CC BY
41
*
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК ss‘°4 И. В. КАРНАЦЕВИЧ
А. Л. СТАТВА
Омский государственный педагогический университет
ГИДРОМЕТРИЯ
БЕЗ УГЛОМЕРНЫХ ПРИБОРОВ____________________________
Описано использование и точность измерений координат точек акватории и берегов на примере р. Иртыша у города Омска.
Ключевые слова: гидрометрия, GPS, Иртыш, точность.
Речная гидрометрия занимается измерениями характеристик водных потоков — уровней воды, которые меняются в течение года, от суток к суткам, глубин на разном удалении от берега, площадей поперечного сечения потоков, скоростей на разных глубинах и разном удалении от берега, направления струй, расходов воды, то есть объемов воды, которые проходят за единицу времени (секунду) в разные дни года, в разные фазы водности — межень, паводки, половодья.
Одной из проблем в гидрологии всегда была проблема точного координирования точек акватории (водной поверхности), в которых производятся замеры. Эти точки нужно нанести как можно точнее на план реки, который создается на бумаге на берегу. С целью координирования глубин были разработаны и использовались в течение двух-трех последних сотен лет методы геодезии, основанные на построении на местности и на бумаге (на мензульном планшете) подобных треугольников. Ошибки возникают по ряду причин, из которых важнейшими были: неточное ориентирование мензулы, неточности визирования направлений кипрегелем, неточности положения катера на рабочем створе, даже неточностей, связанных с толщиной заточенного конца грифеля карандаша
и толщиной иглы, к которой прижимают линейку кипрегеля.
Промеры глубин осуществлялись когда-то наметками и лотами, при этом возникала проблема учета искривления и сноса троса с грузом, затем появились эхолоты, но замеры по прибору и передача сигнала на берег с помощью флагов-отмашек не совпадали во времени, возникали ошибки, связанные с повторениями цвета флага и т.д. На помощь пришли рации, с помощью которых в момент измерения глубины стало возможным передавать на берег и наносить на план не запись о цвете флага, а сразу число, означающее глубину. Давно уже на речных и морских судах установлены профилографы, у гидрологов появились недавно самописцы расхода потока.
Революцию в технологии производства гидрометрических работ совершили современные новейшие методы позиционирования точек акватории, базиса и контуров ситуации на берегу, основанные на использовании GPS-приемников. В 2009 г. впервые на Иртыше в Омске были использованы автономные миниатюрные GPS-приемники e-trex: Garmin Legend и Garmin Vista — для координирования пикетов базисной магистрали, якорных гидрометрических станций (скоростных
«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (84), 2009 НАУКИ О ЗЕМЛЕ
НАУКИ О ЗЕМЛЕ «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (84), 2009
Таблица 1
Результаты семикратного измерения координат точек 400-метрового базиса GPS-приемником GARMIN e-trex VISTA. Набережная правого берега р. Иртыша в городе Омске. 28 июня - 9 августа 2009 г.
Точка Среднее Минимал. Максимал. Разность Разброс значений (диапазон), м
Отсчеты широты в тысячных долях минуты
пк0 586 584 588 3 5,5
G + 5G 6G7 6G5 6G8 3 5,5
пк1 626 625 629 4 7,4
1+5G 646 644 648 4 7,4
пк2 665 663 667 4 7,4
2 + 5G 685 684 686 2 3,7
пк3 7G4 7G4 7G6 2 3,7
3 + 5G 724 72G 726 6 11,0
пк4 744 743 745 2 3,7
Отсчеты долготы в тысячных долях минуты
пк0 997 996 999 3 3,2
G + 5G 966 965 967 2 2,1
пк1 935 933 935 2 2,1
1+5G 9G1 9G1 9G2 1 1,1
пк2 87G 869 872 3 3,2
2 + 5G 838 836 839 3 3,2
пк3 8G7 8G4 8G8 4 4,3
3 + 5G 773 772 774 2 2,1
пк4 742 739 744 5 5,3
Таблица 2
Отклонения кипрегельных засечек от GPS-точек на створах-поперечниках
№ станций Отклонения засечек от GPS, м Угол, град № станций Отклонения засечек от GPS, м Угол, град
1 15 72 13 22 22
2 13 64 14 12 18
3 9 52 15 2 5G
4 4 46 16 2G 45
5 2 45 17 17 3G
6 8 3G 18 19 28
7 9 35 19 32 23
8 G 55 2G 13 18
9 G 47 21 16 35
1G 12 34 22 16 41
11 5 2G 23 28 5G
12 G 22 24 22 68
вертикалей) и для нанесения ситуации — урезов воды правого и левого берегов. Ошибка определения координат по паспортным данным гарантируется не более ±10 м. Точность определения координат на речных плёсах, вдали от высоких зданий составляет в большинстве случаев ±3 м (показания прибора на дисплее), высота точек над уровнем моря получается чаще всего с большой ошибкой (2 — 3 м). Для оценки ошибок позиционирования точек на местности летом 2009 г. были многократно измерены координаты пикетов и промежуточных точек на 400-метровом базисе на набережной Иртыша в Омске (табл. 1).
Расчеты длины 400-метрового базиса по семи СРЯ-замерам дают следующие результаты. Крайние значе-
ния диапазона результатов получились 397 и 405 м, максимальное отклонение составило около 1%. Для целей гидрометрии такая точность вполне достаточна.
В соответствии с учебной программой студенты 2-го курса географического факультета Омского государственного педагогического университета, Омской государственной автомобильно-дорожной академии и Омского государственного аграрного университета проходят учебную гидрологическую практику, цель которой: закрепить теоретические знания в области гидрометрии в поле, научиться производить измерение основных элементов потока — уровней, глубин, скоростей, расходов воды. Одновременно на набережной работают 5 — 6 бригад по 10—12 человек
Рис. 1. Омские студенты впервые ведут гидрометрическую съемку плёса Иртыша у Омска с помощью GPS. 2009 г.
Рис. 2. Результаты гидрометрической съемки подводного рельефа плёса р. Иртыша у города Омска, выполненной с помощью GPS-навигатора GARMIN VISTA без угломерных приборов
и мотолодка «YAMARAN-300» с мотором MERCURY-5. В мотолодке (рис. 1) имеются следующие приборы: навигатор с картой плёса, на которой ставятся путевые точки и наносится автоматически трек, эхолот «jj-Connect Fisherman 120», с помощью которого можно измерять глубины от 0,7 м до 36 м, спидометр — скоростемер [1], позволяющий измерять поверхностную скорость с точностью 0,01 м/с с частотой до 10 отсчетов в минуту, а также рация (одна на лодке, другие — у студентов на берегу), с помощью которой передаются на берег результаты измерений и осуществляется двусторонняя связь.
Ширина реки Иртыша по урезам правого и левого берегов в июне-июле 2009 года равнялась 300 — 350 м, высота нуля графика поста 68,94 м. Амплитуда колебаний уровня воды в многолетии равна 3-5 м. В июне 2009 г. наблюдалась летняя межень с максимальными глубинами на фарватере у нового моста по улице Фрунзе от 5 до 7 м. Поверхностные скорости по ширине реки составляли от 0.60 м/с у берегов до 0.94 м/с на стрежне.
Для сравнения точности координирования точек акватории традиционными угломерными методами и астрономическим GPS-методом были произведены десятки параллельных измерений, определены абсолютные отклонения точек, полученных на мензульном планшете от путевых GPS-точек, и произведено сопоставление отклонений с острыми углами, которые образует проекция визирного луча с линией створов-поперечников. Результаты сопоставления представлены в таблице 2. В районе Омска угловому интервалу в одну тысячную минуты широты соответствует расстояние 1,85 м, а одной тысячной минуты долготы соответствует длина в 1,067 м.
Корреляционный анализ показывает, что ошибки координирования кипрегелем носят случайный характер, так как зависимость отклонения от значения угла визирования отсутствует даже для малых углов (18 — 280). Ошибки GPS-координирования оказываются в 3—10 раз меньше. Ошибки засечек на створах-поперечниках могли быть, безусловно, несколько меньшими, если бы мензульную съемку вели профессиональные геодезисты. В нашем же случае засечки выполняли студенты, увидевшие кипрегель впервые в жизни только накануне выхода в поле. Таким образом, астрономический метод экспресс-позиционирования с помощью GPS-приемников изменил, удешевил и упростил самую трудоемкую часть гидрометрических
работ, точность которых, благодаря новейшей технологии координирования глубин и скоростных вертикалей, возросла на порядок. За три часа на мотолодке два человека — студент, работающий с якорем, эхолотом и спидометром, и преподаватель, работающий с мотором, GPS-навигатором, рацией и ведущий записи в ведомости промеров, — выполнили комплекс гидрометрических измерений на четырех створах реки — по 6 — 7 станций на створе. На каждой гидрометрической якорной станции получены данные о глубине, поверхностной скорости и координатах станции, позволившие вычислить расход потока, который должен был оказаться всюду одинаковым — в соответствии с законом неразрывности струи. Получились следующие значения расхода воды в р. Иртыш 8 июля 2009 г.: 950 куб. м/с, 880 куб. м/с, 946 куб. м/с, 843 куб. м/с. Наибольшее отклонение от среднего составляет 12%, что свидетельствует о достаточно высокой точности всех измеренных параметров, так как средняя ошибка определения расхода воды, по данным Гидрометеослужбы, составляет ±10%. На рис. 2 показано трехмерное изображение подводного рельефа плёса в изобатах.
Резюме: GPS-навигатор e-trex GARMIN VISTA позволяет двум исполнителям осуществить за 3 — 4 часа гидрометрическую съемку плеса площадью 20 га без угломерных геодезических приборов. Точность позиционирования при ошибке приемника ±3 м и ширине реки 300 м в для р. Иртыша у Омска в 2009 г. составляет около 1 %.
Библиографический список
1. Патент 32606 Российская Федерация. Устройство для измерения скорости потока [Текст] /Карнацевич И.В., Кныш А.И., Туркин В.Н., Ткачев П.С. ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Омский государственный аграрный университет; опубл. 20.09.2003, Бюл. № 26. — 2 с.
КАРНАЦЕВИЧ Игорь Владиславович, профессор кафедры физической географии, доктор географических наук.
СТАТВА Анна Леонидовна, доцент кафедры физической географии, кандидат географических наук.
644008, г. Омск, Институтская пл., 2.
Дата поступления статьи в редакцию: 02.09.2009 г.
© Карнацевич И.В., Статва А.Л.
«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (84), 2009 НАУКИ О ЗЕМЛЕ
