Как определить скорость течения реки по расходу



Как найти скорость течения реки: методика и рекомендации. Примеры решения задач

Многие люди хотя бы один раз в своей жизни путешествовали по реке на лодке, байдарке или катере. Для таких путешествий важно знать, с какой скоростью течет вода в реке, чтобы иметь возможность определить необходимое для перемещения на определенное расстояние время. В данной статье рассмотрим вопрос, как найти скорость течения реки, а также решим две физические задачи по данной теме.

Особенности течения воды в реках

Многие замечали, что одни реки текут медленно, и поверхность воды является гладкой. Обычно это крупные реки, например, Дон или Волга. Такое течение с точки зрения физики называется ламинарным, то есть слои жидкости перемещаются по прямым линиям и не смешиваются друг с другом. Более мелкие же речушки в некоторых местах буквально «бурлят». Этот тип течения характерен для рек горной местности. Он называется турбулентным. В отличие от ламинарного, здесь мелкие объемы воды перемещаются по хаотичным траекториям, на поверхности наблюдаются водовороты и пена.

Русло реки также оказывает существенное влияние на скорость течения. Так, известно, что вблизи берега и дна вода течет медленнее, чем в центральной части русла внутри ее объема. При своем движении слои воды задерживаются препятствиями, в виде неоднородностей дна и берегов, за счет трения о них. Причем каменистое дно уменьшает скорость перемещения воды сильнее, чем дно глинистое или песчаное.

Ширина русла и водоносность

Для более глубокого понимания вопроса, как найти скорость течения реки, важно знать еще один момент. Дело в том, что одна и та же река в разных местах может течь с различной скоростью. Причиной является изменение площади сечения ее русла, которое внешне связано с изменение ширины. Справедливости ради отметим, что не только изменение ширины, но и колебания в глубине влияют на быстроту течения воды (чем глубже, тем медленнее).

В виду сказанного выше, о скорости перемещения воды в реке имеет смысл говорить, если на достаточно длительном участке (километры и более) параметры ее русла колеблется незначительно, и река не имеет на этом участке притоков.

Более надежной характеристикой для любой реки является ее водоносность. Под водоносностью понимают объем воды, проходящий через вертикальное сечение русла за единицу времени. Водоносность не зависит от параметров русла, однако, она так же, как и скорость, изменится, если на рассматриваемом участке реки имеется приток.

В данной статье мы ограничимся предоставленной информацией о водоносности и перейдем к вопросу, как найти скорость течения реки.

Практический метод определения скорости воды в реке

Рассмотрим простую практическую методику, которая отвечает на вопрос, как находить скорость течения реки.

В первую очередь необходимо выбрать участок реки, где движение воды будет ламинарным, и русло не будет менять своей ширины. Затем, на берегу следует забить колышек. Он будет служить начальной отметкой. От первого колышка, используя измерительную ленту, следует отсчитать вдоль берега расстояние 10 метров, затем, забить второй колышек. Он будет конечной отметкой. Все подготовительные работы сделаны. Теперь можно переходить непосредственно к измерениям.

Как находить скорость течения реки? Для этого понадобится какой-нибудь легкий предмет, который может плавать. Например, маленькая палочка, шишка, лист бумаги, перо птицы и так далее. Предмет следует бросить в воду напротив первого колышка. При этом необходимо включить секундомер. Как только предмет, двигаясь по реке, достигнет второго колышка, секундомер нужно остановить, и зафиксировать измеренное время t.

Описанные эксперимент рекомендуется повторить несколько раз (4-5). Затем, нужно рассчитать среднее значение измеренного времени. Обозначим его t¯. Оно равно:

Источник

Как определить скорость течения реки по расходу

Для определения расхода воды в реке нужно еще определить среднюю скорость течения реки. Это можно сделать различными способами:

1. поверхностными поплавками;
2. по максимальной скорости;
3. при помощи гидрометрических шестов или вех;
4. при помощи глубинных поплавков;
5. гидрометрическими вертушками.

Определение скорости течения реки поверхностными поплавками.

Выбрав прямолинейный участок реки,

• устанавливаем на обоих берегах по 8 реек (вех) попарно, одну позади другой;
• каждая пара реек должна быть поставлена перпендикулярно к направлению течения реки;
• расстояние между рейками, составляющими пару, должно быть у всех пар одинаковое (например, по 5 м).

Таким образом, мы устанавливаем четыре створа: I—пусковой, II — верхний, III — главный, IV — нижний по течению, реки.

Эти створы находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, величина которого зависит от размеров реки, например на расстоянии 15 м друг от друга.

Прежде чем забрасывать поплавки, нужно записать время начала работы, а после окончания — время конца работы; затем отметить обстановку работы:

1. состояние реки на гидрометрическом створе (чистая, местами покрыта растительностью);
2. состояние погоды (ясно, пасмурно, туман, дождь);
3. характеристику ветра (штиль, слабый, средний, сильный; по течению, против течения; от левого или правого берега);
4. характеристику поверхности потока (спокойная, покрыта рябью, волнение).

Особенно большое влияние на скорость течения реки оказывает ветер: увеличивает (попутный ветер) или уменьшает (встречный ветер) скорость потока, поэтому для большей точности определения скорости течения делают поправки. Для введения поправок имеются специальные таблицы.

Далее, расставив наблюдателей по створам, можно приступить к забрасыванию поплавков. Поплавки обычно применяют в виде кружков, отпиливаемых от сухих бревен диаметром 10—25 см и толщиной 5—6 см. Чтобы поплавок был лучше виден на реке, его окрашивают белой краской, а иногда ярко-красной. Если река небольшая, то можно ограничиться тремя—пятью поплавками.

На пусковом створе поплавки забрасываются последовательно: сначала ближе к правому берегу, потом на середину реки, затем ближе к левому берегу.

На верхнем створе подается сигнал. Когда поплавок окажется в створе, наблюдатель, стоящий у главного створа, засекает время, т. е. пускает секундомер или просто замечает время по часам с секундной стрелкой. Наблюдатель, стоящий у нижнего створа, при прохождении поплавка через створ, подает сигнал наблюдателю у главного створа, а он останавливает секундомер или замечает время по часам. Для определения скорости движения поплавков удобнее вести наблюдения по нижеследующей таблице.

Если расстояние между створами 15 м, то расстояние между верхним и нижним створами будет равно 30 м. Бросаем с пускового створа в разных местах реки четыре поплавка поочередно (т. е. сначала первый поплавок; когда он пройдет весь свой путь, тогда забрасываем второй и т. д.) и получаем данные, которые записаны в нижеприведенной таблице.

Источник

Как определить скорость течения реки по расходу

Скорость течения реки необходимо знать, чтобы поставить мини-электростанцию на небольшую деревню или кемпинг. Это нужно и для расчета прочности паромной переправы, и для определения степени безопасности зоны отдыха. Скорость течения в разных местах одной и той же реки может быть неодинакова, и данный метод позволяет определить ее в конкретном месте. Для организации пляжа необходимо найти участок реки с наиболее медленным течением, а для электростанции — с самым мощным. Статьи по теме:

• Секундомер
• Землемерный циркуль
• Длинная веревка
• Деревянные колья высотой 1 м, заостренные с одного конца
• Плавающий предмет

Инструкция
1 Выберите подходящий участок берега, где течение реки прямолинейно и можно отмерить мерный отрезок. Вбейте в землю деревянный кол, и от него с помощью землемерного циркуля отмерьте расстояние, равное 50 или 100 м. Мерный отрезок должен быть параллелен берегу (течению) реки и прямолинеен. Контроль прямолинейности лучше всего провести, натянув вдоль мерной линии веревку, закрепленную на концах деревянными кольями.
2 К каждому колу привяжите горизонтальную палку, так, чтобы она была перпендикулярно мерной линии и направлена в сторону реки. Эти палки называются траверсами и служат для «прицеливания» при замерах. В замере должно участвовать не менее трех человек.
3 Сам процесс замера скорости происходит так. Один из участников берет плавающий предмет и уходит от начала мерной линии вверх по течению. Второй участник находится у кола, который отмечает начало мерного отрезка. Он наблюдает течение реки вдоль визирующей палки. Третий участник находится у конечного кола, также наблюдая течение реки вдоль траверса. Секундомер находится у третьего участника.
4 Замер начинается с переклички, причем начинает ее третий участник. Он кричит: «Готов!», за ним о готовности заявляет второй. Первый объявляет о старте и бросает предмет в реку. Когда предмет совпадет с первым траверсом, второй участник кричит: «Раз!». По этому сигналу третий участник включает секундомер и выключает его в момент пересечения предметом его траверса.
5 Зная расстояние между траверсами и время прохождения этого расстояния предметом, вычислите среднюю скорость течения реки на мерном участке по формуле v=s/t, где v – скорость течения, s – длина мерного участка, t – затраченное время. Для точности проведите измерения несколько раз и найдите среднее арифметическое значение. Обратите внимание Плавающий предмет должен быть заметным. Это может быть яркий резиновый мяч, пенопластовый поплавок, в крайнем случае — обычная доска.

Измерения нужно обязательно производить в безветренную погоду, чтобы свести к минимуму влияние ветра на поплавок.

Чем длиннее мерный отрезок — тем лучше, поскольку определение скорости будет более точным.

Участники замера должны хорошо слышать друг друга. Для организации замера на большом мерном участке можно использовать мобильные телефоны или портативные радиостанции. Полезный совет Во время замера не рекомендуется пользоваться жестами и визуальными сигналами, поскольку глаза участников замера должны быть заняты наблюдением за течением.

Существуют приборы, позволяющие измерять скорость потока воды, но они проводят точечные замеры, не позволяющие составить общую картину на исследуемом участке. Статьи по теме:

Источник

Измерение скоростей течения воды

Измерение скоростей потоков обычно преследует две цели: вычисление по измеренным скоростям расхода воды и построение плана течения реки, т. е. векторного поля скоростей. Последнее используется для правильной компоновки сооружений мостовых переходов, выбора их размеров и очертаний, защиты от размыва, ледохода и т. д.

Известно, что в водотоках обычно наблюдается турбулентный режим течения воды, который характеризуется перемешиванием водных масс, вызывающим пульсацию скоростей течения, как по величине, так и по направлению. В связи с наличием пульсации скоростей в гидрометрии различают мгновенную скорость — скорость в данной точке в данное мгновение и осредненную местную скорость – скорость, осредненную за достаточно продолжительный период времени.

Существующие приборы и способы в подавляющем большинстве случаев ориентированы на определение местных осредненных скоростей U турбулентных потоков:

, (38)

где u – мгновенная местная скорость, м/с, Т – период осреднения, с, udt – площадь графика пульсации скоростей, м.

Продолжительностью периода осреднения зависит от степени турбулентности потока. Как известно из гидравлики, период осреднения выбирается так, чтобы любое его превышение не повлияло на значение осредненной скорости U в данной точке, т. е. U₁=U₂=U₃….=const.

В гидрометрии принято производить измерение скорости течения в точке в течение 100 секунд, что для большинства случаев оказывается достаточным, т.е. это время превышает период осреднения.

Если скорости известны в нескольких точках по глубине, то можно построить эпюру скоростей на вертикали. В зависимости от условий движения закон распределения скоростей по вертикали может быть различным. При равномерном и близком к нему движении безнапорного потока характерна эпюра с максимумом у свободной поверхности и минимумом у дна. Минимум у дна принимают за донную скорость U_д. Максимум у свободной поверхности называют поверхностной скоростью U_пов. При напорном движении (подо льдом) максимум скоростей смещается к центру живого сечения.

Эпюра скоростей в некоторых случаях может иметь и более сложный вид, например, при сгонно-нагонных явлениях течение слоев на разной глубине может иметь даже противоположное направление.

Площадь эпюры скоростей по вертикали дает удельный расход g, а частное от деления на глубину h – среднюю скорость на вертикали Vв:

. (39)

Установлено, что при отсутствии искажений средняя скорость на вертикали открытого потока располагается на глубине от поверхности примерно 0,6h.

Подобно эпюрам скоростей на вертикалях можно построить эпюру скоростей по ширине реки, например, поверхностных или средних скоростей на вертикалях. Очертания эпюры обычно следуют очертаниям дна. Представление о распределении скоростей в живом сечении дают линии равных скоростей – изотахи, которые вычерчиваются по данным измерения скоростей в отдельных точках.

Методы измерения скоростей.Существует большое количество методов для измерения скоростей течения воды и приборов, действие которых основано на различных физических принципах.

1. Метод, основанный на регистрации числа оборотов лопастного винта (ротора). Наиболее распространенные приборы для измерения скорости течения – гидрометрические вертушки, на них мы остановимся ниже.

2. Метод, основанный на регистрации скорости плывущего тела. Для измерения скорости используются различного рода поплавки, которые могут запускаться как на поверхность потока, так и на требуемую глубину.

3. Метод, основанный на регистрации скоростного напора. Для измерения скорости используется гидрометрические трубки различной конструкции.

4. Метод, основанный на регистрации силового воздействия потока. Для измерения скорости используются приборы, в которых имеется чувствительный элемент, воспринимающий силовое воздействие потока. Они позволяют исследовать пульсацию скоростей.

5. Метод, основанный на принципе теплообмена. Скорость течения определяется в зависимости от быстроты охлаждения чувствительного нагреваемого элемента: чем больше скорость, тем выше темп охлаждения.

6. Метод, основанный на измерении объема воды, вошедшей в прибор за время наблюдений. Прибор – батометр.

7.Метод, основанный на применении ультразвука.

В настоящее время при гидрометрических работах измерение скоростей течения производится чаще всего гидрометрическими вертушками и поплавками. Остальные из указанных выше методов употребляются при проведении научно-исследовательских работ.

Гидрометрические вертушки.Посредством гидрометрических вертушек обычно определяется местная скорость течения в отдельных точках потока, хотя вертушки применяются и для интеграционного определения средней скорости на вертикали.

При измерении скорости регистрируется общее число оборотов лопастного винта и продолжительность измерения. Величина скорости определяется по тарировочному (градуировочному) графику в зависимости от числа оборотов в секунду.

Имеется очень много различных типов и конструкций гидрометрических вертушек. Современные вертушки различаются по ряду признаков: направлению оси вращения; устройству лопастного винта или ротора (лопасти и чашки), устройству контактного и счетного механизмов (механические и электрические счетчики), способу опускания вертушки в воду (тросовые и штанговые) и пр.

Гидрометрическая вертушка состоит из следующих основных частей: 1) ходовой части с лопастным винтом и контактным механизмом; 2) корпуса вертушки; 3) стабилизатора направления; 4) сигнального устройства.

Замыкание контактов происходит при вращении лопастного винта через определенное число оборотов. Сигнальное устройство служит для передачи сигналов при замыкании контактов вертушки. Применяется звуковая сигнализация посредством звонка и световая – посредством лампочки.

Наиболее распространены вертушки ГР-21 и ГР-21М, которые характеризуются большой добротностью и износоустойчивостью. Оптимальные условия их применения – равнинные реки (т.к. их винты имеют большие моменты инерции). В потоках с большой турбулентностью применяют вертушки ГР-55 и ГР-99.

Для установки вертушки в потоке на нужной глубине применяют штанги и тросы. Длина штанги – 3 м.

Время выдержки вертушки в каждой точке, как уже отмечалось, не менее 100 сек. Число оборотов вертушки между звуковыми сигналами, как правило, n= 20. При больших скоростях отсчеты берут через 2-5 сигналов. Число сигналов, и, следовательно, соответствующее им количество оборотов лопастного винта между записями времени называется приемом. Число приемов сигналов принимают четным (см. табл. 8. 1. 1).

Таблица 2. Пример расчета

Контроль.Для контроля сравнивают удвоенное время первой половины приемов (у нас приемов 4, а Т=63 с , 63х 2= 126 с) с временем последнего приема (128 с), расхождение допускается не более 5 с (в нашем случае 2 с). Если расхождение > 5 с, измерения дополняют еще 2-6ью приемами.

Официальным документом вертушки является тарировочная кривая. Нижняя часть её, соответствующая малым скоростям, вычерчивается в более крупном масштабе. Тарирование проводят в неподвижной воде специальных тарировочных каналов на тарировочных станциях.

Для полевых условий составляют специальную таблицу на основе тарировочной кривой (см. табл. 8. 1. 2).

Таблица 3. Пример тарировочной таблицы

Измерение расходов воды

Расходом воды Q называется объем её, протекающий через поперечное сечение потока в единицу времени. Выражается в м³/с или л/с.

Расход воды является одним из основных гидравлических элементов потока, определяющим остальные параметры рек (H, ω, υ, I и др.)

Существуют 2 группы методов определения расхода воды: непосредственное измерение (объемный метод) и косвенное, при котором расход получается через другие характеристики потока.

Объемный метод довольно точен и применяется при малых расходах путем наполнения мерного сосуда с измерением времени наполнения.

Косвенные методы:

1) метод «скорость-площадь» — определение расхода по измеренным скоростям течения и площади поперечного сечения потока;

2)определение расходов воды с помощью мерных устройств: гидрометрических лотков, водосливов (через напор по гидравлическим зависимостям);

3)определение расходов методом смешения (электролитический – по изменению электропроводности и др.)

Наиболее распространен метод «скорость-площадь», сущность которого заключается в определении объема модели расхода.

Известно, что скорости течения в различных точках поперечного сечения открытого потока неодинаковы: наибольшие они у поверхности в середине потока, а по мере приближения к берегам и дну они уменьшаются за счет увеличения шероховатости и силы трения. Если векторное поле скоростей в потоке представить в виде перпендикуляров к площади живого сечения в каждой точке сечения длиной, равной скорости в точке, то фигура, образованная плоскостью, проходящей через концы векторов, и площадью живого сечения и является моделью расхода, а объем ее численно равен расходу Q.

Свойства модели расхода.Если модель расхода рассечь плоскостями, параллельными поверхности воды, то площади сечений будут представлять собой эпюры распределения скоростей течения по ширине реки на соответствующих глубинах, а расход численно равен:

, (40)

где u – скорость, м/с.

Если рассечь модель расхода вертикальными плоскостями, перпендикулярными плоскости живого сечения, то площади сечения будут представлять собой эпюры распределения скоростей на вертикалях. Тогда,

, (41)

где q — расход на вертикали (первая производная расхода по ширине потока, т. е. (dQ/db), м 2 /с

Если рассечь модель расхода вертикальными плоскостями, параллельными плоскости живого сечения, то линии пересечения будут представлять собой линии равных скоростей, т. е. изотахи, а расход определяется по выражению:

_{u ,} (42)

где ω_u – площади живого сечения, ограниченные изотахами, м 2 ; du – интервал скорости между изотахами, м/с.

Применяемые способы вычисления расхода воды основываются на приближенных решениях выше приведенных формул.

Первая из этих формул выражает аналитический способ, вторая — графический и третья — способ вычисления расхода по изотахам.

Аналитический способ.

Основное уравнение, применяемое при этом способе, выглядит в виде многочлена:

+ , (43)

где k — коэффициент для скоростей на прибрежных вертикалях, принимаемый равным 0,7 при пологом береге, 0,8 при обрывистом береге, 0,9 при гладкой бетонной стенке.

Графический способ.

В этом способе интегрирование заменяется измерением площади эпюры элементарных расходов планиметром или палеткой.

Элементарный расход при этом определяется по уравнению:

, (44)

где q –элементарный расход, м 2 /с; u – средняя скорость на вертикали, м/с, h – глубина на вертикали, м.

Графически элементарный расход представляет собой площадь эпюры скоростей на вертикали.

1). На листе миллиметровки вычерчивают профиль поперечного сечения реки и наносят расчетный уровень Н_р;

2). На том же листе вычерчивают эпюры скоростей для каждой вертикали в том же масштабе;

3). Вычисляют средние скорости течения u на вертикалях делением площади эпюры скоростей на рабочую глубину вертикали (площади эпюр определяют планиметром);

4). Строят эпюру средних скоростей, для чего над профилем по линиям соответствующих скоростных вертикалей откладывают от линии уровня воды значения средних скоростей;

5). Строят эпюру элементарных расходов q (последние получаются умножением средних скоростей u на глубины h на вертикали);

6). Вычисляют по площади эпюры q расход воды в створе Q.

Источник