Способы определения скоростей и расхода водостоков

Скорости потоков обычно используются для вычисления расхода и для построения поля скоростей. При­мером последнего может служить план течения реки, необ­ходимый для компоновки и расчета сооружений мостового перехода, определения размеров отверстия и его положения по ширине реки, очертания струенаправляющих дамб.

При измерении скоростей течения рек наиболее широкое распространение получили поплавки и вертушки.

 Поплавком - называют тело, свободно перемещаемое теку­щим потоком. Поплавки бывают точечные и интеграционные.

Точечные поплавки измеряют скорость по длине заданно­го слоя жидкости, перемещаясь вдоль него. Измеренная та­ким поплавком скорость является осредненной по объему жидкости, вытесненной поплавком, по времени (пути) его движения. Точечный поплавок может быть поверхностным если движется на свободной поверхности пото­ка, и глубинным, если он движется в слое жидкости на за­данной глубине.

Интеграционные поплавки служат для измерения скоро­сти всех слоев в пределах заданной толщи потока. Обычно интеграционные поплавки используют для определения средней скорости на скоростной вертикали.

К интеграционным относят всплывающие поплавки и гидрометрические шесты — плывущие свободно шес­ты с пригруженным нижним концом.

Гидрометрические вертушки — приборы для измерения скорости течения жидкости до 5 м/с, частота вращения рото­ра которых определяется кинетической энергией набегаю­щего потока. По регистрируемой частоте вращения предва­рительно тарированных вертушек устанавливают скорость течения. Наиболее распространены роторы в виде лопаст­ного винта.

Определение расхода по скоростям поверхностных по­плавков. Как и сама методика измерения поверхностных скоростей поплавками, определение расхода с их помощью, можно проводить по двум вариантам.

В первом, более простом, расход рассчитывают по урав­нению неразрывности как произведение средней скорости v на площадь живого сечения со в гидрометрическом створе.

Второй способ базируется на использовании поля поверхностных скоростей по ширине реки.

Определение расхода по скоростям, измеренным вер­тушкой. производят измерения скоростей вертушкой и проводят определение на их основе средних скоростей на вертикали. По этим значениям аналитиче­ским и графическим методами определяют расход.

Определение скоростей течения поверхностными поплавками и гидрометрической вертушкой.

Поплавком - называют тело, свободно перемещаемое теку­щим потоком. Поплавки бывают точечные и интеграционные.

Измерение скоростей поплавками. Применение поплав­ков обычно преследует цель определения расхода по ско­ростям, чаще всего поверхностным. Определение расхода необходимо, чтобы применять ряд формул гидравлики: урав­нение неразрывности, формулу Шези и др.

Существует два основных способа измерения поверх­ностных скоростей: одноточечный, когда положение по­плавков в отдельных точках траектории фиксируется теодо­литом с вышки, и способ засечек, когда фиксируются точки пересечения поплавками заранее разбитых двух или трех створов и время прохождения каждого из них.

Второй способ имеет два варианта: определение средней поверхностной скорости и максимальной скорости течения. Оба варианта предполагают наличие связи между средней поверхностной и максимальной скоростями и средней ско­ростью потока.

Требования к участку реки для этих видов работ требуют ряды дополнений. Участок наблюдений для одноточечного способа на 2/3 его длины находится выше створа мостового перехода или другого намеченного для измерения расхода створа. Поплавки пускают с таким расчетом, чтобы их траекто­рии равномерно распределились по ширине потока. От этой ширины зависит и общее число поплавков. Каждому поплав­ку присваивается номер. Плановое положение засечек оп­ределяется вертикальным углом а и горизонтальным ф между гидрометрическим створом и осью визирования на поплавок. Одновременно записывается время прохожде­ния этой точки поплавком. Обработка данных полевых наблюдений заключается в построении эпюры поверхностных скоростей по створу.

Измерение скоростей сопровождается обязательным оп­ределением уровней воды. Если по значениям скоростей в дальнейшем определяют расход, то в створах еще измеряют и глубины, а часто и уклоны свободной поверхности.

Измерение скоростей вертушками. Гидрометрические вертушки — приборы для измерения скорости течения жидкости до 5 м/с, частота вращения рото­ра которых определяется кинетической энергией набегаю­щего потока. По регистрируемой частоте вращения предва­рительно тарированных вертушек устанавливают скорость течения. Наиболее распространены роторы в виде лопаст­ного винта.

Способы измерения скорости течения воды такие же, как при использовании поплавков: точечный и интеграционный. Но и тот и другой имеют существенные особенности. Если точечный способ измерения скоростей поплавком предполагает ее осредне­ние по времени, по части живого сечения потока и по пути перемещения поплавка, то применение вертушки дает ос­реднение только по двум первым характеристикам. Закреп­ленная неподвижно, она исключает осреднение вдоль по­тока.

Интеграционный способ применительно к поплавкам дает возможность измерить среднюю скорость на вертика­ли. Отклонение поплавка в плане по нормали к течению исключено. Вертушку можно перемещать в любом направ­лении. Это позволяет интегрировать скорости на любом заданном пути. Измерение скоростей вертушками чаще всего проводят для последующего определения расхода реки.

Детальный способ дает наиболее полное опи­сание кинематики потока и применяется на вновь открывае­мых створах.

Сокращенный способ, предусматривающий измерение скоростей на одной-двух скоростных вертикалях, применяется при частых и быстрых измерениях, например при неустановившемся движении.