10863

11

Водпосты состоят из приспособления для непосредственного измерения уровней (чаще всего реек или свай) и двух постоянных высотных знаков (реперов) – основного и контрольного, установленных вне зоны затопления высокими водами. Основной репер нужен для поверок контрольного и привязывается к ближайшему высотному реперу государственной нивелирной сети. Контрольный репер служит для систематических поверок высотного положения измерительных устройств и располагается непосредственно у поста, например, в створе свайного поста. Закладывается репер на глубину не менее, чем на 0,5 м ниже границы промерзания грунта. Уровни на водпосту отсчитываются от условной горизонтальной плоскости, которая называется нулем водпоста и назначается ниже наинизшего уровня воды с тем, чтобы исключить отрицательные отчёты.

Водпосты располагают на прямолинейных участках реки с мало деформируемым руслом без островов и зарослей водной растительности, вне подпора плотины (или реки, если пост находится на притоке), в непосредственной близости от населенных пунктов и дорог, что обеспечивает доступность для наблюдений в любое время года.

Реечный водпост состоит из одной или нескольких неподвижно закреплённых водомерных (уровнемерных) реек. Он наиболее прост по устройству, экономичен и удобен в эксплуатации. Применяется на реках и водоёмах с небольшой амплитудой колебаний уровня воды (до 2 – 3 м). Стандартные деревянные металлические рейки длиной 2 м имеют двухсантиметровые деления и дециметровые цифровые обозначения (рис. 2.1). Рейки устанавливаются чаще в вертикальном положении и прикрепляются к обрывистым скальным берегам, устоям мостов, сваям, стенкам набережной, шлюза, плотины. Для защиты от ударов плывущих льдин и т. п. рейки размещаются в специальных пазах, ограждаются отбойными брусьями, сваями и ледорезами, располагаются с низовой стороны мостовых опор, а также в специальном ковше-котловане.

Рис.2.1- Реечный водомерный пост

12

Свайный водомерный пост состоит из одного ряда свай, расположенных в створе, перпендикулярном течению реки (рис. 2.2). Головка (торец) верхней сваи должна быть на 0,5 м выше максимально возможного, а головка нижней сваи - на 0,5 м ниже минимально возможного уровня воды в реке. Разность отметок головок соседних свай не превышает 0,8 м, что ограничено метровой длиной стандартной переносной водомерной рейки

Рис.2.2- Свайный водомерный пост

В настоящее время наибольшее распространение получили винтовые сваи, которые завинчиваются в грунт специальным ключом. Могут применяться сваи из труб стального проката, а также железобетонные и деревянные сваи. Сваи забиваются (завинчиваются) ниже границы промерзания грунта для исключения изменения их отметок за счёт морозного пучения грунта. Головки свай не должны выступать над поверхностью земли более 0,25 м. Все сваи нумеруют, начиная с верхней, и нивелируют от контрольного репера для получения отметок их головок и приводок к нулю водпоста, т.е. превышений hпр головок свай над нулём водпоста (см. рис. 2.2).

Уровень воды определяется так: метровую переносную водомерную рейку с сантиметровыми делениями устанавливают на торец ближайшей к берегу затопленной сваи и делают отсчет h . По таблице нивелировки находят приводку этой сваи hпр и вычисляют уровень Н (высоту уровня воды над нулем графика) суммированием отсчета уровня по рейке и приводки сваи

Н = h + hпр .

Реечно-свайный (смешанный) пост является комбинацией реечного и свайного постов. Применяется при резких переломах склонов берега. Причем на крутой части склона устанавливается стационарная рейка, а на пологой – уровнемерные сваи. Использование таких постов целесообразно и при наличии сооружений, например, мостов, плотин, шлюзов.

13

Рис.2.3 - Реечно-свайный (смешанный) пост

Передаточный водпост устраивается при крутых и высоких берегах или при наличии искусственных сооружений, когда подход к воде затруднён. Высота уровня определяется путём измерения рейкой или тросом вертикального расстояния от уровня воды до какой - либо постоянной точки, расположенной выше водной поверхности. На рис. 2.4 представлен передаточный пост со стрелой 1 и тросом 6, перекинутым через блок 5. На конце троса подвешен груз 7 массой 2-5 кг, другой его конец наматывается на лебёдку 3. Водомерную рейку 2 укладывают на стреле 1 нулевым делением в сторону реки так, чтобы отсчёт по ней напротив указателя 4 закрепленного на тросе, соответствовал высоте уровня над нулём графика. При измерении уровня груз 7 лебёдкой 3 опускается до соприкосновения с водой и на рейке считывается высота уровня с точностью 2-3 см. По принципу передаточного водомерного поста работает стрелочный указатель уровня. Он состоит из поплавка с противовесом, заключенных в металлическую трубу, и связанного с ними тросом редуктора с циферблатом и стрелками. Указатель позволяет определить уровень воды в момент наблюдения и предельные (наивысший и наинизший) уровни между сроками наблюдений с точностью до 1 см.

14

Рис. 2.4. Передаточный пост

Автоматические посты (самописцы уровня) непрерывно фиксируют и записывают значение уровня без участия наблюдателя. Они состоят из датчика поплавкового или манометрического типа и регистрирующего прибора (самописца). Упрощенная схема наиболее распространенного самописца уровня «Валдай» приведена на рис. 2.5. Барабан 1 с укрепленной на нем бумагой связан со шкивом 3, через который перекинут трос 4. На одном конце троса закреплен поплавок 5, а на другом - противовес 6. При колебаниях уровня воды поплавок поднимается или опускается и вращает барабан, а перо 2 равномерно передвигается вдоль барабана часовым механизмом и вырисовывает на бумаге график изменения уровня во времени.

Рис.2.5 - Автоматические посты

Дистанционные посты автоматически регистрируют и передают показания измерений высоты уровня. Они содержат датчик уровня (поплавковый, манометрический, радиоактивный), передающее устройство (радиоили электропроводную связь с источником питания) и регистрирующий прибор (самописец или шкальный указатель).

15

3 Проведение измерений и обработка данных

3.1 Промерные наблюдения

Наблюдения на водпостах проводятся ежедневно в 8 и 20 ч по местному времени, а в период половодий чаще, иногда при большой скорости подъема и спада - ежечасно. Если на реке волнение, то отсчеты по рейке берутся дважды - при набеге и отходе волны и определяется их среднее значение. Если уровень падает на середину деления, то его значение округляют до четного числа. Точность отсчетов при измерении уровней составляет 1 см. Кроме уровней на водпосту измеряют температуру воды и воздуха, отмечают направление ветра, волнение на реке, изменение русла, появление водной растительности, начало и конец навигации, наблюдают за ледовыми явлениями: осенью - за появлением сала (отдельные скопления смерзшихся ледяных игл в воде), шуги (рыхлые скопления льда и снега), зажоров (скопление шуги подо льдом) и весною - за появлением закраин (полосы открытой воды вдоль берегов), подвижки льда, ледохода, заторов (задержки льда при ледоходе). Измерение толщины льда, снега на льду и подледной шуги проводятся 10, 20-го числа и в последний день месяца. Данные наблюдений сводятся в таблицу «Обработка данных наблюдений». Обработка данных наблюдений заключается в приведении самим наблюдателем измеренных уровней к нулю водпоста и в вычислении средних суточных уровней Н = (Н8 + Н20)/2 , по которым затем на гидрологической станции составляется график колебаний уровней Н = Н(t) за год – гидрограф уровней.

Измерение глубин. Глубина – это расстояние от поверхности воды до дна по вертикали. Теоретически, для точного вычисления площади живого сечения глубина должна измеряться в его плоскости, т.е. по нормали к свободной поверхности. Однако, уклон водной поверхности рек, обычно менее 10° и, следовательно, разница между указанными глубинами не превышает 1,5 %, т.е. лежит в пределах точности измерения глубин. Поэтому для упрощения производства работ глубины измеряют по вертикали. Значения глубин используются для определения геометрических характеристик живых сечений, построения продольных и поперечных профилей, планов рек в изобатах (линиях равных глубин) и т.д. Глубины необходимы не только для решений этих задач гидрометрического характера, но и для проектирования гидротехнических сооружений.

Приборы для измерения глубин. Приборы для измерения глубин подразделяются на две группы:

1)для измерения глубин в отдельных точках (переносная рейка, гидрометрическая штанга, наметка, лот);

2)для непрерывной съемки профиля дна (профилографы).

16

Переносные водомерные рейки (см. рис. 2.1) применяют для измерения малых глубин (до 1м).

Гидрометрическая штанга состоит из двух разъемных стальных труб диаметром 28 мм с дециметровыми делениями и длиной 1,5 м каждая. Низ штанги имеет диск и заостренный конец для упора в дно. Штангой измеряют глубины до 3 м с точностью отсчета до 5 см.

Наметка представляет собой шест диаметром около 5 см и длиной 5-7 м с дециметровыми делениями. На нижний конец наметки надевается стальной башмак, помогающий погружать наметку в воду, или диск диаметром 15-30 см при илистом дне. Во время волнения берут два отсчета: по гребню и впадине волны. В расчете принимают средний из них. Точность измерения –

5 см.

Речной лот применяют для измерения глубин больше 5 м. Он представляет собой груз продолговатой формы массой до 10 кг, привязанный за ушко к шнуру (лотлиню) с дециметровой разметкой марками из лоскутов цветной ткани или кожи (рис. 3.1). При промерах лот непосредственно с рук забрасывают против течения с упреждением по ходу судна так, чтобы в момент отсчета глубины он находился в вертикальном положении. Погрешность измерения глубин – 10 см.

Рис.3.1 – Переносная водомерная рейка, наметка и лот для промеров глубин

Профилографы позволяют непрерывно автоматически регистрировать глубины при большой скорости перемещения (до 17 км/ч) с передачей отсчетов на стрелочный указатель или самописец. По принципу действия их

17

делят на механические, гидростатические и акустические. Механические профилографы измеряют глубину с помощью промерного груза на тросе или штанги, упирающейся нижним концом в дно (регистрируют ее наклон, который определяется глубиной). Гидростатические профилографы снабжены датчиком давления, перемещаемым на тросе по дну. Их действие основано на зависимости гидростатического давления на дне от глубины. В качестве датчика обычно используются сильфоны (цилиндры с гофрированной боковой поверхностью). Акустические профилографы (эхолоты) позволяют определить глубину по скорости звука в воде (1460 м/с при 10оС) и по времени хода ультразвуковых колебаний от излучателя до дна и обратно до приемника, которое пропорционально глубине, рис. 3.2.

Рис. 3.2 – Эхолот и схема его действия

Методика измерения глубин. Процесс измерения глубины называют промером, а места, где измеряют глубины - промерными или глубинными вертикалями. Их располагают в поперечном, продольном или косом сечениях потока. Определение координат вертикалей в плане (координирование) проводят совместно с измерением глубины. Промеры ведут с мостов, паромных или лодочных переправ, катеров и лодок, а если реки мелкие, вброд. Промеры по поперечникам (поперечным сечениям) удобно проводить

18

с железнодорожных, автодорожных и наплавных мостов, если они имеются на исследуемом участке реки. Для определения положения глубинных вертикалей измеряют мерной лентой расстояние от берега до них по настилу моста. На малых реках промеры проводят вброд через каждый метр. На относительно широких и глубоких реках для поддержки троса над водой под него ставят поплавок или лодки на якорях, а промеры проводят из лодки против соответствующих марок (меток) на мерном тросе. В этом случае рядом с мерным натягивают ездовой (силовой) трос, по которому перемещается лодка. На широких (более 200 м) и судоходных реках положение промерных вертикалей на поперечнике определяют методом засечек. Для этого поперечник закрепляют на каждом берегу двумя створными знаками (вехами), которые представляют собой ярко окрашенные шесты высотой 3-5 м и образуют визирную систему. Под углом 90о к поперечнику разбивают базис, в конце которого устанавливают теодолит. Наблюдатель в лодке передвигается от одного берега к другому с таким расчетом, чтобы ближний для него знак закрывал дальний (условие нахождения в створе), и в момент промера глубины дает сигнал, по которому другой наблюдатель теодолитом делает засечку промерной вертикали, т.е. фиксирует теодолитом угол α между базисом и лучом визирования на вертикаль.

На глубоких реках с большими скоростями течения (более 1,5 м/с) удержать лодку (катер) на линии поперечника трудно. Поэтому промеры проводят по продольникам со свободно сплавляющегося судна или по косым галсам (отрезки пути между поворотами), когда лодка сносится течением и поэтому пересекает реку под переменным углом. В этих случаях засечки промерных вертикалей, т.е. определение планового положения лодки при промерах проводят с берегового базиса двумя угломерными инструментами.

Рис. 3.3 – Схемы промеров глубин

Обработка промерных наблюдений. По данным промеров глубин строится:

-поперечный профиль реки;

-план дна русла реки;

-продольный профиль реки.

19

Поперечный профиль реки.

Построение начинается с нанесения на чертеж точки постоянного начала и горизонтальной линии, отмечающей положение поверхности воды, вниз от которой откладываются глубины. Вертикальный масштаб рекомендуется принимать в несколько раз крупнее горизонтального. Под профилем помещается таблица с измеренными величинами. В другую таблицу заносят основные морфологические характеристики.

Рис. 3.4 - Поперечный профиль русла в гидростворе

Площадь водного сечения определяется планиметрированием или аналитически. Аналитически площадь находят как сумму частных площадей между отдельными промерными вертикалями по формуле:

hMAX − устанавлив ается по промерной книжке

Смоченный периметр χ – длина линии соприкосновения жидкости (воды) с твердыми стенками русла, он может быть измерен курвиметром или линейкой. Аналитическим путем χ определяется (см. рис. 17) по формуле:

Рис. 3.5 - Схема к вычислению площади поперечного сечения длины смоченного периметра