Текст книги "Инженерная геоэкология"

В предвесенний период производится ледомерная съемка участка для определения количества льда и оценки степени закупорки живого сечения реки.

С начала вскрытия производятся учащенные наблюдения за уровнями воды, картирование ледовой обстановки, фиксация подвижек льда, измерение расходов льда.

Важное место при изучении ледовых явлений отводится авиаразведкам ледовой обстановки. Элементы ледовой обстановки оцениваются визуально с самолета и наносятся на заранее подготовленную карту-бланк. Для удобства работы поперечный масштаб карты-бланка назначается крупнее продольного. Картирование сопровождается подробными записями в бортовом журнале. Помимо исчерпывающей характеристики ледяных образований и ледовых явлений, в карте-бланке приводятся сведения о дате, времени прохождения контрольных пунктов маршрута полета, облачности, условиях видимости и т. п.

Систематические наблюдения за волнением по стандартным программам в прибрежной зоне производятся на береговых волномерных пунктах, а в открытой части водоема – с плавучих станций и по отдельным максимально-минимальным вехам. Эпизодические наблюдения могут производиться с судов, выполняющих другие работы в водоеме.

Береговые волномерные пункты располагаются на участках, где при господствующих ветрах волны достигают наибольших для водоема размеров. На больших и крупнейших озерах и водохранилищах озерного типа, как правило, оборудуется три-четыре пункта, на водохранилищах речного типа – один пункт на 40–80 км длины. На малых и средних водоемах обычно ограничиваются одним волномерным пунктом, прикрепляяя его к району расположения озерного поста. Участок побережья в месте расположения волномерного пункта должен быть открыт со стороны озера (водохранилища) для господствующих ветров, а на подходах к нему не должно быть препятствий в виде островов, мелей и т. п.

Плавучие станции и автономно действующие максимально-минимальные вехи размещаются в местах, представляющих наибольший интерес для народнохозяйственных организаций (на сложных участках судовых трасс, на участках интенсивного рыболовства и т. п.).

Оборудование волномерных пунктов

Береговой волномерный пункт оснащается волномерными и максимально-минимальными вехами. Вехи устанавливаются не далее 150–200 м от берега, а друг от друга – на расстоянии не более 20–30 м. Для наблюдения за скоростью и направлением ветра на волномерном пункте устанавливается самописец или флюгер.

Вблизи плавучей станции обычно размещаются две-три волномерные и одна максимально-минимальная веха. Относительно судна, на котором располагается станция, волномерные вехи устанавливаются так, чтобы при любом направлении ветра хотя бы одна из них находилась в зоне, где волнение не искажено влиянием судна.

Волномерная веха представляет собой деревянный шест, размеченный на дециметровые деления. При глубинах до 5–7 м веха может быть укреплена на свае, забитой в грунт, или установлена на дне с помощью прикрепленного к ее основанию балласта. При глубинах более 7 м волномерная веха устанавливается на плаву.

Плавучая веха представляет собой деревянный шест, размеченный на дециметровые деления, укрепленный на верхнем основании цилиндрического поплавка достаточной плавучести. Для увеличения устойчивости вехи такой же шест укрепляется и у нижнего его основания. В точке наблюдения веха удерживается грузом-якорем, с которым соединена стальным канатом. Канат закрепляется на выступающей из воды части верхнего шеста и уходит в воду к грузу-якорю почти вертикально через сквозную трубку в поплавке и направляющий хомут на основании нижнего шеста. Такой способ крепления позволяет периодически устранять слабину каната, возникающую в связи с падением уровня, без снятия вехи с якоря.

Максимально-минимальные вехи предназначены для автоматической регистрации максимальной разности волновых горизонтов за время наблюдений по ним. Устройство крепится к волномерной вехе с помощью хомутов. В исходном положении индексы-указатели непосредственно прилегают к поплавку. При волнении поплавок, следуя за колебаниями водной поверхности, перемещается по струне, передвигая соответствующий индекс-указатель вверх или вниз.

Высота волн измеряется по числу делений, умещающихся между гребнем и подошвой волны.

Азимут направления распространения волн определяется в градусах.

Стандартные наблюдения на береговых волномерных пунктах производятся в течение всего безледоставного периода и включают определение следующих характеристик: а) среднего периода волн; б) разности волновых горизонтов в момент наблюдения; в) наибольшей разности волновых горизонтов за время шторма или другой длительный период; г) направления распространения волнения; д) скорости и направления ветра; е) уровня воды. При ветре до 10 м/с наблюдения производятся дважды в сутки в общепринятые сроки гидрологических наблюдений. При ветре более 10 м/с наблюдения производятся через каждые три часа в стандартные сроки метеорологических наблюдений.

Измерение прозрачности воды

Основными оптическими характеристиками воды озер и водохранилищ являются прозрачность и показатель поглощения и рассеяния света. От этих характеристик зависят световой режим глубин и интенсивность прогревания водных масс, оказывающие влияние на биологические процессы, которые происходят в водоеме. Оптические свойства воды зависят от ее состава, количества взвешенных в ней частиц минерального и органического происхождения, наличия микроорганизмов (планктона) и растворенных гумусовых веществ. Значительное влияние на пространственную изменчивость оптических свойств воды оказывают гидрологические факторы: течение, приток речной воды, волнение.

Прозрачностью воды называется свойство воды пропускать вглубь световые лучи. Характеристиками прозрачности служат: 1) коэффициент прозрачности – показатель ослабления света с глубиной, равный отношению интенсивности световой энергии на нижней и верхней поверхностях метрового слоя воды, выражаемый в процентах; 2) относительная прозрачность, или глубина видимости; эта глубина устанавливается по границе исчезновения видимости белого диска, опущенного в воду.

Все озерные станции и посты ведут наблюдения за относительной прозрачностью с помощью белого диска, представляющего собой металлический круг диаметром 30 см, окрашенный в белый матовый цвет.

В центре диска вставлена трубка, через которую пропущен размеченный на метры и дециметры линь. Под диском на трубку надевается съемный груз для предотвращения сноса диска течением.

Для определения прозрачности диск медленно опускается в воду с теневой стороны судна, и когда диск становится невидимым, отмечается глубина его исчезновения. После этого диск опускают еще на 1–2 м и спустя 5—10 с начинают медленно поднимать. В момент появления диска скова отмечается глубина. Среднее значение глубин исчезновения и появления диска принимается за величину относительной прозрачности.

Одновременно с определением прозрачности ведутся наблюдения за цветом воды с помощью шкалы цветности воды. Шкала представляет собой набор из 22 стеклянных пробирок, заполненных цветными растворами разных оттенков, от чисто-синего до коричневого, и пронумерованных от I до XXI. Пробирки укреплены по 11 штук в рамках, которые вставлены в двустворчатый футляр. Пробирка под № XI для удобства сопоставления помещается дважды – в левой и правой рамках.

Наблюдения за прозрачностью и цветом воды производятся на всех рейдовых вертикалях при каждом измерении температуры.

Наблюдения и измерения, проводимые на гидрологических постах, чрезвычайно важны для оценки экологического состояния водного объекта и окружающей среды в целом.

3.10. Проведение промерных работ

Измерение глубины водоемов – один из наиболее распространенных видов гидрологических наблюдений.

Глубиной называется расстояние по вертикали от поверхности воды до дна водоема. Глубина русла является одним из элементов расхода воды. Но измерение глубин (промеры русла), выполняется также для определения рельефа дна и опасных для судоходства мест, контроля русловых переформирований в зонах гидроузлов, водозаборных и сбросных сооружений. В этих случаях производится русловая съемка участков рек и акваторий. В зависимости от целей исследования русла его промеры выполняются в различные сезоны времени как при высоких, так и при низких уровнях воды.

Измерение глубин, как правило, производится не в одной точке, а по всей ширине русла и длине изучаемого участка.

Устройства, используемые при измерении глубин, подразделены на шесть основных разновидностей:

Разновидности устройств для измерения глубин:

– мост решетчатый;

– мост подвесной с несущими канатами;

– дистанционная гидрометрическая установка для рек шириной до 200 м;

– люлечная двухканатная переправа пролетом до 200 м;

– паромная переправа для рек шириной 200–300 м;

– гидрометрическое судно.

При измерении расходов воды на средних и больших реках используются моторные лодки и катера, применяемые на речном транспорте и лесосплаве.

Приборы для измерения расходов воды

Приборы для измерения глубин подразделяются на две группы: для измерения глубин в отдельных точках и для непрерывной съемки профиля дна.

В качестве средств точечных измерений служат наметки и ручные промерные лоты.

Наметка – шест диаметром 4–5 см, длиной до 5–6 м, изготовленный из дерева или легких дюралюминиевых трубок и размеченный на дециметры масляной краской контрастных цветов. Нижний конец деревянной наметки оковывается железным башмаком, который помогает погружению ее в воду и предохраняет от раскалывания при ударах о дно. Вместо наметок при глубинах, не превышающих 3 м, можно использовать гидрометрические штанги.

Ручной лот представляет собой груз массой до 10 кг. На одном конце лота имеется углубление для взятия проб донного грунта, на другом – ушко, к которому привязывается лотлинь – пеньковый или капроновый шнур диаметром 5—10 мм. Лотлинь размечается через 0,1–0,2 м марками из лоскутов цветной ткани или кожи. Чтобы шнур не вытягивался, его до разметки два-три дня вымачивают в воде, а затем сушат, натягивая между двумя столбами под нагрузкой 30–40 кг.

Промеры глубин наметкой и лотом требуют некоторой сноровки: их забрасывают против течения и с упреждением по ходу судна так, чтобы в момент отсчета глубины наметка или лотлинь находились в вертикальном положении.

Механический лот состоит из мерного каната и лебедки для опускания и подъема груза. На гидрологических постах применяются различные типы гидрометрических лебедок «Нева» и «Луга», предназначенных для лодочных и паромных переправ; лебедка ГР-36 с поворотной стрелой предназначена преимущественно для судов, а ГР-65 применяется на люлечных переправах. Каждая лебедка независимо от конструкции включает четыре основные части: станину, грузовую стрелу, вьюшку для каната, счетчик глубин для определения длины вытравленного каната.

У лебедки «Нева» станина представляет собой плиту, к которой присоединена рама, удерживающая стрелу. Шарнирное крепление подвижных частей обеспечивает изменение выноса стрелы от 0,3 до 1,0 м и угла наклона – от 30 до 60°. Один конец подъемного каната перекинут через блок с предохранительной дужкой, а другой намотан на барабан, который вращается рукояткой. На противоположном конце оси барабана укреплен счетчик глубин. Лебедка снабжена ручным и ножным тормозами и храповиком.

Лебедка «Луга» более портативна. Ее масса – 20 кг, стрела отделена от станины, что создает дополнительные удобства на рабочем месте: например, стрела может быть закреплена в носовой части судна, а станина с вьюшкой – ближе к корме. Лебедка ГР-36 с поворотной стрелой предназначена для использования на понтонах и катерах. Ее грузоподъемность – 100 кг. Станина несет поворотную колонку со стрелой, подъемным устройством и вьюшкой. Вся система может вращаться вокруг вертикальной оси на 360°. Стрела может быть зафиксирована в любом положении с помощью зажима и прижимной колодки. Барабан вьюшки при однослойном укладе вмещает 25 м стального каната. Лебедка ГР-65 (предназначена для люлечных переправ) не имеет стрелы, так как промерный лот или приборы опускаются в прорезь настила люльки непосредственно под лебедкой. Для горных рек разработана модифицированная конструкция лебедки ГР-65М. Ее отличительная особенность – закрытое исполнение, при котором обеспечивается сохранность подъемного механизма. Особое достоинство лебедки – в грузоупорном тормозе, предотвращающем свободное падение груза и травмы работающих. Счетчик лебедки показывает глубину потока в сантиметрах. Специальное устройство фиксирует угол относа грузового каната с погрешностью 1 °C. Грузоподъемность лебедки – 100 кг, собственная масса не превышает 50 кг.

Приемы измерения глубины с применением механических лотов и различных типов лебедок практически одинаковы. Чтобы опустить лот, надо повернуть рукоятку барабана назад, откинув собачку храпового колеса, и травить канат под тяжестью груза, сдерживая вращение барабана ножным или ручным тормозом. Когда нижняя поверхность груза коснется воды, барабан стопорится и показания счетчика устанавливаются на нулевую отметку. Затем лот опускается до дна и записывается глубина воды.

Комплекс промеров глубин включает: а) определение положения промерных точек (вертикалей) в плане; б) измерение глубин в каждой промерной точке; в) определение уровня воды; г) установление характера грунтов, слагающих дно реки.

Наиболее простой способ координирования промерных точек – непосредственное измерение расстояний от постоянного начала створа с помощью ленты, рулетки, размеченного шнура, каната. В постоянно закрепленных створах соответственно закрепляется и разметка промерных вертикалей.

Более сложные геодезические методы координирования – засечка промерных точек теодолитом, секстантом и мензулой, применяемая при промерах с моторных лодок и катеров.

Способ промеров глубин зависит от общей цели работ. Если они выполняются для определения расходов воды, то измерение глубин производится в гидрометрическом створе, чтобы получить поперечный профиль и площадь водного сечения. Если промеры входят в состав русловых съемок, глубины измеряются по поперечникам, косым галсам и продольникам.

Точность измерения глубин в точке зависит как от самой глубины, так и от средств измерения. При использовании штанг, наметок и лотов отсчеты глубины должны производиться с точностью, равной половине цены деления наметки или лотлиня. Допустимой является относительная погрешность измерения не более 2 %.

При измерении глубин более 5,0 м применяются лоты. Погрешность отсчета по счетчикам лебедок механических лотов составляет 1 см. Лотлини ручных лотов обычно размечают через 0,2 м. В этом случае точность промеров оказывается очень низкой и недопустима при измерении глубин для определения площадей живых сечений потока.

Наблюдения за уровнями воды ведутся на ближайшем гидрологическом посту. Высота уровня измеряется в начале и конце работы на каждом поперечнике (профиле).

Характер грунтов определяется визуально или с помощью лотов и специальных донных щупов. Данные о грунтах представляют интерес при расчете деформаций русла и транспорта наносов. Кроме того, эти данные позволяют судить о точности измерения глубин.

Организация промерных работ

Организация промерных работ зависит от оборудования, которое используется при их выполнении. Обычно измерения глубин в гидрометрических створах производятся с мостиков, люлечных, лодочных (паромных) переправ и судов, а зимой – со льда.

Глубины воды по профилю измеряются через равные расстояния в 20–50 промерных точках (вертикалях). Расстояние между промерными вертикалями зависит от ширины реки, рельефа дна и требуемой точности определения площади водного сечения.

Наиболее просты приемы промеров русла с гидрометрических мостиков. Расстояние до точек измерения глубин при этом определяется мерной лентой или по заранее произведенной разметке мостовых конструкций (балок или края настила мостика). Достаточно приспособлены для промеров глубин установки ГР-64 и ГР-70. Они обеспечивают дистанционные измерения глубин и расстояний, значения которых определяются по показаниям счетчиков на пульте управления.

При ледоставе облегчается работа по выполнению промеров по всей ширине реки; затруднения связаны с необходимостью бурить лунки для опускания наметок и лотов. В каждой промерной точке сначала определяется высота снега, затем глубина воды, общая толщина льда, глубина погружения льда и шуги. На каждом промерном профиле определяется расстояние от постоянного начала до уреза воды по нижней поверхности льда. Для этого у каждого берега пробивается несколько лунок. Расстояние от постоянного начала до урезов по уровню воды определяется с использованием профиля гидрометрического створа.

При открытом русле измерение глубин выполняется с использованием лодочных переправ, моторных лодок и катеров. Для производства промеров на реках шириной до 200 м наводится лодочная переправа с ездовым и разметочным тросами.

При наведении лодочной переправы на реках шириной до 100 м для перетягивания ездового каната служит подвесная вьюшка ГР-75.

При ширине реки более 200–300 м промеры выполняются с моторных лодок и катеров, а расстояние до промерных точек определяется засечками теодолитом с берега или секстантом – с судна. Положение поперечного профиля в этом случае закрепляется двумя створными знаками. Они указывают направление промерного профиля: наблюдатель будет находиться в створе, пока передний знак закрывает задний. Створный знак представляет собой шест или столб высотой 3–5 м с укрепленным на нем щитом, окрашенным в яркий цвет, контрастный фону местности. Два створных знака образуют одну визирную систему и вместе называются створом. На реках шириной до 500 м устанавливается одна пара створных знаков на берегу.

Русловая съемка – это комплекс геодезических измерений и промеров глубин для составления гидрографического плана участка реки в линиях равных глубин или горизонталях.

Наиболее распространенный способ русловой съемки – промеры по поперечникам, имеющим единую планово-высотную основу. Последнее достигается геодезической привязкой поперечников к разбиваемому на берегу в пределах участка съемки магистральному ходу. Число поперечников и количество промерных точек на каждом из них назначается с таким расчетом, чтобы расстояния между ними были по крайней мере в 3–5 раз меньше минимальных продольных и поперечных размеров неровностей дна, которые желательно выявить в результате съемки.

При значительных скоростях течения, затрудняющих точную проводку судна по створам, промеры при русловых съемках могут выполняться по косым галсам или по продольникам. Определение положения промерных точек осуществляется чаще всего двумя угломерными геодезическими инструментами, устанавливаемыми в пунктах плановой опорной сети. Достаточно эффективна и обратная засечка, которая производится с промерного судна одновременно двумя секстантами по заранее установленным трем береговым ориентирам.

Первичная обработка материалов измерения глубин

В зависимости от принятой методики промеров глубин и определения местоположения промерных точек полевые материалы могут быть представлены следующими видами записей результатов:

– книжками для записи промеров глубин;

– книжками для записи промеров глубин и журналами (планшетами) засечек промерных точек;

– лентами эхолотирования и журналами засечек контрольных точек.

Для записи промеров глубин служит книжка формы КГ-2, в которой предусмотрены графы для занесения расстояний, глубин, углов относа каната и соответствующих поправок. По измеренным глубинам и уровням определяются отметки дна. Кроме того, по каждому промерному поперечнику приводятся следующие данные: о грунте, способах определения местоположения промерных вертикалей и измерения глубин, указываются время начала и конца измерений, состояние реки (тихо, волнение, ледоход и пр.) и другие сведения.

Обработка книжки сводится к выполнению следующих операций:

– введение поправки в измеренные значения глубин на изменение уровня воды за время измерения (эта операция выполняется только в том случае, если промеры производились одним ходом);

– расчет поправки на относ каната и вычисление исправленной глубины;

– вычисление отметок дна.

Поправка к измеренным глубинам в связи с изменением уровня воды за время между началом и окончанием промеров рассчитывается для каждой промерной точки по формуле:

где Н_н, Н_к – соответственно уровни воды в начале и конце измерения; N – общее число промерных точек; i – номер промерной точки, для которой вычисляется поправка.

Отметка дна в каждой промерной точке определяется как разность между отметкой рабочего уровня воды и исправленным значением глубины.

Если положение промерных вертикалей засекалось угломерными инструментами, то расстояние от постоянного начала определяется после геодезических измерений.

Особенности обработки данных в зависимости от типа эхолота приводятся в инструкции к прибору.

При засечках промерных точек двумя угломерными инструментами с берега или с судна, что в основном имеет место при промерах по косым галсам или продольникам, расстояния отдельных точек от магистрали могут быть определены только после нанесения их на план.

Наиболее удобной формой графического представления данных промеров по отдельным поперечникам является построение профилей поперечных сечений.

Профиль поперечного сечения строится на листе миллиметровой бумаги в системе координат, по горизонтальной оси которой откладываются расстояния от постоянного начала до промерных вертикалей, а по вертикальной – глубины или отметки дна.

На профиль наносится положение рабочего уровня воды с указанием его отметки и даты промера. Под графиком, кроме шкалы расстояний, выписываются значения глубин и отметок дна на промерных вертикалях, а также указывается характер грунта, слагающего дно. На гидрологических постах рекомендуется иметь профили поперечных сечений до уровня высоких вод. Данные для построения таких профилей получают в результате совместных промерных и нивелировочных работ. Кроме рабочего уровня, на профилях должны быть указаны высший и низший уровни за период наблюдений на данном посту и соответствующие им даты.

Важными характеристиками профиля поперечного сечения, широко используемыми при расчетах пропускной способности русел, являются: площадь, ширина, средняя и наибольшая глубины, смоченный периметр, гидравлический радиус и относительная ширина. Их значения также могут быть рассчитаны по данным промеров глубин.

Площадь поперечного сечения может быть определена планиметрированием профиля, но чаще она вычисляется аналитически как сумма площадей трапеций, образуемых двумя соседними промерными вертикалями, поверхностью воды и линией дна. При этом линия дна между вертикалями принимается условно прямой, соединяющей точки дна на промерных вертикалях. В пределах поперечного сечения реки обычно выделяют водное сечение, живое сечение и мертвое пространство. Водное сечение при открытом русле совпадает с поперечным сечением. При наличии ледяного покрова верхней границей водного сечения является кромка погруженного в воду льда, поэтому его площадь в этом случае меньше площади поперечного сечения на площадь погруженного льда. Живое сечение – это часть водного сечения, в которой наблюдается течение воды. Области сечения, где течение не наблюдается, называются мертвыми пространствами. Если мертвые пространства отсутствуют, живое и водное сечения совпадают. Ширина поперечного сечения – это расстояние между урезами воды, вычисляемое по разности расстояний от постоянного начала до урезов дальнего и ближнего берегов. Средняя глубина сечения h_cp подсчитывается как частное от деления площади поперечного сечения на ширину:

а значение наибольшей глубины выбирается из промерной книжки.

Смоченный периметр при открытом русле – это длина линии дна между урезами воды. По данным промеров эта характеристика вычисляется как сумма гипотенуз прямоугольных треугольников, катетами которых служат разности глубин на соседних вертикалях.

При наличии ледяного покрова длина смоченного периметра включает в себя также длину нижней поверхности погруженного в воду льда.

Правильное измерение глубины реки позволяет рассчитать скорость течения потока, а следовательно, и оценить такую экологическую характеристику, как темп загрязнения реки при наличии сбросов в нее сточных вод.