Скорости потока и методы их измерения

Как правило, гидрометрические наблюдения за скоростями потока в реках с весенним половодьем (от снеготаяния) начинаются со вскрытия реки, охватывают подъём уровня воды до пика и заканчиваются в период устойчивой межени. На реках с летне-осенними и зимними паводками (от ливней, таяния ледников в горах и затяжных дождей) необходимо охватить наблюдениями подъём и спад первого пика полностью. При последующих пиках можно производить наблюдения только на уровнях воды, превышающих первый пик.

Измерение скоростей потока необходимо как для вычисления расхода воды, так и для построения плана течения реки, который используется для правильной компоновки сооружений мостового перехода, выбора их размеров и очертаний, защиты от размыва и пропуска ледохода. Построение изотах (линий равных скоростей) в створе мостового перехода даёт возможность прогнозирования развития руслового процесса.

В силу вязкости воды и шероховатости дна скорость течения меняется по глубине потока. Максимум у свободной поверхности называют поверхностной скоростью. Минимум у дна принимают за донную скорость. Для определения средней скорости на вертикали необходимо построить эпюру местных скоростей(в конкретной заданной точке на скоростной вертикали), определить её площадь и разделить на глубину.

Существующие приборы и способы в большинстве случаев ориентированы на измерение местных скоростей и основаны на определении либо скорости движения плывущего тела, либо количества оборотов лопастного винта в минуту.

Поплавком называют тело, свободно перемещаемое текущим потоком. Поплавки бывают точечные и интеграционные. Точечные измеряют скорость по длине заданного слоя жидкости, перемещаясь вдоль него. Точечный поплавок может быть поверхностным (рис. 8), если движется на свободной поверхности потока, и глубинным, если скорость измеряют на заданной глубине (рис. 9).

а) б) в)

Рис. 8. Поверхностные поплавки:

а – из деревянного диска; б – из бутылки; в – из деревянной крестовины

Поверхностные поплавки обычно изготавливаются из дерева в виде круглого диска диаметром 25 см и толщиной около 5 см. В центре диска укрепляется вертикальный стержень высотой до 15 см с белым или красным флажком. Для придания поплавку устойчивости в ветреную погоду к нему прикрепляется небольшой груз. При сильном ветре производство поплавковых наблюдений не допускается. В случае плохой видимости поплавки сопровождаются лёгкой гребной лодкой.

Поверхностные поплавки могут применяться как при больших, так и при малых скоростях течения, а также во время редкого ледохода, когда применение других приборов затруднительно. В этом случае поплавками могут служить отдельные льдины.

К недостаткам поверхностных поплавков можно отнести непосредственную зависимость проведения работ от погодных условий, меньшую по сравнению с другими приборами точность результатов (5÷10%) и невозможность измерения скоростей течения в конкретных точках.

Поплавки являются простейшими приборами для измерения скорости течения. При этом одновременно определяются и направления поверхностных течений по траекториям движения поплавков.

На равнинных реках, как впрочем, и на горных скорости имеют максимум у динамической оси потока, убывая к берегам за счёт относительно большего сопротивления у них. В соответствии с уравнением Бернулли, возникает некоторый перепад уровней в поперечном сечении потока: они выше у берегов и ниже в средней части реки. В итоге появляются вторичные течения в виде двух винтовых потоков, где поверхностные скорости направлены от берегов к оси, а донные – в обратном направлении. Это искажает траектории поверхностных поплавков, сбивая их к стрежню реки. Но это искажение заметно на длине в несколько километров, что гораздо больше участка гидрометрических работ.

Глубинный поплавок (рис. 9) должен быть немного тяжелее воды: проваренный в олифе деревянный шар или крестовина, бутылка, заполненная больше, чем для поверхностного поплавка.

а) б) в)

Рис. 9. Глубинные поплавки:

а – из деревянного шара; б – из бутылки; в – из деревянной крестовины

На нужной глубине его удерживает поверхностный поплавок, соединённый с глубинным тонкой нитью. Поверхностный поплавок является указателем планового положения глубинного поплавка. Обычно поверхностный поплавок-указатель делают в 4÷5 раз меньше глубинного и придают ему плохообтекаемую форму с высоким коэффициентом сопротивления.

Глубинные поплавки наиболее эффективны при измерении скоростей до 0,15 м/с, которые не всегда можно замерить вертушкой.

Обычная длина участков поплавковых наблюдений:

для рек с шириной русла до 200 м – 0,5÷1,0 км;

для рек с шириной русла до 500 м – 1,0÷2,0 км;

для рек с шириной русла свыше 500 м – 2,0÷3,0 км.

Участок наблюдений выбирается так, чтобы около 2/3 его протяжения располагались выше и примерно 1/3 ниже трассы мостового перехода. Запуск поплавков осуществляют в пусковом створе, который находится на 5÷10 м выше первого верхового гидроствора. Это необходимо для того, чтобы перед вхождением в створ поплавок уже приобрёл реальную скорость течения потока.

При запуске стараться распределить поплавки равномерно по всей ширине потока.

Число поплавков в каждом наблюдении должно быть не меньше:

для рек с шириной русла до 200 м – 7÷9 шт.;

для рек с шириной русла до 500 м – 9÷11 шт.;

для рек с шириной русла до 1000 м – 11÷13 шт.;

для рек с шириной русла свыше 1000 м – 13÷15 шт.

Поплавки пускают последовательно по одному.

Плановое положение поплавка в гидростворе устанавливают засечкой кипрегеля при мензульной съёмке, фиксируют горизонтальным углом между базисной линией и нахождением поплавка в гидростворе теодолитом или буссолью, закреплёнными на репере магистрали (базиса). Одновременно секундомером определяется время прохождения поплавком расстояния между створами.

Всплывающие поплавки-интеграторы используют для определения средней скорости потока на вертикали. Их изготавливают в виде лёгких шариков диаметром 30÷35 мм из дерева, целлулоида, пенопласта и т.д., используют лёгкие жидкости, например нефтяные масла, или пузырьки закачиваемого по шлангу воздуха. Как и глубинные поплавки, поплавки-интеграторы чаще всего применяют для измерения малых скоростей (до 0,2 м/с).

Метод жидких поплавков-интеграторов в сочетании с аэрофотографированием выхода поплавков на поверхность воды обеспечивает определение поверхностных скоростей потока с точностью 2÷3%.