Файл: Быков В.Д. Гидрометрия учебник.pdf

РАЗДЕЛ IV

И З М Е Р Е Н ИЕ СКОРОСТЕЙ ТЕЧЕНИЯ ВОДЫ

Глава 10

С К О Р О С ТИ ТЕЧЕНИЯ в РУСЛОВЫ Х ПОТОКАХ

10.1. Пульсация скоростей

Определение скоростей течения воды необходимо при измере­ нии расходов воды, а также при изучении течений для нужд судо­ ходства и лесосплава, строительства мостов и гидротехнических со­ оружений, при изучении скоростного поля рек, водохранилищ и озер для решения ряда научных и практических задач.

Приступая к рассмотрению вопроса об измерении скоростей течения воды, необходимо остановиться на современных представ­ лениях о физической сущности самой измеряемой величины, т. е. скорости течения.

В русловых потоках — реках, каналах, водохранилищах, в ко­ торых производятся измерения скоростей течения методами гид­ рометрии, наблюдается турбулентный режим движения воды, ко­ торый характеризуется перемешиванием водных масс, вызываю­ щим пульсацию скоростей как по величине, так и по направлению. Причиной турбулентного перемешивания является возникновение вихрей на выступах шероховатости русла; вихри, отрываясь от вы­ ступов, проникают в толщу потока. В результате этого вся масса воды потока движется в условиях непрерывного перемешивания отдельных объемов воды. В связи с этим скоростное поле потока представляет собой сложную картину, непрерывно меняющуюся во времени. Повороты русла, всевозможные препятствия (камни, вод­ ные растения), а также разные русловые образования (песчаные гряды, перекаты и др.) вносят искажения в скоростное поле по­ тока. При обтекании потоком препятствий за ними возникают зоны завихрений, при этом возможно возникновение обратных течений.

Современная аппаратура позволяет измерить и записать на ленте осциллографа пульсационные изменения скорости течения во времени. Подобные измерения показывают, что пульсационные изменения происходят с большой частотой, причем на отдельные пики значительной амплитуды накладываются пики меньшей ам­ плитуды, но большей частоты. Для примера на рис. 10.1 приведен

100

продолжительность и амплитуду отдельных пульсаций. Установ­

компоненты в прямоугольной системе координат. При этом одну из координатных осей направляют горизонтально вдоль продольной оси потока. Проекцию вектора мгновенной скорости на эту ось на­ зывают продольной составляющей или продольной скоростью. Про­ екцию же вектора на вертикальную ось называют вертикальной со­ ставляющей или вертикальной скоростью.

В практической гидрометрии, как правило, приходится иметь дело со скоростями течения, осредненными во времени. Скорость течения в точке потока, осредненная за достаточно продолжитель­

Как показали наблюдения, при установившемся движении воды всегда можно определить такую величину Т, которая будет удов­

101

Период времени, соответствующий этому условию, называется п е р и о д о м о с р е д н е н и я . Величина периода осреднения зави­ сит от степени турбулентности потока: чем больше турбулентность, тем больше период осреднения. При измерении скоростей течения очень важно, чтобы продолжительность отдельного измерения была бы не менее периода осреднения. В противном случае величина местной скорости будет определена неверно.

Определению величины периода осреднения при гидрометриче­ ских измерениях были посвящены многочисленные исследования. Строго говоря, даже в различных точках одной и той же верти­ кали период осреднения должен быть различным — как правило,

Рис. 10.2. Направления и величины скоростей в разных точках по глубине вертикали.

он возрастает от поверхности ко дну. Однако определение периода осреднения при каждом отдельном измерении очень усложнило бы производство гидрометрических работ. Поэтому у нас в стране принято производить измерение скорости течения в точке в течение 100 секунд, что для большинства случаев оказывается достаточ­ ным, т. е. это время превышает период осреднения. При большой степени турбулентности этой продолжительности может все же оказаться недостаточно. Тогда она должна быть увеличена. Прак­

Следует иметь в виду, что направления векторов местных ско­ ростей в отдельных точках могут сильно отклоняться от общего направления движения потока. Многочисленными наблюдениями установлено, что в реках даже при отсутствии препятствий, иска­ жающих скоростное поле, отклонение скоростных векторов от об­ щего направления потока может достигать в отдельных точках живого сечения 50—65°. Сказанное иллюстрируется рис. 10.2, на ко­ тором показаны векторы местных скоростей в разных точках по глубине вертикалей гидроствора на р. Угам у с. Ходжикеит (по В. В. Дементьеву).

102

10.2. Распределение скоростей в речном потоке

Распределение скоростей течения воды в речном потоке может быть весьма разнообразным в зависимости от типа реки (равнин­ ная, горная и др.), морфологических особенностей, шероховатости русла, уклона водной поверхности. Будем в дальнейшем рассмат­ ривать распределение местных продольных скоростей.1 При всем разнообразии указанных выше факторов существуют некоторые

Не останавливаясь на всех предлагавшихся формулах, приведем

мерный параметр, величина которого зависит от коэффициента Шези (С):

1 Далее местную скорость (осредненную во времени) будем обозначать бук­ вой и, без черточки сверху.

103

Определение коэффициента Шези рассматривается в разделе 15.2.

Формула (10.3) представляет собой уравнение эллипса и ос­ нована на гипотезе о пропорциональности коэффициента турбу­ лентного обмена местной скорости [37]. По имеющимся данным, эта формула дает хорошее соответствие с эпюрами измеренных скоро­ стей течения в условиях установившегося равномерного движения воды в реках.

Если измерить площадь эпюры скоростей н разделить ее на глу­ бину вертикали, то получим величину, которая называется с р е д -

что при отсутствии искажении средняя скорость на вертикали от­ крытого потока располагается на глубине от поверхности, равной примерно 0,6/г.

вием различных факторов, например, неровностями дна, водной растительностью, ветром, ледяными образованиями и др. При зна­ чительных неровностях дна скорость у дна может резко снижаться, примерно так, как показано на рис. 10.4; такое же влияние может оказывать водная растительность.

При ветре по течению поверхностные скорости могут увеличи­ ваться, а уровень воды несколько понижаться; при ветре против течения наблюдается обратная картина (рис. 10.5).

104