УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ВОДЫ НА ГОРНЫХ РЕКАХ С БУРНЫМ ТЕЧЕНИЕМ

Полезная модель относится к области гидрометеорологических измерений и может быть использована в целях организации гидрологического мониторинга горных водотоков для автономного учета стока воды.
Известен ультразвуковой способ учета стока воды на естественных водотоках [Патент JP 2676321, МПК G01F 1/66; G01H 3/00; G01H 5/00; G01P 11/00; G01P 5/24, опубл. 12.11.1997], основанный на определение скорости потока по скорости распространения ультразвука в воде в поперечном сечении реки, который позволяет организовать дистанционный гидрологический мониторинг. Недостатком аналога является дороговизна и не применимость для горных потоков с бурным течением, из-за изменчивого рельефа дна, не позволяющего достаточно точно измерять площадь живого сечения.
Известен также способ учета стока на водомерных постах, разработанных для водотоков горно-предгорной зоны [Патент RU 2485451 МПК G01F 23/00, опубл. 20.06.2013] с систематическим учетом расходов воды по уровню скоростного напора в специально разработанной камере, соединенной трубами с водотоком. Такой способ позволяет повысить точность и надежность измерений, по сравнению с традиционными водомерными постами при организации их на водотоках с бурным режимом течения, так как на таких потоках отсутствует однозначная зависимость расхода воды от уровня. Главным недостатком данного способа является необходимость гидротехнического строительства, которое не всегда возможно и целесообразно на труднодоступных реках.
В качестве прототипа выбрано устройство для измерения расходов воды акустическим способом [Давыдов В.Д. Измерения расходов воды акустическим способом // Мелиорация и водное хозяйство, - 2009. - №3, - С. 45-46; Давыдов В.Д. Совершенствование средств водоучета и управления потоками // Мелиорация и водное хозяйство, - 2016, - №2, - С. 10-16.], основанное на том, что любой водоток представляет собой источник звуков разной интенсивности и частоты, а интенсивность звукового давления потоков жидкостей, характеризуемая частотой акустической волны, прямо пропорционально их расходу. Данное устройство, протестировано в гидравлической лаборатории на моделях водослива и водопада, имитирующих горные реки с бурным течением, и представляет собой акустическое устройство - шумомер с двумя акустическими датчиками, для определения разности между шумом, исходящим от водотока, и посторонними шумами. Недостатком прототипа является использование двух акустических датчиков, усложняющих конструкцию устройства и его технические характеристики, а главное оно предназначено для разовых измерений расхода и требует доработки для организации дистанционного гидрологического мониторинга.
Задача, на решение которой направлено заявляемое в качестве полезной модели техническое решение, состоит в повышении точности и надежности учета стока воды на горных реках с бурным течением за счет организации стационарных автономных наблюдений.
Технический результат достигается за счет того, что в заявляемом устройстве для измерения расхода воды на горных реках с бурным течением, по связи расхода воды от частоты акустической волны, исходящей от водотока, содержащем акустический датчик, блок обработки и управления, предусмотрена установка акустическою датчика, представляющего собой микрофон, работающий в диапазоне 100-10000 Гц, герметично встроенный в отсекатель-ограничитель посторонних шумов, выполненный в виде обрезка пластиковой трубы, направленной по траектории в центр водного потока, закрепленный на стойке держателе болтовым соединением.
Кроме того, заявляемая полезная модель отличается тем, что устройство включает солнечную батарею, обеспечивающую автономность его работы, а также модуль сотовой связи, расположенный в блоке обработки и управления, позволяющий дистанционно управлять периодичностью измерения и выгрузки данных на сервер, для вычисления расхода воды по линейной эмпирической зависимости, отражающей соответствие измеренного расхода исходящей из водотока частоте акустической волны.
Кроме того, заявляемая полезная модель отличается тем, что блок обработки и управления и стойка держатель с закрепленными на ней болтовым соединением отсекателем-ограничителем посторонних шумов и солнечной батареей, свинчиванием закреплены на опорной рамке, обеспечивающей стационарное устойчивое положение в исследуемом створе.
Связь между совокупностью существенных признаков заявляемой полезной модели и достигаемым техническим результатом состоит в использовании блока обработки и управления, а также ограничении посторонних шумов отсекателем-ограничителем, закрепленным на стойке держателе болтовым соединением и выполненным в виде обрезка пластиковой толстостенной трубы, направленной по траектории в центр водною потока, с герметично встроенным акустическим датчиком, представляющим собой микрофон, работающий в диапазоне 100-10000 Гц, что позволяет измерять расход воды на горных реках с бурным течением по эмпирической связи расхода воды от частоты акустической волны, исходящей от водотока, без использования второго акустического датчика, измеряющего посторонний шумовой фон.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-4.
На фиг. 1 представлена схема устройства для измерения расхода воды на горных реках с бурным течением, где:
1 - солнечная батарея;
2 - акустический датчик;
3 - отсекатель-ограничитель посторонних шумов;
4 - траектория направления в центр водного потока;
5 - стойка-держатель;
6 - блок обработки и управления;
7 - герметичная крышка;
8 - опорная рамка;
9 - незатопляемый и неподмываемый береговой откос;
10 - горный водоток с бурным течением.
На фиг. 2 представлен пример измеренного хода исходящей от водотока частоты акустической волны, Гц.
3
На фиг. 3 представлена зависимость расхода воды (Q, м/с) от частоты звука (Ш, Гц) в створе р.Актру-Альплагерь, Q=f(Ш).
3
На фиг. 4 представлен гидрограф стока воды (р. Актру-Альплагерь), м/с.
Пример осуществления полезной модели.
Устройство для измерения расхода воды на горных реках с бурным течением (фиг. 1) состоит из: солнечной батареи (1), обеспечивающей автономность энергоснабжения прибора; акустического датчика (2), представляющего собой микрофон, работающий в диапазоне 100-10000 Гц, герметично встроенного в отсекатель-ограничитель посторонних шумов (3), направленный по траектории (4) в центр водного потока, закрепленный на стойке держателе (5) болтовым соединением; легкого герметичного корпуса, внутри которого размещен блок обработки и управления (6) с дистанционной передачей данных обработанного аналогового звукового сигнала по каналам сотовой связи, морозостойкие аккумуляторы, заряжаемые от солнечной батареи; герметичная крышка (7), обеспечивающая возможность сброса данных на карту памяти SD/microSD, а также подключение через USB-порт для оперативного программирования микроконтроллера.
Блок обработки и управления, стойка держатель с закрепленными на ней болтовым соединением отсекателем-ограничителем посторонних шумов и солнечной батареей, свинчиванием закреплены на опорной рамке (8), устанавливаемой на незатопляемом и неподмываемом береговом откосе (9) как можно ближе к горному водотоку с бурным течением (10). Опорная рамка (8) закладывается камнями для обеспечения стационарного устойчивого положения устройства в исследуемом створе.
Функционирование устройства обеспечивается его правильной установкой в исследуемом створе реки (фиг. 1) в зоне покрытия сотовой связи (достаточно даже не устойчивой для передачи сообщений). С заданной оператором периодичностью (можно изменять дистанционно) производится измерение частоты акустической волны (фиг. 2) создаваемой водотоком с сохранением полученных данных в блоке обработки и управления передачей данных по каналу сотовой связи на сервер, доступный зарегистрированным пользователям.
Предлагаемое устройство было протестировано на гидрометрическом створе горно-ледниковой реки Актру (Горный Алтай). Обработка шумового сигнала производилась работающей от солнечной батареи системой автономного мониторинга состояния окружающей среды, сочетающей в себе малый вес, прочность и герметичность конструкций с финансовой доступностью. Измеренные с заданной периодичностью данные накапливаются на сервере, подвергаются фильтрации для устранения случайных выбросов.
Параллельно акустическим измерениям, при различной водности потока проводятся измерения расхода воды альтернативным способом: гидрометрической вертушкой, ультразвуковым датчиком, способом смешения. Ввиду линейности искомой эмпирической зависимости для исследуемого створа водотока надо иметь минимум 2 измерения расхода воды независимым методом при различной водности. Затем для исследуемого створа реки за совместный период наблюдений строится эмпирическая зависимость расхода воды от частоты акустической волны. Так для створа Актру-Альплагерь за совместный период наблюдений в июле-августе 2020 года, по 64 измерениям расхода воды стандартным гидрометрическим методом была получена зависимость расхода воды от частоты акустической волны (фиг. 3) с коэффициентом корреляции 0,77, которая подтвердила линейность искомой зависимости. Отклонение измеренных расходов от линейной зависимости во многом обусловлено пониженной точностью измерения расхода гидрометрической вертушкой на реках с бурным режимом течения и динамически неустойчивым руслом, так как на таких водотоках отсутствует однозначная зависимость расхода воды от уровня.
Проведенные полевые исследования выявили, что сток воды в реке Актру начинается при частоте акустической волны более 617 Гц. В результате получены характеристики стока за ранее не учитываемые переходные периоды (фиг. 4), что позволило, за счет ранее неохваченных традиционными гидрометрическими наблюдениями периодов, повысить точность и надежность учета стока воды на горных реках с бурным течением, удешевить организацию гидрологического мониторинга в горных районах, ликвидировать погрешность, связанную с человеческим фактором, многократно уменьшить трудозатраты.