способ определения перепада уровней и расхода воды на открытом водотоке с призматическим руслом по методу уклон-площадь

Формула изобретения

Способ определения расхода воды на открытом водотоке с призматическим руслом, включающий измерение уровней в двух створах канала с последующим вычислением расхода по разности уровней в этих створах при известных параметрах канала, отличающийся тем, что измерение уровней в верхнем и нижнем гидрометрических створах канала производят с помощью одного уровнемера, расположенного в уровнемерном колодце нижнего гидрометрического створа, а расход Q вычисляют по формуле

где Q - расход м³/с;

h - определяемый перепад уровней воды между верхним и нижним гидрометрическими створами, м;

k - некоторое число, определяющее шаг интегрирования;

- коэффициент скорости, равный 1,1;

В - ширина канала по свободной поверхности воды, м;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

w - площадь живого сечения потока в нижнем створе, м;

l_ств - расстояние между створами, м;

i₀ - уклон дна канала;

С - коэффициент Шези в нижнем створе, м^0,5/с;

R - гидравлический радиус в нижнем створе, м.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области гидрометрии и может использоваться в системе водораспределения и водоучета на открытых водотоках с призматическим руслом.

Известно устройство для определения уклона свободной поверхности водотоков /1/, работа которого основана на применении дифференциального манометра для измерения разности гидростатических давлений (перепада уровней), что может быть использовано для определения уклона.

Недостатки устройства - невозможность применения на открытых каналах оросительных систем, отсутствие возможности определения глубины потока.

Наиболее близким техническим решением является способ определения расхода /2/, включающий в себя измерительный участок канала (с обратным уклоном i_обр=-(0,001-0,003), длиной L=(00-25)b, где b - ширина канала по дну) с переменными уклонами и двумя глубиномерными рейками, расположенными друг от друга на расстоянии L₁=(10-15)b.

Недостаток способа - используются две глубиномерные рейки, что ведет к удвоению погрешности измерения перепада уровней, имеется пульсация уровней в открытом водотоке, что ухудшает достоверность измерения глубины, невозможность автоматизации процесса измерения, устройство обратного уклона, которое способствует заилению канала.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности определения расходов воды на открытом водотоке с призматическим руслом.

Это достигается путем использования одного уровнемерного устройства для измерения уровней в верхнем и нижнем гидрометрических створах, что дает возможность существенно снизить погрешность измерения уровней, уровнемерный колодец позволяет исключить пульсацию уровня воды, что также повышает точность измерения.

В исходном канале выполняют облицованный участок длиной L=40 м. Расстояние между двумя створами на участке L выбирают равным l _ств=(20-30) м. Измерение уровней воды в этих створах производят одним электронным уровнемером с абсолютной погрешностью измерения уровня 0,1 мм, расположенным в уровнемерном колодце нижнего гидрометрического створа. Измерение уровней воды в верхнем и нижнем створах основано на принципе двух сообщающихся сосудов с поочередным автоматическим переключением соединения уровнемерного колодца с водотоком верхнего и нижнего гидрометрических створов.

Электронный уровнемер работает по программе и осуществляет функции сбора и обработки информации, а также управления исполнительным устройством (запорным клапаном).

Соединение уровнемерного колодца диаметром не менее 300 мм с зонами гидрометрических створов осуществляется с помощью труб диаметром не менее 50 мм.

Измерительный участок канала (фиг.1) состоит из измерительного канала 1, подводящей трубы 2 с зоны верхнего гидрометрического створа, запорного клапана 3, уровнемера 4, уровнемерного колодца 5 и подводящей трубы 6 с зоны нижнего гидрометрического створа.

Последовательность операций при определении расхода по предлагаемому способу следующая (фиг.1, 2). Запорный клапан 3 открывает водоток между подводящей трубой 2 и уровнемерным колодцем 5. По окончании заполнения уровнемерного колодца 5 регистрируется первое показание уровнемера 4 (h ₁). Затем запорный клапан 3 закрывает водоток между уровнемерным колодцем 5 и подводящей трубой 2, открывается водоток между уровнемерным колодцем 5 и подводящей трубой 6, при этом вода в уровнемерном колодце 5 убывает до уровня поверхности воды нижнего гидрометрического створа. По окончании изменения уровня регистрируется второе показание уровнемера 4 (h₂).

По полученным данным и при известных параметрах канала (расстояния между сечениями верхнего и нижнего гидрометрических створов l _ств, уклона дна канала i₀, коэффициента шероховатости канала n, ширины канала по дну b, коэффициента заложения откосов m и т.д.) находят значения коэффициента Шези С и гидравлического радиуса R /3/. Подставляя найденные и известные величины в формулу (1), вычисляют искомый расход Q.

Вычисляется искомый расход по формуле (1), являющейся решением обыкновенного дифференциального уравнения неравномерного установившегося плавно изменяющегося течения воды в открытом русле /3/, преобразованного к виду

где Q - расход, м³/с;

h - определяемый перепад уровней воды между верхним и нижним гидрометрическими створами, м;

k - некоторое число, определяющее шаг интегрирования;

- коэффициент скорости, равный 1,1;

В - ширина канала по свободной поверхности воды, м;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

w - площадь живого сечения потока в нижнем створе, м²;

l_СТВ - расстояние между створами, м;

i₀ - уклон дна канала;

С - коэффициент Шези в нижнем створе, м^0,5/с;

R - гидравлический радиус в нижнем створе, м.

Этот способ измерения расхода воды обеспечивает:

- повышение точности и достоверности определения расхода воды за счет более точного измерения перепада уровней воды (на 50%) в верхнем и нижнем измерительных створах, т.к. измерения производятся одним измерительным прибором (уровнемером);

- возможность автоматизации процесса измерений;

- возможность уменьшения величины обратного уклона или полный отказ от устройства обратного уклона;

- снижение затрат на эксплуатацию измерительного участка ввиду близости гидрометрических створов и отсутствия необходимости в строительстве второго уровнемерного колодца.