Способ определения расходов водотоков
WATERCOURSES FLOW RATES DETERMINATION METHOD

Изобретение относится к гидрометрии и предназначено для определения расходов водотоков при гидрологических и экологических исследованиях, например инженерно-гидрометеорологических и инженерно-экологических изысканиях.
0
1
2
Известен, способ определения расхода воды водотоков методом индикатора, включающий измерение площади поперечного сечения потока (живого сечения) и пуск индикатора (раствора соли) известной концентрации и объема на верхнем (пусковом) и измерение концентраций в нижнем (измерительном) створах, расположенных один от другого на расстоянии, обеспечивающем полное перемешивание индикатора с водой водотока, расходы водотока вычисляют по формуле: , где Q - расход водотока; С - естественная концентрация индикатора в речной воде; q - расход раствора индикатора; С - концентрация раствора индикатора; С - концентрация индикатора в измерительном створе (Наставление гидрометеорологическим станция и постам. Вып. 6, ч. II. Гидрологические наблюдения и работы на малых реках. - Л.: Гидрометеоиздат, 1972. - 258 с.).
Известный способ ограничен в применении, т.к. может использоваться только на малых реках и требует значительных затрат времени и средств на его осуществление, включая приобретение, доставку, разведение до необходимых концентраций и запуск в водоток индикатора (соли), который может значительно загрязнять водную среду. Кроме того, по известному способу измерение расходов необходимо проводить на каждом водотоке, включая и с неблагоприятными для измерения расходов условиями работ, например с крутыми берегами, извилистыми неустойчивым руслом, наличием крупных (соразмерном размерам водотока) камней, деревьев, коряг и т.п., в его русле.
Наиболее распространен и близок к заявляемому техническому решению способ по методу «скорость - площадь», включающий измерение площади поперечного сечения потока (живого сечения) на створах и средней скорости течения в створе с использованием гидрометрических вертушек или иных измерителей. При этом расходы водотока (Q) равны произведению площади сечения (S) на среднюю скорость потока (Vcp), т.е. Q=SVcp (Расход воды на реках и каналах. Методика выполнения измерений методом «скорость-площадь». Методические указания. – М.: Из-во стандартов, 1987. - 26 с., МИ 1759-87). Известное техническое решение требует значительных затрат времени и средств, поскольку необходимо измерение расходов в каждом створе, причем в водотоках с неблагоприятными условия работ, например извилистое неустойчивое русло, наличие крупных (соразмерно водотоку) камней, деревьев, коряг и т.п. Кроме того, при измерительных работах на каждом водотоке загрязняют водную среду и оказывают неблагоприятное воздействие на водные экосистемы.
Задачи, решаемые предлагаемым техническим решением:
- до 2-х раз снижение затрат времени и средств на определение расходов водотоков,
- повышение надежности определения расходов воды в водотоках с неблагоприятными условиями их проведения, например извилистое неустойчивое русло, наличие крупных (соразмерно водотоку) камней, деревьев, коряг и т.п.;
- двукратное снижение неблагоприятного экологического воздействия на водные системы за счет меньшего количества непосредственных полевых измерений расходов по створам.
Сущность способа определения расходов водотоков по предлагаемому техническому решению заключается в том, что в месте слияния двух водотоков гидрографического узла (чертеж) справедливы уравнения:
1
2
3
1
2
3
где, Q, Q, Q - расходы воды в створах №1, 2, 3, а Р, Р, Р - физические или химические параметры воды в створах 1, 2, 3.
Створ 3 должен располагаться на расстоянии, обеспечивающем полное перемешивание вод водотоков 1 и 2.
Из уравнения (2) вытекают равенства:
Таким образом, для определения расходов воды в створах 1 или 2 достаточно измерить расход воды традиционным способом только в одном из них и определить физические или химические параметры воды во всех 3 створах (например, температура, минерализация или содержание отдельных ионов, pH или окислительно-восстановительный потенциал или иной параметр).
Решение задач осуществляется использованием предлагаемого способа определения расходов водотоков и заключается в непосредственном изменении расходов в створе выше слияния двух водотоков гидрографического узла по известному методу, например «Скорость - площадь», отличающегося тем, что измерительный створ располагают в русле водотока с наиболее благоприятными условиями проведения гидрометрических работ и определяют выше и ниже их слияния параметры физических и химических свойств воды (например, температура, минерализация, содержание отдельных ионов, pH, окислительно-восстановительный потенциал и т.п.), по которым рассчитывается расход другого водотока по формулам (3) или (4). При малых скоростях водотоков в способе определения расходов водотоков дополнительно устраивают рассредоточенное и/или рассеивающее впадение водотока с меньшими расходами в водоток с большими расходами.
Пример конкретного применения предлагаемого способа
При выполнении инженерно-гидрологических изысканий на золоторудном месторождении «Ветренское», расположенном в горном районе Магаданской области, проведено определение расходов воды ручья Кварцевый и впадающего в него техногенно загрязненного ручья Цветочный. Ручей Цветочный характеризуется наиболее благоприятными условиями для проведения измерений расходов, так как имеет ровное, прямое русло, сложенное мелким галечником. Ручей Кварцевый извилистый, с крутыми берегами, изобилующий крупными камнями, корягами и упавшими деревьями в русле. Определяется расход ручья Цветочный выше его впадения в Кварцевый по способу-прототипу, т.е. методом «скорость - площадь», в створе, расположенном выше слияния ручьев, при этом скорость воды в ручье определялась гидрометрической вертушкой ГР-55. В едином цикле определялись физические и химические параметры воды, т.е. температура и содержание растворимых веществ (минерализация) в трех створах, т.е. в обоих водотоках выше их слияния и ниже в створе с полным перемешиванием вод.
Для повышения точности определения расходов водотока по предлагаемому способу измерение температуры и минерализации воды проводилось практически «одновременно», т.е. во временном интервале, не превышающем нескольких минут. Для чего в створах ручья Цветочный и ручья Кварцевый, выше их слияния, измерялись температура и минерализация вод в стрежне водотока, а также ниже их слияния, где разность значений параметров воды в створе. Содержание растворимых веществ в воде (минерализация) измерялось портативным электронным прибором CONDRES (TDS) с точностью измерения 1 мг/л, температура измерялась при помощи эталонного (прецизионного) термометра с точностью измерения температуры 0,01°C с термочувствительным кварцевым резонатором типа РКТ206.
В створе водотока на расстоянии 17 м ниже слияния ручья Цветочный и ручья Кварцевый величины температуры и минерализации в различных местах его не отличались между собой, что свидетельствует о полном перемешивании вод ручьев. Результаты измерений расхода и параметров воды в створах занесены таблицу. Пользуясь формулой (4), были вычислены расходы в створе №2 по температуре воды и по ее минерализации.
Результаты определения расходов ручья Кварцевый в створе №2 по двум параметрам воды, температуре и минерализации, показывают, что отклонения величины расходов по заявляемому техническому решению и известному способу «скорость - площадь» (прототип) не превышает 5%.
Пример конкретного выполнения способа определения расхода (ручей Кварцевый) показывает, что заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения - практическая применимость.
Примечание: * - сумма расходов по створам №1 и №2.
Таким образом, заявляемый способ определения расходов воды водотоков сокращает затраты времени и средств, упрощает их проведение и в большинстве случаев повышает точность определения расхода. Кроме того, предлагаемое техническое решение снижает примерно в два раза неблагоприятное воздействие на водные экосистемы при измерениях расходов водотоков.