Описание сокращенных способов измерения

Многоточечные измерения расходов воды вертушками требуют значительных затрат времени. Конечно, в условиях изменчивости расходов воды при этом достигается наименьшая погрешность измерений, чем и окупается их большая продолжительность. Иначе обстоит дело, когда наблюдается явно выраженное неустановившееся движение воды, которое свойственно как естественным паводкам, так и попускам из водохранилищ. В таком случае большая продолжительность измерений порождает дополнительные погрешности, связанные с изменчивостью расходов воды. В этих условиях ускорение измерений обеспечивает не только экономию времени, но и повышение точности получаемых данных. Способы ускоренных измерений весьма многообразны: наряду с точечными наблюдениями они включают такие сложные, как f - интеграционные, акустические и аэрогидрометрические. Рассмотрим основные виды ускоренных измерений, как широко распространенные в настоящее время, так и предназначенные для внедрения в ближайшей перспективе.

При сокращенных способах измерения уменьшается количество скоростных вертикалей до одной - трех при условии, что среднее квадратическое отклонение получаемых при этом расходов от результатов измерения основным способом не превышает 5 %. Существует два варианта сокращенных измерений:

1) применение интерполяционно-гидравлической модели

2) использование его репрезентативных элементов

Интерполяционно-гидравлическая модель расхода воды основывается на представлении измеренной средней скорости на вертикали в виде суммы двух составляющих

 (1)

где v_i - это компонент, измеренной скорости, гидравлически обусловлена глубиной на вертикали. Если считать уклон свободной поверхности и коэффициент шероховатости неизменным по ширине потока, то

 (2)

Причем

Вторая в общем случае знакопеременная компонента w зависит от особенностей кинематической структуры потока и поэтому названа структурной составляющей средней скорости на вертикали (она включает также средние случайные погрешности измерения).

Значения w_i не следует за изменением глубин. Поэтому для среднего по ширине отсека допустима их линейная интерполяция. На основе чего можем представить себе вид следующей формулы

 (3)

На основе приведенных предпосылок И.Ф. Карасевым и В.А. Реминюком синтезирована следующая модель расхода воды, названная интерполяционно-гидравлической:

 (4)

где h_s – средняя глубина в отсеке между скоростными вертикалями; P_s – весовой коэффициент: P_s = 0,5 для прибрежных отсеков (s = 1; s = N) ; P_s – 0,5 для всех остальных отсеков (1<s<N).

Значения а₀ устанавливаются по характерным фазам режима на основе специальных многоточечных (детальных) измерений. Вместе с тем а₀ вполне допустимо вычислять непосредственно по данным каждого конкретного измерения элементов расхода воды.

 (5)

где N_b – количество скоростных вертикалей.

Достоинство интерполяционно-гидравлической модели расхода воды по сравнению с моделью состоит в том, что она практически исключает систематическую погрешность – занижение расхода воды при сокращении числа скоростных вертикалей. Такой эффект достигается тем, что интерполяция средних скоростей на вертикалях v_{i ( j )} по ширине отсека между ними ведется с учетом распределения глубин. Отметим, что этим интерполяционно-гидравлическая модель превосходит и графический способ обработки расхода воды, в котором средние скорости на вертикалях интерполируются линейно.

При использовании интерполяционно-гидравлической модели достаточно измерять скорости всего на трех-четырех вертикалях, размещенных на равных расстояниях.

При устойчивом русле, когда площадь живого сечения F становится однозначной функцией уровня, все измерения расхода воды сводятся к определению средней скорости потока v. Но давно замечено, что её значение тесно связано со скоростями течения в какой-либо точке или со средней скоростью на вертикали, которые и носят название репрезентативных.

В качестве репрезентативной скорости принимается максимальная скорость в поперечном сечении потока или в точке стержневой вертикали на глубине 0,2h. При этом по данным предшествующих многоточечных измерений строится зависимость v_cp=f ( u _макс ) или v_cp=f ( u _{0,2 h} ), которая может аналитически быть представлена в виде уравнений регрессии:

 (6)

Координата точки с максимальной скоростью течения не остается постоянной, а теснота связи нередко оказывается недостаточной (рассеяние достигает 15%). Такая неопределенность не дает основания рассматривать u_макс как заведомо репрезентативный элемент для определения средней скорости потока. В связи с этим, заслуживает внимания предложение Е.П. Буравлева использовать в качестве репрезентативных средние скорости на вертикалях в прибрежных частях потока, расположенных на расстояниях 0,2В и 0,8В (считая от одного из урезов воды).

Расчетное уравнение регрессии в таком случае приобретает вид

 (7)

Точность определения расхода воды по репрезентативным элементам неодинакова для различных фаз гидрологического режима. Если рассматривать отдельно взятый створ, то анализ показывает, что использование репрезентативных элементов приводит к достаточно надежным результатам лишь при относительно небольших расходах Q/Q_макс>0.25, где Q_макс – средний многолетний максимальный расход воды. Этим критериальным соотношением можно руководствоваться при организации измерений.

В каналах, где сохраняется призматичность и устойчивость формы русла, для определения v_cp достаточно использовать одну репрезентативную вертикаль. По исследованиям А.А. Осиповича и В.П. Рагуновича (ЦНИИКИВР), эта вертикаль расположена на расстоянии 0,2b от уреза воды в канале (b - полуширина канала по дну – см.рис. 1). Отклонение местных скоростей течения на этой вертикали от средней для всего потока находится в пределах 2-3%.

Для ускорения измерений средних скоростей на вертикалях служат установки – интегратор ГР-101 и полуавтоматическая штанга с батареей микровертушек, разработанная М.И. Бирицким (ЦНИИКИВР).