Основы гидрометрии

Тема 11

При проектировании и эксплуатации ГТС, включая, системы водоснабжения и водоотведения, мостовые переходы, водопропускные сооружения и пр., необходимо располагать определенным объемом информации о состоянии и гидрологическом режиме водного объекта. Эта информация получается в результате проведения систематических многолетних наблюдений, а также эпизодических гидрометрических работ.

Инженерная гидрометрия – это раздел речной или морской гидрологии, который рассматривает средства и методику наблюдений за гидрологическим режимом и состоянием водных объектов, связанных со строительством и эксплуатацией ГТС.

Основными задачами инженерной гидрометрии, как и гидрометрии в целом является:

- организация и проведение гидрологических наблюдений,

- обработка и первичный анализ материалов наблюдений.

Гидрологические наблюдения проводятся на гидрологических станциях и постах.

В зависимости от длительности наблюдений различают постоянные и временные станции и посты.

На постоянных станциях (постах) гидрологические наблюдения ведет Роскомгидромет – специализированная служба мониторинга природной среды, в частности, природных вод России. Кроме того, такие наблюдения ведут различные ведомства и организации, которые используют гидрологическую информацию в своей работе (например, министерства энергетики, транспорта и др.).

Временные гидрологические посты организуют, как правило, на 2…5 сезонов при проведении проектно-изыскательских работ по средним и крупным ГТС.

При массовом проектировании ГТС проводят кратковременные (в течении 1…2 сезонов) наблюдения в составе инженерно-гидрологических изысканий.

На постоянных станциях и постах ведутся следующие наблюдения:

- уровнем воды,

- расходом воды,

- температурой воды,

- ледовой обстановкой,

- расходом наносов,

- волнением,

- химическим составом воды.

Полный комплекс наблюдений ведется только на небольшом числе станций. Так, расходы наносов и химический состав воды наблюдаются не более чем на 10% от общего количества станций. Это дорогие виды наблюдений. Расходы воды на реках измеряются примерно на половине станций и постов.

Организация и проведение наблюдений на гидрологических станциях и постах регламентируется Наставлениями Роскомгидромета, действующих с 50…60 годов ХХ века.

Результаты гидрологических наблюдений после их анализа и обработки ежегодно публикуются в Гидрологических ежегодниках, которые являются частью единого Государственного водного кадастра России (ГВК).

На временных специализированных постах, организуемых при изысканиях, состав гидрологических наблюдений зависит от вида проектируемого ГТС, изученности и особенностей водного объекта. Но практически всегда измеряют уровень и расходы воды. Наряду с этими наблюдениями, при инженерно-гидрологических изысканиях проводятся следующие гидрометрические работы:

- промеры глубин,

- определение уклона водной поверхности,

- определение меток ГВВ и ГНВ,

- измерение скорости и направления течения воды,

- оценка степени размыва русла и берегов и др..

В задания на изыскания могут быть также включены:

- измерения расхода наносов,

- отбор проб и определение химического состава воды,

- морфометрические измерения дна русла.

Следует отметить, что при выборе местоположения гидрологического поста на водотоке необходимо учитывать следующие требования:

- максимально возможную близость к проектируемому или эксплуатируемому ГТС,

- прямолинейность водотока и отсутствие поймы на участке реки, в пределах которого устраивается пост,

- однозначность изменения площади живого сечения водотока,

- отсутствие бокового притока.

Приведем основную информацию по отдельным видам наблюдений.

Уровень воды (УВ) – высотное положение поверхности воды в абсолютных или условных (над нулем графика – плоскостью сравнения) отметках. Дается для конкретной точки водного объекта в конкретное время.

УВ измеряется на:

- на водомерном (основном) посту,

- на уклонных постах,

- на гидростворах, где измеряются расходы воды и наносов.

По конструкции водомерные посты подразделяются на реечные, свайные и реечно-свайные (комбинированные). Реечный пост- это вертикальная или наклонные размеченные рейки, установленные на устоях мостов, стенках шлюзов, плотин и т.п.

Свайные посты организуются на большинстве рек с пологими берегами. Он состоит из ряда свай диаметром 10…15 см, вкопанных поперек берега реки или водоема.

Схема реечно-свайного поста приведена на рис. 28.

Рис. 28. Реечно – свайный водомерный пост

УВ отсчитывается по переносной водомерной рейке, которая устанавливается на оголовок ближайшей затопленной сваи. Прибавляя этот отсчет к величине приводки, получим УВ над «0» графика поста. Приводка – это разность между отметкой оголовка сваи и «0» графика поста. Наблюдения за УВ ведутся ежедневно в 8 и 20 часов, а в периоды паводков чаще – до 6-8 раз в сутки.

С вопросом организации и проведения наблюдений за УВ можно детально ознакомиться в рекомендуемой литературе, например, в МУ «Учебная практика по гидрологии и гидрометрии». СПб, 2005.

Для непрерывной регистрации УВ применяют самописцы УВ типа «Валдай» или ГР-80. В них движение поплавка и УВ передаются на барабан с диаграммной лентой, вдоль которого с помощью часового механизма перемещается перо. Самописцы устанавливаются в колодцах или будках на берегу. В развитых странах получили распространение различного типа дистанционные устройства, в которых с заданной частотой измеряется УВ электроконтактным датчиком (сенсорного типа) и передается по сотовой связи на диспетчерский компьютер

Для измерения уклона водной поверхности также проводятся измерения УВ на специальных уклонных постах. Уклон необходимо измерять для определения расходов воды редкой повторяемости. Уклонные посты располагаются друг от друга таким образом, чтобы перепад УВ был не менее 0,2 м. В этом случае расстояние между постами составит от 200 м до 2 км. Организация уклонных постов и технология измерения уклонов воды на реках приведены в рекомендуемой литературе. Следует отметить важность измерения уклонов при каждом измерении расхода воды или наносов.

Измерение глубин. Глубина воды (ГВ) – это расстояние от поверхности до дна водного объекта. Измеряется она с целью построения плана глубин на рассматриваемом участке, а также для определения площади поперечного сечения реки.

Промерные работы необходимы для обеспечения судоходства, лесосплава, проектирования и эксплуатации ГТС.

В состав промерных работ, кроме измерения глуьин, входит определение в плане положения каждой промерной вертикали, т.е. вертикали, где измеряется глубина воды. При ширине потока до 300 м и скорости до 1.5 м/с это делается по тросу, который протягивается через промерный створ реки. В иных случаях применяются геодезические способы, например, способом засечек с помощью теодолита, мензулы или нивелира.

Для измерения глубин применяют:

-металлическую или деревянную наметки (до 5 м),

- ручные или механические лоты,

- ультразвуковые эхолоты.

Наметка – это шест с разметкой, Лот – груз 2…5 кг, опускаемый на размеченном тросе вручную или с помощью лебедки.

Эхолот – прибор, основанный на регистрации отраженного от дна ультразвукового сигнала. GPS – навигатор позволяет в комплекте с эхолотом определить местоположение промерной вертикали. Устанавливается на катере или лодке, которые при промерных работах на рассматриваемом участке водного объекта продвигается по створам или «галсами».

К основным особенностям современных профессиональных эхолотов относят:

совмещение GPS навигатора, картплоттера и эхолота в одном устройстве;

подключение к ПК для обмена точками и обновления внутренней программы;

встроенный датчик температуры воды и возможность подключения датчика скорости;

возможность подключения погодного датчика давления, и ПК.

После обработки данных по глубинам воды, их наносят на план реки и проводят линии равных глубин – изобаты. Кроме того, для промерных створов строят поперечные профили, определяют площадь водного сечения, среднюю глубину, смоченный периметр, гидравлический радиус (рис.29). При использовании эхолотов, подключенных к ПК, указанные работы выполняются автоматически по специальным программам, а при необходимости в объемном режиме 3D.

Рис. 29. Поперечный профиль реки

Определение скорости течения и расходов воды. Наряду с УВ, расход воды является основной характеристикой потока, используемой для определения расчетный его значений, от которых зависят параметры конструкций систем водоснабжения и водоотведения.

Как известно, под расходом воды понимается объем воды, протекающий через рассматриваемое поперечное сечение потока в ед. времени (1 с),

Таким образом, для его определения необходимо:

провести промеры глубин в рассматриваемом створе – гидростворе,

измерить скорость потока.

Скорость потока измеряется различными способами:

поплавками,

гидрометрической вертушкой,

ультразвуковым способом,

электромагнитным измерителем скорости течения,

Поплавочный способ состоит в измерении скорости прохождения поплавков. Выше и ниже основного гидроствора закрепляют на местности 2 створа. Выше верхнего створа запускают поплавки и фиксируют время и местоположение их прохождения через дополнительные створы. Это делают наблюдатели на берегу. При большой ширине потока местоположение поплавков фиксируют теодолитом с берега или же секстантом с катера. Применяются как поверхностные, так и глубинные поплавки.

Наиболее распространенным и точным прибором для определения скорости течения воды являются гидрометрические вертушки, напримертипа ИСП-1, основанные на измерении частоты вращения лопасти вертушки (частоты импульсов) пропорциональной скорости течения.

Вертушка закрепляется на гидрометрической штанге с указателем положения (или опускается на тросе с помощью лебедки).

Скорости течения определяются по основному гидроствору на скоростных вертикалях, которые выбираются в местах перелома поперечного профиля дна реки. На каждой скоростной вертикали находим:

глубину воды,

количество возможных точек измерения скорости на вертикали; как правило. до 5 (1, 2, 3 или 5),

глубину расположения каждой точки на вертикали (табл.П.1). В положении «поверхность» и «дно» ось вертушки должна находится на глубине от поверхности воды или дна не менее чем на 10 см.

Устанавливаем вертушку на заданную глубину и включаем счетчик импульсов. Через 1…2 мин на дисплее определяем скорость течения. Измерения проводятся в 2…3-кратной повторности. Разница в частоте вращения по повторностям не должна отличатся более чем на 2…5%.

Рассчитываем среднюю скорость течения по вертикали:

при одноточечном измерении

V_с = V_{0,6 h},

при двухточечном измерении

V_с = 0,5*(V_0,3h + V_0,8h),

При трехточечном измерении

V_с = 0,1 * (3*V_пов + 5*V_0,6h + 2*V_дно).

Электромагнитный измеритель скорости течения основан на измерении напряженности электромагнитного поля, которое изменяется пропорционально скорости движения воды, обтекающий датчик. Способ перспективный, но, к сожалению отечественная промышленность их уже не выпускает.

Ультразвуковой способ также весьма перспективен. Это тот же эхолот, фиксирующий отраженный сигнал с противоположного берега. Приемник и датчик эхолота погружают у берегов под уровень воды. Таким образом, определяют интегральная скорость течения по ширине реки.

После определения скорости потока вычисляется расход воды. Для этого применяют, как правило, графоаналитический способ.

Суть графоаналитического способа состоит в том, что по результатам промеров глубин строится поперечный профиль реки. По данным измерения скоростей строятся эпюры распределения скоростей по вертикали и ширине реки. Причем для построения эпюры по ширине потока берутся средние скорости по вертикали. Для каждой промерной вертикали вычисляются элементарные расходы воды по формуле : q = V * h (где h – глубина) и строится эпюра распределения элементарных расходов по ширине реки Рис. 30). Наконец, суммируются элементарные расходы через площади треугольников и трапеций в пределах эпюры элементарных расходов и определяется расход воды.

Рис. 30.

Для определения расхода воды для метки ГВВ, когда нет измерений скорости воды, скорость потока вычисляется по формуле (Шези, используя данные измерений уклона поверхности и коэффициента шероховатости русла и поймы.

Направления течения воды, необходимые для выбора правильного местоположения водозабора или выпусков сточных вод, наиболее часто определяются поплавочным или аэрометрическим (для больших рек) способами. Эти работы целесообразно проводить при высоких и низких горизонтах воды (на подъеме, пике и спаде половодья и паводка), а также в межень.

Расход наносов. Расход наносов – это масса взвешенных и донных наносов, проходящих через рассматриваемое поперечное сечение потока в ед. времени: Qн = 0,001 * ρ * Q (кг/с), где ρ - средняя мутность потока, г/м3.

Величину мутности определяют на скоростных вертикалях с помощью батометра – прибора для взятия проб на мутность воды в потоке. Наиболее распространенным батометром в России является батометр Молчанова, состоящий из двух емкостей, которые опускаются на заданную глубину. Там открываются запорные крышки и производится забор воды. После этого крышки закрываются и батометр поднимают. Пробы воды сдаются на анализ количества и механического состава наносов. Таким образом, определяется мутность воды и расход наносов.

Измерения расходов наносов производится по 2…3 раза на подъеме, спаде половодья и паводка, а также в периоды межени. По измеренным значениям ρ, Q и G строятся кривые связи, по которым определяются значения расходов и сток наносов за сутки, месяцы, сезоны и год.

Химический и бактериологический состав воды, забираемой для коммунального и промышленного водоснабжения, определяется с целью оценки качества воды и необходимости её подготовки перед использованием. Заборы проб воды на химанализ производят также в характерные периоды гидрологического года (аналогично отборам проб на мутность воды).

Наблюдения за ледовой обстановкой на гидрологических станциях и постах ведутся ежедневно или раз в 3…5 дней в зависимости от хпрпактера развития ледовой обстановки на участке реки протяженностью до 0,5…1 км. При этом отмечаются условия и сроки образования и разрушения ледяного покрова, рост толщины льда, характер его пов5рхности, наличие снега, образование внутриводного льда и шуги.

Наблюдают также за густотой осеннего и весеннего ледохода, заторами и зажорами на реке.

Данные по ледовому режиму водного объекта необходимы для обоснования выбора конструктивных элементов ГТС и разработке мероприятий по борьбе с отрицательным влиянием ледовых явлений на работу этих сооружений. В частности, ледохода - на опоры мостов, водозаборные сооружения и т.д. Крайне негативное влияние оказывает внутриводный лед на работу ГТС. Забиваются решетки водоприемников и водозаборов, что ведет к остановке турбин и отключению водопроводных систем.

Дата добавления: 2014-01-07