ВОДОМЕРНЫЙ ПОСТ ДЛЯ ВОДОТОКОВ ГОРНО-ПРЕДГОРНОЙ ЗОНЫ
WATER STAGE GAUGE FOR WATERCOURSES OF MOUNTAIN AND PIEDMONT AREA

Изобретение относится к гидрометрии и может быть использовано в сельском и водном хозяйствах при измерениях уровней и расходов воды в безнапорных потоках с бурным режимом течения.
Известно водомерное сооружение для водотоков горно-предгорной зоны, включающее размещенный на берегу водотока успокоительный колодец с водомерной рейкой, сообщенный с водотоком трубопроводом, горизонтальная диафрагма с отверстием в средней части, установленной в колодце выше подводящего трубопровода, горизонтальным козырьком, установленным над отверстием в диафрагме, и промывным трубопроводом, один конец которого соединен с водотоком ниже по течению подводящего трубопровода, причем подводящий трубопровод подключен к колодцу тангенциально, а дно колодца выполнено в виде воронки, к нижней части которой вторым концом подключен промывной трубопровод (Авторское свидетельство СССР №1640288, кл. Е02В 13/00, 1988).
Водомерное сооружение этого типа имеет постоянный промывной расход на сброс наносов, успокоительный колодец вынесен из водотока на берег, поэтому не может быть размещено непосредственно в самом канале в безнапорных потоках с бурным режимом течения. В условиях бурного (сверхкритического) течения потока - сложность точного замера статического напора из-за свойственных поверхности бурных потоков высокочастотных пульсаций стохастического характера с амплитудой выбросов 3…7 см, весьма существенных к малым глубинам воды (последние, как правило,- менее 1 м).
В таких потоках отсутствует однозначная зависимость Q=f(H) при неравномерном движении воды в условиях спокойного (докритического) течения потока, т.к. при малых уклонах каналов (i=0,0001… 0,0005) имеет место переменный подпор, т.е. переменное наполнение (Н), поэтому требуются командные горизонты воды перед ним, а это требует громоздких сооружений - например, гасительных колодцев, что удорожает строительство водомерных постов.
Замер статических напоров бурных потоков всегда превышает допустимый в ирригации ±1 см, а в определении расхода - допустимую величину ±5% при традиционных методах измерения Q=f(H), тем более что значительные приращения подаваемого расхода воды ±ΔН сопровождаются весьма малыми приращениями статического напора ±ΔН.
Из вышеизложенного становится очевидной неприемлемость способа определения расходов посредством измерения уровней воды в условиях бурного (сверхкритического) безнапорного потока, как влекущие за собой большую погрешность в определении искомой величины, т.е. трудно вести измерение с достаточной точностью измерения в известном водомерном сооружении, что ведет к разногласиям между потребителями, особенно в горно-предгорной зоне.
Широко известно также водомерное сооружение, включающее колодец с водомерной рейкой, который посредством щели или трубы соединен с каналом или рекой (Водомерные сооружения на мелиоративных системах. Типовые проектные решения 820-1-054-86).
Недостатком известного водомерного сооружения является его низкая эксплуатационная надежность, обусловленная заилением щели или трубы и самого колодца, что понижает точность измерения за счет влияния заиливания элементов устройства, находящихся в постоянном контакте с измеряемой средой. Кроме того, становится очевидной нецелесообразность в большинстве случаев и неприемлемость способа определения расходов посредством изменения уровней воды в условиях бурного (сверхкритического) безнапорного потока, как влекущие за собой большую погрешность в определении искомой величины.
Таким образом, невозможен способ косвенных измерений с помощью известного водомерного сооружения. Трудно подобрать контрольно-измерительную аппаратуру за счет подстройки диапазона изменений скоростного напора в уравномерном колодце под диапазон контрольно-измерительного прибора, например датчика телеметрии.
Известен также водомерный пост для водотоков, включающий колодец с водомерной рейкой и трубопровод, сообщенный с каналом или рекой, самописец уровня воды, устанавливаемый горизонтально и на прочном столике или кронштейнах с учетом возможной амплитуды колебаний уровня воды, поплавок, будку для защиты самописца от внешних воздействий (Железняков Г.В. Гидрометрия. «Колос», М., 1964, с.22-23).
Недостатком описанного водомерного сооружения является занесение трубы и самого колодца наносами. При больших перепадах уровня, практически от минимального до максимального, трудно вести измерение с достаточной точностью измерения за счет влияния заиления элементов устройства, находящихся в постоянном контакте с измеряемой средой. Колодец вынесен из водотока на берег, поэтому не может быть размещен непосредственно в самом канале в безнапорных потоках с бурным режимом течения. В условиях бурного (сверхкритического) течения потока - сложность замера статического напора из-за свойственных поверхности бурных потоков высокочастотных пульсаций стохастического характера с амплитудой выбросов 3…7 см, весьма существенна к малым глубинам воды (последние, как правило, - менее 1 м).
В таких потоках отсутствует однозначная зависимость Q=f(H) при неравномерном движении воды. Кроме того, требуется гасительный колодец, что удорожает строительство таких водомерных постов.
Из вышеизложенных недостатков становится очевидной неприемлемость способа определения расходов посредством измерения уровней воды в условиях бурного (сверхкритического) безнапорного потока, как влекущие за собой большие погрешности в определении искомой величины, т.е. трудно вести измерение с достаточной точностью измерения в известном водомерном сооружении, что ведет к разногласиям между потребителями в горно-предгорной зоне.
Следовательно, известное водомерное сооружение для таких бурных потоков не приводит к расширению функциональных возможностей (±5% закономерного интервала), при этом не снижается погрешность экспресс-контроля расхода воды в условиях каналов в горно-предгорной зоне и наносообразующих потоков.
Цель изобретения - повышение точности и надежности измерения расхода безнапорных потоков с бурным режимом течения.
Поставленная цель достигается тем, что водомерный пост для водотоков горно-предгорной зоны, включающий канал или реку, самописец уровня воды, он снабжен вертикальной трубой, разделенной на две неравные части вертикальной перегородкой и снабженной наклонными вверх с водоприемными прорезями-окнами навстречу потоку, при этом труба сверху снабжена камерой с самописцем и поплавком и сообщает две неравные части через поплавок и запорный орган, размещенный в раструбе, встроенном во вторую часть вертикальной трубы, сообщенной с каналом калиброванными отверстиями, и выполнен в виде двух клапанов, соединенных между собой с возможностью осевого перемещения относительно друг друга, причем один из клапанов выполнен в виде перевернутого конуса с перфорированным основанием и осевым отверстием в вершине конуса, через которое пропущен один конец направляющего штока, жестко соединенного снизу с другим клапаном в виде конической пробки, а другой конец штока размещен в полости второй части трубы, при этом клапан в виде конической пробки в верхней части дополнительно снабжен направляющим штоком, проходящим через отверстие в основание перевернутого конуса в его центре и соединенным другим концом с поплавком посредством гибкого привода. Кроме того, вертикальная труба, разделенная вертикальной перегородкой на две неравные части, выполнена в плане по форме каплеобразной, а боковая стенка камеры снабжена прорезью со стеклом, снабженным системой индикации в виде шкалы, состоящей из разноцветных светящихся отсчетных и разделительной полос.
v
2
Такая конструкция водомерного поста в условиях эксплуатации в бурных потоках и при движении потока воды глубиной Н над уровнем дна канала со скоростью V поступит через наклонные вверх водоприемные прорези-окна в первую часть трубы, разделенной вертикальной перегородкой, и затем в емкость камеры, прикрепленную сверху над вертикальной трубой. В результате емкость камеры заполняется водой на высоту, равную величине скоростного напора h=φV/2g, где V - средняя скорость потока воды; φ -коэффициент, близкий к единице, определяемый опытным путем; g - ускорение силы тяжести.
Обеспечение измерений устанавливает связь между измерениями уровня воды и расхода, соответственно в верхнем бьефе с донными и взвешенными наносами, т.е. наносообразующих потоков, в бурных потоках с помощью предложенной конструкции, при этом предопределяет максимально возможные приращения уровня воды в камере за счет приращения скоростного напора Δh=φΔV/2g, соответственно приращением расхода потока, что в условиях нормированной для контрольно-измерительных приборов погрешности измерений Н=±1,0 см повышает точность определения расхода бурного потока до требуемой величины ±5%.
r
r
2
Следует отметить, что при бурных потоках приращение скоростного напора ±Δh и уровень воды в емкости камеры будут превышать приращения глубины воды ±ΔН прямопропорционально величине числа Фруда (F=αV/2g), которые характеризуют кинетичность (бурность) потока для ирригационных каналов в интервале 2<F<5,0, т.е. в среднем в 3,5 раза. Кроме того, подбору оптимального диапазона приращений скоростного напора в емкости камеры способствует соединение поплавка с запорным органом, состоящим из двух клапанов и размещенным в раструбе, встроенном во вторую часть вертикальной трубы, сообщенной с каналом калиброванными отверстиями со стороны нижнего бьефа быстротечного канала. При этом выделяющийся из воды воздух через отверстия в крышке камеры выпускается в атмосферу, а в боковой стенке камеры устроена прорезь с водомерным стеклом, имеющая метрические деления для визуального контроля наполнения камеры водой (возможно использование шкалы системы индикации светящейся краской, а для окраски поплавка с указателем тоже может быть выбран определенный цвет).
Следовательно, запорный орган, выполненный в виде двух клапанов, соединенных между собой с возможностью осевого перемещения относительно друг друга с указанными элементами (дано в описание водомерного поста), обеспечивает автоматическую свободу перемещения как клапану в виде конической пробки, так и ему самому в размещенном раструбе во второй части трубы по высоте камеры. Этим самым поддерживается в заданных диапазонах приращение скоростного напора в камере от минимального до максимального уровня, установленного на определенной высоте самописца - контрольно-измерительных приборов. При этом вертикальная труба с отверстиями по высоте (с верхнего и нижнего бьефов канала) выполнена в плане по форме каплеобразной.
2
2
2
2
min
i
i
В таких условиях и визуальный замер уровня воды в камере по водомерному стеклу, т.е. разноцветные полосы шкалы системы индикации, позволяет дополнительно допускать погрешность приборов контроля ±1,0 см и вычислять величину расхода Q по функциональной зависимости Q=f(αV/2g) или Q=Q±ΔQ, где ΔQ=f(Δh). Кроме того, можно определить величину статического напора по функциональной зависимости Н=f(αV/2g), т.е. эти зависимости однозначны и определяются расчетным путем по формуле удельной энергии сечения Э=Н+αV/2g=Н+αV/2gw, где V - средняя скорость потока воды; g - ускорение силы тяжести; Н - величина статического напора; w - площадь поперечного сечения потока (можно использовать поправку α - коэффициент Кориолиса).
Таким образом, из всего вышеописанного следует:
- позволяет организовать и проводить систематический учет расходов воды по уровню скоростного напора в предложенной камере;
- замеры можно проводить в любое время суток в каналах и реках с бурным течением потока с взвешенными и влекомыми наносами различного фракционного состава;
п
- обеспечение требуемой точности определения расходов на каналах с малыми наполнениями (Н) и большими амплитудами стохастических высокочастотных пульсаций поверхности потока ΔН;
v
v
- позволяет варьировать величиной диапазона, измеряемого (контролируемого параметра h) за счет лишь частичного преобразования гидродинамического давления в скоростную высоту (высоту скоростного напора h);
- увеличивает диапазон применения приборов водоучета, например, лимниграфов и датчиков телеизмерения по диапазонам и условиям их работы;
- не требует конструктивных изменений поперечных сечений каналов, нет необходимости в устройстве энергогасительных сооружений или колодцев, вызывающих фонтанирование воды на каналах с бурными потоками.
Таким образом, технико-экономический эффект заключается в существенном сокращении затрат на строительство водомерных постов на реках и каналах с бурным режимом течения, зачастую в труднодоступных местах горно-предгорных зон. Экономия может составить до 60%. Кроме того, отсутствуют и земляные, и бетонные работы.
Эти конструктивные отличия от прототипа позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого водомерного поста критерию изобретения «Новизна».
Авторам не известны сооружения для измерения уровня воды и расхода аналогичной конструкции, поэтому они считают, что предложенное техническое решение отвечает критерию «Существенные отличия».
На фиг.1 показан водомерный пост при низком уровне воды в канале, поперечный разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1, вид вертикальной трубы, разделенной на две неравные части в виде каплеобразного поперечного сечения; на фиг.3 - то же, при высоком уровне воды в канале, поперечный разрез.
Водомерный пост содержит размещенную в быстротечном канале 1 вертикальную трубу 2, разделенную на две неравные части 3 и 4 вертикальной перегородкой 5. Со стороны верхнего бьефа канала 1 на первой части 3 вертикальной стенки трубы 2 выполнены наклонные вверх водоприемные прорези-окна 6, верхнее из которых (выше минимального уровня воды в канале) прикрыто клапаном 7, например, из мягкой резины в виде лепестка. Вертикальная труба 2 выполнена в плане по форме каплеобразной. Герметичная накопительная камера 8 выполнена цилиндрической формы с крышкой 9 с воздуховыпускными отверстиями 10 и закреплена сверху трубы 2, дно ее соединено с впускной первой частью 3 и выпускной второй частью 4 трубы 2, при этом выпускная вторая часть 4 трубы 2 сообщена с нижним бьефом канала 1 калиброванными отверстиями 11 по ее высоте. Вторая часть 4 трубы 2 включает в себя раструб 12, встроенный во входную часть 4, снабженный запорным органом, состоящим из двух клапанов 13 и 14, соединенных между собой с возможностью осевого перемещения относительно друг друга. Клапан 13 выполнен в виде перевернутого конуса, в вершине которого выполнено выпускное отверстие 15, а основание выполнено в виде крышки 16 с впускными отверстиями 17. В полости клапана 13 размещен клапан 14 в виде конической пробки со сферическим основанием, к вершине которого прикреплен шток 18, соосно пропущенный сквозь выпускное отверстие 15 в углубление 19 клапана 13 и размещенный в полости последнего свободно нижним концом, причем клапан 13 верхним концом связан дополнительным направляющим штоком 20, проходящим через отверстие 21 в основание в крышке 16 в ее центре, который в свою очередь связан с поплавковым приводом, состоящим из поплавка 22 и гибкой связи 23, и связан с самописцем 24 уровня воды, фиксированного кронштейном 25 на боковой стенке камеры 8 или с контрольно-измерительным прибором, например, лимниграф или датчик телеметрии. В боковой стенке камеры 8 устроена прорезь 26, закрытая водомерным стеклом 27 с возможностью размещения на нем системой индикации в виде шкалы из разноцветных светящихся отсчетных и разделительной полос. Имеется возможность экспресс-контроля значений статического уровня (расхода воды в канале) до ±5% интервала изменений расхода. Разноцветные светящиеся отчетные полосы, соответствующие расчетному расходу воды, могут быть, например, белыми, а разделительная полоса черная, что соответствует движению вверх или вниз поплавка 22 от минимального до максимального приращения уровня воды в камере 8, а также светящейся краской поплавка 22, например, с указательной стрелкой. Посредством гибкого привода 23 с запорным органом, состоящим из двух клапанов 13 и 14, поплавок 22 через изменение уровня в камере 8 приходит в движение. Выпускное отверстие 15 периодически перерывается клапаном 14, помещенным свободно в полость клапана 13 при минимальном уровне воды в камере 8. Поперечное сечение выпускного отверстия 15 клапана 13 больше, чем каждое из впускных отверстий 17 в крышке 16. Выбор угла конусности клапана 13 позволяет прижать клапан 13 к стенкам раструба 12.
Водомерный пост работает следующим образом.
До поступления воды в камеру 8 поплавок 22 с приводом 23 находится в исходном положении, т.е. клапан 13 плотно закрывает раструб 12. Одновременно клапан 14 в виде конической пробки при наличии направляющих штоков 18 и 20 плотно закрывает в углублении 19 выпускное отверстие 15.
min
min
В режиме работы быстротечного канала 1 с малым напором и наполнением H со скоростью V вода по высоте заполняет вертикальную впускную часть 3 трубы 2 и далее заполняет камеру 8 и не выливается. При этом выделяющийся из воды воздух через воздуховыпускные отверстия 10 в крышке 9 выпускается в атмосферу. Вода, поступившая в камеру 8, далее поступает в полость клапана 13 через отверстия 17 в крышке 16, и клапан 14 в виде конической пробки более плотно прижимается к отверстию 15 за счет эффекта «присоски», возникающей из-за вакуума во второй части 4 трубы 2. При этом камера 8 заполняется водой на высоту, равную ее величине скоростного напора
где V - средняя скорость потока воды;
φ - коэффициент, близкий к единице, определяемый опытным путем;
g - ускорение силы тяжести.
v
max
max
v
2
2
Обеспечение наблюдений за величиной скоростного напора h=φV/2g при бурном потоке с большим напором, до максимального наполнения H в канале 1 со скоростью V давит на эластичный клапан (лепесток) 7, установленный внутри части 3 трубы 2, сосредоточенно поступает в отверстие прорези-окна 6, отверстие, которое расположено наклонно (под углом) вверх к потоку. При этом количество воды, поступающее через отверстие (количество задается их), увеличивает скоростной напор из верхнего бьефа в камеру 8. При уменьшении уровня воды в канале 1, в свою очередь, закрывают верхнюю прорезь-окно 6, что повышает точность регулирования в камере 8 и позволяет использовать весь скоростной напор при минимальном наполнении в канале 1. Таким образом, приращение скоростного напора Δh=φΔV/2g соответствует приращению расхода потока в канале 1. Это приводит к подъему поплавка 22, и клапан 14, который связан гибким приводом 23 с поплавком 22, поднимается на ΔL, вода войдет в отверстия 17 в крышке 16 и будет давить с внутренней стороны на стенки клапана 13. На клапан 13 будут действовать напор воды в камере 8, противоположный гидростатическому давлению внутри клапана 13. Усилие отрыва запорного клапана 13 уменьшается, и при увеличении уровня воды в камере 8 поплавок 22 поднимется и начнет приводить к подъему клапан 13. При больших приращениях скоростного напора, соответствующих приращению расхода потока в канале 1, но малых величинах открытия клапана 14 в виде конической пробки выпускного отверстия 15, поток пойдет через раструб 12. Кроме того, клапан 14 в виде конической пробки может служить и поплавком для дополнительного создания подъемного усилия на движение вверх запорного клапана 13, который отрывается от раструба 12, продвигаясь вверх и освобождая путь воде. При этом клапан 14 со сферическим основанием не закрывает впускные отверстия 17 в крышке 16, вследствие чего постоянно происходит заполнение полости клапана 13. Свободный нижний конец штока 18 обеспечивает свободу перемещения как клапана 14, так и его самого в полости во второй части 4 вертикальной трубы 2 по высоте.
v
2
Высота камеры 8 и крепление самописца 24 устанавливаются с учетом возможных колебаний напоров воды в быстротечном канале 1, т.е. с учетом приращения скоростного напора Δh=φΔV/2g.
v
r
2
Следует отметить, что при бурных потоках приращение скоростного напора Δh, а следовательно, и уровень воды в емкости камеры 8 будут превышать приращения глубины ±ΔН прямопропорционально величине числа Фруда (F=αV/2g), которые характеризуют кинетичность (бурность) течения для таких каналов и рек, и попадают в интервал 2<Fr≤5, т.е. в среднем в 3,5 раза. Подбору оптимального диапазона приращений скоростного напора в камере 8 способствует наличие автоматического устройства в виде наличия двух клапанов 13 и 14, связанных между собой при наличии поплавкового привода и штока во второй части 4 вертикальной трубы 2.
Как видно из конструкции водомерного поста, происходит резкое снижение статического и динамического давления на конусные стенки элементов устройства, расположенных на выпускном отверстии во второй части 4 трубы 2, и силой воздействия струи воды на конусные стенки клапана 13, последний как бы задерживается в висячем положении с помощью поплавкового привода 23. Длина штока 18 подбирается такой, чтобы при заданном максимальном наполнении в камере 8 конец штока не выходил из вертикальной части 4 трубы 2 (возможен вариант - на конце свободного штока закрепить ограничитель перемещения при касании нижних кромок раструба 12, на чертеже не показано).
Водовыпускное отверстие раструба 12 развальцовано по форме, соответствующей конусности клапана 13, и грани их изготовлены под определенным углом α, который выбран таким образом, что взвешенные частицы наносов на них откладываться не будут, то, следовательно, при длительной эксплуатации вес всего запорного устройства практически меняться не будет.
Для работы водомерного поста в автоматическом режиме приращение скоростного напора ±Δh, следовательно, и уровень воды в камере 8 должен быть больше расчетного, т.е. подбор оптимального диапазона приращения скоростного напора в камере способствует подъему поплавка 22, который связан приводом 23 со штоком 20, регулируется (на чертеже не показано). Увеличение расхода воды в камере приводит к увеличению открытия отверстия в раструбе 12 клапаном 13 через вторую часть 4 трубы 2, а уменьшение расхода воды в камере 8 - к уменьшению сбросного расхода через вторую часть 4 трубы 2. При этом наполнение в камере 8 не изменяется, что соответствует приращению расхода потока в условиях нормированной для контрольно-измерительных приборов погрешности измерений Н=±1,0 см и повышает точность определения расхода бурного потока в канале 1 до требуемой погрешности ±5%.
В случае ремонтных работ возможно принудительно и вручную поднять поплавок 22 и зафиксировать его в верхнем положении, связанного гибким приводом 23 со штоком 20 и с клапанами 13 и 14. Этим обеспечивается вручную полное открытие клапана 13 и пропуск через раструб 12 во вторую часть 4 трубы 2 всего расхода и далее через калиброванные отверстия 11 в нижний бьеф канала 1. При этом вертикальная труба 2 выполнена в плане по форме каплеобразной.
Эффективность водомерного поста позволит снизить погрешность измерения определения расходов воды по абсолютным приращениям высоты скоростного напора потока и возможности экспресс-контроля расхода воды в условиях эксплуатации наносообразующих потоков горно-предгорной зоны. Кроме того, позволит обеспечить требуемую точность расходов воды на каналах с малыми наполнениями и большими амплитудами стохастических высокочастотных пульсаций поверхности потока.
Основная часть технико-экономического эффекта заключается в существенном сокращении затрат на строительство гидрометрических постов на реках и каналах с бурными потоками, зачастую в труднодоступных местах горно-предгорных зон. Экономия капиталовложений в условиях бурных потоков составит около 60% для каждого гидрометрического поста в сравнении с успокоительными колодцами.