Методика измерения расхода воды поплавками.

Методика измерения расхода воды поплавками.
/Составлена по материалам Свердловской областной комиссии по массовому
геопоходу в 1985 году./
В практике маршрутных гидрометрических исследований, а также в
соревнованиях по гидрометрии измерение расходов ручьев, речек используется
способ «площадь-скорость», когда площадь сечения потока определяется
промерами глубин, а скорость течения воды поплавками. Для оперативности
измерение расхода воды выполняется с максимальным осреднением исходных
данных.
Работа по измерению расхода воды поплавками слагается из четырех
последовательных операций, которые включают:
- выбор и устройство участка замера;
- определение среднего сечения потока;
- измерение скорости потока;
- вычисление расхода воды.
Для замера расхода водного потока выбирается по возможности
прямолинейный участок русла с однообразными рельефом дна и продольным
уклоном, с одинаковой шириной потока. На участке не должно быть перекатов,
островов, течение должно быть спокойным, без косых струй, мертвых
пространств.
Расстояние между верхним и нижним створами выбирается таким, чтобы
продолжительность хода поплавков между ними была не меньше 20 сек. При
больших скоростях течения, когда выбор участка замера затруднен, допускается
уменьшение расстояния между створами до величины, обеспечивающей
продолжительность хода поплавков не менее 10 сек. Полоса берега на участке
замера для удобства работы расчищается от кустарника, береговые линии
выравниваются, водная растительность, мусор, валуны, крупная галька из русла
удаляются. Эти мероприятия выполняются также на отрезках русла в 3-5 м выше
и ниже выбранных створов.
Створы закрепляются колышками и шнуром (мерной лентой). Шнур
натягивается возможно ниже над водой (но он не должен касаться её
поверхности). Расстояние между створами (L) измеряется рулеткой с точностью
до 0,1м.
Для определения среднего сечения потока необходимо измерить его ширину
(расстояние между берегами) и глубину воды в промерных точках (расстояние от
дна до поверхности воды) на верхнем и нижнем створах. Сечение потока
измеряется в м2 .
Ширина потока (В) измеряется мерной лентой, рулеткой, метром, с
детальностью, обеспечивающей погрешность результатов не более 2% (например,
при ширине реки в 1м измерения ведется с точностью 2см, при ширине 5м – 10см
и т.д.).
Число промерных точек при измерении глубины водного потока зависит от
ширины потока и рельефа дна. Они должны располагаться через равные
промежутки, причем первая и последняя точки характеризовать глубину реки
близ береговых линий. При ширине реки до 1м расстояние между промерными
точками должна быть не более 0,1м, при ширине до 2м – не более 0,2м, при
ширине до 5м – не более 0,5. Промерные точки целесообразно отметить на шнуре,
закрепляющем положение створа. Это делается для того, чтобы при обратном
ходе (см. ниже) замеры проводить в тех же точках.
Промеры глубины выполняются промерной рейкой (линейкой) с точностью
до 1см. При набеге воды на рейку (что наблюдается при скоростях течения более
0,2-0,3 м/с) отсчет глубины нужно брать по линии ненарушенного рейкой
положения поверхности водного потока. Рейку нельзя вдавливать в дно (особенно
это имеет значение при илистом или песчаном русле). Для исключения грубых
ошибок промеры глубин полезно производить прямым и обратным ходом в одних
и тех же точках с осреднением полученных результатов в каждой точке.
Скорость течения – это путь, пройденный частицей воды в единицу (м/с).
Скорость течения воды по площади сечения потока неодинакова. При
открытом русле наибольшие скорости обычно наблюдаются у поверхности воды.
Они постепенно уменьшаются с глубиной до минимума в придонном слое.
Аналогичное изменение скорости течения потока происходит от его центральной
части к берегам. Для получения расчетного значения скорости течения
поплавковым методом необходимо измерить частные скорости в отдельных
точках поверхностного слоя потока, а затем вычислить среднее арифметическое
значение скорости.
В качестве поплавков можно применять аккуратно обрезанные кусочки
сырых веток дерева. Их размеры должны обеспечивать хорошую видимость
поплавка на участке между створами. Но при этом поплавок должен как можно
меньше возвышаться над водой, чтобы было до минимума сведено ветровое
воздействие.
Рекомендуется следующая техника запуска поплавков и проведения
наблюдений за ними:
- на верхнем створе намечается не менее 5 точек, равномерно
распределенных по ширине потока; из них две точки должны находится в
прибрежных зонах;
- исполнитель в намеченных точках последовательно запускает по одному
поплавку, забрасывая их выше створа;
- в момент прохождения поплавком линии створа исполнитель включает
секундомер и следит за прохождением поплавка;
- помощник, находящийся у нижнего створа, в момент прохождения
поплавка через линию этого
створа подает сигнал выключения
секундомера. На реках с медленным течением все операции может
проводить один человек;
- в каждой точке, положение которой отмечено на шнуре верхнего створа,
запускается последовательно не менее трех поплавков;
- поплавок, показавший продолжительность хода между створами, более
чем на 10% от других поплавков, пущенных в той же точке, не
засчитывается. В этом случае необходимо дополнительно запустить еще
1-2 поплавка;
- время прохождения поплавка между створами определяется по
секундомеру, с точностью до 0,2 сек;
Вычисление расхода воды начинается с просмотра записей измерений с
целью их проверки.
Средние глубины воды (hср.) по промерам на каждом створе вычисляются по
формуле:
h1 + h2 +…..+ hn
hср.=
n
, где n - количество замеров.
Затем вычисляется площадь сечения верхнего и нижнего створов (площадь,
ограниченная линией дна и поверхности воды):
F верх.=Вверх. х hср. верх.
F ниж.= Вниж. х hср. ниж. ,
где В – ширина потока воды в створе,
hср. – средняя глубина водного
потока в створе.
Площадь сечения водного потока на участке замера расхода определяется как
среднее значение площади сечения верхнего и нижнего створов
F верх.+ F ниж.
Fср=.
2
Среднее время прохождения поплавков между верхним и нижним створами
определяется следующим образом:
t1+ t 2 + … + tn
t ср. =
n
Делением расстояния между створами (L) на среднее время прохождения
поплавков определяется средняя скорость течения воды
L
V ср.
=
tср.
Расход воды можно подсчитат умножением среднего сечения потока на
среднюю скорость течения:
Q = Fср. х Vср.
Полученное значение расхода называется фиктивным, поскольку при его
определении используется скорость течения поверхностных слоев водного потока
(она завышена по сравнению с истинно среднем её значением).
Действительный расход водного потока получают введением в расчет
расхода переходного коэффициента К. Величины коэффициента приведены в
таблице.
Значение переходных коэффициентов в зависимости от характера русла
водного потока
Таблица
Характер русла
Песчаное,
гранитное
русло
с
ровными
берегами, без водной
растительности
Галечное,
каменистое
русло,
водная
растительность,
извилистые берега
Средняя глубина, м
меньше 1
1-5
0,78 – 0,86
0,87 – 0,88
0,70 – 0,77
0,78 – 0,85
Результаты измерений и расчетов записываются на специальном бланке,
выдаваемом команде. Вычисление ведется на обратной стороне бланка. Все
записи следует выполнять простым карандашом.
В записях и вычислениях необходимо внимательно следить за соблюдением
размерности, расстояний, глубин, сечений, скоростей, чтобы избежать грубых
ошибок в определении расхода воды.
Расход воды выражается в кубических метрах в секунду (м3/сек), а при малых
значениях (менее 0,1 м3/сек) в литрах в секунду (л/сек). При переходе к этим
единицам следует помнить, что 1 м3 =1000л или 1л = 0,001 м3 .