Файл: гдрлг.docx

В речном потоке существуют следующие внутренние течения: 1) течение, вызываемое кривизной русла; 2) течение, возникающее при вращении земли вокруг оси; 3) вращательное (вихревое) движение воды, обусловленное недостаточной обтекаемостью русловых форм.

Различают мгновенную скорость и местную скорость в точке потока. Мгновенной скоростью (U) (см. рис. 1) называется скорость в данной точке потока в данное мгновение. В прямоугольной системе координат мгновенная скорость имеет продольную составляющую, направленную горизонтально вдоль продольной оси потока и вертикальную - направленную по вертикальной оси потока.

В практических расчетах, как правило, приходится иметь дело со скоростями течения, осредненными во времени. Скорость течения в точке потока, осредненная за достаточно продолжительный период времени, называется местной скоростью и определяется выражением, где- площадь графика пульсации скорости в пределах периода времениT (рис. 1).

Рис. 1. График пульсаций продольной составляющей скорости течения воды.

Распределение скоростей в речном потоке.

Распределение скоростей течения воды в речном потоке разнообразно и зависит от типа реки (равнинная, горная и др.), морфометрических особенностей, шероховатости русла, уклона водной поверхности. При всем разнообразии существуют некоторые общие закономерности в распределении скоростей по глубине и по ширине реки.

Определение средней скорости по вертикалы в открытом русле.

1. При измерении скорости в пяти точках по вертикалы (3)

(4)

2. При измерении скорости в трех точках на вертикалы (5)

(6)

При измерении скорости в двух точках на вертикали

(7)

4. При измерении скорости в одной точке

(8)

Определение средней скорости по вертикалы в русле, заросшем водной растительностью, или при наличии ледяного покрова.

1.При измерении скоростей в шести точках на вертикали

(9)

2. При измерении скоростей в трех точках на вертикали

(10)

3. При измерении скоростей в одной точке

(11)

Методы и приборы для измерения скоростей течения воды. Существует большое количество методов для измерения скоростей течения воды и приборов, действие которых основано на различных физических принципах. Здесь остановимся на некоторых из них.

1) Метод, основанный на регистрации числа оборотов лопастного винта (ротора). Скорость течения измеряется гидрометрическими вертушками.

2) Метод, основанный на регистрации скорости плывущего тела. Скорость течения измеряется поплавками. При этом скорость течения принимается равной скорости движения поплавка.

3) Метод, основанный на регистрации величины скоростного напора. Для измерения скорости используются гидрометрические трубки (трубка Пито).

4) Метод, основанный на регистрации величины силового воздействия потока.

5) Метод, основанный на принципе теплообмена.

6) Метод, основанный на измерении объема воды, вошедшей в прибор за время наблюдения.

Лекция № 4. Методы определения расходов воды

Расходом воды называется обьем ее, протекающий через поперечное сечение потока в единицы времени. Для крупных вотоков - рек, каналов, водосбросов гидротехнических сооружений и т.п. – расход выражается в кубических метрах в секунду; расходы малых водотоков – родников, ручьев, лабораторных лотков и пр. – в литрах в секунду.

Существующие методы определения расхода воды можно разделить на две основные группы: непосредственное измерение расхода воды и косвенное измерение расхода воды.

При косвенном определении расходов воды измеряется не сам расход (объем воды), а отдельные элементы потока, а величина расхода получается путем вычислений.

Расход воды через элементарную площадку (Рис. 1) можно выразить формулой dQ = U cos , где U - скорость в пределах элементарной площадки;  - угол между направлением скорости и нормалью; - величина элементарной площадки.

Расход воды через всю площадь поперечного сечения потока будет Q =u cos d = cosu dx dy, при  = 0 Q =u dx dy =udw

u-скоростной вектор; u cosα-проекция аналитическим способом: I,II,III-

скоростного вектора на нормаль номера скоростных вертикалей

к площадке

1. Вычисление расхода воды аналитическим способом. (метод “скорость-площадь). В гидрометрии наиболее распространен способ определения расходов воды, основанный на измерении местных скоростей течения гидрометрической вертушкой и площади живого сечения потока, сокращенно называемый способом «скорость-площадь» или «аналитическим способом».

Аналитический способ основан на рассечении модели расхода вертикальными плоскостями, перпендикулярными живому сечению, и определении расхода воды Q как суммы частных расходов между соседними плоскостями, проходящими через скоростные вертикали (см.рис. 2).

Расход воды вычисляется по приближенной формуле, имеющий вид

где V₁, V₂ ,...., V_n - средние скорости на вертикалях; ₀ - площадь живого сечения между берегом и первой скоростной вертикалью; ₁, ₂, ..., _n-1 - площади живых сечений между скоростными вертикалями; _n - площадь живого сечения между последней скоростной вертикалью и берегом; К - эмпирический коэффициент, величина которого для различных случаев принимается следующей:

В формуле (4) каждое слагаемое представляет собой частичный расход воды: первое слагаемое - частичный расход между берегом и первой скоростной вертикалью, второе слагаемое - частичный расход между первой и второй вертикалями и т.д. Величина каждого частичного расхода вычисляется путем умножения средней скорости на вертикали на соответствующий участок площади живого сечения

Скорость течения измеряют на скоростных вертикалях. Число скоростных вертикалей и точек измерения скорости зависит от состояния водотока, глубины потока и требуемой точности вычисления расхода.

Скорости в отдельных точках живого сечения измеряются одной гидрометрической вертушкой, последовательно перемещаемой от вертикали к вертикали (рис. 3). Средняя скорость на вертикали в зависимости от количества точек измерения находят по формулам:

Рис. 3. расположение- вертушки на вертикали при детальном способе измерения.

а — в свободном русле б – в ледяном покрове.

а) при определении расхода в открытом, незаросшем водной растительностью русле:

при измерении скорости в пяти точках:

а при монотонном убывании скорости от поверхности ко дну

при измерении скорости в трех точках

при измерении скорости в двух точках

при измерении скорости в одной точке

б) При наличии ледяного покрова и растительности:

При измерении скорости в шести точках:

при измерении скорости в трех точках: