Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Выпуск 6. Часть I. Гидрологические наблюдения и работы на больших и средних реках (3-е издание, переработанное и дополненное)

5.2. ВЫБОР РЕПРЕЗЕНТАТИВНОГО УЧАСТКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УКЛОНА ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

5.2.1. Наиболее физически обоснованным подходом к выбору репрезентативного участка для измерения местного уклона водной поверхности является использование уравнений, описывающих движение воды в естественных потоках. В общем случае движение в реках является неустановившимся, но в большинстве случаев (нет выраженных паводочных петель или петель от искусственных попусков на кривой расходов) его можно рассматривать как установившееся неравномерное.

Уравнение установившегося неравномерного движения для участка потока, записанное в конечных разностях, имеет вид

,

где - уклон водной поверхности на участке; - член, выражающии уклон трения; - инерционный член, характеризующий изменение средних скоростей по длине потока; , - средние скорости в створах нижнего и верхнего уклонных постов: и - соответственно коэффициенты Кориолиса в этих же створах; - коэффициент, характеризующий гидравлическое сопротивление; - расстояние между створами уклонных постов; - ускорение свободного падения; - гидравлический радиус, который при широком русле обычно заменяется средней глубиной.

Неравномерность движения потока характеризуется вторым членом правой части приведенного уравнения, т.е. характером изменения средних скоростей по длине участка. Чтобы участок был репрезентативным, изменение скоростей на нем должно быть однообразным (либо увеличение, либо уменьшение). Поскольку скорости изменяются обратно пропорционально площадям сечений, указанное условие относится также к площадям, т.е. в пределах репрезентативного участка площади живых сечений должны либо убывать, либо возрастать. В ряде случаев за счет изменения формы живого сечения площади могут мало меняться; в то же время наличие мезоформ (гряд) большого масштаба, создающих вертикальное сжатие и расширение потока, приводит к существенному изменению режима движения. В таких случаях следует соблюдать дополнительное условие - места расположения уклонных постов по отношению к гидроствору надо выбирать так, чтобы между уклонными постами было обеспечено однообразное изменение средних глубин, т.е. уклонные посты должны располагаться на гребне и впадине мезоформы или в промежутке между ними (рис.5.1).

Рис.5.1. Схема расположения створов для измерения уклонов водной поверхности

1 - гидроствор; 2 - правильное положение уклонных створов на репрезентативном участке; 3 - неправильное положение уклонных створов

Коэффициент , входящий в уравнение неравномерного движения, в пределах одного участка значительных изменений не претерпевает. Коэффициент при паводочных уровнях на беспойменных участках рек практически постоянен.

Для обоснованного выбора репрезентативного участка с целью производства наблюдений за уклонами необходимо иметь план русла в горизонталях на значительном расстоянии или хотя бы серию поперечников, привязанных к магистрали на берегу. Если гидроствор расположен на плёсе, участок должен захватывать либо выше-, либо нижележащие перекаты. При отсутствии таких планов места расположения уклонных постов в первом приближении можно установить на основе рекогносцировочного обследования по ширинам русла в паводок, учитывая, что изменения ширин по длине коррелятивно связаны обратным соотношением с изменением средних глубин. При этом места расположения уклонных створов по отношению к гидроствору выбираются так, чтобы они не выходили за границы выше и нижележащих больших расширений и сужений русла.

По изменениям площадей живого сечения в пределах участка (при наличии плана русла в горизонталях) или ширин (полученных по рекогносцировочному обследованию) следует заранее составить представление о характере изменения уклона (измеренного на репрезентативном участке) с увеличением уровня при паводочных наполнениях русла. При увеличении площади живого сечения ниже гидроствора и соответственно при расширении русла - уклон возрастает с повышением уровня. При уменьшении площади живого сечения и соответственно при сужении русла ниже гидроствора - уклон уменьшается с ростом уровня. На сравнительно прямолинейном однообразном участке значительного протяжения - уклон при паводочных наполнениях не зависит от изменения уровня, т.е. практически постоянен. Указанные закономерности могут нарушаться при наличии условий, вызывающих дополнительные гидравлические сопротивления, например, наличие переменного подпора, кустарников и деревьев, создающих дополнительную шероховатость и т.д.

На рис.5.2 приведен конкретный пример по выбору репрезентативного участка для измерения уклона водной поверхности при наличии схематического плана русла на протяжении 1 км при паводочных наполнениях, нескольких измерений уклона нивелированием, измерений площадей живого сечения и ширин. Как видно на рис.5.2 а, гидроствор расположен на сравнительно прямолинейном участке небольшой длины. Ниже гидроствора имеется расширение русла, из чего следует, что уклон при паводочных наполнениях должен возрастать с повышением уровня. Верхний уклонный пост расположен в 160 м выше гидроствора. Необходимо установить нижнюю границу репрезентативного участка. В соответствии с вышеизложенным граница участка не должна выходить за пределы наибольшего расширения, т.е. положение нижних уклонных створов I и II - будут на репрезентативном участке, а III и IV - на нерепрезентативном. Эти выводы подтверждаются данными рис.5.2 б, где приведены продольные профили дна и водной поверхности на рассматриваемом участке и график изменения ширин по длине при паводочных уровнях. Примерно на расстоянии 600 м от верхнего уклонного поста (в.у.п.), что соответствует положению нижнего уклонного поста (н.у.п.) II, имеет место резкий перелом в ширине русла при уровнях половодья и в продольном профиле дна (построен по отметкам средних глубин). Из данных рис.5.2, в видно, что на участке в.у.п.-н.у.п. I и в.у.п.-н.у.п. II уклон возрастает с возрастанием уровня; на участке в.у.п.-н.у.п. III уклон уменьшается с возрастанием уровня; на участке в.у.п.-н.у.п. IV уклон не зависит от изменения уровня, т.е. постоянен. Из данных рис.5.2 г видно, что при использовании данных об уклоне на репрезентативном участке в.у.п.-н.у.п. II - коэффициент формулы Шези, начиная с уровня 170 см над нулем графика практически постоянен и равен 46 м/с, а при использовании уклона, измеренного на нерепрезентативном участке в.у.п.-н.у.п. III - коэффициент возрастает.

Рис.5.2. Схематический план участка (а): б - продольные профили дна (1), водной поверхности (3) и график изменения ширин реки по длине участка (2); в - зависимости от уровня воды параметра по гидроствору и уклонов водной поверхности на участках разной длины; г - зависимости от уровня воды коэффициента формулы Шези, вычисленного при уклонах, измеренных на репрезентативном (1) и нерепрезентативном (2) участках.

После окончательного выбора участка на уклонных постах, как и на гидростворе, следует нивелированием и путем промера получить профили поперечного сечения до уровня высоких вод.

5.2.2. На горных реках, как и на равнинных, движение воды описывается уравнением установившегося неравномерного движения.

Однако на горных реках имеются особенности, отличающие их от беспойменных участков равнинных рек. На малых горных реках наличие крупных валунов в русле или у берегов вносит изменения в характер движения потока; на значительных по величине горных реках выступы скал на берегах могут создавать иногда даже зоны с обратными течениями, не характерными для условий протекания основной массы потока. Поэтому на таких реках при выборе репрезентативного участка для измерения уклона водной поверхности следует в основном придерживаться условия однообразного изменения площадей живых сечений и учитывать местные особенности. В общем случае для горных рек можно привести некоторые дополнительные рекомендации. Независимо от падения уровня протяженность участка наблюдений должна быть не менее 30 м на малых реках (шириной до 15 м) и не менее удвоенной ширины русла на реках больших размеров. При существующих гидрологических постах на малых горных реках возможны отступления от изложенных рекомендаций о длине участка при наличии выше и ниже гидроствора на берегах валунов, частично или полностью затопляемых при высоких уровнях и вносящих изменения в гидравлические условия протекания потока. В таких случаях участок можно выбирать меньшей длины, но надо увеличивать число измерений уклона для получения надежной осредненной зависимости уклона от уровня.

Для учета местных условий на каждой конкретной реке следует проводить нивелирование уклона водной поверхности по обоим берегам и если разница в измерении уклона по одному берегу не будет отличаться более чем на 10-15% по сравнению с его средним значением по обоим берегам, то измерения производятся на одном берегу.

На горных реках с неровными (в плане) скальными берегами и извилистой береговой линией уклоны, измеряемые по обоим берегам, даже на значительном протяжении зачастую существенно различаются между собой. При этом надо иметь в виду, что иногда полученные уклоны отражают не условия протекания основной водной массы, а изменения, вносимые выступами скал в береговой зоне (за выступами скал может наблюдаться зона обратного течения). Для таких рек можно рекомендовать выбирать участок для измерения уклонов после проведения нивелирования уровня по обоим берегам в местах, где поблизости отсутствуют выступы скальных пород, и затем решать вопрос об измерении уклона на одном берегу.

На горных реках с одним пологим берегом, а другим - с выступами скальных пород следует провести такие же съемки, как и при наличии обоих скальных берегов. При этом может оказаться, что посты для измерения уклона надо оборудовать вдоль пологого берега.

5.2.3. Если гидрологический пост оказался выбранным на участке реки с широкой поймой, затапливаемой в половодье (паводок), что допустимо в виде исключения, то вопрос выбора репрезентативного участка по измерению местного уклона водной поверхности представляет собой сложную специальную задачу.

В общем случае при расположении гидроствора в сужении долины границы створов уклонных постов не следует выносить за пределы резких расширений или сужений долины, расположенных ниже или выше гидроствора. На участке (и особенно на гидростворе) ось главного русла не должна составлять большой угол с осью долины. Целесообразно участок выбирать с односторонней поймой, где главное русло прижато к одному из берегов. Если большая часть расхода воды при высоких уровнях проходит по пойме, можно менее строго относиться к требованиям выбора участка для измерения уклона главного русла, и участок выбирать так, чтобы можно было обеспечить определение расходов воды на пойме. Схема расположения уклонных постов, в минимальной мере обеспечивающая получение продольных уклонов в главном русле, продольных и поперечных уклонов в пойме для простейшего случая параллельности осей главного русла и поймы, приведена на рис.5.3.

Рис.5.3. Примерная схема расположения уклонных постов на створах с широкими поймами

1 - гидроствор; 2 - створы уклонных постов; 3 - уклонный гидрологический пост; 4 - основной гидрологический пост; 5 - коренной берег

Следует также иметь в виду, что на пойменных участках рек репрезентативные участки для измерения уклона водной поверхности могут быть разными для русловой зоны до выхода воды на пойму и после выхода. При невозможности оборудования двух участков предпочтение следует отдать репрезентативному участку при высоких уровнях.