Гидрометрия

Гидрометрия

ГИДРОМЕТРИЯ, отдел гидрологии, занимающийся измерением и учетом вод земной поверхности как в условиях естественного стока (круговорот воды), так и искусственного (каналы, трубопроводы). Водные измерения, исполненные и обработанные по методам гидрометрии, служат материалом для гидрографического описания отдельных территорий и кладутся в основу водного хозяйства, имеющего целью наиболее целесообразное использование водных запасов. Гидрометрия изучает гл. обр. явления поверхностного стока воды и имеет дело с текучими водами. Из элементов стока измеряются и изучаются колебания уровня воды, форма и изменения русла, скорости течения, уклоны, количества протекающей воды и проносимых во взвешенном и растворенном состояниях веществ, испаряемость, просачивание через грунт, температура воды и ее состав. При составлении гидротехнических и мелиоративных проектов, гидрометрические данные являются основными и определяют собой характер и размеры систем и сооружений.

Гидрометрические работы довольно сложны и требуют применения дорогостоящих инструментов и приспособлений. Поэтому в большинстве случаев непрерывно и длительно наблюдают лишь колебания уровня воды, все же остальные элементы стока измеряют периодически при разных, по возможности предельных, их значениях; затем между уровнем воды в реке и этими элементами выводится эмпирическая зависимость, дающая возможность более или менее полно охарактеризовать общие условия и величину изучаемого стока. При наличии же в пределах одного и того же бассейна одновременных метеорологических и гидрометрических наблюдений можно выяснить участие данной реки в общем круговороте воды в природе (т. н. «коэффициент стока»). При постоянном русле по водомерным наблюдениям его на водомерном посту (см. Водомерные наблюдения) судят о высоте стояния воды относительно одной и той же постоянной точки, нуля поста, и о колебаниях остальных элементов стока. При размыве или поднятии русла показания на посту при одном и том же количестве стекающей воды будут отличаться одно от другого. Отсюда вытекает необходимость периодического промеров русла у поста и приведение водомерных данных к так называемому «среднему дну».

Промеры русла производятся лотом или особой штангой с лодки или люльки, движущейся по размеченному канату, перекинутому через реку. Если канатом не пользуются, то точки промеров определяют засечкой лодки мензулой или угломерным инструментом. При промерах больших участков реки применяют самопишущие приборы, например, профилограф Гаеша (см. Гидрометрические приборы). При больших скоростях, когда нельзя удержаться на створе и трудно протянуть канат, промеры производятся по косым галсам (фиг. 1).

При больших скоростях промеры производятся по косым галсам

Начиная промеры с точки 1, отмечаемой на берегу вешкой с флажком определенного цвета, направляют лодку перпендикулярно к течению, гребя все время с одинаковой силой и производя промеры через определенные промежутки времени. Лодку будет относить вниз по течению, и она пристанет к берегу в точке 2, в которой и ставят вешку с флажком того же цвета. Продолжая работу тем же путем, достигают низового конца изучаемого участка, точки 4, находящейся на берегу, противоположном началу работ. Затем передвигают лодку против течения до точки 5, лежащей на одном створе с начальной точкой 1, ставят здесь вешку с флажком другого цвета и повторяют ту же работу, пока не достигнут в точке 8 конца участка. Сняв затем инструментально берега реки и отметив положение отдельных вешек, соединяют последовательно на плане линиями вешки с флажками одного цвета, находящиеся на разных берегах, и получают траекторию пройденного лодкой пути. Разделив каждый галс на равные промежутки по числу произведенных промеров, получают точки промеров.

Уклоны реки определяются обычно на участке, равном тройной ширине реки, причем начало участка относят на двойную ширину реки выше створа. Вообще длина участка не д. б. меньше 30 м. Определяются уклоны по обоим берегам по урезу воды, и за уклон реки принимается средний из них. На участках, где производятся постоянные гидрометрические наблюдения, обычно устанавливают уклонные рейки и производят на них наблюдения одновременно. Нули уклонных реек связываются нивелировкой с одним и тем же репером. Если H1 и Н2 - отметки нулей уклонных реек, h1 и h2 - одновременные отсчеты по ним, a L - расстояние между ними, то уклон

Gidrometrija 2

Скорость течения зависит от уклона реки и разного рода сопротивлений движению воды и оказывается поэтому неодинаковой не только в различных пунктах реки, но и в одном и том же сечении ее: у дна и у берегов скорости течения меньше, чем по середине реки и у поверхности воды. При разных горизонтах скорости различны; при одном и том же горизонте они больше при нарастании волны и меньше при спаде; даже в одной и той же точке они подвержены колебаниям, вследствие вихреобразного движения струй (пульсация воды). Скорости измеряются или поплавками, т. е. телами, свободно пускаемыми по течению и приобретающими скорость последнего, причем о величине скорости судят по пути, пройденному поплавком в единицу времени, или же особыми приборами, удерживаемыми на месте и позволяющими судить о скорости течения по производимому последним действию на отдельные их части. Трубка (Пито, Франка) представляет собой коленчатый стеклянный сосуд, направленный горизонтальным коленом против течения, под влиянием которого вода в вертикальном колене поднимается на высоту h = mv2/2g, где v - скорость течения, а m - постоянная прибора. В настоящее время вместо трубок употребляют вертушки с изогнутыми крыльями, легко вращающимися на горизонтальной оси под влиянием течения. Изобретенные еще в 1790 г. Вольтманом вертушки представлены в настоящее время множеством типов. В СССР чаще всего применяют вертушки Отта. Существует несколько способов работы вертушкой (см. Гидрометрические приборы). По одному из них, на дно реки устанавливают неподвижно штангу и по ней спускают на кабеле вертушку на нужную глубину. Этот способ применяется главным образом в Германии. В Швейцарии и Франции пользуются приемом Эппера, по которому вертушка прикрепляется неподвижно к концу штанги, а последняя опускается до требуемой глубины и удерживается на ней особым штангодержателем. С увеличением глубины измерений и скоростей течения трудности работы штанговыми вертушками чрезвычайно возрастают. Вообще для штанговых вертушек можно считать предельной глубиной 8 м, а предельной скоростью 3 м/сек. При больших значениях этих величин целесообразнее опускать вертушку на кабеле.

Работы вертушкой производят с моста, лодки, понтона, подвесной люльки или же управляют вертушкой с берега. На небольших реках, шириной до 15 м, устраивают балочный мостик, перекидывая через реку два бревна и делая подпорки из досок, которые ставят узким заостренным ребром против течения, чтобы не создавать подпора и разбивания струй. При ширине рек до 50 м устраивают висячие мостики на тросах. На реках с большими колебаниями горизонтов, небольшими глубинами и быстрым течением работу производят с подвесной люльки, передвигающейся по перекинутому через реку тросу. На больших и глубоких реках для гидрометрических работ сооружают особые понтоны: две лодки соединяют настилом с выносом впереди, с которого и производится работа. Через реку натягивается размеченный трос, по которому движется блок с перекинутой через него цепью, прикрепленной к парому. При помощи руля паром ставят под углом к течению так, чтобы он передвигался поперек реки.

Для работы с берега через реку протягивают на двух блоках А, А (фиг. 2) бесконечный размеченный стальной трос.

Для работы с берега через реку протягивают на двух блоках бесконечный размеченный стальной трос

К верхней части каната прикрепляется наглухо блок а1, перемещающийся вместе с канатом и соединенный со вторым блоком а2, через который перекинут кабель с прикрепленной к нему вертушкой. Кабель намотан на лебедке, и концы его соединены с батареей и звонком. Установка вертушки на вертикали достигается передвижением стального троса, а движение по вертикали - опусканием или поднятием кабеля. Для определения расстояний и глубин на канате и на кабеле нанесены деления через 1 м, а части метра отсчитываются по масштабу, прикрепленному к береговой опоре (фиг. 3).

Гидрометрия

При широких реках, когда не представляется возможным перекинуть через реку канат, работы производят с лодки в точках, определяемых засечками по установленным на берегу вешкам. Створы определяются вехами А, А и Б, Б (фиг. 4 и 5).

Створы определяются вехами

Перпендикулярно к створу устанавливается один или два базиса с вешками 1, 2,...,9, в створе которых находится место для работ (вертикаль 1, 2,...,9). Работа производится двумя лицами (один на лодке с вертушкой, другой на берегу с угломерным инструментом). Когда второй засекает лодку на требуемом створе, он дает соответствующий сигнал для остановки лодки и определения скоростей.

Секундный расход воды Q в данном сечении реки равен произведению площади этого сечения F на среднюю скорость течения v в данном сечении: Q = Fv. Гидравлика дает для средней скорости данного сечения формулу

Gidrometrija 6

где R - подводный, или гидравлический, радиус сечения (частное от деления площади сечения F на смоченный периметр его), i - уклон стока, а с - эмпирический коэффициент. Для определения (с) предложен целый ряд формул, но все они имеют значение в довольно ограниченных пределах и гл. образом для искусственных водостоков, а не рек, особенно больших. Поэтому для получения надежных данных приходится измерять скорость течения непосредственно. Однако, поскольку скорости различны в разных точках живого сечения, определить непосредственно среднюю скорость живого сечения нельзя, а выводят ее из ряда скоростей в отдельных точках. Для этого определяют скорости на отдельных вертикалях, соответствующих точкам перелома живого сечения реки или же расположенных через равные расстояния по ширине реки. Обычно считают, что изменения скоростей по вертикали происходят по закону параболы с вертикальной или горизонтальной осью, или же по логарифмической кривой с вертикальной осью. Так как уравнения этих кривых неизвестны, то на практике определяют скорости в ряде точек по глубине и строят полигоны скоростей на вертикали. Для этого на вертикальной линии (фиг. 6), равной (в принятом масштабе) длине вертикали, в точках, соответствующих глубинам определения скоростей, откладывают горизонтальные отрезки, равные полученным скоростям, и соединяют их концы кривой до пересечения с горизонтальными линиями, проведенными через концы вертикали (дно и поверхность реки).

Gidrometrija 7

Измерив площадь полученной фигуры и разделив эту площадь на глубину вертикали, получают среднюю скорость vm на вертикали.

Расход воды всего сечения Q считается равным сумме произведений средних скоростей на вертикалях на соответствующие им элементы живого сечения, принимая, что элемент (η+1)-й вертикали равен площади, ограниченной горизонтом, руслом и двумя вертикалями, отстоящими от данной вертикали на половину расстояния до ближайшей вертикали, т. е. на a/2 и б/2 (фиг. 7).

Гидрометрия

Если на каждой вертикали через определенные расстояния провести горизонтальные отрезки, равные скоростям течения в этих точках, то концы всех этих отрезков лежат на кривой поверхности. Объем воды, заключенный между этой поверхностью и живым сечением реки, и есть секундный расход воды сечения. Часто строят кривую скоростей и по ней определяют Q. С этой целью на чертеже живого сечения откладывают по каждой вертикали вверх от горизонта воды в определенном масштабе отрезок, равный площади скоростей q на данной вертикали, и соединяют урезы воды и полученные точки плавной кривой (фиг. 8).

Gidrometrija 9

Площадь между горизонтом воды и полученной кривой равна расходу воды Q в данном сечении реки.

Если в каждой вертикали определить поверхностную скорость v0 и вычислить отношения средней скорости сечения к наибольшей поверхностной скорости, т. е.

Gidrometrija 10

и то же самое для всех вертикалей

Gidrometrija 11

то полученные коэффициенты b и с позволят в ряде случаев, например, при паводках, ограничиваться для определения расхода измерением только поверхностных скоростей на стрежне реки (v0max) или на нескольких вертикалях (v0). В первом случае расход воды

Gidrometrija 12

а во втором

Gidrometrija 13

На основании многочисленных измерений скоростей воды можно принять, что в среднем коэффициенты b и с близки к 0,8, а средняя скорость по вертикали лежит на 0,6 ее глубины, наибольшая же - на 0,2е. Исходя из этого, часто ограничиваются измерением скоростей всего на трех точках вертикали: 0,2е, 0,6е и 0,8е и принимают среднюю скорость на вертикали

Gidrometrija 14

Для устранения влияния пульсации на конечный результат подсчета необходимо выдерживать вертушку в данной точке возможно более продолжительное время. Обычно продолжительность измерения в одной точке колеблется от 2 до 5 минут.

Вместо измерения скоростей по точкам применяется, особенно при больших глубинах и опускаемых на тросе вертушках, интеграционный способ. Он заключается в том, что вертушку опускают с равномерной скоростью до дна и поднимают на поверхность, замечая число ее оборотов и время ее опускания и подъема. По числу оборотов в единицу времени определяют среднюю скорость на вертикали. Вертушки, употребляемые для работ по интеграционному способу, должны иметь донный контакт и регистрировать каждый оборот.

Расходы воды могут быть определены и непосредственно, особенно на источниках, каналах и незначительных реках. Измерение небольших количеств воды производится особыми мерными сосудами, причем замечается время их наполнения, или т. н. водяными дюймами, измеряющими количество воды, протекающее в 24 ч. через отверстие, диаметром в 1 дюйм, в тонкой вертикальной стенке при возможно малом напоре. Приборы устраивают в виде ящиков с несколькими отверстиями на одинаковой высоте и, для того чтобы напор сохранить постоянным, открывают соответственное число отверстий. По числу действующих отверстий и их величине (при разных диаметрах) подсчитывают расход воды. Измерение же более значительных вод производится при помощи водосливов. При ширине гребня b и высоте переливающегося слоя h расход воды определяется по следующим формулам:

Gidrometrija 15

(для полного водослива) и

Gidrometrija 16

(для неполного водослива), где η - превышение нижнего бьефа над гребнем, g - ускорение силы тяжести, а m - опытный коэффициент, значения которого приведены в курсах гидравлики. Наибольшее распространение, особенно при определении расходов воды на оросительных канавах, получил водослив Чиполетти. Отверстие водослива трапециеобразное с углом наклона боковых стенок в 75°30'. Расход выражается формулой

Gidrometrija 17

где Q берется в л/сек, а b и h в м. Водослив Чиполетти дает достаточно точные результаты в тех случаях, когда края водослива остры, когда он снабжен с верховой стороны достаточно большим отстойным бассейном, а высота переливающегося слоя h меньше 1/3 длины порога b. При мутной воде отстойный бассейн быстро заиливается, и точность измерений значительно уменьшается. При определении расходов небольших канав (до 10 л/сек) употребляют переносные водосливные рамы (фиг. 9).

Переносные водосливные рамы

Они изготовляются из листового железа толщиной в 1,5—2 мм; для придания жесткости к ним приклепываются железные полосы. Водосливное отверстие имеет вид прямоугольного выреза 0,2х0,2 м с острыми ребрами. Вдоль вертикальных ребер нанесены деления в мм. Перед работой водосливы тарируются. Измерения расходов состоят в том, что водосливная рама вдавливается в русло канавы нормально к течению так, чтобы через нижний край отверстия вода переливалась с небольшим перепадом и чтобы оно было горизонтально, для чего толщина переливающегося слоя должна давать одинаковые отсчеты по обеим сторонам отверстия. Когда течение канавы установится, отсчитывают толщину слоя и по тарировочному коэффициенту находят расход воды.

Непосредственное измерение расхода воды м. б. произведено также химическим и электрохимическим способами. При химическом способе в реку вводят точно измеренное количество раствора какого-нибудь вещества, затем берут ниже по течению реки пробу воды и определяют весовым или объемным путем содержание этого вещества во взятой пробе. Между расходом воды Q, количеством введенного в поток в единицу времени раствора q, степенью концентрации введенного раствора U и степенью концентрации во взятой пробе воды u существует прямая зависимость, и расход воды

Gidrometrija 19

В качестве вещества для раствора употребляют чаще всего хлористые соли натрия. Электрохимический способ основан на том же принципе, но вместо степени концентрации раствора измеряют сопротивления: ϱ1 - речной воды, ϱ2 - той же воды с постоянной концентрацией введенного хлористого натрия, ϱ3 - вводимого раствора хлористого натрия, разбавленного в n раз, и температуры: t1 - речной воды и t2 - вводимого раствора. Расход воды определится из уравнения:

Gidrometrija 20

где 0,024 - температурный коэффициент электропроводности для речной воды.

Помимо расхода воды, очень важно учесть расход твердых тел, проносимых рекой во взвешенном и растворенном состоянии. С этой целью берут в реках особым прибором, батометром, пробы воды и учитывают весовым или объемным путем количество мути. Кроме того, в суммарных пробах определяют сухой остаток и подвергают воду и муть полному или сокращенному химическому анализу. Муть подвергается также и механическому анализу. Расход твердых тел в реках и анализ воды и мути имеют большое значение при проектировании оросительных систем.

При проектировании водных систем очень важно учесть потери воды в каналах и водоемах, происходящие гл. обр. вследствие испарения и просачивания. Для получения величины потерь на определенном участке надо очень точно измерить расходы воды в начале и конце участка: разность расходов при условии отсутствия на этом участке отводов или приводов воды дает величину всех потерь. Испаряемость с открытой водной поверхности можно измерять при помощи плавучего испарителя Вильда-Любославского определенной вместимости. Измеряя мензуркой количество воды, которое необходимо долить для наполнения испарителя, и деля это количество на площадь испарителя, получают величину слоя испарившейся за определенный промежуток времени воды. Одновременно с этим необходимо производить наблюдения над количеством выпавших осадков за то же время, силой и направлением ветра и температурой воды в испарителе и в открытом русле.

При выяснении условий стока реки необходимо осветить вопросы ее питания. Режим рек, берущих свое начало в горах, лежащих в районе вечного снега, существенно разнится от рек, истоки которых расположены ниже (см. Водомерные наблюдения). Из элементов стока, прежде всего, составляется график колебаний уровня воды на отдельных постах. По оси абсцисс откладывают месяцы и дни от начала гидрологического года, по оси ординат - показания по рейке. Однако, для большинства случаев важно знать не высоту воды в определенный день, а иметь сведения о том, в течение скольких дней данного периода вода в реке выше или ниже определенного горизонта. Поэтому, наряду с водомерным графиком, вычерчивают также график повторяемости отдельных горизонтов. С этой целью по оси ординат откладывают отдельные горизонты через определенные интервалы, чаще всего по 10 см или соток, а по оси абсцисс - число дней с горизонтами в пределах каждого интервала. По графику повторяемости, суммируя все предыдущие интервалы, строится кривая продолжительности горизонтов, дающая довольно ясное представление об особенностях годичного колебания уровня воды в реке. Затем для гидрометрических станций, т. е. тех пунктов реки, на которых производятся систематические водомерные наблюдения и измерения расходов воды, строят кривые расходов, выясняющие зависимость между расходами и горизонтами. Обычно расходы откладывают по оси абсцисс, а горизонты - по ординатам и выбирают масштабы так, чтобы кривая в своей верхней части шла под углом, близким к 45°. Форма этой кривой близка к параболе, обращенной выпуклостью к оси горизонтов. Поэтому при небольшом числе измерений вместо расходов откладывают их логарифмы, и тогда кривая расхода превращается в прямую, которую легко построить по небольшому числу точек. При изменчивом русле ко всем водомерным наблюдениям вносят поправки на среднее дно и в кривой расходов откладывают эти исправленные горизонты. По кривой расхода измеряют речной сток в млн. м3 за определенный период (месяц, год). С этой целью выясняют среднее суточное показание по рейке и соответствующий ему секундный расход воды. Среднее арифметическое этих расходов принимают за средний секундный расход для данного месяца. Умножив его на 86400 (число секунд в сутках) и на число дней в данном месяце, получаем месячный сток, а сумма месячных стоков дает годовой сток. Ни в каком случае нельзя определять средний месячный расход по абсциссе кривой расхода, соответствующей ординате среднего месячного горизонта, так как зависимость между горизонтами и расходами не линейная, а параболическая.

Гидрометрические наблюдения производятся особыми государственными учреждениями, публикующими результаты в периодических бюллетенях и ежегодниках. В 1904—14 гг. Отделом земельных улучшений в России были организованы особые гидрометрические части в Туркестане, на Кавказе, в Крыму и др. частях России. Кроме того, Министерство путей сообщения производило большие гидрометрические работы на главных реках (Волга, Днепр) и при речных изысканиях. В настоящее время гидрометрические работы производятся Управлениями водным хозяйством, научная же разработка вопросов сосредоточена в Гидрологическом институте в Ленинграде.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 5 - 1929 г.