Перейти к содержанию

БСЭ1/Гидрометрия

Материал из Викитеки — свободной библиотеки

ГИДРОМЕТРИЯ, отдел гидрологии (см.), трактующий, гл. обр., методику изучения явлений, характеризующих режим поверхностных води занимающийся их наблюдением. Основным объектом гидрометрич. наблюдений является расходы воды, т.е. количество ее (в м3), протекающее в 1 сек. через поперечное сечение реки в данном месте. Расход воды непрерывно увеличивается вниз по течению реки, вместе с увеличением водосборной площади, заметно возрастая при впадении крупных притоков. Встречаются аномалии, когда часть расхода или даже весь расход (реки со слепым концом) уходит на просачивание в грунт и усиленное испарение. В каждом поперечном сечении расход воды обычно изменяется изо дня в день и колеблется из года в год, т.к. меняются метеорологические факторы (осадки, температура и пр.), обусловливающие питание реки водой. Изменение расхода вызывает колебание уровня воды в реке. Ход изменения этих основных гидрологических элементов необходимо знать при разрешении инженерных задач — использовании водной энергии, шлюзовании, регулировании и дноуглублении реки, пользовании ею как источником для ирригации или водоснабжения, постройке пересекающего реку моста, и проч. Кроме указанного, гидрометрические наблюдения, в зависимости от целей исследований, охватывают количество взвешенных в воде наносов, размываемость русла, величину сопротивления русла движению воды (коэффициент шероховатости), химический состав воды, изменения ее температуры, характер образования ледяного покрова, и пр. Чтобы избежать в наблюдениях ошибок, вызванных местными условиями, выбирается на реке участок со спокойным течением, ровными глубинами, возможно закрытый от ветров и свободный от непосредственного влияния близ впадающих притоков. На таком участке закрепляется реперами профиль, так называем, главный створ станции, по линии которого устраивается на одном из берегов (при широкой реке — на обоих) водомерный пост (см.). Вся совокупность устройств для гидрометрических наблюдений носит название гидрометрической станции. С точностью, в большинстве случаев достаточной для целей практики, можно считать, что при русле, свободном ото льда, определенному стоянию уровня на данном профиле отвечает вполне определенный расход воды. Так как измерение положения уровня воды гораздо проще и дешевле, чем наблюдение расхода, то регулярно ведутся водомерные наблюдения на водомерном посту главного створа, а измерения расходов производят так, чтобы по отметке (высоте над некоторой условной плоскостью) стояния уровня можно было судить о величине соответствующего расхода. При достаточном количестве наблюдений, охватывающих всю амплитуду колебаний уровня воды, для створа гидрометрической станции составляется так наз. кривая зависимости, или связи расходов воды с горизонтами ее стояния, имеющая вид, показанный на рис. 1.

При устойчивом, неразмываемом русле, кривая расходов для открытого русла, при достаточности наблюдений, может оставаться правильной для данного Рис. 1. Кривая зависимости расходов воды от горизонтов ее стояния для р. Днепра у с. Лоцманская-Каменка.профиля на долгое время. В этом случае отклонения измеренных расходов от кривой вызываются или недостаточной точностью измерений, например, влиянием ветра во время работы и т. п., или же влиянием изменения уклона реки при прохождении паводков (см.). — Ледяной покров оказывает дополнительное сопротивление движению воды и меняет условия протекания. Кривая связи для открытого русла здесь негодна, и по зимним наблюдениям строят особую кривую. Построение ее много труднее, т. к. на изменение уровня воды зимой может влиять образование зажоров ниже по течению, наличие донного льда (см.), состояние нижней поверхности ледяного покрова, промерзание реки местами до дна, и пр. Понятно, что зимняя кривая не может быть так устойчива, как кривая для открытого русла.


Имея кривые связи и зная стояние уровня воды, для каждого момента можно вычислить соответственные расходы воды, а также весь объем протекшей в реке воды, иначе говоря,—ее сток за день, пятидневье (пентаду), десятидневье (декаду), месяц, год и т. д. для всего периода имеющихся водомерных наблюдений. — Водомерные наблюдения на гидрометрических станциях производятся три раза в день; при резких изменениях горизонта (например, половодье)—чаще. Иногда пользуются самопишущими приборами (лимниграфами), дающими непрерывную запись. Данные наносятся на чертеж, так называемый график колебания уровня воды. Обычно на один чертеж для удобства пользования наносят не свыше 5 лет наблюдений.

Для измерения расходов воды практикуются методы: непосредственного измерения, водослива, так наз. химический, наблюдения уклона и измерения скоростей течения. Наиболее распространенным является последний метод, и для более или менее крупных рек только он и применим. Основным способом измерения скоростей считают определение их вертушкой (см. Гидрометрические вертушки). Ту часть поперечного сечения реки, где есть течение и отсутствует стоячая вода, называют живым сечением. Если бы скорость по всему живому сечению была однообразна, то расход воды был бы равен произведению этой скорости на площадь живого сечения. В действительности скорости меняются как вдоль по профилю, так и с изменением глубины. Поэтому для получения лучших результатов измерения ведутся в возможно большем числе точек. По створу назначаются вертикали (от 5 до 11 и более), на каждой из к-рых вертушка опускается для наблюдений на разные глубины. Наиболее распространен т. н. пятиточечный метод, т. е. наблюдения на каждой вертикали в 5 точках: у поверхности воды на 0,2, 0,6 и 0,8 полной глубины вертикали и у дна. Часто практикуется двухточечный метод—наблюдения на 0,2 и 0,8 глубины вертикали, реже—одноточечный—на 0,6 глубины, или интеграционный—медленное равномерное перемещение вертушки вдоль вертикали, с записью времени ее перемещения. Для каждой точки наблюдения наблюдатель записывает по счетчику число оборотов вертушки в определенный интервал времени или продолжительность интервала между сигналами (звонками), отвечающими определенному числу оборотов вертушки. Иногда пользуются прибором для автоматическ. записи числа оборотов—хронографом.

Наблюдатель и вся его аппаратура помещаются на специальном пловучем понтоне, закрепляемом на время работ на данной вертикали на якорях или каким-либо иным способом, или же, при меньших размерах реки, в люльке, подвешенной на канате над рекой, или на специально построенном мостике. Вертушка опускается в воду или на опираемой в дно штанге, на к-рой она может быть закреплена в любой точке или на троссе с подвешенным к нему (для вертикального положения) тяжелым грузом—поддоном. Наблюдения в каждой точке ведутся от 3 (у поверхности) до 8 и более минут. Необходимость продолжительных наблюдений вызывается т. н. пульсацией (см.), создающей колебание скорости течения в дайной точке около некоторой средней величины. Рис. 2.

Вычисление расхода воды, наблюденного многоточечным методом, ведется следующим образом (графо-механический метод). Для каждой точки наблюдения по числу оборотов вертушки в секунду по тарировочной кривой определяется соответствующая скорость (в м в сек.). Затем для каждой вертикали чертится кривая распределения скоростей (рис. 2) и измеряется ее площадь, которая выражает т. и. элементарный расход, т. е. количество воды, протекшее в секунду через площадку шириною в 1 м, глубина которой равна глубине данной вертикали. Сумма элементарных расходов, вычисленных для каждого погонного м длины профиля, даст полный расход воды. Для выяснения элементарных расходов в промежутках между вертикалями строят по данным промеров профиль живого сечения, а также кривую изменения средних скоростей (определяемых как частное от деления элементарного расхода для вертикали на ее глубину), откладывая эти скорости в соответственных местах. Тогда для любой точки на профиле, с известной степенью приближения, можно вычислить элементарный расход (произведение средней скорости на глубину). Нанеся численные значения элементарных расходов для соответственных точек главного створа на том же чертеже и вычертив по ним кривую элементарных расходов, измеряют ее площадь, к-рая и даст полное значение расхода (в м3 в сек.).—На рис. 3, поясняющем вычисление расхода, приведен подсчет расхода Рис. 3. Определен 16 июля 1915 на главном створе гидром. станции у дер. Змеиной: Отметка горизонта воды—258,818 м; расход W= 960,1 м3/ сек.; площ. жив. сеч. F = 1.422 м2; средн. скорость V ср. =0,675 м/сек. воды р. Лены. О других способах подсчета, более сложных и упрощенных, см. в специальной литературе.

Зимою измерения скоростей производятся вертушкой, опускаемой в прорубь. Одновременно наблюдают толщину кристаллического льда, наличие и размеры губчатого и донного льда, а также высоту стояния воды в лунке над нижней поверхностью ледяного покрова. Обработка зимних расходов ведется по описанной схеме. Благодаря напорному характеру течения подо льдом, вода в лунке всегда стоит выше нижней поверхности льда. Измеренные расходы или относятся к фактическому уровню воды, т. е. к уровню нижней поверхности льда, или же к уровню воды в лунках; во всяком случае, это должно быть отмечено.—Точность измерения расходов воды вертушкой при открытом русле в нормальных условиях можно считать около 2%, а при измерении расхода в поймах—около 4%. При ледяном покрове она может оказаться ниже.

Большое распространение, благодаря его простоте, имеет способ определения поверхностных скоростей с помощью поплавков. Для этого выше и ниже главного створа разбиваются два дополнительных створа. Затем пускаются поплавки, и для каждого из них по секундомеру наблюдается время хода между створами, откуда вычисляется поверхностная скорость. Для подсчета расхода вычисляют среднюю скорость, которую принимают равной 0,8—0,9 от поверхностной. Величину этого коэффициента для местных условий лучше устанавливать по данным работы с вертушкой. Вместо поплавков пользуются иногда гидрометрическими шестами, плывущими в состоянии погружения почти на всю глубину вертикали. Точность наблюдения поплавками ниже, чем вертушкой.

Из др. приборов для определения скоростей течения применяются батометры. Батометр профессора В. Г. Глушкова представляет резиновый баллон со вставленной в него медной трубкой, который на штанге опускается на нужную глубину и там может быть открыт. По времени, в течение которого баллон был открыт, и объему втекшей в него воды вычисляется скорость течения в данной точке. Остальными приборами—трубками Пито-Дарси, динамометрами и пр.—пользуются реже.

Метод непосредственного измерения расхода сводится к перехватыванию тем или иным способом всего потока и к направлению его в мерный ящик, зная объем к-рого и время его наполнения, вычисляют расход. Метод водослива основан на том, что расход воды через водослив находится во вполне определенной зависимости от толщины переливающегося через водослив слоя, и для водослива с острой кромкой входящий в формулу коэффициент установлен с достаточной степенью точности. Для этого способа измерения расхода русло реки должно быть преграждено плотиной. Понятно, что специальная постройка водослива для наблюдения за расходом воды доступна лишь на малых потоках. Химический метод, или метод смешения, основан на вливании в реку какого-нибудь раствора (чаще поваренной соли) определенной консистенции в известном объеме. На расстоянии, достаточном для перемешивания его, берутся пробы и определяется содержание в них примеси. Расход воды в реке будет равен частному от деления количества вливаемой соли на консистенцию ее в реке после перемешивания.

При предварительной ориентировке иногда довольствуются наблюдением уклона и вычисляют среднюю скорость по одной из формул теоретической гидравлики, а все местные условия и сопротивление речного русла движению учитываются эмпирическими коэффициентами; расход же берут как произведение из средней скорости на площадь живого сечения потока. — Чтобы построить достаточно обоснованную кривую расходов, нужно большое число измеренных расходов, распределенных в пределах всей амплитуды колебания уровня воды. Обычно гидрометрическая станция может дать хорошую кривую расходов после 4—5 лет наблюдений. В случае устойчивого русла дальше можно довольствоваться контрольными наблюдениями за расходами воды. Водомерные наблюдения должны продолжаться перманентно. — Обработка данных гидрометрических наблюдений заканчивается обычно построением графика изменений расхода во времени с помощью графика колебания уровня и кривой расхода, а также подсчетом годового стока и коэффициента стока (см. Гидрология).

До Октябрьской революции гидрометрические наблюдения на реках России велись ведомствами путей сообщения и земледелия и государственных имуществ. Первые регулярные водомерные наблюдения начаты на основных водных артериях с 1874. К концу 19 в. число постов доведено до 500, в 1910—700, к 1917—845, охватив почти все судоходные реки Европейской и Азиатской России. В 1923 в HКПС действовало 370 постов, к 1929—около 700.—Наблюдения за расходами воды на отдельных станциях мин. путей сообщения начаты с 1880, на отдельных реках поставлены систематически с 1903, планомерно организованы (свыше 50 гидрометрическ. станций) в 1912. Министерством государственных имуществ гидрометрическ. работы начаты с 1873 : экспедиции по осушению болот в Полесьи (1873—98), по орошению на Юге и на Кавказе (1880—91), несколько по Туркестану и по исследованию истоков главных рек Европейской России (верховья Волги, Днепра, Оки, Дона, Западной Двины, 1894—1903). С 1910 Отделом земельных улучшений организованы планомерные гидрометрические работы в Туркестане, на Кавказе и в Европейской России. Переселенческое управление вело наблюдения на второстепенных реках Сибири и Дальнего Востока. В Туркестане за 1910—15 обследовалось 62 реки (112 водомерных постов и 14 гидрометрических станций); на Кавказе (гл. обр. Закавказье) обследовано 63 реки (100 водомерных постов и 10 гидрометрических станций); в Европейской России—182 реки при 374 водомерных постах.

Работы эти после Октябрьской революции продолжаются органами НКЗ РСФСР и УССР, а также Управлением водного хозяйства Туркестана и Закавказья. Крупные гидрометрич. наблюдения ведутся Главэлектро ВСНХ СССР для обследования источников водной энергии (система р. Волхова, Днепр, Свирь, реки Сев. Кавказа, Урала, Алтая, Северного края и другие). Отдельные исследования ведутся также рядом др. организаций. Научная проработка гидрометрическ. проблем ведется Гос. Гидрологическим институтом (см.) в Ленинграде. Из крупных рек СССР более или менее обследованными в гидрометрическом отношении могут считаться следующие: Волга, Ока, Москва, Чусовая, Днепр, Припять, Дон, Сев. Донец, Нева, Волхов, Свирь, Мста, Шексна, Сухона, Суна, главные реки Беломорья, главные реки Закавказья и Туркестана, реки Крыма, реки Сибири: Тобол, Тура, Томь, Кеть, Кас, Верхний Енисей, верхнее течение Ангары, Иркут, Верхняя Лена, Шилка, Зея, Амур, но на многих из них цикл водомерных наблюдений недостаточен по продолжительности, а наблюдения за расходами воды охватывают лишь часть амплитуды колебаний.

Лит.: 1. Методика: Колупайло С. И., Гидрометрия, М., 1918 (литогр.); Крылов А. И., Гидрометрия, Казань, 1917; Владычанский B. И., Гидрометрия, 2 изд., Ташкент, 1924; Глушков В. Г., Некоторые способы, схемы и приборы в области гидрометрических исследований, СПБ, 1912; Тяпкин H. Д., Приборы для определения скорости п расходов воды в открытых руслах, реках и каналах, М., 1901; «Инструкция для гидрометрических работ Отдела земельных улучшений», П., 1916; Jasmund R., Fliessendes Gewässer des Wasserbaues, Lpz., 1911; Lidell J. В., Stream Gaging, London, 1925, N. Y., 1927; «Гидрометрические вертушки Отта и принадлежности, с обзором способа их применения». Каталог 105 А. Отта (в Кемптене). 2. Отчетные данные: «Сведения об уровне воды на внутренних водных путях Российской империи по наблюдениям на водомерных постах. Бассейны Балтийского и Белого морей», т. I (1881—90), СПБ, 1901, т. IV (1891—1900), СПБ, 1908, т. VIII (1901—10), СПБ, 1912; то же, «Бассейн Каспийского моря», т. II (1881—90), СПБ, 1907, т. V (1891—1900), СПБ, 1909, т. IX (1901—10), II., 1915; то же, «Бассейны Черного и Азовского морей», т. III (1881 — 90), СПБ, 1908, т. VI (1891—1900), СПБ, 1910, т. X (1901—10), СПБ, 1913; то же, «Бассейн C. Ледовитого и Тихого океанов», т. VII (1891—1900), СПБ, 1911; «Показания водомерных постов на pp. б. Казанского округа путей сообщения, Казань, 1917; Соколов H. Н., Гидрологический очерк р. Волги от устья р. Шексны до устья р. Оки, Казань, 1921; «Отчеты гидрометрической части за 1910 г.», 2 тт., изд. Управления земледелия и государственных имуществ в Туркестанском крае, СПБ, 1911; то же, за 1911 г., 2 тт., СПБ, 1912; то же, за 1912 г., 7 тт., СПБ, 1913; то же, за 1913 г., 6 тт., П., 1915; «Отчеты Гидрометрической части за 1910—12 г.», ч. 1—3, изд. Отдела земельных улучшений Гос. управления земледелия и землеустройства при Водном управлении Кавказа, Тифлис, 1913 г.; то же, за 1913 г., ч. 1—3, Тифлис, 1915; «Ежегодники Отдела земельных улучшений», за 1909—16 (10 тт.); «Ежегодники С.-Петербургского округа путей сообщений»; «Материалы по исследованию реки Волхова и его бассейна»: вып. 6. Вальман В. Н., Гидролого-гидрометрические исследования в бассейне реки Волхова, Л., 1926; вып. 15. Вальман В. Н., Водомерные наблюдения за 1921—26 гг. в Ильмень-Волховском бассейне, Л., 1927; вып. 14. Иогансон Е. И., Зимний режим реки Волхова и озера Ильмень, Л., 1927; Чижевский Г. Ф. и Крокос В. А., Материалы по использованию реки Дона для судоходства, мелиорации и электрификации, Москва, 1922; Александров И. Г., Режим рек бассейна р. Сырдарьи за 1900—16 гг. (атлас чертежей), М., 1924; Марецкая Т. П., Гидрометрические данные порожистой части Днепра, Москва, 1925; Копылов Н. А., Северная Область, «Труды К. Е. П. С.» при Всесоюзной Академии наук, T.II. Белый уголь, Петроград, 1921; Эссен А. М., Водные силы Кавказа; Комарницкий С., Щорiчна гщрометрiчна служба НКЗС Украiни, Киiв, 1927; сводные статьи: Родевич В. М., Обзор произведенных до 1923 г. исследований рек России, «Известия Российского гидрологического института», № 5, П., 1923; Лукашин M., О состоянии гидрометрическ. работ в Туркестанском крае к концу 1921 г., «Бюллетень Российского гидрологического института», №№ 9—10, П., 1922; Малышев В. М. и Молодых И. Ф., Исследования рек Восточной Сибири, оттиск из «Известий Восточно-Сибирского отделения Российского Географического общества», том XLVII, Иркутск, 1924. 3. Периодические издания: «Известия Российского гидрологическ. института», Л.; «Вестник ирригации», Ташкент.