Поперечный профиль реки и его характеристики

Виды наблюдений на гидрологических постах и станциях.

Тема 1. Измерение и расчет скоростей течения.

Количественные параметры водных объектов базируются на данных гидрометрических измерений. Водность любой реки можно охарактеризовать величиной расхода воды Q, который представляет количество воды, протекающей через живое сечение реки за 1 секунду. Расход воды является основной единицей измерения речного стока и измеряется в м³/с. Расход воды может быть определен непосредственно путем измерения скорости течения и площади живого сечения. Все остальные характеристики стока (объём стока W, модуль стока М, слой стока h и др.) рассчитываются с учетом расходов воды.

Измерение скоростей течения в реке является одним из основных видов гидрометрических работ и ведется на гидрологических постах, станциях и створах. Знание скоростей течения важно также для судоходства и лесосплава, при строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений на реках (плотин, мостов, водозаборов и т.д.). Поток воды всегда распадается на ряд струй, имеющих различные скорости движения и образующих завихрения и вертикальные циркуляции. Характер распределения скоростей внутри речного потока определяется уклоном дна, рельефом речного бассейна и дна реки, кривизной русла, наличием препятствий на дне реки (водной растительности, наносов и др.). Скорости течения измеряют на гидрологическом створе, в котором различают промерные и скоростные вертикали. На промерных вертикалях измеряют глубины водных объектов, а на скоростных, кроме глубин, и скорости течения. Прямое измерение скоростей течения может быть проведено при помощи поплавков, гидрологических вертушек; гидрометрических трубок; лазерных, электромагнитных, ультразвуковых измерителей потока.

Наиболее часто в гидрометрии применяют приборы, в которых скорость потока влияет на количество оборотов ротора (вращающейся части). Такую вертушку опускают на необходимую глубину на металлической штанге или тросе и измеряют скорость течения в отдельных точках потока на выбранных скоростных вертикалях. Число скоростных вертикалей определяется формой и размерами поперечного сечения речного русла и как правило совпадает с промерными вертикалями, хотя возможен вариант, когда количество промерных вертикалей вдвое больше, чем скоростных.

Ширина реки, м	Расстояние между скоростными вертикалями, м
2 - 5	0,5 - 1
5 – 20	1 - 2
20 - 30
30 - 40
40 - 60
60 - 80
80 - 100

Число точек измерения скорости на каждой вертикали определяется глубиной на вертикали и требуемой точностью измерения расхода воды. В большинстве случаев скорости измеряют в точках 0,2 h и 0,8 h на всех вертикалях в свободном ото льда русле. При наличии ледяного покрова измерение скоростей течения ведут на 0,15; 0,50 и 0,85 h. При сокращенном способе измерений скорость измеряют на 0,6 h. При измерении скоростей течения необходима, как минимум, двукратная повторность измерений.

Поскольку скорость течения меняется и по глубине, и по живому сечению потока, для практических целей вводят понятие средней скорости течения. На каждой вертикали она может быть вычислена по формулам:

При измерении в двух точках v_ср.= (v_0,2+v_0,8) / 2 (1.1.)

При измерении скорости в одной точке v_ср. = v_0,6. (1.2.)

Измерение скоростей течения в поверхностном слое осуществляется с помощью поверхностных поплавков или гидрометрических шестов. Для определения поверхностной скорости по длине реки разбивают 3-4 створа, причём участок, на котором проводятся измерения должен быть прямолинейным, а время прохождения поплавка между двумя створами должно составлять не менее 30 секунд. Скорость движения поплавка v (в м/с) рассчитывается путём деления расстояния между створами L (в метрах) на время движения поплавка от верхнего створа к нижнему t_с (в секундах). Измерение следует повторить для 8-10 поплавков и вывести среднее значение t _ср. Тогда

При отсутствии фактических измерений, но при наличии данных о поперечном сечении, средняя скорость потока может быть рассчитана по формуле Шези:

где R – гидравлический радиус потока, I – продольный уклон водной поверхности, С – скоростной коэффициент Шези.

Если у нас есть данные о строении поперечного сечения русла реки, то при сечении, близком к прямоугольному, формула Шези примет вид: v_ср. = С

где R = h _ср.; (1.5.)

Для параболического сечения русла v _ср. = (1.6.)

Значение коэффициента С может быть определено по формулам Базена или Павловского. В эмпирической формуле Базена учитывается коэффициент шероховатости русла, определяемый по таблице М.Ф.Скрибного

где γ – коэффициент шероховатости, R- гидравлический радиус, м.

Русловые коэффициенты естественных водотоков

	Характеристика русла	1 / n	n	γ
1.	Естественное русло в благоприятных условиях (чистое, прямое, незасоренное, земляное, со свободным течением)		0,025	1,25
2.	Русла постоянных водотоков равнинного типа (преимущественно больших и средних рек) в благоприятных условиях состояния ложа и течения воды. Периодические потоки (большие и малые) при очень хорошем состоянии поверхности и формы ложа.		0,033	2,00
3.	Сравнительно чистые русла постоянных равнинных водотоков в обычных условиях, извилистые, с незначительными искажениями в направлении струй или прямые, но с неправильностями в рельефе дна (отмели, промоины, местами камни). Земляные русла периодических водотоков в относительно благоприятных условиях.		0,040	2,75
4.	Русла больших и средних рек, значительно засоренные, извилистые и частично заросшие, каменистые, с неспокойным течением. Периодические (ливневые и весенние) водотоки, несущие во время паводка заметное количество наносов, с крупногалечниковым или покрытым растительностью (травой и др.) ложем. Поймы больших и средних рек, сравнительно хорошо разработанные, покрытые нормальным количеством растительности (травы, кустарника)		0,050	3,75
5.	Русла периодических водотоков, сильно заросшие и извилистые. Достаточно заросшие, неровные, плохо разработанные поймы рек с наличием промоин, кустарников, деревьев, заводей. Галечно-валунные русла горного типа, с неправильной поверхностью водного зеркала. Порожистые участки равнинных рек.		0,067	5,50
6.	Реки и поймы, весьма сильно заросшие, со слабым течением и с большими глубокими промоинами. Валунные, горного типа русла с бурным и пенистым течением, с изрытой поверхностью водного зеркала и летящими брызгами воды	12,5	0,080	7,00
7.	Поймы, весьма сильно заросшие, но с сильным косоструйным течением, заводями и др. Русла горноводопадного типа с крупновалунным извилистым строением ложа, ярко выраженными перепадами воды, сильной пенистостью и значительным шумом потока.		0,100	9,00
8.	Реки болотного типа с зарослями, кочками, многочисленными застойными зонами. Поймы с большими мёртвыми пространствами и местными углублениями-озёрами и пр.	7,5	0,133	12,00
9.	Потоки, подобные селевым, состоящие из грязи, камней и др. Сплошь облесённые глухие поймы таёжного типа.	5,0	0,200	20,00
10.	Склоны бассейнов в естественном состоянии (множитель m может составлять от 1 до 4 в зависимости от характера склона)	2,5 m	---	---

Для определения скоростного коэффициента Шези по формуле Н.Н.Павловского существует специальная таблица, в которой рассматривается величина n, обратная коэффициенту шероховатости γ в формуле Базена и приводимая в таблице 3.

Значения коэффициента Шези по Н.Н.Павловскому.

R, м	n
0,020	0,025	0,030	0,035	0,040	0,050	0,080	0,100
0,10	30,6	22,4	17,3	13,8	11,2	8,1	3,7	2,3
0,12	32,6	23,5	18,3	14,7	12,1	8,2	4,1	2,7
0,14	33,0	24,5	19,1	15,4	12,8	9,3	4,5	3,0
0,16	34,0	25,4	19,9	16,1	13,4	10,0	4,8	3,3
0,18	34,8	26,2	20,6	16,8	14,0	10,4	5,2	3,6
0,20	35,7	26,9	21,3	17,4	14,5	10,9	5,4	3,8
0,22	36,4	27,6	21,9	17,9	15,0	11,2	5,8	4,1
0,24	37,1	28,3	22,5	18,5	15,5	11,8	6,0	4,3
0,26	37,8	28,8	23,0	18,9	16,0	12,2	6,4	4,5
0,28	38,4	29,4	23,5	19,4	16,4	12,5	6,6	4,8
0,30	39,0	29,9	24,0	19,9	16,8	12,8	6,8	5,0
0,35	40,3	31,1	25,1	20,9	17,8	13,6	7,5	5,5
0,40	41,5	32,2	26,0	21,8	18,6	14,4	8,0	5,9
0,45	42,5	33,1	26,9	22,6	19,4	15,0	8,5	6,4
0,50	43,5	34,0	27,8	23,4	20,1	15,6	8,9	6,8
0,55	44,4	34,8	28,5	24,0	20,7	16,2	9,4	7,2
0,60	45,2	35,5	29,2	24,7	21,3	16,7	9,8	7,6
0,65	45,9	36,2	29,8	25,3	21,9	17,2	10,2	7,9
0,70	46,6	36,9	30,4	25,8	22,4	17,7	10,6	8,3
0,75	47,3	37,5	30,9	26,4	22,9	18,2	11,0	8,6
0,80	47,9	38,0	31,5	26,8	23,4	18,5	11,3	8,9
0,85	48,4	38,4	31,8	27,2	23,8	18,8	11,5	9,1
0,90	48,8	38,9	32,3	27,6	24,1	19,3	11,9	9,5
0,95	49,5	39,5	32,8	28,1	24,6	19,7	12,2	9,8
1,00	50,0	40,0	33,3	28,6	25,0	20,0	12,5	10,0
1,10	50,9	40,9	34,1	29,3	25,7	20,6	13,0	10,5
1,20	51,8	41,6	34,8	30,0	26,3	21,2	13,5	10,9
1,30	52,5	42,3	35,5	30,6	26,9	21.8	14,0	11,4
1,40	53,2	42,9	36,1	31,2	37,4	22,2	14,3	11,8
1,50	53,9	43,6	36,7	31,7	28,0	22,7	14,8	12,1
1,60	54,5	44,1	37,2	32,2	28,4	23,1	15,1	12,4
1,70	55,1	44,7	37,7	32,7	28,9	23,5	15,4	12,8
1,80	55,6	45,5	38,0	33,0	29,2	23,8	15,7	13,0
1,90	56,1	45,6	38,4	33,4	29,7	24,2	16,0	13,3
2,00	56,6	46,0	38,9	33,8	30,0	24,8	16,2	13,6
2,50	58,7	47,9	40,6	35,4	31,5	25,8	17,4	14,6
3,00	60,3	49,3	41,9	36,1	32,5	26,6	18,2	15,2
3,50	61,5	50,3	42,8	37,4	33,3	27,4	18,7	15,7
4,00	62,5	51,2	43,6	38,1	33,9	27,9	18,9	16,0
4,50	63,4	51,7	44,1	38,5	34,4	28,4	19,2	16,1
5,00	64,1	52,4	44,6	38,9	34,6	28,5	19,3	16,2

При необходимости проводится интерполяция данных.

Формула Шези основана на допущении равномерного движения воды в русле реки. Поскольку в естественных условиях движение, близкое к равномерному, наблюдается только при высоких уровнях, то наиболее точное значение средней скорости потока может быть получено для многоводных периодов в режиме реки