3.2 Осадки

Для измерения составляющих водного баланса организована гидрометеорологическая сеть, позволяющая в отдельных пунктах получать их значения на различных отрезках времени: сутки, пентада, декада, месяц и год.

Осадки бывают твердые и жидкие. По интенсивности выпадения их разделяют на ливневые, обложные и моросящие. Ливневые осадки характеризуются высокой интенсивностью и сравнительно малой продолжительностью. В отличие от ливневых осадков обложные осадки имеют незначительную интенсивность и продолжаются длительный период. Ливневые и обложные осадки выпадают в виде дождя или снега. Моросящие осадки состоят из мелких капель или крупинок снега и медленно оседают на земную или водную поверхность.

Дождевые осадки измеряются обычно осадкомером В.Д. Третьякова. Прибор состоит из ведра с площадью поверхности 200 см². Ведро устанавливают на высоте 2 м от поверхности почвы. От выдувания осадков измерительный прибор защищен металлическими планками. Осадки, скопившиеся в осадкомере, измеряют при помощи измерительного стакана, деление которого соответствует 0,1 мм. Измерения производят каждые сутки.

Для непрерывной автоматической записи количества жидких осадков используются самопишущие дождемеры-плювиографы. Принцип работы прибора состоит в записи колебаний осадков на ленту при помощи пера. Движение пера зависит от перемещения поплавка, который поднимается при увеличении объема воды в цилиндре. В отличие от осадкомера В.Д. Третьякова площадь ведра плювиографа равна 500 см².

Для определения запасов воды в снеге h (количество воды, образующееся при таянии снега) необходимо знать относительную плотность снега d, как отношение массы снега и воды, и высоту снежного покрова h_сн:

. (3.11)

Обычно снегозапасы по территории с Запада на Восток уменьшаются ввиду удаленности Атлантического океана. На слой осадков влияют высота рельефа местности. В горной местности количество осадков выпадает больше чем на равнине.

Вопросы для самопроверки

1. Осадки.

2. Виды осадков.

3. Ливневые осадки.

4. Обложные осадки.

5. Моросящие осадки.

6. Запас воды в снеге.

7. Снегозапасы.

8. Осадкомер Третьякова.

9. Снегомерная съемка.

10. Относительная плотность снега.

11. Высота снежного покрова.

12. Факторы формирования осадков.

13. Самопишущие дождемеры.

4 Определение расходов воды аналитическим способом

Цель занятия – вычислить расход воды аналитическим способом по скоростям, измеренным гидрометрической вертушкой и глубинам потока.

Задачи

1. освоить основные понятия гидрометрии;

2. определить ширину реки;

3. определить расход воды;

4. определить площадь живого сечения реки;

5. определить среднюю и максимальную скорости течения реки;

6. определить среднюю и максимальную глубины реки;

7. определить смоченный периметр и гидравлический радиус.

Краткая справка

Расход воды Q является основной характеристикой реки, представляя собой количество воды, протекающее через поперечное сечение реки за единицу времени. Обычно расходы воды измеряются в м³/с. В практике используются различные методы определения значения Q: по измеренным скоростям и глубинам, аэрогидрометрическим методом, способом смешения, по уклону и живому сечению, аналитическим способом.

Расчет расходов воды по измеренным скоростям и глубинам является графическим способом. В первую очередь строят профиль живого сечения, на котором обозначают флажками скоростные вертикали, а при наличии ледовых явлений – погруженный лед и шугу. На этом же чертеже строят профили скоростей и = и(у).. Масштаб глубин на них и на профиле живого сечения должен быть одинаковым. Далее площади профилей скоростей дважды планиметрируют (допустимое расхождение не более 2%) и в результате получают расходы воды на скоростных вертикалях q, а из них средние скорости на вертикалях u_B = q/h.

Определение расходов воды аэрогидрометрическим методом – это возможность измерений с самолета таких характеристик потока, как его глубина, скорость и расход воды.

Существуют две методики определения глубин.

1. С применением буйковой системы, состоящей из груза (якоря), к которому прикреплены на прочных нитях различной длины два буя. Буйковая система, сброшенная с самолета, погружается на дно потока. Оба буя всплывают на поверхность воды и удерживаются нитями на некотором расстоянии один от другого. 2. По расходу на вертикали q, измеренному поплавком-интегратором. Расстояние, на котором всплывает поплавок-интегратор от места его выпуска, определяется аэрофотосъемкой.

Определение расходов воды способом смешения основано на турбулентности потока.

Определение расходов воды по уклону и живому сечению - этот способ определения расходов воды сокращенно называют способом уклона-площади. Он основан на использовании уравнения неравномерного движения воды, которое запишем для расхода Q

Одним из наиболее распространенных методов расхода воды является аналитический способ.

Для этого можно использовать выражение в виде многочлена:

(4.1)

где u_в,1, u_в,2…, u_в,n – средние скорости на вертикалях, рассчитанные по формулам; w₁, w₂…, w_n+1 – площади водного сечения между вертикалями, принимаемые за трапеции; k – коэффициент для скоростей на прибрежных вертикалях, принимаемый равным 0,7 при пологом береге с h=0 на урезе, 0,8 при обрывистом береге реки или неровной стенке канала 0,9 при гладкой бетонной стенке канала.

Вместе с тем, при измерении глубин может изменяться уровень воды в реке, что влияет на точность определения расхода воды. Чем выше уровень (разность между поверхностью воды и нулем графика) тем больше расход воды. Если в течении измерения глубины воды и скоростей течения уровень изменяется незначительно, то его значение не учитывается при расчетах значения расхода воды.

Рисунок 4.1 – Уровень воды в реке

Пример выполнения задания

Исходные данные: выписка из книжки для записи изменения расхода на реке Безымянная (таблица 4.1 столбцы 1,2, 3, 4 и 9).

Требуется: вычислить расход воды (Q), смоченный периметр дна (χ); площадь живого сечения реки (w); ширину реки (В), среднюю глубину реки (h_ср), максимальную глубину реки (h_max), среднюю и максимальную скорость течения реки (υ) и (υ_maх), гидравлический радиус (R).

Порядок выполнения задания

Данные схематически показаны на рисунке 4.1

Рисунок 4.2 – Схема поперечного сечения реки с промерными и скоростными вертикалями

1) определяют средние глубины между промерными вертикалями как среднее арифметическое средних глубин , и т.д., заполняется столбец 5;

2) находят расстояние между промерными вертикалями, используя разницу между расстояниями от постоянного начала (столбец 6): 5-3=2, 7-5=2 и т.д.;

3) вычисляют площади живого сечения между промерными вертикалями (столбец 7): 2×0,32=0,64, 2×0,77=1,4 и т.д.;

4) вычисляют площади живого сечения между скоростными вертикалями (столбец 8): 0,65+1,54=2,19; 2,25+3,10+3,76=9,11; 4,58+4,53=9,11; 3,49+2,10+1,13=6,72;

5) по данным столбца 9 вычисляются средние скорости между скоростными вертикалями (столбец 10) 0,69×k, (k=0,7): (0,69+0,95)/2=0,82, (0,95+0,68)/2=0,81, 0,68×0,7=0,47;

6) расходы воды между скоростными вертикалями (столбец 11) находят путем умножения значений столбца 8 и 10 (произведение площади живого сечения между скоростными вертикалями и средней скоростью между скоростными вертикалями): 2,19×0,48=1,05; 9,11×0,82=7,47; 9,11×0,81=7,42; 7,42×0,47=3,19;

7) сумма значений 7 или 8 столбца представляет собой площадь живого сечения -27,1 м²;

Таблица 4.1 – Расчет расхода воды реки Безымянная аналитическим способом

№ вертика- лей		Расстояние от постоянного начала, м	Глубина, м		Расстояние между мромерными верти- калями	Площадь живого сечения, м2		Средняя скорость, м/с		Расход воды между скоростными вертикалями, м3/с
промерных	скоростных		средняя	между промер- ными вертикалями		между промер- ными вертикалями	между скоростными вертикалями	на вертикали	между скоростными вертикалями
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Урез пб		3	0
				0,32	2	0,64	2,19		0,48	1,05
1		5	0,65
				0,77	2	1,54
2	I	7	0,89
				1,12	2	2,25	9,11	0,69	0,82	7,47
3		9	1,36
				1,55	2	3,10
4		11	1,74
				1,88	2	3,76
5	II	13	2,02
				2,29	2	4,58	9,11	0,95	0,81	7,42
6		15	2,56
				2,26	2	4,53
7	III	17	1,97
				1,74	2	3,49	6,72	0,68	0,47	3,19
8		19	1,52
				1,05	2	2,10
9		21	0,58
				0,29	3,9	1,13
Урез лб		24,9	0
Итого:						27,1	27,1			19,1

8) сумма последнего столбца соответствует значению расхода воды – 19,1 м³/с.

Вычислим дополнительные гидрометрические характеристики реки Безымянная.

Средняя скорость (υ_ср) рассчитывается по следующей формуле:

где Q - общий расход воды, м³/с; ω - площадь живого сечения, м².

Средняя глубина реки (h_ср) рассчитывается по формуле:

где ω - площадь живого сечения, м²; В - ширина реки, м.

Смоченный периметр, рассчитывается по формуле:

Гидравлический радиус рассчитывается по формуле:

где ω - площадь живого сечения, м; χ – смоченный периметр, м.

Ширина реки определяется как расстояние между урезом левого и урезом правого берегов: В=21,9

Наибольшая глубина выбирается из столбца 4 таблицы 4.1

h_max=2,56м.

Наибольшая скорость течения выбирается из столбца 9 таблицы 4.1

υ_maх=0,95 м/с.

В таблице 4.2 приведены результаты вычисления характеристик реки Безымянная

Таблица 4.2 – Расчет гидрометрических характеристик реки Безымянная

Q, м3/с	ω, м2	hmax, м	hср, м	B, м	R, м	υср, м/с		υmaх, м/с
19,1	27,1	2,56	1,24	21,9	1,21	0,70	22,3	0,95

Вывод. Таким образом, на основе аналитического метода по определению расхода воды получена таблица, в которой приведены гидрометрические характеристики. Расход воды, полученный аналитическим способом, составил 19,1 м³/с.

Вопросы для самопроверки

1. Расход воды.

2. Уровень воды.

3. Методы определения расхода воды.

4. Аналитический метод расчета расхода воды по скоростям течения и глубинам.

5. Смоченный периметр.

6. Площадь живого сечения реки.

7. Ширина реки.

8. Максимальная и средняя скорость реки.

9. Максимальная и средняя глубины реки.

10. Гидравлический радиус.

11. Методы определения глубины.

12. Методы определения скоростей течения.

Варианты задания к 4 разделу приведены в приложении 1.