1.4. Измерение скоростей течения воды в водотоках

Чаще всего измерение скоростей течения связано с определением расходов воды в водотоках. Однако бывают случаи, когда этот параметр имеет самостоятельное значение, например, при строительстве мостов, выборе способа крепления откосов каналов и др.

Наличие шероховатости и трения на границе вода – грунт, а также турбулентность потока, вызывают неодинаковые скорости течения воды в различных точках поперечного сечения водотока. На поверхности посередине потока скорости будут максимальными, у смоченного периметра – минимальными. Линии равных скоростей называют изотахами (рис. 1.5.). Для построения изотах в разных точках живого сечения измеряют скорости. Затем точки с равными скоростями соединяют плавными линиями.

Рис. 1.5. Распределение скоростей Рис. 1.6. Эпюра скоростей

течения воды в поперечном сечении

открытого русла

Распределение скоростей в вертикальной плоскости, перпендикулярной живому сечению потока показывают в виде эпюры скоростей. При построении эпюры по оси ординат откладывают глубины, а по оси абсцисс – скорости течения на соответствующих глубинах, измеренных тем или иным способом. При равномерном и близком к равномерному движению безнапорного потока характерна эпюра с максимумом у водной поверхности и минимумом у дна. За минимум у дна принимают донную скорость Vд на высоте выступов шероховатости, а максимум у свободной поверхности называют поверхностной скоростью Vпов. Самая большая скорость наблюдается не на самой поверхности, а несколько ниже, что обусловлено сопротивлением воздуха на поверхности.

Скорости по течению реки распределены неравномерно, поэтому живое сечение гидроствора разбивается вертикалями, называемые скоростными. На каждой вертикали в различных точках на глубине необходимо измерить скорости течения (рис. 1.7)

Действующие инструкции по гидрометрическим работам разрешают 5-ти, 3-х и 2-х точечные способы измерения скоростей с определением их у поверхности, на глубине 0,2h; 0,6h; 0,8h и у дна.

Рис. 1.7. Схема расположения точек замера скоростей в поперечном сечении реки и по глубине

В соответствии с этим для каждого способа установлены расчетные формулы, определяющие среднею скорость по вертикали

Vверт = 0,1(Uпов +3U0,2h +3U0,6h +2U0,8h +Uдон);

Vверт = 0,25(U0,2h +2U0,6h +U0,8h);

Vверт = 0,5(U0,2h +U0,8h);

Vверт = U0,6h.

Точность определения скорости на вертикали при пяти измерениях составляет 1-2 %, при двух-трех – до 3 %, а при одном измерении – 5-6 %.

При организации гидроствора расстояние между скоростными вертикалями, на которых производится измерения скоростей, принимается в зависимости от ширины реки: 0,5…2м при Вр  20 м и 40…50 м при Вр = 500…800 м.

1.5. Приборы для измерения скоростей

.

Наиболее простым прибором являются поплавки – поверхностные и глубинные. Также поплавки бывают точечные и интеграционные.

Точечные поплавки измеряют скорость по длине заданного слоя жидкости, перемещаясь вдоль него. Точечный поплавок может быть поверхностным, если он движется по свободной поверхности потока и глубинным, если он движется в слое жидкости на заданной глубине.

Интеграционные поплавки служат для измерения скорости всех слоев в пределах заданной толщи потока. Обычно интеграционные поплавки используют для определения средней скорости. К интеграционным относят всплывающие поплавки и гидрометрические шесты – плывущие свободно шесты с пригруженным нижним концом.

Рис. 1.8. Схема определения скорости интеграционным поплавком

Скорость всплытия Wo определяется предварительно в стоячей воде. Средняя по вертикали скорость потока V определится как отношение расстояния l от места погружения поплавка до точки его всплытия к времени ,в течение которого поплавок всплывает: /

Как показал статистический анализ, между средней поверхностной скоростью Vпов и средней скоростью V всего потока в данном его сечении существует устойчивая связь: V = k1Vпов (k1 = 0,55 для заросшего русла; k1 = 0,64 для каменистого русла; k1 = 0,74 для песчаного и глинистого русла).

Вертушка – основной гидрометрический прибор, применяется для измерения скоростей в большинстве речных потоков с более или менее прямоструйным течением, и особенно на больших реках. Однако вертушка не может применяться в потоках с медленным течением, так как, даже имея большую чувствительность, она не в состоянии фиксировать малые скорости. В этом случае применяются специальные поверхностные поплавки.

Такая вертушка состоит из следующих основных частей: 1) лопастного винта, или ротора; 2) оси, на которой вращается лопастной винт, или ротор; 3) корпуса вертушки; 4) счетно-контактного механизма; 5) хвостового оперения или руля. Вертушки снабжаются принадлежностями для опускания их в воду и обеспечения сигнализации. Наибольшее распространение в нашей стране получили гидрометрические вертушки с горизонтальной осью вращения типа ВЖМ-3. Вертушки имеют два диапазона измерения скоростей в зависимости от диаметра и шага лопастного винта: 0,1-2 м/с и 2-5 м/с.

Вертушки опускаются в воду при небольших глубинах на штангах, при больших на тросе.

Скорость течения определяется по формуле:

V=kn+Vo,

где k – тарировочный коэффициент;

n – число оборотов вертушки в единицу времени (с^-1);

Vo – начальная скорость, приводящая лопасть вертушки во вращение (или её чувствительность).