СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ВОДЫ НА ОТКРЫТОМ КАНАЛЕ С ПРИЗМАТИЧЕСКИМ РУСЛОМ Российский патент 1998 года по МПК G01F1/00 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, к области водоизмерения и водоучета в гидромелиоративных, преимущественно на оросительных системах, и может быть использовано для целей коммерческого и/или технологического водоизмерения и водоучета на участках открытых водораспределительных каналов с перепадами местности, оборудованных переграживающими и водосборными сооружениями.

Известен способ, в котором расход воды определяется путем измерения глубин в двух створах, расположенных вдоль канала на фиксированном расстоянии друг от друга с применением для определения расхода формулы, полученной из уравнения Д.Бернулли [1]
Указанный способ имеет неустранимые недостатки, которые реализацию способа на практике водоизмерения делают невозможным. Во-первых, само уравнение имеет два неизвестных (искомый расход и потери напора между фиксированными створами), без знания одной из которых невозможно определить другое; во-вторых, для получения значительно отличающихся друг от друга глубин в обычных бытовых условиях пришлось бы брать створы, далеко отстоящие друг от друга вдоль канала (сто и более метров), особенно при режимах течения, приближающихся к равномерному. Однако, как известно, с увеличением расстояния между расчетными створами уменьшается точность самого уравнения, соответственно, уменьшается точность определения расхода. Кроме того, ввиду удаленности фиксированных створов друг от друга ухудшаются условия эксплуатации организации водоизмерения и т.д.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения расхода на открытом канале с призматическим руслом, включающий измерение глубин в двух створах измерительного участка канала с обратным уклоном дна на кривой спада или подпора, в зависимости от режима течения воды, с последующим определением расхода по разности глубин в двух створах при известных других размерах и параметрах участка водоизмерения по формуле, являющейся точным аналитическим решением уравнения неравномерного установившегося режима течения воды [2]
Недостатком этого способа определения расхода при использовании для водоизмерения второго типа кривой свободной поверхности, а именно кривой подпора со сверхкритическим режимом течения, является вероятность подтопления ее со стороны нижерасположенного бьефа канала.

Как известно, кривая со сверхкритическим режимом течения образуется при истечении из-под затвора сооружения. Если она формируется при обычных условиях, эту кривую нельзя будет использовать для целей надежного и точного водоизмерения по причине, что пограничные зоны потока перегораживаемого сооружения (сверху), так и нижерасположенного бьефа, примыкающего к участку водоизмерения, не будет уверенности в "чистоте" кривой подпора. При этом будут возникать затруднения также в выборе и назначении створов для измерения в них соответствующих глубин: они в обычных традиционных случаях могут оказаться в зоне пограничного неустойчивого потока и со стороны сооружения и со стороны нижерасположенного бьефа, и, естественно, при этом будет большая вероятность того, что створы водоизмерения не будут принадлежать устойчивой зоне кривой подпора со сверхкритическим режимом течения. А используемая в способе расчетная зависимость справедлива только для устойчивой "чистой" зоны этой кривой.

Технический результат, на решение которого направлено заявленное изобретение, заключается в повышении надежности и точности определения расхода на кривой подпора со сверхкритическим режимом течения путем устранения указанных выше недостатков: создания соответствующих условий для формирования за перегораживающим сооружением устойчивой кривой подпора в "чистом" виде, без влияния на нее пограничных зон потока.

Поставленный результат достигается тем, что в известном способе определения расхода на открытом канале с призматическим руслом, включающим измерение глубины в двух створах измерительного участка канала, выполненного с обратным уклоном дна, и вычисление величины расхода по формуле, являющейся аналитическим решением дифференциального уравнения неравномерного установившегося плавноизмеряющегося режима течения воды: первый по течению створ "к-к" располагают от затвора перегораживающего сооружения на расстоянии l_к-к H_затв. (где H_затв. полная высота затвора), второй створ "f-f" располагают от перепада на расстоянии l H_стр. (где H_стр. строительная высота измерительного участкам), а измерение производят на образуемой между затвором и перепадом кривой подпора со сверхкритическим режимом течения. При этом длину участка измерения выбирают из условия:
L_(пр) (8 12)b,
уклон дна из условия:
0<i_пр≤ i_кр/2,
где i_кр критический уклон при максимальном расходе, а дно и откосы участка измерения выкладывают из материала с повышенной шероховатостью.

Сущность изобретения состоит в специальном взаиморасположении перегораживающего сооружения "мерного лотка" и водосбросного сооружения последовательно друг за другом, а также в использовании научно-обоснованных рекомендаций по выбору и назначению створов водоизмерения, допустимых параметров и размеров "мерного лотка" и диапазонов варьирования, разработанных на основе учета и анализа всевозможных режимов эксплуатации перегораживающего сооружения и участка водоизмерения и создающих предпосылки для формирования за затвором устойчивой кривой подпора со сверхкритическим режимом течения без влияния неустойчивых пограничных зон этой кривой.

Расположение сопрягающего на участке перепада местности водосбросного сооружения непосредственно за "мерным лотком" играет принципиальную роль. Это делается с целью обеспечения "чистоты" кривой подпора, т.к. только в этом случае будет справедливо использование для определения величины расхода расчетной формулы, являющейся решением уравнения неравномерного установившегося течения воды. Любая из возможных кривых подпора глубин при этом всегда будет оставаться меньше той критической грубины H_кр, которая в условиях предложенной компоновки (взаиморасположения) сооружений водораспределительной сети ОС установится на гребне быстротока.

Тем самым, исключается вероятность подтопления кривой подпора со стороны нижерасположенного бьефа и повышается надежность и точность водоизмерения. Этой же основной цели служат и научно-обоснованные рекомендации по выбору и назначению створов "к" и "f" на кривой подпора для измерения в них соответствующих глубин, допустимых параметров и размеров самого "мерного лотка".

На фиг.1 и 3 приведены схемы взаиморасположения (компоновки) сооружений ОС для реализации предлагаемого способа определения расхода с "мерным лотком", имеющим обратный (фиг.1) и прямой (фиг.3) уклон дна с указанием рекомендуемых параметров и диапазонов варьирования.

На фиг.2 и 4 приведены соответственно схемы сопряжения "мерного лотка" с водосбросным порогом: на фиг. 2 с обратным, на фиг.4 с прямым уклоном дна "мерного лотка".

За затвором 1 перегораживающего сооружения располагается "мерный лоток" 2 с установленными на нем глубиномерными рейками 4, 5, за "мерным лотком " располагается сопрягающее водосбросное сооружение 3: быстроток на фиг.1 и 3 и порог на фиг.2 и 4.

Последовательность реализации предлагаемого способа определения расхода воды за перегораживающим сооружением на участке канала с призматическим руслом
1. Участок водоизмерения ("мерный лоток") располагают обязательно за затвором перегораживающего сооружения, но перед сопрягающим (на участке перепада местности) водосбросным сооружением: быстротоком, порогом и др.

2. Назначение конструктивных размеров и параметров "мерного лотка" и выбор фиксированных створов на нем для измерения глубин осуществляют следующим образом:
1) расстояние между фиксированными створами "к" и "f" берут:
а) при обратном уклоне дна "мерного лотка"
L_(обр) (5 8)b;
б) при прямом уклоне дна "мерного лотка"
L_(пр) (8 12)b,
где b ширина по дну.

2) расстояния l_к и l_f, характеризующие, соответственно, длину пограничных зон сверху (примыкает к затвору ПС) и снизу (примыкает с cопрягающему водосбросному сооружению) берутся равными:
l_к H_затв., где H_затв.- полная рабочая высота затвора;
l_f H_стр., где H_стр строительная высота "мерного лотка".

З) уклон дна "мерного лотка" принимают в пределах:
а) обратный: 0>i_обр.≥^-0,005
б) прямой: 0<i_пр.≤i_кр./2,
где i_кр- критический уклон при максимальном расходе участка водоизмерения
4) осуществляют замер глубин h_к и h_f в соответствующих створах "к" и "f".

5) При известных параметрах "мерного лотка" L_(обр), i_обр. (или L_пр, i_пр) n, b, m и т.д. по замеренным значениям глубин h_к и h_f находятся значения С_к, С_f, R_к, R_f и значения осредненных на участке безразмерных величин и параметр A_(обр) при обратном уклоне, А_(пр) при прямом уклоне дна "мерного лотка". Далее, подставляя найденные и известные значения в формулу (1) при обратном, в (2) при прямом уклоне дна "мерного лотка" вычисляется искомый расход по формуле, являющейся аналитическим решением дифференциального уравнения установившегося неравномерного медленно изменяющегося режима течения воды:


Параметры А_(обр) и А_(пр) определяются соответственно по формулам:

соответствует случаю обратного уклона дна "мерного лотка",

соответствует случаю прямого уклона "мерного лотка", где:

осредненные на рассматриваемом учатке значения безразмерных величин

L_(обр) -длина "мерного лотка" в случае обратного уклона дна его;
L_(пр) длина "мерного лотка" в случае прямого уклона дна его;
Q_(обр) искомый расход в случае обратного уклона дна "мерного лотка", м³;
Q_(пр) искомый расход в случае прямого уклона дна "мерного лотка", м³/с;
h_k, h_f глубины воды в створах, "к" и "f", м;
ω_к,ω_f площади живого сечения потока в створах "к" и "f", м²;
С_к, С_f коэффициенты Шези в створах "к" и "f", м^0,5/с;
R_k, R_f гидравлические радиусы в створах "к" и "f", м;
i_(обр) обратный уклон "мерного лотка";
i_(пр) прямой уклон "мерного лотка";
α коэффициент скорости, равный 1,1;
g ускорение свободного падения, м²/с;
e основание натурального логарифма.

Использование: в измерительной технике, в частности в способе определения расхода воды на открытом канале с призматическим руслом при гидромелиорации, преимущественно, в оросительных системах. Сущность изобретения: способ предусматривает расположение первого по течению створа "к-к" на расстоянии от затвора перегораживающего сооружения l_к-к=H_затв., где H_затв.- полная высота затвора; второго створа "f-f" от перепада на расстоянии l_f-f=H_стр., где H_стр. - строительная высота измерительного участка. Измерение глубины ведут на образуемом между затвором и перепадом кривой подпора со сверхкритическим режимом течения и определяют расход воды по формуле, приведенной в описании. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения расхода воды на открытом канале с призматическим руслом, включающий измерение глубин в двух створах измерительного участка канала, выполненного с обратным уклоном дна, и вычисление величины расхода по формуле

где

осредненные на рассматриваемом участке значения безразмерных величин
x_f x_k расстояние между створами, в которых измеряются глубины, м;
в ширина канала (мерного лотка) по дну, м;
Q искомый расход, м³/с;
n_k, h_f глубины воды в соответствующих створах k k и f - f, м;
ω_k,ω_f - площади живого сечения в соответствующих створах k k и f f, м²;
C_k, C_f коэффициент Шези в створах k k и f f;
i_о б р обратный уклон дна канала ("мерного лотка");
α - коэффициент скорости, равный 1,1;
g ускорение свободного падения, м/с²;
е основание натурального логарифма;
R_k, R_f гидравлический радиус в створах k k и f f, м,
отличающийся тем, что первый по течению створ k k располагают от затвора перегораживающего сооружения на расстоянии
l_k - k Н_{з а т в},
где Н_{з а т в} полная высота затвора, второй створ f f располагают от перепада на расстоянии
l_f - f Н_с т р,
где Н_с т р строительная высота измерительного участка,
а измерения производят на образуемой между затвором и перепадом кривой подпора со сверхкритическим режимом течения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что длину участка измерения выбирают из условия L_пр (8 12) • b уклон дна из условия
0 < i_пр ≤ i_кр/2,
где i_кр критический уклон при максимальном расходе, а дно и откосы участка измерения выкладывают из материала с повышенной шероховатостью.