Полевые методы измерения расхода воды: от объемного анализа до анализа частоты наводнений

A. Базовый метод 1: Объемный анализ. Объемный анализ является наиболее точным методом измерения расхода, однако его применение ограничено участками с концентрированным потоком — например, в V-образном вырезе постоянной плотины, на выходе из трубы или водопропускного канала под мостом или шоссе. Следовательно, данный подход эффективно работает только при очень низких расходах или для потоков низкого порядка. Для выполнения измерений необходимо выбрать емкость известного объема или градуированную с известной маркировкой; минимальный объем емкости должен составлять не менее 4 литров, хотя для более крупных потоков (порядка 2–3) может потребоваться емкость большего размера. В качестве альтернативы можно использовать большой пластиковый мусорный пакет, который удерживают открытым и опускают на дно ручья. Емкость помещают под сливной канал и фиксируют время наполнения до известной отметки объема; при использовании пластикового пакета записывают время заполнения части пакета, затем переливают воду в мерную емкость для определения собранного объема. Секундомер обеспечивает наилучшую точность отсчета времени; его запускают точно в момент помещения емкости в поток. Важно, чтобы объем емкости был достаточным для наполнения не менее чем за три секунды; для повышения точности отсчет времени начинают при переходе воды через одну градуировочную отметку и останавливают при переходе через другую. Расход рассчитывается по формуле: Q = объем / время, где Q — расход в м³/с (или литрах/с), объем — в м³ (или литрах), а время — в секундах. Для получения среднего значения и меры отклонения необходимо выполнить несколько измерений.

B. Базовый метод 2: Метод определения площади скорости. Метод определения площади скорости начинается с того, что поперек потока натягивают измерительную ленту и делят створ не менее чем на десять интервалов или ячеек. В качестве альтернативы можно использовать заранее отмеченный трос, однако может потребоваться добавление меток между постоянными для получения десяти и более интервалов. В любом случае ширина отдельного интервала не должна превышать 3 м. Записывают ширину (в метрах) каждой ячейки. В интервальной точке каждой ячейки измеряют и записывают глубину (в метрах; см. рис. 3.8).

Протокол измерения скорости с помощью поплавка. Измеряют длину потока не менее 20 м, чтобы обеспечить время прохождения не менее 20 секунд; это и есть обозначенная длина охвата (L). Данный участок должен перекрывать один из участков измерения площади поперечного сечения. Верхний и нижний концы отмечают кольями или легкой бечевкой, натянутой поперек ручья. Выбирают поплавок с небольшой плавучестью — например, очищенный апельсин, кусок льда, наполовину заполненный рыболовный поплавок (или теннисный мяч) или заболоченную ветку; это позволяет объекту плавно перемещаться по основному вектору течения и минимизирует влияние воздушного потока. Поплавок поднимают на небольшое расстояние вверх по течению от верхней отметки, чтобы он мог набрать скорость до прохождения первой отметки. В больших реках (ширина более 10 м) поток разделяют на три части и выполняют несколько заходов поплавком в каждой трети для получения средней скорости. С помощью секундомера измеряют время прохождения (t) между верхней и нижней отметками; записывают несколько измерений на каждом участке для получения среднего значения. Поверхностная скорость (Vs) рассчитывается как: Vs = L / t.

Для оценки средней скорости (V) применяют поправочный коэффициент (k) к шероховатости русла, который влияет на наклон профиля скорости: V = k × Vs. Поправочный коэффициент варьируется от 0,8 для неровных русел до 0,9 для гладких, однако наиболее часто используется значение 0,85, если только русло не является особенно неровным или гладким. Расход рассчитывается как:

, где aᵢ — площадь поперечного сечения каждой ячейки или интервала вдоль i интервалов.

Протокол измерения тока для определения скорости. В каждой точке интервала (по вертикали) измеритель тока помещают в поток лицом к течению. Всегда следует стоять ниже по течению от измерительного устройства и следить, чтобы водовороты вокруг ног не мешали работе измерителя. Если глубина (D) менее 60 см, скорость измеряют на глубине 0,4 × D, отсчитываемой вверх от русла. Если глубина превышает 60 см, измеряют и записывают скорости при 0,2 × D и 0,8 × D; средняя скорость представляет собой среднее арифметическое этих двух значений. Если толща воды для данной ячейки содержит крупные затопленные объекты (бревна, валуны и т.д.) или нарушена нависающей растительностью, измеряют скорости при 0,2 × D, 0,4 × D и 0,8 × D. Среднюю скорость вычисляют как: v = 0,25 × (V₀.₂ + V₀.₈ + 2 × V₀.₄) (Уравнение 3.17). При очень высоких скоростях или во время паводков, когда трудно установить измеритель тока и болотный стержень (или зондирующий кабель) вертикально, измеряют скорость на поверхности, затем рассчитывают среднюю скорость, используя уравнение V = k × Vs, где k обычно принимается равным 0,85. Рассчитывают и записывают расход для каждого интервала (x), как указано в уравнении (3.6). Общий расход створа представляет собой сумму расходов по всем интервалам:

, где n интервалов были измерены от исходной точки.

C. Усовершенствованный метод 1: Метод определения площади склона. Метод определения площади склона — это косвенный метод оценки расхода при отсутствии измерительной информации. Чаще всего он используется для оценки расхода при высоких стоках, таких как полноводные реки или недавние наводнения. Данный метод также работает, когда измеритель тока или поплавок непрактичны (например, при очень низких скоростях течения, едва покрывающих русло). Однако при таком подходе более сложно точно оценить значение n Мэннинга. Выбирают прямой участок течения, где течение достаточно равномерно, а уклон воды и уклон русла относительно параллельны. Длина исследуемого участка должна быть не менее чем в шесть раз больше средней ширины канала (средний интервал повторения плесов и перекатов); включение пары плесов и перекатов дает наилучшую оценку среднего уклона. Протягивают измерительную ленту поперек потока и разделяют створ как минимум на пять ячеек, ширина каждой не должна превышать трех метров. Измеряют и записывают ширину и глубину (в центральной точке) каждой ячейки.

Определяют интересующий уровень воды (например, отметку полноводности или высокого уровня воды после последнего наводнения) и отмечают его геодезической лентой или маркерами. Обследуют три или более типичных поперечных сечения в пределах досягаемости. В каждой точке съемки устанавливают геодезический уровень, который можно поворачивать для визирования точек на расстоянии не менее 20 м вверх и вниз по течению от створа. Используя уровень и нивелировочный стержень, измеряют высоту дна и поверхности воды в точках на 20 м выше и ниже по течению от створа, не перемещая уровень. Для определения высоты дна стержень помещают рядом с точкой средней глубины, близкой к тальвегу. Для измерения высоты поверхности воды держатель стержня несколько раз касается поверхности воды, записывая высоту; в среднем достаточно трех-четырех измерений. Во время пешего осмотра русла оценивают n Мэннинга, используя значения из таблицы 3.1 или таблицы 3.2.

Оценка Стриклера (1923) для более глубоких каналов, где глубина потока по меньшей мере в три раза превышает средний диаметр (d₅₀) материала русла, выступающего в поток, составляет:

Площадь поперечного сечения каждой ячейки (An) рассчитывают как произведение ширины ячейки (wn) и глубины ячейки (Dn). Общая площадь поперечного сечения (A) равна сумме An.

Среднюю глубину вычисляют как среднее арифметическое глубин ячеек. Для широкого мелководного ручья это приблизительное значение может быть использовано в качестве гидравлического радиуса (R); однако на стадиях разлива и выхода из берегов следует использовать рассчитанный гидравлический радиус. В однородных каналах энергетический уклон (S) оценивается как разница высоты поверхности воды (E, в метрах) между точкой в верхнем течении (E_upstream) и точкой в нижнем течении (E_downstream), деленная на расстояние между точками (l, в метрах): S = (E_upstream — E_downstream) / l. Уклон русла не является подходящей заменой энергетическому уклону, за исключением случаев изучения локальных гидравлических условий. Наконец, рассчитывают расход для данного створа и высоты поверхности воды, используя уравнение Мэннинга: Q = (1/n) × A × R^(2/3) × S^(1/2).

D. Усовершенствованный метод 2: Метод поэтапного сброса. Метод поэтапного сброса требует многократных измерений расхода при различных высотах поверхности воды. Он используется для построения измерительной системы (оценочной кривой) для часто посещаемого участка отбора проб, где при каждом посещении необходимо быстро измерять расход. Измерения расхода должны проводиться как минимум для трех различных отметок поверхности воды: при низком, среднем и высоком расходе. Выбранный участок должен быть доступен при любых высотах поверхности воды и измеряемых расходах. Выбирают прямой участок с относительно равномерным течением, где уклон воды и уклон русла примерно параллельны. При каждом режиме течения измеряют расход, используя метод измерения тока или объемный метод. Откладывают зависимую переменную (расход) по оси x, а независимую переменную (высота или уровень поверхности воды) по оси y на графическом листе log-log; в большинстве случаев получается прямая линия.

Для большинства экологических исследований приблизительную оценочную кривую можно составить, визуально проведя прямую линию через измеренные и нанесенные на график точки. Обычно эту линию можно безопасно экстраполировать до уровня расхода, в 2,5 раза превышающего максимальный измеренный расход, и в 0,4 раза меньшего, чем наименьший измеренный расход (Bovee и Milhous, 1978). Для получения более точной расчетной кривой три расхода приводят в соответствие с уравнением: Q = a × (h — z)^b (Уравнение 3.22), где h представляет собой высоту датчика или отметку поверхности воды, z — высоту датчика при «нулевом расходе», а a и b — коэффициенты регрессии. Уравнение составляют с использованием простых методов регрессии (Graybill и Iyer, 1994) с помощью таких программ, как Excel или SigmaPlot. В регрессии в качестве независимой переменной используется (h — z), а в качестве зависимой — Q, хотя кривая оценки построена с перевернутыми осями. Значение z должно быть получено методом проб и ошибок; истинное значение z лежит на прямой линии, проходящей через три измеренных значения на бумаге log-log. Если z слишком мало, построенное уравнение будет вогнутым вниз; если слишком велико — вогнутым вверх.

На месте отбора проб устанавливают в поток измерительный прибор. Он состоит из стержня (например, арматурного стержня диаметром 2,5 см), окрашенного в яркий цвет и размеченного с интервалами, соответствующими расчетной кривой (например, через каждые 0,1 м). Также доступны специальные измерительные приборы. Установка производится достаточно далеко от берега, чтобы вода смачивала стержень даже при самых низких потоках; стержень должен уходить не менее чем на один метр ниже отмеченного участка. Стержень погружают в дно до тех пор, пока поверхность воды не покроет соответствующую отметку для расхода в день установки. Во время последующих пробоотборов измеряют высоту поверхности воды с помощью штатного датчика, сравнивают с оценочной кривой и регистрируют соответствующий расход.

E. Расширенный метод 3: Анализ частоты наводнений, продолжительности стока и массы стока. Протокол учета частоты наводнений. Получают данные измерений для ручья или реки, которые необходимо проанализировать. При оптимальных условиях должны быть доступны данные за последние 20 лет — большее количество лет повышает точность. Для этого анализа достаточно ежемесячных или годовых данных. Перечисляют годовые пиковые расходы в порядке убывания величины, указывая сначала самый высокий расход. Интервал повторения (T) рассчитывается с использованием уравнения *T = (n + 1) / m*, где n* — количество лет регистрации, а m* — ранг паводка (m* = 1 для наибольшего расхода). В качестве альтернативы с меньшим искажением (Cunnane, 1978) интервал повторения вычисляют как *T = (n+ 0,2) / (m* — 0,4). Вероятность превышения (P) того, что данный расход будет превышен, рассчитывается как P = 1 / T или по формуле P = m / (n + 1). Каждый паводковый расход (ось y) откладывают против его интервала повторения или вероятности превышения на логарифмически-вероятностной бумаге. Теоретически, наибольшие значения паводков находятся при P = 0 (никогда не превышаются), а наименьшие — при P = 1 (всегда превышаются); все расчетные значения лежат между этими крайностями. Точки соединяют, формируя кривую частоты наводнений. Кривая, проведенная «на глаз», приемлема для наводнений с периодичностью менее n*/5, при этом больший упор делается на средние и высокие значения расхода. Для интервалов повторения, превышающих n*/5, где требуется более высокая точность, используют теоретическое распределение вероятности. Стандартным методом USGS является логарифмическое распределение Пирсона III типа (Haan, 1977**).

Протокол определения продолжительности стока. Получают данные измерений для ручья или реки. Необходимо иметь данные за несколько лет; для годовых кривых продолжительности рекомендуется использовать данные за 20 лет. Однако ежедневные, еженедельные или ежемесячные данные также могут использоваться для оценки продолжительности стока за более короткие промежутки времени. Перечисляют все расходы за данный период (ежедневные, ежемесячные, годовые и т.д.) по величине. Разделяют диапазон расходов на 20–30 интервалов (например, если ежедневные показатели составляют от 10 до 300 cfs, используют интервалы 0–10, 11–20, 21–30, …, 291–300). Рассчитывают процент времени, в течение которого каждый интервал был равен или превышен, затем строят полулогарифмический график — проценты по арифметической шкале на оси x и логарифм расхода на оси y. Руководство по интерпретации кривой продолжительности (Searcy, 1959) доступно для анализа конкретных ситуаций, таких как разбавление загрязнений, хранение в водосборе, ирригация, гидроэнергетика или перенос наносов. Ценным приложением является разбивка общего ряда данных на 20-летние периоды и построение отдельных кривых продолжительности на одном графике; изменения в уклоне и форме указывают на влияние изменений в землепользовании на емкость водосбора и способность к разбавлению.

Протокол определения массы стока. Получают данные измерений для ручья или реки (см. веб-сайт Геологической службы США для доступа). Необходимо иметь данные за несколько лет; для получения годовых кривых массы рекомендуется использовать данные за 20 лет. Также могут использоваться ежедневные, еженедельные или ежемесячные данные, хотя традиционно применяются ежемесячные значения общего расхода. Строят график кумулятивных (накопленных) значений расхода за каждый месяц в зависимости от соответствующих временных интервалов (см. рис. 3.6).

Показатель расхода, основанный на критических значениях расхода (например, расход, необходимый для инкубации яиц, нереста, успешного развития молоди или для годового класса), сравнивают с наклонами кривой массы, чтобы определить процент времени, в течение которого поддерживался определенный расход. Ньюбери и Габури (1993) описали различные биологические применения анализа массовых кривых, а Чоу (1964) предоставил информацию об использовании массовых кривых для проектирования водохранилищ. Ньюбери и Габури предполагают, что кривые массы могут определять минимальные расходы и указывать время, необходимое для пополнения запасов воды, если эти расходы не соблюдаются или превышаются. Данные кривые также могут оценивать расходы на незарегулированных участках и приближенно определять условия водообеспеченности.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Ф. Ричард Хауэр и Гэри А. Ламберти

Источник: Методы в экологии ручьев

Данные публикации будут полезны студентам экологических и географических специальностей, начинающим специалистам в области гидрологии, геоморфологии и управления водными ресурсами, а также всем, кто интересуется динамикой речных экосистем и вопросами охраны природных ландшафтов.