водомерный пост для водотоков горно-предгорной зоны

Формула изобретения

Водомерный пост для водотоков горно-предгорной зоны, включающий канал или реку, самописец уровня воды, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и надежности измерения расхода безнапорных потоков с бурным режимом течения, он снабжен вертикальной трубой, разделенной на две неравные части вертикальной перегородкой, и вертикальная стенка первой части снабжена наклонными вверх с водоприемными прорезями-окнами навстречу потока, при этом труба сверху снабжена камерой с самописцем и сообщает две неравные части через поплавок и запорный орган, размещенный в раструбе, встроенного 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 соединенного 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 в виде шкалы, состоящей из разноцветных светящихся отсчетных и разделительной полос.

Описание изобретения к патенту

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 ± Н сопровождаются весьма малыми приращениями статического напора ± Н.

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.

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_v = V²/2g, где V - средняя скорость потока воды; -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 h= V/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%.

Следует отметить, что при бурных потоках приращение скоростного напора ± h и уровень воды в емкости камеры будут превышать приращения глубины воды ± Н прямопропорционально величине числа Фруда (F_r = V²/2g), которые характеризуют кинетичность (бурность) потока для ирригационных каналов в интервале 2<F_r <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.

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( V²/2g) или Q=Q_min± Q_i, где Q_i=f( h). Кроме того, можно определить величину статического напора по функциональной зависимости Н=f( V²/2g), т.е. эти зависимости однозначны и определяются расчетным путем по формуле удельной энергии сечения Э=Н+ V²/2g=Н+ V²/2gw, где V - средняя скорость потока воды; g - ускорение силы тяжести; Н - величина статического напора; w - площадь поперечного сечения потока (можно использовать поправку - 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;

- обеспечение требуемой точности определения расходов на каналах с малыми наполнениями (Н) и большими амплитудами стохастических высокочастотных пульсаций поверхности потока Н_п;

- позволяет варьировать величиной диапазона, измеряемого (контролируемого параметра h_v ) за счет лишь частичного преобразования гидродинамического давления в скоростную высоту (высоту скоростного напора h_v);

- 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.

В режиме работы быстротечного канала 1 с малым напором и наполнением H_min со скоростью V_min 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;

- коэффициент, близкий к единице, определяемый опытным путем;

g - ускорение силы тяжести.

Обеспечение наблюдений за величиной скоростного напора h _v= V²/2g при бурном потоке с большим напором, до максимального наполнения H_max в канале 1 со скоростью V_max 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 h_v= V²/2g 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 L, 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.

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 h_v= V²/2g.

Следует отметить, что при бурных потоках приращение скоростного напора h_v, а следовательно, и уровень воды в емкости камеры 8 будут превышать приращения глубины ± Н прямопропорционально величине числа Фруда (F_r = V²/2g), 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 , 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 ± h, 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.