Отчет по гидрологической практике. 1 Гидрологическая характеристика реки Сож
 Скачать 270.5 Kb.
|
|
Нуль графика и нуль наблюдений поста. При составлении таблиц и графиков колебания уровней воды все уровни принято отсчитывать от воображаемой горизонтальной плоскости, называемой плоскостью нуля графика водомерного поста. В качестве нуля графика назначается наинизшая отметка дна реки в створе поста. При таком выборе нуля графика высота всех уровней воды над ним, даже самых низких, окажется положительной. Положение нуля графика сохраняется неизменным на все время действия поста. Это дает возможность сопоставлять данные многолетних наблюдений. Действительная точка на водомерном посту, от которой отсчитываются уровни в процессе их измерений, называется нулем наблюдений. На реечном водомерном посту нуль наблюдений соответствует нулевому делению рейки, а на свайном – поверхности головки той сваи, на которую устанавливается переносная рейка при измерении уровня. Превышение нуля наблюдений над нулем графика поста называется приводкой. Если обозначить высоту уровня над нулем наблюдений через hизм и приводку через hп, то высоту уровня над нулем графика можно установить по зависимости H = hизм + hп . (11.1) Для определения отметки уровня воды z нужно к отметке нуля графика z0 прибавить высоту уровня над ним Н: z = z0 + H. 3 Измерение скорости течения и расхода воды 3.1. Распределение скоростей в живом сечении потока Для русла реки, близкого по форме к призматическому, при отсутствии пойм и в условиях малых колебаний уровня движение можно считать равномерным. При этом распределение скоростей в живом сечении потока определяется величинами сопротивлений движению шероховатой поверхности русла и берегов. В открытом потоке на любой вертикали скорость уменьшается от максимальной величины uп на поверхности до некоторого значения придонной скорости uд , измеряемой обычно на расстоянии ≈ 15 см от дна (рис. 3.1)  Рис. 3.1. Распределение скоростей в живом сечении потока. Закон распределения скоростей – логарифмический или степенной, т.е. аналогичен распределению местных скоростей в канале или трубе при квадратичной зоне сопротивления. Наиболее простой и удобной является формула  , (3.1)где m – переменный параметр, зависящий от скоростного коэффициента Шези (Св) на рассматриваемой вертикали. Его можно вычислить по приближенной зависимости  . (3.2)Как известно из гидравлики, коэффициент Шези зависит от гидравлического радиуса Rг и коэффициента групповой шероховатости русла n и может быть вычислен по формуле Н.Н. Павловского или И.И. Агроскина. Так, например, расчеты показали, что при Rг = 1,0–10 м и n = 0,02 (канализованные реки в плотных грунтах с тонким слоем илистых отложений) параметр m ≈ 7,0 и, следовательно, формула (3.1) аналогична закону одной седьмой Т. Кармана распределения скоростей в трубе. При нарушении равномерного режима безнапорного движения в реке меняется и сам закон распределения скоростей, и в частности соотношение между средней vв и придонной uд скоростями. Например, образование ледяного покрова значительно изменяет распределение скоростей по вертикали (рис. 3.1, б). Из-за этого движение речного потока происходит в напорном режиме. Трение воды о поверхность льда создает дополнительное сопротивление. Поэтому максимум скоростей на вертикали смещается в направлении дна. В открытых потоках при наличии встречного ветра или поперечной циркуляции максимум скорости будет наблюдаться ниже свободной поверхности. На рис.3.1, в представлено распределение максимальных и средних скоростей в горизонтальных направлениях по ширине В русла. Максимумы этих скоростей находятся в средней части ширины, вдали от берегов. Линии равных местных скоростей (u1, u2, u3, u4) называются изотахами. Очертание изотах тесно связано с формой русла и изменением его шероховатости. Если считать, что донная скорость равна 0, то смоченный периметр можно рассматривать как нулевую изотаху. Таким образом, распределение местных скоростей по живому сечению речного потока имеет сложный характер. Объем эпюры скоростей представляет собой расход. Его можно достаточно точно определить путем расчленения на отдельные элементарные объемы упрощенного вида (численный метод) или применяя методы определения средней скорости потока. 3.2. Устройство гидрометрических створов Гидрометрическим створом называется поперечное сечение реки, в котором производится измерение скоростей течений для определения расхода воды. Гидрометрические створы подразделяют на постоянные и временные. На постоянных гидрометрических створах, совмещаемых обычно с опорными водомерными постами гидрометеослужбы, измерение скоростей течения производят систематически в течение нескольких лет. Временные гидрометрические створы устраивают различные изыскательские партии для изучения гидравлических характеристик на интересующих участках реки. Вблизи временных гидрометрических створов организуют временные водомерные посты для наблюдения за уровнями воды в период промера глубин и измерения скоростей течения. При выборе места для устройства гидрометрического створа нужно соблюдать следующие условия: а) участок реки, равный по длине 3–5-кратной ширине русла, должен иметь по возможности параллельно струйное течение без резких изменений живых сечений потока; б) в месте расположения гидроствора река не должна иметь рукавов, широких затопляемых пойм, заводей, обратных течений и различных русловых образований, затрудняющих определение расхода воды; в) русло реки должно быть устойчивым, без крупных камней, водорослей и других препятствий, мешающих измерению, глубины и скорости течения; г) на мелких реках с небольшими скоростями течения гидростворы лучше располагать в узких местах, где скорости и глубины могут быть измерены более точно; д) на глубоких и быстрых реках для устройства гидростворов желательно выбирать более широкие участки; е) гидростворы нельзя располагать в зоне действия естественного или искусственного подпора. На участке реки, выбранном для устройства гидрометрического створа, производят нивелировку берегов и промер глубин по трем поперечникам, перпендикулярным направлению течения реки (рис.3.2).  Рис. 13.2. Гидрометрический створ. Поперечники связываются между собой на одном берегу базисной прямой. Средний поперечник 2–2 называют главным створом, а крайние 1–1 и 3–3 – вспомогательными. Последние располагают от главного створа на расстояниях, равных 0,5–2-кратной ширине русла. Главный створ закрепляют на обоих берегах реперами, устанавливаемыми на незатопляемых местах. В точках пересечения главного и вспомогательных створов с базисом устанавливают низкие столбики, которые служат началом для отсчета горизонтальных расстояний. При наличии русловой съемки гидроствор привязывают к ее планово-высотной основе и наносят на план участка реки. Для определения расхода нужно знать скорости течения в разных точках живого сечения, как по ширине, так и по глубине реки. Имея представление о распределении скоростей в живом сечении потока, можно площадь живого сечения разделить на части и для каждой из них подсчитать частные расходы путем умножения их площадей на соответствующие скорости течения. Общий расход определится при этом по формуле Q = ΣΔQi = ΣΔωi vi, (3.3) где Δωi – площади частей живого сечения; vi – соответствующие скорости течения. Наибольшее распространение получили два способа измерения скоростей течения в реках: при помощи поплавков и при помощи вертушек. Первые служат для измерения скоростей течения на поверхности воды, а вторые – в точках, расположенных на различной глубине. Поплавки применяют для измерения скоростей течения в безветренную погоду в русле, свободном ото льда и водной растительности. Положительным качеством этого способа измерения скоростей является его простота и небольшие затраты времени. Непосредственное измерение поплавками целесообразно при малых скоростях течения и малых глубинах, а также при содержании в воде большого количества наносов. Кроме этого, поплавки успешно применяются на больших реках для измерения скоростей аэрометодами. Точность вычисления расходов воды по скоростям, измеренным поплавками, лежит в пределах 10–20%. Вертушки – наиболее распространенные, совершенные и точные приборы для измерения скоростей течения. Они обеспечивают высокую точность определения расходов воды (2–3%). 3.3. Измерение скоростей течения поплавками и вычисление расходов воды В качестве поплавков для измерения скоростей течения чаще всего используются деревянные кружки высотой 5–6 см, отпиленные от бревна диаметром 10–25 см. Помимо главного и двух вспомогательных створов, на реке намечают створ для пуска поплавков, который располагают на 10–20 м выше верхнего вспомогательного створа. Для определения расхода воды на реках шириной до 100 м нужно иметь 15–20 поплавков. Поплавки пускают последовательно один за другим в различном удалении от берега по 3–4 с каждого места. Если какой-либо поплавок задержался у берегов или время его прохождения между створами значительно отличается от времени движения других поплавков одной группы, пускают новый поплавок. Среднюю поверхностную скорость течения для каждой группы поплавков подсчитывают, деля расстояние между верхним и нижним створами на среднюю продолжительность хода поплавков данной группы. Для вычисления расхода воды площадь живого сечения гидрометрического створа разбивают по ширине на ряд интервалов. Границы интервалов устанавливают посередине между точками, соответствующими средним расстояниям от постоянного начала до мест прохождения каждой группы поплавков через средний створ. Расход, вычисленный умножением площади живого сечения на поверхностную скорость течения, называется фиктивным. Фиктивный расход определяют по формуле: Qф = ΣΔωi un i , (3.4) где Δωi – площади частей живого сечения в расчетных интервалах; un i – средние поверхностные скорости течения в соответствующих интервалах. Расчеты по определению фиктивного расхода удобно вести в табличной форме. Так как поверхностные скорости течения больше средних скоростей по глубине потока, для определения действительного расхода воды нужно фиктивный расход умножить на эмпирический коэффициент kп:  . (3.5)3.4. Измерение скоростей течения вертушками Вертушками измеряют скорости течения в различных точках живого сечения, определенным образом распределенных по ширине и глубине реки. По ширине гидрометрического створа намечают ряд скоростных вертикалей (см. рис. 3.1, в) на каждой из которых проводят измерение скоростей течения в одной или нескольких точках на разной глубине от поверхности. На реках шириной до 100 м обычно намечают 5–7 скоростных вертикалей, шириной 100–150 м – до 11 вертикалей. Распределение скоростных вертикалей по ширине реки проектируют на поперечном профиле гидрометрического створа. В первую очередь намечают вертикали по стрежню реки и в местах резкого изменения поперечного уклона дна русла. Остальные вертикали располагают примерно на одинаковых расстояниях друг от друга. Количество точек для измерения скоростей течения на каждой вертикали назначают в зависимости от глубины реки и требуемой точности определения расхода воды. Стандартные точки измерения установлены в долях глубины вертикали, отсчитываемой от поверхности. При h < 0,75 м применяется одноточечный способ измерения скорости на глубине 0,6hi ; при h = 0,75–1,5 м – двухточечный на глубинах 0,2hi и 0,8hi ; при h > 1,5 м – пятиточечный: у поверхности, на глубинах 0,2hi , 0,6hi , 0,8hi и вблизи дна или сокращенный по трем вышеуказанным точкам; при наличии ледяного покрова – на глубинах 0,15hi , 0,5hi, 0,85hi . При назначении точек для измерения скоростей на вертикалях нужно следить, чтобы расстояния между ними были не менее 1,5 диаметров винта вертушки, а также, чтобы лопасти вертушки не выходили при вращении из воды и не касались дна или ледяного покрова Работу на каждой скоростной вертикали начинают с измерения ее глубины. Затем вычисляют соответствующие доли глубины для определения мест установки вертушки. Скорости на вертикали измеряют сперва у поверхности воды, а затем последовательно в остальных точках. Речные потоки характеризуются значительной пульсацией скоростей. Скорости в одних и тех же точках потока изменяются во времени как по величине, так и по направлению. Для измерения осредненных скоростей нужно продержать вертушку в каждой точке достаточное время для устранения влияния пульсации. Так как у дна реки пульсация больше, чем у поверхности, скорости следует измерять здесь дольше. Минимально необходимое время для измерения средних скоростей составляет: вблизи дна 5 мин; на глубине 0,8hi – 4 мин; на глубине 0,6hi – 3 мин; на глубине 0,2hi и у поверхности – 2 мин. Обычно при измерении скоростей течения на равнинных реках вертушку в каждой точке выдерживают до получения пяти сигналов. 3.5. Определение расходов воды по скоростям, измеренным вертушкой Расходы воды можно определить по измеренным скоростям аналитическим, графоаналитическим и графомеханическим способами. В настоящем параграфе рассмотрен аналитический способ как наиболее простой и распространенный. С другими способами вычисления расхода воды можно ознакомиться в специальной литературе. При аналитическом способе общий расход воды в реке определяют путем суммирования частных расходов воды, протекающей через все части живого сечения, ограниченные смежными скоростными вертикалями. Расчет начинают с вычисления средних скоростей течения на каждой вертикали, которые в зависимости от принятого способа измерения скоростей течения определяются по формулам: при пятиточечном способе vi = 0,1(uпов + 3 u0,2h + 3 u0,6h + 2 u0,8h + uдон ); (3.6) при трехточечном способе vi = 0,25(u0,2h + 2 u0,6h + u0,8h ); (3.7) при двухточечном способе vi = 0,5(u0,2h + u0,8h ); (3.8) при одноточечном способе для открытого русла vi = u0,6h . (3.9) при наличии ледяного покрова vi = 0,33(u0,15h + u0,5h + u0,85h ), (3.10) или приближенно vi = u0,4 h. Средние скорости для частей живого сечения, заключенных между двумя смежными скоростными вертикалями, принимаются равными полусумме средних скоростей на этих вертикалях. Например, средняя скорость для части живого сечения между второй и третьей вертикалями определится по выражению  Для крайних частей живого сечения, примыкающих к урезам воды, средние скорости устанавливают по соотношениям  ;  ,где v1 и vn–1 – средние скорости на крайних скоростных вертикалях. Площади частей живого сечения между смежными скоростными вертикалями определяют геометрическим способом по поперечному профилю реки при расчетном уровне воды с учетом всех измеренных глубин на промерных и скоростных вертикалях. Расход воды, протекающей через часть живого сечения между двумя смежными вертикалями, вычисляется по зависимости ΔQ = Δωv. (3.11) Общий расход воды Q определяется по формуле Q = ΣΔQ. (3.12) Расчет расхода воды аналитическим способом удобно вести в табличной форме. Числовой пример такого расчета приведен в табл. 3.2. Таблица 3.2. Вычисление расхода воды по скоростям, измеренным вертушкой
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||