28

Содержание

1. Рекогносцировочное обследование реки и оборудование водомерного поста и гидрометрических створов.............................................................3

2. Производство промеров глубин и определение продольного уклона…6

3. Измерение скорости течения поплавками и определение расхода воды..............................................................................................................13

4. Измерение скорости течения гидрометрическими вертушками и вычисление расхода воды............................................................................18

5. Вычисление скоростей по лотлиню и эхолоту..........................................25

6. Расчет средних скоростей и расходов…………………………….….…27

7. Мензульная съемка.......................................................................................30

Заключение...............................................................................................32

Список использованной литературы....................................................33

Рекогносцировочное обследование реки и оборудование водомерного поста и гидрометрических створов.

Учебная гидрометрическая практика является одним из важных этапов будущего инженера и имеет цель ознакомить с организацией и производством основных гидрометрических работ, с методами и приборами для гидрометрических исследований, а также с методами камеральной обработки полевых материалов и составлением отчетов.

Практика проводиться в июне в лагере «Политехник» ЯГТУ, находящегося в Некрасовском муниципальном округе в районе деревни Ульково в бассейне реки Волги.

Программа практики включает в себя все виды летних гидрологических работ – это непосредственное измерение на воде и исследования в бассейне реки.

При проведение практики инженер должен обладать не только знаниями теоретических дисциплин, но уметь организовать и правильно провести геометрические и метеорологические исследования и изыскания, данные которых необходимы при проектировании.

Рекогносцировка – разновидность исследования русла реки с двумя основными целями:

1. Выбор благоприятного для наблюдений участка расположения поста;

2. Оценка диапазона измерений характеристик гидрометрического режима, которые будут изучаться на гидрометрическом посту.

Значительный и наиболее трудоемкий этап рекогносцировки – топографическая съемка участка поста и высотное обоснование для получения плана участка местности.

В целом постовые устройства и оборудование подразделяются на четыре группы, соответственно с различным комплексом наблюдений.

- устройства и приборы для наблюдений за уровнем и температурой воды;

- установки и средства измерения расхода воды;

- установки и приборы для наблюдения за температурой воздуха, осадками и другими метеорологическими элементами;

- знаки плановой и высотной основы – реперы, которые служат для контроля неизменности постовых устройств и точек отсчета уровней;

-государственная гидрометрическая сеть состоит из основных и специальных станций и постов.

Основные станции изучают водный режим рек, озер, водохранилищ, ледников и болот.

Специальные станции или посты исследуют специальные вопросы в зависимости от поставленных задач, срок действия которых ограничен.

Водомерные посты бывают простые, придаточные и саморегулирующиеся. Простые посты в свою очередь подразделяются на речные, свайные и смешанные.

Речные посты состоят из одной или нескольких надежно закрепленных и ограниченных свай. Обычно рейки крепят к забитым в грунт сваям, к стенкам набережных, устоям и балкам мостов.

Свайные водомерные посты состоят из ряда свай, забитых в дно и берег перпендикулярно к среднему направлению течения воды на одной линии. Сваи нумеруются в направлении от репера водомерного поста, устанавливаемые в незатопляемой зоне.

Уровень воды обычно измеряют переносной водомерной рейкой ромбического сечения. Смешанные водомерные посты устанавливают на реке с широкой поймой, при разных переломах в профиле берега или мостовых устоев.

Уровень воды – это расстояние от так называемого нуля станционной рейки до поверхности воды.

Непосредственное измерение высоты уровня производиться от нуля наблюдений, под которым подразумевается горизонтальная плоскость, расположенная на высоте головок свай или нулевых делений реек. Для перевода отсчета высоты уровня , сделанного от нуля наблюдений, высоту водной поверхности над нулем поста служит приводка - превышение головки свай или нуля рейки над нулем поста.

Высота уровня воды Н (м) над нулем поста вычисляется по формуле:

Для подсчета уровня применяются крючковые и игольчатые рейки ГГИ, а также самописцы уровней – лимниграфы, автоматические записывающие колебания уровней.

Гидрометрический створ – створ, в котором производятся гидрометрические работы, предназначенные для изменения расходов воды и насосов. Поэтому необходима высокая точность измерения площадей сечений вдоль беспойменного берега.

Производство промеров глубин и определение продольного уклона.

Глубиной называется расстояние от поверхности воды до дна. Глубина русла рассматривается, прежде всего, как один из элементов расхода воды. Но измерение глубин, или промеры русла выполняются также для определения рельефа дна и выявления, опасных для судоходства мест, контроля русловых переформирований в зонах гидроузлов, водозаборных и сбросных сооружений.

Измерение глубин, как правило, производится не в одной точке, а по всей ширине русла и длине изучаемого участка.

При производстве промеров в зависимости от глубин и скоростей течения применяют различные приборы, которые по своему устройству и принципу действия можно разделить на три группы: ручные, механические, акустические. Ручные устройства наиболее просты в обращении, к ним относятся: водомерная рейка, наметка, ручной лот.

Небольшие глубины замеряют водомерной рейкой, глубины до 5-6 м при небольших скоростях течения наметкой, большие глубины измеряют лотом.

Наметка (гидрометрическая штанга) – шест диаметром 4-5 см, длиной до 7 м, изготавливаемый из дерева или легких дюралюминиевых трубок и размеченный на диаметры краской контрастных цветов. Нижний конец оковывается железным башмаком, который помогает погружению её в воду и предохраняет от раскалывания от ударов об дно. Вместо наметок при глубинах, не превышающих 3 м, можно использовать гидрометрические штанги.

Лот представляет собой груз, подвешенный к размеченному шнуру – лотлиню. В зависимости от скорости масса лота варьируется от 0,5 до 100 кг, в ином случае замеряют угол наклона лотлиня.

К механическим промерным устройствам относится лот механический, который состоит из лебёдки, троса для опускания груза, счётчика глубин и самого груза (лота) обтекаемой формы.

Наиболее совершенным средством измерения глубин, обеспечивающим полную автоматизацию промеров, являются эхолоты, относящиеся к акустическим промерным устройствам.

Комплекс промеров глубин включает:

- определение положения промерных точек в плане;

- измерение глубин в каждой промерной точке;

- определение уровня воды;

- установление характеров грунтов, слагающих дно реки;

Уклоном называется падение свободной поверхности по длине потока, отнесенное к расстоянию между пунктами измерений высоты уровня.

Уклоны водной поверхности измеряются геодезическими методами по разности отметок уровня на смежных уклонных постах: верхнем по течению z_в и нижнем z_н при известном расстоянии между ними - базисе L_б

При известном продольном уклоне I расход воды на реке определяется по эмпирической формуле Шези:

где w - площадь живого сечения потока,

c - коэффициент Павловского, зависящий от геометрии поперечного сечения и шероховатости стенок русла,

Rr - гидравлический радиус.

Уровень воды во время промеров называется рабочим. Все промеры приводятся к условному срезочному уровню. Разность между рабочим и срезочным уровнем называется срезкой и вычисляется по формуле:

Δ

Измеренную глубину изменяют на величину срезки.

Сечение русла вертикальной поверхностью, нормальной к направлению скоростей, называется водным сечением.

Часть водного сечения, где наблюдается скорость течения во всех точках, называется живым сечением. Пространство в водном сечении, где нет течения, называется мертвым.

Рисунок 1- Поперечный профиль условного русла реки Волга

Таблица 1 - Промеры глубин условного русла

№ промер-ной вертика-ли	Расстоя-ние от постоян-ного начала, м	Глубина, м		Средняя глубина, м	Рассто-яние, м	Пло-щадь, Δw=h·b, м^2
		Измерен-ная	Со срезкой	Между вертикалями
Урез правого берега	0	0	-0,07
				0,03	5,3	0,16
1	4,3	0,2	0,13
				0,18	5	0,9
2	9,3	0,3	0,23
				0,33	5	1,65
3	14,3	0,5	0,43
				0,63	5	3,15
4	19,3	0,9	0,83
				1,08	5	5,4
5	24,3	1,4	1,33
				1,98	5	9,9
6	29,3	2,7	2,63
				2,83	5	14,2
7	34,3	3,1	3,03
				3,28	5	16,4
8	39,3	3,6	3,53
				3,78	5	18,9
9	44,3	4,1	4,03
				4,33	5	21,7
10	49,3	4,7	4,63
				5,08	7	35,6
Бакен	56,3	5,6	5,53
				w=ΣΔw= 157,96 м^2

Таблица 2 - Уровень воды за время промеров условного русла

Уровень	№ сваи	Отсчет по рейке	Приводка	Уровень над "0" графика	Отметка "0" графика условная
		а, см	d, см	H=a+d, см	м
постоян.	3	7	1500	1507	20

Таблица 3 - Вычисление площади водного сечения для различных уровней

Уровень над "0" графика Н, см	Отметка уровня, м	Приращение площадей между уровнями, м^2	Площади при данном уровне, w, м^2
954	24,5		0
		3,2
1044	25,4		3,2
		5,7
1104	26,0		8,9
		10,7
1154	26,5		19,6
		13,2
1204	27,0		32,8
		12,7
1244	27,4		45,5
		11,0
1374	27,7		56,5
		62,2
1424	29,2		118,7
		18,6
1464	29,6		137,3
		10,3
1484	29,8		147,6
		5,6
1494	29,9		153,2

Рисунок 2 - Кривая площадей условного русла

Измерение скорости течения поплавками и определение расхода воды.

Средствами измерения скоростей течения поплавками и вычисление скоростей течения воды в реках и каналах, т.е. в натуральных условиях, являются гидрометрические поплавки. Поплавками можно измерить скорость в поверхностном слое, на различных глубинах и среднюю скорость на вертикали. Соответственно этому различают поплавки поверхностные, глубинные и интеграционные.

Поверхностные поплавки чаще всего представляют собой деревянные цилиндры, отпиленные от бревен диаметром 8-30 см в виде "кружков" высотой 2-7см, более совершенные поплавки в виде крестовин из деревянных или пенопластовых досок с подвешенным грузом. Они применяются на больших реках. При ледоходе роль поплавков играют отдельные льдины.

Глубинные поплавки служат для измерения скоростей течения на заданной глубине. Они представляют собой небольшие сосуды шаровидной формы из стекла или синтетических материалов.

Средняя скорость на вертикале определяется следующим образом:

где V_пов - скорость, измеренная поверхностным поплавком,

V_гл - скорость, измеренная глубинным поплавком.

Поплавки - интеграторы служат для измерения средних скоростей на вертикали. Это небольшой поплавок, плотность которого меньше плотности воды. В качестве поплавка - интегратора можно использовать пузырьки воздуха, пластмассовые шарики, диаметром 30-35 мм, заполненные парафином, или другие типы поплавков, масса которых не меняется в воде.

Средняя скорость по вертикали определяется по формуле:

V_в= Σl / Σt ,

где l - расстояние, пройденное поплавком,

t - время всплытия поплавка.

В местах расположения промерных вертикалей назначают скоростные вертикали. Для них определяют поверхностную скорость течения:

V= l / t ,

где l - расстояние между верхним и нижним створами,

t - продолжительность хода, снятая с эпюра.

Далее определяют частичный фиктивный расход между скоростными вертикалями по формуле:

ΔQ_фi = V_ni · Δw ,

где V_ni - средняя поверхностная скорость, равная

Расход назван фиктивным потому, что он вычислен не по средней скорости по вертикали, а по средней поверхностной скорости.

Расходы прибрежных участков (левого и правого берегов) определяются по формуле:

ΔQ_фл = К_б·V_л·Δw_л и ΔQ_фп = К_б·V_п· Δw_п

Величина К_б зависит от очертаний берега и характера движения воды в прибрежных участках. Если берег пологий и глубина у уреза равна нулю, то К_б =0,7; если берег обрывистый К_б =0,8; при наличии гладкой стенки К_б =0,9; при наличии мертвого пространства около берега К_б =0,5.

Действительный расход будет равен:

Q = K_p·ΣQ_фi ,

где К_р - поправочный коэффициент.

Таблица 4 - Таблица для расчета скорости течения при помощи поплавков

Номер запускаемого поплавка	Расстояние от постоянного начала, м	Время, с	Длина пути, м
1(бакен)	56,3	407	11
2	49,3	350	11
3	44,3	450	12
4	39,3	480	11
5	34,3	635	10
6	29,3	1160	10
7	24,3	мертвая зона	0
8	19,3	мертвая зона	0
9	14,3	мертвая зона	0

Рисунок 3 - Схема прохождения поплавков через створ

U = L / t (м/с) - поверхностная скорость течения

U_{1(бакен)} = 11/407=0,025 м/с

U₂ = 11/350=0,031 м/с

U₃ = 12/450=0,027 м/с

U₄ = 11/480=0,023 м/с

U₅ = 10/635= 0,016м/с

U₆ = 10/1160= 0,009 м/с

Рисунок 4 - Эпюра распределения скоростей поверхностного течения

Частичные фиктивные расходы между скоростными вертикалями определяются по формуле:

ΔQ_фл = К_б·V_л·Δw_л

ΔQ_фл = 0,9·0,025·35,6 = 0,8 м³/с ,

К_б=0,9, т.к. имеется гладкая стенка;

ΔQ_фп = К_б·V_п· Δw_п

ΔQ_фп = 0,5·0,009·9,9 = 0,045 м³/с,

К_б=0,9, т.к. около берега есть мертвое пространство.

Частичный фиктивный расход между скоростными вертикалями вычисляем по формуле:

ΔQ_фi = V_ni · Δw ,

ΔQ₁= 0,029·21,7= 0,629 м³/с

ΔQ₂=0,025·18,9 = 0,473 м³/с

ΔQ₃=0,02·16,4 = 0,508 м³/с

Действительный расход:

Q = K_p·ΣQ_фi ,

K_p=0,87 - поправочный коэффициент для равнинной реки с благоприятными условиями течения, средняя глубина которой от 1 до 5 м.

Q=0,87·1,61=1,4 м³/с

Измерение скорости течения гидрометрическими вертушками и вычисление расхода воды.

Гидрометрическая вертушка - наиболее точный прибор для измерения скорости течения в отдельных точках потока воды.

При изменении скоростей в точке необходимо выполнение следующих правил:

- общее число приемов должно быть четным;

- продолжительность измерений не менее 100 секунд;

- разница между продолжительностью обоих половин наблюдений не должна превышать 5 секунд.

При очень больших скоростях течения продолжительность наблюдений можно сократить, при условии, чтобы число оборотов вертушки было не менее 500.

При детальном способе измерений средней скорости на вертикали число точек измерений и их положение на вертикалях зависит от глубины вертикали.

Кроме детального существует основной и сокращенный способы измерения расчета по скорости.

Измерение скорости в точках можно производить в двух различных формах регистрации показаний вертушки. Фиксируется время поступления отдельных сигналов, что позволяет проследить характер пульсации скорости в точке (применяется при многоточечном способе измерении расхода воды).

Записывается общее время и общее число сигналов.

В первом случае после установки вертушки на требуемую глубину пропускают два-три сигнала и по следующему включают секундомер. При редких сигналах записывается время поступления каждого сигнала, а при частых сигналах - через один, два и более сигналов. Число сигналов за прием определяется следующим образом: по концу очередного сигнала включают секундомер и считают количество сигналов, поступивших в течении 15 секунд. Это количество сигналов и составляет один прием.

Во втором случае, установив вертушку на требуемую глубину, пропускают один-два сигнала (нулевые сигналы), включают секундомер и начинают счет сигналов. Если в течение 60 секунд поступит два и более сигнала, то по следующему сигналу (первому, поступившему по истечении 60 секунд) секундомер останавливается и измерение прекращается.

Расход вычисляется аналитическим или графическим способом.

При аналитическом способе расход воды, как результат косвенных измерений, получается по данным обработанных измеренных значений элементов. Расход вычисляется как сумма частичных (элементарных) расходов:

ΔQ_i = V_ср,i·Δw_i ,

где Δw_i - площадь сечения между двумя соседними вертикалями,

V_ср,i - средняя скорость в этой площадке, вычисляемая, как средняя арифметическая между средними скоростями на вертикалях V_в или для крайних площадок.

Вычисление расхода воды графическим способом заключается в выполнении следующих операций:

1. строится профиль водного сечения по глубинам, приведенным к расчетному;

2. вычерчиваются эпюры распределения скоростей течения по вертикалям (годографы) в масштабе глубин, принятом для профиля водного сечения;

3. для каждой вертикале определяется средняя скорость течения графическим способом посредствам планиметрирования ее площади, численно равной элементарному расходу q_i . Средняя скорость на вертикали глубиной h_i , выражается формулой:

V= q_i / h_i ;

4. строится эпюра распределения средних скоростей по ширине реки. Для этого на профиле по вертикальным линиям, обозначающим скоростные вертикали, вверх от уровня воды откладываются значения средних скоростей и через полученные точки проводится плавная кривая. С полученной эпюры снимаются значения средних скоростей для каждой промерной вертикали;

5. для всех промерных вертикалей вычисляются промерные расходы воды q путем умножения средней скорости V_i на рабочую глубину вертикали h_i ;

6. по вычисленным значениям элементарных расходов строится эпюра их распределения над поперечным профилем русла;

7. производится планиметрирование площади, ограниченной линией уровня воды и эпюрой распределения элементарных расходов.

Значение этой площади численно равно расходу воды.

Таблица 5 - Промер скоростей механическими вертушками.

Номер поплавка	Расстояние от постоянного начала	Глубина спускания			Глубина h, м		Скорость в точках w, м/с		Средняя скорость на вертикали, м/с
		доли, м	метры
Бакен	56,3	0	0	5,6		0,050		0,109
		0,2	1,1			0,145
		0,6	3,3			0,130
		0,8	4,5			0,092
		1,0	5,6			0,078
10	49,3	0	0	4,7		0,031		0,099
		0,2	0,9			0,145
		0,6	2,8			0,148
		0,8	3,7			0,126
		1,0	4,7			0,093
9	44,3	0	0	4,1		0,039		0,084
		0,2	0,8			0,088
		0,6	2,4			0,113
		0,8	3,2			0,112
		1,0	4,1			0,067
8	39,3	0	0	3,6		0,02		0,080
		0,2	0,7			0,130
		0,6	2,1			0,113
		0,8	2,9			0,080
		1,0	3,6			0,055
7	34,3	0	0	3,1		0,045		0,068
		0,2	0,6			0,098
		0,6	1,8			0,101
		0,8	2,4			0,051
		1,0	3,1			0,040
6	29,3	0	0	2,7		0,019		0,067
		0,2	0,5			0,104
		0,6	1,6			0,079
		0,8	2,1			0,073
		1,0	2,7			0,065
5	24,3	0	0	1,4		0,002		0,054
		0,2	0,3			0,057
		0,6	0,8			0,055
		0,8	1,1			0,040
		1,0	1,4			0,015
4	19,3	0,2	0,2	0,9		0,081		0,034
		0,8	0,7			0,067
3	14,3	0,6	0,3	0,5		0,031		0,031
2	9,3	0,6	0,2	0,3		0,026		0,026
1	4,3	0,6	0,1	0,2		0,004		0,004

Рисунок 5 - Эпюра распределения продолжительности хода поплавка по ширине условного русла

Рисунок 6 - Гидрографы скоростей

Вычисление скоростей по лотлиню и эхолоту.

Таблица 6 - Сравнение глубин по лотлиню и по эхолоту

Расстояние от постоянного начала, м	Глубина по лотлиню, м	Глубина по лотлиню с учетом срезки, м	Глубина по эхолоту, м	Глубина по эхолоту с учетом срезки, м
0	0	0	0	0
5,3	0,2	0,13	0,1	0,03
10,3	0,3	0,23	0,3	0,23
15,3	0,5	0,43	0,4	0,33
20,3	0,9	0,83	0,8	0,73
25,3	1,4	1,33	1,2	1,13
30,3	2,7	2,63	2,5	2,43
35,3	3,1	3,03	3,2	3,13
40,3	3,6	3,53	3,7	3,63
45,3	4,1	4,03	4,2	4,13
50,3	4,7	4,63	4,7	4,63
57,3	5,6	5,53	5,3	5,23

Вывод: величины, полученные с помощью эхолота, отличаются от полученных с помощью лотлиня. Причиной несовпадения результатов является смещение створа и небольшое отклонение лотлиня от вертикали из-за течения.

Рисунок 7 - Карта изобат

Расчет средних скоростей и расходов.

Таблица 7 - Расчет средних скоростей и элементарных расходов для условного русла.

№ скор. верт-ли	Раст-е от пост. нач-а	Средняя скор. по формулам, м/с			Площа-ди между вертик., м^2		Части-чный расход, м^3/с		Элемен-тарный расход, м^2/с		Глуби- на вертик. h, м		Средняя скор. на верт. по гидрогр.,м/с
		на вертик.	между верт.
0	0	0	0	0,16		0		0		0		0
1	4,3	0						0		0,13		0,004
			0	0,9		0
2	9,3	0						0		0,23		0,026
			0	1,65		0
3	14,3	0						0		0,43		0,031
			0,022	3,15		0,069
4	19,3	0,043						0,028		0,83		0,034
			0,059	5,4		0,319
5	24,3	0,074						0,072		1,33		0,054
			0,076	9,9		0,752
6	29,3	0,078						0,176		2,63		0,067
			0,078	14,2		1,108
7	34,3	0,078						0,206		3,03		0,068
			0,086	16,4		1,410
8	39,3	0,093						0,282		3,53		0,080
			0,095	18,9		1,796
9	44,3	0,096						0,339		4,03		0,084
			0,111	21,7		2,409
10	49,3	0,126						0,458		4,63		0,099
			0,146	35,6		5,198
11	56,3	0,165						0,602		5,53		0,109

Рисунок 8 – Эпюры средних скоростей и элементарных расходов

1 – эпюра скоростей;

2 – эпюра элементарных расходов;

3 – профиль условного русла.

Мензульная съемка.

Мензульная съемка - совокупность геодезических работ по составлению плана или карты местности при помощи мензулы с кипрегелем.

Мензула - полевой чертежный столик, применяемый при составлении плана или карты местности графическим методом. Мензула состоит из квадратной доски-планшета, подставки и штатива.

Кипрегель - прибор, применяемый вместе с мензулой при топографической съемке для нанесения на план рельефа, контуров и местных предметов. Состоит из линейки(1), для прочерчивания прямых на мензульном планшете(2), колонки(3), несущей на горизонтальной оси зрительную трубу с дальномерными нитями(4) и вертикальный круг с градусными делениями для определения углов наклона(5).

Для мензульной съемки больших участков местности должна быть построена опорная геодезическая сеть, которая дополняется пунктами съемочной сети, создаваемой либо аналитическими (теодолитные, высотные и тахеометрические ходы, а также аналитические сети и цепи), либо графическими (геометрическая сеть и мензульные ходы) способами. Съемка небольших районов может быть поставлена на одной съемочной сети.