Розподіл швидкостей у річковому потоці. Побудова ізотах у водному перерізі

Гідрометричні поплавки

Для вимірювання швидкості течії води також використовують гідрометричні поплавки. Залежно від будови і призначення поплавки поділяють на поверхневі і глибинні.

Поверхневі поплавки застосовують для вимірювання швидкості і напряму течії у поверхневому шарі води. Як поверхневі поплавки можна використовувати дерев'яні кружки діаметром 10-30 см і 3-5 см завтовшки; дві дошки, скріплені навхрест; пляшки, частково заповнені водою. Для кращої видимості поплавків з берега до них прикріплюють яскраві прапорці. Обов'язковою умовою для вимірювання швидкостей течії поверхневими поплавками є затишна погода. При вітрі швидкістю 6 м/с незалежно від його напряму застосовувати поверхневих поплавків недоцільно.

Глибинні поплавки використовують для вимірювання швидкості і напряму течії на певній глибині. Глибинний поплавок складається із двох зв'язаних тонким шнуром поплавків: верхнього (поверхневого) і нижнього (глибинного), зануреного у воду на певну глибину. Верхній поплавок виготовляється із корка, дошки, пінопласту, а нижній – з провареної в олії дерев'яної кульки або кульки зі скла. За розміром верхній поплавок роблять набагато меншим від нижнього. Тому швидкість руху системи таких поплавків приблизно дорівнює швидкості течії на глибині занурення поплавка. Поверхневий поплавок є у такому випадку показником ходу глибинного поплавка. Глибинні поплавки використовують переважно для вимірювання малих швидкостей течії (до 0,15 м/с), які   недостатньо   точно   можуть   бути виміряні гідрометричним млинком.

Визначення швидкості

Швидкість течії у ріках неоднакова на різних проміжках потоку і змінюється, як по ширині, так і по вертикалі водного перерізу. Сучасні прилади (осцилограф) дають змогу виміряти і записати пульсаційні зміни швидкості течії в часі, тому розрізняють миттєву швидкість і середню швидкість, яку часто називають місцевою швидкістю у точці потоку.

Миттєва швидкість (М) – швидкість у певній точці потоку в дану мить. Вона змінюється в часі за величиною і напрямом.

Зазвичай у гідрометрії частіше визначають середню швидкість.

Розподіл швидкостей течії води в ріці залежить від типу ріки, морфологічних особливостей, нахилу водної поверхні, нерівності русла. У водному перерізі русла по вертикалі найменші швидкості спостерігаються біля дна (вплив нерівностей русла), а до поверхні спочатку спостерігається зростання швидкості, а потім упо­вільнення. Максимальна швидкість у ріках спостерігається поблизу поверхні, або на віддалі 0.2 Н (Н - глибина вертикалі) від поверхні. Якщо на вертикалі відкласти величини швидкостей і з'єднати їх плавною лінією, то одержана лінія буде профілем швидкостей по вертикалі. Такі криві зміни швидкостей по вертикалі називають годографами або епюрами швидкостей (рис. 3.2.)

Рис. 3.2. Розподіл швидкостей у водному перерізі

Якщо виміряти площу епюри швидкостей і поділити її на глибину вертикалі, то одержимо величину середньої швидкості на вертикалі. Встановлено, що здебільшого середня швидкість на вертикалі водного перерізу спостерігається на глибині від поверхні – 0,2Н. Епюри швидкостей змінюються по довжині ріки, передусім при переході від плеса до перекату. Наявність льодового покриву та льодових утворень впливає на розподіл максимальної швидкості по вертикалі. Наприклад, за наявності льодового покриву та шуги під ним максимальна швидкість зміщується до 0,6Н – 0,7Н вертикалі і глибше.

На розподіл швидкостей у водному перерізі по ширині потоку вказують лінії, які з'єднують точки з однаковими швидкостями у водному перерізі, – ізотахи. Здебільшого ізотахи мають вид плавних кривих, які не замикаються в межах водного перерізу. При наявності льодового покриву частина ізотах утворює замкнуті криві.

Завдання 1

У водному перерізі (з попереднього завдання) провести ізотахи – лінії однакових швидкостей, користуючись даним и таблиць (табл. № 2.1).

На профілі водного перерізу нанести швидкісні вертикалі, на яких у відповідних точках вимірів виписують значення швидкості: поверхня води (0, 10 м), 0.2Н, 0.6Н, 0.8Н, дно (0.10м від дна).

Точки однакових швидкостей з'єднують плавними кривими шляхом інтерполяції між швидкостями в точках вертикалі. Ізотахи проводять через 0.1 м/с. Якщо максимальна швидкість – 1 м/с, то ізотах буде 10.

Завдання 2

Побудувати епюри швидкостей за даними вимірю­вання на швидкісних вертикалях

Будують епюри швидкостей таким чином: по вертикалі відкла­дають загальну глибину вертикалі і зазначають точки вимірювання швидкостей. Від цих точок вправо відкладають горизонтальні лінії, що дорівнюють показникам швидкостей у зазначених точках. Кінці ліній з'єднують плавною лінією і одержують епюри швидкостей на вертикалях.

Завдання 3

Визначити середню швидкість по швидкісних вертикалях

Середня швидкість визначається за такими емпіричними формулами:

1. для вимірів у п'яти точках (поверхня, 0,2Н, 0,6Н, 0,8Н, дно)
   V_сер = 0,1·(V_пов + 3V_0.2 + 3V_0.6 + 2V_0.8 + V_дно)
2. для вимірів у трьох точках (0,2Н, 0,6Н, 0,8Н)
   V_сер = V_0.2 + 2V_0.6 + V_0.8/4
3. для вимірів у двох точках (0,2Н, 0,8Н)
   V_сер = V_0.2 + V_0.8/2
4. для вимірів у одній точці
   V_сер = V_0.5 або V_сер = 0,9·V_0.5

З метою визначення середньої швидкості між врізом берега і крайньою вертикаллю необхідно помножити швидкість крайньої вертикалі на коефіцієнт:

• 0,7 – при пологому березі;
• 0,8 – при обривистому,
• 0,5 – при наявності мертвого простору.

Завдання 4

Обчислити витрати води (часткові, повні).

Витрата води - це кількість води, що протікає через попереч­ний переріз за одиницю часу (м куб/с).

Найпоширенішим і найпростішим способом визначення втрати води є гідрометричний спосіб, який ґрунтується на обчисленнях площі поперечного перерізу ріки і швидкості течії в різних частинах цього перерізу.

Часткові або елементарні витрати води (g) між швидкісними вертикалями обчислюють шляхом множення середніх швидкостей між вертикалями на площу поперечного перерізу між ними:

де V_i, V_i-1 - середні швидкості на вертикалях,
ω_i - площі поперечного перерізу між вертикалями

Повну витрату (Q) обчислюють шляхом сумування часткових або елементарних витрат. Дані обчислень записують у таблицю.

Контрольні запитання

1. Для чого визначають швидкість течії?
2. Які методи вимірювання швидкості течії Ви знаєте?
3. Яка будова і принцип роботи гідрометричного млинка?
4. Принцип визначення швидкості води гідрометричними поплавками.
5. Що таке миттєва швидкість?
6. Що таке середня швидкість?
7. Як змінюється швидкість у водному перерізі?
8. Що таке швидкісні вертикалі?
9. Що таке егаори швидкостей?
10. Що таке ізотахи?
11. Як побудувати епюри?
12. Як проводять ізотахи у водному перерізі?
13. Що таке витрата води, для чого її обчислюють?
14. Як обчислити часткову і повну витрати води?

Список літератури

1. Літовченко О.В., Сорокін В.Г. Гідрологія і гідрометрія. - К.. 1985. - С. 179-196.
2. Железняков Г.В. Гидрология и гидрометрия. - М: Высш. школа, 1981, С. 109-170.
3. Кузник И.А.,Луконин Е.И., Пилипенко В.Д. Гидрология и гидрометрия. Лининірад, 1974, 280с.
4. Михайлов В.Н., Добровольский А.Д. Общая гидрология: Учеб. для геогр. спец. вузов.- М.: Высш. шк., 1991.- С.133-135.
5. Муха Б.П., Проць Г. Л. Методичні вказівки до проходження польової практики з гідрології та кліматології для студентів географічного факультету. Львів: ЛДУ ім. Івана Франка, 1982. - 16 с.