Файл: Быков В.Д. Гидрометрия учебник.pdf

В устьевых участках рек, впадающих в моря с приливными яв­ лениями, морская вода может при определенных соотношениях между расходом реки и интенсивностью прилива входить в речное русло п двигаться вверх по реке. Обладая большей плотностью, эта вода продвигается .в придонной части русла. При этом распределение скоростей на вертикали может иметь вид, показан­ ный на рис. 10.6.

Подобно эпюрам скоростей на вертикалях можно построить

Рис. 10.7. Эпюры скоростей на вертикали при ледяном по­ крове (а) н подледной шуге (б).

обычно следуют очертаниям дна; местоположение наибольшей ско­ рости приближенно совпадает с положением наибольшей глубины.

Представление о распределении скоростей в живом сечении дают линии равных скоростей — изотахи, которые вычерчиваются

105

по данным измерений скоростей в отдельных точках. Характер изотах для открытого потока и при наличии ледяного покрова пока­ зан на рис. 10.10. Для открытого потока изотахп обычно имеют

О)

Рис. 10.10. Изотахп в открытом русле (а) и подо льдом (б).

вид плавных кривых, не замыкающихся в пределах живого сече­ ния; по мере приближения ко дну расстояния между изотахами уменьшаются. При ледяном покрове часть нзотах образует замк­ нутые кривые.

106

Глава И

МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТЕЙ ТЕЧЕНИЯ ВОДЫ

11.1. Классификация методов измерения

Существует большое количество методов для измерения скоро­ стей течения воды и приборов, действие которых основано на раз­ личных физических принципах. Здесь остановимся только на тех из них, которые применяются или могут быть использованы в гид­ рометрических работах.

Метод, основанный на регистрации числа оборотов лопастного винта (ротора). Скорость течения измеряется наиболее распро­ страненными приборами — гидрометрическими вертушками. При измерении скорости регистрируется общее число оборотов лопаст­ ного винта и продолжительность измерения. Величина скорости оп­ ределяется по тарировочному графику в зависимости от числа обо­ ротов в секунду. Посредством гидрометрических вертушек обычно определяется местная скорость течения в отдельных точках потока, хотя вертушки могут также применяться для интеграционного оп­ ределения средней скорости на вертикали пли, например, средней поверхностной скорости потока.

Метод, основанный на регистрации скорости плывущего тела.

Для измерения скорости используются различного рода поплавки, которые могут запускаться как на поверхность потока, так и на требуемую глубину. Скорость течения принимается равной скоро­ сти движения поплавка, которая определяется по времени прохож­ дения поплавком определенного расстояния. Отсюда видно, что при поплавочных измерениях получаем величину скорости, осредненную для участка потока по траектории движения поплавка.

Метод, основанный на регистрации величины скоростного на­ пора. Для измерения скорости используются гидрометрические трубки различной конструкции, прообразом которых является трубка Пито (1732 г.). Скорость определяется в зависимости от величины скоростного напора, для этого трубка вводится в поток отверстием навстречу течению. Величина скоростного напора изме­ ряется непосредственно по высоте подъема уровня в трубке. Гид­ рометрические трубки дают местную скорость в отдельных точках потока.

Метод, основанный на регистрации величины силового воздей­ ствия потока. Для измерения скорости используются приборы, в которых имеется чувствительный элемент, воспринимающий сило­ вое воздействие потока. В настоящее время подобные приборы применяются главным образом для научно-исследовательских ра­ бот с целью измерения и осциллографической записи мгновенных скоростей в отдельных точках потока. Они позволяют исследовать пульсацию скоростей. Ранее применявшиеся приборы для измере­ ний в естественных потоках описаны в литературе [17 и др.].

107

Метод, основанный на принципе теплообмена. Для измерения скорости используются приборы, имеющие в качестве рабочего ор­ гана нагретый элемент, вводимый в поток. Скорость течения опре­ деляется в зависимости от быстроты охлаждения чувствительного элемента: чем больше скорость, тем выше темп охлаждения. Подоб­ ные приборы применяются для научных исследований, главным образом в лабораторных условиях; с их помощью измеряют мгно­ венные скорости, обычно с непрерывной записью на осциллографе.

Метод, основанный на измерении объема воды, вошедшей в прибор за время наблюдения. В поток вводится прибор —бато­ метр, входным отверстием навстречу течению, и выдерживается определенное время, после чего вынимается; измеряется объем воды, вошедшей в прибор. Скорость определяется по тарировочному графику в зависимости от объема воды, вошедшей за еди­ ницу времени. Этот способ почти вышел из употребления.

Метод, основанный на применении ультразвука. При распро­ странении ультразвуковых колебании в движущейся среде, в ча­ стности в воде, скорость ультразвука относительно неподвижной системы координат равна векторной сумме скорости звука и ско­ рости самой среды. Ультразвуковой метод применяется в настоя­ щее время для измерений в закрытых трубопроводах расходов раз­ личных жидкостей, в том числе загрязненных, агрессивных и кри­ сталлизующихся, а также пульп. В гидрометрии он пока широко не применяется. В настоящее время в нашей стране и за рубежом проводятся исследования и разрабатываются приборы для изме­ рения скоростей течения и расходов воды как в лабораторных лот­ ках, так и в реках. По имеющимся данным, этот метод является перспективным для измерения расходов воды в реках.

В настоящее время при гидрометрических работах на реках, водохранилищах, каналах измерение скоростей течения произво­ дится в основном гидрометрическими вертушками. Реже применя­ ются поплавки, но следует отметить, что в последнее время по­ плавки получили широкое применение для измерения скоростей течения аэрометодами (см. главу 33). Остальные из указанных выше методов и приборов употребляются главным образом при проведении научно-исследовательских работ, в основном в лабора­ торных условиях. Ввиду этого ниже главное место отводится опи­ санию гидрометрических вертушек и работе с ними.

11.2. Гидрометрические вертушки

Краткие исторические сведения. Применение гидрометрических вертушек для измерения скорости течения воды позволило присту­ пить к накоплению систематических сведений о режиме водных по­ токов. Идея прибора — измерение скорости в зависимости от числа оборотов ротора — впервые отражена в трудах Леонардо да Винчи (XV век), но он применил этот принцип для прибора, служащего для измерения скорости ветра.

108

Изобретение гидрометрической вертушки во многих литератур­ ных источниках приписывается гамбургскому гидротехнику Р. Вольтману, издавшему в 1790 г. свой труд «Теория и употреб­ ление гидрометрических вертушек»1 . Однако еще задолго до Вольтмана применялись приборы для измерения скоростей тече­ ния, основанные на том же принципе, что и вертушка. Н. Д. Тяпкни отмечает, что первый изобретатель вертушки неизвестен, а Вольтман лишь ввел в старой вертушке «изменения, выдвинув­ шие этот прибор па вид» [59].

Прототипом гидрометрической вертушки можно считать так на­ зываемое колесо Леопольда, о применении которого для измерения

регистрируемому количеством витков нити, наматываемой на ось колеса при его вращении.

Гидрометрическая вертушка прочно вошла в практику и до сих пор является наиболее распространенным и одним из лучших при­ боров для измерения скоростей течения воды.

Классификация гидрометрических вертушек. Имеется очень много различных типов и конструкций гидрометрических вертушек. Современные вертушки различаются по ряду признаков: направ­ лению оси вращения, устройству лопастного винта или ротора, уст­ ройству контактного и счетного механизмов, способу опускания вертушки в воду и пр.

По направлению оси вращения различают вертушки с горизон­ тальной и с вертикальной осью. К первым относятся, например, наиболее распространенные у нас вертушки типа Ж-3, ГР-21 и др., ко вторым — вертушки типа Прайса.

По устройству лопастного винта или ротора вертушки подраз­ деляются на две группы: с лопастным винтом, образованным вин­ товой поверхностью, и с ротором, состоящим из конусообразных чашек; некоторые типы морских вертушек, например ВМ-М, снаб­ жаются ротором в виде крылатки. Большинство современных реч­ ных вертушек имеют лопастные винты, образованные винтовой по­ верхностью с параболической образующей, — вертушки Ж-3, ГР-21 и др. Вертушки с чашечным ротором для речных гидрометрических работ применяются главным образом в США (вертушка Прайса). Форма лопастного винта или ротора имеет большое значение для правильного измерения скорости течения, о чем более подробно сказано ниже.

По устройству счетно-контактного механизма различают вер­ тушки с механическим счетчиком числа оборотов и с электрической сигнализацией. Большинство современных вертушек имеет электри­ ческую сигнализацию, преимуществом которой является то, что вертушку не надо вынимать из воды для отсчетов. Примером

1 Theorie und Gebrauch des Hydrometrischen Flugels oder eine zuverlassige Methode die Qeschwindigkeit der Winde und stromender Gewasser zu beobachten von Reinhard. Woltnian. Hamburg, 1790.

109