2.3. Визначення витрат води і залежності між витратами і рівнями

При проведенні досліджень проводять систематичні і епізодичні вимірювання витрат води. Систематичні вимірювання виконують на гідрологічних постах, а епізодичні - на окремих ділянках досліджуваної річки і на притоках.

Систематичні вимірювання витрат на гідрологічних постах служать для визначення стоку води, для аналізу внутрішньорічного розподілу стоку, для визначення максимальних і мінімальних витрат.

Епізодичні вимірювання витрат необхідні для вирішення тих або інших завдань, наприклад для визначення розподілу витрат води між основним руслом і протоками, визначення витрат приток, вивчення розподілу витрат між рукавами дельти річки і в інших випадках.

Вимірювання витрат на гідрологічних постах роблять з розрахунком, щоб результати вимірювань дозволили освітити всю амплітуду коливань рівня. Це необхідно для побудови кривої витрат і подальшого обчислення стоку води.

При встановленні частоти і термінів вимірювання витрат дотримуються наступних рекомендацій. У весняну повінь виконують 4-5 вимірювань витрати на підйомі і 5-8 вимірювань на спаді, по можливості через рівні інтервали рівнів. У стійку межень роблять одне вимірювання через 7-10 днів; при проходженні дощових паводків-1-2 вимірювання на підйомі і 2-3 - на спаді кожного паводку. При стійкому і тривалому льодоставі і плавній зміні рівня води вимірюють витрати через 10-20 днів, а при льодоході і шугоході - так часто, як це можливо.

При проведенні досліджень застосовують наступні способи вимірювання витрат води: 1) вимірювання витрати гідрометричною вертушкою; 2) вимірювання витрати поверхневими поплавками; 3) вимірювання витрати способом змішення; 4) вимірювання витрати аерометодами.

Вимірювання витрат проводять детальним, основним або скороченим способом, залежно від вивченої створу, необхідної точності і термінів проведення вимірювань. Слід зазначити, що дистанційні гідрометричні установки поки на дослідженнях не знаходять застосування.

Вимірювання витрати за допомогою поверхневих поплавків проводять при рекогносцировках, а також в періоди льодоходу і шугоходу, коли вимірювання вертушкою скрутні або навіть недопустимі за правилами техніки безпеки. Слід мати на увазі, що поплавкові вимірювання витрати відрізняються зниженою точністю. Якщо погрішність вимірювання витрати вертушкою за сприятливих умов складає 2-5%, то погрішність вимірювання поверхневими поплавками досягає 5-10%.

Вимірювання витрати методом змішування найефективніше на річках з бурхливою течією, що забезпечує хороше перемішування водних мас; у таких умовах вимірювання витрати вертушкою скрутно. Відомі два різновиди методу змішування: 1) спосіб тривалого пуску розчину індикатора; 2) спосіб прискореного пуску розчину індикатора . У обох способах як речовина - індикатор найчастіше застосовується хлористий натрій (куховарська сіль).

Визначення витрат води морфометричним способом застосовується для отримання величини максимальної витрати води по мітках рівня високих вод і для визначення витрат в сухих балках. Цей спосіб часто застосовується при дослідженнях для споруди дорожніх водопропускних споруд - мостів, труб. Суть способу полягає в наступному. В потрібному місці розбивають створ, званий морфоствором, і по ньому роблять нівелювання упоперек всієї долини річки, аж до відміток, що перевищують рівень високих вод. Таким шляхом одержують поперечний профіль долини річки або балки, по якій можна визначити площу живого перетину при рівні високих вод. Умножаючи величину площі живого перетину на середню швидкість течії, одержують витрату води. Для визначення середньої швидкості застосовують формулу Шезі

(1)

де З - коефіцієнт Шезі; R - гідравлічний радіус; I - ухил водної поверхні.

Величину коефіцієнта Шезі визначають по таблицях залежно від значень гідравлічного радіусу і коефіцієнта шорсткості. Для цієї мети в даний час переважно вживають таблицю, складену по формулі Н. Н. Павловского.

Величину гідравлічного радіусу визначають формою

(2)

де - площа живого перетину;

Для річок рівнинного типа замість гідравлічного радіусу з достатньою точністю можна підставляти середню глибину

hср ⁼ (3)

де В - ширина потоку.

Величину коефіцієнта шорсткості п визначають по таблицях залежно від характеристики русла. Частіше користуються таблицею М. Ф. Срібного. Є і інші таблиці.

Найправильніше величину коефіцієнта шорсткості можна визначити у кожному випадку шляхом натурних вимірювань, про що буде сказано пізніше.

Величина коефіцієнта шорсткості різних частин живого перетину може бути неоднаковою, тому розчленовують площу на відсіки з однаковою шорсткістю, наприклад: русло, заплава, протока; обчислюють окремо витрату кожного відсіку і шляхом підсумовування одержують загальну витрату.

Величину ухилу водної поверхні одержують шляхом нівеляції. Для цього на місцевості знаходять мітки рівня високих вод, закріплюють їх колами, нівелюють і визначають падіння. Відстань між крайніми крапками вимірюють по лінії урізання високих вод. Розділивши падіння на відстань, одержують ухил. При знаходженні міток рівня високих вод необхідно переконатися, що виявлений рівень не був викликаний підпором води, наприклад, від затору льоду або інших причин. Для встановлення рівня історичних паводків і повеней практикують опит місцевих жителів - старожилів.

Якщо по виявлених мітках неможливо визначити ухил водної поверхні, наприклад, коли немає упевненості, що вони відносяться до одного рівня, то для обчислення витрати враховують меженний ухил; його визначають якомога точніше.

Для визначення витрати морфометричним способом вибирають по можливості прямолінійну ділянку з правильною формою поперечного перетину. Це пов'язано з тим, що для визначення швидкості течії застосовується формула Шезі, справедлива для рівномірного руху рідини.

По точності визначення величини витрати морфометричний спосіб слід віднести до наближених. Необхідно відзначити, що рух потоку при виході води з основного русла на заплаву дуже складно і завжди відбувається по-різному, тому приведена тут вельми спрощена схема ніяк не враховує цієї складності. Строгіші методи розрахунку поки не доведені до стадії практичної застосовності.