ВОДОМЕРНЫЕ ПРИБОРЫ

ВОДОМЕРНЫЕ ПРИБОРЫ, приспособления и устройства, применяемые для количественного определения элементов движения воды: для измерения уровня воды, определения направления и скорости её течения, измерения расхода воды, т. е. количества её, проходящего через данное поперечное сечение водотока в 1 сек., для исследования передвижения водой наносов и растворённых веществ и т. д. Способы измерения В. п. излагаются в гидрометрии. Знание наибольших, наименьших и ср. величин, характеризующих состояние вод (уровней, скоростей, расходов и пр.), а также последовательности изменения величины этих элементов по временам года за ряд лет, т. е. знание т. н. режима водотока, нужно при постройке гидротехнических сооружений, при орошении и т. д.

Рис. 1. Схема устройства свайного поста

Все указанные измерения выполняются В. п. на водомерных постах и гидрометрических станциях.

Водомерные посты устраиваются для наблюдения за колебанием уровня воды. По устройству они бывают реечные, свайные, смешанные и автоматические. Реечный пост оборудуется вертикальными рейками, на к-рых нанесены деления через 1 или 2 см. Рейки прикрепляются к устою моста, к набережной и тому подобным сооружениям или к отдельно забитой свае. Уровень воды определяется тем делением на рейке, к-рого она достигает. Свайные посты устраивают в местах с пологими берегами. Вдоль пологого склона перпендикулярно к направлению течения реки забивают на глубину не менее 1,5 м ряд свай диам. в 20 - 30 см. Эти сваи располагают так, чтобы головка следующей сваи, находящейся ниже по склону, была на 0,6 - 0,8 м ниже головки предыдущей (рис. 1). Наблюдение состоит в измерении с точностью до 1 см рейкой дл. в 1 м (рис. 2) вертикального расстояния от горизонта воды до головки ближайшей затопленной сваи и в записи номера этой сваи, а также отсчёта по рейке. Смешанные посты представляют соединение реечного поста со свайным. По рейке чаще всего ведут наблюдения при низких горизонтах (ниже ледоходного), а по сваям производят отсчёт, когда вода выходит из берегов. Автоматические посты снабжают самопишущими приборами - лимниграфами (рис. 3 и 4). В лимниграфе колебания уровня воды передаются поплавком указателю уровня, снабжённому карандашом или пером, для вычерчивания колебаний горизонта воды на ленте, навёрнутой на цилиндр. Этот цилиндр приводится в движение часовым механизмом с оборотом в 24 ч. в неделю или даже в месяц.

Рис. 2. Переносная рейка

Высота нуля рейки реечного поста и головок свай свайного поста, т. е. точек, от к-рых ведут наблюдение, точно определяется нивелировкой и привязывается к постоянным прочным знакам поста - к реперам, чтобы можно было определить перемещение рейки или сваи в случае повреждения.

На водомерных постах ведутся также наблюдения за темп-рой воды и воздуха, скоростью и направлением ветра, волнением воды, атмосферными осадками, состоянием погоды, вскрытием и замерзанием реки и состоянием её ледяного покрова.

Рис. 3. Схема устройства лимниграфа: 1 - блок для поплавка; 2 - зубчатая штанга, передвигаемая шестернёй параллельно оси цилиндра; 3 - перо

На гидрометрических станциях, помимо этих наблюдений, определяют расход воды, т. е. количество воды, протекающее в единицу времени через данное сечение потока. Расход воды равен Q=ω×v, где Q - расход воды в ^м³/_сек, ω - площадь поперечного сечения водотока в м², v - ср. скорость течения воды в ^м/_сек. Величина площади поперечного сечения водотока определяется промерами его глубины и шир. Промеры производят обычно круглым шестом - намёткой (рис. 5) диам. в 5 - 6 см, разделённым на дм или см. На больших глубинах реки промеры делают размеченным тросом с грузом на конце.

Скорость течения в водотоке определяется посредством поплавков, гидрометрических вертушек и батометров-тахиметров.

Рис. 4. Общий вид лимниграфа

Рис. 5. Намётка

Поплавки делаются в виде деревянных кружков выс. в 5 - 6 см и диам. в 10 - 20 см. Иногда поплавками служат бутылки, наполненные водой настолько, чтобы они стояли в воде вертикально, будучи погружены лишь частично в воду. При измерении скорости течения поплавками, на водотоке закрепляются вехами 3 поперечных сечения (створа) на равных расстояниях одно от другого. Неск. выше верхнего (по течению) створа бросают поплавки. Время прохождения поплавков между створами замечают по секундомеру. На небольших водотоках (шир. до 5 м) по середине их пускают последовательно 15 - 30 поплавков. Из них выделяют 3, проходящих расстояние между крайними створами с наибольшей скоростью. Если время прохождения их расходится не более чем на 10%, то по расстоянию между створами и по ср. продолжительности хода этих поплавков подсчитывают наибольшую скорость прохождения поплавка или наибольшую поверхностную скорость течения v₀, относя её к ср. створу. Ср. скорость всего поперечного сечения водотока v находится посредством умножения v₀ на коэф-т 0,5 - 0,8, определяемый сравнением скоростей, измеренных поплавками и вертушками. Измерение скоростей течений поплавками просто, но не точно; обычно ошибка составляет 8 - 10%.

Рис. 6. Гидрометрическая вертушка: 1 - крылья вертушки; 2 - бесконечный винт; 3 - колесико; 4 - штифтик; 5 - пружинка; 6 и 8 - зажимы; 7 - ось вертушки; 9 - рама вертушки

Рис. 7. Вертушка системы 'Лагу'

Ср. скорость и расход водотока определяются более точно, если измерять скорости течения не только на поверхности, но и в разных по глубине и шир. местах поперечного сечения водотока. Для этой цели служат т. н. гидрометрические вертушки, имеющие лопасти или крылья, вращаемые течением воды (рис. 6). Зависимость между скоростью течения и числом оборотов в единицу времени определяется заранее в спец. бассейнах и записывается в танировочном паспорте вертушки. Бесконечный винт 2 на оси 7 приводит в движение колесико 3 (чаще всего с 25 - 50 зубчиками). Через каждые 25 оборотов лопастей вертушки колёсико делает полный оборот, и прикреплённый к нему штифтик 4 приходит в соприкосновение с пружинкой 5, соединённой с изолированным зажимом 6. К зажиму присоединяется провод от электрической батареи, в цепь к-рой включен электрический звонок или телефон. Др. провод соединён с др. не изолированным зажимом 8, находящимся на корпусе 9 вертушки. При погружении вертушки в текущую воду через каждые 25 (или др. число, зависящее от числа зубчиков колёсика "3) оборотов лопастей раздаётся звонок или слышится в телефоне звук контакта штифтика с пружиной. Зная число раздавшихся звонков за время t определяемое по секундомеру, от конца 1-го до конца последнего звонка, легко найти число оборотов вертушки в секунду. В паспорте вертушки находят соответствующую полученному числу оборотов скорость течения в той точке потока, где была установлена вертушка. В наст. время в СССР применяются вертушки только отечественного изготовления. Вертушка "Лагу" (рис. 7) простая, прочная вертушка, но с незащищённой от проникновения воды контактной камерой. В вертушке "Универсальная" контактная камера и подшипники лопастей находятся в камерах, наполненных маслом, защищающим их от проникновения грязной воды, от засорения и отложения солей на пружинке и штифтике. Вертушка Ж-3 системы Н. Е. Жестовского (рис. 8) представляет усовершенствованную вертушку предыдущего типа. В ней контактная камера и подшипники лопастей соединены в 1 общую камеру, заполненную маслом и находящуюся внутри лопастей. Вертушки 2 вышеуказанных типов надёжнее обыкновенных; они неудобны лишь в случае больших скоростей в реке, когда масло вымывается.

Рис. 8. Вертушка Ж-3 системы Н. Е. Жестовского

Рис 9. Батометр-тахиметр: I - сложенный (1 - вид сбоку, 2 - вид сверху); II - на штанге в реке (вид сверху): 3 - закрыт при опускании; 4 - открыт; 5 - закрыт при вынимании; III - вынутый с водой

Рис. 10. Водосливы: трапециевидный (наверху): треугольный (внизу) (разрез, фасад и план)

Вертушка с чашечками и с вертикальной осью ИВХ вращается на остром подпятнике; её контактная камера помещена вверху, на продолжении оси вертушки. Вертушка хорошо работает в мутной воде среднеазиатских рек, но даёт неск. преувеличенные скорости. Батометры-тахиметры состоят из металлического носика и прикреплённого к нему резинового баллона (рис. 9). Пустой батометр опускают на деревянной штанге так, что его носик направлен вниз по течению. Опустив штангу, носик повертывают навстречу течению. Измерив количество воды, попавшей на батометр за время погружения находят секундный приток воды в баллон. Зная последний по приложенному к батометру графику, находят скорость течения воды в точке измерения. Прибор прост, дешёв, но даёт не особенно точные результаты и непригоден для работы зимой и при больших глубинах реки.

Расход воды м. б. определён и без измерения скоростей течения - с помощью водосливов-водомеров. Водомеры водосливного или щитового типа применяются на оросительных системах для учёта поступающей в каналы воды, что очень важно для правильной эксплоатации систем. На небольших потоках чаще всего устанавливают трапециевидные и треугольные водосливы (рис. 10). Трапециевидный водослив делается с наклоном боковых краёв к порогу 1:4 (угол 76°). Величина расхода воды, переливающейся через этот водослив, определяется по формуле: Q=l,86 ×в ×H³/₂, ^м²/_сек, где Н - напор в м; в - шир. порога водослива в м. Треугольный водослив имеет вид треугольника с прямым углом внизу. Расход воды, протекающей через этот водослив, находится по формуле: Q = 1,4H⁵/₂, где H - напор в м. При устройстве указанных водосливов необходимо принять меры против фильтрации воды под ним или вокруг него и против размыва русла ниже его порога. Плоскость водослива д. б. вертикальна и перпендикулярна к направлению потока. Порог трапециевидного водослива д.б. строго горизонтален. Водомерная рейка для учёта величины напора воды над порогом д. б. установлена не ближе 3 - 4-кратной величины напора вверх по течению, нуль этой рейки д. б. на уровне порога водослива, точность отсчёта по ней 1 - 2 мм. Во избежание прилипания переливающейся через водослив струи под неё д. б. обеспечен доступ воздуха. Перед водосливом д. б. устроено уширение канала, обеспечивающее медленный приток воды к водосливу и совершенство сжатия струи. При соблюдении указанных правил по трапециевидному водосливу возможно измерять расходы до 6 ^м²/_сек, а по треугольному водосливу - до 0,7 ^м²/_сек, с точностью до 3 - 5%. Более сложны, но и более удобны водомеры Шикина и Буторина, разработанные в СССР в последние годы. Измерение расхода воды можно вести и объёмным способом с помощью мерных сосудов (литра, ведра). Подставив мерный сосуд под измеряемую струю и заметив время наполнения сосуда водой, делят объём воды в сосуде на время наполнения в секундах и определяют секундный расход потока. Это применимо при малых расходах. Для определения расхода взвешенных наносов берутся пробы воды на мутность описанным выше батометром или батометром Жуковского (рис. 11). Последний представляет металлический цилиндр с горизонтальной осью ёмкостью в 0,5 - 5 л, с плотно закрывающимися крышками. Прибор опускается на штанге, а при больших глубинах на тросе.

Рис. 11. Батометр Жуковского

Измерив количество воды, попавшее в батометр, и отделив фильтрованием и отмучиванием содержащиеся в ней твёрдые вещества, определяют мутность воды, т. е. количество твёрдых веществ (в мг), содержащееся в 1 л воды.

Для определения количества наносов, влекомых по дну, имеется большое количество разных приборов; лучшими из них можно считать приборы Б. Полякова и Б. Аполлова.

Литература: Васин М., Гидрометрия и основы гидрологии, Л.-М., 1936; Близняк Е., Производство исследований рек, озёр и водоразделов, как путей сообщения, источников гидравлической энергии и для целей орошения и осушения земель, 4 изд., М., 1936; Буланов А., Водомеры, [М.], 1937; Гириллович Н., Гидрометрия, Л. - М., 1937; Иогансон Е. и Иогансон B., Основы гидрологии и гидрометрии, М. -Л., 1947; Огиевский А., Гидрометрия и производство гидрометрических работ, 2 изд., [М.-Л.], 1937; Пикалов Ф. и Попова В., Ирригационные водомеры-регуляторы, М., 1943.