Основні гідрологічні роботи на річках

Основні гідрологічні роботи як польові, так і камеральні проводять по єдиній методиці, рекомендованій методичними вказівками гідрометеорологічної служби, при цьому застосовують стандартні гідрометричні прилади. Це важливо для зіставності результатів спостережень і вимірювань, що проводяться різними експедиціями в різних районах і у різний час, а також із спостереженнями державної гідрологічної мережі. Для запису результатів спостережень і вимірювань слід застосовувати стандартні польові книжки і бланки.

2.1. Водомірні спостереження

До складу водомірних спостережень входить вимірювання рівня води, температури води і повітря, візуальні спостереження за станом річки, водною рослинністю, льодовими явищами. Установку і відкриття тимчасових гідрологічних постів роблять завчасно в кількості, визначуваній завдовжки ділянки річки і наявністю діючих постів гідрометслужби і відомчих. Програму кожного гідрологічного поста складають залежно від реальної потреби в тих або інших гідрологічних даних, при цьому керуються типовими програмами спостережень на гідрологічних постах. Якщо намічається проводити тільки водомірні спостереження, створюють пости III розряду; якщо намічається проводити також і інші гідрологічні спостереження, роблять пости II або I розряду.

Для спостережень за рівнем води пости встановлюють в місцях, де режим рівнів може мати характерні особливості, наприклад, в місцях зміни ухилу, різких змін ширини русла і долини. Крім того, пости встановлюють нижче за впадання крупних приток, а також на самих притоках. Якщо дослідження проводять для складання проекту гідротехнічної споруди, то в наміченому місці його розташування також необхідно обладнати гідрологічний пост.

При облаштуванні гідрологічних постів керуються загальними правилами їх установки. Кожен пост повинен мати два репери, основний і контрольний, і водомірні пристрої того або іншого типу.

Основний репер прив'язують подвійним нівелірним ходом IV класу до державної висотної мережі. Водомірні пристрої роблять у вигляді паль (пальовий пост) або рейок (рейковий пост). Спостереження ведуть за рівнем двічі в добу - в 8 і 20 г. При різких змінах рівня в повені і в паводки ведуть прискорені спостереження. На річках з різкими добовими коливаннями рівня (дощового і льодовикового живлення) рекомендується встановлювати самописці рівня. У необхідних випадках встановлюють телеметричні датчики з передачею інформації по дротах або по радіо.

Результати спостережень за рівнем води представляють у вигляді графіка, який складають для річного циклу. На графіку показують фази льодового режиму.

2.2. Визначення ухилів водної поверхні

При проведенні водних досліджень і досліджень визначення ухилу водної поверхні у багатьох випадках роблять за допомогою нівелювання.

Регулярні визначення ухилу водної поверхні проводять на ухильних постах, які влаштовують на гідрологічних постах.

Систематичні спостереження за ухилом водної поверхні проводять для уточнення залежності між витратами і рівнями води.

2.3. Визначення витрат води і залежності між витратами і рівнями

При проведенні досліджень проводять систематичні і епізодичні вимірювання витрат води. Систематичні вимірювання виконують на гідрологічних постах, а епізодичні - на окремих ділянках досліджуваної річки і на притоках.

Систематичні вимірювання витрат на гідрологічних постах служать для визначення стоку води, для аналізу внутрішньорічного розподілу стоку, для визначення максимальних і мінімальних витрат.

Епізодичні вимірювання витрат необхідні для вирішення тих або інших завдань, наприклад для визначення розподілу витрат води між основним руслом і протоками, визначення витрат приток, вивчення розподілу витрат між рукавами дельти річки і в інших випадках.

Вимірювання витрат на гідрологічних постах роблять з розрахунком, щоб результати вимірювань дозволили освітити всю амплітуду коливань рівня. Це необхідно для побудови кривої витрат і подальшого обчислення стоку води.

При встановленні частоти і термінів вимірювання витрат дотримуються наступних рекомендацій. У весняну повінь виконують 4-5 вимірювань витрати на підйомі і 5-8 вимірювань на спаді, по можливості через рівні інтервали рівнів. У стійку межень роблять одне вимірювання через 7-10 днів; при проходженні дощових паводків-1-2 вимірювання на підйомі і 2-3 - на спаді кожного паводку. При стійкому і тривалому льодоставі і плавній зміні рівня води вимірюють витрати через 10-20 днів, а при льодоході і шугоході - так часто, як це можливо.

При проведенні досліджень застосовують наступні способи вимірювання витрат води: 1) вимірювання витрати гідрометричною вертушкою; 2) вимірювання витрати поверхневими поплавками; 3) вимірювання витрати способом змішення; 4) вимірювання витрати аерометодами.

Вимірювання витрат проводять детальним, основним або скороченим способом, залежно від вивченої створу, необхідної точності і термінів проведення вимірювань. Слід зазначити, що дистанційні гідрометричні установки поки на дослідженнях не знаходять застосування.

Вимірювання витрати за допомогою поверхневих поплавків проводять при рекогносцировках, а також в періоди льодоходу і шугоходу, коли вимірювання вертушкою скрутні або навіть недопустимі за правилами техніки безпеки. Слід мати на увазі, що поплавкові вимірювання витрати відрізняються зниженою точністю. Якщо погрішність вимірювання витрати вертушкою за сприятливих умов складає 2-5%, то погрішність вимірювання поверхневими поплавками досягає 5-10%.

Вимірювання витрати методом змішування найефективніше на річках з бурхливою течією, що забезпечує хороше перемішування водних мас; у таких умовах вимірювання витрати вертушкою скрутно. Відомі два різновиди методу змішування: 1) спосіб тривалого пуску розчину індикатора; 2) спосіб прискореного пуску розчину індикатора. У обох способах як речовина - індикатор найчастіше застосовується хлористий натрій (куховарська сіль).

Визначення витрат води морфометричним способом застосовується для отримання величини максимальної витрати води по мітках рівня високих вод і для визначення витрат в сухих балках. Цей спосіб часто застосовується при дослідженнях для споруди дорожніх водопропускних споруд - мостів, труб. Суть способу полягає в наступному. В потрібному місці розбивають створ, званий морфоствором, і по ньому роблять нівелювання упоперек всієї долини річки, аж до відміток, що перевищують рівень високих вод. Таким шляхом одержують поперечний профіль долини річки або балки, по якій можна визначити площу живого перетину при рівні високих вод. Умножаючи величину площі живого перетину на середню швидкість течії, одержують витрату води. Для визначення середньої швидкості застосовують формулу Шезі

(1)

де З - коефіцієнт Шезі; R - гідравлічний радіус; I - ухил водної поверхні.

Величину коефіцієнта Шезі визначають по таблицях залежно від значень гідравлічного радіусу і коефіцієнта шорсткості. Для цієї мети в даний час переважно вживають таблицю, складену по формулі Н. Н. Павловского.

Величину гідравлічного радіусу визначають формою

(2)

де - площа живого перетину;

Для річок рівнинного типа замість гідравлічного радіусу з достатньою точністю можна підставляти середню глибину

hср ⁼ (3)

де В - ширина потоку.

Величину коефіцієнта шорсткості п визначають по таблицях залежно від характеристики русла. Частіше користуються таблицею М. Ф. Срібного. Є і інші таблиці.

Найправильніше величину коефіцієнта шорсткості можна визначити у кожному випадку шляхом натурних вимірювань, про що буде сказано пізніше.

Величина коефіцієнта шорсткості різних частин живого перетину може бути неоднаковою, тому розчленовують площу на відсіки з однаковою шорсткістю, наприклад: русло, заплава, протока; обчислюють окремо витрату кожного відсіку і шляхом підсумовування одержують загальну витрату.

Величину ухилу водної поверхні одержують шляхом нівеляції. Для цього на місцевості знаходять мітки рівня високих вод, закріплюють їх колами, нівелюють і визначають падіння. Відстань між крайніми крапками вимірюють по лінії урізання високих вод. Розділивши падіння на відстань, одержують ухил. При знаходженні міток рівня високих вод необхідно переконатися, що виявлений рівень не був викликаний підпором води, наприклад, від затору льоду або інших причин. Для встановлення рівня історичних паводків і повеней практикують опит місцевих жителів - старожилів.

Якщо по виявлених мітках неможливо визначити ухил водної поверхні, наприклад, коли немає упевненості, що вони відносяться до одного рівня, то для обчислення витрати враховують меженний ухил; його визначають якомога точніше.

Для визначення витрати морфометричним способом вибирають по можливості прямолінійну ділянку з правильною формою поперечного перетину. Це пов'язано з тим, що для визначення швидкості течії застосовується формула Шезі, справедлива для рівномірного руху рідини.

По точності визначення величини витрати морфометричний спосіб слід віднести до наближених. Необхідно відзначити, що рух потоку при виході води з основного русла на заплаву дуже складно і завжди відбувається по-різному, тому приведена тут вельми спрощена схема ніяк не враховує цієї складності. Строгіші методи розрахунку поки не доведені до стадії практичної застосовності.

2.4. Визначення витрат і стоку зважених і донних наносів

Вимірювання витрат наносів роблять на гідрологічних постах, суміщаючи цю роботу з вимірюванням витрат води. Кількість вимірювань витрат наносів протягом року менша, ніж витрат води. Витрати зважених наносів вимірюють на рівнинних річках 20-25 раз на рік, при цьому в період повені вимірюють 10-12 витрат; у меженний період роблять одне вимірювання витрати в місяць, але при проходженні паводків - по два рази на підйомі і спаді. На гірських річках слід частіше вимірювати витрати зважених наносів. Витрати донних наносів вимірюють звичайно рідше, ніж витрати зважених.

В результаті вимірювання витрат наносів одержують величини річного стоку наносів. Велику цінність представляють дані про стік наносів за багаторічний період, що одержуються за наслідками спостережень на постах державної гідрологічної мережі. Ці матеріали необхідно використовувати. Одержувані на тимчасових постах дані про стік наносів і про зміну каламутності в річному циклі, хоч і за не тривалий період, завжди представляють велику цінність, оскільки дозволяють уточнити місцеві особливості режиму твердого стоку.

Для вимірювання витрати зважених наносів застосовують стандартні прилади, до яких відносяться батометри тривалого наповнення: 1) батометр-пляшка на штанзі ГР-16 і ГР-16М; застосовується при глибинах до 2,5-3,0 м; 2) батометр-пляшка на тросі (у вантажі) ГР-15; застосовується при глибинах до 15 м, проте застосовність по глибині обмежується швидкістю течії; кращі результати дає застосування модернізованого батометра з вантажем подовженої форми; 3) вакуумний батометр ГР-61; застосовується при глибинах до 20 м, причому застосовність його по глибині теж обмежена швидкістю течії: при великих швидкостях вона зменшується, наприклад, при швидкості 1 м/с він застосуємо до глибини 10 м.

За допомогою цих приладів беруть проби води із зваженими наносами в окремих крапках на швидкісних вертикалях або інтеграційним способом.

Для виділення наносів з води в експедиційних умовах переважно застосовують прилад для фільтрування під тиском ГР-60, що значно скорочує тривалість роботи. Подальша обробка проб ведеться в лабораторії, що має устаткування для висушування фільтрів з пробами, зважування їх на аналітичних вагах і виконання механічного аналізу наносів. У експедиційних умовах створення лабораторії не завжди можливо, тому часто проби для аналізу відправляють в стаціонарні лабораторії.

Разом з відміченими вище приладами для узяття проб води з наносами в даний час набувають поширення прилади для реєстрації каламутності, дія яких заснована на фотоелектричному ефекті. Вимірювання витрати донних наносів найчастіше роблять методом узяття проб наносів. Для цього застосовують різні прилади залежно від крупної наносів. Для узяття проб піщаних і гравелистих наносів застосовують батометр Дон і батометр конструкції ЦНІІС. Батометр Дон випускався Гідрометслужбою і в даний час є застарілим приладом, але зважаючи на відсутність нових і більш здійснених все ж таки застосовується. Другий із згаданих батометрів широкого розповсюдження не одержав, хоча має ряд конструктивних поліпшень.

Для узяття проб крупних донних наносів - галечникових, валунів - є цілий ряд різних приладів: батометр Р. І. Шамова, батометр-сітка ГГІ і інші сітчасті батометри. Всі вони засновані на уловлюванні наносів, що переміщаються по дну.

Слід зазначити, що всім приладам для узяття проб донних наносів властиві недоліки, головними з яких є наступні: 1) введений у воду прилад порушує швидкісне поле потоку, змінюючи тим самим і характер руху наносів; 2) опущений на дно прилад погано сполучається з нерівностями дна, що робить істотний вплив на надходження в нього наносів. Крім того, методика вимірювання витрати наносів, заснована на узятті проб, також не є здійсненою, оскільки відомо, що наноси переміщаються не рівномірно по всій поверхні дна, а є активні зони з вищою інтенсивністю руху. Виявлення цих зон представляє великі труднощі. Недостатньо враховується і пульсація руху наносів.

Відмічені обставини є причиною того, що облік наносів здійснюється поки недостатньо точно і значно гірше, ніж облік стоку води. В середньому на рівнинних річках витрати зважених наносів вимірюються з погрішністю порядку 10-15%, а на гірських річках 20%. Точність вимірювання витрат донних наносів ще нижча.

В даний час ведуться дослідницькі роботи із створення сучасних приладів і розробки ефективніших методів вимірювання витрат донних наносів. Зокрема, розроблений метод вимірювання, заснований на реєстрації зіткнень рухомих частинок наносів з приладом, датчик якого, що сприймає удари частинок і що перетворює їх в електричні сигнали, поміщається в придонній області потоку; реєстратор сигналів датчика розташовується на поверхні.

Список літератури

1. А.В.Васильев, С.В. Шмидт. Водно-технические изыскания. Гидрометеоиздат. Ленинград. 1978.- 367с.

2. Левківський В.С., Хільчевський В.К., Ободовський О.Г. та ін.. Загальна гідрологія.-К.:Фітосоціоцентр, 2000. - 264с.

3. Ющенко Ю.С. та ін. Загальна гідрологія. Навчальний посібник.-Чернівці: Зелена Буковина.- 2005.-368с.

4. Ободовський О.Г. Русловые процеси: Навчальний посібник.-К.: РВЦ “Київський університет”,,1998.- 134с.

Питання до лекції

1. Від чого залежить склад і об’єм гідрологічних робіт?

2. Що роблять на початкових стадіях проектування для складання схеми комплексного використання річки або для розробки техніко-економічного обґрунтування окремого гідровузла?

3. Що необхідно мати для складання технічного проекту?

4. Що складається для розробки технічного проекту?

5. Які роботи виконують при складанні робочих креслень?

6. Що входить в склад водомірних спостережень?

7. Яким шляхом проводять визначення нахилу водної поверхні?

8. Які способи використовують для вимірювання витрат води?

9. За якою формулою визначають середню швидкість води?

10. Які прилади використовують для визначення витрат зважених наносів?

Дата добавления: 2014-01-07