Гидрология

Водомерные посты могут быть постоянными и временными. По конструкции посты подразделяют на простые (реечные, свайные) и передаточные (автоматизированные, неавтоматизированные, с самописцами, с дистанционным управлением и т.п.). Любой водомерный пост оборудуется основными и контрольными реперами, устраиваемыми вне зоны затопления и позволяющими проверять высотное положение измерительных устройств.

Иногда измерительное устройство устанавливают в специальном котловане, соединённом с водоёмом или рекой каналом - для защиты от набегания волн, искажающих показания. Для этой же цели поплавки самописцев размещают в колодце или трубе, соединённых с морем и исключающих воздействие волнового колебания уровня.

Очень часто водомерные посты обустраивают на существующих гидротехнических или транспортных сооружениях - мостах, плотинах, водозаборных станциях, причалах и т.д.

Для определения уклона свободной поверхности воды в реках используют метод устройства выше и ниже основного поста дополнительных, так называемых уклонных постов, расстояние между которыми может составлять 100…8000 метров (в зависимости от требуемой точности измерений) и отсчитывается по линии наибольших глубин. По разности уровней в верхнем и нижнем створах определяется уклон.

По результатам наблюдений на постах составляются таблицы и строятся графики изменения уровней во времени, а также вычисляют различные специфические показатели (кривые повторяемости и обеспеченности, модальный и медианный уровни, высший и низший годовые уровни, уровни ледостава и вскрытия ледяного покрова и т.д.).

Для определения глубин и рельефа дна водных объектов используют метод промеров. По результатам промерных работ составляют планы для водного объекта в изолиниях или изобатах, определяют площади поперечного сечения реки или водоёма и (в последнем случае) рассчитывают объём воды. Также такие работы ведут для нужд судоходства, при проектировании и эксплуатации гидротехнических сооружений, при исправлении береговых линий и защите от водной эрозии.

Измерения глубин проводят в отдельных точках или же непрерывно по профилю дна. Точки промера глубины обычно располагают в выбранном створе; плановое положение привязывают к геодезической сети. Измерения, как правило, производят на больших площадях или протяжённых участках реки, из-за чего сроки таких работ могут быть значительными. Чтобы учесть влияние изменения уровня воды во времени, результаты приводятся к единому мгновенному (так называемому условному) уровню, за который принимают наинизший уровень за период производства промерных работ (для рек) или наинизший теоретически возможный для морей.

Способ измерения глубины может быть механический или акустический. Для первого используются намётки, ручные или механические лоты; поправка к измерениям рассчитывается с помощью угломера - прибора для определения угла наклона троса к поверхности воды; акустические способы основаны на явлении отражения ультразвуковых импульсов от дна реки или водоёма. По разности времени между подачей импульса и приёмом отражённого сигнала рассчитывается глубина; при этом предварительно следует определить температуру и солёность воды для расчёта поправок.

Промерные работы могут вестись по поперечникам, продольникам или «косым галсам» на так называемых промерных вертикалях. Координирование выполняется с помощью геодезического инструмента с берега; либо засечками с судна ориентиров на берегу.

Измерения скоростей течения воды могут выполняться различными способами и приборами. В целом способы измерения течений можно разделить на поплавочные, при которых наблюдение ведут за плавающими на воде предметами (поплавками) и вертушечные, когда скорость определяют в фиксированной точке по давлению потока воды на лопастные винты приборов.

Поплавочные способы дают пространственную картину течений в виде линий тока - траекторий движения поплавков. Вертушечный способ позволяет определить направление и значение вектора скорости в конкретной точке.

Широкое распространение получили свободно плавающие поплавки, подразделяемые на поверхностные и глубинные. Для лучшей видимости на них закрепляются влажки, а внизу крепится на тросе груз для снижения влияния ветра и большей устойчивости. Глубинные поплавки состоят из двух соединённых тросом частей и применяются для определения скорости на заданной глубине.

Для измерения скорости поплавками на берегу разбивается магистраль и 4 створа на нормали к течению, расстояние между ними точно измеряется. Поплавки выпускают по очереди и определяют при похождении створа расстояния до магистрали с помощью геодезического инструмента. Зная время прохождения поплавка от створа до створа находят максимальную скорость, а при замерах на разных расстояниях от магистрали строят эпюру скоростей по ширине реки.

Для измерений вертушечным способом используются специальные гидрометрические вертушки, состоящие из рабочего колеса, корпуса, счётного механизма, флюгера и указателя направления течения (для морских вертушек). Зная число оборотов рабочего колеса за определенное время можно по тарировочным кривым вычислить скорость течения. При этом замеры можно выполнять как точечным, так и интеграционным способом (для вычисления средней скорости по какому-нибудь направлению). Так, для измерений по вертикали ведут замеры в 5 точках - на поверхности, на 0,2; 0,6; 0,8 глубины и у дна. Измерения ведут во всех переломных точках профиля дна, а если расстояние меж ними более 30 метров - то и в промежуточных точках. Время 1 измерения - не менее 100 с, а на горных реках и у дна может достигать 10 мин.

По результатам измерений скоростей на каждой вертикали строят эпюру скоростей. Распределение скоростей по живому сечению наглядно представляют линиями равных скоростей - изотахами. Полученные при измерениях характеристики потока позволяют определять расход воды.

Расход воды в реке численно равен произведению скорости потока на площадь его сечения. Гидрометрический метод определения расхода основан на вычислении его по измеренным глубинам и скоростям или по уклону и площади. Чаще применяют первый способ, называемый «скорость-площадь»; при этом на практике интегрирование по площади заменяют суммированием и расход вычисляют аналитически либо графически.

Для реализации метода находят и закрепляют гидрометрический створ, по возможности там, где поток установился равномерным и параллельно-струйным, без поперечных уклонов и водоворотов, с гидродинамической осью, параллельной берегам; перпендикулярный к гидродинамической оси и берегам. На период работ должна быть обеспечена возможность выполнения замера глубин и скоростей по всему створу. Чаше всего устраивают перетяжку через русло непосредственно с берега на берег или пилоны на берегах.

Перетяжка состоит из двух нитей, одна из которых с расположениями через 5, 10, 50 и 100 м сигнальными флажками служит для определения положения вертикали. Другую нить используют для перемещения плота или лодки с вертушкой от вертикали к вертикали (на горных реках перемещают люльку с вертушкой).

Если невозможно устроить перетяжки, рекомендуется вертикали на гидростворах опознавать с помощью веерных створов, расположенных выше или ниже гидроствора на хорошо видимых с реки берегах и оборудованных створными и веерными знаками.

Закрепленный створ нивелируется, затем в нём промеряются глубины. Если изыскания ведутся зимой, то глубины можно промерять со льда, фиксируя и его толщину. По результатам промеров назначают скоростные и промерные вертикали и определяют на этих вертикалях параметры потока, после чего вычисляют расход.

Также для решения специфических задач измеряют расход наносов, содержание растворённых в воде веществ; наблюдают за волнением в береговой зоне, ведут наблюдения за ледовым режимом. Такие изыскания, как правило, ведут в интересах навигации, а также при составлении прогнозов прохождения паводков, проектировании паромных и наплавных переправ, расчётах возможности размывов береговой линии, плотин и дамб и обоснованиях методов защиты от размывов.

 

 

2.Вопросы по варианту № 3

 

Раскрыть понятие водного объекта.

Водными объектами называются места постоянного сосредоточения воды на поверхности суши в формах ее рельефа либо в недрах, имеющие границы, объем и черты водного режима - океаны, моря, реки, озера, болота, водохранилища; а также подземные воды, воды каналов, прудов и др., (напр., в виде снежного покрова).

Водные объекты классифицируются по видам и признакам - так, из мирового океана выделяют его 4 крупнейшие части, ограниченные материками (Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый океаны). В каждом из океанов выделяют моря - обособленные обширные районы, имеющие свой гидрологический режим под влиянием местных условий и ограниченного водообмена с прилегающим океаном. Моря подразделяют на внутренние (средиземные и полузамкнутые), окраинные и межостровные. Более мелкие элементы океана - бухты, заливы и проливы. Залив с впадающей в него большой рекой может называться губой или лиманом.

Естественные водоёмы с замкнутым водообменном, образованные при заполнении водой впадин на поверхности Земли, называются озёрами. Озёра могут быть сточными или бессточными (вторые, как правило, не являются пресными).

Водные объекты суши сравнительно больших размеров и текущие в разработанном русле (пониженной части долины) называются реками. Реки классифицируют по размерам собственно реки и площади водосбора, выделяя большие, средние и малые реки. Важнейшая характеристика реки - сток, т.е. количество протекающей воды за определённый отрезок времени.

Кроме водных объектов естественного происхождения, существуют и искусственные объекты - водохранилища, пруды, искусственные озёра, отличающиеся друг от друга параметрами, конфигурацией, характером регулирования, режимами сброса и накопления, значением, степенью воздействия на естественные экосистемы.

Каковы характерные отличия половодий от паводков.

Половодьем называют ежегодно повторяющийся в одно и то же время период, характеризующийся продолжительным и высоким подъёмом уровня воды в реках или наибольшей водностью (расходами). На равнинных реках половодье возникает в результате весеннего снеготаяния, на горных - летнего таяния ледников; соответственно образуется весеннее или летнее половодье.

Паводок, в отличие от половодья, возникает нерегулярно и характеризуется быстрым и сравнительно недолгим подъёмом уровня в каком-либо фиксированном створе реки и столь же быстрым спадом. Причинами паводка могут быть обильные дожди или интенсивное и кратковременное снеготаяние в период зимней оттепели. При паводке зачастую подъём уровня и увеличение расхода воды превышает уровень и наибольший расход в половодье.

Дать понятие геометрической и гидравлической крупности наносов.

Геометрическая крупность наносов - размер частиц наносов, переносимых потоком или осаждающихся из него, измеряется в единицах длины.

Гидравлическая крупность наносов - скорость осаждения частиц наносов в спокойной воде, измеряемая в м/с. Вычисляется по формуле:

 

щ=н/d_e [-K_1+√(K_1^2+l∙(d_e^3∙g)/н∙с')]

 

Где - эквивалентный размер частиц, м; К₁ и l - безразмерные постоянные (для сферических частиц К₁=27,27; l=3,03), н - кинематическая вязкость, м²/с, зависящая от температуры воды, G_par - вес частицы в воде, Н; с'=(с_par - с_w)/с_w - относительный вес частиц наносов в воде.

Описать взаимодействие потока, русла и мостовых переходов.

При взаимодействии потока и русла происходит взаимное влияние их друг на друга, называемое русловым процессом. Поток размывает русло и деформирует его, перенося размытую взвесь в виде наносов и откладывая их там, где скорость течения становится ниже. Деформации русла, в свою очередь, влияют на режим движения потока, изменяя его скорость, направление и уровни воды.

При возведении мостового перехода естественно сформировавшийся русловой процесс нарушается как при строительстве, так и в эксплуатации. Построенный объект вызывает сужение русла и стеснение потока, вследствие чего изменяется режим движения потока, возникают новые зоны размыва и зоны аккумуляции наносов. При обтекании одной или нескольких опор потоком возникают деформации потока, изменение направления движения струй как перед препятствием, так и за ним, что вызывает местные размывы и может нарушать устойчивость опор и угрожать размывом и оползанием насыпей подходов.

Какие существуют гидрометрические методы измерения и определения скорости течения воды.

Для измерения и определения скорости течения воды существуют два основных метода - поплавковый и вертушечный. Поплавковый метод основан на отслеживании движения предмета, опущенного в поток (поплавка) с помощью приборов или невооруженным глазом. Поделив пройденное поплавком расстояние на время наблюдения, получают скорость потока. Для определения скоростей на определённой глубине используют специальные глубинные поплавки, состоящие из двух связанных меж собой частей. Верхний поплавок служит для наблюдения, нижний перемещается потоком на заданной глубине.

Вертушечный способ связан с использованием гидрометрических вертушек, частота вращения рабочего колеса которых зависит от скорости течения. Подсчитав число оборотов рабочего колеса за определённое количество времени определяют число оборотов в единицу времени и по тарировочной кривой определяют скорость потока.

 

 

3. Задачи по варианту № 10

 

Задача № 1

По исходным данным построить эпюру скоростей и определить среднюю скорость движения воды в расчётном створе.

Исходные данные для расчётов