Вычисление средней скорости движения воды

Движение воды в реке происходит неравномерно, поэтому необходимо уметь измерять и вычислять различными способами среднюю скорость потока по живому сечению.

3. 3.1 Измерение скорости поверхностными поплавками

Измерение скорости поверхностными поплавками является наиболее простым и доступным способом. Поплавки применяют на небольших водотоках при малых скоростях и ограниченности времени. Поплавки представляют собой деревянные окрашенные кружки диаметром 10-15 см и толщиной 3-6 см (рисунок 2).

 

Рисунок 2 График УГВ: 1 – посредине между каналами, 2 – 25м от канала.

Для измерения скорости выбирают прямолинейный незаросший участок реки. Перпендикулярно стрежню реки, от одного берега реки к другому, разбивают 1 створа: пусковой, верхний, средний (главный) и нижний (рис.2). Пусковой створ находится на расстоянии 2-5м от верхнего. Между нижним и верхним створами расстояние равно 3-5-кратной ширины реки и обычно не менее 18-25м, а время прохождения поплавков через эти створы – не менее 25 сек. Расстояние между створами одинаково. Прежде чем забрасывать поплавки, необходимо на гидрологическом створе зафиксировать обстановку: а) состояние реки (чистая, местами покрытая растительностью и т.д.); б) погоду (ясно, пасмурно, туман, дождь); в) характеристику ветра (штиль, слабый, средний, сильный, по течению, против течения, от левого берега или правого берега); г) характеристику поверхности потока (спокойная, покрытая рябью, волнение и т.д.).

Расставив наблюдателей по створам, начинают забрасывать поплавки от пускового створа посередине потока, где набольшая скорость. Моменты прохождения через верхний и нижний створы фиксируются по секундомеру. Число поплавков, проследовавших через верхний и нижний створы, не считая поплавков задержавшихся в пути, должно быть не менее 10 (таблица 6).

Таблица 6 Вычисление скорости движения поплавков

Номер поплавка	Расстояние между крайними створами, м	Время прохождения поплавков, сек	Скорость течения, м/сек	Поверхностная скорость течения, м/сек
средняя	наибольшая

 

Среднюю скорость для всего живого сечения вычисляют по наибольшей поверхностной скорости V_{пов. наиб}. И переходному коэффициенту К по формуле:

Для определения наибольшей поверхностной скорости течения необходимо из 10 зафиксированных поплавков выбрать два таких, которые имели наименьшую продолжительность хода через крайние створы. Зная расстояние между этими створами и наименьшее время хода двух из десяти поплавков, определяют их поверхностную наибольшую скорость и . Из двух этих скоростей находят наибольшую среднюю поверхностную.

Поправочный коэффициент К находят по формуле

или ,

где С – скоростной коэффициент формулы Шези.

 

Определение скорости при помощи гидрометрических

Вертушек.

Существует много конструктивных разновидностей вертушек. Основным отличительным признаком вертушек является расположение оси вращения лопастей: с горизонтальной или вертикальной осью вращения. Наибольшее применение получили вертушки с горизонтальной осью ГР-21М, ГР-55, Жестовского (типа Ж-3), Бурцева (ГР-II), ЛАГУ, системы ИНВХ, и др.

Главной частью гидрометрической вертушки является рабочее колесо (лопастной винт, ротор), вращающееся под действием давления движущейся воды. Скорость вращения находится в определенной зависимости от скорости течения воды. Обороты лопастей винта фиксируются механическим счетчиком на корпусе (теле) вертушки и передаются системой электрической сигнализации в виде звонка наблюдателю. По числу оборотов вертушки в единицу времени определяют скорость течения воды. Действие прибора основано на зависимости

ƒ(n),

где – скорость течения набегающей воды, м/сек;

n – число оборотов рабочего колеса, об/сек.

Для установления этой зависимости каждая вертушка тарируется, т.е. подсчитывается количество оборотов, которое совершит лопастной винт в зависимости от ранее известной скорости. Тарирование производят в спецлабораториях и выражают в виде графика или уравнения.

Измерение скорости вертушкой производят по скоростным вертикалям. Их число зависит от ширины реки (таблица 7).

 

Таблица 7 Ширина реки и скоростные вертикали

Число скоростных вертикалей	Ширина реки, м
До 5	5-300
Не менее Не реже, чем через	0,5

 

Измерение скорости течения на скоростных вертикалях может производиться: а) детальным, б) основным, в) сокращенным способами.

При детальном способе замеры скоростей при свободном русле производят на глубинах, согласно таблице 8.

Основной способ применим на хорошо изученном гидростворе. При этом способе измерение производят в двух точках: 0,2 и 0,8 Н, при недостаточной глубине – в одной точке на 0,6 рабочей глубины.

При сокращенном способе замер производят в одной точке на 0,6 Н. Измерение по этому способу требует специального разрешения.

 

Таблица 8 Положение скоростных точек в зависимости от глубины потока

Рабочая глубина, м	Положение точек по глубине вертикали в долях глубины (Н)
Более 1,00	В 5 точках: у поверхности; 0,2; 0,6; 0,8 и у дна
0,60-1,00	В 3 точках: 0,2; 0,6 и 0,8
0,35-0,60	В 2 точках: 0,2 и 0,8
0,20-0,35	В точке: 0,6
0,10-0,20	В 1 точке: 0,5 - при очень малой глубине
Менее 0,10	Измерения вертушкой недопустимы

Определение скорости движения воды в водотоке гидрометрическими вертушками. Гидрометрическая вертушка позволяет определить скорость течения более точно, чем поплавки. В настоящее время пользуются гидрометрической вертушкой ГР-21 М (рис. 3, 4).

Рис. 3 Общий вид вертушки ГР-21 М

Предназначена для измерения скорости течения водного потока. Принцип действия гидрометрических вертушек основан на наличии закономерной связи между скоростью вращения лопастного винта вертушки и скоростью набегающего потока воды. Состоит из следующих основных частей: корпуса 14, хвостового оперения (стабилизатора) 13, ходовой части с контактным механизмом и лопастным винтом 3, а также сигнального устройства.

Рис. 4 Устройство гидрометрической вертушки ГР-21М.

Корпус 14 служит для сочленения частей вертушки, крепления ее на штанге или вертлюге 10 и для подключения сигнальной цепи. Корпус в передней части имеет полость, в которую вставляется ось собранной ходовой части 5 и крепится в ней стопорным винтом 6. Две клеммы 8 (изолированная) и 9 (соединенная с корпусом) служат для подключения проводов сигнальной цепи. В тыльной части корпуса есть втулка для крепления вертушки на штанге или подвеске-вертлюге (в случае работы с троса) зажимными винтами 11. К тыльной части корпуса винтом 12 крепится стабилизатор 13, служащий для установления оси вертушки по течению. Сбоку втулка имеет фигурную прорезь с указателем для снятия отсчета положения оси вертушки на штанге.

Ходовая часть вертушки состоит из неподвижной оси 5 с контактным механизмом (червячная шестерня, контактный штифт, пружина, винт и электропроводный стержень, соединяющий контактную пружину с гнездом штепселя 7), двух радиально-упорных подшипников 2, внутренней распорной втулки 16, наружной втулки 15 и осевой гайки 1. Ходовая часть входит в цилиндрическую полость лопасти 3 и крепится в ней зажимной муфтой 4.

Сигнальное устройство, состоящее из клеммной панели, звонка (лампочки), переключателя и сигнальных проводов, служит для преобразования электрического импульса в звуковой (световой) сигнал. Питание электрической цепи осуществляется от источника постоянного тока напряжением 3 В.

Принцип действия гидрометрических вертушек основан на закономерной связи между скоростью вращения лопастного винта вертушки и скоростью набегающего потока. Вместе с лопастью вращается втулка, которая передает вращение лопасти на червячную шестерню. Контактный механизм вертушки замыкает электрическую сигнальную цепь через каждый полный оборот червячной шестерни, что соответствует 20 оборотам лопасти вертушки. В момент замыкания цепи вспыхивает лампочка или звенит звонок, что дает возможность фиксировать число оборотов лопастного винта вертушки. С помощью секундомера определяют время с начала работы вертушки (сигнал) до каждого последующего сигнала. Подсчитав общее число оборотов лопасти вертушки и разделив их на время ее работы, определяют скорость вращения лопастного винта (число оборотов в секунду).

Для перехода от скорости вращения лопасти вертушки n к скорости течения воды u_i используют тарировочную кривую – график зависимости между скоростью течения и числом оборотов лопастного винта в секунду: u = f(n), официальный документ каждой гидрометрической вертушки, прошедшей тарировку в специальном тарировочном бассейне.

Вертушка ГР-21М снабжается двумя лопастными винтами: винт № 1 (основной) компонентный, диаметром 120 мм с геометрическим шагом 200 мм, применяется при работе со штанги, при скоростях течения до 2 м/с, и винт № 2 некомпонентный, диаметром 120 мм с геометрическим шагом 500 мм, применяется во время работы с троса при скоростях течения более 2 м/с.

Малые скорости течения не приводят лопастный винт во вращение. Наименьшая скорость u₀, при которой силовое воздействие потока на лопастный винт равно величине сопротивлений, а лопастный винт вращается неравномерно, называется начальной скоростью вертушки. Для вертушки ГР-21М начальная скорость составляет 0,04 м/с, а верхняя – 5 м/с.

Измерение скорости вертушкой производят в такой последовательности. По створу натягивают трос и на нем отмечают места (по таблице 7) скоростных вертикалей. Далее измеряют глубину воды, затем вертушку надевают на штангу 5 и устанавливают на определенную глубину. Число измерений по вертикали устанавливают по таблице 8. Глубину погружения берут из таблицы 9 или рассчитывают. На каждой глубине производят не менее трех наблюдений.

Таблица 9 Глубины погружения вертушки

Глубина реки Н, см	Открытое, без растительности русло	При растительном и ледовом покрове
0,2Н	0,6Н	0,8Н	0,15Н	0,50Н	0,85Н

 

После того, как вертушка опустилась на заданную глубину, пропускают 2-3 контрольных сигнала, которые подтверждают исправность и правильность действия вертушки. Первый сигнал, по которому включают секундомер, называется нулевым. После включения секундомера ждут очередных сигналов. Если в течение 100 сек. Поступило 5 и более сигналов, то по первому (после 100 сек.) сигналу секундомер останавливают и измерения в данной точке прекращают. Если за 100 сек. Поступило 1-3 сигнала, то наблюдения продолжают до 4 сигнала. В вертушке Жестовского через 20 оборотов звонит звонок. Включение и остановку секундомера, отсчеты времени производят по концу сигнала. Записи измерений и дальнейшие подсчеты производят согласно полевому журналу измерений скорости течения воды вертушкой (таблица 10).

Таблица 10 Полевой журнал измерений скорости течения воды вертушкой

Система ______________ Канал (река) _________ Пост______ № ________

Нуль графика поста__________________ Нуль рейки _______ № _______

201 г. ________мес. _____дня. Начало измерений ___ час _____ мин____

Показания водомерной рейки _________ Конец измерения ___час ___мин

Среднее ___________ тип _________ номер ________ лопасть №________

Последняя тарировка произведена _____ число _______мес. _______201_г.

Состояние канала (реки) _____________________________

Состояние погоды: ясно, туман, дождь, (подчеркнуть). Направление и сила ветра ________________

Прочие сведения _________________________

Номера скоростных вертикалей	Глубина воды, м	Глубина погружения вертушки	Количество поступивших сигналов	Сумма оборотов	Время измерения, сек	Число оборотов в сек	Скорость, м/сек	Скорость на вертикали, м/сек
в долях глубины Н	м

 

Предположим, что за время t = 128 сек. поступило 16 сигналов, число оборотов за прием равно 20, тогда сумма оборотов 16 х 20 = 320. Разделив эту сумму на количество секунд продолжительности измерения в точке, вычисляют число оборотов лопастного винта в секунду с точностью до 0,01 оборота. В нашем случае 320: 128 = 2,5 об/сек. По найденному числу оборотов в секунду в тарировочной таблице находят соответствующие величины скорости. Можно пользоваться и специальным уравнением, которое прилагается к вертушке.

После определения скорости в данной точке определяют среднюю скорость для каждой скоростной вертикали:

а) при измерении скорости в одной точке (0,6Н), м/сек.

б) при измерении в двух точках (0,2 и 0,8Н), м/сек.

)

в) при измерении в трех точках (0,2; 0,6 и 0,8Н), м/сек.

)

г) при измерении в пяти точках

)

д) при измерении в одной точке (0,2Н), когда К=0,9 (поправочный коэффициент), м/сек.

При русле, заросшем растительностью, и при наличии ледяного покрова:

а) при измерении в шести точках (у поверхности; 0,2; 0,4; 0,6 и 0,8Н и у дна), м/сек.

)

б) при измерении в трех точках (0,15; 0,5 и 0,85Н), м/сек

в) при измерении в одной точке (0,5Н), когда К=0,9, м/сек

Приближенное вычисление средней скорости потока (м/сек) по живому сечению можно привести по формуле

Где – средняя скорость потока по живому сечению; – средняя скорость по вертикали; количество вертикалей.

Для более точного определения необходимо проводить построение эпюры и нахождение ее площади.