Раздел 6. Речная гидрометрия

ТЕМА 6.1. Гидрометрические работы

Гидромéтрия (др.-греч. ϋδωρ — вода и μετρέω — измеряю) — раздел гидрологии суши, занимающийся измерением элементов гидрологического режима, способами и приборами этих измерений, а также методами обработки полученных результатов, их сбора, хранения и публикации.

Гидрометрией также называется совокупность методов определения величин, характеризующих движение и состояние жидкости и режим водных объектов.

К задачам гидрометрии относятся измерения: уровней, глубин, рельефа дна и свободной поверхности потока; напоров и давлений; скоростей и направлений течения жидкости; пульсаций скоростей и давлений; элементов волн; гидравлических уклонов; мутности потока (концентрации наносов); расходов воды, наносов и гидросмеси; элементов, характеризующих термический и ледовый режим потоков и др.

Для наблюдения за уровнями воды в реках, водохранилищах устраивают водомерные посты. Их назначение – определение и фиксация колебаний уровня. Кроме того фиксируются температура воды, воздуха, ледовые явления, растительность и т. п.

В зависимости от наблюдаемого объекта и установленного объёма наблюдений, гидрологические посты имеют определённый тип и разряд:

гидрологические посты на реках и каналах — ГП. Делятся на ГП: 1-го (ведущие полный объем наблюдений) и 2,3-го разряда (уровенные посты и работающие по сокращенной программе)

озерные гидрологические посты на озерах и водохранилищах — ОГП

морские гидрологические посты на морях — МГП.

На гидрологическом посту проводятся следующие виды наблюдений:

уровень воды на водном объекте (все типы)

уклон водной поверхности (ГП-1)

расход воды в реке или канале (ГП-1)

температура воды (все типы)

мутность воды (ГП, ОГП)

расход взвешенных и донных наносов (ГП-1)

волнение (МГП, ОГП)

рейдовые наблюдения на акваториях (ОГП, МГП)

соленость воды (МГП)

мониторинг загрязнения вод (все типы)

Кроме того, часть постов осуществляет так же и метеонаблюдения: температура воздуха, осадки, снегосъемка и пр.

Размещение водомерных постов вдоль Прута и Днестра показано на рис. 6.1.1. Гидрологические показатели Днестра, фиксируемые на этих постах, показаны рис. 5.3.11

Рис. 6.1.1. Размещение водомерных постов вдоль Прута и Днестра.

 

Посты могут быть постоянными (действующими не менее года) и временными.

Типы постов по устройству:

• реечные;

• свайные;

• смешанные;

• автоматические.

На каждом посту устанавливается постоянный репер, «привязанный» к ближайшему реперу государственной сети. Репер (от фр. repere – знак, исходная точка) – знак, закрепляющий точку земной поверхности, высота которой относительно исходной уровенной поверхности определена путем нивелирования. Репер показан на рис. 6.1.2, а триангуляционный пункт, на котором он установлен – на рис. 6.1.3.

 

Рис. 6.1.2. Репер государственной сети.

 

Рис. 6.1.3. Триангуляционный пункт.

 

Высоты реперов вычисляются относительно нуля Кронштадтского футштока (рис. 6.1.4). Нуль Кронштадтского футштока представляет собой многолетний средний уровень Балтийского моря. Реперы государственной нивелирной сети служат исходными (опорными) пунктами для определения высот промежуточных точек земной поверхности при топографических съемках и разного рода изыскательских работах, а также используются в научных целях при изучении разности уровней морей.

 

Рис. 6.1.4. Кронштадтский футшток.

 

Реечный водомерный пост (рис. 6.1.5) состоит из одной или нескольких надёжно закреплённых реек. Обычно рейки крепят к забитым в грунт сваям, к стенкам набережных, устоям и быкам мостов в защищенном от ледохода и судов месте. На рис. 6.1.5 1 – укреплённая на свае рейка; 2 – ледорез для защиты рейки от плавающих предметов.

Для получения точного отсчёта уровня, например во время волнения, рейку устанавливают в ковше берега, соединённом с руслом канавкой (рис. 6.1.6).

 

Рис. 6.1.5. Реечный водомерный пост.

 

Рис. 6.1.6. Рейка в ковше берега.

Часто пользуются наклонными рейками (рис. 6.1.7), у которых деревянный брус укреплён на сваях по откосу берега. Здесь 1 – наклонная рейка, 2 – щебёнчатая подготовка, 3 – сваи.

Каждое деление наклонной рейки , где h = 1 см. Эти рейки лучше вертикальных защищены от ледохода; они не создают подпора; отсчёт по ним более точен.

 

Рис. 6.1.7. Водомерный пост с наклонными рейками.

 

Свайные водомерные посты (рис. 6.1.8) состоят из ряда свай, забитых в дно и берег перпендикулярно к среднему направлению течения воды. Сваи нумеруют в направлении от репера водомерного поста, устанавливаемого в незатопляемой зоне берега. Головки свай спиливают горизонтально. В центре головки сваи забивают корабельный гвоздь.

 

Рис. 6.1.8. Свайный водомерный пост.

После установки свай измеряют расстояние между ними; сваи нивелируют и «привязывают» к отметке репера водомерного поста.

Смешанные водомерные посты (реечно-свайные) (рис. 6.1.9) устанавливают на реках с широкой затопляемой поймой. Здесь 1 – линия промерзания грунта, 2 – наинизший уровень воды, 3 – сваи, 4 – водомерные рейки.

Рис. 6.1.9. Реечно-свайный водомерный пост.

 

На рис. 6.1.10 показана кинематическая схема самописца уровня «Валдай». Здесь 1 – груз, 2 – поплавок, 3 – противовес, 4 и 5 – поплавковое колесо, 6 – шестерня, 7 – часовой механизм, 8 – барабан, 9 – ролик, 10 – каретка, 11 – струна, 12 – направляющие стержни, 13 – ролик, 14 – груз, 15 – перо, 16 – барабан, 17 – шестерня.

 

Рис. 6.1.10. Кинематическая схема самописца уровня «Валдай».

 

На рис. 6.1.11 показан береговой самописец уровня воды. Здесь 1 – будка, 2 – труба, 3 – колодец, 4 – рейка, 5 – столик, 6 – самописец уровня, 7 – барабан.

 

Рис. 6.1.11. Береговой самописец уровня воды.

 

Дистанционный гамма-уравнемер (рис. 6.1.12) состоит из источника излучения (датчик уровня) 1, укреплённого на поплавке 4, приёмника (детектор) 3 и счётного механизма 2. Источником является радиоактивный изотоп, помещённый на поплавке. Интенсивность излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния между источником и приёмником. При опускании уровня расстояние увеличивается, воздействие гамма-лучей на детектор ослабляется. Такие уравнемеры устанавливаются в малонаселённых местах. Данные передаются на гидрологические станции автоматически по радио.

Рис. 6.1.12. Дистанционный гамма-уравнемер.

График колебаний уровня воды и условные обозначения ледовой обстановки показаны на рис. 6.1.13. Здесь 1 – «сало», 2 – забереги, 3 – сало при заберегах, 4 – редкий шугоход, 5 – шугоход, 6 – редкий ледоход, 7 – ледоход, 8 – неподвижный ледяной покров, 9 – вода течёт поверх льда, 10 – закраины, лёд поднят, 11 – дата зажора или затора, 12 – дата подвижки льда.

 

Рис. 6.1.13. График колебаний уровня воды на водомерном посту.

 

«Сало» (рис. 6.1.14) – это поверхностные первичные ледяные образования в виде серых масляных пятен или тонкого сплошного слоя, состоящие из иглообразных или пластинчатых кристаллов.

Забереги (рис. 6.1.15) – это полосы льда, смёрзшиеся с берегами водных объектов при незамёрзшей основной части водного пространства.

 

Рис. 6.1.14. Сало. Рис. 6.1.15. Забереги.

Шугá – всплывший на поверхность или занесённый вглубь потока внутриводный лёд в виде комьев, ковров, венков и подлёдных скоплений. Движение шуги по поверхности и внутри водного потока именуется шугоходом (рис. 6.1.16).

Ледоход (рис. 6.1.17) – движение льдин и ледяных полей (льдин размером более 100 м по наибольшему измерению) на реках и водохранилищах под влиянием течений.

 

Рис. 6.1.16. Шугоход. Рис. 6.1.17. Ледоход.

 

Закраины (рис. 6.1.18) – полосы открытой воды у берегов, образующиеся перед вскрытием реки.

Зажор (рис. 6.1.19) – возникающее во время осеннего ледохода скопление шуги с мелкобитым льдом в русле реки, вызывающее стеснение водного сечения и связанный с этим подъём уровня воды. Формирование зажоров иногда происходит в течение нескольких суток и сопровождается подвижками льда (перемещением ледяного покрова на отдельных участках реки) в течение часа и больше. В результате возникает нагромождение льда на берегах и на поверхности ледяного покрова (торосы).

 

Рис. 6.1.18. Закраины. Рис. 6.1.19. Зажор.

 

Затор (рис. 6.1.20) – возникающее во время весеннего ледохода скопление льдин в русле реки, вызывающее стеснение водного сечения и связанный с этим подъём уровня воды.

Рис. 6.1.20. Затор.

 

Створ через водоток в месте водомерного поста, перпендикулярный среднему направлению течения воды, называется гидрометрическим створом (рис. 6.1.21). На гидрометрических створах измеряют расходы воды и наносов. Поэтому здесь должна быть высокая точность измерения площадей живых сечений и т. д.

Рис. 6.1.21. Гидрометрический створ.

Направление створа должно быть перпендикулярным к направлению течения воды в русле. С этой целью на берегу реки разбивают базис ABD параллельно берегу (рис. 6.1.22). Из точек А и В восстанавливают перпендикуляры АМ ₁ и BN ₁. Линии АМ ₁ и BN ₁ закрепляют тремя вехами каждую. На базисе в точке D устанавливают угломерный инструмент (теодолит или мензулу). Ноль лимба совмещают с направлением базиса. Из лодки пускают последовательно ряд поплавков, которые проходят через створы АМ ₁ и BN ₁ в разных точках. Поплавки в этих точках засекают инструментом. О моменте прохождения поплавков через створы сигнализируют наблюдатели, находящиеся в точках А и В. Направления хода поплавков переносят на план, после чего уточняют направление базиса АСЕ, параллельное среднему направлению хода поплавков. Створ BN разбивают перпендикулярно базису АЕ. Створ закрепляют двумя реперами на правом и левом берегах.

Для производства гидрометрических работ в створе устанавливают перекидные или подвесные мостики, используют лодки, паромы и подвесные люльки.

На узких реках и каналах шириной до 15 м устраивают перекидные мостики (рис. 6.1.23). Здесь а – план, б – фасад, в – поперечный разрез.

 

Рис. 6.1.22. Определение направления створа.

 

При ширине русла, превышающей 15 м, используют подвесные мостики (рис. 6.1.24). Здесь 1 – мёртвый якорь, 2 – тросы, 3 – подпорная рама, 4 – бруски, 5 – настил.

 

Рис. 6.1.23. Перекидной мостик.

 

Рис. 6.1.24. Подвесной мостик.

 

На реках с быстрым течением, резкими колебаниями уровней и высокими берегами применяют подвесные люльки (рис. 6.1.25). В люльке обычно помещаются один-два человека с необходимыми гидрометрическими приборами. Здесь 1 – стойка, 2 – перекидной трос, 3 – люлька, 4 – вертушка.

 

Рис. 6.1.25. Подвесная люлька.

 

Дистанционные измерения на створах (глубин, скоростей течения и взятие проб воды) производится с помощью гидрометрической установки ГР-64 (рис. 6.1.26). Здесь 1 и 4 – стойки, 2 – трос, 3 – каретка, 5 – вертушка, 6 – лебёдка, 7 – электродвигатель.

Рис. 6.1.26. Гидрометрическая установка ГР-64.

 

На реках шириной более 150-200 м паромы закрепляют якорями (рис. 6.1.27). Для перемещения паромов используют моторные суда. Здесь 1 – ездовой трос, 2 – блок с петлёй, 3 – лодка, 4 – помост.

При производстве промеров в зависимости от глубин и скоростей течения воды применяются различные приборы. Небольшие глубины замеряют водомерной рейкой (рис. 6.1.28). Для измерения глубин до 7-8 м при относительно небольших скоростях служит намётка – окованный снизу башмаком шест длиной до 10 м и диаметром 4-6 см. Если дно илистое, намётку снабжают диском диаметром 20-25 см, который предупреждает погружение намётки в илистое дно. Лот (рис. 6.1.29) представляет собой чугунный или свинцовый груз, подвешенный к размеченному шнуру или лотлиню. Момент соприкосновения лота со дном устанавливают по уменьшению натяжения лотлиня или по сигналу от электрического поддона, расположенного под грузом.

Рис. 6.1.27. Паром.

 

Рис. 6.1.28. Водомерная рейка. Рис. 6.1.29. Лот.

 

Вследствие относа лотлиня при больших скоростях течения (рис. 6.1.30) истинная глубина h меньше измеренной (длины лотлиня ACB) h = ACB – z – Δ H ₁ – Δ H ₂, где z – высота подвеса троса над водой, Δ H ₁ = z (1/cos β – 1), Δ H ₂ – поправка, найденная из табл. 6.1.1.

 

Рис. 6.1.30. Относ лотлиня течением.

 

Таблица 6.1.1. Определение глубины по показания лотлиня.

ACB, м	Угол отклонения троса β, градус
	0,01	0,02	0,04	0,06	0,09
	0,04	0,08	0,14	0,22	0,31
	0,05	0,15	0,25	0,40	0,60
	0,10	0,20	0,40	0,55	0,80

 

По отметкам дна и расстояния между промерными вертикалями строят поперечный профиль русла (рис. 6.1.31). Поперечный профиль вычерчивают в искажённом масштабе: вертикальный масштаб принимают в 10 или 100 раз больше горизонтального. Наносят отметки дна или откладывают глубину вниз от рабочего уровня. На профиле показывают рабочий, наивысший и наинизший уровни, репера и их отметки. Отметки берега, не покрытого водой, наносят на профиль по материалам нивелировки.

В поперечном сечении реки возможны небольшие участки мёртвого пространства, в котором отсутствует течение. Вся остальная площадь поперечного сечения между дном и поверхностью воды, в которой скорости наблюдаются во всех точках, называется живым сечением, в отличие от водного сечения, занимаемого водой. Площадь водного сечения реки можно определить планимéтром или аналитически – суммированием площадей фигур, ограниченных промерными вертикалями.

 

Рис. 6.1.31. Поперечный профиль русла.

 

С изменением уровня воды изменяется и площадь водного сечения. Зависимость площади ω от высоты H стояния уровня воды выражают графически кривой площадей (рис. 6.1.32).

Для измерения скорости течения воды служат поплавки, батометры, вертушки и динамометры.

Поверхностные поплавки (рис. 6.1.33 а) – это деревянные кружки с флажком яркого цвета (размеры указаны в сантиметрах). Для поплавков используют и бутылки, погружённые так, что на поверхности находится лишь горлышко с флажком. На широких реках применяют деревянные поплавки с подвешенным грузом.

 

Рис. 6.1.32. Кривая площадей.

 

Глубинные поплавки (рис. 6.1.33 б) состоят из двух: одного крупного, погружённого в воду на определённую глубину, и поверхностного мелкого, перемещающегося со скоростью глубинного и служащего указателем хода. Иногда глубинные поплавки состоят из двух поплавков одинакового размера. В этом случае средняя скорость равна полусумме поверхностной скорости и скорости на глубине: v _ср = (u ₀ + u _гл)/2. Отсюда u _гл = 2 v _ср – u ₀.

Гидрометрические шесты (рис. 6.1.33 в) применяют на участках рек с постоянной глубиной. Они служат для определения средней скорости на вертикали. Их свинчивают из металлических полых труб разной длины. Нижнюю часть трубу заполняют дробью для погружения поплавка на 0,95 глубины вертикали.

Поплавок-интегратор более точно (чем шест) измеряет среднюю скорость по вертикали. Поплавок из дерева или другого лёгкого материала отпускается на глубине. Поплавок всплывает через время t на расстоянии L от штанги. Средняя скорость на вертикали v _в = L/t.

Гидрометрическая вертушка (рис. 6.1.34) наиболее точный прибор для измерения скоростей в отдельных точках. Основные конструктивные элементы вертушки – чашечный ротор 1 с вертикальной осью вращения, счётно-контрольный механизм, хвостовое оперение 3. Груз обтекаемой формы 2 также снабжён хвостовым оперением. Вертушка крепится на штанге или подвешивается на тросе.

Рис. 6.1.33. Устройства для измерения скорости течения: а – поверхностные поплавки, б – глубинные поплавки, в – гидрометрические шесты.

 

Рис. 6.1.34. Гидрометрическая вертушка.

 

Скорости измеряют в разных точках на отдельных скоростных вертикалях. По данным этих измерений вычисляют среднюю скорость на вертикали. Распределение скоростей по вертикали изображают построением эпюры скоростей (рис. 6.1.35). По вертикальной оси отложены глубины в метрах. В местах измерения скоростей по горизонтали отложены измеренные осреднённые скорости в м/с. Концы горизонтальных отрезков соединены плавной кривой.

На нашей эпюре средняя скорость по вертикали v _в = Σ u/n = 6,53/10 = 0,653 м/с. Она представляет собой частное от деления площади эпюры на глубину. Площадь эпюры можно заменить равновеликой площадью прямоугольника, у которого ширина равна средней скорости v _в, а высота – глубине вертикали h.

 

Рис. 6.1.35. Эпюра скоростей.

 

На поперечном сечении реки изображают изотахи – линии одинаковых скоростей (рис. 6.1.36). В открытом русле (а) наибольшие скорости размещаются на поверхности самой глубокой вертикали. Дополнительная шероховатость, создаваемая ледяным покровом, является причиной перемещения наибольшей скорости вглубь от нижней поверхности льда (б).

Рис. 6.1.36. Изотахи (линии равных скоростей) в поперечном сечении реки: а – при открытой воде, б – подо льдом.