Режим расходов воды в реках

Расходом называется объем воды , проходящий в единицу времени через данное живое сечение потока (рис. 17):

(57)

Для определения расхода воды надо знать скорость течения и живое сечение потока. Скорость течения воды можно вычислить по формуле Шези (28):

58

Существует множество экспериментальных методов измерения скоростей, из них наибольшее распространение получил способ поплавков и гидрометрических вертушек.

Определение скорости движения воды поплавками. Для этого на прямом участке реки выбирают место, где нет подпора воды. При наличии подпора протяженность его l вычисляют по формуле

(59)

где и - глубина воды в реке в начале и конце подпора; i – уклон дна реки.

На выбранном участке реки закладывают три поперечника (створа) - верхний В, средний С и нижний Н (рис. 15). Расстояние между створами устанавливают, в зависимости от наибольшей скорости, с таким расчетом, чтобы время прохождения поплавка между верхним и нижним створом было не менее 20 с. Для пуска поплавков выше верхнего створа на расстоянии 0,2L намечают пусковой створ П.

Рис. 15 Схема разбивки створов

Положение створов закрепляют вешками, устанавливаемыми на берегах реки и урезах воды. На маленьких речках между вешками, установленными возле урезов воды, натягивают канат (шпагат). Момент прохождения поплавков через створы фиксируют с помощью геодезических инструментов (теодолита, мензулы), а на малых водотоках - визуально по канату, натянутому поперек реки. Для измерения скорости движения воды применяют или поверхностные, или глубинные, или двойные поплавки. Наибольшее распространение получили поверхностные поплавки: отрезки ствола дерева определенных размеров (рис. 16).

В центре поплавка для лучшей видимости можно установить флажок. Поплавки запускают несколько выше пускового створа на средине потока. Время прохождения поплавком пути от верхнего до нижнего створов определяют по секундомеру.

Рис. 16. Поплавок

Число поплавков в зависимости от ширины реки колеблется от 8 до 15, но пускают их раздельно. Зная время прохождения расстояния между крайними створами, определяют поверхностную скорость, м/с:

V_пов = L /t (60)

Средняя поверхностная скорость V_с.п. определяется как среднеарифметическая по сумме скоростей:

(61)

где n - число поплавков.

Упрощенно поверхностную скорость можно определить по двум поплавкам, прошедшим расстояние между крайними створами наиболее быстро.

Переход от средней поверхностной к средней скорости потока по живому сечению реки можно определить по формуле

V_ср = К V_с.п. (62)

Значение коэффициента К зависит от уровня воды, шероховатости русла, уклона дна:

(63)

где С - скоростной коэффициент формулы Шези.

Для вычисления расходов по формуле (57) определяют площади живых сечений и смоченные периметры на каждом створе. Для этого через определенные расстояния (0,1-1,0 м и более) производят промер глубин. Чем уже река и больше колебания в глубинах, тем чаще необходимо промерять глубины, тем меньше устанавливают расстояние между промерами.

Площадь живого сечения каждого створа определяют как площадь элементарных геометрических фигур - трапеций, треугольников (рис. 17). Смоченный периметр вычисляют как сумму гипотенуз треугольников (с₁ + с₂ + ... + с_n). Средние значения живого сечения и смоченного периметра определяют по формулам:

(64)

(65)

где и - живое сечение и смоченный периметр верхнего (в), среднего (с) и нижнего (н) створов.

Рис. 17. Схема промера живого сечения реки

Определение скорости движения воды в водотоке гидрометрическими вертушками. Гидрометрическая вертушка позволяет определить скорость течения более точно, чем поплавки. В настоящее время пользуются вертушкой Н.Е. Жестовского (рис. 18).

Рис. 18. Общий вид гидрометрической вертушки:

1 - лопастной винт: 2 - корпус; 3 - клеммы звонка; 4 - штанга; 3 - втулка; 6 - хвостовое оперение

Скорость движения воды определяют по частоте вращения лопастного винта, которую учитывают с помощью электрического тока, подводимого от батарей через клеммы. Вертушка погружается в воду на требуемые глубины, перемещаясь по штанге. Скорость вращения лопастного винта фиксируется с помощью звонка. Одно замыкание электрической сигнальной цепи соответствует 20 оборотам винта. Скорость вычисляет после тарировки вертушки по специальным графикам или таблицам, в которых приводится скорость в зависимости от частоты вращения лопастного винта.

Расход воды в небольших водотоках, осушительных и оросительных каналах можно определить при помощи гидрометрических водосливов (Лекция 2.5).

Расход воды в реке или ином водотоке находится в зависимости от уровня воды, увеличиваясь по мере повышения уровня. Имея измеренные расходы воды в реке при разных уровнях воды, можно построить кривую расходов (рис. 19). Кривую строят в прямоугольной системе координат, откладывая по оси ординат уровни воды над нулем графика (Я, см), по оси абсцисс - расход воды (Q, м³/с).

Рис. 19. Кривая расходов

Кривая расходов позволяет быстро определять расходы воды в реках непосредственно по измеряемому уровню воды.