Для определения расхода воды в реке нужно еще определить среднюю скорость течения реки. Это можно сделать различными способами:
- поверхностными поплавками;
- по максимальной скорости;
- при помощи гидрометрических шестов или вех;
- при помощи глубинных поплавков;
- гидрометрическими вертушками.
Определение скорости течения реки поверхностными поплавками.
Выбрав прямолинейный участок реки,
- устанавливаем на обоих берегах по 8 реек (вех) попарно, одну позади другой;
- каждая пара реек должна быть поставлена перпендикулярно к направлению течения реки;
- расстояние между рейками, составляющими пару, должно быть у всех пар одинаковое (например, по 5 м).
Таким образом, мы устанавливаем четыре створа: I—пусковой, II — верхний, III — главный, IV — нижний по течению, реки.
Эти створы находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, величина которого зависит от размеров реки, например на расстоянии 15 м друг от друга.
Прежде чем забрасывать поплавки, нужно записать время начала работы, а после окончания — время конца работы; затем отметить обстановку работы:
- состояние реки на гидрометрическом створе (чистая, местами покрыта растительностью);
- состояние погоды (ясно, пасмурно, туман, дождь);
- характеристику ветра (штиль, слабый, средний, сильный; по течению, против течения; от левого или правого берега);
- характеристику поверхности потока (спокойная, покрыта рябью, волнение).
Особенно большое влияние на скорость течения реки оказывает ветер: увеличивает (попутный ветер) или уменьшает (встречный ветер) скорость потока, поэтому для большей точности определения скорости течения делают поправки. Для введения поправок имеются специальные таблицы.
Далее, расставив наблюдателей по створам, можно приступить к забрасыванию поплавков. Поплавки обычно применяют в виде кружков, отпиливаемых от сухих бревен диаметром 10—25 см и толщиной 5—6 см. Чтобы поплавок был лучше виден на реке, его окрашивают белой краской, а иногда ярко-красной. Если река небольшая, то можно ограничиться тремя—пятью поплавками.
На пусковом створе поплавки забрасываются последовательно: сначала ближе к правому берегу, потом на середину реки, затем ближе к левому берегу.
На верхнем створе подается сигнал. Когда поплавок окажется в створе, наблюдатель, стоящий у главного створа, засекает время, т. е. пускает секундомер или просто замечает время по часам с секундной стрелкой. Наблюдатель, стоящий у нижнего створа, при прохождении поплавка через створ, подает сигнал наблюдателю у главного створа, а он останавливает секундомер или замечает время по часам. Для определения скорости движения поплавков удобнее вести наблюдения по нижеследующей таблице.
Если расстояние между створами 15 м, то расстояние между верхним и нижним створами будет равно 30 м. Бросаем с пускового створа в разных местах реки четыре поплавка поочередно (т. е. сначала первый поплавок; когда он пройдет весь свой путь, тогда забрасываем второй и т. д.) и получаем данные, которые записаны в нижеприведенной таблице.
Продолжительность хода поплавка (сек)
Средняя поверхностная скорость течения (м/сек)
Путь поплавка делим на время его движения и узнаем скорость поплавка, а для определения средней скорости течения складываем скорости всех поплавков и делим на их количество.
Определение средней скорости для небольших рек по максимальной поверхностной скорости.
Наибольшую скорость Vмакс умножаем на поправочный коэффициент К, который зависит от степени шероховатости русла. В результате получаем среднюю скорость реки. Для горных рек с валунным дном К = 0,55, для рек с гравелистым дном К = 0,65, для рек с неровным песчаным и глинистым ложем К = 0,85. Например, если К = 0,75, тогда средняя скорость в нашем примере
Vср = 0,75-0,65 – 0,49 м/сек.
Определение средней скорости потока при помощи гидрометрических шестов или вех.
Для этого берут гидрометрический шест длиной меньше минимальной глубины на данном отрезке реки, иначе шест застрянет у мелководья. К шесту привязывают камень такой величины, чтобы гидрометрический шест немного выступал над водой, и определяют его скорость в разных точках реки так же, как это делают с поверхностными поплавками; узнают среднюю скорость. В данном случае средняя скорость будет не поверхностная, а по живому сечению, но для большей точности следует ввести поправку по формуле:
где Н — средняя глубина реки от поверхности воды до дна, h — глубина погружения гидрометрического шеста, v — определенная скорость.
Определение средней скорости при помощи глубинных поплавков.
Для определения скорости этим способом нужно взять две бутылки. Бутылки привязывают друг к другу шнурком, длина которого будет зависеть от глубины исследуемой реки. Одну бутылку (нижнюю) наполняют водой и закупоривают пробкой, во вторую бутылку (верхнюю) насыпают песок в таком количестве, чтобы только часть ее горлышка находилась над водой, и тоже закупоривают.
Наблюдая за верхней бутылкой, определяют среднюю скорость обеих бутылок. При помощи двух бутылок можно также определить скорость на определенной глубине, равной глубине нижней бутылки. Например, мы хотим определить скорость на определенной глубине реки на данном отрезке. Тогда, привязав нижнюю бутылку на глубину 0,2 h (где h — глубина реки), определяем сначала среднюю скорость двух бутылок — верхней и нижней, т.е. vcp, а при помощи поверхностных поплавков определяем среднюю поверхностную скорость Vср.пов
и находим искомую скорость по формуле:
V 0.2 h = 2 Vср – Vср.пов
Этим способом можно определить скорость и на глубинах: 0,4 h; 0,6 h; 0,8 h; таким образом, мы можем узнать среднюю скорость по живому сечению. Для этого нужно сложить все пять скоростей, и разделить на 5:
Наблюдения показывают, что скорости течения распределяются по поперечному сечению рек неравномерно. Они достигают максимальной величины или на самой свободной поверхности, или на незначительной глубине от нее. По мере приближения ко дну скорость уменьшается. Картину распределения скоростей можно изобразить на графике. Для этого глубина каждой точки откладывается по вертикали (сверху вниз), а скорости течения по горизонтали (слева направо). Соединяя концы горизонтальных линий, изображающих скорости потока, получаем кривую, называемую годографом скоростей.
Зная среднюю скорость течения и площадь живого сечения, можно определить расход воды в реке по формуле:
Q = F-vcp,
Например, выше мы определили, что F = 7,08 м2, а средняя скорость Vср = 0,27 м/сек; следовательно Q = 7,08-0,27 = 1,91 м3/сек. Округленно можно считать Q==2 м3/сек.
Теперь определяем расход воды во втором нашем примере по формуле: Q= F- Vср, где F = 7,4 м2, а Vср = 0.4 м/сек; Q — 7,4 * 0,4 = 2,96 м3/сек, Округленно можно считать Q = 3 м3/сек.
Определение колебания уровня воды в реке.
Если есть возможность, то следует при помощи водомерной рейки проследить за колебанием уровня воды в реке в течение нескольких суток. Обычно уровень воды измеряют один раз в сутки, в 8 часов утра; если это трудно, то можно проводить наблюдения один раз в 10 дней, а ежесуточные проводить только во время половодья или паводков. Разность между высоким уровнем воды (h макс) и низким (h мин) называется амплитудой колебания (А) уровня воды.
Величина амплитуды имеет большое значение при проектировании различных гидротехнических сооружений.
Для наблюдения за колебанием уровня воды в реке можно принять условный уровень воды на глубине сваи, никогда не выходящей из воды в течение года. От этого условного уровня, называемого нулем графика, вычерчивают график колебания воды в реке.
Вообще за нуль графика берут горизонт воды глубже минимального уровня воды, который можно узнать на ближайшем гидропосту. При построении графика на оси абсцисс откладывают время определения глубины, а на оси ординат — возвышения над нулем графика или отметку уровня воды для каждого дня.
Измерение расхода воды поплавками;
Измерения поверхностными поплавками. Точность поплавочных измерений существенно ниже, чем вертушечных, поэтому поверхностные поплавки применяются при рекогносцировочных обследованиях рек, выходе вертушек из строя. Приинтенсивном ледоходе, когда вертушечные измерения становятся невозможными, а в качестве поплавков служат отдельные льдины.
Поплавочные измерения проводят при штиле или небольшом ветре 2-3 м/с. По берегу параллельно основному направлению течения прокладывается магистраль и перпендикулярно к ней разбиваются три створа: верхний, средний и нижний. Расстояние между створами назначается такое, чтобы продолжительность хода поплавков между ними составляла не менее 20 секунд.
Измерение скорости течения поверхностными поплавками состоит в определении времени прохождения ими расстояния от верхнего до нижнего створа и мест прохождения через средний створ.
В пусковом створе забрасывается с берега или пускается с лодки первый поплавок, и в момент прохождения им верхнего створа по сигналу наблюдателя, стоящего в этом створе, техник пускает секундомер. В момент пересечения поплавком среднего створа отмечается место прохождения от постоянного начала по размеченному канату или засечками с берега угломерным инструментом. При прохождении поплавком нижнего створа по сигналу наблюдателя, стоящего у этого створа, техник останавливает секундомер.
Следующий поплавок пускается на некотором расстоянии от первого, и вся работа по измерению скорости течения повторяется в том же порядке. Всего пускается 15-20 поплавков, равномерно распределенных по ширине реки.
Если невозможно пустить поплавки по всей ширине реки, например на реках, с быстрым течением, где поплавки сносятся к середине потока, расходы воды определяются по наибольшей поверхностной скорости. В этом случае на стрежневую часть потока пускается 5-10 поплавков. Из всех пущенных поплавков выбираются три с наибольшей продолжительностью хода, отличающиеся друг от друга по времени не более чем на 10%; при большем отклонении продолжительности хода пускается ещё 5-6 поплавков.
Запись результатов измерений расходов воды поплавками ведётся в книжке КГ-7М(н).Для определении скорости течения строится график продолжительности хода поплавков, на котором по горизонтальной оси откладываются расстояния от постоянного начала до места прохождения поплавками среднего створа, а по вертикальной оси – продолжительность хода поплавков между верхним и нижними створами. По нанесённым точкам проводится осредненная эпюра распределения продолжительности хода поплавка по ширине реки. В местах перегибов эпюры, а при плавной её форме через равные расстояния назначается не менее 5-6 скоростных вертикалей, которые для удобства обработки совмещаются с промерными вертикалями. Для каждой скоростной вертикали вычисляется поверхностная скорость течения путем деления расстояния между верхним и нижним створами на продолжительность хода поплавка, снятую с эпюры.
Умножая площади отсеков между скоростными вертикалями на полусумму поверхностных скоростей на них, получают частичные фиктивные расходы воды qфз. Их сумма, с учетом краевых коэффициентов дает общий фиктивный расход воды Qф. Действительный расход вычисляется по формуле: Q=KQф, К – переходный коэффициент, который вычисляется по формуле Д.Е.Скородумова:
Если с помощью поплавков измерена наибольшая поверхностная скорость, то она используется для вычисления расхода воды Q=KнаибVнаибF, где Vнаиб- среднее значение скоростей трех наиболее быстрых поплавков; Kнаиб=1-5,6ghI/Vнаиб (h-средняя глубина потока; g-ускорение свободного падения; F-площадь водного сечения.