Характеристика приборов и методов измерения расходов воды

  • Вид работы:
    Курсовая работа (т)
  • Предмет:
    Геология
  • Язык:
    Русский
    ,
    Формат файла:
    MS Word
    1,22 Мб
  • Опубликовано:
    2015-09-16
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

Характеристика приборов и методов измерения расходов воды

ВВЕДЕНИЕ

Расход воды - основная гидрологическая характеристика реки, которая необходима при проектировании любого гидротехнического сооружения на реке: гидроэлектрической станции - для расчета ее мощности; оросительной системы - чтобы знать возможную площадь орошаемых земель; речного водопровода - чтобы знать, сколько можно брать воды из реки, и т. д.

Расход небольших водотоков (ручья, источника, ключа) можно измерить непосредственно, так называемым объемным способом. Для этого необходимо водоток перекрыть небольшой запрудой, вывести из нее желоб, по которому вода водотока свободно стекала бы в сосуд с известным объемом, и измерить по секундной стрелке, за сколько секунд сосуд наполнится водой, вытекающей из желоба.

Объемный способ измерения расхода воды предложил древнегреческий философ Герон Александрийский около 100 г. н. э.

Первое измерение расхода воды Амазонки заняло трое суток, в нем участвовали военные корабли бразильского флота и, не считая бразильских специалистов, работали четыре инженера-гидролога гидрологической службы США. Расход Амазонки был измерен впервые в 1963 г., лишь через 463 года после открытия ее В. Пинсоном. Измерялся расход не в устье, где ширина реки достигает многих километров и определить его почти невозможно, а на суженном участке русла около города Обидус, в нижнем течении (площадь бассейна около 5 млн. км2). Здесь ширина Амазонки составляет "всего" 2,3 км, средняя глубина около 45 м (максимальная превышает 60 м). Средний расход воды у этого города оказался равным 170 тыс. м3/с, а отнесенный к устью реки - 220 тыс. м3/с Это примерно в 2 раза больше, чем считали до 1963 г., по ориентировочным измерениям поплавками.

Расход воды крупнейшей реки Европы - Волги был впервые определен в августе 1700 г. английским инженером Джоном Перри, приглашенным Петром I на работу в Россию. Скорость течения измерялась поплавками. Перри получил величину расхода, близкую к действительной (средней за август),- 6360 м3/с.

На территории Европы измерения расхода воды крупнейших рек были начаты в 1800-1810 гг., в Северной Америке, Азии и Австралии - в середине 19 в., в Африке и Южной Америке - только в первой четверти 20 в.

Цель курсовой работы - рассмотреть характеристики приборов и методов измерения расходов воды. Для этого в курсовой работе решим следующие задачи:

-        рассмотри характеристику приборов, используемых для измерения расходов воды;

         изучим характеристики основных методов измерения расходов воды.

Курсовая работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка используемой литературы.

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИБОРОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДОВ ВОДЫ

вода гидрометрический вертушка полевой

1.1 Приборы для измерение расхода открытых потоков

Для измерения расхода воды в открытых каналах и потоках применяются гидрометрические щиты, каналы Вентури, измерительные водосливы, гидрометрические вертушки и другие устройства и способы измерения.

Необходимость измерения расхода открытых потоков возникает при испытаниях гидротурбин и мощных насосов, при определении дебита рек и оросительных сооружений и т. д. Во всех этих случаях мы имеем дело с громадными расходами воды[6].

Для некоторых случаев водоснабжения открытыми каналами, а также при испытаниях гидротурбин и контроле за их работой получил распространение способ измерения расхода воды с помощью гидрометрического щита. Этот способ легко осуществи и дает хорошие результаты, если при производстве строительных работ предусматривается выделение специального измерительного участка канала с гладкими стенками и дном и специальных приспособлений для крепления и продвижения щита. Заключается этот способ измерения в следующем (рисунок 1.1, Гидрометрический щит).

Рис. 1.1 Гидрометрический щит

Легкая перегородка, выполненная по профилю канала, укрепляете вертикально на каретках, могущих перемещаться по направляющим. В исходном положении перегородка поднята и закреплен замком в поднятом положении. Перед началом измерения пер городка опускается в поток и под действием напора воды перемещается со скоростью потока по течению.

На контрольном участке АВ длиной L фиксируется секундомером за это время перегородка опишет объем, равный произведению площади сечения потока F на длину контрольного участка[11].

Надежные значения коэффициента а имеют водосливы с вертикальным порогом с острой верхней кромкой при правильном (без падения вдоль стенки порога) истечении через водослив. Это может быть обеспечено подводом воздуха под падающую струю.

Кроме прямоугольной, порог может иметь также трапецеидальную и треугольную формы.

Для правильного определения расхода с помощью измерительных водосливов должны быть выдержаны определенные требования. Основными являются следующие:

) Перед подходом потока к водосливу и при истечении через водослив должна быть обеспечена равномерность потока.

) В конце контрольного участка щит удерживается упором, а нижняя часть перегородки освобождается и удерживается потоком в наклонном положении.

Другим способом измерения расхода открытых потоков является способ измерения при помощи измерительных водосливов. Это способ находит применение при сооружении плотин и других аналогичных гидросооружений.

Устройство водослива показано на рисунке 1.2

Рис.1.2 Устройство водослива

Выполняется прямой канал перед водосливом с гладкими дном и стенками, которые должны быть вертикальными и параллельными как перед водосливом, так и за ним[8].

) Устойчивость потока, падающего с порога, достигается, как говорилось выше, подводом воздуха под падающую струю. Хороший доступ воздуха под струю возможен при условии, если порог водослива расположен достаточно высоко над уровнем воды за водосливом.

) Порог водослива со стороны подхода воды должен иметь гладкую поверхность и достаточно острую и прямоугольную кромку, которая, кроме этого, должна быть горизонтальна и прямолинейна.

Рисунок 1.3

В отдельных случаях для измерения расхода открытых потоков применяется (рисунок 1.3), который по принципу действия подобен соплу или трубе Вентури с той лишь разницей, что сечение потока в измерительной части канала изменяется с изменением расхода, в то время как сечение потока в закрытом трубопроводе остается постоянным независимо от расхода[6].

Так же как и для случая сужающих устройств, при совместном решении уравнений Бернулли и неразрывности струи может быть получена зависимость между расходом и перепадом давлений в сечениях.

Нужно заметить, что потеря давления в канале Вентури меньше, чем на измерительных водосливах, поэтому канал Вентури может быть использован более широко. Кроме того, через канал Вентури поток проходит всем сечением, что позволяет измерять о ход загрязненной воды.

Рассмотренные способы измерения расхода требуют специальных, порой дорогостоящих сооружений, что не всегда возможно, особенно при больших сечениях каналов и рек. В этом случае широко применяется способ измерения расхода по средней скорости потока в определенном сечении. Для этой цели широко применяются гидрометрические вертушки (рисунок 1.4).

Рис.1.4 Гидрометрические вертушки

При погружении в поток воды вертушка вращается со скоростью, пропорциональной скорости потока в месте измерения.

1.2 Судовой автоматизированный комплекс «Створ»

Предназначен для оперативного определения расхода воды средних и больших рек. Принцип его работы заключается в определении расхода воды по скорости течения, измеренной в поверхностном слое воды во время движения судна по гидроствору, углу между направлением вектора скорости и линией створа и глубине русла. Обработка результатов измерения и вычисление расхода воды с учетом коэффициента перехода от поверхностной к средней скорости течения осуществляется автоматически в процессе движения судна. Значения расхода (м3/с) регистрируются на цифровом табло.

Комплекс «Створ» можно использовать на маломерных судах (катерах, мотолодках) с немагнитным корпусом. Он состоит из выносной опоры 1 для опускания приборов в поток, гидрофона эхолота 3 для измерения глубины русла, измерителя скорости 4 с гидрофлюгером 2, индукционного датчика 5 для измерения угла между направлением течения и линией створа, аппаратуры, включающей блок регистрации глубин 6, блок вычисления расхода 7 и цифровой индикатор расхода 8, комплекта соединительных кабелей.

Рис. 1.5 Основные узлы комплекса «Створ»

Питание аппаратуры производится от источников постоянного тока напряжением 27 В.

Диапазон измерений глубины 0,5-20 м, скорости 0,5-3,0 м/с; погрешность измерения расхода 5%.

Этот способ отличается высокой степенью автоматизации измерительного процесса, быстротой производства гидрометрических работ, что придает ему особую практическую ценность при резких повышениях и понижениях уровней воды[4].

1.3 Гидрометрические вертушки

Существует много конструктивных разновидностей вертушек. Основным отличительным признаком вертушек является расположение оси вращения лопастей: с горизонтальной или вертикальной осью вращения. Наибольшее применение получили вертушки с горизонтальной осью ГР-21М, ГР-55 и др.

Гидрометрическая вертушка ГР-21М (pис.1.6) состоит из следующих основных частей: корпуса 14, хвостового оперения (стабилизатора) 13, ходовой части с контактным механизмом и лопастным винтом 3, а также сигнального устройства.

Рис.1.6 Устройство гидрометрической вертушки ГР-21М

Корпус 14 служит для сочленения частей вертушки, крепления ее на штанге или вертлюге 10 и для подключения сигнальной цепи. Корпус в передней части имеет полость, в которую вставляется ось собранной ходовой части 5 и крепится в ней стопорным винтом 6. Две клеммы 8 (изолированная) и 9 (соединенная с корпусом) служат для подключения проводов сигнальной цепи. В тыльной части корпуса есть втулка для крепления вертушки на штанге или подвеске-вертлюге (в случае работы с троса) зажимными винтами 11. К тыльной части корпуса винтом 12 крепится стабилизатор 13, служащий для установления оси вертушки по течению. Сбоку втулка имеет фигурную прорезь с указателем для снятия отсчета положения оси вертушки на штанге[10].

Ходовая часть вертушки состоит из неподвижной оси 5 с контактным механизмом (червячная шестерня, контактный штифт, пружина, винт и электропроводный стержень, соединяющий контактную пружину с гнездом штепселя 7), двух радиально-упорных подшипников 2, внутренней распорной втулки 16, наружной втулки 15 и осевой гайки 1. Ходовая часть входит в цилиндрическую полость лопасти 3 и крепится в ней зажимной муфтой 4.

Сигнальное устройство, состоящее из клеммной панели, звонка (лампочки), переключателя и сигнальных проводов, служит для преобразования электрического импульса в звуковой (световой) сигнал. Питание электрической цепи осуществляется от источника постоянного тока напряжением 3 В.

Принцип действия гидрометрических вертушек основан на закономерной связи между скоростью вращения лопастного винта вертушки и скоростью набегающего потока. Вместе с лопастью вращается втулка, которая передает вращение лопасти на червячную шестерню. Контактный механизм вертушки замыкает электрическую сигнальную цепь через каждый полный оборот червячной шестерни, что соответствует 20 оборотам лопасти вертушки. В момент замыкания цепи вспыхивает лампочка или звенит звонок, что дает возможность фиксировать число оборотов лопастного винта вертушки. С помощью секундомера определяют время с начала работы вертушки (сигнал) до каждого последующего сигнала. Подсчитав общее число оборотов лопасти вертушки и разделив их на время ее работы, определяют скорость вращения лопастного винта (число оборотов в секунду).

Для перехода от скорости вращения лопасти вертушки n к скорости течения воды ui используют тарировочную кривую - график зависимости между скоростью течения и числом оборотов лопастного винта в секунду: u = f(n), официальный документ каждой гидрометрической вертушки, прошедшей тарировку в специальном тарировочном бассейне[13].

Вертушка ГР-21М снабжается двумя лопастными винтами: винт № 1 (основной) компонентный, диаметром 120 мм с геометрическим шагом 200 мм, применяется при работе со штанги, при скоростях течения до 2 м/с, и винт № 2 некомпонентный, диаметром 120 мм с геометрическим шагом 500 мм, применяется во время работы с троса при скоростях течения более 2 м/с.

Малые скорости течения не приводят лопастный винт во вращение. Наименьшая скорость u0, при которой силовое воздействие потока на лопастный винт равно величине сопротивлений, а лопастный винт вращается неравномерно, называется начальной скоростью вертушки. Для вертушки ГР-21М начальная скорость составляет 0,04 м/с, а верхняя - 5 м/с.

Гидрометрическая вертушка ГР-55 - малогабаритная, отличается от ГР-21М размерами лопастного винта. Винт № 1 диаметром 70 мм с геометрическим шагом 110 мм применяется при скоростях течения 0,1-2,5 м/с, погрешность измерения при этом не превышает ± 1,5%; винт № 2 диаметром 70 мм с геометрическим шагом 250 мм применяется при скоростях течения 2-5 м/с (погрешность ± 1,5%). При скоростях менее 0,2 м/с погрешность измерения возрастает до 10%.

Микровертушки. К недостаткам описанных выше гидрометрических вертушек можно отнести: винт сравнительно большого диаметра обладает определенной инерционностью, что снижает его чувствительность; наличие червячной передачи и обычных шарикоподшипников увеличивает механические сопротивления вращению винта, что приводит к неустойчивой работе его и к увеличению погрешности измерений при малых скоростях течений.

Ввиду этого в микровертушках применяются винты малых диаметров (4-40 мм), изготовленные из материалов, близких по плотности к воде; для уменьшения сопротивлений они вращаются в агатовых или рубиновых подшипниках; корпуса микровертушек имеют значительно меньшие размеры и массу; в электрической цепи применяется бесконтактная схема[7].

Одной из таких конструкций является гидрометрическая микровертушка цифровая модернизированная ГМЦМ-1, разработанная в ЦНИИКИВР и изготавливаемая НТК «Комплекс» (г. Минск). Она состоит из датчика скорости и блока обработки измерительной информации.

Датчик (рис. 1.7) предназначен для формирования электрических импульсов, частота которых характеризует измеренную скорость потока. Он состоит из лопастного винта 4, держателя его (корпуса) 1, электрода 3, регулировочного винта 2, муфты 7 для крепления на штанге с помощью винта 5. Лопастный винт 4 является первичным преобразователем скорости течения воды в электрической сигнал.

Рис. 1.7 Датчик скорости микровертушки ГМЦМ-1.

При прохождении лопасти винта 4 перед оголенным торцом элетрода 3 изменяется проводимость в электрической цепи «электрод 3 - корпус держателя 1», что приводит к прерыванию тока в цепи. Амплитуда формируемых импульсов зависит от величины зазора между полюсом электрода и торцом лопасти винта. Оптимальная величина зазора 0,2-0,3 мм устанавливается с помощью регулировочного винта 2. Импульсы по кабелю 6 поступают на вход блока обработки измерительной информации (на рис. 1.7 не показан). Последний включает следующие электронные блоки: 1) формирования импульсов; 2) задания коэффициентов градуировочного уравнения лопастного винта (например, u = 0,0391 n + 0,0024); тактового генератора; 4) управления и вычисления; 5) счета и дешифрации; 6) индикации. Результат измерения выводится на табло в численном виде в м/с[11].

Вертушка хранится в ящике вместе с батареей питания, сигнальным устройством, проводниками и принадлежностями для ухода за ней.

Для погружения вертушек в воду и установки их в нужных точках живого сечения потока применяют различное установочное оборудование, к которому относятся: штанги, тросы, лебедки, уравновешивающие грузы и др.

При глубинах до 3 м вертушки погружают в воду при помощи упорных или подвесных штанг, которые представляют собой металлический трубы, размеченные по высоте через каждые 5-10 см. Первые упирают нижним концом в грунт, вторые укрепляют на неподвижной опоре, например на мостике.

При глубинах более 3 м, когда работать со штангой трудно, вертушки опускают в воду при помощи тонких тросиков диаметром 2-4 мм. Глубину погружения вертушки определяют по меткам на тросике или при помощи специального счетчика глубины. К вертушкам прикрепляют чугунный или свинцовый груз весом от 10 до 80 кг, в зависимости от скорости течения.

Трос соединяют с вертушкой и грузом специальным устройством, называемым вертлюгом. Опускают и поднимают вертушки ручной лебедкой[6].

При каждой вертушке должно всегда храниться тарировочное свидетельство, в котором указывают: тип и номер вертушки; дату последней тарировки; организацию, проводившую тарировку; график тарировки или уравнение тарировочной кривой.

Вертушки являются точными приборами, требующими бережного отношения и внимательного ухода. Перед сборкой вертушки необходимо тщательно проверить состояние ее частей, обращая особое внимание на состояние винта, оси прибора, подшипников, контактного устройства и электропроводки. После работы вертушку разбирают на основные части, которые очищают, промывают бензином и протирают сначала насухо, а затем тряпкой, слегка смоченной в масле.

При работе зимой вертушка может покрыться льдом, который нельзя удалять ударами или соскабливанием. Для удаления льда вертушку следует опустить в теплую воду. При перевозке вертушку необходимо оберегать от сотрясений.

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДОВ ВОДЫ

2.1 Измерение расхода воды гидрометрической вертушкой

Многоточечный (детальный) способ предусматривает измерение расхода воды по увеличенному против обычного числу скоростных вертикалей 10-15 с измерением скорости в 5-10 точках (пов.;0,2;0,6;0,8;дно-при свободном русле; пов.;0,2;0,4;0,6;0,8;дно-при несвободном русле) на каждой вертикали. Многоточечный способ даёт наиболее точное значение расхода. На вновь открытых гидростворах в первый год их действия расходы воды измеряют многоточечным способом (не менее 10 расходов воды при разных фазах режима).

Основной способ, когда число скоростных вертикалей уменьшается в 1.5-2 раза по сравнению с детальным, а скорости течения измеряются в 2-3 точках на каждой вертикали.

Интеграционный способ по вертикалям применяется при глубинах более 1 м и скоростях течения более 0.2 м/с. Измерение производится с помощью интегральной установки ГР-101.

Ускоренный способ применяется при быстрых изменениях уровня за время измерения расхода воды при интенсивной деформации русла, при наличии переменного подпора и в других неблагоприятных условиях.

Сокращенные способы предусматривают измерение расхода воды по средней скорости на 1-2 репрезентативных вертикалях или единичной скорости в точке 0.2 её рабочей глубины.

2.2 Измерение расхода воды поплавками

Измерения поверхностными поплавками. Точность поплавочных измерений существенно ниже, чем вертушечных, поэтому поверхностные поплавки применяются при рекогносцировочных обследованиях рек, выходе вертушек из строя. При интенсивном ледоходе, когда вертушечные измерения становятся невозможными, а в качестве поплавков служат отдельные льдины.

Поплавочные измерения проводят при штиле или небольшом ветре 2-3 м/с . По берегу параллельно основному направлению течения прокладывается магистраль и перпендикулярно к ней разбиваются три створа: верхний, средний и нижний. Расстояние между створами назначается такое, чтобы продолжительность хода поплавков между ними составляла не менее 20 секунд[6].

Измерение скорости течения поверхностными поплавками состоит в определении времени прохождения ими расстояния от верхнего до нижнего створа и мест прохождения через средний створ.

В пусковом створе забрасывается с берега или пускается с лодки первый поплавок, и в момент прохождения им верхнего створа по сигналу наблюдателя, стоящего в этом створе, техник пускает секундомер. В момент пересечения поплавком среднего створа отмечается место прохождения от постоянного начала по размеченному канату или засечками с берега угломерным инструментом. При прохождении поплавком нижнего створа по сигналу наблюдателя, стоящего у этого створа, техник останавливает секундомер.

Следующий поплавок пускается на некотором расстоянии от первого, и вся работа по измерению скорости течения повторяется в том же порядке. Всего пускается 15-20 поплавков, равномерно распределенных по ширине реки[2].

Если невозможно пустить поплавки по всей ширине реки, например на реках, с быстрым течением, где поплавки сносятся к середине потока, расходы воды определяются по наибольшей поверхностной скорости. В этом случае на стрежневую часть потока пускается 5-10 поплавков. Из всех пущенных поплавков выбираются три с наибольшей продолжительностью хода, отличающиеся друг от друга по времени не более чем на 10%; при большем отклонении продолжительности хода пускается ещё 5-6 поплавков.

Запись результатов измерений расходов воды поплавками ведётся в книжке КГ-7М(н).Для определении скорости течения строится график продолжительности хода поплавков, на котором по горизонтальной оси откладываются расстояния от постоянного начала до места прохождения поплавками среднего створа, а по вертикальной оси - продолжительность хода поплавков между верхним и нижними створами. По нанесённым точкам проводится осредненная эпюра распределения продолжительности хода поплавка по ширине реки. В местах перегибов эпюры, а при плавной её форме через равные расстояния назначается не менее 5-6 скоростных вертикалей, которые для удобства обработки совмещаются с промерными вертикалями. Для каждой скоростной вертикали вычисляется поверхностная скорость течения путем деления расстояния между верхним и нижним створами на продолжительность хода поплавка, снятую с эпюры[1].

Умножая площади отсеков между скоростными вертикалями на полусумму поверхностных скоростей на них, получают частичные фиктивные расходы воды qфз. Их сумма, с учетом краевых коэффициентов дает общий фиктивный расход воды Qф. Действительный расход вычисляется по формуле

Q=KQф

К - переходный коэффициент, который вычисляется по формуле Д.Е. Скородумова

К=с2/5/с2/3+1,6

Если с помощью поплавков измерена наибольшая поверхностная скорость, то она используется для вычисления расхода воды Q=KнаибVнаибF, где Vнаиб- среднее значение скоростей трех наиболее быстрых поплавков; Kнаиб=1-5,6ghI/Vнаиб (h-средняя глубина потока; g-ускорение свободного падения)F-площадь водного сечения.

2.3 Измерение расхода воды глубинными поплавками и поплавками-интеграторами

Поплавки этого вида используются для измерения сравнительно малых скоростей течения (до 0,15-0,20 м/с), когда вертушечные измерения мало надежны. И для определения границ мертвого пространства. Скорости течения измеряются с лодки, на которой устроены из трех горизонтальных реек створы: верхний, средний и нижний на расстоянии друг от друга через 1 м. при помощи шеста пускается глубинный поплавок. По секундомеру определяется время прохождения поплавком расстояния от верхнего до нижнего створа. В каждой точке поплавок пускается не менее трех раз. Скорость в точке вычисляется делением длины базиса- расстояния между створами на среднюю продолжительность хода поплавка. Расход воды вычисляется аналитическим способом аналогично расходу воды, измеренному вертушкой, записи ведутся в КГ-3М (н) [6].

Измерение расхода воды гидравлическим способом

Используется когда измерить расход воды другими способами не представляется возможным. Расход воды вычисляется по формуле Q=VсрF, Vср=C RJ,где R-гидравлический радиус; J-продольный уклон; C-скоростной коэффициент или коэффициент Шези C=1/nR x-1,5 n при R<1 м;x-1,3 n при R>1 м.

2.4 Анализ расходов воды, измеренных детальным способом, с целью выяснения возможности перехода на основной способ измерения

Анализ заключается в отборе части скоростных вертикалей, по значениям средней скорости течения которых можно построить эпюру распределения скорости по ширине реки, близкую к эпюре, построенной по всем вертикалям.

Отбор скоростных вертикалей выполняется следующим образом. Для каждой скоростной вертикали дополнительно к графической обработке расхода вычисляется аналитическим способом значение средней скорости течения по сокращенному числу точек: 0,2 и 0,8 рабочей глубины при свободном русле; 0,15; 0,50 и 0,85 рабочей глубины для расходов, измеренных при ледоставе и заросшем русле. Значение средней скорости наносятся на чертеж графической обработки расхода воды, измеренного детальным способом, и по ним вычерчивается эпюра распределения средней скорости течения по ширине реки. Для основного способа измерения расхода воды отбирают те скоростные вертикали, на которых значения средней средней скорости, вычисленные по сокращенному и полному числу точек, совпадают или разнятся незначительно. При сокращении числа скоростных вертикалей одну из них следует назначать в стрежневой части потока, а остальные - в местах основных переломов эпюры[5].

По отобранному числу вертикалей все расходы воды вычисляются вторично уже обычным аналитическим способом. Обычный аналитический способ дает возможность уменьшить число скоростных вертикалей до 7-8, а в некоторых случаях до 5.

Значение каждого расхода, вычисленного аналитическим способом, сравнивается с расходом, обработанным графически и принятым за эталон.

Переход на основной способ измерения возможен при условии:

1.  систематическая ошибка расходов, вычисленных аналитическим способом, не превышает 2%;

2.      средняя суммарная ошибка не превышает 3%;

.        наибольшая ошибка отдельного расхода за вычетом систематической ошибки не превышает 5%.

2.5 Анализ измерения расхода воды с целью перехода на сокращенный способ

Анализ заключается в отборе одной скоростной вертикали в стрежневой части потока, значение скорости на которой (средней, в точке 0,6 или 0,2), умноженное на постоянный коэффициент, отличается от средней скорости водного сечения не более чем на 10%.

2.5.1 Градуирование вертушек в полевых условиях

Производится в том случае, если невозможно отправить вертушку в тарировочный бассейн. Тарирование в текущей воде производится путём сравнения показаний испытуемой вертушки. Для этого в живом сечении реки намечают несколько точек с различными скоростями и в каждой из них сначала измеряется скорость исправной вертушкой, а за тем испытуемой и снова исправной. Вертушка в точке выдерживается не менее 250 сек. Скорость в точке принимается как среднее арифметическое из двух измерений исправной вертушкой. По числу оборотов испытуемой вертушки и по значению скорости исправной вертушки строится тарировочная кривая для тарируемой вертушки[6].

Полевое тарирование в стоячем водоёме может быть произведено способом непосредственного тарирования и путём сравнения с образцовой вертушкой.

Для полевого тарирования любым способом необходим водоём со стоячей водой (пруд, озеро) длиной 100-150м, глубиной не менее 10м, свободной от водной растительности. Для тарирования может быть использована вёсельная или моторная лодка. При непосредственном тарировании на носу лодки на особом выносе укрепляется штанга с испытуемой вертушкой, опускаемой на глубину не менее 0,5м от поверхности. Длинна выноса должна быть такой, чтобы расстояние от носа лодки до вертушки было не менее 1,5м.

При тарировании лодка движется с равномерной скоростью по линии ходового створа. Всего производится 20-30 заездов с разными скоростями. Тарирование производится с двумя секундомерами: по первому определяется время прохождения лодкой рабочего пути, а по второму - время между моментами начала и окончания поступления сигналов вертушки на пути тарирования. При обработке результатов тарирования для каждого заезда вычисляется скорость v и число оборотов лопастного винта в одну секунду n.

2.6 Ускоренные методы измерений расходов воды

.6.1 Общая характеристика ускоренных методы измерений расходов воды

Многоточечные измерения расходов воды вертушками требуют значительных затрат времени. Конечно, в условиях изменчивости расходов воды при этом достигается наименьшая погрешность измерений, чем и окупается их большая продолжительность. Иначе обстоит дело, когда наблюдается явно выраженное неустановившееся движение воды, которое свойственно как естественным паводкам, так и попускам из водохранилищ. В таком случае большая продолжительность измерений порождает дополнительные погрешности, связанные с изменчивостью расходов воды. В этих условиях ускорение измерений обеспечивает не только экономию времени, но и повышение точности получаемых данных. Способы ускоренных измерений весьма многообразны: наряду с точечными наблюдениями они включают такие сложные, как f - интеграционные, акустические и аэрогидрометрические. Рассмотрим основные виды ускоренных измерений, как широко распространенные в настоящее время, так и предназначенные для внедрения в ближайшей перспективе[12].

При сокращенных способах измерения уменьшается количество скоростных вертикалей до одной - трех при условии, что среднее квадратическое отклонение получаемых при этом расходов от результатов измерения основным способом не превышает 5 %. Существует два варианта сокращенных измерений:

) применение интерполяционно-гидравлической модели

) использование его репрезентативных элементов

Интерполяционно-гидравлическая модель расхода воды основывается на представлении измеренной средней скорости на вертикали в виде суммы двух составляющих

                                                                               (1)

где vi - это компонент, измеренной скорости, гидравлически обусловлена глубиной на вертикали. Если считать уклон свободной поверхности и коэффициент шероховатости неизменным по ширине потока, то

                                                                                    (2)

Причем

Вторая в общем случае знакопеременная компонента w зависит от особенностей кинематической структуры потока и поэтому названа структурной составляющей средней скорости на вертикали (она включает также средние случайные погрешности измерения).

Значения wi не следует за изменением глубин. Поэтому для среднего по ширине отсека допустима их линейная интерполяция. На основе чего можем представить себе вид следующей формулы

                                                                     (3)

На основе приведенных предпосылок И.Ф. Карасевым и В.А. Реминюком синтезирована следующая модель расхода воды, названная интерполяционно-гидравлической:

                          (4)

где hs - средняя глубина в отсеке между скоростными вертикалями; Ps весовой коэффициент: Ps = 0,5 для прибрежных отсеков (s = 1; s = N) ; Ps - 0,5 для всех остальных отсеков (1<s<N).

Значения а0 устанавливаются по характерным фазам режима на основе специальных многоточечных (детальных) измерений. Вместе с тем а0 вполне допустимо вычислять непосредственно по данным каждого конкретного измерения элементов расхода воды.

                                                                            (5)

где Nb - количество скоростных вертикалей.

Достоинство интерполяционно-гидравлической модели расхода воды по сравнению с моделью состоит в том, что она практически исключает систематическую погрешность - занижение расхода воды при сокращении числа скоростных вертикалей. Такой эффект достигается тем, что интерполяция средних скоростей на вертикалях vi(j) по ширине отсека между ними ведется с учетом распределения глубин. Отметим, что этим интерполяционно-гидравлическая модель превосходит и графический способ обработки расхода воды, в котором средние скорости на вертикалях интерполируются линейно.

При использовании интерполяционно-гидравлической модели достаточно измерять скорости всего на трех-четырех вертикалях, размещенных на равных расстояниях.

В качестве репрезентативной скорости принимается максимальная скорость в поперечном сечении потока или в точке стержневой вертикали на глубине 0,2h. При этом по данным предшествующих многоточечных измерений строится зависимость vcp=f(uмакс) или vcp=f(u0,2h), которая может аналитически быть представлена в виде уравнений регрессии:

                                                                            (6)

Координата точки с максимальной скоростью течения не остается постоянной, а теснота связи нередко оказывается недостаточной (рассеяние достигает 15%). Такая неопределенность не дает основания рассматривать uмакс как заведомо репрезентативный элемент для определения средней скорости потока. В связи с этим, заслуживает внимания предложение Е.П. Буравлева использовать в качестве репрезентативных средние скорости на вертикалях в прибрежных частях потока, расположенных на расстояниях 0,2В и 0,8В (считая от одного из урезов воды) [14].

Расчетное уравнение регрессии в таком случае приобретает вид

                                                            (7)

Точность определения расхода воды по репрезентативным элементам неодинакова для различных фаз гидрологического режима. Если рассматривать отдельно взятый створ, то анализ показывает, что использование репрезентативных элементов приводит к достаточно надежным результатам лишь при относительно небольших расходах Q/Qмакс>0.25, где Qмакс - средний многолетний максимальный расход воды. Этим критериальным соотношением можно руководствоваться при организации измерений.

В каналах, где сохраняется призматичность и устойчивость формы русла, для определения vcp достаточно использовать одну репрезентативную вертикаль. По исследованиям А.А. Осиповича и В.П. Рагуновича (ЦНИИКИВР), эта вертикаль расположена на расстоянии 0,2b от уреза воды в канале (b - полуширина канала по дну - см.рис. 1). Отклонение местных скоростей течения на этой вертикали от средней для всего потока находится в пределах 2-3%.

Для ускорения измерений средних скоростей на вертикалях служат установки - интегратор ГР-101 и полуавтоматическая штанга с батареей микровертушек, разработанная М.И. Бирицким (ЦНИИКИВР) [6].

2.6.2 Интеграционные измерения с движущегося судна

Интеграция скоростей течения с движущегося судна может производится:

а) вертушкой (или другим преобразователем скорости), закрепленной на определенном (постоянном) горизонте (горизонтальная интеграция);

б) Вертушкой, перемещаемой зигзагообразно от поверхности до дна потока и обратно в течение всего времени движения судна по створу.

Зигзагообразная интеграция в связи с техническими трудностями не получила распространения, поэтому ниже рассматривается только горизонтальная.

Рис.2.1 Принципиальная схема интеграционного измерения расхода воды с движущегося судна: а - геометрические элементы схемы, б - сложение векторов скоростей

Горизонтальная интеграция скоростей обычно производится в поверхностном слое, так как коэффициенты перехода от поверхностей к средней скорости течения потока наиболее изучены. Принципиальная схема интеграционного измерения показана на рис.2.1, а один из вариантов приборного комплекса, разработанного в ГГИ. Непосредственно измеряются:

а) глубина h по створу (их регистрирует эхолот),

б) результирующая скорость up - векторная сумма поверхностоной скорости течения uп и скорости движения судна uc,

в) угол α между осью вертушки и линией гидроствора. Если все эти элементы отнести к элементарному отсеку потока s шириной, равной расстоянию, которое судно проходит по створу за достаточно короткий интервал времени ∆t:


то можно получить фиктивный частичный расход в этом отсеке


Затем значения qфs умножаются на коэффициент К, обеспечивающий переход от фиктивного расхода к действительному. Этот коэффициент должен быть заранее известен для данного створа по результатам специальных наблюдений. Действительные значения qs в специальном вычислительном блоке последовательно суммируются (интегрируются) по мере движения судна вдоль гидроствора от одного берега к другому за время Т, что позволяет получить полный расход воды

                                                                       (8)

При косоструйном течении растет uп и us становится более сложным и требует учета угла косоструйности αк, который заранее не известен. Однако если угол косоструйности не слишком велик (менее 200), можно использовать ту же формулу (8). Для компенсации возникающих при этом погрешностей интеграцию скоростей рекомендуется производить дважды (от одного берега к другому и обратно), а в качестве результата измерений принимать полусумму полученных значений.

Одно из главных метрологических преимуществ горизонтальной интеграции скоростей течения состоит в том, что она устраняет погрешность интерполяции средних скоростей на вертикалях, а при вертикальной дискретизации модели расхода воды эта погрешность является основной[7].

Выражение (8) относится к случаю, когда интеграция скоростей течения производится в поверхностном слое при незаглубленном измерителе скорости (z=0). Если же на реке наблюдается заметное волнение, появляется плывущий мусор или ледяные образования, приходится опускать измеритель ниже поверхности воды на глубину z. Измеряемый при этом расход Qz окажется не равным фиктивному расходу Qп. Соответствующий поправочный коэффициент определяется по зависимости, полученной И. Ф. Карасевым:


где β = (bл+bп)/B - непрозондированная часть ширины русла (см. рис.1); φ = hмакс /hcp - коэффициент полноты сечения; m = 24,0 м0,5/с - эмпирический коэффициент Базена.

Переход к действительному расходу совершается по соотношению


Точность интеграционного измерения скорости течения существенно зависит от скорости перемещения судна по створу uc: при ее увеличении возникают погрешности измерения не только из-за малости времени интеграции Т, но и из-за уменьшения uп/uc. Чтобы не допустить чрезмерного возрастания рассматриваемой погрешности, скорость перемещения судна uc должна быть ограничена некоторым достаточно малым значением, при котором еще сохраняется устойчивость судна на курсе. Опыт показывает, что эта скорость близка к поверхностной скорости потока uп.

2.6.3 Измерение расходов воды с использованием физических эффектов

Для измерения скоростей течения (а значит, и расходов воды) могут быть использованы различные физические эффекты: Доплера, ультразвуковые и электромагнитная индукция.

Доплеровский метод измерения скоростей течения реализуется в двух вариантах: с использованием оптических квантовых генераторов и радиолокатора.

При лазерных измерениях источником информации о скорости потока служат спектральные характеристики света. Если поток, движущийся со скоростью v, просвечивается когерентным монохроматическим излучением с частотой ω0 и волновым вектором Ао, а рассеянное излучение при частоте ωi наблюдается в направлении волнового вектора As, то значение v устанавливается непосредственно по разности частот и векторов

= (ωi - ω0)/(As - A0)

Рассеяние света создается частицами взвесей, которые содержатся в потоке или вводятся в него. Лазерные установки пока нашли применение в трубопроводах и лабораторных лотках (

Радиолокационный вариант эффекта Доплера положен в основу измерителя поверхностных скоростей течения ГР-117, разработанного в ГГИ Г. А. Юфитом. Прибор состоит из блока радиоаппаратуры, рупорной антенны, блоков анализа характеристик радиоволн, прямых и отраженных от неоднородностей на поверхности потока - турбулентных возмущений и ветровых волн (рис. 2 б).

Для определения скорости течения в установке использована зависимость


где λ- длина радиоволны, составляющая 3,2 см.

Измерения производятся с гидрометрического мостика, люльки или с берега. Минимальное значение измеряемой скорости составляет 0,4 м/с, максимальное 15 м/с, индикация результата измерения - цифровая. Радиолокационный измеритель испытан в полевых условиях. В ближайшей перспективе первые партии прибора будут выпущены для производственного использования[6].

Ультразвуковой (акустический) метод заключается в посылке импульсов ультразвука по косому галсу в направлении течения и против него с регистрацией двух временных интервалов - соответственно Т1 и Т2. Ультразвуковое зондирование может производиться в различных направлениях в плане и поперечном сечении потока, но для определенности принимается горизонтальное положение ультразвукового луча, а угол, который он должен составлять с динамической осью, равным 30-60°.

Рис.2.2 Варианты измерения скоростей потока с использованием эффекта Доплера: а - лазерная установка: 1 - фотоприемник, 2 - трубопровод, 3 - разделительная пластина, 4 - источник света, 5 - зеркало, б радиолокационный измеритель скоростей течения: 1 - радиоблок, 2 - рупорная антенна, 3 - установочная тренога, 4 - настил моста

Для выполнения измерений необходимо выбирать прямолинейный участок с устойчивым и свободным от растительности руслом. В потоке не должно содержаться пузырьков воздуха, рассеивающих ультразвук.

Преобразователи-приемники акустических (ультразвуковых) сигналов устанавливаются на свайных опорах или непосредственно на береговых откосах (рис. 2.3а). Опорные конструкции должны допускать возможность перемещения преобразователей при колебаниях уровня без нарушения их взаимной ориентировки.

Для определения скорости потока принимаются расчетные формулы, не содержащие в явном виде скорость звука в воде, что исключает необходимость в аппаратуре для ее измерения (как известно, скорость звука не остается постоянной и зависит от температуры и минерализации воды) [6].

Ультразвуковые системы для измерения скорости течения делятся на кабельные или бескабельные соответственно тому, имеется или отсутствует кабель, связывающий приемно-передающие устройства на противоположных берегах.

Кабельный вариант (рис. 2.3 б) функционирует следующим образом. В начальный момент времени производится одновременное излучение ультразвуковых импульсов в точках I и II. Ультразвуковые импульсы распространяются в потоке по траектории, составляющей угол а с направлением течения. Одновременно с запуском передающих устройств 2 запускается измеритель временных интервалов 3, который останавливается после приема импульсов на противоположных берегах.

Специальный электронный блок автоматически вычисляет осредненную по измерительному галсу скорость потока


В бескабельном варианте используется акустический канал связи с блоком переизлучения ультразвуковых импульсов. Принцип измерения остается тем же, хотя общая его схема становится более сложной.

Методика и принципиальные схемы ультразвуковых измерений расходов воды на реках разработаны А.И. Затыльниковым (ГГИ). На этой основе в ЦКБ ГМП создан комплекс АИР, выпускаемый малыми сериями.

Существуют две разновидности моделей расхода воды, измеренного ультразвуковым методом.

. Послойная интеграция скоростей, при которой осуществляется горизонтальная дискретизация модели расхода воды


где β - коэффициент, учитывающий полноту зондирования и особенности скоростной структуры во фрагменте, к которому относится осредненная скорость vs; fs - площадь фрагмента по направлению ультразвукового луча.

Рис.2.3.а Принципиальная схема измерения расходов воды гидроакустической установкой: а - установка измерительных преобразователей на свайных опорах, б - блок-схема кабельного варианта

. Из-за технических трудностей послойное измерение скоростей течения ультразвуком не получило распространения. В большинстве действующих установок зондирование потока производится на одном уровне. В этом случае для определенности должен зондироваться поверхностный слой и математическая модель приобретает вид

                                                                      (9)

где F3 - площадь водного сечения в плоскости ультразвукового зондирования; kB - коэффициент перехода от осредненной по ширине потока поверхностной скорости течения к средней[10].

Величина kB, не идентичная коэффициенту перехода от осредненной по сечению поверхностной скорости к средней, изучена мало и должна определяться в каждом створе по данным специальных методических исследований. Вместе с тем физически ясно, что kB зависит от тех же факторов, что и К, который достаточно исследован и может быть оценен. Связь коэффициентов К и kB получена И.Ф. Карасёвым


Из формулы следует, что:

Сечение

прямоугольные

параболические

φ

1.0

1.5

2.0

kB/K

1.0

1.10

1.25


Косоструйность потока создает систематические погрешности ультразвуковой интеграции скоростей, но, в отличие от вертушечных измерений, эти погрешности получают разные знаки, и скорость течения оказывается завышенной, если фактическое направление струй отклоняется на угол φ внутрь острого угла α, и заниженной - в обратном случае. Для компенсации этих погрешностей международный стандарт ИСО 748-73 рекомендует вводить поправочные коэффициенты у < 1 в первом случае и у > 1 во втором. Значения этих коэффициентов определяются из простых тригонометрических соотношений и составляют у = 1 ± (0,04 + 0,08) для φ до 4° при α = 300 - 50°.

Комплекс организованных ГГИ сравнительных измерений расходов воды р. Луги показал, что ультразвуковой метод дает ту же точность, что и при непрерывной интеграции скоростей потока вертушкой с движущегося судна.

Метод электромагнитной индукции основан на эффекте возникновения электродвижущей силы в потоке воды, протекающей в магнитном поле, которое создается искусственно посредством уложенных на дно витков кабеля (рис.2.4). Средняя скорость течения пропорциональна разности потенциалов на концах измерительной цепи


где φ - константа, зависящая от проводимости воды, грунтов дна и характеристик электромагнитного контура (определяется посредством градуировочных экспериментов); В - ширина реки; H - напряженность поля. Для определения расхода воды служит формула


где h - средняя глубина потока.

Рис.2.4 Комплекс для измерения расхода воды методом электромагнитной индукции(Англия): 1 - ячейка для измерения проводимости воды, 2 - измеритель проводимости дна, 3 - сигнальные зонды, 4 - кабель для передачи сигналов, 5 - павильон для хранения оборудования, 6 - катушка, создающая магнитное поле

2.6.4 Аэрогидрометрический метод

Впервые в Советском Союзе комплекс аэрометодов определения расходов воды был применен при речных изысканиях для проектирования мостовых переходов (Б.К. Малявский и др.). В 1965-1966 гг. в ГГИ под руководством В.А. Урываева разработаны методические основы и необходимые технические средства для поплавочных измерений скоростей течения на реках, положившие начало широкому применению аэрометодов определения расходов воды на гидрологической сети.

Аэрогидрометрический метод представляет собой вариант поплавочных измерений. Если применение поплавков в наземных условиях ограничивается реками шириной до 300-400 м, то аэрогидрометрический способ таких ограничений не имеет.

Авиаизмерения поверхностных скоростей включают операции по маркировке водной поверхности (сбросу поплавков) и аэрофотосъемке двух последовательных положений поплавков через заданные (фиксируемые) промежутки времени[6].

Аэрофотосъемка осуществляется топографическими аэрофотоаппаратами, имеющими автоматическое управление, объективы большой светосилы и высокой разрешающей способности.

При аэрогидрометрических работах в основном применяются аэрофотоаппараты АФА-ТЭ (топографический, электрофицированный) с фокусным расстоянием до 100 мм. Преимущественное использование короткофокусных аэрофотоаппаратов связано с возможностью выполнения с их помощью аэрофотосъемки заданного масштаба с меньших высот, что существенно расширяет диапазон метеорологических условий производства работ.

Кассета аэрофотоаппарата заряжается пленкой длиной до 60 м, что обеспечивает съемку 300 кадров размером 18X18 см каждый.

Аэрофотоаппарат крепится над люком самолета на специальной установке, изолирующей его от вибрации и позволяющей придавать аппарату различные углы наклона и ориентировать соответствующим образом относительно направления полета. На корпусе аэрофотоаппарата размещаются уровень, часы с секундной стрелкой и нумератор кадров, которые при съемке изображаются на каждом кадре[9].

Управление работой аэрофотоаппарата осуществляется с помощью командного прибора, который через заданные интервалы времени автоматически открывает затвор аэрофотоаппарата, сигнализирует о моментах фотографирования, фиксирует число отснятых кадров. Минимальный интервал времени между моментами аэрофотосъемки двух последующих аэронегативов составляет в современных аэрофотоаппаратах 2,0-2,5 с.

Наиболее высокая точность определения высоты полета в момент фотографирования достигается с помощью радиовысотомеров. Средняя квадратическая погрешность этих приборов составляет 1,5-2,0 м и практически не зависит от высоты полета.

Для маркировки водной поверхности применяются специальные ураниновые поплавки, представляющие собой деревянные цилиндрики диаметром 4 см и высотой 11 см, утяжеленные у основания металлической шайбой. Вес балласта подобран таким, чтобы, приняв в воде вертикальное положение, поплавок выступал над ее поверхностью не более чем на 1,5-2,0 см. Его боковая поверхность покрыта ураниновоклеевой пастой. В воде паста растворяется и вокруг поплавка образуется ярко-зеленое пятно, которое и изображается на аэроснимках. При хорошем качестве последних по оттенкам и тональности изображения пятна обычно удается непосредственно отдешифрировать местоположение поплавка. В других случаях прибегают к косвенным методам дешифрирования. Время эффективного действия поплавка (растворения ураниновой пасты) около 15 мин.

Сбрасывание поплавков производится с самолета с помощью специального устройства - механического сбрасывателя. Поплавки размещаются по периметру сбрасывателя в специальных ячейках.

Аэрофотосъемка поплавков выполняется в два захода самолета по линии гидроствора (рис. 2.5). Если позволяет ширина реки и метеорологические условия (облачность, видимость), съемка производится с захватом всей ширины реки одним аэроснимком. При этом, однако, масштаб аэрофотосъемки не должен быть менее 1:15000, так как в противном случае дешифрирование изображения ураниновых поплавков становится ненадежным.

Рис.2.5 Схема заходов самолета на сброс и аэрофотосъемку поплавков: 1 - маршрут полета самолета, 2 - линия положения поплавков в момент сброса, 3 - линия положения поплавков в моменты аэрофотосъемок, 4 - траектории поплавков, 5 - направление течения

Высота аэрофотосъемки рассчитывается в этом случае по формуле

где В - ширина реки;k - фокусное расстояние аэрофотоаппарата;

lк - размер кадра.

Съемка как первого, так и второго положения поплавков выполняется маршрутом максимально перекрывающихся аэроснимков (с минимальным интервалом tмин между съемками).

Фактическое время аэрофотосъемок фиксируется путем фотосъемки вмонтированных в фотоаппарат часов. Авиаизмерения скоростей сопровождаются наблюдениями за скоростью и направлением ветра на наземных пунктах или сбросом специальных ветровых поплавков.

Обработка данных авиаизмерения начинается с дешифрирования изображения поплавков на негативах, и переноса их на планшет, на котором строится план участка гидроствора в заданном масштабе.

Рассмотрим порядок обработки траектории поплавков (рис. 2.6 а).

Рис 2.6 К определению скорости перемещения поплавка: а - векторная схема на фотоплане, б - составляющие результирующей скорости перемещения поплавка

. Соединив точки, соответствующие изображению первого и второго положения поплавка, получают его траекторию в масштабе планшета Si и намечают ее центр Сi.

. Измеряют проекцию - траектории Si- на перпендикуляр к гидроствору.

. Проектируют центр траектории Сi на линию гидроствора и измеряют расстояние между точкой Сi - и постоянным началом (берегом) bi. Точке  приписывается скорость течения, измеренная г-м поплавком (скоростная вертикаль) [6].

. Вычисляют натурные значения проекции траектории поплавка  и расстояния bi. Для этого значения  и bi, измеренные на планшете, умножают на знаменатель численного масштаба планшета Мп.

. Разделив длину проекции траектории поплавка 5, на время между аэрофотосъемками (t2 - t1), получают проекцию скорости движения i-го поплавка uni.

. Наконец, осуществляется переход к проекции поверхностной скорости течения и  с учетом поправки на торможение поплавка от обтекания воздушным потоком (это торможение наблюдается даже при штиле)


где ω - скорость потока воздуха на высоте 1 м от поверхности воды;

γ - угол, составленный вектором ω и направлением движения поплавка ох (рис. 6 б).

Величина ε называется коэффициентом ветрового дрейфа поплавка и характеризуется постоянством значения для поплавков одного типа. Так, для речного уранинового поплавка ε = 0,013; для льдин размером до 2x2 м и толщиной 0,2 м ε = 0,017; для льдин такого же размера, но толщиной 0,6 м ε = 0,009.

Данные о проекциях поверхностных скоростей течения и расстояниях от постоянного начала до центров траекторий поплавков переносятся в соответствующие графы «Книжки для записи измерения расхода воды» КГ-7М(н), где и подсчитывается фиктивный расход воды.

Переход от фиктивного расхода к действительному осуществляется по формуле Q = КОф с определением коэффициента К на основе зависимости (4.12) или по результатам предварительных наземных определений.

Если наблюдения производились при скорости ветра до 6 м/с, необходимо рассчитать поправки к коэффициенту К. В первом приближении они устанавливаются по данным специальных наблюдений, выполненных Г. А. Любимовым и Т. И. Соколовой (ГГИ):

                                                     (10)

где - проекция относительной скорости ветра на динамическую ось потока; определяется по соотношениям:

для составляющей скорости ветра, направленной против течения:


соответственно по течению


где α - острый угол, составленный направлением ветра и динамической осью потока. Все значения осредняются по ширине потока, что отмечено чертой сверху. Таким образом, при верховом ветре поправки имеют знак минус, для противоположного направления получают положительное значение[6].

Формула (10) предназначена к применению на больших и средних равнинных реках.

Нельзя не отметить существенный недостаток аэрофотометода определения расходов воды - невозможность его вычисления в процессе измерения, так как требуется длительная лабораторная обработка пленки для получения фотоплана.

В последнее время в Советском Союзе успешно испытан аэровидеометод, при котором изображение траекторий поплавков фиксируются (с необходимой задержкой) на экране монитора, установленного вместо фотоаппарата, что позволяет получить расход воды немедленно после измерения скоростей течения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вычислив расход на основе его интерполяционно-гидравлической модели, получим незначительные отклонения от расхода, вычисленного детальным методом. Интерполяционно-гидравлическая модель расхода воды практически исключает систематическую погрешность-занижение расхода воды при сокращении числа скоростных вертикалей. Такой эффект достигается тем, что интерполяция средних скоростей на вертикалях по ширине отсека между ними ведется с учетом распределения глубины. Интерполяционно-гидравлическая модель превосходит графический способ обработки расходов воды, в которой средние скорости на вертикалях интерполируются линейно.

При использовании интерполяционно-гидравлической модели достаточно изменять скорости всего на двух скоростных вертикалях, размещенных на одинаковом расстоянии расхода воды при двух скоростных вертикалях в створе равнинной реки.

Использование ускоренных методов расчета расходов воды доказывает, что данные методы очень эффективны и требуют незначительных затрат времени на вычисления, что имеет немаловажную роль в наше время.

Т.к. отклонение не превышает 5 %, это еще раз доказывает эффективность и практичность применения интерполяционно-гидравлической модели.


1. Бочкарев Я.В., Овчаров Е.Е. Основы автоматики и автоматизация производственных процессов в гидромелиорации М.: Колос, 1981. - 336 с.

. Быков В.Д., Васильев А.В. Гидрометрия. - Л.: Гидрометеоиздат, 1977 - 447 с.

. Водохранилища мира. Институт водных проблем АН СССР.- М.: Наука. 1979.-282 с.

. Гуральиик И.И., Дубинский Г.П., Ларин В.В., Маликонова С.В. Метеорология.--Л.: Гидрометеоиздат, 1982.- 440 с.

. Железняков Г.В., Неговская Т.А., Овчаров Е.Е. Гидрология, гидрометрия и регулирование стока.- М.: Колос, 1984.- 431 с.

. Гидрологические расчеты при осушении болот и заболоченных земель / Под ред. К.Е. Иванова.- Л.: Гидрометеоиздат, 1963.- 447 с.

. Карасев И.Ф. Речная гидрометрия и учет водных ресурсов.- Л.: Гидрометеоиздат, 1980.- 312 с.

. Лучшева А.А. Практическая гидрометрия. - Л.: Гидрометеоиздат. 1983,-423 с.

. Лучшева А.А. Практическая гидрология.- Л.: Гидрометеоиздат, 1976,- 440 с.

. Орлова В.В. Гидрометрия. Учебник для гидрометеорологических техникумов. Л. Гидрометеоиздат 1966г. 459 с

. Рекомендации по расчету испарения с поверхности суши.- Л.: Гидрометеоиздат, 1976. - 94 с.

. Рождественский А.В., Чеботарев А.И. Статистические методы в гидрологии.- Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 422 с.

. Строительные нормы и правила. Определение расчетных гидрологических характеристик. СНиП 2.01.14-83. М.: Государственный комитет по делам строительства, 1985. - 97 с.

. Хамадов И.Б., Бутырип М.В. Эксплуатационная гидрометрия в ирригации.- М.: Колос, 1975. - 208 с.

. Шумков И.Г. Речная аэрогидрометрия. - Л.: Гидрометеоиздат, 1982. - 29S с.

16.   Карасев И.Ф., Васильев А.В., Субботина Е.С. Гидрометрия.-Л.: Гидрометеоиздат, 1991.-376с.

17.    Быков В.Д., Васильев А.В. Гидрометрия.- Л.: Гидрометеоиздат, 1977.-448 с.

Похожие работы на - Характеристика приборов и методов измерения расходов воды

 

Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу
Без плагиата!