенной кривой расходов Q = Q(H) стало возможным определять расход воды в данной реке без измерения скорости потока и площади живого сечения русла, используя при этом показания уровня воды по водомерной рейке, перенося величину Н на кривую Q=Q(H), в конкретный момент времени и опуская из этой точки перпендикуляр к оси расходов, что укажет на величину расхода при конкретном уровне воды.

1.4.4 Методические указания к изучению курса гидрологии Введение в гидрологию Основная цель современной гидрологии – учет, рациональное комплексное использование и охрана водных ресурсов.

1. Изучение курса начните с определения гидрологии как науки, ее связи со смежными дисциплинами; разберите деление гидрологии на отдельные отрасли, в том числе на измерительную часть – гидрометрию; определите задачи гидрологии для комплексного использования водных ресурсом и их охраны.

2. Изучая вопросы круговорота воды в природе и водного баланса, обратите внимание на распределение воды на поверхности земного шара, на связь теплового и водного балансов суши, водные ресурсы Земли, влияние на них антропогенной деятельности и охрану водных ресурсов.

Далее необходимо усвоить основные характеристики реки и ее системы, речного бассейна, долины реки, русла реки, изучить закономерности изменения продольного профиля реки; понять причины возникновения поперечного уклона и появления естественной поперечной циркуляции; знать использование космических методов в гидрологии.

ЛИТЕРАТУРА: 1, с. 3–37.

1. Какие основные задачи решает современная гидрология, гидрометрия?

2. Назовите выдающихся ученых, внесших вклад в развитие гидрологии.

3. Составьте уравнение водного баланса суши, океана и всего земного шара и территории нашей страны.

4. Какие основные характеристики бассейна реки?

5. Что такое густота речной сети и от чего она зависит?

6. Какие основные типы продольных профилей дна рек?

Уровни воды Разбирая материал этой темы, подробно изучите приборы и устройства для измерения уровней воды, применяемые в разных условиях: уровнемеры с визуальным отсч етом (реечные и свайные); уровнемеры с автоматической записью («Валдай», ГР-38).

Рассмотрите методику производства наблюдений и обработку их (основную и статистическую), а также построение графиков колебания, повторяемости и продолжительности уровней воды. Изучите методику измерений уклонов свободной поверхности воды и обработку данных измерений.

ЛИТЕРАТУРА: 1, с. 38–46.

Что называется уровнем воды?

Что такое «нуль графика гидрологического поста»?

Какие уровнемеры чаще всего применяются в полевых экспедиционных исследованиях?

Какие наблюдения проводятся одновременно с измерением уровня воды? В какие сроки?

Как устроен уклонный пост?

Какие характерные уровни вы знаете?

Глубины потока воды Изучение этой темы следует начать с приборов для измерения глубин воды (гидрометрической штанги, наметки, лотов, гидростатических профилографов, акустических профилографов-эхолотов).

Затем рассмотрите производство измерений глубин; способы поперечников, продольников, косых галсов, квадратов, радиогеодезические и другие способы.

Особое внимание уделите вопросу приведения промеров к мгновенному (срезочному) уровню воды. Далее изучите методику обработки материалов измерения глубин и построения планов (в изобатах или горизонталях), а также построение поперечных и продольных профилей.

ЛИТЕРАТУРА: 1, с. 48–52.

1. Как измеряют глубины потока в разных условиях?

2. В каких случаях требуется вводить поправку на относ троса прибора при больших скоростях течения воды?

3. Как вычислить срезку, если во время промеров уровень воды значительно колеблется?

Скорости течения Задача темы – изучение распределения скоростей течения воды в речном потоке и методов их измерения.

Вначале изучите распределение скоростей в речном потоке. Затем переходите к изучению приборов для измерения скоростей течения воды: гидрометрических поплавков, вертушек, трубок, гидрокатазондов и др. Особое внимание уделите вертушкам.

Изучите методику градуирования вертушек и построения тарировочных кривых. Далее рассмотрите методику измерения скоростей течения воды точечным (основным) и интеграционным способом, запомните, в каких точках на скоростных вертикалях измеряются скорости при свободном русле, при ледяном покрове и наличии водной растительности и как в таких случаях подсчитываются средние скорости на вертикали.

ЛИТЕРАТУРА: 1, с. 52–74.

1. Какие типы вертушек рекомендуются к применению на Государственной гидрологической сети и в проектно-изыскательских организациях?

2. Каково устройство вертушки (например, ГР-21)?

3. Какие приспособления применяют для опускания вертушки в поток?

4. Каковы правила работы с вертушкой и ухода за ней?

5. Как и где производят тарирование вертушки и других приборов для измерения скоростей течения?

6. Как определить среднюю скорость на вертикали аналитическим или графическим способами, если скорости измерены вертушкой точечным способом?

7. Как приближенно измерить поверхностную скорость потока при отсутствии прибора для измерения скоростей течения?

Расходы воды Основная цель темы – научиться методике измерения расходов воды на реках и каналах.

Расход воды – важнейшая характеристика реки, определяющая другие ее параметры: уровень воды, скорость течения, уклон водной поверхности и др. Систематические измерения расходов воды в сочетании с ежедневными наблюдениями за уровнем воды дают возможность определить объемы стока, водные ресурсы.

Приступая к этому разделу, прежде всего необходимо понять «модель расхода» и изучить классификацию методов измерения расхода в разных условиях. Затем следует перейти к простейшим (объемному и весовому) способам измерения расходов.

Главное внимание сосредоточьте на измерении расхода воды вертушкой, так как он является в гидрометрии ведущим. Вначале изучите способы выбора направления гидрометрического створа (он должен быть перпендикулярен общему направлению теч ения воды) и требования, предъявляемые к участку реки, где расположен гидроствор.

Важно запомнить последовательность гидрометрических работ при измерении расхода воды вертушкой: 1) описание состояния реки; 2) наблюдения за уровнем воды;

3) промеры глубин по гидрометрическому створу; 4) измерение скоростей в отдельных точках живого сечения на скоростных вертикалях; 5) наблюдения за уклоном водной поверхности.