Методы и средства измерения глубины водоёмов

    Рефракция звука, или искривление пути звукового  луча, вызывается неоднородностью свойств  воды, главным образом по вертикали, вследствие трёх основных причин: изменения гидростатического давления с глубиной, изменения солёности и изменения температуры вследствие неодинакового прогрева массы воды солнечными лучами. В результате совокупного действия этих причин скорость распространения звука, составляющая около 1450 м/сек для пресной воды и около 1500 м/сек для морской, изменяется с глубиной, причём закон изменения зависит от времени года, времени дня, глубины водоёма и ряда др. причин. Звуковые лучи, вышедшие из источника под некоторым углом к горизонту, изгибаются, причём направление изгиба зависит от распределения скоростей звука в среде. Летом, когда верхние слои теплее нижних, лучи изгибаются книзу и в большинстве своём отражаются от дна, теряя при этом значительную долю своей энергии. Наоборот, зимой, когда нижние слои воды сохраняют свою температуру, между тем как верхние слои охлаждаются, лучи изгибаются кверху и претерпевают многократные отражения от поверхности воды, при которых теряется значительно меньше энергии. Поэтому зимой дальность распространения звука больше, чем летом. Вследствие рефракции образуются так называемые мёртвые зоны (зоны тени), т. е. области, расположенные недалеко от источника, в которых слышимость отсутствует.

    Наличие рефракции, однако, может приводить  к увеличению дальности распространения звука — явлению сверхдальнего распространения звуков под водой. На некоторой глубине под поверхностью воды находится слой, в котором звук распространяется с наименьшей скоростью; выше этой глубины скорость звука увеличивается из-за повышения температуры, а ниже — вследствие увеличения гидростатического давления с глубиной. Этот слой представляет собой своеобразный подводный звуковой канал. Луч, отклонившийся от оси канала вверх или вниз, вследствие рефракции всегда стремится попасть в него обратно. Если поместить источник и приёмник звука в этом слое, то даже звуки средней интенсивности (например, взрывы небольших зарядов в 1—2 кг) могут быть зарегистрированы на расстояниях в сотни и тысячи км. Существенное увеличение дальности распространения звука при наличии подводного звукового канала может наблюдаться при расположении источника и приёмника звука не обязательно вблизи оси канала, а, например, у поверхности. В этом случае лучи, рефрагируя книзу, заходят в глубоководные слои, где они отклоняются кверху и выходят снова к поверхности на расстоянии в несколько десятков км от источника. Далее картина распространения лучей повторяется и в результате образуется последовательность т. н. вторичных освещенных зон, которые обычно прослеживаются до расстояний в несколько сотен километров. Явление сверхдальнего распространения звука в море было открыто независимо американскими учёными М. Ивингом и Дж. Ворцелем (1944) и советскими учёными Л. М. Бреховских и Л. Д. Розенбергом (1946).

    На  распространение звуков высокой частоты, в частности ультразвуков, когда длины волн очень малы, оказывают влияние мелкие неоднородности, обычно имеющиеся в естественных водоёмах: микроорганизмы, пузырьки газов и т.д. Эти неоднородности действуют двояким образом: они поглощают и рассеивают энергию звуковых волн. В результате с повышением частоты звуковых колебаний дальность их распространения сокращается. Особенно сильно этот эффект заметен в поверхностном слое воды, где больше всего неоднородностей. Рассеяние звука неоднородностями, а также неровностями поверхности воды и дна вызывает явление подводной реверберации, сопровождающей посылку звукового импульса: звуковые волны, отражаясь от совокупности неоднородностей и сливаясь, дают затягивание звукового импульса, продолжающееся после его окончания, подобно реверберации, наблюдающейся в закрытых помещениях. Подводная реверберация — довольно значительная помеха для ряда практических применений гидроакустики, в частности для гидролокации.[5]

    Пределы дальности распространения подводных  звуков лимитируются ещё и т. н. собственными шумами моря, имеющими двоякое происхождение. Часть шумов возникает от ударов волн на поверхности воды, от морского прибоя, от шума перекатываемой гальки и т.п. Другая часть связана с морской фауной; сюда относятся звуки, производимые рыбами и др. морскими животными.

    Гидроакустика получила широкое практическое применение, т.к. никакие виды электромагнитных волн, включая и световые, не распространяются в воде (вследствие её электропроводности) на сколько-нибудь значительном расстоянии, и звук поэтому является единственным возможным средством связи под водой. Для этих целей пользуются как звуковыми частотами от 300 до 10000 гц, так и ультразвуками от 10000 гц и выше. В качестве излучателей и приёмников в звуковой области используются электродинамические и пьезоэлектрические излучатели и гидрофоны, а в ультразвуковой — пьезоэлектрические и магнитострикционные. Из наиболее существенных применений гидроакустики следует отметить эхолот, гидролокаторы, которыми пользуются для решения военных задач (поиски подводных лодок противника, бесперископная торпедная атака и т.д.); для мореходных целей (плавание вблизи скал, рифов и др.), рыбопромысловой разведки, поисковых работ и т.д.[3] 

    Действие  эхолота описывается формулами: 

    h — a=          (1) 

    где b — половина расстояния между излучателем и приемником звука; ℓ— путь, проходимый звуковой волной от излучателя до дна или от дна к приемнику звука; а — глубина погружения под воду излучателя и приемника звука; 

    ℓ = ct/2          (2) 

    где с — скорость распространения  звука в воде (в среднем для  пресной воды—1462 м/с); t — время прохождения звуком пути 2ℓ.

    Подставляя выражение в уравнение, получаем 

    h =         (3)

    Таким образом, при известных значениях  а, b и с для определения глубины h достаточно измерить время t.[7]

 

    

2.   Приборы для измерения глубин 

    Расстояние  по вертикали от свободной поверхности воды до дна реки (канала, озера, водохранилища и т.п.) называется глубиной. Измерения глубины (промерные работы) — очень важный вид гидрометрических работ. Они необходимы для изучения рельефа дна водных объектов для нужд судоходства и лесосплава; при проектировании, строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений; при измерении расходов воды и наносов; при определении объемов воды, содержащейся в озерах и водохранилищах.[1]

    Для измерения глубины применяются  различные приборы и устройства. Рассмотрим основные из них.

    Гидрометрические  штанги. При измерении небольших глубин (до 6 м) применяют гидрометрическую штангу (наметку), которая представляет собой деревянный шест длиной до 7 м и диаметром 4-5 см. Нижняя часть наметки заканчивается железным башмаком массой 0,5-1 кг, который предохраняет ее от повреждения при ударах о дно. При илистых грунтах на башмаке укрепляется поддон в виде диска диаметром 15-30 см. Наметка размечается 10-сантиметровыми делениями, которые попеременно окрашиваются белой и красной масляной краской. Нулевое деление должно совпадать с нижней поверхностью башмака или поддона. В момент измерения наметка должна занимать вертикальное положение. Отсчет глубины делают с погрешностью 2-5 см. 
 
 
 
 
 
 
 

    

    Рисунок 2.1. – Груз гидрометрический стандартный. 

    При измерениях малых глубин нередко  используют также водомерные и нивелирные рейки, штанги от гидрометрических вертушек.

    Лоты. Измерение глубин более 6 м выполняют с помощью ручных или механических лотов.

    Ручной  лот представляет собой металлический груз массой 3-6 кг конической и пирамидальной формы, подвешенный на пеньковом или капроновом шнуре или же на мягком тросе (лотлине). Лотлинь размечают марками на метры и дециметры.

    При измерении глубин лот забрасывают  против течения воды, а отсчет берут в тот момент, когда лотлинь в натянутом состоянии займет вертикальное положение.

    Ручные  лоты применяют при небольших  скоростях течения (до 1 м/с). Вследствие прогиба лотлиня и относа лота течением, погрешность измерения глубины лотом составляет 5-10 см.

    При измерении глубин речных потоков  с большими скоростями течения применяют  лоты механические, в которых груз опускается и поднимается с помощью  лебедки.

    Стандартные гидрометрические грузы имеют обтекаемую (рыбовидную) форму (рис. 2.1) и массу от 5 до 100 кг. К тросу они крепятся посредством вертлюга, обеспечивающего свободное вращение груза в горизонтальной плоскости и установку его по направлению течения. Грузы опускают в воду и поднимают при помощи гидрометрических лебедок типа «Нева» (рис. 2.2), «Луга» и других. Длина вытравленного троса регистрируется счетчиком. Момент соприкосновения груза с дном устанавливают по уменьшению натяжения лотлиня или по сигналу от донного электроконтакта, расположенного под грузом. 

    

    Рисунок 2.2. - Гидрометрическая лебедка «Нева». 

    

    Рисунок 2.3. – Схема к определению поправок на относ линя течением (а) и угломер (б). 

    Вследствие относа лота течением и отклонения по этой причине лотлиня от вертикального положения измеренная глубина превышает фактическую (рис. 2.3). В связи с этим в измеренные с помощью лота глубины нужно вносить поправки.[3]

    При работах механическим лотом с  судна (лодки, катера) груз после измерения  глубины лишь несколько приподнимают над дном и перемещают под водой  в другую точку измерения. Это ускоряет выполнение промерных работ. 

    

    Рис. 2.4. - Схема измерения глубин эхолотом: 1 — вибратор-излучатель;

    2 —  забортное устройство, 3 — вибратор-приемник 

    Эхолоты. При проведении промерных работ  с движущегося судна широкое  применение получили эхолоты — приборы, автоматически измеряющие и регистрирующие глубины.[4]

    Действие  эхолота основано на принципе измерения  времени прохождения ультразвуковой волны от вибратора-излучателя 1 (рис. 2.4) до дна и отраженной волны обратно до вибратора-приемника 3. Из рис. 2.4 следует, что 
 
 
 

    h — a=          (4) 

    где b — половина расстояния между излучателем и приемником звука; l — путь, проходимый звуковой волной от излучателя до дна или от дна к приемнику звука; а — глубина погружения под воду излучателя и приемника звука; 

    ℓ = ct/2           (5) 

    где с — скорость распространения звука в воде (в среднем для пресной воды—1462 м/с); t — время прохождения звуком пути 2l.

    Подставляя  выражение в уравнение, получаем 

    h =         (6) 

    Таким образом, при известных значениях  а, b и с для определения глубины h достаточно измерить время t.[3]

    В настоящее время лоты в качестве навигационных приборов практически  повсеместно вытеснены эхолотами, однако при океанографических исследованиях используются лоты-батометры, снабжённые устройствами для измерения температуры, отбора проб воды на глубине и грунтозахватами для отбора проб донного грунта.[7] 

 

3. Выбор контрольно-измерительной аппаратуры, обеспечивающей проведение измерений  с требуемой точностью. 

    Из  всех вышеперечисленных приборов для  наших измерений мы выберем эхолот, как наиболее точный и удобный в применении.

    Эхолот (а также сонар или гидролокатор) – это прибор, предназначенный  для измерения глубины водоема  и распознавания рельефа дна. Он принимает ультразвуковой сигнал, отраженный от подводных объектов, а затем обрабатывает полученные данные и выводит их на экран. Можно использовать эхолот для определения типа грунта. Эхолоты бывают однолучевые и многолучевые. В зависимости от модели изображение, которое видит рыбак, может быть двух- или трёхмерным. Если включить автоматический режим прибора, то вне зависимости от диапазона глубин на экране будут одновременно видны и поверхность водоёма, и его дно.[6]