Файл: Быков В.Д. Гидрометрия учебник.pdf

РАЗДЕЛ V

И З МЕРЕ НИЕ РАСХОДОВ ВОДЫ

Глава 12

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ПРИМЕНЯЕМЫХ МЕТОДАХ. МОДЕЛЬ РАСХОДА

12.1. Методы определения расходов воды

Расходом воды называется объем ее, протекающий через попе­

Расход воды является одним из основных гидравлических эле­ ментов потока. Для рек расход воды — важнейшая характери­ стика, определяющая другие ее параметры, как, например, уровень воды, скорость течения, уклон водной поверхности и др. На осно­ вании систематических определений расходов воды вычисляют ве­ личины средних суточных расходов, максимальные и минимальные расходы, а также объемы стока реки за тот или иной интервал вре­ мени.

Существующие методы определения расхода воды можно раз­ делить на две основные группы: непосредственное измерение икосвенное определение.

К первой группе относится так называемый объемный метод, основанный на измерении расхода посредством мерных сосудов, подставляемых под струю воды. При этом измеряется время на­ полнения мерного сосуда. Расход определяется делением объема воды в сосуде на время наполнения. Практически этот метод при­ меним только на малых водотоках — ручьях, родниках, лаборатор­ ных лотках и т. п. Этим методом можно измерять расход с боль­ шой точностью.

Косвенное определение расхода воды может выполняться раз­ личными методами, общей характерной особенностью которых яв­ ляется то, что в них измеряется не сам расход (объем воды), а от­ дельные элементы потока, при этом величина расхода получается путем вычислений. К таким методам относятся:

1) определение расхода по измеренным скоростям течения и площади поперечного сечения потока, сокращенно называемый ме­ тодом «скорость—площадь»;

2) определение расхода с помощью мерных устройств: гидро­ метрических лотков, водосливов. В данном случае измеряемой ве­ личиной является напор на водосливе или во входной части лотка, при этом расход определяется по гидравлическим зависимостям; 3) определение расхода методом смешения; он имеет несколько разновидностей (электролитический, тепловой, колориметриче­ ский). В настоящее время применяется преимущественно электро­ литический метод, в котором расход воды определяется в зависи­ мости от изменения электропроводности вводимого в поток раст­

вора электролита при смешении его с водной средой.

Метод «скорость—площадь» наиболее распространен в речной гидрометрии. Площадь поперечного сечения потока определяется по результатам измерений глубин, а скорости в отдельных точках живого сечения измеряются чаще всего гидрометрической вертуш­ кой; реже для измерения скоростей применяют другие приборы или поплавки. К данному методу следует также отнести расчетный способ определения расхода по площади живого сечения и сред­ ней скорости потока, вычисленной по формуле Шези. В дальней­ шем мы главное внимание обратим на способы определения рас­ хода с применением гидрометрических вертушек, наиболее распро­ страненные в настоящее время в речной гидрометрии.

печивает достаточную точность измерения скоростей течения и пло­ щади живого сечения. Необходимым условием успешного приме­ нения этого метода является хорошо выраженный турбулентный режим движения воды, при котором обеспечивается хорошее пере­ мешивание вводимого в поток раствора с водной средой.

12.2. Метод «скорость—площадь». Модель расхода

Сущность метода «скорость—площадь» заключается в опреде­ лении объема модели расхода, т. е. водяного тела объемом, чис­ ленно равным расходу воды через поперечное сечение потока.

Рассмотрим поперечное сечение потока (рис. 12.1). Скорости те­ чения в различных точках сечения неодинаковы: наибольшие ско­ рости у поверхности в середине потока, а у берегов и дна они меньше. Соответственно этому различны и расходы воды через элементарные площадки в различных частях поперечного сечения. Скорости в различных точках могут иметь разные направления. Чтобы определить расход воды через элементарную площадку, не­ обходимо величину этой площадки умножить на скорость течения.

162

Но поскольку вектор местной скорости может быть направлен под углом к нормали, то следует учитывать не сам вектор, а его про­ екцию на нормаль. Тогда расход воды через элементарную пло­ щадку можно выразить формулой

нормали

Рис. 12.1. Поперечное сечение потока.

и — скоростной вектор; и cos а — проекция скоростного вектора на нор­ маль к площадке .

Расход воды через всю площадь поперечного сечения потока будет

Если бы угол а сохранял свое значение для всех элементарных площадок, то предыдущее выражение можно было бы представить так:

или водяного тела, вид которого показан на рис. 12.2. Это тело ограничено сзади поперечным сечением потока, сверху — поверх­ ностью, представляющей собой эпюру поверхностных скоростей течения, и снизу — криволинейной поверхностью, определяемой зависимостью u = f(x, у).

Из сказанного видно, что определение расхода воды методом «скорость—площадь» сводится к определению указанного выше интеграла. Однако такой способ не применим ввиду того, что не известен вид функции u = f(x, у). На практике при определении расхода поступают так: измеряют площадь поперечного сечения потока и скорости течения на вертикалях, затем производят вы­ числение расхода по приближенной формуле, в которой интегри­ рование заменяется суммированием. Способ вычисления расхода, основанный на применении формулы (12.4) с указанным выше упрощением, называется аналитическим.

Рис. 12.2. Модель расхода.

ОЕВ — живое сечение; OMDNB — эпюра поверхностных ско­ ростей; CDE — эпюра скоростей на вертикали; MKN — нзотаха .

Определить расход можно также следующими способами. Во-первых, если известны расходы воды на вертикалях (в гид­

рометрии их принято называть элементарными расходами), то рас­ ход определится по формуле (рис. 12.3 а)

где q— элементарный расход, равный произведению средней ско­

ные между каждой изотахой и линией уровня воды, то объем мо­

164

где cou — площадь, ограниченная изотахой со скоростью а и линией уровня воды; «макс — наибольшая скорость в сечении потока.

Объем модели расхода воды двумя последними способами оп­ ределяется практически также путем измерения скоростей течения на вертикалях в возможно большом количестве точек с последу­ ющим вычислением расхода по двум последним формулам. Реше­ ние интеграла (12.5) выполняется графическим способом, решение

У

Рис. 12.3. Схема к вычислению расхода: а — по формуле (12.5), б — по формуле (12.6).

же интеграла (12.6) — методом конечных разностей. Вычисление расхода всеми тремя способами рассматривается ниже.

Остановимся на некоторых свойствах модели расхода.

Если модель расхода рассечь плоскостями, параллельными по­ верхности воды, то площади сечений будут представлять собой эпюры распределения скоростей течения по ширине реки на соот­ ветствующих глубинах.

Если рассечь модель расхода вертикальными плоскостями, пер­ пендикулярными плоскости живого сечения, то площади сечения будут представлять собой эпюры распределения скоростей на вер­ тикалях.

Если рассечь модель расхода вертикальными плоскостями, па­ раллельными плоскости живого сечения, то линии пересечения бу­ дут представлять собой линии равных скоростей, т. е. изотахи.

165

Глава 13

ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДОВ ВОДЫ С ПОМОЩЬЮ ГИДРОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕРТУШЕК

13.1. Выбор участка реки

Основные требования к участку реки для измерения расхода воды совпадают с требованиями, предъявляемыми к участку для водомерных наблюдений (см. главу 5), но имеются и дополнитель­ ные требования.

Для обеспечения достаточной точности измерения расхода не­ обходимо, чтобы на выбранном участке наблюдалось равномерное движение воды. Как в коренном русле, так и на пойме течение воды должно иметь общее направление по всей ширине. Скорости течения в межень не должны быть менее 0,15—0,25 м/с, чтобы их можно было измерять вертушкой с достаточной точностью. В пе­ риоды половодий и паводков желательно, чтобы скорости течения не превышали 3,0-—4,0 м/с. На участке не должно быть зон со сто­ ячей водой или обратными течениями.

Зимой на участке должен образовываться сплошной ледяной покров, без полыней, или же река не должна замерзать вовсе. Кро­ ме того, по возможности надо выбирать участок, где в зимний пе­ риод не образуется шуга, скапливающаяся под ледяным покровом.

Следует обращать внимание на то, чтобы на участке не наблю­ далось неустановившееся движение воды 1 от расположенных выше гидротехнических сооружений, а также чтобы участок не нахо­ дился в условиях переменного подпора от сооружений, располо­ женных ниже по течению.

В реальных условиях трудно найти участок реки, где бы вы­ полнялись все требуемые условия, но во всех случаях необходимо стремиться к возможно более полному соответствию участка пере­ численным требованиям. При выборе участка для проведения вре­ менных работ достаточно, чтобы участок был удобным для выпол­ нения измерений в данном сезоне года.

13.2. Определение направления гидрометрического створа

Для правильного определения расходов воды требуется на выб­

В первом приближении этому условию удовлетворяет створ, раз­ битый на глаз перпендикулярно общему направлению реки, ориен­ тируясь на направления берегов.

1 Неустановившееся движение воды — движение, при котором расход изме­ няется во времени.

166