Меню

Скорость течения реки единица измерения

Методы измерения скоростей течения на реках. Гидрометрические вертушки

Скорость течения реки измеряется двумя основными способами:

1.С помощью поплавков. При данном способе запускаются поплавки (обычно не меньше 15) по всей ширине реки, и засекают время, за которое они пройдут расстояние L, да ещё так, что бы время t, за которое они пройдут расстояние L, было не меньше, чем 10 секунд. Задавая расстояние L, и получая время t, с помощью несложных махинаций с цифрами, мы получаем скорость реки (по формуле V=L/t).

2.С помощью вертушки.

Спустя определённое кол-во оборотов (обычно 20) вертушка подаёт сигнал.

Первым делом выбирают место для измерения скоростей, далее разбивают гидроствор (линия перпендикулярная течению реки), промеряют русло реки и собственно измеряют скорость реки.

При этом расстояние между промерами определяется шириной реки: для рек шириной 10м. ширина между промерами — 0,5м, соответственно: 20м-1м, 50м-2м, 100м-5м.

При глубине реки от 0,5 до 1м. измерения производят в 2ух вертикальных точках: 0,2h и 0,8h (h – глубина реки).

При глубине менее 0,5 м. в точке 0,6h.

При глубине 1-1,2м.: 0,2h, 0,6h, 0,8h.

При глубине более 1,2м измерения проводятся: у поверхности, 0,2h, 0,6h, 0,8h и у дна.

Методы измерения расходов воды на реках. Понятие о расчете ежедневных и характерных расходов воды.

1. Выбор места на реке, где мы будем проводить измерение. Участок должен быть прямолинейный и не заросший, без помех.

2. Разбивка гидроствора

3. Промер русла. Если река неглубокая, то используется шест.

Ширина реки (м) Расположение между промерными точками(м)

Источник

Элементы водного режима и методы наблюдений за ними

Под влиянием ряда причин, о которых будет сказано ниже, изменяются расходы воды в реках, положение уровенной поверхности ее уклоны и скорости течения. Совокупное изменение расходов воды, уровней, уклонов и скоростей течения во времени называется водным режимом, а изменение величин расходов, уровней, уклонов и скоростей в отдельности — элементами водного режима.

Расходом воды (Q) называется то количество воды, которое протекает через данное живое сечение реки в единицу времени. Величина расхода выражается в м 3 /с. Уровень воды (H) — высота поверхности воды (в сантиметрах), отсчитываемая от некоторой постоянной плоскости сравнения.

Наблюдения за колебанием уровня проводятся на водомерных постах (рис. 73) и заключаются в измерении высоты водной поверхности над некоторой постоянной плоскостью, принимаемой за начальную, или нулевую. За такую плоскость обычно принимают плоскость, проходящую через отметку несколько ниже наинизшего уровня воды. Абсолютную или относительную отметку этой плоскости называют нулем графика, в превышениях над которым и даются все уровни.


Рис. 73. Свайный водомерный пост (а) и отсчет уровня воды по переносной рейке (б).

Измерения производятся при помощи водомерной рейки с точностью до 1 см. Рейки бывают двух типов — постоянные и переносные. Постоянные рейки прикрепляются к устоям мостов или к свае, забитой в дно русла у берега. При пологих берегах и больших амплитудах колебаний уровней наблюдения за ними проводятся при помощи переносной рейки. Для этого в русло реки и на пойме забивается ряд расположенных в створе свай.

Отметки головок свай связываются нивелировкой с репером водомерного поста, установленным на берегу, абсолютная или относительная отметка которого известна. Переносной рейкой, устанавливаемой на головке сваи, измеряют уровень воды. Зная отметку головки каждой сваи, можно выразить все измеренные уровни в превышениях над нулевой поверхностью, или нулем графика. Наблюдения на водомерных постах обычно проводятся 2 раза в сутки — в 8 и 20 часов. В период, когда уровни быстро меняются, в течение суток проводятся дополнительные наблюдения через 1, 2, 3 или 6 часов. Для непрерывной регистрации уровней в течение суток применяются самописцы уровней, описание которых можно найти в учебнике гидрометрии (В. Д. Быков и А. В. Васильев). Там же можно ознакомиться с автоматическим режимным регистрирующим (уровень и температуру воды) гидрологическим постом. Переход к автоматизированной системе наблюдений ускоряет получение гидрологической информации и повышает эффективность ее использования.

По данным всех измерений вычисляются средние уровни за каждый день и составляются таблицы ежедневных средних уровней за год. В этих таблицах помещаются, кроме того, средние уровни за каждый месяц и за год и выбираются наивысшие и наинизшие уровни за каждый месяц и год.

Средние, наибольшие и наименьшие уровни называются характерными уровнями. Данные наблюдений за уровнями публикуются в СССР в специальных изданиях — гидрологических ежегодниках. В дореволюционный период эти данные публиковались в «Сведениях об уровнях воды на внутренних водных путях России по наблюдениям на водомерных постах».

По данным ежедневных наблюдений за уровнями строятся графики их колебаний, дающие наглядное представление об уровенном режиме за данный год.

Методы измерения скоростей течения рек

Скорости течения рек обычно измеряются либо поплавками, либо гидрометрическими вертушками. В отдельных случаях величина средней скорости для всего живого сечения вычисляется по формуле Шези. Простейшие и наиболее часто употребляемые поплавки изготовляются из дерева. Поплавки сбрасываются в воду на малых реках с берега, на больших — с лодки. По секундомеру определяется время t прохождения поплавка между двумя соседними створами, расстояние l между которыми известно. Поверхностная скорость течения приравнивается скорости движения поплавка

При измерении скоростей вертушка на штанге или тросе опускается в воду на различные глубины так, чтобы ее лопасти были направлены против течения. Лопасти начинают вращаться, и тем быстрее, чем больше скорость течения. Через определенное число оборотов оси вертушки (обычно через 20) при помощи специального приспособления подается световой или звуковой сигнал. По промежутку времени между двумя сигналами определяется число оборотов в секунду.

Вертушки тарируются в специальных лабораториях или на заводах, где они изготовляются, т. е. устанавливается зависимость между числом оборотов лопасти вертушки в секунду (n об/с) и скоростью течения (v м/с). По этой зависимости, зная п, можно определить v. Измерения вертушкой производятся на нескольких вертикалях, в нескольких точках на каждой из них.

Читайте также:  Река лена берет начало ангара

Методы определения расходов воды

Расход воды в данном живом сечении может быть определен по формуле

По приведенной формуле расход вычисляется лишь в том случае, если скорость определена по формуле Шези. При измерении скоростей поплавками или вертушкой на отдельных вертикалях определение расхода производится иначе. Пусть в результате измерений известны средние скорости для каждой вертикали. Тогда схема вычисления расхода воды сводится к следующему. Расход воды можно представить в виде объема водяного тела — модели расхода (рис. 76 а), ограниченного плоскостью живого сечения, горизонтальной поверхностью воды и криволинейной поверхностью v = f(H,В), показывающей изменение скорости по глубине и ширине потока. Этот объем, а следовательно, и расход выражается формулой

Так как математически закон изменения v = f(H,В) неизвестен, расход вычисляется приближенно.


Рис. 76 Схема к вычислению расхода воды. а — модель расхода, б — частичный расход.

Модель расхода можно разделить вертикальными плоскостями, перпендикулярными площади живого сечения, на элементарные объемы (рис. 76 б). Общий расход вычисляется как сумма частичных расходов AQ, каждый из которых проходит через часть площади живого сечения wi, заключенную между двумя скоростными вертикалями или между урезом и ближайшей к нему вертикалью.

Таким образом, общий расход Q равен

Средняя скорость для всего живого сечения при известном расходе воды Q вычисляется по формуле v =Q/w .

Для измерения расходов воды применяются и другие методы, например на горных реках используется метод ионного паводка.

Подробные сведения по определению и вычислению расходов воды излагаются в курсе гидрометрии. Между расходами воды и уровнями существует определенная зависимость Q — f(H), известная в гидрологии как кривая расходов воды. Подобная эмпирическая кривая представлена на рис. 77 а.

Она проведена по измеренным расходам воды в реке в период, свободный ото льда. Точки, соответствующие зимним расходам воды, ложатся влево от летней кривой, так как расходы, измеренные при ледоставе Qзим (при одной высоте стояния уровня), меньше летних QЛ. Уменьшение расходов есть следствие увеличения шероховатости русла при ледовых образованиях и уменьшения площади живого сечения. Соотношение между Qзим и Qл, выражаемое переходным коэффициентом

Кривая расходов позволяет определять ежедневные расходы воды реки по извест-ным уровням, наблюдаемым на водомерных постах. Для периода, свободного ото льда, пользование кривой Q = f(H) не вызывает затруднений. Ежедневные расходы при ледоставе или других ледовых образованиях можно определить с помощью той же кривой Q = f(H) и хронологического графика Kзим = f/(T), с которого снимаются значения Кзим на нужную дату:

Существуют и другие способы определения зимних расходов, например по «зимней» кривой расходов, если ее удается построить.

Однозначность кривой расходов воды в ряде случаев нарушается и в период, свободный ото льда. Наиболее часто это наблюдается при неустойчивом русле (намыв, размыв), а также при возникновении переменного подпора, вызванного несовпадением хода уровней данной реки и ее притока, работой гидротехнических сооружений, зарастанием русла водной растительностью и другими явлениями. В каждом из этих случаев выбираются те или иные способы определения ежедневных расходов воды, излагаемые в курсе гидрометрии.

По данным ежедневных расходов воды можно вычислить средние расходы за декаду, месяц, год. Средние, наибольшие и наименьшие расходы за данный год или за ряд лет называются характерными расходами. По данным ежедневных расходов строится календарный (хронологический) график колебаний расходов воды, называемый гидрографом (рис.78).


Рис. 78. Гидрограф.

Источник

Измерение скоростей течения воды

Измерение скоростей потоков обычно преследует две цели: вычисление по измеренным скоростям расхода воды и построение плана течения реки, т. е. векторного поля скоростей. Последнее используется для правильной компоновки сооружений мостовых переходов, выбора их размеров и очертаний, защиты от размыва, ледохода и т. д.

Известно, что в водотоках обычно наблюдается турбулентный режим течения воды, который характеризуется перемешиванием водных масс, вызывающим пульсацию скоростей течения, как по величине, так и по направлению. В связи с наличием пульсации скоростей в гидрометрии различают мгновенную скорость — скорость в данной точке в данное мгновение и осредненную местную скорость – скорость, осредненную за достаточно продолжительный период времени.

Существующие приборы и способы в подавляющем большинстве случаев ориентированы на определение местных осредненных скоростей U турбулентных потоков:

, (38)

где u – мгновенная местная скорость, м/с, Т – период осреднения, с, udt – площадь графика пульсации скоростей, м.

Продолжительностью периода осреднения зависит от степени турбулентности потока. Как известно из гидравлики, период осреднения выбирается так, чтобы любое его превышение не повлияло на значение осредненной скорости U в данной точке, т. е. U1=U2=U3….=const.

В гидрометрии принято производить измерение скорости течения в точке в течение 100 секунд, что для большинства случаев оказывается достаточным, т.е. это время превышает период осреднения.

Если скорости известны в нескольких точках по глубине, то можно построить эпюру скоростей на вертикали. В зависимости от условий движения закон распределения скоростей по вертикали может быть различным. При равномерном и близком к нему движении безнапорного потока характерна эпюра с максимумом у свободной поверхности и минимумом у дна. Минимум у дна принимают за донную скорость Uд. Максимум у свободной поверхности называют поверхностной скоростью Uпов. При напорном движении (подо льдом) максимум скоростей смещается к центру живого сечения.

Эпюра скоростей в некоторых случаях может иметь и более сложный вид, например, при сгонно-нагонных явлениях течение слоев на разной глубине может иметь даже противоположное направление.

Читайте также:  Когда замерзнет река томь

Площадь эпюры скоростей по вертикали дает удельный расход g, а частное от деления на глубину h – среднюю скорость на вертикали Vв:

. (39)

Установлено, что при отсутствии искажений средняя скорость на вертикали открытого потока располагается на глубине от поверхности примерно 0,6h.

Подобно эпюрам скоростей на вертикалях можно построить эпюру скоростей по ширине реки, например, поверхностных или средних скоростей на вертикалях. Очертания эпюры обычно следуют очертаниям дна. Представление о распределении скоростей в живом сечении дают линии равных скоростей – изотахи, которые вычерчиваются по данным измерения скоростей в отдельных точках.

Методы измерения скоростей.Существует большое количество методов для измерения скоростей течения воды и приборов, действие которых основано на различных физических принципах.

1. Метод, основанный на регистрации числа оборотов лопастного винта (ротора). Наиболее распространенные приборы для измерения скорости течения – гидрометрические вертушки, на них мы остановимся ниже.

2. Метод, основанный на регистрации скорости плывущего тела. Для измерения скорости используются различного рода поплавки, которые могут запускаться как на поверхность потока, так и на требуемую глубину.

3. Метод, основанный на регистрации скоростного напора. Для измерения скорости используется гидрометрические трубки различной конструкции.

4. Метод, основанный на регистрации силового воздействия потока. Для измерения скорости используются приборы, в которых имеется чувствительный элемент, воспринимающий силовое воздействие потока. Они позволяют исследовать пульсацию скоростей.

5. Метод, основанный на принципе теплообмена. Скорость течения определяется в зависимости от быстроты охлаждения чувствительного нагреваемого элемента: чем больше скорость, тем выше темп охлаждения.

6. Метод, основанный на измерении объема воды, вошедшей в прибор за время наблюдений. Прибор – батометр.

7.Метод, основанный на применении ультразвука.

В настоящее время при гидрометрических работах измерение скоростей течения производится чаще всего гидрометрическими вертушками и поплавками. Остальные из указанных выше методов употребляются при проведении научно-исследовательских работ.

Гидрометрические вертушки.Посредством гидрометрических вертушек обычно определяется местная скорость течения в отдельных точках потока, хотя вертушки применяются и для интеграционного определения средней скорости на вертикали.

При измерении скорости регистрируется общее число оборотов лопастного винта и продолжительность измерения. Величина скорости определяется по тарировочному (градуировочному) графику в зависимости от числа оборотов в секунду.

Имеется очень много различных типов и конструкций гидрометрических вертушек. Современные вертушки различаются по ряду признаков: направлению оси вращения; устройству лопастного винта или ротора (лопасти и чашки), устройству контактного и счетного механизмов (механические и электрические счетчики), способу опускания вертушки в воду (тросовые и штанговые) и пр.

Гидрометрическая вертушка состоит из следующих основных частей: 1) ходовой части с лопастным винтом и контактным механизмом; 2) корпуса вертушки; 3) стабилизатора направления; 4) сигнального устройства.

Замыкание контактов происходит при вращении лопастного винта через определенное число оборотов. Сигнальное устройство служит для передачи сигналов при замыкании контактов вертушки. Применяется звуковая сигнализация посредством звонка и световая – посредством лампочки.

Наиболее распространены вертушки ГР-21 и ГР-21М, которые характеризуются большой добротностью и износоустойчивостью. Оптимальные условия их применения – равнинные реки (т.к. их винты имеют большие моменты инерции). В потоках с большой турбулентностью применяют вертушки ГР-55 и ГР-99.

Для установки вертушки в потоке на нужной глубине применяют штанги и тросы. Длина штанги – 3 м.

Время выдержки вертушки в каждой точке, как уже отмечалось, не менее 100 сек. Число оборотов вертушки между звуковыми сигналами, как правило, n= 20. При больших скоростях отсчеты берут через 2-5 сигналов. Число сигналов, и, следовательно, соответствующее им количество оборотов лопастного винта между записями времени называется приемом. Число приемов сигналов принимают четным (см. табл. 8. 1. 1).

Таблица 2. Пример расчета

№ приема
Т, с

Контроль.Для контроля сравнивают удвоенное время первой половины приемов (у нас приемов 4, а Т=63 с , 63х 2= 126 с) с временем последнего приема (128 с), расхождение допускается не более 5 с (в нашем случае 2 с). Если расхождение > 5 с, измерения дополняют еще 2-6ью приемами.

Официальным документом вертушки является тарировочная кривая. Нижняя часть её, соответствующая малым скоростям, вычерчивается в более крупном масштабе. Тарирование проводят в неподвижной воде специальных тарировочных каналов на тарировочных станциях.

Для полевых условий составляют специальную таблицу на основе тарировочной кривой (см. табл. 8. 1. 2).

Таблица 3. Пример тарировочной таблицы

Число оборотов в секунду 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,09
0,2 0,065 0,067 0,074
0,3 0,087 0,096 0,113
0,4

Измерение расходов воды

Расходом воды Q называется объем её, протекающий через поперечное сечение потока в единицу времени. Выражается в м³/с или л/с.

Расход воды является одним из основных гидравлических элементов потока, определяющим остальные параметры рек (H, ω, υ, I и др.)

Существуют 2 группы методов определения расхода воды: непосредственное измерение (объемный метод) и косвенное, при котором расход получается через другие характеристики потока.

Объемный метод довольно точен и применяется при малых расходах путем наполнения мерного сосуда с измерением времени наполнения.

Косвенные методы:

1) метод «скорость-площадь» — определение расхода по измеренным скоростям течения и площади поперечного сечения потока;

2)определение расходов воды с помощью мерных устройств: гидрометрических лотков, водосливов (через напор по гидравлическим зависимостям);

3)определение расходов методом смешения (электролитический – по изменению электропроводности и др.)

Наиболее распространен метод «скорость-площадь», сущность которого заключается в определении объема модели расхода.

Известно, что скорости течения в различных точках поперечного сечения открытого потока неодинаковы: наибольшие они у поверхности в середине потока, а по мере приближения к берегам и дну они уменьшаются за счет увеличения шероховатости и силы трения. Если векторное поле скоростей в потоке представить в виде перпендикуляров к площади живого сечения в каждой точке сечения длиной, равной скорости в точке, то фигура, образованная плоскостью, проходящей через концы векторов, и площадью живого сечения и является моделью расхода, а объем ее численно равен расходу Q.

Читайте также:  Описание ночи у реки

Свойства модели расхода.Если модель расхода рассечь плоскостями, параллельными поверхности воды, то площади сечений будут представлять собой эпюры распределения скоростей течения по ширине реки на соответствующих глубинах, а расход численно равен:

, (40)

где u – скорость, м/с.

Если рассечь модель расхода вертикальными плоскостями, перпендикулярными плоскости живого сечения, то площади сечения будут представлять собой эпюры распределения скоростей на вертикалях. Тогда,

, (41)

где q — расход на вертикали (первая производная расхода по ширине потока, т. е. (dQ/db), м 2 /с

Если рассечь модель расхода вертикальными плоскостями, параллельными плоскости живого сечения, то линии пересечения будут представлять собой линии равных скоростей, т. е. изотахи, а расход определяется по выражению:

u , (42)

где ωu – площади живого сечения, ограниченные изотахами, м 2 ; du – интервал скорости между изотахами, м/с.

Применяемые способы вычисления расхода воды основываются на приближенных решениях выше приведенных формул.

Первая из этих формул выражает аналитический способ, вторая — графический и третья — способ вычисления расхода по изотахам.

Аналитический способ.

Основное уравнение, применяемое при этом способе, выглядит в виде многочлена:

+ , (43)

где k — коэффициент для скоростей на прибрежных вертикалях, принимаемый равным 0,7 при пологом береге, 0,8 при обрывистом береге, 0,9 при гладкой бетонной стенке.

Графический способ.

В этом способе интегрирование заменяется измерением площади эпюры элементарных расходов планиметром или палеткой.

Элементарный расход при этом определяется по уравнению:

, (44)

где q –элементарный расход, м 2 /с; u – средняя скорость на вертикали, м/с, h – глубина на вертикали, м.

Графически элементарный расход представляет собой площадь эпюры скоростей на вертикали.

1). На листе миллиметровки вычерчивают профиль поперечного сечения реки и наносят расчетный уровень Нр;

2). На том же листе вычерчивают эпюры скоростей для каждой вертикали в том же масштабе;

3). Вычисляют средние скорости течения u на вертикалях делением площади эпюры скоростей на рабочую глубину вертикали (площади эпюр определяют планиметром);

4). Строят эпюру средних скоростей, для чего над профилем по линиям соответствующих скоростных вертикалей откладывают от линии уровня воды значения средних скоростей;

5). Строят эпюру элементарных расходов q (последние получаются умножением средних скоростей u на глубины h на вертикали);

6). Вычисляют по площади эпюры q расход воды в створе Q.

Источник



Измерение скоростей течения в реке

date image2017-12-14
views image3522

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Для измерения скорости используют: приборы и приспособления как метки течения – поплавки поверхностные и глубинные, а также вносимы в поток жидкости; приборы, основанные на физических эффектах, создаваемых текущей водой – термогидрометры, ультразвуковые и электромагнитные измерители скорости; приборы, основанные на динамическом действии потока воды — гидрометрические вертушки.

Поплавки применяются для приближенного определения направления течения и поверхностных скоростей. Этот способ измерения скоростей воды поплавками применяется также, когда иные средства не могут быть использованы: при ледоходе, большой мутности воды, малых скоростях потока. Однако поплавки не могут использоваться при большом ветре.

Для измерения поверхностных скоростей выбирают прямой участок реки длиной не менее L = 50 Vmax и на нем разбивают четыре створа: пусковой, верхний, средний и низовой. На воду пускают одновременно два-три поплавка с пускового створа. Когда поплавок пе­ресекает верхний створ, включают секундомер, а на низовом створе секундомер останавливают, отмечая время t тогда скорость Vn = L / t.

Наиболее совершенным и распространенным инструментом для измерения скоростей течения в реке является гидрометрическая вертушка. Наибольшее распространение для измерения скорости течения получила вертушка Жестовского (рис. 6.2.2.1). Она состоит из лопастей, насаженных на ось, герметически закрытого корпуса со счетчиком оборотов внутри контактами и хвоста-руля. Вертушка крепится к штанге или тросу и опу­скается в ту точку потока, в которой нужно измерить скорость. Бла­годаря хвостовому оперению лопасти вертушки сами устанавливаются навстречу потоку и начинают вращаться, замыкая через определенное число оборотов электрические контакты. Сигналы замыкания поступа­ют наверх к наблюдателю и фиксируются им. В вертушках Жестовского импульсы поступают через 20 оборотов. Вертушка предваритель­но тарируется, т. е. находится связь между скоростью и потока и часто­той вращения лопастей. Наблюдатель с помощью секундомера ведет счет импульсов. Данные заносятся в полевую книжку.

Рис. 6.2.2.1. Гидрометрическая вертушка для измерения скорости течения

а) вертушка Жестовского; б) график зависимости скорости V от числа оборотов N

Для измерения скоростей вертушкой оборудуют обычно, так называемые, гидрометрические пере­правы, которые бывают в виде: а) мо­ста балочного или подвесного на тро­сах, б) люльки, перемещающейся по тросу над водой, в) парома (понтона), перемещающегося по тросу или свободно.

Измерения ско­ростей в выбранном гидрометрическом створе проводятся по вертикалям, которые намечаются через равные расстояния, при­нимаемые в зависимости от ширины реки от 0,5 м до 50 м.

При основном способе измерение скоростей вертушкой осуществляется на каждой на­меченной вертикали в 5 точках: у поверхно­сти — на глубине одного или полутора радиусов лопастей вертушки, на глубине 0,2h, 0,6h, 0,8h и у дна, если это позволяет конструкция. При наличии льда первая точка берется от поверхности льда.

Определение средней скорости по вертикали производится по изме­ренным в точках скоростям аналитическим либо графоаналитическим способом. При ускоренных измерениях средняя скорость обычно определяется на глубине 0,6h.

По измеренным скоростям можно построить эпюры скоростей, откладывая в определенных масштабах глубину по вертикали, а ско­рость течения — по горизонтали. Нанесенные на графике точки соеди­няют плавной кривой. Эта кривая есть эпюра скорости.

Общее представление о распределении скоростей по живому се­чению дают линии равных скоростей — изотахи.

Источник

Adblock
detector