Краткие теоретические сведения

Расходом воды называется ее объем, протекающий через поперечное сечение потока в единицу времени. Для крупных водотоков – рек, каналов, водосбросов гидротехнических сооружений и т. п. – расход выражается в кубических метрах в секунду; расходы малых водотоков – родников, ручьев, лабораторных лотков и пр. – в литрах в секунду. Обеспеченность определяет, как часто или насколько продолжительными могут быть отклонения внутренних условий от заданных расчетных.

Расход воды является одним из основных гидравлических элементов потока. Для рек расход воды – важнейшая характеристика, определяющая другие ее параметры, как, например, уровень воды, скорость течения, уклон водной поверхности и др. На основании систематических определений расходов воды вычисляют величины средних суточных расходов, максимальные и минимальные расходы, а также объемы стока реки за тот или иной интервал времени.

Существующие методы определения расхода воды можно разделить на две основные группы: непосредственное измерение и косвенное определение.

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

Косвенное определение расхода воды может выполняться различными методами, общей характерной особенностью которых является то, что в них измеряется не сам расход (объем воды), а отдельные 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 методом «скорость–площадь»;

2) определение расхода с помощью мерных устройств: гидрометрических лотков, водосливов. В данном случае измеряемой величиной 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, колориметрический). В настоящее время применяется преимущественно электролитический метод, в котором расход воды определяется в зависимости от изменения электропроводности вводимого в поток раствора 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 вертушкой; реже для измерения скоростей применяют другие приборы или поплавки. К данному методу следует также отнести расчетный способ определения расхода по площади живого сечения и средней скорости потока, вычисленной по формуле Шези. В дальнейшем мы главное внимание обратим на способы определения расхода с применением гидрометрических вертушек, наиболее распространенные в настоящее время в речной гидрометрии.

Метод определения расхода с помощью мерных устройств применяется чаще всего при измерении небольших расходов воды – на малых речках, ручьях, логах, оросительных каналах. Кроме того, этим методом пользуются для определения расходов воды через водопропускные отверстия гидротехнических сооружений с целью учета стока воды на гидроузлах.

Метод смешения применяется главным образом на горных реках с большими скоростями течения, небольшими глубинами и сложным рельефом дна, где метод «скорость–площадь» не обеспечивает достаточную точность измерения скоростей течения и площади живого сечения. Необходимым условием успешного применения этого метода является хорошо выраженный турбулентный режим движения воды, при котором обеспечивается хорошее перемешивание вводимого в поток раствора с водной средой.