Измерение уровней воды

В состав гидрологических изысканий входит большой комплекс таких полевых работ, как наблюдения за уровнями воды в реках, озёрах и искусственных водоёмах, определение уклонов рек, площадей живых сечений, скоростей течения, расходов воды, изучение речных наносов и многое другое.

Наблюдения за этими элементами водного режима ведутся на специально устраиваемых постоянных или временных водомерных постах и гидрологических станциях. В зависимости от поставленных задач, сроков наблюдений и объёма информации станции и посты (в системе ГУГМС) делятся на несколько разрядов. Гидрологические станции делятся на два разряда, речные водомерные посты – на три разряда. На постах III разряда ведутся наблюдения за колебаниями уровня, температурой воды и воздуха, за ледовыми явлениями. На постах II и I разрядов объём наблюдений дополнительно увеличивается за счёт определения расходов воды, расхода взвешенных и донных наносов.

При изысканиях для строительства инженерных сооружений ведомственные организации устраивают посты с ограниченным сроком их работы, хотя этот срок может составлять промежуток от нескольких месяцев до нескольких лет. Состав и сроки наблюдений на таких постах определяются кругом задач, решаемых в ходе проектирования инженерного сооружения. Поэтому, кроме своих прямых функций – давать информацию о водном режиме водотока, водомерные посты выполняют важную роль при русловых съёмках, при проведении работ по составлению продольного профиля реки и др.

Уровнем воды называют высоту положения свободной поверхности воды относительно постоянной горизонтальной плоскости отсчёта. Графики колебаний уровня дают возможность судить о динамике гидрологических явлений и соответственно о многолетнем и внутригодовом распределении стока, в том числе в период половодья и паводков. Для наблюдений за уровнями воды в реке применяются различные по устройству водомерные посты: реечные, свайные, смешанные, саморегистрирующие.

Реечные посты, как следует из названия, представляют собой рейку, укрепленную на надёжно забитой в грунт свае, на устое моста, облицовке набережной или естественной вертикальной береговой скале. Длина рейки, прикрепляемой к свае, 1¸2 м. Размер делений на рейке 1¸2 см. Отсчеты уровня воды по рейке берут глазомерно с округлением до 1 см (рис. 1). Фиксировать уровень текущей, а часто и волнующейся поверхности воды с более высокой точностью затруднительно, впрочем, для большинства инженерных задач такая точность вполне достаточна. Если требуется более высокая точность, то рейку помещают в небольшую заводь (ковш), устраиваемую в береге у уреза воды и соединённую канавой с рекой.

Рис. 1. Реечный водомерный пост

Реечные водомерные посты преимущественно используют для наблюдений уровней, когда колебания их сравнительно невелики. На реках с большой амплитудой колебаний уровней или в периоды половодий и паводков применяют свайные посты.

Свайный водомерный пост (рис. 2) состоит из ряда свай, располагаемых по створу перпендикулярно к течению реки. Сваи из сосны, дуба или железобетона диаметром 15¸20 см забивают в грунт берега и дно реки на глубину около 1,5 м; превышение между головками соседних свай должно быть около 0,5¸0,7 м, а если берег очень пологий, то 0,2¸0,5 м. На торцах свай краской подписывают их номера; самой верхней свае присваивают первый номер, последующие номера получают сваи, расположенные ниже.

Для фиксации уровня на свайных постах применяют небольшую переносную рейку с делениями через 1¸2 см; поперечное сечение рейки – ромбическое, при этом рейка лучше обтекается водой; на нижней части рейки имеется металлическая оковка, что позволяет уверенно фиксировать установку рейки на шляпке кованого гвоздя, забитого в торец сваи.

При отсчёте уровня наблюдатель ставит переносную рейку на ближайшую к берегу сваю, покрытую водой, и записывает в журнале отсчёт по рейке и номер сваи.

Из специальных средств для измерений уровней можно назвать рейки максимума и рейки минимума, т.е. простейшие устройства, позволяющие фиксировать наивысший или наинизший уровни за какой-то отрезок времени.

Рис. 2. Схема устройства наблюдательной вышки и свайного водомерного поста: 1 – вышка; 2 – теодолит; 3 – репер; 4 – свая; 5 – водомерная рейка (h – отсчёт по рейке); 6 – поплавок

Смешанные водомерные посты представляют собой комбинацию реечного поста со свайным. На таких постах фиксация высокого уровня делается по сваям, а низких уровней – по рейке.

Для непрерывной регистрации колебаний уровня применяются специальные приборы – лимниграфы, которые все изменения уровня записывают на ленту, приводимую в движение часовым механизмом. Водомерные посты с самописцами уровня воды имеют большое преимущество перед простыми водомерными постами. Они дают возможность регистрировать уровни непрерывно, но установка самописца требует устройства специальных сооружений, что значительно удорожает их применение.

Для постоянного контроля за устойчивостью рейки или свай вблизи водомерного поста устанавливают репер (рис. 1), обычно по створу свай водомерного поста, тогда он одновременно является постоянным началом (ПН) счёта расстояний, своеобразным началом пикетажа.

Отметку репера водомерного поста устанавливают в ходе нивелирных работ от реперов государственной нивелирной сети. Репер водомерного поста закладывают в грунт с соблюдением общих правил установки реперов, т.е. его монолит должен находиться ниже глубины максимального промерзания грунта, в месте, удобном для нивелирования, и обязательно вне зоны затопления паводковыми водами, т.е. выше горизонта высоких вод (ГВВ).

Как указано выше, на большинстве водомерных постов система высот условная. Началом счёта высот является нуль графика поста – высотная отметка, которая остаётся постоянной для всего периода существования поста. Эта условная горизонтальная плоскость располагается не менее чем на 0,5 м ниже самого низкого уровня воды, который можно ожидать в створе поста. На реечных водомерных постах нуль графика часто совмещают с нулем водомерной рейки.

Начинают измерения на посту после того, как назначена отметка нуля графика поста и нивелировкой определена отметка нуля площадок головок свай, а также определена разность отметок нуля графика поста и отметок головок свай. Эта разность отметок называется приводкой.

Частная система высот на водомерном посту позволяет решать подавляющее число задач по изучению водного режима реки. Однако для ряда задач проектирования сооружений требуется знать не только условные, но и абсолютные (балтийские) высоты уровней. Для этой цели водомерные посты, точнее реперы водомерных постов, привязывают к ближайшим реперам государственной нивелирной сети.

В состав наблюдений на водомерном посту, помимо наблюдений за уровнем, входят визуальные наблюдения за состоянием реки (ледостав, ледоход, чисто), состоянием погоды, за температурой воды, воздуха, осадками, толщиной льда.

Толщину льда измеряют специальной рейкой; температуру воздуха – термометром-пращом, а температуру воды – водяным термометром.

На постоянных водомерных постах наблюдения ведут ежесуточно в 8 ч. и 20 ч. Среднесуточный уровень определяют как среднее значение этих наблюдений. Если колебания уровня незначительны, то наблюдения можно вести один раз в сутки (8 ч.). При решении специальных задач, а также в периоды половодья или паводка фиксация уровня делается чаще, иногда через 2 ч.

Результаты наблюдений на водомерном посту заносят в журнал.

Первичная обработка водомерных наблюдений состоит из приведения отсчётов по рейке к нулю графика водомерного поста, составления сводки, где показывают ежедневные среднесуточные уровни, и построения графика ежедневных уровней, на котором условными значками показывают ледостав, ледоход и другие ледовые явления, имевшие место на реке.

Систематизированные результаты наблюдений уровней на всей сети водомерных постов данного речного бассейна периодически публикуются в гидрологических ежегодниках.

Для получения полноценных материалов наблюдений и гарантии сохранности водомерного поста на весь намеченный срок работы рекомендуется специально выбирать место для установки поста. При этом желательно, чтобы участок реки был прямолинейным, русло устойчивым от размыва или намыва, чтобы берег имел среднюю пологость и был защищён от ледохода; поблизости не должно быть речных причалов; на показания поста не должен влиять подпор от плотины или близрасположенного притока; постом удобней пользоваться, если он находится вблизи населённого пункта. Строго совмещать водомерный пост с осью будущего инженерного сооружения нет необходимости.

На гидрологических станциях, водомерных постах I и II разрядов, а также при ведомственных изысканиях разбивается гидрометрический створ, используемый для регулярных определений скоростей течения, расходов воды и наносов. На этом участке реки течение воды должно быть параллельноструйным, что обеспечивается его прямолинейностью и правильным – корытообразным профилем дна. Если предполагается на гидрометрическом створе вести регулярные и продолжительные наблюдения, то его оборудуют мостками, подвесными люльками или снабжают плавательными средствами (паромом или лодками).

Отметку репера водомерного поста устанавливают в ходе нивелирных работ от реперов государственной нивелирной сети, для периодического контроля устойчивости рейки или свай водомерного поста, при промерных работах, а также при создании высотного обоснования съёмок.

Репер водомерного поста закладывают в грунт с соблюдением общих правил установки реперов, т.е. его монолит должен находиться ниже глубины максимального промерзания грунта, в месте, удобном для нивелирования, и обязательно вне зоны затопления паводковыми водами, т.е. выше горизонта высоких вод.

На постоянно действующих водотоках наиболее характерными уровнями воды являются:

ВИУ – высокий исторический уровень, т.е. самый высокий уровень воды, когда-либо наблюдавшийся на данной реке и устанавливаемый по опросам старожилов или по визуальным следам на капитальных сооружениях;

УСВВ – уровень самых высоких вод за весь период наблюдения;

УВВ – уровень высоких вод как средний из всех высоких;

РУВВ – расчётный уровень высоких вод, который соответствует расчётному расходу воды и принят основным при проектировании сооружений;

РСУ– расчётный судоходный уровень, являющийся наивысшим уровнем воды в судоходный период, необходим при определении высотного положения элементов моста;

УМВ – уровень меженных вод соответствует уровню воды в период между паводками;

УСМ – уровень средней межени;

УНМ – уровень низкой межени;

УЛ – уровень ледостава;

УППЛ – уровень первой подвижки льда;

УНЛ – уровень наивысший ледохода.

Во время изысканий колебания уровней воды по всему участку могут достигать больших значений, поэтому для сопоставления глубин по поперечникам вводится срезочный уровень – единый мгновенный уровень для всего участка изысканий. Обычно за срезочный принимают мгновенный минимальный уровень на исследуемом участке реки за всё время измерений. Для этого необходимо нивелирным ходом определить отметки верха урезных кольев в каждом гидростворе.

Все результаты измерений приводятся к единому положению свободной поверхности реки, которое в дальнейшем считается нулевым для различных построений: поперечных и продольных профилей, плана реки в изобатах. При этом следует иметь в виду, что принятая поверхность отсчёта, соответствующая срезочному уровню, как всякая свободная поверхность реки, не горизонтальна.