Повторяемость и продолжительность стояния уровней воды

Интервалы уровня	Повторяемость стояния горизонтов (частота)		Продолжительность стояния горизонтов (обеспеченность)
	дни	%	дни	%
220 – 201	2	1,3	2	1,3
200 – 181	5	3,3	7	4,
180 – 161	9	5,9	16	10,5
160 – 141	14	9,1	30	18,6
140 – 121	23	15,0	53	33,6
120 – 101	31	20,2	84	53,8
100 – 81	48	31,4	132	85,2
80 – 61	14	9,1	146	94,3
60 – 41	7	4,7	153	100
Сумма	153	100	–	–

Для построения графика повторяемости (частоты) на мил­лиметровой бумаге откладывают по вертикальной оси уров­ни, по горизонтальной – дни (рис. 5). Количество дней пока­зывается на середине каждого интервала. Полученные точки соединяют прямыми линиями.

 

Рис. 5. Графики частоты (1) и обеспечен­ности (2) уровней воды

 

На этом же рисунке строится график продолжительности (обеспеченности). Данные для построения графика берут из табл. 2 (графа 4). Эти данные получены путем суммирова­ния сверху опытных данных графы 2. При построении графика продолжительности полученное число дней отклады­вают на нижней границе интервалов и соединяют прямыми линиями.

 

 

3.3. Режим расходов

 

Расходом называется объем воды, проходящей в единицу времени через данное живое сечение потока. Расход воды зависит от скорости течения воды и площади живого сечения водотока.

Скорость движения воды в реке можно рассчитать по формуле Шези:

u  = С ,                                                    (8)

Существует множество экспериментальных методов измерения скорости течения воды.

Определение скорости движения воды поплавками.  Для этого на прямом участке реки выбирают место, где нет подпора воды. На выбранном участке реки разбивают три створа: верхний В, средний С и нижний Н (рис.6).

Расстояние между крайними створами L  принимается приблизительно равным трех-четырех кратной ширине реки. Кроме того, время прохождения поплавка между верхним и нижним створом должно быть не менее 20 с. Для пуска поплавков выше верхнего створа на расстоянии 0,2 L  намечают пусковой створ. Положение створов закрепляют вешками, устанавливаемыми на берегах реки и урезах воды. На маленьких речках между вешками, установленными возле урезов воды, натягивают канат.

Рис. 6 Схема разбивки створов

 

Для измерения скорости течения в воду, несколько выше пускового створа, на середине реки бросают раздельно 10 поплавков. Время прохождения поплавком пути от верхнего до нижнего створа определяют по секундомеру. После этого производят детальные промеры живых сечений на створах. Для этого через определенные расстояния (0,1 - 1,0 м и более) производят промеры глубин воды. Чем уже река, тем меньше расстояние между промерами (рис.7).

Рис. 7. Схема промера живого сечения реки

 

Далее определяют площади живых сечений и смоченные периметры на каждом створе. Площадь живого сечения створа определяется как сумма площадей элементарных геометрических фигур (трапеций и треугольников), а смоченный периметр - как сумма гипотенуз прямоугольных треугольников. Средние значения живого сечения и смоченного периметра определяют по формулам:

w _ср = ;                               (9)

χ_ср =                                       (10)

где w  и c - живое сечение и смоченный периметр верхнего (в), среднего (с) и нижнего (н) створов.

Далее по двум поплавкам, прошедшим расстояние между крайними створами наиболее быстро, вычисляют среднюю поверхностную скорость потока.

u _пов = L  / t  (м/с).                            (11)

Переход от средней поверхностной скорости u _пов к средней скорости потока u  осуществляется через переходный коэффициент К ₁.

                                      u = К₁ u _пов.           (12)

Значение коэффициента K ₁ зависит от уровня воды, шероховатости русла, уклона дна:

K ₁ = ,                            (13)

где С - скоростной коэффициент формулы Шези.

Скоростной коэффициент определяется по формулам Н.Н. Павловского или И.И. Агроскина (см. учебник). Для приближенных расчетов скоростной коэффициент можно определить по формуле Базена:

С = ,                                    (14)

 где g - коэффициент шероховатости русла (для чистых земляных русел g  = 1,3; для заросших русел g  = 1,75); R  - гидравлический радиус, м

  R   = w  / c ,                          (15)

где w - живое сечение реки, м²; c - смоченный периметр, т.е. длина подводного контура поперечного сечения потока, м.

Расход воды определяется по формуле

Q = u w,                (16)

где Q  - расход воды, м³ /с; u  - средняя скорость течения воды, м/с; w - площадь поперечного сечения, м².

Задание 5. Определить скорость и расход воды в реке. Дано: расстояние между крайними створами L  = 16 м, время прохождения брошенных в воду 10 поплавков 37, 32, 29, 35, 31, 27, 26, 34, 33, 27 с.

Промеры живых сечений следующие:

Верхнего створа

Расстояние

от уреза

воды, м            0        0,5     1,0     1,5     2,0     2,5     3,0     3,5     3,8

Глубина

воды, м                0,08   0,24   0,31   0,49   0,47   0,42   0,34   0,28   0

Среднего створа

Расстояние

от уреза

воды, м            0        0,5     1,0     1,5     2,0     2,5     3,0     3,5     3,9

Глубина

воды, м                0        0,22   0,34   0,41   0,52   0,49   0,33   0,27   0,07

Нижнего створа

Расстояние

от уреза

воды, м 0        0,5     1,0     1,5     2,0     2,5     3,0     3,5     4,0     4,2

Глубина

воды, м 0,04   0,28   0,39   0,42   0,50   0,47   0,34   0,29   0,21   0,11

 

Среднее наименьшее время

t_ср = = 26,5 с.

Максимальная поверхностная скорость

u _пов = L  / t_ср   = 16/26,5 = 0,60 м/с.

Площади живых сечений на створах, вычисленные как сумма элементарных фигур (рис.7), равны:

w _в=1,29 м²; w _с=1,30 м²; w _н=1,45 м²;

w _ср = = =1,335 м².

Смоченный периметр по створам равен:

χ_в=3,38м; χ_с=4,03м; χ_н=4,31м;

χ_ср = = =3,94 м.

Определяем среднюю скорость движения воды в реке с учетом местных потерь (формула 13), скоростной коэффициент можно определить по формуле 14:

С, рассчитанное по формуле (14), равно 26,8; отсюда

K ₁ = = =0,66;

u = К₁ u _пов=0,60·0,66= 0,396 м/с;

Q = u w  =0,396 · 1,335 = 0,528 м³/с.               

Определение скорости движения воды в водотоке гидрометрическими вертушками. Гидрометрическая вертушка позволяет определить скорость течения более точно, чем поплавки. В настоящее время используют вертушку Н.Е. Жестовского (рис.8). Скорость движения воды вертушкой определяют по частоте вращения лопастного винта, которую учитывают с помощью электрического тока, подводимого от батарей через клеммы. Вертушка при измерении скорости погружается в воду на требуемые глубины, перемещаясь по штанге. Скорость вращения лопастного винта фиксируется с помощью звонка. Одно замыкание электрической сигнальной цепи соответствует 20 оборотам винта. Скорость вычисляют после тарировки вертушки по специальным графикам или таблицам, в которых приводится скорость в зависимости от частоты вращения лопастного винта.

Рис. 8. Общий вид гидрометрической вертушки:

1 – лопастной винт; 2 – корпус; 3 – клеммы звонка; 4 – штанга; 5 – втулка; 6 – хвостовое (рулевое) оперение

Для определения скорости и расхода воды устраивают гидрометрический створ на прямолинейном участке реки, где нет подпора воды. Гидрометрический створ закрепляется на обоих берегах знаками-столбами. Столб на одном из берегов принимается за постоянное начало, от которого всегда измеряются расстояния до каждой промерной вертикали. Промеры глубин производятся через равные расстояния на промерных вертикалях с таким расчетом, чтобы по ширине реки было не меньше 20 промерных вертикалей.

Измерение глубин производится рейкой с делениями 1 см или гидрометрическим грузом на тросе с точностью до 1 см.

На створе назначают скоростные вертикали, на которых определяют скорость течения воды на определенных глубинах. Вертикали устраивают через равные расстояния в количестве не менее пяти (например: при ширине реки менее 20 м вертикали назначаются через 0,5 – 2,0 м; при ширине реки от 20 до 40 м – через 2 – 3 м). Перед измерением скорости течения на каждой скоростной вертикали вначале измеряется рабочая глубина – это расстояние по вертикали от дна до поверхности воды.

Измерение скорости течения на вертикали производится в следующих двух точках по глубине вертикали на 0,2 и 0,8 рабочей глубины (рис. 9); при ледоставе и наличии в русле водной растительности в трех точках (0,15; 0,5 и 0,85 рабочей глубины). При глубинах потока менее 40 см скорость на вертикали измеряется в одной точке: при открытом русле на 0,6, а подо льдом на 0,5 рабочей глубины.

После опускания вертушки в воду в нужную точку по глубине вертикали через один – два сигнала включается секундомер и начинается счет сигналов. Первый сигнал, по которому включается секундомер, в счет не принимается – он называется нулевым.

Включение секундомера, отсчеты времени и остановка секундомера производятся по концу сигнала. Если в течение 100 с поступят два и более сигналов, по следующему сигналу (первому, поступившему по истечении 100 с) секундомер останавливается и измерение прекращается.

Рис. 9. Расположение вертушки в точках по глубине вертикали

 

При большой скорости течения, когда сигналы поступают чаще, чем через 2 с, измерение прекращается на 50 сигналах, т.е. в этом случае продолжительность измерения может быть меньше 100 с.

В момент окончания последнего сигнала секундомер выключается и записывается номер последнего сигнала и продолжительность измерения в секундах по показанию секундомера.

Результаты измерения скорости в каждой точке записываются в графы 9 и 10 табл. 3. В графу 9 номер последнего сигнала в момент остановки секундомера, а в графу 10 показание секундомера по последнему сигналу. Графы 11, 12, 13, 14, 15 и 19 заполняются при вычислении расхода.

Расход воды в небольших водотоках, осушительных и оросительных каналах можно определить при помощи гидрометрических водосливов.

Таблица 3