в чем измеряется скорость течения
Методы измерения скорости течения в реке или канале.
При проведении комплексных гидрологических исследований используются приборы для измерения скорости водного потока. Приборы, измеряющие скорость течения различных водных потоков, как в реках, каналах, так и трубопроводах могут иметь огромное количество моделей, которые различаются по устройству, по своим конструктивным особенностям и другим характеристикам.
На сегодняшний день в гидрометрической практике известны принципиально различные методы определения скорости течения водных потоков.
Все многообразие методов классифицируют следующим образом:
1. Метод, основанный на подсчёте и регистрации числа оборотов лопастного винта или ротора. Приборы, принцип действия которых основан на этом методе наиболее распространены. К таким приборам относят гидрометрические вертушки. При проведении измерения скорости регистрируется общее количество оборотов ротора и учитывается длительность проведения этого измерения. Скорость течения определяют по специальному тарировочному графику по числу оборотов в секунду. При помощи гидрометрических вертушек, как правило, определяют местную скорость течения в отдельных точках потока или среднюю поверхностную скорость потока.
2. Метод, основанный на регистрации скорости плывущего тела. Это так называемый поплавочный метод, для которого применяются глубинные поплавки, поплавки-интеграторы, а так же гидрометрические штанги и шесты. Для измерения скорости потока применяются различные поплавки, которые запускают как на поверхности потока, так и на требуемой глубине. При этом, скорость течения равняется скорости движения поплавка. Скорость движения поплавка определяют в зависимости от времени, за которое поплавок проходит определенное расстояние. Однако, при поплавочных измерениях значение скорости течения получается осредненным для участка потока по траектории движения поплавка.
3. Метод, использующий регистрацию скоростного напора. При измерении скорости потока данным методом характерно использование гидрометрических трубок различных конструкций. Впервые, такую гидрометрическую трубку предложил А. Пито в 1732 г. Скорость течения определяют путем введения гидрометрической трубки в поток отверстием навстречу течению. Скорость течения определяется исходя из скоростного напора, который измеряется по высоте подъема уровня воды непосредственно в трубке. Гидрометрические трубки, также как и гидрометрические вертушки, позволяют получить информацию о местной скорости потока в его отдельных точках.
4. Метод, основанный на измерении силового воздействия потока. Это так называемый метод водных флюгеров. Здесь, для измерения скорости потока применяются приборы, обладающие чувствительным элементом, т.е. специальный «водный» тензодатчик, который способен измерить силовое воздействие потока. Подобные приборы используются, как правило, при проведении научно-исследовательских работ в целях измерения и непрерывной регистрации значений скоростей потоков в отдельных точках. Приборы с датчиками позволяют измерять пульсацию скоростей.
5. Метод, использующий принцип теплообмена. Здесь, для измерения скорости потока применяются приборы, которые в качестве рабочего органа имеют нагретый элемент, который и вводится непосредственно в поток. Скорость течения потока определяют в зависимости от скорости охлаждения чувствительного элемента прибора. Как правило, такие приборы используются в лабораторных условиях для измерения скорости потока с непрерывной записью.
6. Метод, основанный на измерении объема воды, вошедшей внутрь прибора за отведенное время наблюдения. Это, в первую очередь, батометры-тахиметры, предложенные В.Г. Глушковым в 1932 г. Батометр-тахиметр вводится в поток входным отвестием навстречу течению и выдерживается в потоке определенное время; после этого прибор вынимают и замеряют объем воды, вошедший в прибор. При этом, скорость определяют по специальному тарировочному графику в зависимости от объема воды, вошедшего внутрь прибора за единицу времени. Данный способ применяется редко, однако, это единственный способ измерения малых скоростей течения потока.
7. Метод ионного паводка. В поток воды вводят электролит, как правило, раствор поваренной соли, а ниже точки введения электролита производят непрерывную запись концентрации NaCl в потоке. График хода концентрации напоминает, по своей форме, гидрограф паводка (отсюда и название). Метод аналогичен методу регистрации скорости плывущего тела (поплавка), поскольку в данном случае плывущим телом является «солевое облако». Метод не получил широкого применения, однако в сложных условиях измерения скорости течения горных рек, таких, как, например, каменистое дно или повышенная турбулентность, при использовании данного метода достигается наивысшая точность измерений.
8. Метод, использующий ультразвуковые колебания. При распространении ультразвука в движущейся среде, такой, как вода, скорость ультразвуковых колебаний относительно неподвижной системы координат равняется векторной сумме скорости ультразвука и скорости самой среды. В настоящее время ультразвуковой метод используется при измерении скорости течения различных жидкостей, включая загрязненные, агрессивные и кристаллизующиеся, только в закрытых трубопроводах. В гидрометрии такой метод не распространен.
9. Методы, в основание которых положено использование электромагнитной индукции в индукционных катушках. Суть метода заключается в следующем: известно, что в проводнике, который движется в магнитном поле, возникают токи, называемые токами М. Фарадея, которые были открыты в 1831 г. Тот же эффект наблюдается при прохождении через магнитную катушку потока воды. Таким образом, измеряя силу тока, можно определить скорость потока.
10. Методы, в основание которых положен эффект Доплера. Суть эффекта, открытого Кристианом Доплером в 1842 г., состоит в использовании изменения частоты и длины отраженных от частиц потока волн, которые регистрируются приёмником, вызванного движением их источника, т.е. потока воды.
В чем измеряется скорость течения
Определение скорости течения реки
Для определения расхода воды в реке нужно еще определить среднюю скорость течения реки. Это можно сделать различными способами:
Определение скорости течения реки поверхностными поплавками.
Выбрав прямолинейный участок реки,
Таким образом, мы устанавливаем четыре створа: I—пусковой, II — верхний, III — главный, IV — нижний по течению, реки.
Эти створы находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, величина которого зависит от размеров реки, например на расстоянии 15 м друг от друга.
Прежде чем забрасывать поплавки, нужно записать время начала работы, а после окончания — время конца работы; затем отметить обстановку работы:
Особенно большое влияние на скорость течения реки оказывает ветер: увеличивает (попутный ветер) или уменьшает (встречный ветер) скорость потока, поэтому для большей точности определения скорости течения делают поправки. Для введения поправок имеются специальные таблицы.
Далее, расставив наблюдателей по створам, можно приступить к забрасыванию поплавков. Поплавки обычно применяют в виде кружков, отпиливаемых от сухих бревен диаметром 10—25 см и толщиной 5—6 см. Чтобы поплавок был лучше виден на реке, его окрашивают белой краской, а иногда ярко-красной. Если река небольшая, то можно ограничиться тремя—пятью поплавками.
На пусковом створе поплавки забрасываются последовательно: сначала ближе к правому берегу, потом на середину реки, затем ближе к левому берегу.
На верхнем створе подается сигнал. Когда поплавок окажется в створе, наблюдатель, стоящий у главного створа, засекает время, т. е. пускает секундомер или просто замечает время по часам с секундной стрелкой. Наблюдатель, стоящий у нижнего створа, при прохождении поплавка через створ, подает сигнал наблюдателю у главного створа, а он останавливает секундомер или замечает время по часам. Для определения скорости движения поплавков удобнее вести наблюдения по нижеследующей таблице.
Если расстояние между створами 15 м, то расстояние между верхним и нижним створами будет равно 30 м. Бросаем с пускового створа в разных местах реки четыре поплавка поочередно (т. е. сначала первый поплавок; когда он пройдет весь свой путь, тогда забрасываем второй и т. д.) и получаем данные, которые записаны в нижеприведенной таблице.
Элементы водного режима и методы наблюдений за ними
Наблюдения за колебанием уровня проводятся на водомерных постах (рис. 73) и заключаются в измерении высоты водной поверхности над некоторой постоянной плоскостью, принимаемой за начальную, или нулевую. За такую плоскость обычно принимают плоскость, проходящую через отметку несколько ниже наинизшего уровня воды. Абсолютную или относительную отметку этой плоскости называют нулем графика, в превышениях над которым и даются все уровни.
По данным всех измерений вычисляются средние уровни за каждый день и составляются таблицы ежедневных средних уровней за год. В этих таблицах помещаются, кроме того, средние уровни за каждый месяц и за год и выбираются наивысшие и наинизшие уровни за каждый месяц и год.
По данным ежедневных наблюдений за уровнями строятся графики их колебаний, дающие наглядное представление об уровенном режиме за данный год.
Методы измерения скоростей течения рек
При измерении скоростей вертушка на штанге или тросе опускается в воду на различные глубины так, чтобы ее лопасти были направлены против течения. Лопасти начинают вращаться, и тем быстрее, чем больше скорость течения. Через определенное число оборотов оси вертушки (обычно через 20) при помощи специального приспособления подается световой или звуковой сигнал. По промежутку времени между двумя сигналами определяется число оборотов в секунду.
Вертушки тарируются в специальных лабораториях или на заводах, где они изготовляются, т. е. устанавливается зависимость между числом оборотов лопасти вертушки в секунду (n об/с) и скоростью течения (v м/с). По этой зависимости, зная п, можно определить v. Измерения вертушкой производятся на нескольких вертикалях, в нескольких точках на каждой из них.
Методы определения расходов воды
Расход воды в данном живом сечении может быть определен по формуле
Так как математически закон изменения v = f(H,В) неизвестен, расход вычисляется приближенно.
Модель расхода можно разделить вертикальными плоскостями, перпендикулярными площади живого сечения, на элементарные объемы (рис. 76 б). Общий расход вычисляется как сумма частичных расходов AQ, каждый из которых проходит через часть площади живого сечения wi, заключенную между двумя скоростными вертикалями или между урезом и ближайшей к нему вертикалью.
Таким образом, общий расход Q равен
Для измерения расходов воды применяются и другие методы, например на горных реках используется метод ионного паводка.
Она проведена по измеренным расходам воды в реке в период, свободный ото льда. Точки, соответствующие зимним расходам воды, ложатся влево от летней кривой, так как расходы, измеренные при ледоставе Qзим (при одной высоте стояния уровня), меньше летних QЛ. Уменьшение расходов есть следствие увеличения шероховатости русла при ледовых образованиях и уменьшения площади живого сечения. Соотношение между Qзим и Qл, выражаемое переходным коэффициентом
Кривая расходов позволяет определять ежедневные расходы воды реки по извест-ным уровням, наблюдаемым на водомерных постах. Для периода, свободного ото льда, пользование кривой Q = f(H) не вызывает затруднений. Ежедневные расходы при ледоставе или других ледовых образованиях можно определить с помощью той же кривой Q = f(H) и хронологического графика Kзим = f/(T), с которого снимаются значения Кзим на нужную дату:
Существуют и другие способы определения зимних расходов, например по «зимней» кривой расходов, если ее удается построить.
Однозначность кривой расходов воды в ряде случаев нарушается и в период, свободный ото льда. Наиболее часто это наблюдается при неустойчивом русле (намыв, размыв), а также при возникновении переменного подпора, вызванного несовпадением хода уровней данной реки и ее притока, работой гидротехнических сооружений, зарастанием русла водной растительностью и другими явлениями. В каждом из этих случаев выбираются те или иные способы определения ежедневных расходов воды, излагаемые в курсе гидрометрии.
По данным ежедневных расходов воды можно вычислить средние расходы за декаду, месяц, год. Средние, наибольшие и наименьшие расходы за данный год или за ряд лет называются характерными расходами. По данным ежедневных расходов строится календарный (хронологический) график колебаний расходов воды, называемый гидрографом (рис.78).
Измерение скоростей течения в реке
Поплавки применяются для приближенного определения направления течения и поверхностных скоростей. Этот способ измерения скоростей воды поплавками применяется также, когда иные средства не могут быть использованы: при ледоходе, большой мутности воды, малых скоростях потока. Однако поплавки не могут использоваться при большом ветре.
Для измерения поверхностных скоростей выбирают прямой участок реки длиной не менее L = 50 Vmax и на нем разбивают четыре створа: пусковой, верхний, средний и низовой. На воду пускают одновременно два-три поплавка с пускового створа. Когда поплавок пересекает верхний створ, включают секундомер, а на низовом створе секундомер останавливают, отмечая время t тогда скорость Vn = L / t.
Наиболее совершенным и распространенным инструментом для измерения скоростей течения в реке является гидрометрическая вертушка. Наибольшее распространение для измерения скорости течения получила вертушка Жестовского (рис. 6.2.2.1). Она состоит из лопастей, насаженных на ось, герметически закрытого корпуса со счетчиком оборотов внутри контактами и хвоста-руля. Вертушка крепится к штанге или тросу и опускается в ту точку потока, в которой нужно измерить скорость. Благодаря хвостовому оперению лопасти вертушки сами устанавливаются навстречу потоку и начинают вращаться, замыкая через определенное число оборотов электрические контакты. Сигналы замыкания поступают наверх к наблюдателю и фиксируются им. В вертушках Жестовского импульсы поступают через 20 оборотов. Вертушка предварительно тарируется, т. е. находится связь между скоростью и потока и частотой вращения лопастей. Наблюдатель с помощью секундомера ведет счет импульсов. Данные заносятся в полевую книжку.
Рис. 6.2.2.1. Гидрометрическая вертушка для измерения скорости течения
а) вертушка Жестовского; б) график зависимости скорости V от числа оборотов N
Для измерения скоростей вертушкой оборудуют обычно, так называемые, гидрометрические переправы, которые бывают в виде: а) моста балочного или подвесного на тросах, б) люльки, перемещающейся по тросу над водой, в) парома (понтона), перемещающегося по тросу или свободно.
Измерения скоростей в выбранном гидрометрическом створе проводятся по вертикалям, которые намечаются через равные расстояния, принимаемые в зависимости от ширины реки от 0,5 м до 50 м.
Определение средней скорости по вертикали производится по измеренным в точках скоростям аналитическим либо графоаналитическим способом. При ускоренных измерениях средняя скорость обычно определяется на глубине 0,6h.
Методы измерения скоростей течения на реках. Гидрометрические вертушки
Скорость течения реки измеряется двумя основными способами:
1.С помощью поплавков. При данном способе запускаются поплавки (обычно не меньше 15) по всей ширине реки, и засекают время, за которое они пройдут расстояние L, да ещё так, что бы время t, за которое они пройдут расстояние L, было не меньше, чем 10 секунд. Задавая расстояние L, и получая время t, с помощью несложных махинаций с цифрами, мы получаем скорость реки (по формуле V=L/t).
2.С помощью вертушки.
Спустя определённое кол-во оборотов (обычно 20) вертушка подаёт сигнал.
Первым делом выбирают место для измерения скоростей, далее разбивают гидроствор (линия перпендикулярная течению реки), промеряют русло реки и собственно измеряют скорость реки.
При глубине реки от 0,5 до 1м. измерения производят в 2ух вертикальных точках: 0,2h и 0,8h (h – глубина реки).
При глубине менее 0,5 м. в точке 0,6h.
При глубине 1-1,2м.: 0,2h, 0,6h, 0,8h.
При глубине более 1,2м измерения проводятся: у поверхности, 0,2h, 0,6h, 0,8h и у дна.
Методы измерения расходов воды на реках. Понятие о расчете ежедневных и характерных расходов воды.
1. Выбор места на реке, где мы будем проводить измерение. Участок должен быть прямолинейный и не заросший, без помех.
2. Разбивка гидроствора
3. Промер русла. Если река неглубокая, то используется шест.
Ширина реки (м) Расположение между промерными точками(м)
4. Измерение скоростей течения
Существует 5 стандартных глубин
Все 5 используются, когда глубина 1-1,2м. Когда глубина 0,5-1 м, тогда 0,2h и 0,8h. Когда глубина меньше 0,5 м, тогда только 0,6h.
5. Расчет расхода воды
5,1. Расчет средней скорости на скоростной вертикали.
5,2. Расчет площадей поперечного сечения
bi расстояние между вертикалями
5,3. Вычисление расхода
K всегда больше 1/2
К=0,7 если берег глубокий
К=0,8 для вертикальной стенки
С помощью поплавков
Время, за которое поплавок должен проплыть расстояние L1+L2 должно быть не меньше 10 сек.
Количество поплавков не меньше 15 и по всей ширине русла.
V ср на вертикали = (L1+L2)/время хода поплавка
График зависимости от уровня расхода воды.
С помощью уровня вычисляют ежедневный расход воды. Ему препятствуют еще и характерные расходы:
1. Расход на пике половодья
2. Расход на момент начала и конца половодья.
3. Расход min летней межени и зимней.
4. Расход max в паводок осенний и весенний.