Определение скорости течения реки

\                        ^^           Рис. 5-4. Расположение створов

быть поставлена перпендикулярно к направлению течения реки. Рас­стояние между вехами у всех пар берется одинаковым (например, 5 м).

Створы также должны находиться на равном расстоянии друг от друга, составляющем 1-3 ширины реки каждое (рис. 5-4). Поплавки забрасываются с пускового створа последовательно: сначала ближе к левому берегу, потом на середине реки, затем ближе к правому берегу. Каждый последующий поплавок запускается после того, как предыду­щий прошел все три створа.

Время прохождения поплавков через низовой и верховой створы от­мечается на секундомере по сигналам, подаваемым наблюдателями, стоящими на каждом створе. Для определения скорости поплавка его путь делится на время его движения.

Измерение расхода воды поплавками

Расстояние между створами:

Верхним и средним____ м;

Средним и нижним_______ м;

Верхним и нижним_________ м;

Общая длина пути________ м.

Средняя скорость вычисляется сложением скорости всех поплавков и делением на их количество. Результаты записываются в журнал из­мерения поверхностных скоростей течения реки.

Образец журнала измерения поверхностных скоростей течения реки

Для измерения скорости течения на разных глубинах используют двойные поплавки. В качестве глубинных поплавков могут быть ис­пользованы две бутылки. Бутылки привязывают одну к другой верев­кой, длина которой зависит от глубины измерения скорости. Нижняя бутылка наполняется водой и закупоривается пробкой. В верхнюю бу­тылку насыпается песок в таком количе­стве, чтобы верхняя ее часть находилась над водой, и она тоже закупоривается пробкой (рис. 5-5). Скорость движения - верхней бутылки указывает на среднюю скорость обеих бутылок. Чтобы опреде­лить скорость на определенной глубине,

_____________  ___  например на 0, 2h(h-глубина реки), нуж­
но знать поверхностную скорость (Vtiob) и
среднюю скорость двух бутылок (Vcp), из
которых нижняя опускается на глубину
0, 2 h. Тогда скорость на этой глубине оп­
ределяется по формуле: V0, 2h = 2 Vcp -
Vпов.

Таким же способом можно определить скорость на глубине 0, 6 h, 0, 8 h и т. д.

Наиболее точный способ измерения

Гидрологические исследования

скорости течения - при помощи гидромет­рической вертушки, Измерение скорости течения вертушкой производится на ско­ростных вертикалях, которые распреде­ляются на поперечном профиле через 5-10 м. Если глубина реки не превышает 3 м, вертушка опускается на определен­ную глубину на жесткой штанге; если глу­бина превышает 3 м - то на веревке или тросе.

Замеры скоростей принято проводить у поверхности, на глубинах 0, 2 h, 0, 6 h, 0, 8 h и у дна. Продолжительность измерения скорости в отдельных точках должна быть не менее 100 сек. Установив вертушку на определенной глубине, пропускают 1-2 сигнала, включа­ют секундомер и считают количество сигналов. Сигнал, по которому включен секундомер, в счет не принимается. Число оборотов в секунду вычисляют путем деления суммарного числа оборотов на общее коли­чество секунд. Сначала вычисляют суммарное количество оборотов (N) путем умножения числа оборотов за сеанс на число сеансов (А). Затем сумма оборотов делится на продолжительность наблюдений в секундах (t) и определяется число оборотов в секунду (n): n=NA/t.

В тарировочной таблице по определенно­му числу оборотов в секунду находится соот­ветствующая величина скорости течения во­ды. На основании полученных скоростей в отдельных точках можно вычислить сред­нюю скорость по вертикали.

Распределение скоростей по глубине изображается в виде годографа скоростей. При вычерчивании графика на вертикаль­ной оси откладываются в определенном масштабе глубины, на горизонтальной -скорости течения. Затем на соответствую­щих глубинах откладываются измеренные скорости и полученные точки соединяются плавной кривой (рис. 5-7).

Наглядное представление о распределе­нии скоростей в живом сечении можно по-

Рис. 5-8. И. зотахи в живом селении речного потока

лучить построением изотах - линий, соединяющих в живом сечении точки с одинаковыми скоростями (рис. 5-8). Наибольшие скорости те­чения располагаются обычно на некоторой глубине от поверхности.

Для вычисления средней скорости течения на вертикали применя­ются способы:

1) аналитический; 2) графический; 3) графоаналитический.

Аналитический способ - наиболее простой и доступный. Вычисле­ние средней скорости производится путем деления суммы скоростей на количество измерений по следующим формулам:

а)       при измерении в пяти точках:

Vcp = (Vпов. + 3V 0. 2h + 3V 0. 6h + 2V 0, 8h -r V дно)/10

б)       при измерении в трех точках:
Vcp = (V 0. 2h + 2V 0. 6h + V 0. 8h)/4

в)        при измерении в двух точках:
Vcp = (V0. 2h + V0. 8h)/2

г)        при измерении в одной точке: Vcp = V0, 6h
Графический способ.

С помощью планиметра определяется площадь годографа. Средняя скорость вычисляется путем деления площади годографа (S) на глуби­ну вертикали (h):

Vcp = S/h

Графоаналитический способ.

Площадь годографа разбивается, начиная от поверхности воды, на

полоски высотой 4 мм (рис. 5-9). Го­дограф может быть разделен без ос­татка или с остатком 3, 2, 1 мм. Для каждой середины полоски снимают значение скорости и выписывают справа от годографа. Средняя ско­рость вычисляется по формуле:

Vcp = ( суммаVi + VnK)/(n+K), где суммаVi - сумма скоростей, снятых с полных полосок; Vn - значение ско­рости, снятой с середины нижней не­полной полоски; К - коэффициент, равный отношению т/4 (где т - вы­сота неполной полоски в миллимет­рах). Так, в нашем примере на рис. 5-9

Vcp. = (9. 88+0. 5О*0, 75)/(12+0. 75) = 0, 80 м/сек.

Полученные данные по средней скорости течения используются в дальнейшем для расчета расхода воды в реке.

Определение расхода воды в реке

После выполнения необходимых гидрометрических работ и их об­работки необходимо приступить к расчетам морфометрических и гид­рологических характеристик. Важнейшим показателем реки служит расход воды, т. е. объем воды, протекающей через живое сечение в еди­ницу времени. Расход выражается в кубических метрах в секунду (м³/сек) и вычисляется по формуле: Q = S x Vcp, где Q - расход воды, S - площадь живого сечения, Vcp - средняя скорость течения реки. Из формулы следует, что для определения расходы воды в реке необходи­мо знать среднюю скорость течения и площадь живого сечения.

Площадь живого сечения вычисляется на поперечном профиле ре­ки, вычерченном для главного створа. Промерными вертикалями про­филь разбивается на части. Площади образовавшихся участков вычис­ляются и затем суммируются. Расчет площади поперечного сечения производится по таблице.

S = 9, 78м²

Вначале вычисляются средние значения соседних глубин, которые умножаются на расстояния между промерными вертикалями. Полу­ченные произведения представляют собой площади отдельных частей живого сечения, а их сумма - общую площадь живого сечения. Зная среднюю скорость течения и площадь живого сечения, можно опреде­лить расход воды по уже приведенной формуле: Q = S x Vcp.

Выше мы определили, что площадь живого сечения S равна 9, 78 м², а средняя скорость (Vcp) составила 0, 80 м/с. Следовательно, расход во­ды Q = 9, 78 х 0, 80= 7, 824 м/с.

Расход воды может быть подсчитан также по поверхностным скоро­стям, измеренным поплавками. Для этого используются аналитиче­ский или графоаналитические способы.

Аналитический способ расчета величины расхода воды сводится к следующему. Полученные средние значения скоростей, относящихся к разным промерным точкам, записывают в журнал вычисления рас­хода воды. Далее находится полусумма скоростей между смежными вертикалями. Умножение полученных величин скоростей на площади живого сечения между вертикалями дает частные расходы воды, сум­мирование их - общий расход воды.

Расход воды, полученный по поверхностным скоростям, превыша­ет действительные его значения. Поэтому вводится поправочный ко­эффициент, равный 0, 85. В приведенном примере действительный расход составляет 2, 82 х 0, 85 = 2, 4 м³/с.

Вычисление расхода воды с помощью графоаналитического способа можно представить в виде графика. По данным промеров глубин вычер­чивается профиль живого сечения, под ним выписываются все получен­ные при измерении глубины и скорости течения (рис. 5-10). От уровня воды вверх откладываются поверхностные скорости. Полученные точ­ки соединяют плавной кривой, называемой эпюрой поверхностных ско­ростей. Путем умножения средних скоростей на площади между сосед­ними вертикалями полу­чают частные расходы, а общая их сумма дает рас­ход всего потока.

На основании данных о расходе воды можно полу­чить другие гидрологиче­ские характеристики: объем, модуль, слой и ко­эффициент стока.

Объем стока (W, м³ или км³) - количество во­ды, протекающее через живое сечение реки за оп­ределенный промежуток времени (сутки, месяц, год). Для определения годового стока реки нужно среднегодовой рас­ход воды умножить на число секунд в году.

Модуль стока (М, л/с х км²) - количество воды в литрах, стекающее в 1 секунду с 1 км² водосборной площади. Модуль стока вычисляется по формуле: М = Q х 1000 / S, где Q - расход воды, a S - площадь водо­сбора.

Слой стока (h, мм) - слой воды в миллиметрах, равномерно распре­деленный по площади S и стекающий с водосбора за некоторый отре­зок времени t, выраженный в секундах. Слой стока рассчитывается по формуле: h = 86, 4 TQ/S.

Коэффициент стока (К) - отношение слоя стока к слою атмосфер­ных осадков за один и тот же отрезок времени, т. е.: К = (h/r) x 100, где К - коэффициент стока в процентах, h - слой стока, а r - слой атмо­сферных осадков в мм.

Промерные работы на озерах

Изучение глубин озера начинается с разбивки на нем промерных профилей, или створов, и определения на них положения промерных точек.

Если озеро небольшое, то достаточно ограничиться измерением глу­бины в 3-5 характерных точках, в том числе обязательно в самом глу­боком месте {местоположение выяснить у местного населения). Кроме того, если озеро проточное, необходимо сделать промеры глубин перед входом впадающих и у выхода вытекающих речек.

На значительных по величине озерах число промерных профилей, количество промерных точек на каждом из них и расположение про­филей определяют в каждом конкретном случае в зависимости от пло­щади озера, конфигурации и степени расчлененности его берегов, сложности рельефа дна. При этом стремятся, чтобы основные черты рельефа озерной чаши (понятие, аналогичное руслу реки) были выяв­лены достаточно ясно и можно было бы по данным промеров составить хотя бы схематический батиметрический план (т. е. план озера с пока­занием глубин).

Мелководную береговую зону исследуют более детально. Промер­ные линии здесь чаще всего назначают через 5-10 м. В центральной же части водоема, имеющей большие глубины, число промерных линий может быть сокращено в два-три раза. Измерения глубин, по возмож-

ности, должны оыть проведены во всех характерных местах озерной чаши, т. е. необходимо пройти через наиболее глубокие места, мели, сужения, расшире­ния и т. д.

На озерах округлой формы с ровным дном достаточно наме­тить два крестообразно пересе­кающихся взаимно перпенди­кулярных профиля (рис. 5-11а). Можно также при округлой фи­гуре озера промерные работы производить методом полярных створов, разбивая промерные профили в разных направлениях из одной и той же береговой точки.

На узких, сильно вытянутых в длину озерах промерные профили целесообразнее всего иметь в виде системы поперечников, разбитых примерно на одинаковом расстоянии друг от друга, перпендикулярно к направлению наибольшей протяженности озера. Для более детально­го обследования промерами прибрежной зоны вводят дополнительные створы, как показано на рисунке.

На озерах сложной лопастной формы, с многочисленными острога­ми и неровным дном, промерные линия удобно располагать веерооб­разно, связывая вспомогательными съемочными ходами отдельные острова друг с другом и с наружной береговой линией.

Если озеро имеет неправильную ветвистую форму, состоящую из нескольких обособленных частей (плесов), соединенных между собой узкими проливами, то распределение глубин в каждом плесе изучает­ся особо.

Наконец, очень выгодна зигзагообразная система промерных про­филей, осуществляемая от одного берега к противоположному по не­прерывной ломаной линии посредством так называемых косых галсов (рис. 5-11б).

Промерные галсы (галс - путь движения лодки) назначаются меж­ду точками, которые легко можно найти как на местности, так и на карте или плане (устья впадающих в озеро притоков, истоки вытекаю­щих из озера речек, остроконечные мысы, вершины заливов, острова).

В отдельных случаях разбивку промерных линий можно осуществлять по компасу, с обязательной фиксацией начала и конца галса на рабочей карте, а также при помощи плавучих вех или буйков.

Положение промерных точек на промерном галсе определяют по гребкам весел лодки, идущей с равномерной скоростью (например, че­рез каждые 10-12 гребков), или по секундомеру (через 20-30 секунд). Измерив по плану полную длину галса и зная количество сделанных через равные промежутки времени промеров, легко можно будет нане­сти при обработке полевых материалов положение на плане озера от­дельных промерных точек.

Промеры глубин производят наметкой (размеченный шест) или руч­ным лотом, с точностью до одного дециметра. Работу по измерению глу­бин удобно вести, когда в лодке сидят не менее 3 наблюдателей: гребец, рулевой и лотовой. Гребец в рулевой все время следят за тем, чтобы лод­ка находилась в промерном створе. Грести нужно равномерно, считая гребки вслух и задевая воду веслами лишь слегка. Через установленное число гребков лодка останавливается, лотовой производит измерение глубины, а рулевой записывает полученный результат в журнал.

Промерные створы следует продолжить за урезы озера до отметки максимально высоких вод и произвести по этим створам ватерпасовку береговых склонов.

Одновременно с промерами глубин производят опробование грун­тов дна озера и определение прозрачности и температуры воды. Все эти исследования производят теми же приемами, какие рекомендуются при исследовании рек.