Полевая гидрология
Водомерные наблюдения на посту
На установленном водомерном посту производится комплекс гидрометрических наблюдений: за уровнем воды, температурой воды и воздуха, визуальные наблюдения за ветром, осадками, волнением. Наблюдения проводятся ежедневно, сроки наблюдений 8 и 20 часов. Записи ведутся в полевой книжке водомерных наблюдений.
На свайном посту уровень измеряется при помощи переносной водомерной рейки, устанавливаемой вертикально на площадку ближайшей к берегу сваи, покрытой водой. Отсчет по рейке снимается с точностью до 1см.
Для измерения температуры воды применяется водный или родниковый термометр в оправе. Термометр опускается в воду на бечевке в отвесном положении так, чтобы стаканчик оправы находился на глубине 0,3-0,5 м от поверхности воды. Верхний конец бечевки подвязывается к борту лодки, подмосткам и т.п. Термометр выдерживают в воде не менее 5 мин. Затем быстро извлекают и производят отсчет, причем сначала замечают десятые доли, а потом целые градусы.
Температура воздуха измеряется в тени при помощи этого же термометра с точностью до 0,1 °С.
Для последующего анализа качества наблюдений за уровнем воды производятся визуальные определения состояния реки, характера ветра и волнения с записью в соответствующих графах полевой книжки водомерных наблюдений. При визуальных наблюдениях за ветром определяется его сила и направление. Сила ветра обозначается как "слабый", "умеренный", "сильный". Направление ветра указывается стрелками: вниз или вверх по течению реки, с левого или правого берега реки. Волнение отмечается в баллах: 0 - нет, 1 - слабое, 2 - умеренное, 3 - сильное. Осадки обозначаются буквами: Д -дождь, Г - град, С - снег. Отсутствие ветра, волнения или осадков отмечается в полевой книжке.
Полу-инструментальная съемка участка реки
Съемка включает: разбивку магистрали; разбивку поперечников с захватом поймы до места, лежащего несколько выше границы разлива; нивелировку и ватерпасовку магистрали и поперечников. Плановой и высотной основами полуинструментальной съемки на местности служат магистральная линия, которая разбивается параллельно линии уреза воды, и поперечные профили по всей ширине реки и поймы. Количество профилей должно быть не менее трех, средний из профилей совмещается с гидроствором. Направление профилей должно быть перпендикулярно стрежню потока, их закрепляют пикетажными кольями на линии магистрали и на урезе берега - урезными кольями. Разбивка пикетажа. Пикет обозначается на местности ровно отпиленным колышком 15-20 см, забиваемым в землю почти вровень с землей и называемым точкой. В 5-10 см от точки забивается второй колышек длиной 25-30 см, выступающий над поверхностью земли на 10-15 см, так называемый сторожок. Одна сторона сторожка гладко затесывается и на ней делается надпись, означающая конец отмеренного пикета. По ходу укладки ленты выявляются характерные точки профиля (точки перегиба рельефа) и в этих местах забиваются точка и сторожок. Азимуты направлений магистрали и поперечников определяются с помощью буссоли. На коренном берегу по линии гидроствора, немного выше магистральной линии устанавливается репер, который служит местом постоянного начала Превышение точек поперечного профиля друг над другом на левом берегу определяется ватерпасовкой.
Проведение ватерпасовки.
При ватерпасовке измеряются превышения и горизонтальные расстояния между магистральным и урезным кольями и основными точками рельефа берега. На профиле гидроствора измеряют превышения и горизонтальные проложения между сваями и рельефными точками берега.
Инструментами при ватерпасовке служат две рейки и плотничий уровень - ватерпас. Для определения превышения репера над сваей 1 или промежуточной точкой (зафиксированной пикетажным колышком) производят следующие действия. Кладут один конец горизонтально расположенной рейки на забитый вровень с землей кол у основания репера и устанавливают на ней уровень. У сваи 1 или пикетажного колышка забивают вровень с землей вспомогательный колышек и ставят на него вертикально вторую рейку. После этого изменяют, наклон горизонтальной рейки до тех пор, пока воздушный пузырек уровня не окажется точно посередине. Приводя, таким образом, рейку в горизонтальное положение, делают по нижнему ее ребру отсчет по вертикальной рейке с точностью до 1см. Отсчет по рейке, взятый со знаком минус, и даст величину понижения сваи 1 или пикетажного колышка относительно репера. Расстояние от репера до сваи 1 или пикетажного колышка определяется по горизонтальной рейке. Подобным же образом измеряют разность высот остальных точек. Сумма всех частных превышений даст общее превышение верхней точки над нижней точкой. Для проверки правильности результата ватерпасовка повторяется (от уреза воды до репера). Из результатов обеих ватерпасовок, если они различаются не более чем на 2 см, берут среднюю величину, если же расхождение превышает 2 см, ватерпасовку проводят в третий раз.
Записи результатов ватерпасовки ведутся в журнале с одноименным названием. В этом же журнале обязательно зарисовывается профиль каждого поперечника с обозначением магистрального и пикетажных кольев (ведется абрис), а также схема гидроствора с обозначением репера, свай и пикетажных кольев. С целью привязки водомерного поста к высоте репера производится нивелировка свай. Также нивелируются точки профилей на правом берегу.
Нивелировка водомерного поста. Нивелирную рейку ставят на репер и далее последовательно на все сваи. Нивелир устанавливается несколько в стороне и перед тем как снимать по нему отсчеты, необходимо привести прибор в строго горизонтальное положение. Порядок взятия отсчетов следующий: назад по черной стороне, вперед по черной стороне, вперед по красной стороне и назад по красной стороне. Такое дублирование уменьшает погрешности при работе с прибором, сводит вероятность ошибки к минимуму. Следует сразу же подсчитывать "пятку рейки", т.е. разность отсчетов по красной и черной сторонам: она должна быть постоянной и равной началу отсчета на конце красной стороны рейки.
После этого нивелируются урезы уровня воды по кольям, забитым вровень с поверхностью воды у всех поперечников и профилей для определения продольного уклона. С этой целью на урезные колья ставится нивелирная рейка, и определяются отметки площадок урезных кольев (УК).
По разности высот уровня верхнего УК и нижнего УК определяется величина падения уровня воды на участке. Путем деления полученной величины падения на расстояние по длине реки между УК вычисляется уклон водной поверхности.
Нивелировка правого берега реки. На левом берегу выставляются 2 вехи в створе каждого поперечника и по ним намечается точка установки рейки на правом берегу. Затем определяются отметки 6-7 рельефных переломных точек правого берега. Расстояния до точек на правом берегу измеряются дальномером нивелира. Для этого нужно определить число делений рейки (в сантиметрах) между горизонтальными нитями и умножить на постоянный коэффициент (равный 100 для верхней и нижней горизонтальных нитей и 200 для одной из них и центральной нити).
Определяются отметки уровней высоких вод (УВВ) для последующего расчета прошедшего максимального расхода воды. С этой целью в районе гидрометрического створа отыскивается наиболее высоко расположенная метка высоких вод по характерным признакам (отложения на берегах, кустах, деревьях ила или растительного мусора).
Все полученные результаты нивелировки записываются карандашом в журнал нивелировки водомерного поста.
Промерные работы
Целью промерных работ служит определение глубин и характера дна реки. В результате промерных работ могут быть получены поперечные профили реки и определены площади водных сечений. Обычно измерения глубин начинают производить в створе водопоста в точках, отстоящих одна от другой на определенном расстоянии. Эти расстояния могут определяться от постоянного начала по натянутому вдоль створа тросу (веревке), размеченному марками через 1 м. Желательно, чтобы местоположение марок на тросе совпадало с отметками целых метров от постоянного начала. Выше по течению от промерного троса примерно на 0,5 корпуса лодки натягивают ездовой трос для перемещения лодки вдоль створа и установки ее на вертикали. Оба троса должны быть натянуты достаточно туго.
Лодка перемещается по тросу на уключинах. Один из сидящих в лодке студентов производит промеры глубин штангой или рейкой против марок на тросе. Промеры производятся прямым и обратным ходом. По окончании промеров трос переносят на следующий профиль. Одновременно с промерами исследуются грунты дна на ощупь и, отчасти, на слух. Отмечаются следующие виды грунтов: ил, глина, песок, галька, камни, плита (скала), а также наличие водной растительности. Ребята записывают в журнале промеров глубин.
Измерение скоростей течения поверхностными поплавками
Для измерения расхода воды выше и ниже основного гидрометрического створа на равных расстояниях разбивают дополнительно два створа. С таким расчетом, чтобы продолжительность хода поплавков между верхним и нижним створами была не мене 20 с.. В 5-10 м выше верхнего створа разбивают пусковой створ, обозначая его вехами на берегах; он служит для запуска поплавков. Остальные створы также закрепляются вехами.
Измерение скоростей течения поплавками производят в такой последовательности:
на пусковом створе с берега забрасывают в реку последовательно 20 - 25 поплавков так, чтобы они прошли через основной створ приблизительно равномерно по всей ширине реки;
при прохождении каждого поплавка через створы наблюдатели дают сигналы; продолжительность хода каждого поплавка от верхнего до нижнего створа определяется по секундомеру;
на основном створе, в момент пересечения его поплавком отмечают расстояние от постоянного начала до поплавка в створе; делается это путем наблюдения с берега при наличии перетянутого через реку размеченного троса.
Результаты измерений записываются в журнал измерения расхода воды поверхностными поплавками.
Измерение скоростей течения с помощью гидрометрической вертушки
Сущность работы вертушкой заключается в измерении скоростей течения в отдельных точках живого сечения реки. Вертушка погружается на разные глубины на штанге или тросе на каждой из выбранных вертикалей, называемых скоростными Если дно плавное и симметричное, то вертикали распределяются равномерно по всей ширине реки (через одну промерную вертикаль), в местах резких переломов дна назначаются дополнительные скоростные вертикали.
На каждой вертикали скорости определяют в нескольких точках, чтобы можно было получить более правильное значение средней скорости для всей данной вертикали. При открытом русле применяются пятиточечный способ (у поверхности; 0,2Н', 0,6Н; 0,8/7 и вблизи дна), трех точечный (0,2Н; 0,6Н; 0,8Я), двухточечный (0,2Н и 0,8Д) и одноточечный (0,6Я). Средняя продолжительность наблюдения в точке должна быть не менее 120 с
Измерение скоростей течения в точках вертикали производится следующим образом. Вычисляют доли полученных глубин (в зависимости от принятого способа) и устанавливают вертушку сначала на поверхности, а потом в остальных точках вертикали. При работе с вертушкой на штанге, в условиях быстрого течения, вертушку при погружении заносят несколько вперед, учитывая возможный снос штанги в момент ее установки. В точке наблюдений вертушка устанавливается так, чтобы ось ее была перпендикулярна гидроствора.
Как правило, у всех применяемых на учебной практике вертушек электрический сигнал подается через 20 оборотов. Первые два сигнала вертушки следует пропустить, а при третьем сигнале пускается секундомер, по которому отмечается (без остановки секундомера), время каждого сигнала записывается в журнал. При больших скоростях течения сигналы следуют, друг за другом очень часто, поэтому отсчеты времени по секундомеру берут через 2-5 сигналов. Очень важно для последующего вычисления расхода воды определить наличие и величину скоростей течения на урезах с целью выявления так называемого мертвого пространства, т.е. той части живого сечения, в которой течения нет. При определении границы мертвого пространства вертушкой ее погружают на глубину 0,2-0,5 м и постепенно перемещаются от уреза по линии створа, и в момент начала вращения лопасти определяется величина скорости и расстояние до этой точки от постоянного начала.
Результаты измерений записываются в журнал измерения расходов воды вертушкой.