Измерение расхода воды с помощью гидрометрической вертушки

В речной гидрометрии наиболее распространенным методом измерения расхода воды является метод «ско­рость — площадь». Он заключается в определении пло­щади водного сечения путем промеров глубин по гидро­створу и измерении гидрометрической вертушкой в от­дельных точках водного сечения скорости течения.

При измерении расхода воды необходимо:

1) записывать обстановку работы;

2) наблюдать за уровнем воды;

3) измерять глубины на гидрометрическом створе;

4) измерять скорости течения воды в отдельных точ­ках живого сечения на скоростных вертикалях.

Все записи данных наблюдений и измерений расхода воды производятся простым черным карандашом в «Книжке для записи измерения расхода воды» КГ-ЗМ *.

Перед началом работ необходимо проверить исправ­ность гидрометрической вертушки и принадлежностей к ней, секундомера, а также наличие и исправность спаса­тельных средств для обеспечения безопасности работ, состояние всего оборудования гидрометрического ство­ра (приложение 1). Для предупреждения несчастных случаев студенты обязаны изучить и строго руководство­ваться инструкцией по технике безопасности (приложе­ние 2).

Для измерения расхода воды выбирается участок реки, отвечающий по возможности следующим требова­ниям:

1) берега ровные (не извилистые), параллельные;

2) русло ровное, устойчивое и не заросшее расти­тельностью;

3) направление течения параллельно берегам, ско­рость течения не ниже 0,10—0,15 м/с;

4) отсутствие мертвого пространства (часть водного сечения, где нет течения).

Для учебной практики на выбранном участке реки должны быть глубины более 1 м, чтобы можно было выявить закономерности изменения скоростей течения.

На выбранном участке намечают гидрометрический створ (гидроствор), на котором и производят измерение расхода воды. На малых реках гидроствор разбивают на глаз перпендикулярно направлению течения реки и закрепляют на обоих берегах знаками — кольями. Знак на одном из берегов принимается за постоянное начало, от которого измеряются расстояния до каждой промер­ной (скоростной) вертикали. В гидростворе натягивает­ся трос (шнур), размеченный через 1 м. Если измерения производятся с лодки, параллельно с разметочным тро­сом (под ним) натягивается ездовой трос, служащий для перемещения лодки вдоль створа и установки ее на вер­тикали.

Наблюдения и измерения производят в следующем порядке.

1. Сведения об обстановке работы (со­стояние реки, погоды, приборов и оборудования) запи­сываются в раздел книжки расхода «Обстановка работ». Отмечаются все явления, которые могут повлиять на направление и величину скорости течения или отразить­ся на точности определения расхода воды. Например, указывается ширина выкошенной полосы гидроствора и отмечается, в каком состоянии она находится: «выкоше­на чисто», «на дне остатки водной растительности вы­сотой... см». Кроме того, указывается степень зараста­ния водной растительностью русла реки ниже гидро­створа (у берегов, сплошь, редкая, густая). Отмечаются отмели, косы, осередки, сооружения (запруды, перемыч­ки, плотины, мосты): следует указать, на каком расстоя­нии от гидроствора они расположены.

2. Наблюдения за уровнем воды ведут на основном гидрологическом посту перед началом и после промеров глубин, а также перед началом и после

измерения скоростей течения. Запись данных наблюде­ний за высотой уровня воды при промерах и измерении расхода производится в соответствующих таблицах книжки расхода.

3. Промеры глубин на гидростворе про­изводятся для вычисления площади водного сечения, как описано в разделе «Производство съемки и обработка результатов промеров». Глубины измеряются один раз перед измерением скоростей течения и записываются в. книжке расхода в разделе «Промеры» (в графу 11). В первой и последней строках, соответствующих первой: и последней промерным вертикалям на урезе воды, в. графе 0 записывается «Ур.л.б.» или «Ур. п.б.» (урез ле­вого или правого берега), а в графу И —глубина на урезе. При обрывистых берегах эта глубина может быть не равна нулю. Графы 3 и 4 заполняются только в тех случаях, когда глубина измеряется при неустойчивом русле дважды: прямым и обратным ходом.

4. Измерения скоростей течения на вер­тикалях обычно выполняют одной гидрометрической вертушкой, последовательно перемещаемой в различные точки вертикали.

Число скоростных вертикалей, на которых произво­дится измерение скоростей течения, при ширине реки до 50 м принимается равным пяти. При выборе мест скоростных вертикалей нужно стремиться к тому, чтобы они по возможности равномерно располагались по ши­рине реки и при этом попадали бы на точки резкого^ перелома дна и в наиболее глубокую точку створа. Крайние скоростные вертикали должны быть как можно' ближе к берегу (насколько это позволяют скорости те­чения и глубины).

Число точек, в которых измеряется скорость течения на вертикали, устанавливают в зависимости от рабочей глубины скоростной вертикали (табл. 4).

Рабочей глубиной скоростной вертикали, так же как и на промерных вертикалях, считается расстояние по> вертикали от дна до поверхности воды. При неизменном уровне воды разница в глубинах на вертикали по проме­ру и в момент измерения скорости в условиях устойчиво­го русла не должна превышать 2—3 см при глубинах до-1 м, 5 см — при глубинах от I до 3 м. При большей раз­нице промер следует повторить.

Таблица 4

Зависимость числа и местоположения измерений скоростей течения на вертикали от рабочей глубины

Рабочая глубина на верти­кали, м	Количество и местоположение точек на вертикали, в долях рабочей глубины h
До 0,4 0,4—0,6 0,6—1,0 Более 1,0	0,6h 0,2h; 0,8h 0.2h; 0,6h; 0.8h У поверхности; 0,2h; 0,6h; 0,8h; У дна

Точки «у поверхности» и «у дна» выбирают таким образом, чтобы при измерении скоростей вращающийся лопастный винт гидрометрической вертушки не выходил из воды и не задевал дна (рис. 14). Расчет глубины по­гружения вертушки при измерении скоростей в точках 0,2 h; 0,6 h; 0,8 h,соответствующих долям рабочей глу­бины, приводится по таблице глубин, напечатанной на обложке книжки расхода. Глубины в таблице даны от поверхности воды (для работы вертушкой с троса). При работе вертушкой, закрепленной на штанге, поло­жение точки берется по той же таблице глубин, но в обратном порядке (так как деления на штанге возра­стают от дна к поверхности): значения глубин установ­ки оси вертушки в точках 0,2; 0,6 и 0,8 берутся соответ­ственно из граф 0,8; 0,4 и 0,2 таблицы. В книжку расхо­да в соответствующих графах записываются рабочая глубина, глубина опускания вертушки и отсчет по штанге.

Измерение скорости течения в фиксирован­ных точках на скоростной вертикали производят сле­дующим образом. Вертушку опускают в точку измере­ния на штанге при глубинах менее 3 м (при больших глубинах — на тросе с помощью лебедки). Штанга упи­рается нижним концом в дно, а вертушка устанавлива­ется на ней так, чтобы ось ее находилась на требуемой глубине. Вертушка при этом должна быть неподвижно закреплена на штанге зажимными винтами. Вертушку следует устанавливать против течения перпендикулярно направлению гидроствора. Для контроля правильности положения вертушки на верхнюю часть штанги надева­ется указатель и закрепляется так, чтобы направление

его совпадало с направлением корпуса вертушки (совме­щается с направлением оси лопастного винта).

После опускания вертушки в воду на нужную глуби* ну через два-три сигнала (по которым убеждаются, что сигнализация в порядке и лопастный винт набрал ско­рость вращения, соответствующую скорости течения по­тока) включается секундомер и начинается счет сигна-

Рис. 14. Расположение гидрометрической вертушки на штанге в точках по глубине вертикали

лов. Первый сигнал, по которому включается секундо­мер, в счет не принимается; он называется нулевым. Включение секундомера, отсчеты времени и остановка секундомера производятся по концу сигнала. Время по­ступления отдельных сигналов вертушки записывают без остановки секундомера. При больших скоростях те­чения сигналы следуют один за другим очень часто, по­этому отсчеты времени по секундомеру берут через-2—5 сигналов. Число сигналов, а следовательно, и соот­ветствующее им количество оборотов лопастного винта между записями времени называют приемом.

Общее число приемов за время измерения в точке должно быть четным, обычно не более восьми и не ме­нее двух, с таким расчетом, чтобы общая продолжи­тельность измерения была не менее 100 с (что позволяет исключить ошибку за счет пульсации скорости). Для

контроля сравнивают продолжительность первой и вто­рой половин измерения; если разница превышает 5 с, измерение в точке следует повторить.

Если в течение 100 с поступят два и более сигналов, но следующему сигналу (первому, поступившему по истечении 100 с) секундомер останавливается и измере­ние прекращается.

При счете сигналов следует обращать внимание на равномерность их поступления. Если будет обнаружено, что сигналы поступают очень неравномерно, измерение в точке прерывается. Вертушка поднимается из воды и проверяется, не тормозится ли чем-либо вращение ло­пастного винта (например, намотавшейся травой), ис­правлен ли контакт у вертушки, в порядке ли сигналь­ное устройство и электрические провода. Затем измере­ние в точке повторяется.

Результаты измерения скорости в каждой точке запи­сываются в соответствующие графы книжки расхода.

Вычисление расхода воды Q, м³/с,— коли­чества воды, протекающей через поперечное сечение ре­ки в 1 с,— производится в соответствующих разделах книжки расхода КГ-ЗМ сразу же после его измерения, чтобы в случае обнаружения каких-либо ошибок можно было повторить измерения на той или иной вертикали в тот же день.

Вычисление расхода воды ведется аналитическим способом — основным в практике работ гидрологических станций и постов — по формуле

где Q — полный расход воды, м³/с; v₁, v₂, …, v_n — сред­ние скорости на вертикалях, м/с; ω₀ — площадь водного сечения между берегом (граница мертвого пространства) и первой скоростной вертикалью, м²; ω₁,ω₂, …,ω_n-1— площадь между скоростными вертикалями, м²; ω_n— площадь водного сечения между последней скоростной вертикалью и берегом, м² (граница мертвого пространст­ва) (рис. 15); k — коэффициент для скоростей на при­брежных вертикалях:

пологий берег с нулевой глубиной на урезе 0,7

обрывистый берег или неровная стенка 0,8

гладкая стенка 0,9

мертвое пространство 0,5

В формуле расхода воды каждое слагаемое представ­ляет собой частичный расход воды: первое — расход между берегом и первой скоростной вертикалью; вто­рое — расход между первой и второй вертикалями и т. д.

Граница мертвого пространства

Рис. 15. Схема к вычислению расхода воды аналитическим

способом

Величина каждого частичного расхода вычисляется пу­тем умножения средней скорости на соответствующий участок площади живого сечения (см. рис. 15).

Вычисление расхода воды аналитическим способом производится в такой последовательности.

1. Просматривается полевая книжка (КГ-ЗМ) с целью проверки полноты и правильности измерений и записей. Особое внимание обращается на сведения об обстановке работы и замечания о явлениях, могущих от­разиться на точности промеров и измерений скорости течения.

2. Расчетный уровень вычисляется по основному по­сту над нулем графика. В тех случаях, когда уровень воды за время измерения скоростей течения устойчив или изменяется незначительно (в пределах 2—3 см), расчетный уровень вычисляется как среднее арифмети­ческое из значений уровня в начале и конце измерений скоростей. Если уровень воды за время измерений ско-

ростей изменился более чем на 3 см, расчетный уровень Ярасч определяется как средневзвешенный по формуле

где Н₁, Н₂,..., Н_п — значения уровня над нулем графи­ка, см, на каждой вертикали, относящиеся по времени к моменту измерения скорости на глубине 0,6 h; q₁

Рис. 16. Схема к вычислению частичных площадей живого сечения

q₂…q_n — элементарный расход воды на вертикалях (произведение средней скорости на глубину),м²/с; b₁,b₂ ,…b_n — частичная ширина реки, приходящаяся соот­ветственно на 1-ю, 2-ю и п-ю скоростные вертикали, м.

3. Вычисление площади водного (живого) сечения начинается с вычисления площадей между промерными вертикалями. Для этого в графы 12 и 13 книжки расхо­да КГ-ЗМ записываются вычисленные с округлением до 0,01 м значения полусуммы смежных глубин и расстоя­ния между промерными вертикалями. В результате пе­ремножения значений глубины и расстояний между вер­тикалями вычисляются площади водного сечения между промерными вертикалями, которые записываются в гра­фу 14. Площади водного сечения берутся с округлением до трех значащих цифр, например 105, 282 или 85,9; 10,3 или 9,23; 0,31 м².

Частичные площади водного сечения определяются с учетом глубин на промерных и скоростных вертикалях (рис. 16). Например, частичная площадь водного сече­ния между берегом и первой скоростной вертикалью.

частичная площадь водного сечения между первой и второй скоростными вертикалями

и т. д. В результате сложения соответствующего коли­чества отдельных площадей между промерными верти­калями вычисляются площади водного сечения между скоростными вертикалями, значения которых записы­ваются в графу 15 книжки расхода. Сумма всех площа­дей между промерными вертикалями составит общую площадь водного сечения, которая записывается как итог внизу графы 14.

4. При вычислении скорости течения в точке сначала
подсчитывается сумма оборотов лопастного винта пу­
тем умножения общего количества сигналов на число
оборотов лопастного винта вертушки между сигналами.
Результат записывается в раздел «Измерения на ско­
ростных вертикалях» в графу 9. Затем делением полу­
ченной суммы оборотов на продолжительность измере­
ния (в секундах), записанную в графе 10, вычисляется
число оборотов лопастного винта в 1 с (п), которое за­
носится в графу 11.

Скорость течения v в точке определяется на основа­нии тарировочной кривой (или составленной по ней таб­лице), которой обязательно снабжается каждая вертуш­ка. На тарировочной кривой по числу оборотов лопаст­ного винта в 1 с находится значение скорости течения в точке, которое записывается с точностью до 0,01 м/с в графу 3.

5. Величину средней скорости па вертикали находят
по эмпирическим формулам, подставляя в них скорости,
измеренные в отдельных точках вертикали.

В случае свободного от водной растительности и льда русла:

при измерении в пяти точках на вертикали

при измерении в трех точках

при измерении в двух точках

при измерении в одной точке

В случае наличия водной растительности и под ле­дяным покровом:

при измерении в шести точках на вертикали

при измерении в трех точках

при измерении в одной точке

Значения вычисленных средних скоростей на верти­калях записываются с округлением до 0,01 м/с в гра­фу 4.

6. В раздел «Вычисление расхода воды» книжки КГ-ЗМ записываются подсчитанные ранее данные, и умножением величин площадей водного сечения между скоростными вертикалями на величины средних скоро­стей между ними вычисляются частичные расходы воды для прибрежных участков и между скоростными верти­калями (графа 5). В результате суммирования частич­ных расходов определяется величина всего расхода воды через поперечное сечение реки.

7. Вычисление расхода воды заканчивается записью окончательных результатов измерений в раздел «Приня­тые данные» книжки КГ-ЗМ. При этом средняя скорость в поперечном сечении реки вычисляется путем деления величины расхода воды на величину площади водного сечения. Наибольшая скорость выбирается из всех зна­чений скоростей течения, измеренных в отдельных точках. Средняя глубина вычисляется путем деления площади

водного сечения на ширину реки. Наибольшая глубина выбирается из всех измеренных глубин со срезкой на принятый расчетный уровень воды.