Способ определения отметок свободной поверхности реки

 

Изобретение относится к гидрометрии и статической гидрологии уровневого режима реки и может быть использовано при экологическом мониторинге рек и их прибрежных ландшафтов, в частности при определении отметок урезов воды свободной поверхности реки, уклона реки с построением ее продольного и поперечного профиля живого сечения по характерным траекториям водотоков. Способ определения отметок свободной поверхности реки включает нивелировку свободной поверхности реки от реперов, находящихся на заранее созданной высотной сети вдоль одного из берегов реки, вычисление превышения между ближайшими реперами высотной сети и заданными точками на поверхности реки. Отметки свободной поверхности воды в реке определяют непосредственно с самой реки, не выходя на берег, инструментально двумя теодолитами с плавучего средства, находящегося в водном потоке, методом тригонометрического нивелирования. Проводят различные во времени измерения на каждом измеряемом участке реки от начального створа до конечного створа по крайней мере одной бригадой гидрологов с плавучим средством. Технический результат состоит в повышении точности определения отметок свободной поверхности реки и оперативности проведения гидрометрических измерений. 9 з.п. ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к гидрометрии и статистической гидрологии уровневого режима реки и может быть использовано при экологическом мониторинге рек и их прибрежных ландшафтов, в частности при определении отметок урезов воды свободной поверхности реки, уклона реки с построением ее продольного и поперечного профиля живого сечения по характерным траекториям водотоков, например, вдоль динамической оси водного потока.

Известен способ определения отметок свободной поверхности реки (см. книгу: Гришанин К.В., Сорокин Ю.И. Гидрология и водные изыскания. - М.: Транспорт, 1982, с.122), причем непосредственно с берега при помощи нивелира и мерной рейки. Для определения отметок устраиваются стационарные водомерные посты, которые в течение многих лет, в единой системе высот, ведут наблюдения за уровнем реки. Отметки уровня воды в реке определяются при помощи мерной рейки. По известным отметкам на водомерных рейках и расстоянию между ними определяется уклон реки, по которому рассчитываются отметки в нужном сечении.

Недостатком этого способа является то, что он не позволяет получить продольный профиль реки с переменным уклоном и поэтому дает лишь приближенные значения отметок свободной поверхности реки.

Известен также способ определения отметок свободной поверхности реки (см. книгу: Васильев А.В., Шмидт С.В. Водно-технические изыскания. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987, с.47), включающий нивелировку поверхности воды от реперов, находящихся по заранее созданной высотной сети вдоль одного из берегов реки. Для получения отметки свободной поверхности воды в данном месте реки вровень с водой забивают колышек и нивелиром замеряют превышение между ближайшим репером высотной сети и колышком.

Недостатком этого способа является то, что не используется сама река, в частности ее транспортирующая способность. Описанный способ требует значительных затрат времени на забивку колышек по урезу воды. В некоторых случаях серьезные затруднения при передаче отметки с репера на свободную поверхность воды вызывает наличие крутого, обрывистого или заросшего берега, что, в свою очередь, снижает точность измерений.

Технический результат - повышение точности определения отметок свободной поверхности реки и оперативности проведения гидрометрических измерений.

Этот технический результат достигается тем, что отметки свободной поверхности воды в реке определяются непосредственно с самой реки, не выходя на берег, инструментально (двумя теодолитами), например с плота, находящегося в водном потоке. При этом оба теодолита должны предварительно быть поверены. Место нуля вертикального круга каждого теодолита должно быть определено заранее на берегу. Штативы, на которые устанавливаются теодолиты, должны быть закреплены на плоту жестко, например, металлическими скобами. Перед измерениями теодолиты должны быть ориентированы взаимно. Во время замера плот должен находиться в водном потоке в неизменном положении, например, закрепиться за дно реки при помощи двух якорей. Процесс съемки ускорится, если с теодолитами будут работать два человека. После снятия всех отсчетов теодолитами с одной стоянки бригадой гидрологов плот снимается с якорей и плывет до следующего репера.

Одним из важных результатов применения данного способа является построение продольного профиля реки в какой-либо момент времени.

Для этого сравниваются одномоментные продольные, а при использовании нескольких плавучих средств с отдельными бригадами гидрологов, измеряющих уровень реки, и поперечные профили свободной поверхности реки. Это позволяет проследить динамику прохождения паводков и половодья. Для этого необходимо проводить несколько последовательных прохождений по изучаемому участку реки. При накоплении измеренных результатов за достаточный промежуток времени у каждого из реперов строятся графики зависимости отметок свободной поверхности реки от времени, например сезона или по всему теплому периоду гидрологического года.

Это позволяет с достаточной точностью снять значения отметок для любого момента времени и построить одномоментный продольный профиль реки. Количество прохождений по реке и, следовательно, количество точек для построения графиков отметок свободной поверхности реки в зависимости от времени зависит от длины участка реки, требуемой точности измерения и количества бригад гидрологов.

Сущность технического решения заключается в том, что вместо определения отметок поверхности воды с берега при помощи мерной рейки на водомерном посту или нивелира и мерной рейки, отметки определяются непосредственно с реки, например способами тригонометрического нивелирования, по крайней мере, двумя теодолитами.

Отметка свободной поверхности воды в данном сечении определяется путем визирования на два соседних репера. В случае, если видно большее количество реперов, то для повышения точности измерений визирование производится на все видимые репера.

Таким образом, в отличие от существующих способов определения отметок свободной поверхности воды, геодезические измерения проводятся непосредственно с плавучего средства, а не с берега.

Положительный эффект достигается тем, что предлагаемый способ позволяет получать большее количество отметок вдоль реки по мере сплава плота или другого плавучего средства, на котором установлены два теодолита (минимальное количество) определенным образом. А это, в свою очередь, повышает оперативность и точность получения графиков продольных уровней реки в различное время года.

Геометрические замеры выполняются непосредственно со свободной поверхности самой реки, не выходя на берег, что и отличает изобретение от существующих способов. При этом наш способ определения отметок свободной поверхности у реки возможно применить к равнинным рекам и при прохождении весеннего половодья. Многократное прохождение плавучего средства с теодолитами позволяет значительно повысить точность в статистической гидрологии рек. Предлагаемый способ позволяет получить большее число отметок уровня реки и тем самым построить более достоверные графики уровня реки в любое время года, кроме ледостава. Новый способ позволяет непосредственно с реки, сэкономив время и трудозатраты, с высокой точностью определить динамику свободной поверхности реки.

Одновременно расширяются технологические возможности мониторинга водных объектов, что позволит получить следующие результаты:

1. Применение тригонометрического нивелирования для двухтеодолитного способа определения отметок свободной поверхности воды позволяет определять отметки свободной поверхности реки в характерных ее сечениях, даже при значительном удалении реперов от плавучего средства, например, плота. Этот случай встречается на широких реках, что позволяет учесть влияние ширины реки на показатели водотока.

2. Этот способ позволяет строить различные продольные профили реки, например, в различные сезоны, причем следить за изменениями уровня воды во времени года (без учета периода ледостава) вдоль динамической оси потока воды, вдоль фарватера русла или по другой траектории.

3. Способ позволяет безопасно проводить наблюдения на пике паводка, так как специальные плоты с людьми в специальных костюмах могут проплыть по реке в весеннее половодье, а измерения с берега зачастую просто невозможно выполнить из-за широких разливов реки.

Новизна технического решения заключается в том, что впервые отметки свободной поверхности реки определяются непосредственно с поверхности реки тригонометрическим нивелированием, то есть на плавучем средстве определяется его местоположение относительно постоянных реперов различных типов, расположенных вдоль берега и привязанных к общей государственной геодезической сети.

Предлагаемое техническое решение обладает существенными признаками, новизной и значительным положительным эффектом. Материалов, порочащих новизну технического решения, нами не обнаружено.

На фиг.1 показана общая схема выполнения способа определения отметок свободной поверхности воды, вид сверху; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 показана ситуация, когда плавучее средство находится по течению реки за холмом, на склоне которого расположен репер; на фиг.4 показана схема измерения уровня реки с плавучего средства перед холмом на берегу реки; на фиг.5 показана ситуация, на повороте реки, когда визирование выполняется на видимые с излучины реки береговые реперы; на фиг.6 (условно в пространстве) показана расчетная схема визирования репера, установленного на пне дерева; на фиг.7 показан изучаемый участок реки длиной L и плот, расположенный в начале пути; на фиг. 8 - расположение стрежня реки (динамической оси потока) на криволинейном участке, то есть траектория движения плавучего средства с бригадой гидрологов, оснащенных двумя теодолитами; на фиг.9 показаны два участка реки, которые измеряются одновременно двумя плотами и бригадами гидрологов; на фиг.10 показан вариант с частичным перекрытием измеряемых участков; на фиг.11 изображена схема прохождения нескольких плотов последовательно во времени; на фиг.12 - схема движения плотов на широкой реке параллельно; на фиг.13 - схема поперечного сечения реки во время паводка, когда несколько плотов измеряют выпуклость поперечного профиля реки по стрежню; на фиг.14 - схема поперечного профиля при спаде поверхности реки, то есть в летнюю межень; на фиг.15 показана схема параллельного движения двух плотов на участке реки с обходом острова, на котором имеется репер.

Способ определения отметок свободной поверхности воды включает в себя следующие действия.

По берегу реки прокладывается триангуляционная сеть реперов 1. Как правило, эта сеть реперов известна заранее и при этом она может существовать несколько лет без изменения. Поэтому сеть реперов по берегу реки для предлагаемого способа является постоянным фактором.

На плавучем средстве, в наипростейшем случае деревянном плоту 2, по его середине вдоль плота устанавливаются два теодолита 3. Во время замеров на один или несколько реперов, то есть на одной стоянке, плот удерживается на одном месте двумя якорями 4. При использовании современных быстродействующих электронных тахеометров возможно измерение относительно реперов на ходу плавучего средства, например с катера или другого плавучего средства. При этом работы по данному способу возможно совместить с другими технологическими процессами, например с проведением патрульных рейдов вдоль реки и др.

Отметки сечений реки определяются тригонометрическим нивелированием двумя теодолитами, при измерении визирными лучами 5 реперов относительно плавучего положения плота. При этом в измерения вносят поправки на уровень затопления самого плота. Например, уровень теодолитов на плоту будет меняться в зависимости от снижения массы съестных припасов и других причин (изменения состава бригады гидрологов и др.).

Одна бригада гидрологов на одном плавучем средстве измеряет участок реки длиной L. Значение длины должно быть относительно небольшим, например не более 150-250 км. Начальный створ 6 и конечный створ 7 измеряемого участка реки отмечаются на берегу, например, специальными плакатами или колышками с надписями. Целесообразно начало и конец измеряемого участка также отмечать постоянными реперами, что позволяет проводить многолетний мониторинг свободной поверхности реки.

Для сокращения времени движения от начального створа до конечного, желательно движение плота (фиг.8) по линии, соединяющей максимальные поверхностные скорости течения воды, то есть по стрежню реки (или динамической оси струи водотока). Это достигается управлением плавучим средством с помощью движителя, а на плоту - с помощью весел или шестов. При этом стрежень всегда проходит у вогнутого берега излучины. Поэтому такое движение плота вдоль реки позволяет не только сократить время плавания, но и изучить формообразование самой излучины.

Для измерения продольного профиля всей реки отдельные участки располагаются от истока (с возможного для плавания на плоту створа 6) до устья. При этом отдельные участки относительно друг друга могут располагаться по-разному. Они могут не совпадать (фиг.9), то есть начальный створ 6 последующего измеряемого участка размещается дальше конечного створа 7 предыдущего участка реки. Наилучшим является случай (фиг.10) перекрытия участков реки. При этом зона перекрытия позволяет проверить и определить погрешности измерений свободной поверхности реки на обоих участках реки. Таким образом, появляется возможность полного сопоставления всего уровенного режима реки со всей сетью реперов вдоль берега.

Такая реализация предлагаемого способа позволяет значительно сократить интервалы времени между замерами. При этом начальный и конечный створы участков желательно располагать около дорог или у мостов, что позволяет быстро возвращать бригады гидрологов с плотами к начальному створу любого из измеряемых участков реки для повторных гидрометрических и гидрологических измерений.

Для определения динамики уровенного режима необходимо несколько бригад гидрологов на своих плотах направлять последовательно от одного начального створа до общего конечного створа реки. Это будет последовательное во времени объединение процессов измерений различных бригад гидрологов. Такой порядок работы целесообразен при быстром изменении уровня, например во время весеннего или осеннего паводка. Это позволяет также проводить независимую сверку результатов измерений, выполненных отдельными бригадами, например, для устранения грубых случайных ошибок, а также соблюдения технологической дисциплины измерений. Кроме этого, прохождение нескольких плотов по одному и тому же месту, но с небольшой задержкой во времени, значительно повышает точность результатов. Бригады формируются, например, из студентов, проходящих учебные и производственные экспедиционные практики. Поэтому методика сверки позволяет повысить точность измерений, выполняемых студентами.

Параллельное применение нескольких плотов (фиг.12, 13, 14) позволяет измерять поперечный профиль реки в различных гидрологических режимах. Одновременное измерение уровня поверхности реки в различных точках позволяет в дальнейшем построить поперечный профиль живого сечения реки. Поперечные профили необходимы для изучения прохождения паводочной волны, так как при подъеме воды поверхность имеет выпуклость по строению (фиг.13). При спаде воды после прохождения волны паводка поперечный профиль получает вогнутую форму (фиг.14). При расположении репера на повороте реки данный вариант действий позволяет выявить поперечный уклон поверхности воды в сторону выпуклого берега, вызываемый циркуляцией воды и зависящий от разницы кривизны излучины.

Параллельное движение нескольких плотов в районе расположения острова (фиг.15) дает возможность изучить влияние формы и размеров острова на изменение уровня реки в отдельных протоках.

Способ определения отметок свободной поверхности воды реализуется двумя теодолитами, например, со специального плота с двумя якорями следующим образом.

До применения способа по берегу реки прокладывается триангуляционная сеть реперов 1. Как правило, эта сеть реперов известна заранее и при этом она может существовать несколько лет без изменения. Поэтому сеть реперов по берегу реки для предлагаемого способа является постоянным фактором. Аналогично постоянными становятся начальные 6 и конечные 7 створы на данной реке, располагаемые около дорог или мостов.

Плот 2 из бревен сооружается с поперечными перекладинами. На плоту, по его концам и в середине по ширине, устанавливаются и жестко закрепляются скобами к бревнам два штатива, на которые крепятся теодолиты 3, например марки 2Т30П, с предварительно (на берегу) определенным местом нуля вертикального круга. После монтажа теодолитов замеряют расстояния между осями приборов, а также их высоты относительно поверхности плота. По мере замеров каждый раз замеряют осадку плота.

При съемке теодолиты ориентируют взаимно, причем вертикальный круг должен находиться в основном положении. Подплывая к реперу, плот бригадой гидрологов останавливается при помощи двух якорей 4. Затем одновременно оба теодолита наводятся на репер. Отсчеты снимаются по горизонтальному и вертикальному кругу каждого теодолита. Результаты записывают в журнал.

В камеральных условиях (или на остановках по реке) рассчитывают наклонные расстояния S₁ и S₂ от теодолита до репера по формуле

где L_б - длина базиса, расстояние между теодолитами на плоту, м;

α₁ - горизонтальный угол, снятый первым теодолитом, градусы;

α₃ - горизонтальный угол в треугольнике при репере, градусы.

где α₂ - горизонтальный угол, снятый вторым теодолитом, градусы.

Отметки реки, полученные при помощи первого и второго теодолитов, определяются по формулам:

H_p1=H_Rp-(S₁·sin(ν₁-МО))-i₁-h_п,

где H_Rp - отметка репера в каком-то естественном объекте или искусственном инженерном сооружении, м;

ν₁ - вертикальный угол, измеренный первым теодолитом, градусы;

МО - место нуля вертикального круга первого теодолита, градусы;

i₁ - высота над поверхностью плота первого теодолита, м;

h_п - осадка плота, м;

H_p2=H_Rp-(S₂·sin(ν₂-МО))-i₂-h_п,

ν₂ - вертикальный угол, измеренный вторым теодолитом, градусы;

МО - место нуля вертикального круга второго теодолита, градусы;

i₂ - высота над поверхностью плота второго теодолита, м.

Для повышения точности измерений принимается среднее арифметическое из двух измеренных отметок по выражению

Предлагаемый способ прост при практической реализации и он может быть реализован в ходе проведения студенческих практик и летних экспедиций. При использовании предлагаемого способа повышается точность и оперативность (производительность) выполнения измерительных гидрометрических работ за счет того, что геометрические замеры производятся непосредственно со свободной поверхности реки. За счет большего количества отметок способ позволяет получить более достоверные графики уровня реки в любое время года в динамике.

Формула изобретения

1. Способ определения отметок свободной поверхности реки, включающий нивелировку свободной поверхности реки от реперов, находящихся на заранее созданной высотной сети вдоль одного из берегов реки, вычисление превышения между ближайшими реперами высотной сети и заданными точками на поверхности реки, отличающийся тем, что отметки свободной поверхности воды в реке определяют непосредственно с самой реки, не выходя на берег, инструментально двумя теодолитами с плавучего средства, находящегося в водном потоке, методом тригонометрического нивелирования, причем проводят различные во времени измерения на каждом измеряемом участке реки от начального створа до конечного створа по крайней мере одной бригадой гидрологов с плавучим средством.

2. Способ определения отметок свободной поверхности реки по п.1, отличающийся тем, что несколько последовательных прохождений по измеряемому участку реки выполняют хотя бы одной бригадой гидрологов на одном плавучем средстве, например на плоту, затем, при накоплении измеренных результатов за достаточный промежуток времени, у каждого из реперов строят графики зависимости отметок свободной поверхности реки от времени, например сезона или по всему гидрологическому году, при этом количество прохождений по реке и, следовательно, количество точек для построения графиков отметок свободной поверхности реки во времени, принимают в зависимости от длины участка реки, требуемой точности измерения и количества бригад гидрологов.

3. Способ определения отметок свободной поверхности реки по п.1, отличающийся тем, что начальный створ и конечный створ измеряемого участка реки отмечают на берегу специальными метками, например, колышками с плакатами или колышками с надписями, причем начало и конец измеряемого участка отмечают постоянными реперами, что позволяет проводить многолетний мониторинг свободной поверхности реки, при этом начальный и конечный створы участков располагают около дорог или у мостов, что позволяет быстро возвращать бригады гидрологов с плотами к начальному створу любого из измеряемых участков реки для повторных гидрометрических и гидрологических измерений.

4. Способ определения отметок свободной поверхности реки по п.1, отличающийся тем, что для сокращения времени движения от начального створа до конечного, движение пассивного плавучего средства выполняют по линии, соединяющей максимальные поверхностные скорости течения воды, то есть по стержню реки или динамической оси струи водотока.

5. Способ определения отметок свободной поверхности реки по п.1, отличающийся тем, что для измерения продольного профиля всей реки отдельные участки располагают от истока, с возможного для плавания створа, до устья реки, при этом отдельные предыдущий и последующий участки относительно друг друга располагают со взаимным перекрытием, причем по измеренным данным от зоны перекрытия определяют погрешности измерений свободной поверхности реки на этих обоих участках реки, а затем проводят сопоставление уровенного режима всей реки с сетью реперов.

6. Способ определения отметок свободной поверхности реки по п.1 или 2, отличающийся тем, что для определения динамики уровенного режима в измерениях участвуют несколько бригад гидрологов на своих плотах, которые начинают плавание последовательно во времени от одного начального створа до общего конечного створа реки, причем такое последовательное во времени объединение процессов измерений различных бригад гидрологов принимают при быстром изменении уровня реки, например во время весеннего или осеннего паводка, кроме того, по данным измерений нескольких бригад проводят независимую сверку результатов измерений, выполненных отдельными бригадами, например для устранения грубых случайных ошибок, а также соблюдения технологической дисциплины гидрометрических и гидрологических измерений.

7. Способ определения отметок свободной поверхности реки по п.1 или 2, отличающийся тем, что для нескольких бригад гидрологов принимают параллельное вдоль реки движение нескольких плотов для измерений поперечных профилей живого сечения реки в различных гидрологических режимах, причем по данным одновременного измерения уровня поверхности реки в различных точках строят поперечный профиль живого сечения реки, например для изучения прохождения паводочной волны по выпуклости живого сечения реки, а при спаде воды, после прохождения волны паводка живого сечения реки вогнутой формы, кроме того, располагают репер на повороте реки и выявляют поперечный уклон поверхности воды в сторону выпуклого берега, вызываемый циркуляцией воды и зависящий от разницы кривизны излучины, а с помощью измерений при параллельном движении нескольких плотов в районе расположения острова изучают влияние формы и размеров острова на изменение уровня реки в отдельных протоках.

8. Способ определения отметок свободной поверхности реки по п.1, отличающийся тем, что оба теодолита размещают вдоль плота по его середине и предварительно поверяют на земле, например место нуля вертикального круга каждого теодолита определяют заранее на берегу, причем штативы, на которые устанавливают теодолиты, закрепляют на плоту жестко, например, металлическими скобами, а перед измерениями теодолиты ориентируют взаимно.

9. Способ определения отметок свободной поверхности реки по п.1, отличающийся тем, что во время замеров относительно одного или нескольких реперов в зоне визирования теодолитами, плот в водном потоке устанавливают в неизменном положении, например, путем закрепления за дно реки при помощи двух якорей.

10. Способ определения отметок свободной поверхности реки по п.1, отличающийся тем, что по данным гидрометрических и гидрологических измерений уровня реки сравнивают одномоментные продольные, а при использовании нескольких плавучих средств с отдельными бригадами гидрологов, измеряющих уровень реки, и поперечные профили свободной поверхности реки по живому сечению для последующей оценки динамики прохождения паводков и половодья.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15