Материал: Характеристика приборов и методов измерения расходов воды

Вертушка хранится в ящике вместе с батареей питания, сигнальным устройством, проводниками и принадлежностями для ухода за ней.

Для погружения вертушек в воду и установки их в нужных точках живого сечения потока применяют различное установочное оборудование, к которому относятся: штанги, тросы, лебедки, уравновешивающие грузы и др.

При глубинах до 3 м вертушки погружают в воду при помощи упорных или подвесных штанг, которые представляют собой металлический трубы, размеченные по высоте через каждые 5-10 см. Первые упирают нижним концом в грунт, вторые укрепляют на неподвижной опоре, например на мостике.

При глубинах более 3 м, когда работать со штангой трудно, вертушки опускают в воду при помощи тонких тросиков диаметром 2-4 мм. Глубину погружения вертушки определяют по меткам на тросике или при помощи специального счетчика глубины. К вертушкам прикрепляют чугунный или свинцовый груз весом от 10 до 80 кг, в зависимости от скорости течения.

Трос соединяют с вертушкой и грузом специальным устройством, называемым вертлюгом. Опускают и поднимают вертушки ручной лебедкой[6].

При каждой вертушке должно всегда храниться тарировочное свидетельство, в котором указывают: тип и номер вертушки; дату последней тарировки; организацию, проводившую тарировку; график тарировки или уравнение тарировочной кривой.

Вертушки являются точными приборами, требующими бережного отношения и внимательного ухода. Перед сборкой вертушки необходимо тщательно проверить состояние ее частей, обращая особое внимание на состояние винта, оси прибора, подшипников, контактного устройства и электропроводки. После работы вертушку разбирают на основные части, которые очищают, промывают бензином и протирают сначала насухо, а затем тряпкой, слегка смоченной в масле.

При работе зимой вертушка может покрыться льдом, который нельзя удалять ударами или соскабливанием. Для удаления льда вертушку следует опустить в теплую воду. При перевозке вертушку необходимо оберегать от сотрясений.

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДОВ ВОДЫ

2.1 Измерение расхода воды гидрометрической вертушкой

Многоточечный (детальный) способ предусматривает измерение расхода воды по увеличенному против обычного числу скоростных вертикалей 10-15 с измерением скорости в 5-10 точках (пов.;0,2;0,6;0,8;дно-при свободном русле; пов.;0,2;0,4;0,6;0,8;дно-при несвободном русле) на каждой вертикали. Многоточечный способ даёт наиболее точное значение расхода. На вновь открытых гидростворах в первый год их действия расходы воды измеряют многоточечным способом (не менее 10 расходов воды при разных фазах режима).

Основной способ, когда число скоростных вертикалей уменьшается в 1.5-2 раза по сравнению с детальным, а скорости течения измеряются в 2-3 точках на каждой вертикали.

Интеграционный способ по вертикалям применяется при глубинах более 1 м и скоростях течения более 0.2 м/с. Измерение производится с помощью интегральной установки ГР-101.

Ускоренный способ применяется при быстрых изменениях уровня за время измерения расхода воды при интенсивной деформации русла, при наличии переменного подпора и в других неблагоприятных условиях.

Сокращенные способы предусматривают измерение расхода воды по средней скорости на 1-2 репрезентативных вертикалях или единичной скорости в точке 0.2 её рабочей глубины.

2.2 Измерение расхода воды поплавками

Измерения поверхностными поплавками. Точность поплавочных измерений существенно ниже, чем вертушечных, поэтому поверхностные поплавки применяются при рекогносцировочных обследованиях рек, выходе вертушек из строя. При интенсивном ледоходе, когда вертушечные измерения становятся невозможными, а в качестве поплавков служат отдельные льдины.

Поплавочные измерения проводят при штиле или небольшом ветре 2-3 м/с . По берегу параллельно основному направлению течения прокладывается магистраль и перпендикулярно к ней разбиваются три створа: верхний, средний и нижний. Расстояние между створами назначается такое, чтобы продолжительность хода поплавков между ними составляла не менее 20 секунд[6].

Измерение скорости течения поверхностными поплавками состоит в определении времени прохождения ими расстояния от верхнего до нижнего створа и мест прохождения через средний створ.

В пусковом створе забрасывается с берега или пускается с лодки первый поплавок, и в момент прохождения им верхнего створа по сигналу наблюдателя, стоящего в этом створе, техник пускает секундомер. В момент пересечения поплавком среднего створа отмечается место прохождения от постоянного начала по размеченному канату или засечками с берега угломерным инструментом. При прохождении поплавком нижнего створа по сигналу наблюдателя, стоящего у этого створа, техник останавливает секундомер.

Следующий поплавок пускается на некотором расстоянии от первого, и вся работа по измерению скорости течения повторяется в том же порядке. Всего пускается 15-20 поплавков, равномерно распределенных по ширине реки[2].

Если невозможно пустить поплавки по всей ширине реки, например на реках, с быстрым течением, где поплавки сносятся к середине потока, расходы воды определяются по наибольшей поверхностной скорости. В этом случае на стрежневую часть потока пускается 5-10 поплавков. Из всех пущенных поплавков выбираются три с наибольшей продолжительностью хода, отличающиеся друг от друга по времени не более чем на 10%; при большем отклонении продолжительности хода пускается ещё 5-6 поплавков.

Запись результатов измерений расходов воды поплавками ведётся в книжке КГ-7М(н).Для определении скорости течения строится график продолжительности хода поплавков, на котором по горизонтальной оси откладываются расстояния от постоянного начала до места прохождения поплавками среднего створа, а по вертикальной оси - продолжительность хода поплавков между верхним и нижними створами. По нанесённым точкам проводится осредненная эпюра распределения продолжительности хода поплавка по ширине реки. В местах перегибов эпюры, а при плавной её форме через равные расстояния назначается не менее 5-6 скоростных вертикалей, которые для удобства обработки совмещаются с промерными вертикалями. Для каждой скоростной вертикали вычисляется поверхностная скорость течения путем деления расстояния между верхним и нижним створами на продолжительность хода поплавка, снятую с эпюры[1].

Умножая площади отсеков между скоростными вертикалями на полусумму поверхностных скоростей на них, получают частичные фиктивные расходы воды qфз. Их сумма, с учетом краевых коэффициентов дает общий фиктивный расход воды Qф. Действительный расход вычисляется по формуле

Q=KQф

К - переходный коэффициент, который вычисляется по формуле Д.Е. Скородумова

К=с2/5/с2/3+1,6

Если с помощью поплавков измерена наибольшая поверхностная скорость, то она используется для вычисления расхода воды Q=KнаибVнаибF, где Vнаиб- среднее значение скоростей трех наиболее быстрых поплавков; Kнаиб=1-5,6ghI/Vнаиб (h-средняя глубина потока; g-ускорение свободного падения)F-площадь водного сечения.

2.3 Измерение расхода воды глубинными поплавками и поплавками-интеграторами

Поплавки этого вида используются для измерения сравнительно малых скоростей течения (до 0,15-0,20 м/с), когда вертушечные измерения мало надежны. И для определения границ мертвого пространства. Скорости течения измеряются с лодки, на которой устроены из трех горизонтальных реек створы: верхний, средний и нижний на расстоянии друг от друга через 1 м. при помощи шеста пускается глубинный поплавок. По секундомеру определяется время прохождения поплавком расстояния от верхнего до нижнего створа. В каждой точке поплавок пускается не менее трех раз. Скорость в точке вычисляется делением длины базиса- расстояния между створами на среднюю продолжительность хода поплавка. Расход воды вычисляется аналитическим способом аналогично расходу воды, измеренному вертушкой, записи ведутся в КГ-3М (н) [6].

Измерение расхода воды гидравлическим способом

Используется когда измерить расход воды другими способами не представляется возможным. Расход воды вычисляется по формуле Q=VсрF, Vср=C RJ,где R-гидравлический радиус; J-продольный уклон; C-скоростной коэффициент или коэффициент Шези C=1/nR x-1,5 n при R<1 м;x-1,3 n при R>1 м.

2.4 Анализ расходов воды, измеренных детальным способом, с целью выяснения возможности перехода на основной способ измерения

Анализ заключается в отборе части скоростных вертикалей, по значениям средней скорости течения которых можно построить эпюру распределения скорости по ширине реки, близкую к эпюре, построенной по всем вертикалям.

Отбор скоростных вертикалей выполняется следующим образом. Для каждой скоростной вертикали дополнительно к графической обработке расхода вычисляется аналитическим способом значение средней скорости течения по сокращенному числу точек: 0,2 и 0,8 рабочей глубины при свободном русле; 0,15; 0,50 и 0,85 рабочей глубины для расходов, измеренных при ледоставе и заросшем русле. Значение средней скорости наносятся на чертеж графической обработки расхода воды, измеренного детальным способом, и по ним вычерчивается эпюра распределения средней скорости течения по ширине реки. Для основного способа измерения расхода воды отбирают те скоростные вертикали, на которых значения средней средней скорости, вычисленные по сокращенному и полному числу точек, совпадают или разнятся незначительно. При сокращении числа скоростных вертикалей одну из них следует назначать в стрежневой части потока, а остальные - в местах основных переломов эпюры[5].

По отобранному числу вертикалей все расходы воды вычисляются вторично уже обычным аналитическим способом. Обычный аналитический способ дает возможность уменьшить число скоростных вертикалей до 7-8, а в некоторых случаях до 5.

Значение каждого расхода, вычисленного аналитическим способом, сравнивается с расходом, обработанным графически и принятым за эталон.

Переход на основной способ измерения возможен при условии:

1.  систематическая ошибка расходов, вычисленных аналитическим способом, не превышает 2%;

2.      средняя суммарная ошибка не превышает 3%;

.        наибольшая ошибка отдельного расхода за вычетом систематической ошибки не превышает 5%.

2.5 Анализ измерения расхода воды с целью перехода на сокращенный способ

Анализ заключается в отборе одной скоростной вертикали в стрежневой части потока, значение скорости на которой (средней, в точке 0,6 или 0,2), умноженное на постоянный коэффициент, отличается от средней скорости водного сечения не более чем на 10%.

2.5.1 Градуирование вертушек в полевых условиях

Производится в том случае, если невозможно отправить вертушку в тарировочный бассейн. Тарирование в текущей воде производится путём сравнения показаний испытуемой вертушки. Для этого в живом сечении реки намечают несколько точек с различными скоростями и в каждой из них сначала измеряется скорость исправной вертушкой, а за тем испытуемой и снова исправной. Вертушка в точке выдерживается не менее 250 сек. Скорость в точке принимается как среднее арифметическое из двух измерений исправной вертушкой. По числу оборотов испытуемой вертушки и по значению скорости исправной вертушки строится тарировочная кривая для тарируемой вертушки[6].

Полевое тарирование в стоячем водоёме может быть произведено способом непосредственного тарирования и путём сравнения с образцовой вертушкой.

Для полевого тарирования любым способом необходим водоём со стоячей водой (пруд, озеро) длиной 100-150м, глубиной не менее 10м, свободной от водной растительности. Для тарирования может быть использована вёсельная или моторная лодка. При непосредственном тарировании на носу лодки на особом выносе укрепляется штанга с испытуемой вертушкой, опускаемой на глубину не менее 0,5м от поверхности. Длинна выноса должна быть такой, чтобы расстояние от носа лодки до вертушки было не менее 1,5м.

При тарировании лодка движется с равномерной скоростью по линии ходового створа. Всего производится 20-30 заездов с разными скоростями. Тарирование производится с двумя секундомерами: по первому определяется время прохождения лодкой рабочего пути, а по второму - время между моментами начала и окончания поступления сигналов вертушки на пути тарирования. При обработке результатов тарирования для каждого заезда вычисляется скорость v и число оборотов лопастного винта в одну секунду n.

2.6 Ускоренные методы измерений расходов воды

.6.1 Общая характеристика ускоренных методы измерений расходов воды

Многоточечные измерения расходов воды вертушками требуют значительных затрат времени. Конечно, в условиях изменчивости расходов воды при этом достигается наименьшая погрешность измерений, чем и окупается их большая продолжительность. Иначе обстоит дело, когда наблюдается явно выраженное неустановившееся движение воды, которое свойственно как естественным паводкам, так и попускам из водохранилищ. В таком случае большая продолжительность измерений порождает дополнительные погрешности, связанные с изменчивостью расходов воды. В этих условиях ускорение измерений обеспечивает не только экономию времени, но и повышение точности получаемых данных. Способы ускоренных измерений весьма многообразны: наряду с точечными наблюдениями они включают такие сложные, как f - интеграционные, акустические и аэрогидрометрические. Рассмотрим основные виды ускоренных измерений, как широко распространенные в настоящее время, так и предназначенные для внедрения в ближайшей перспективе[12].

При сокращенных способах измерения уменьшается количество скоростных вертикалей до одной - трех при условии, что среднее квадратическое отклонение получаемых при этом расходов от результатов измерения основным способом не превышает 5 %. Существует два варианта сокращенных измерений:

) применение интерполяционно-гидравлической модели

) использование его репрезентативных элементов

Интерполяционно-гидравлическая модель расхода воды основывается на представлении измеренной средней скорости на вертикали в виде суммы двух составляющих

                                                                               (1)

где vi - это компонент, измеренной скорости, гидравлически обусловлена глубиной на вертикали. Если считать уклон свободной поверхности и коэффициент шероховатости неизменным по ширине потока, то

                                                                                    (2)

Причем

Вторая в общем случае знакопеременная компонента w зависит от особенностей кинематической структуры потока и поэтому названа структурной составляющей средней скорости на вертикали (она включает также средние случайные погрешности измерения).

Значения wi не следует за изменением глубин. Поэтому для среднего по ширине отсека допустима их линейная интерполяция. На основе чего можем представить себе вид следующей формулы

                                                                     (3)

На основе приведенных предпосылок И.Ф. Карасевым и В.А. Реминюком синтезирована следующая модель расхода воды, названная интерполяционно-гидравлической:

                          (4)