Измерение скорости течения поплавками

План

 

Введение

 

Глава 1. Скорость течения: определения и понятия…………..стр. 4-8

 

Глава 2. Приборы для  измерения скорости течения…………...стр. 9-12

 

Глава 3. Виды поплавков  и измерение ими скорости течения….стр.13-16

 

Заключение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Значение гидрологии, гидрометрии и регулирования  стока определяется главными задачами водного хозяйства как отрасли  науки и техники, охватывающей учет, изучение, использование, охрану водных ресурсов, а также борьбу с вредным  действием вод.

Переходя к теме нашей работы необходимо дать определение гидрометрии. Гидрометрия – наука о методах и средствах определения величин, характеризующих движение и состояние жидкости и режим водных объектов. В задачу гидрометрии входят определения: уровней, глубин, рельефа дна; напоров и давлений; скоростей и направлений течения жидкости, пульсаций скоростей и давлений¹.

Значение рек в жизни столь велико, что в некоторых государствах возникли специальные организации для изучения гидрометрии. В Германии издан ряд монографий, посвященных изучению больших рек, начиная от Рейна и кончая Вислой, в Соединенных Штатах Америки изучение рек ведет Geological Survey. Разливы Дуная и в особенности его притоков Тиссы, Мароша в Венгрии повели к созданию целой сети гидрологических учреждений с центральной станцией в Будапеште. В СНГ обследованию в XIX столетии подвергались Днепр, Волга и ряд других рек; в конце XIX столетия в Европейской России, кроме того, работала специальная экспедиция по обследованию истоков важнейших рек, под общим руководством А.А.Тилло, давшая материал по гидрологии основных водных артерий. Наибольшее развитие в нашей стране в связи с гидротехническим строительством получила речная гидрометрия.

Данная работа посвящена  изучению измерения скорости течения воды с помощью поплавков. Цель данной работы  - познакомиться с основными методами измерения скорости течения, дать соответствующие определения и проанализировать расчет скорости с помощью поплавков. В соответствии с целью работы текст будет разделен на три главы.

Глава 1. Скорость течения: определение и понятия

           Измерение скоростей течения  чаще всего связано с определением  расходов воды, но имеет и большое  самостоятельное значение при  возведении и раскрытии перемычек,  перекрытии русл рек, строительстве сооружений на реках, обеспечении безопасного плавания судов.

Вид реки, количество воды в ней, скорость ее течения значительно  изменяется в течение года. Эти  изменения связаны, прежде всего, со сменой сезонов года, с таянием снега, засухами, дождями, т.е. теми естественными факторами, которые определяют поступление в реку питающих ее вод. Характерные особенности изменения состояния реки во времени называются ее гидрологическим режимом.

Наблюдения показывают, что скорости течения распределяются по поперечному сечению рек неравномерно. Они достигают максимальной величины или на самой свободной поверхности, или на незначительной глубине от нее. По мере приближения ко дну скорость уменьшается². Картину распределения скоростей можно изобразить на графике. Для этого глубина каждой точки откладывается по вертикали (сверху вниз), а скорости течения по горизонтали (слева направо). Соединяя концы горизонтальных линий, изображающих скорости потока, получаем кривую, называемую годографом скоростей (Рисунок 1).

 

Рисунок1. Годограф скоростей  живого потока.  

Наблюдения показывают, что скорость течения в реке обычно уменьшается от верховьев вниз по течению. Причина этого заключается  в том, что вода при своем движении испытывает трение, как внешнее о дно, берега и о воздух, так и внутреннее, вследствие неодинаковой скорости и различного направления движения частиц воды. В конце концов препятствия, испытываемые водой при ее движении, настолько велики, что поглощают все ускорение, приобретаемое водой при падении от истоков к устью.

Вследствие трения в  данном живом сечении реки (рисунок 2) наибольшая скорость (в случае правильного поперечника реки) находится в середине (рисунок 2, Umax), но не на поверхности, а на некоторой небольшой глубине, так как на поверхности вода испытывает трение о воздух и наблюдается поперечная циркуляция течения.

Рисунок 2. Распределение  скоростей в живом потоке

 

Соединяя точки поперечных сечений реки, в которых течение наиболее быстрое, получим извилистую линию, которая называется стрежнем или осью реки. Наглядное понятие о распределении скоростей в данном живом сечении реки можно получить, соединив линиями - изотахами - точки, имеющие одинаковую скорость. Само распределение местных скоростей u в вертикальной плоскости, перпендикулярной к живому сечению потока, называется профилем скоростей – u = u(y) или эпюрой скоростей на вертикали, где y – расстояние до дна потока (рисунок 2)³.

Положение точки с  наибольшей скоростью определяется соотношением между скоростями поверхностной и придонной (соотношением трения поверхностного и продольного). Увеличение шероховатости дна повлечет за собой уменьшение придонной скорости и соответствующее приближение точки с наибольшей скоростью к поверхности.

Направление стрежня  особенно ярко выражено там, где течение  сильное, а его поверхность, волнистая  от ветра, представляет собою светлую, ясно очерченную лентообразную полосу, местами прерывающуюся.

Таким образом, скорость течения определяется: 1)уклоном поверхности реки 2) формой русла 3) шероховатостью русла⁴.

При этом нужно иметь в виду, что скорость определяется уклоном  поверхности воды в реке, а не уклоном русла. Если поверхность  воды горизонтальна (например перед  плотиной), то течения не будет.

  Формула Шези⁵, давая зависимость скорости от факторов, ее определяющих, позволяет предвидеть, как будет меняться скорость при изменении этих факторов.

, где 

             V — средняя скорость потока, м/с;

C — коэффициент сопротивления трения по длине (коэффициент Шези), являющийся интегральной характеристикой сил сопротивления;

R — гидравлический радиус, м;

I — гидравлический уклон м/м.

 Вследствие неодинаковых скоростей движения воды в живом сечении поверхность реки не является горизонтальной. При повышении уровня реки к середине притекает более воды, чем к краям, и поверхность принимает выпуклый вид, что весьма наглядно обнаруживается, например, в наших реках до вскрытия льда: лед вследствие прибыли воды к середине принимает также выпуклую форму (рисунок 1 буква q). При спаде вод стекает наибольшее количество воды серединой реки, и поверхность реки принимает вогнутую форму. Проистекающая от этого разность уровней, например в реке Миссисипи достигает 2 метров.

          Кроме того, поперечный профиль реки искажается центробежной силой, силой Кориолиса, происходящей от вращения земли, и сгоно-нагонными ветрами, дующими поперек реки. Различают два типа движения жидкости - ламинарное и турбулентное⁶.

Если скорость в каждой точке изобразить вектором (стрелкой, дающей направление скорости и ее величину), то при ламинарном движении вектор скорости в каждой заданной точке будет постоянен, не будет меняться.         В природе к ламинарному приближается движение подземных вод по мелким порам. Частным случаем ламинарного движения будет параллелоструйное.

Турбулентное движение характеризуется непостоянством, изменчивостью  вектора скорости в каждой заданной точке живого сечения или вертикали. При этом Ut в данной точке потока в данный момент времени называется местной мгновенной скоростью⁷. Колебания местной скорости во времени по величине и направлению (эта изменчивость) называется пульсацией скорости (рисунок 2: u1, u2, u3, u4). Таким образом, при турбулентном движении каждая отдельная частица воды, приходя в заданную точку, будет проходить ее в разных направлениях и с разной линейной скоростью. Турбулентное движение широко распространено в природе. Все достаточно быстро текущие поверхностные воды турбулентны. Можно с уверенностью утверждать, что реки имеют только турбулентное течение. Частным случаем турбулентного движения является вихревое (водовороты, воронки).

Вектор скорости турбулентного  движения можно разложить на составляющие - горизонтальную, вертикальную и боковую. Горизонтальная составляющая характеризует  снос по течению, а вертикальная - перемещение частиц воды вверх или вниз⁸.

Значение турбулентности речного течения исключительно  велико. Ею определяется перемешивание  речной воды и перенос материала  во взвешенном состоянии.

Количество (объем) воды, протекающей через площадь живого сечения в единицу времени, называется расходом реки. Расход за продолжительное время называется стоком. Обычно различают сток годовой, месячный, суточный.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. Приборы для измерения скорости течения

Из главы 1 можно сделать вывод о том, что направления и скорости течений могут быть определены судоводителем по различным видимым с судна береговым предметам: кустам, сваям, камням и т. д. При большой скорости течения вода поднимается выше этих предметов, образуя подпор. Затопленные кусты под напором течения ритмично раскачиваются, вибрируют, а от жестких предметов - столбов, свай, мостовых опор - отходят в стороны волны. Чем больше скорость течения, тем острее угол волнообразования и выше волна. При небольшом течении виден слабый след ниже предмета. Направление и примерную скорость течения определяют по плывущим по поверхности воды предметам, в том числе и специально для этого брошенным в воду. Однако, все перечисленные примеры могут дать только приблизительный расчет скорости течения. Для более точных измерений используются приборы. Существует большое количество методов для измерения скоростей течения воды и приборов, действие которых основано на различных физических принципах. Здесь остановимся только на тех из них, которые применяются или могут быть использованы в гидрометрических работах.

Основными приборами для измерения  скоростей течения воды в реках  и каналах (в натуральных условиях) являются гидрометрические поплавки и  гидрометрические вертушки. В лабораторных условиях используют гидрометрические микровертушки, гидрометрические трубки, термогидрометры,  лазеры.

О гидрометрических поплавках речь пойдет в главе 3, поэтому мы начнем с гидрометрических вертушек.

Гидрометрические вертушки. Основные конструктивные элементы вертушек – рабочее колесо с осью вращения, корпус, счетно-контактный механизм и хвостовое оперение. Датчиком определения скорости служит рабочее колесо – ротор (рисунок 3).

 

Рисунок 3. Вертушка Н.Е. Жестовского

Чем больше скорость течения  жидкости u, тем быстрее оно вращается. Следовательно,  n = n (u), где n – количество оборотов ротора за единицу времени. Зависимость u = u (n) без учета трения в механизме вертушки и гидравлического сопротивления выражается уравнением⁹:

u = kгn, где kг – геометрический шаг лопастного винта.

Из уравнения следует, что kг – участок пути, проходимый жидкостью за время одного оборота ротора.

Скорость движения воды определяют по частоте вращения лопастного винта, которую учитывают с помощью электрического тока, подводимого от батарей через клеммы. Вертушка погружается в воду на требуемые глубины, перемещаясь по штанге. Скорость вращения лопастного винта фиксируется с помощью звонка. Одно замыкание электрической сигнальной цепи соответствует 20 оборотам винта. Скорость вычисляет после тарировки вертушки по специальным графикам или таблицам, в которых приводится скорость в зависимости от частоты вращения лопастного винта.

Гидрометрические  трубки. Метод, основанный на регистрации скоростного напора. Для измерения скорости используются гидрометрические трубки различной конструкции, прообразом которых является трубка Пито-Прандля (1732 г.) (рисунок 4). Скорость определяется в зависимости от скоростного напора, для этого трубка вводится в поток отверстием навстречу течению.

 

 

Рисунок 4. Гидрометрическая трубка.

          Скоростной напор измеряется непосредственно по высоте подъема уровня в трубке.  Через центральное отверстие на полусфере (критическая точка) измеряется полное давление p₀; другое отверстие (или ряд отверстий) I располагается на боковой поверхности трубки на расстоянии нескольких диаметров трубки от носика и от державки и служит для измерения статического давления р. Геометрическая форма, форма отверстий и расстояние от них до носика трубки выбираются так, чтобы давление в боковых отверстиях по возможности мало отличалось от статического давления в исследуемой точке потока. Небольшое несоответствие давлений учитывается поправочным коэффициентом x, который определяют тарировкой. Зная р и p₀, вычисляют скорость потока v на основании уравнения Бернулли. Для несжимаемой жидкости  _.¹⁰ 

Метод, основанный на применении ультразвука¹¹. При распространении ультразвуковых колебаний в движущейся среде, в частности в воде, скорость ультразвука относительно неподвижной системы координат равна векторной сумме скорости звука и скорости самой среды. Ультразвуковой метод применяется в настоящее время для измерений в закрытых трубопроводах расходов различных жидкостей, в том числе загрязненных, агрессивных и кристаллизующихся, а также пульп. В гидрометрии он пока широко не применяется. В настоящее время в нашей стране и за рубежом проводятся исследования и разрабатываются ультразвуковые приборы для измерения скоростей течения и расходов воды как в лабораторных лотках, так и в реках.

Метод, основанный на измерении объема воды, вошедшей в прибор за время наблюдения. В поток вводится прибор — батометр (рисунок 5), 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 единицу времени¹². 

Рисунок 5. Батометр.

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

 

 

Глава 3. Виды поплавков  и измерение ими скорости течения (примеры)

В настоящее время  при гидрометрических работах на реках, водохранилищах, каналах измерение скоростей течения производится чаще всего гидрометрическими поплавками и вертушками.

В зависимости от измеряемой скорости (местной u, средней по вертикали uв или по всему живому сечению v) гидрометрические поплавки подразделяют на точечные и интеграционные¹³. Точечными поплавками измеряют скорость u с осреднением (скорости) по длине траектории движения поплавка, вторыми – скорость uв c осреднением по глубине на вертикали и по длине и v с осреднением по всему сечению и по длине потока. Точечные поплавки подразделяют на поверхностные и глубинные.

В качестве поплавков  можно использовать бруски дерева или отпиленные от бревна цилиндрические кружки высотой 3-7 см. В качестве поплавков на небольших реках чаще всего применяются деревянные кружки диаметром 10 –15 см (рисунок 6). Недостатком измерения является то, что определяется только поверхностная скорость, а она обычно больше средней скорости, вследствие этого результаты измерений оказываются завышенными (так называемый фиктивный). 

Для лучшей видимости поплавки снабжают яркими флажками или окрашивают поверхность  в яркий цвет.

Скорость движения поплавка определяют по длине траектории его движения за соответствующий промежуток времени. 
Рисунок 6. Стандартный

гидрологический поплавок

 

При измерении скоростей  поплавками на реке выбирается прямолинейный  участок 10 –20 м, чтобы продолжительность хода поплавков была не менее 20 секунд. Вдоль реки устанавливаются четыре поперечных створа – пусковой, верхний, нижний, средний – с одинаковыми расстояниями между ними. Каждый створ закрепляется двумя вешками (Рисунок 7)¹⁴.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7. Схема размещения створов на реке.

 

На среднем створе необходимо натянуть размеченный трос (шнур), с хорошо заметными с берега метками и произвести промеры  глубин водомерной рейкой или ручным лотом. 

Поплавки пускают по одному от пускового створа по всей ширине реки. Общее число поплавков должно быть 15 – 20 штук. По секундомеру засекают время прохождения поплавков между верхним и нижним створом. Зная путь и время, находят скорость течения. При пересечении поплавком среднего створа по размеченному тросу определяют его расстояние от уреза воды или точки принятой за постоянное начало. Поплавки объединяют в группы, близкие по месту прохождения среднего створа (Рисунок 8). Если продолжительность хода отдельных поплавков одной группы различается более, чем на 10 секунд, данные не учитываются и пускаются дополнительные поплавки. Данные при измерении скоростей поверхностными поплавками рекомендуется оформлять в виде в таблицы¹⁵. 
Рисунок 8. Группировка поплавков

№    поплавков	Место прохождения поплавков через  средний створ, м	Продолжительность хода поплавков, t, сек	Номер группы, к которой отнесен  поплавок	Примечание
1	2	3	4	5

Таблица 1 
Измерение расхода воды поплавками 

 

 

 

 

 

 

 

Далее нужно определить среднюю продолжительность хода поплавков ( t _ср) в каждой группе в секундах по формуле:

, где t - продолжительность хода поплавков; n – число поплавков, входящих в данную группу.

 

Таким образом, можно  определить как направление движения поплавка, так и его скорости на отдельных участках. Скорость поплавка определяется путем деления длины пути между двумя последовательными засечками (взятой с плана по масштабу и выраженной в метрах) на число секунд между засечками. Можно также построить масштаб скоростей для данного плана в масштабе 1:m и времени t между засечками, с помощью которого скорость отсчитывается непосредственно по расстоянию между двумя соседними точками. Основанием масштаба а, выраженным в см, будет длина пути в масштабе плана, проходимая поплавком за время t при скорости поплавка v₀= 1 м/сек.Этот путь пропорционален скорости v₀. Если поплавок в течение времени t прошел со скоростью v путь длиной на плане l см, то можно написать пропорцию¹⁶:

Построив на таком  основании масштаб скоростей, можно  эти последние определять, измеряя  по этому построенному масштабу расстояние между последовательными засечками поплавка.

Заключение.

Роль текучей воды на земле громадна и всегда обращала на себя внимание человека. Недаром  с глубокой древности многие реки были олицетворены; и в глазах современной  науки реки являются наиболее активным элементом физической географии.

В данной работе я проанализировала метод измерения скорости течения  с помощью гидрометрических поплавков  и пришла к выводу, что это наиболее практичный и дешевый способ измерения  скорости течения. Анализ литературы и  источников помог мне убедиться в том, что другие существующие методы измерения не столь практичны, хотя имеют ряд положительных качеств. В дальнейшем, при необходимости замера скорости течения я буду активно использовать данный метод.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература:

1.  Гидрология, гидрометрия и регулирование стока, учебник под ред. Г.В. Железнякова, Изд. Колос, 1984

 

2. Гидрология, учебник для ВУЗов В. Михайлов, А.  Добровольский, С. Добролюбов, Изд. Астра, М.2007

3. Гельперин А., Сергеев С., Гидрогеология: Учебник для вузов. Изд. Московского государственного горного университета, М. 2009

 

 

Интернет-ресурсы

1. http://gidrometriya.far.ru. Материалы по гидрометрии

   2.   http://skyrage.rul. Все о мелиорации

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¹ Гидрология, гидрометрия и регулирование стока, учебник под ред. Г.В. Железнякова, С.5

²Гидрология, учебник для ВУЗов В. Михайлов, А.  Добровольский, С. Добролюбов, С.48

³  Гидрология, гидрометрия и регулирование стока, учебник под ред Г.В. Железнякова, С.53

⁴ Гельперин А., Сергеев С., Гидрогеология: Учебник для вузов, С.94

⁵ Формула Шези — формула для определения средней скорости потока при установившемся равномерном турбулентном движении жидкости в области квадратичного сопротивления для случая безнапорного потока. Опубликована французским инженером-гидравликом А. Шези в 1769 году. Применяется для расчётов потоков в речных руслах и канализационых системах.

⁶ Гельперин А., Сергеев С., Гидрогеология: Учебник для вузов, С.79

² Гидрология, гидрометрия и регулирование стока, учебник под ред Г.В. Железнякова, С.54

 

⁸ Гидрология, гидрометрия и регулирование стока, учебник под ред. Г.В. Железнякова, С85

 

⁹ Гидрология, гидрометрия и регулирование стока, учебник под ред. Г.В. Железнякова, С.63

 

¹⁰ http://gidrometriya.far.ru

 

¹¹ http://skyrage.rul. Все о мелиорации

 

¹² http://gidrometriya.far.ru

 

¹³ Гидрология, гидрометрия и регулирование стока, учебник под ред Г.В. Железнякова, С.57

 

¹⁴ http://gidrometriya.far.ru

 

¹⁵ http://gidrometriya.far.ru

 

¹⁶ Гидрология, гидрометрия и регулирование стока, учебник под ред. Г.В. Железнякова, С.59