Глава 3 Измерение расходов воды

3.1 Приборы и оборудование.

Для измерения расхода, на практике используется гидрометрическая вертушка ГР-21М, номер вертушки указан на лопастном винте. Лопастные винты бывают № 1 основной – диаметром 12 см и геометрическим шагом 20 см,№ 2 –неокомпанентный, диаметром 12 см, геометрическим шагом 50 см. Обязательно указываться то на чем опускается вертушка в воду (штанга, трос). Основные части вертушек:

1)Лопастной винт или ротор приводится во вращательное состояние в результате силового воздействия набегающего потока.

2)Оси, на которой вращается лопастной винт или ропот. Ось служит для укрепления лопастного винта, она может быть подвижной, соединенной непосредственно с лопастным винтом.

3)Корпус вертушки. Он служит основой для укрепления и размещения отдельных деталей вертушки, для укрепления вертушки на штанге или тросе. Целесообразной формой корпуса является обтекаемая, создающая наименьшее сопротивление потоку.

4)Счетно-контактный механизм. Он служит для подсчета оборотов лопастных винтов.

5)Хвост или руль. Хвостовое оперение или руль, служит для установки вертушки в потоке по направлению течения, что особенно важно при работе с тросом.

Рис.2. Рис.3.

Также для измерения расходов воды используются поплавки. Гидрометрические поплавки считаются самым неточным способом измерения расхода воды. Для нашей реки использовались поверхностные поплавки, которые были сделаны в виде кружков, отпиленных от сухого бревна диаметром 5-15 см и толщиной 2-3 см. не более 4 штук.

3.2. Методы измерения расходов воды.

Расход воды - это объем воды, прошедший через данное поперечное сечение речного потока за 1 с. Для крупных водотоков – рек, каналов, водосбросов гидротехнических сооружений и т.п. – расход воды выражается в кубических метрах в секунду. Расход воды малых водотоков – родников, ручьев, скважин, а также лабораторных лотков выражается в литрах в секунду.

Существуют следующие методы вычисления расходов воды, можно их разделить на две основные группы:

1. Непосредственное измерение расхода.

2. Косвенное измерение расхода.

К непосредственному измерению расхода относиться, так называемый, объемный метод, который основан на измерении расхода, посредством мерных сосудов, подставляемых под струю воды. Так же измеряется время наполнения мерного сосуда. Расход определяется делением объема воды в сосуде на продолжительность наполнения.

Косвенное измерение расхода воды может выполняться различными методами, общей особенностью которых является, то, что в них измеряется не сам расход воды, а отдельные элементы потока, причем величина расхода получается путем вычисления. К таким методам относятся:

а). Определение расхода, с помощью промерных устройств: гидрометрические лотки, водосливы.

б). Метод смешения, который имеет несколько разновидностей (тепловой, электрический и колориметрический).

в). Определение расхода по измеренным скоростям течения и площади поперечного сечения потока, называется метод «скорость-площадь». Этим методом мы пользовались на практике. Площадь поперечного сечения потока находится по результатам промеров глубин, а скорости в отдельных точках живого сечения.

3.3. Измерение расхода гидрометрической вертикали.

Определение расходов воды с применением гидрометрических вертушек производиться методом «скорость-площадь». Для обеспечения достаточной точности измерения расходов необходимо, что бы на выбранном участке наблюдалось плавно изменяющееся движение воды, течение воды как в коренном русле, так и на пойме должно иметь общее направление по всей ширине реки. Скорость течения в межень должна быть не менее 0,15-0,25 м/cек, что бы можно было изменить вертушкой. Желательно, чтобы в перерод половодья и паводков, скорости не превышали 3,0-4,0 м/сек. Зимой участок реки должен быть покрыт сплошным ледяным покровом. На участке не должно быть зон со стоячей водой или обратными течениями. При выборе участка для проведения временных работ, достаточно учитывать удобство расположения в данный период года.

Гидрометрический створ-поперечник через реку, в котором измеряются расходы воды. Положение гидрометрического створа закрепляется на плоскости прочными столбами - реперами.

Гидрометрический створ разбивают перпендикулярно общему направлению реки, ориентируясь на направление берегов, так как для правильного определения расходов, необходимо чтобы поперечное сечение реки по линии створа было расположено нормально к среднему направлению течения. Как правило, на участке измерений устанавливается один гидрометрический створ, совпадающий со створом водомерного поста или находящийся вблизи от него. Однако в некоторых случаях необходимо иметь два, а иногда и три створа. Это связанно с тем, что в различные периоды года может существенно изменяться условия протекания воды.

Определение направления гидрологического створа по средствам вертушки, измеряющей направление течения.

Работы по определению направления створа выполняются в следующей последовательности:

1)на предварительно выбранном и закрепленном створе проводят промеры глубин, после чего сообразуясь с шириной реки и очертаниями профиля створа, назначаются скоростные вертикале в количестве не более 10-12;

2)на всех скоростных вертикалях измеряются скорости и направления течения, в одной точке на глубине 0,6 h от поверхности; полученная величина скорости на вертикали принимается за среднюю скорость на вертикали.

3)вычисляются расходы воды (умножаем скорость реки на площадь водного сечения)* смотреть КГ-3 Расход воды для вертушки ГМЦМ-1

При измерении расходов воды вертушками применяются три способа – детальный, составной и сокращенный, которые различаются по степени подробности измерений скорости в живом сечении.

До провидения измерения расходов воды необходимо проверить исправность гидрометрической вертушки, а так же состояние всего оборудования гидрометрического створа. При измерении расхода воды выполняются следующие работы:

1)описание состояние реки, погоды, водной растительности, состояние русла реки, сплав леса с указанием вида сплава, сила и направление ветра, волнение, мутность воды, наличие ледовых явлений.

2) наблюдение над уровнем воды.

3) промеры глубин на гидростворе.

4)измерение скоростей течения на вертушках.

При измерении скоростей по каждой вертикали, производятся следующие работы:

1) Отличается состояние погоды и реки.

2) Определяется (при значительных изменениях) уровень воды по наблюдениям на водомерном посту для начала и конца работы по вертушкам.

3) Измеряется глубина на вертикали; зимой дополнительно измеряется толщина снега, льда, погруженного льда и шуги.

4) Вычисляется рабочая глубина на вертикали и производится расчет глубин, погружение вертушки в точки измерения скоростей.

5) Измеряются скорости течения в отдельных точках.

Чтобы измерить расход воды вертушкой ГР21-М, нужно опустить ее на 0,6 глубины в центральной промерной вертикали и считать количество звонков. Первые 2-3 сигнала пропускаются без записи. Это нужно, чтобы лопастной винт обрел скорость вращения, соответствующую скорости течения воды. Далее включается секундомер и по истечению ≈ 100 сек. Считаются звонки (один звонок – 20 оборотов). Количество звонков умножается на 20 и этот результат делится на количество секунд, получаем число оборотов в секунду:

По тарировочной таблице определяем скорость:

V= 0,0408+0,3233*(0,2405)²= 0,1185 м/с

Q= 0,1185*2,2775= 0,27 м³/с

3.4 Измерение расхода воды при помощи поверхностных поплавков.

Кроме гидрометрической вертушки, определение скорости течения можно произвести гидрометрическими поплавками. Метод основан на регистрации скорости плывущего тела-поплавка. При определении скорости поплавками допускается, что скорость течения равна скорости движения поплавка. Для измерения расхода воды поверхностными поплавками выше и ниже гидрометрического створа на равных расстояниях разбивают дополнительно два створа с таким расчетом что бы продолжительность хода поплавков между верхним и нижними створами была не менее 20 сек. При скоростях течения более 2 м.сек продолжительность хода поплавков может быть и меньше, но не менее 10 сек. Расстояние между верхним и нижним створами должно быть измерено с большей точностью – дважды стальной лентой. В ветреную погоду применение поверхностных поплавков ограничено. При измерении скоростей поплавками, полученная в каждом случае, есть наибольшая скорость течения на траектории поплавка, ту скорость принимают за местную скорость в точке пересечения линии створа и траектории поплавка. По разбитым створам под водой натягивают тонкие шнуры. У верхнего створа становится один из членов бригады с секундомером, а в основном и ниже становятся два других члена бригады. Студент пускает поплавок несколько выше верхнего створа, забрасывая его на стрежень реки с берега. В момент прохождения поплавка через верхний створ он включает секундомер и следит за поплавком. В момент прохождения поплавка через гидроствор наблюдатель следит, находится ли поплавок на стрежне реки. В момент прохождения поплавком нижнего створа, наблюдатель делает сигнал (голосом) и студент включает секундомер. Из всех пушенных на стрелке поплавков отбирают три поплавка, показывающую наименьшую продолжительность хода между створами. Крайнее значение продолжительности хода этих трех поплавков не должно отличаться друг от друга не более чем на 10 %. Вычисление расхода измеренного поверхностными поплавками приводится только по наибольшей скорости потока по формуле:

Q=0,53*0,116*2,2775=0,14м³/c

Где K-коэффициент перехода от наибольшей поверхности скорости к средней, Vнаиб.- наибольшая поверхностная скорость потока, которая определяется как средняя арифметическое из значений скорости, вычисленных по четырем поплавкам с наименьшей продолжительностью хода. ω - площадь водного сечения потока. При измерении скоростей течения у берегов, где поплавки могут задерживаться прибрежной растительностью и где скорости течения массы, рекомендуется пускать поплавки на более коротком участке, развивая для этой цепи верхний и нижний своры с меньшим расстоянием между ними.

Расход воды равен:

*смотреть в приложении «книжка для измерения расхода воды поплавками»

3.5 Определение расхода воды с использование уравнения Шези.

Формула Шези имеет вид:

V=3,817 =0,1008

По меткам высоких вод определяется максимальный уровень воды. По створу выполняется нивелирование берегов до наивысшего уровня и урезов воды для определения уклона водной поверхности. На основании обработанных данных нивелирования строится профиль поста.

По формуле Маннинга определяется коэффициент «С»:

С= * =3,817

Наибольший расход воды вычисляется по формуле:

Qmax=2,2775*0,1008= 0,229572