Применение аэро- и космических методов в гидрологических исследованиях

При дешифрировании аэрофотоснимков  устанавливают границы болот, определяют типы болотных массивов, выявляют элементы гидрографической сети. После дешифрирования составляют крупномасштабные типологические карты, а на основе этих карт — обзорные мелкомасштабные карты, по которым определяют заболоченность водосборов и значение коэффициента заболоченности.

Наибольший успех в изучении болот достигается сочетанием метода аэрофотосъемки с наземными наблюдениями. Кроме того, целесообразно сочетать аэрофотосъемку с тепловой (инфракрасной) аэросъемкой, дающей дополнительные возможности для дешифрирования элементов болотных массивов. Тепловая (ИК) аэросъемка основана на регистрации собственного теплового излучения земной поверхности в диапазонах волн 1,8—5,3 и 8— 13 мкм. ИК аэросъемка производится методом сканирования. Для регистрации теплового излучения ландшафта используется электронная аппаратура, преобразующая невидимое тепловое излучение в изображение на экране электронно-лучевой трубки или на фотопленке.

В отдаленных и труднодоступных районах аэрофотосъемка является пока единственно надежным методом изучения болот.

3 Измерение гидрологических характеристик рек и водоемов аэрометодами

Аэрометоды находят широкое применение в инженерных изысканиях для мостовых переходов и гидротехнических сооружений. К настоящему времени накоплен большой опыт проведения комплексных аэроизысканий для проектирования мостовых переходов через реки, нашедший отражение в официальных рекомендациях («Технические указания по применению аэрометодов на изысканиях мостовых переходов», ВНС 37—67).

Измерение скоростей течения и  расходов воды рекомендуется и на государственной гидрологической  сети, что также нашло отражение  в официальных документах [9].

3.1 Скорость и направление течений

 

Для измерения скорости и направления течений применяют способы:

1. одиночных снимков;
2. стереоскопический.

Способ одиночных снимков состоит  в последовательном фотографировании одиночными снимками с самолета плывущих по реке поплавков. В качестве поплавков применяют дощатые щиты или другие заметные с самолета предметы, обладающие малой парусностью. В ГГИ были разработаны ураниновые поплавки, сбрасываемые с самолета при полете поперек реки выше створа измерений. Они представляют собой деревянные цилиндрики высотой 11 см, диаметром 4 см, утяжеленные на одном конце металлическим кольцом. Поверхность покрывается пастой из клея и порошка уранина (флюоресцеина натрия). В воде паста образует флюоресцирующее зеленое пятно, хорошо видимое на снимках, сделанных на специальной пленке с применением желтого светофильтра. Применяют поплавки и других типов.

При ледоходе поплавками служат льдины, при лесосплаве — отдельные бревна.

Измерение делают в безветренную погоду или при слабом ветре (до 5 м/с). При  наличии ветра измеряют его скорость и направление и вводят поправки в соответствии с указаниями [9].

Аэрофотосъемка делается при двух последовательных залетах самолета с регистрацией моментов съемок. Для  получения траекторий струй фотографирование выполняют многократно последовательными залетами с интервалом 2—5 мин. Полученные аэрофотоснимки подвергают обработке — трансформируют и приводят к одному масштабу. Для этого на местности должны иметься опорные точки, привязанные к геодезической основе и опознаваемые на снимках. Затем в определенном масштабе по данным аэрофотосъемки вычерчивают план участка реки, на который переносят с каждого снимка последовательные положения поплавков. В результате получают на плане траектории поплавков. Зная расстояния между последовательными положениями поплавка и продолжительность хода, можно определить скорость его движения вдоль траектории.

Погрешность определения поверхностных  скоростей течения описанным  способом, по имеющимся данным, составляет 0,10— 0,15 м/с, т. е. примерно такая же, как при обычных поплавочных измерениях. Преимущества способа заключаются в быстроте выполнения работ, возможности проведения измерений сразу на всей ширине реки и на участке большой протяженности, а также при ледоходе и разливе больших рек.

Стереоскопический способ основан на использовании стереоэффекта, возникающего при рассмотрении в стереоскоп двух последовательных аэрофотоснимков водной поверхности с плывущими по течению поплавками. Полет выполняется параллельно продольной оси исследуемого участка реки. Снимки делаются с продольным перекрытием 60 %. Масштаб съемки обычно выбирается с расчетом, чтобы ширина реки на снимках составила 8—10 см. Интервал времени между снимками целесообразно брать возможно большим (8—9 с) при скорости самолета порядка 40 м/с (самолет АН-2).

В качестве поплавков применяют  различные плавающие предметы с  минимальной парусностью. Поплавки запускают в реку или сбрасывают с самолета при полете поперек  реки.

На двух последовательных снимках стереопары будут зафиксированы  поплавки на водной поверхности. Положение поплавков относительно постоянных береговых ориентиров будет на снимках различным: на втором снимке, сделанном позднее, поплавки будут ниже по течению, чем на первом. Расстояние между последовательным положением поплавков пропорционально скорости течения. По длине пути поплавков можно определить скорость течения

,

где

– длина пути поплавка; ∆t – интервал времени между моментами съемок; m – масштаб аэрофотосъемки ( : H – высота полета, – фокусное расстояние аэрофотоаппарата.

При рассмотрении двух последовательных снимков в стереоскоп смещения поплавков  вызовут стереоэффект, аналогичный стереоэффекту, который создается рельефом, деревьями и другими возвышающимися над поверхностью земли предметами. При этом смещения поплавков аналогичны разностям продольных параллаксов ∆p_i соответствующим смещениям точек на снимках под влияниям рельефа местности. Продольным параллаксом называется разность координат одноименных точек на двух последовательных снимках стереопары по горизонтальной оси. Разность продольных параллаксов двух различных точек местности определяет превышение одной точки над другой. В результате этого водная поверхность будет казаться не плоской, а выпуклой или вогнутой в зависимости от направления полета: при полете против течения— выпуклой, при полете по течению —вогнутой.

Обработка аэрофотоснимков делается на стереофотограмметрических  приборах — стереопланиграфе или стереокомпараторе, где по двум последовательным снимкам воссоздается пространственная модель местности, т. е. участки реки с поплавками на поверхности воды, причем водная поверхность будет иметь отмеченный выше вид.

Путем стереофотограмметрических измерений для каждого поплавка находят разность продольных параллаксов ∆p_i которая в данном случае соответствует величине . Для определения продольных параллаксов снимки ориентируют по изображениям урезов воды правого и левого берегов. Это позволяет обойтись без наземных геодезических работ. Измеряют продольный параллакс точки на урезе воды и продольный параллакс поплавка, затем находят их разность. Значения поверхностных скоростей течения определяют по формуле

,

 где

– разность продольных параллаксов.

Стереоскопический способ характеризуется  более высокой точностью определения скоростей течения: погрешность измерений составляет 0,05—0,06 м/с.

Стереофотограмметрическая обработка  аэрофотоснимков реки с поплавками позволяет довольно просто построить план изотах поверхностных скоростей течения.

3.2 Расходы воды

 

Расход воды можно определить:

1. по поверхностным скоростям;
2. интеграционным способом.

При первом способе площадь живого сечения определяют путем промеров, а поверхностные скорости течения — способом одиночных снимков.

Если река имеет устойчивое русло, то промеры глубин делают предварительно по выбранному створу, по данным промеров вычерчивают поперечный профиль. Площадь живого сечения определяют по профилю при уровне воды, наблюдавшемся во время измерения поверхностных скоростей с самолета.

Если русло реки размываемое  или по каким-либо причинам не представляется возможным проведение промерных  работ наземными средствами, то для измерения площади живого сечения применяют буйковые системы. Буйковая система состоит из якоря и двух буев, соединенных с якорем нитями разной длины. Буйковые системы сбрасывают с самолета по линии створа. Затем производят аэрофотосъемку реки и на аэрофотоснимках определяют положения буев и расстояния а между буями каждой буйковой системы (рис. 6). По этим расстояниям и известным длинам нитей l₁ и l₂ из геометрических соотношений получают глубины реки h в местах нахождения якорей буйковых систем. По этим данным можно вычертить поперечный профиль и вычислить площадь живого сечения.

Рис. 6. Схема буйковой системы в потоке

1,2 – буи; 3 – якорь; l₁, l₂ – нити; a – расстояние между буями.

Для определения поверхностных  скоростей течения делают аэрофотосъемку реки с плывущими поплавками. Восемь—десять поплавков сбрасывают с самолета немного выше створа. Аэрофотосъемка реки с поплавками делается одиночными снимками при двух залетах с интервалами 3—5 мин. На снимках должны быть видны оба берега реки, створные знаки, а также ориентиры, привязанные к геодезической сети, необходимые для трансформации снимков. Полученные аэрофотоснимки трансформируют и приводят к одному масштабу. Обработка снимков позволяет получить значения поверхностных скоростей течения по нормали к направлению гидроствора. Для этого на бумагу переносят с аэрофотоснимков план участка реки, линию створа, точки поплавков по первому и второму залетам. Соединяя точки двух последовательных положений каждого поплавка, получают векторы путей поплавков (рис. 7). Для вычисления расхода воды необходимо определить проекции поверхностных скоростей на нормаль к гидроствору. Для этого делают графические построения с соблюдением необходимой точности. Из конечных точек векторов проводят линии перпендикулярно. В каждом полученном таким путем треугольнике определяют длину катета, перпендикулярного створу. Разделив полученную величину на продолжительность интервала времени между снимками, получают значение поверхностной скорости течения по нормали к гидроствору. Положения скоростных вертикалей находят, проектируя на линию створа точки, лежащие на серединах векторов путей поплавков.

Рис. 7. графическое построение для определения поверхностных скоростей течения

1-5 – поплавки; t – V – скоростные вертикали; АБ – линия створа.

По площади живого сечения и  поверхностным скоростям вычисляют фиктивный расход воды. Для получения действительного расхода вводят поправку (переходный коэффициент К_l) т. е.

 ,

где

– действительный расход воды; – фиктивный расход воды.

Значение коэффициента К\ можно  определять опытным путем, по таблицам или по формулам, которых существует много. Выбор формулы для расчета  не имеет большого значения, так  как не вносит уточнения в значение расхода. Можно рекомендовать формулы:

Формула И.Ф. Караева:

  

Формула Г. В. Железнякова

  

Где

; – коэффициент Шези

Интеграционный способ измерения  расхода воды с самолета основан на применении поплавков-интеграторов (разработан Б. К. Малявским).

С помощью поплавка-интегратора  определяется средняя скорость течения воды на вертикали v

,

где

– скорость всплытия поплавка; – глубина на вертикали; – расстояние от вертикали до точки всплытия поплавка.

Элементарный расход воды на вертикали  равен

Полный расход воды в реке

где

- ширина реки.

Выражение определяет собой площадь эпюры элементарных расходов (рис. 8). Так как значение v_i принимается постоянным, то эпюру элементарных расходов можно заменить эпюрой расстояний l, которые будем называть расходными отрезками. Тогда расход воды можно определить по формуле

 

где

- площадь эпюры расходных отрезков

Рис. 8. Эпюра элементарных расходов.

Из формулы видно, что задача сводится к определению значений расходных отрезков на гидростворе. Это определение делается аэрометодами. В качестве поплавков-интеграторов используются масляные капли из смеси машинного масла с керосином, выпускаемые из специальных сосудов на дне. Капли всплывают на поверхность и сразу растекаются в пятна, хорошо заметные с самолета.

При измерении расхода воды подготовленные заранее сосуды сбрасывают с самолета при полете над створом (рис. 9). Одновременно делают аэрофотосъемку с минимальными интервалами между отдельными снимками для определения по всплескам мест падения сосудов. В дальнейшем эти точки опознаются на снимках и от них измеряют длины расходных отрезков.