Определение расходов воды речных потоков аэрогидрометрическими методами

Возможность измерений с самолета таких характеристик потока, как его глубина, скорость и расход воды, - большое достижение науки в данной области.

Определения глубин. Существуют две методики определения глубин: первая - с применением буйковой системы(рис. 6.2.4.1), состоящей из груза (якоря), к которому прикреплены на прочных нитях различной длины два буя; вторая - по расходу на вертикали q, измеренному поплавком-интегратором.

По первой методике буйковая система, сброшенная с самолета, погружается на дно потока Оба буя всплывают на поверхность воды и удерживаются нитями на некотором расстоянии l друг от друга. По этому расстоянию, измеренному с помощью аэрофотосъемки, и длине нитей L₁ и L₂ определяют глубину потока на вертикали

Расстояние l₁ или l₂ определяет положение вертикали, на которой определяют глубину потока h; l₂-l₁ =/ - расстояние между буями.

Положение вертикали с глубиной h фиксируется расстоянием l₁ или l₂, где

Решая треугольники 123 и 124, получим:

Желательно, чтобы параметры буйковой системы были L₂/L₁= 2-3; L₁/h > 1.

Рис. 6.2.4.1. Схема для определения глубин с помощью буйковой системы

Практически значения L₁h не превышают 1,5. Буи всегда должны находиться над поверхностью воды. Средняя квадратичная погрешность измерения глубин этим способом составляет 8-10 %.

По второй методике расстояние, на котором всплывает поплавок-интегратор от места его выпуска, определяют аэрофотосъемкой. Расход на вертикали, как это следует из теории поплавка-интегратора, q = ωl= u_срh. Среднюю скорость на вертикали u_ср представим как

и_ср= К₁ u_макс,

где u_макс - cкорость на свободной поверхности воды;

коэффициент К₁ приближенно принимают равным 0,85.

Следовательно,

ωl =K₁u_максh, откуда

Скорость всплывания поплавка-интегратора известна (ее заранее находят опытным путем), l и u_макс определяют с помощью аэрофотосъемки.

Определение скорости течения и расходов воды. Скорости течения и расходы воды могут быть определены тремя способами:

1) с помощью аэрометодов измеряют кинематику потока на его свободной поверхности. Глубины измеряют наземными средствами;

2) кинематику потока измеряют на его свободной поверхности аэрометодами. Глубины измеряют также аэрометодами (с применением буйковых систем);

3) измеряют с самолета расходы воды на вертикалях (интеграционным способом).

Сущность первого способа заключается в последовательном фотографировании с самолета или вертолета перемещающихся поплавков. Аэрофотосъемку выполняют так, чтобы на снимках получилось изображение берегов и неподвижных контурных точек. Продольное перекрытие между снимками должно составлять около 60 %.

Если один из аэрофотоснимков сделан в момент времени t₁, другой - в следующий момент t₂. то разность t₂-t₁ =∆ t представляет собой интервал времени между экспозициями.

За время ∆ t изображение поплавков (1, 2,..., п на одном снимке; 1', 2',..., п’ на другом снимке) под влиянием течения воды сместится. Смещение поплавков составит:

l’₁- l₁= ∆l₁; l’₂- l₂ = ∆l₂,..., 1'_п- l_n= Δl_n.

Скорость движения поплавка

u_макс= m ∆ l/ ∆ t,

где т - масштаб аэрофотосъемки, равный отношению высоты полета Н к фокусному расстоянию аэрофотокамеры f.

Следовательно, u_макс= ∆ lH/ ∆ tf.

Высоту измеряют при помощи радиовысотомера с погрешностью, не превышающей 2-3 м. Время t определяют с точностью до 0,1 с.

Последовательное фотографирование изучаемого участка реки с самолета позволяет по смещению соответствующих точек 1 и 1 ', 2 и 2',..., п и п’ построить план течений, так как линии перемещения указанных точек являются траекториями движения поверхностных поплавков.

Для маркировки поверхности воды применяют поплавки, выпускаемые с судна, листы белой бумаги, сбрасываемые с самолета, льдины во время ледохода, пятна машинного масла, сброшенного с самолета в стеклянных ампулах.

При масштабе аэрофотосъемки 1:5000, скорости течения воды 1-2м/с, скорости ветра 2-3м/с, примерно симметричном распределении скоростей и глубин относительно центра аэрофотосъемки средняя квадратичная погрешность определения расходов в основном русле составляет 5-6 %. При соблюдении этих же условий, но для поймы при скоростях 0,1-0,5м/с погрешность возрастает до 10-12 %.

Аэрогидрометрический метод определения расходов воды в реках.

В основные уравнения для расхода Q=ωV входят кинематические элементы потока. Это дает возможность более эффективно использовать аэрогидрометрические методы.

При измерении скоростей поверхностными поплавками расход воды Q определяют по средним поверхностным и наибольшим скоростям по формулам:

Q=K₁ωV_пов; Q=K₂ωv_макс,

где K₁ и K₂ – переходные коэффициенты (при рекогносцировочных обследованиях рек принимают средние значения K₁ = 0,85 и К₂= 0,65); V_пов – средняя поверхностная скорость; v_макс - наибольшая поверхностная скорость; ω – площадь водного сечения.