Измерения расхода воды

Расход воды - основная гидрологическая характеристика реки, которая необходима при проектировании любого гидротехнического сооружения на реке: гидроэлектрической станции - для расчета ее мощности; оросительной системы - чтобы знать возможную площадь орошаемых земель; речного водопровода - чтобы знать, сколько можно брать воды из реки, и т. д.

Расход небольших водотоков (ручья, источника, ключа) можно измерить непосредственно, так называемым объемным способом. Для этого необходимо водоток перекрыть небольшой запрудой, вывести из нее желоб, по которому вода водотока свободно стекала бы в сосуд с известным объемом, и измерить по секундной стрелке, за сколько секунд сосуд наполнится водой, вытекающей из желоба.

Объемный способ измерения расхода воды предложил древнегреческий философ Герон Александрийский около 100 г. н. э. Он рекомендовал применять для определения продолжительности наполнения сосуда... солнечные часы! Правда, он не брал для измерений сосуд, а выкапывал в русле целый бассейн.

Если расход водотока настолько велик, что собрать воду в мерный сосуд невозможно, его не измеряют, а вычисляют по измеренной скорости течения потока и площади его поперечного сечения (метод определения расхода "скорость - площадь").

Любопытно, что, казалось бы, азбучная истина, составляющая ныне основу элементарной гидравлики: расход потока равен площади его поперечного сечения, умноженной на скорость (Q = Fv), вошла в науку лишь после 1628 г., когда она была установлена учеником Галилея итальянцем Бенедетто Кастелли. До этого расход воды потока считался пропорциональным только площади его поперечного сечения. Даже римлянам приходилось строить замечательные акведуки и водопроводы, определяя расход воды в них только по площади поперечного сечения. Правда, до Кастелли положение о том, что расход воды равен площади сечения, умноженной на скорость, установил Герон Александрийский на рубеже 2 в. н. э., но оно не привлекло внимания ученых.

В настоящее время, чтобы получить площадь поперечного сечения реки при определении ее расхода, измеряют ширину реки и ее глубину на разных расстояниях от берега. Измерить скорость течения значительно сложнее, так как в различных точках сечения она неодинакова - у дна и берегов вода течет медленнее (вследствие трения о дно), посредине реки быстрее. Поэтому приходится измерять скорость не в одной точке речного потока, а на разной глубине и на разных расстояниях от берега по поперечному профилю.

Скорость измеряют с помощью основного гидрометрического прибора - гидрометрической вертушки.

Изобретение этого прибора в конце 18 в. немецким инженером-гидротехником Р. Вольтманом составило целую эпоху в истории гидрометрии и гидрологии.

Основная часть вертушки - винтовая лопасть (пропеллер, ротор), которая приводится в движение (вращается) текущей водой - чем быстрее течение, тем быстрее крутится лопасть, которая соединена со счетчиком оборотов.

В первоначальной вертушке Вольтмана механический счетчик оборотов был прикреплен к оси вертушки и находился под водой, поэтому для каждого отсчета скорости течения вертушку приходилось вытаскивать из воды. Современные вертушки снабжены электрическим счетчиком, показания которого передаются в лодку или катер, где сидит техник-гидрометр, измеряющий расход воды.

Электрический счетчик значительно ускорил измерение расхода воды вертушкой, но все же метод "скорость - площадь" остается еще очень громоздким и трудоемким, в особенности на больших реках, где одно измерение занимает много часов.

Например, первое измерение расхода воды Амазонки заняло трое суток, в нем участвовали военные корабли бразильского флота и, не считая бразильских специалистов, работали четыре инженера-гидролога гидрологической службы США. Расход Амазонки был измерен впервые в 1963 г., лишь через 463 года после открытия ее В. Пинсоном! Измерялся расход не в устье, где ширина реки достигает многих километров и определить его почти невозможно, а на суженном участке русла около города Обидус, в нижнем течении (площадь бассейна около 5 млн. км²). Здесь ширина Амазонки составляет "всего" 2,3 км, средняя глубина около 45 м (максимальная превышает 60 м). Средний расход воды у этого города оказался равным 170 тыс. м³/с, а отнесенный к устью реки - 220 тыс. м³/с Это примерно в 2 раза больше, чем считали до 1963 г., по ориентировочным измерениям поплавками.

Расход воды крупнейшей реки Европы - Волги был впервые определен в августе 1700 г. английским инженером Джоном Перри, приглашенным Петром I на работу в Россию. Скорость течения измерялась поплавками. Перри получил величину расхода, близкую к действительной (средней за август),- 6360 м³/с.

На территории Европы измерения расхода воды крупнейших рек были начаты в 1800-1810 гг., в Северной Америке, Азии и Австралии - в середине 19 в., в Африке и Южной Америке - только в первой четверти 20 в.

Вертушку опускают в реку на тросе или на штанге с лодки или катера, установленных на якоре или удерживаемых на натянутом поперек реки тросе. На небольших и очень быстрых реках (например, горных), на которых трудно работать с вертушкой с лодки или вброд, часто применяют гидрометрическую люльку - легкий передвигающийся по тросу, натянутому через реку, подвесной ящик, в котором помещаются один или два наблюдателя-гидрометра с вертушкой.

Работать в раскачивающейся над бурной рекой люльке, опуская с нее вертушку в пенящуюся воду, довольно рискованное занятие, поэтому в последние годы, в связи с общей установкой на автоматизацию гидрометрических работ, стараются заменить люлечные переправы дистанционной гидрометрической установкой, которой управляют с берега. Вертушку и другие гидрометрические приборы (например, лот для промеров глубины) спускают в воду на блоке с перетянутого поперек реки троса с помощью управляемого с берега электропривода.

Идеальным методом измерения расхода воды был бы такой, который не требовал бы ни промеров поперечного сечения русла, ни погружения вертушки в воду для измерения скорости течения, т. е. не требовал бы нахождения гидрометра и его приборов на воде и в воде. Такой метод существует, он был предложен в 1863 г. французским инженером Т. Шлезингом. Это так называемый метод смешения или химический метод. Он заключается в том, что в речной поток вливают определенный объем солевого раствора (обычно поваренной соли), концентрация которого известна, а ниже места запуска, на таком расстоянии, чтобы раствор хорошо перемешался с речной водой, берут пробу речной воды и определяют в ней концентрацию соли. Затем по отношению концентрации соли в запущенном растворе и в реке ниже места запуска, а также исходя из объема влитого в реку раствора находят расход воды в реке. Никаких измерений площади поперечного сечения потока и его скорости при этом делать не надо. Этот метод измерения расхода воды особенно удобен для горных рек, однако вследствие громоздкости аппаратуры и большого количества необходимой соли он широкого распространения не получил.

Гидрометрическая люлька. С нее опускают вертушку для измерения скорости течения реки и определения расхода воды. Фото ВМО

Весьма перспективным для усовершенствования методики измерения расходов воды является, по-видимому, метод измерения скорости течения реки с помощью ультразвука. В русле реки (под водой) устанавливают возбудитель ультразвуковых колебаний и на некотором расстоянии от него ниже по течению - приемник этих колебаний. Измерив скорость прохождения ультразвука сначала по течению, затем против течения (для этого не требуется менять местами возбудитель колебаний и приемник, они взаимозаменяемы), по тому, насколько быстрее проходят ультразвуковые колебания по течению реки, чем против течения, вычисляют скорость течения.

Ультразвуковой метод позволяет производить измерения скорости течения с берега и определять расход воды сколь угодно часто.