Основы гидравлики, гидрологии и гидрометрии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ  
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ, ГИДРОЛОГИИ  
И ГИДРОМЕТРИИ 
 
 
 

Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации 
по образованию в области прикладной геологии в качестве учебного  
пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специализации 
«Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические  
изыскания» специальности 130101 «Прикладная геология» 
направления подготовки 130100 «Прикладная геология»  
 
 
 
Автор-составитель М.В. Решетько 
 
 
 
 
 
 
 
Издательство 
Томского политехнического университета  
2015 

УДК 532(075.8)+556(075.8) 
ББК  30.123я73+26.22я73 
О-75 
 
    
 
Основы гидравлики, гидрологии и гидрометрии : учебное пособие / автор-сост. М.В. Решетько ; Томский политехнический университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического 
университета, 2015. – 193 с. 

ISBN 978-5-4387-0557-4 

В пособии описаны основные законы движения и равновесия жидкости, физическая сущность явлений, изучаемых гидравликой и гидрологией, 
условия формирования и режим вод суши, основные приборы и методы 
гидрометрических измерений.  
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 130101 
«Прикладная геология», специализация 130101.2 «Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания», очной и заочной форм 
обучения. 
 
УДК 532(075.8)+556(075.8) 
ББК 30.123я73+26.22я73 
 
 
 

Рецензенты  

Кандидат геолого-минералогических наук 
доцент кафедры гидрогеологии РГГРУ  
К.В. Белов 

Главный гидрогеолог ООО «Спецгеострой» 
А.И. Ламинский 

Кандидат физико-математических наук  
доцент кафедры географии ТГПУ 
Т.В. Ершова 

 
 
 
 
 
ISBN 978-5-4387-0557-4 
© ФГАОУ ВО НИ ТПУ, 2015 
© Решетько М.В., 2015 
© Оформление. Издательство Томского  
политехнического университета, 2015

О-75 

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................... 6 

Глава 1. ГИДРАВЛИКА .......................................................................................... 7 
1.1. Основные понятия ........................................................................................ 9 
1.2. Физические свойства жидкостей ............................................................... 10 
1.3. Основы гидростатики ................................................................................. 19 
1.4. Основы гидродинамики ............................................................................. 29 
1.4.1. Струйчатая модель движения жидкости, основные  
понятия ............................................................................................ 29 
1.4.2. Гидравлические элементы потока ................................................. 33 
1.4.3. Уравнение неразрывности .............................................................. 33 
1.4.4. Уравнения Бернулли ....................................................................... 34 
1.4.5.Физический смысл и графическая интерпретация  
уравнения Бернулли ....................................................................... 37 
1.5. Режимы движения жидкости ..................................................................... 39 
1.6. Гидравлические сопротивления. Линейные и местные  
потери напора ............................................................................................. 43 
1.7. Истечение жидкости через отверстия и насадки ..................................... 46 
1.8. Истечение жидкости через водосливы ..................................................... 50 
1.9. Движение жидкости в открытых руслах .................................................. 54 
1.10. Основы теории фильтрации жидкости в пористых средах .................... 61 
1.11. Критерии подобия ..................................................................................... 65 

Глава 2. ГИДРОЛОГИЯ ......................................................................................... 70 
2.1. Основные понятия и определения ............................................................. 70 
2.2. Гидрологический режим и гидрологические процессы .......................... 73 
2.3. Науки о природных водах. Общая гидрология ........................................ 75 
2.4. Методы гидрологических исследований .................................................. 78 
2.5. Подземные воды ......................................................................................... 83 
2.5.1. Вода в почве ..................................................................................... 84 
2.5.2. Грунтовые и межпластовые безнапорные воды .......................... 85 
2.5.3. Напорные воды ................................................................................ 87 
2.5.4. Подземное питание рек .................................................................. 87 
2.6. Гидрология рек ............................................................................................ 90 
2.6.1. Типы рек ........................................................................................... 90 
2.6.2. Водосбор и бассейн реки ................................................................ 92 
2.6.2.1. Морфометрические характеристики бассейна реки ........... 93 
2.6.2.2. Физико-географические и геологические  
характеристики бассейна реки ........................................... 94 
2.6.3. Река и речная сеть ........................................................................... 96 

2.6.4. Долина и русло реки ....................................................................... 99 
2.6.4.1. Поперечный профиль реки ................................................. 99 
2.6.4.2. Продольный профиль реки ............................................... 101 
2.6.5. Речные наносы и русловые процессы ......................................... 102 
2.6.6. Питание рек ................................................................................... 107 
2.6.7. Термический и ледовый режим рек ............................................ 112 
2.6.8. Водный режим рек ........................................................................ 114 
2.6.8.1. Фазы водного режима рек ................................................ 116 
2.6.9. Расчленение гидрографа по видам питания ............................... 117 
2.6.10. Классификация рек по водному режиму и видам питания ..... 122 
2.6.11. Речной сток .................................................................................. 126 
2.6.12. Водный баланс ............................................................................. 130 
2.6.12.1. Расчет отдельных элементов водного баланса ............... 133 
2.6.12.2. Водный баланс бассейна реки ........................................ 136 
2.7. Болота и озера ........................................................................................... 138 

Глава 3. ГИДРОМЕТРИЯ .................................................................................... 146 
3.1. Система гидрологических наблюдений .................................................. 148 
3.2. Требования к участку реки и выбор местоположения  
гидрологических постов .......................................................................... 150 
3.3. Оборудование гидрологических постов ................................................. 151 
3.4. Наблюдения за уровнями воды ............................................................... 151 
3.4.1. Устройства для наблюдений за уровнями воды ........................ 152 
3.4.2. Наблюдения за уровнем и продольным уклоном  
водной поверхности ..................................................................... 156 
3.4.2.1. Измерение уровня воды ................................................... 156 
3.4.2.2. Наблюдения за продольным уклоном  
водной поверхности ......................................................... 156 
3.4.3. Обработка результатов наблюдений за уровнем  
и уклоном водной поверхности .................................................. 157 
3.5. Оборудование и средства для измерения глубин .................................. 157 
3.5.1. Оборудование и устройства для промеров русла ...................... 158 
3.5.2. Измерение глубин ......................................................................... 159 
3.5.3. Обработка промеров ..................................................................... 161 
3.6. Измерение скоростей течения в русловых потоках .............................. 164 
3.6.1. Поплавки и метки течений ........................................................... 165 
3.6.2. Приборы, основанные на физических эффектах  
текущей воды ................................................................................ 167 
3.6.3. Приборы, основанные на гидродинамическом  
взаимодействии с потоком .......................................................... 167 
3.6.4. Определение средней скорости на вертикали ............................ 170 
 

3.7. Измерение расходов воды ........................................................................ 171 
3.7.1. Выбор местоположения и разбивка гидрометрического  
створа ............................................................................................. 171 
3.7.2. Общая характеристика методов измерения и оборудования ... 173 
3.7.3. Метод «скорость-площадь» ......................................................... 175 
3.7.4. Метод смешения ............................................................................ 176 
3.7.5. Гидрологические расходомеры ................................................... 177 
3.7.6. Объемный метод ........................................................................... 178 
3.7.7. Применение аэрофотосъемки ...................................................... 179 
3.7.8. Метод «уклон–площадь» .............................................................. 180 
3.7.9. Измерения поверхностными поплавками ................................... 180 
3.8. Современное оборудование ..................................................................... 182 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .................................................................................... 187 
 

 
 

ВВЕДЕНИЕ 

В учебном пособии рассмотрены основные вопросы учебной дисциплины «Основы гидравлики, гидрологии и гидрометрии». Настоящая 
работа охватывает следующие разделы: гидравлика (основные законы 
гидростатики и гидродинамики, физические свойства жидкости, виды 
движений жидкости, основные гидравлические параметры потока, теория определения потерь напора, истечения жидкости через отверстия, 
насадки, водосливы); гидрология (основные понятия, закономерности 
гидрологических процессов и явлений, гидрология рек, понятия стока и 
водного баланса) и гидрометрия (система гидрологических наблюдений, требования к выбору местоположения и оборудованию гидрологического поста, основные приборы и методы при изучении водных объектов, включая современное оборудование).  
Учебное пособие является кратким обобщением материала, имеющегося в большом количестве учебной и справочной литературы. Основой 
разделов пособия стали работы В.Н. Михайлова, Р.Р. Чугаева, Д.В. Штеренлихта, Н.М. Константинова, Н.Н. Пашкова, А.Д. Альштуля, В.Н. Калицуна, 
П.Г. Киселева, И.К. Гавич, И.Ф. Карасева, Л.К. Давыдова, И.Г. Шумкова, 
А.А. Лучшевой и др., а также нормативные документы в области гидрологии и гидрометрии. 
Курс «Основы гидравлики, гидрологии и гидрометрии» имеет особое значение для студентов специальности 130101 «Прикладная геология» специализации 130101.2 «Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания», т. к. многие технологические процессы профессиональной деятельности основаны на знании теории этого 
курса. Грамотное применение специалистами законов гидравлики, учет 
закономерностей гидрологических процессов, особенностей водных объектов, правильное применение приборов и методов гидрологических 
наблюдений имеет не только производственное, но и природоохранное 
значение, что требует соответствующей подготовки специалистов. 
В результате обучения студенты должны уметь использовать основные законы гидростатики и гидродинамики, законы протекания гидрологических процессов, методы теоретического и экспериментального 
исследования при решении профессиональных задач; использовать теоретические и практические знания при выполнении производственных, 
технологических и инженерных исследований в соответствии со специализацией; применять методы расчета основных гидравлических и гидрологических характеристик в профессиональной деятельности. 

Глава 1. ГИДРАВЛИКА 

Круг вопросов, охватываемых гидравликой, весьма обширен, и ее 
законы в той или иной мере находят применение практически во всех 
областях инженерной деятельности, включая гидрогеологию и инженерную геологию.  
Гидравлика – это наука, изучающая законы равновесия (гидростатика) и движения (гидродинамика) жидкостей, законы взаимодействия 
жидкостей с окружающими их граничными поверхностями и с твердыми или упругими телами, погруженными полностью или частично в 
жидкость, и способы приложения этих законов к решению инженерных 
задач.  
Ввиду сложности строения жидкостей гидравлические исследования часто проводятся для модельных жидкостей, облегчающих применение уравнений гидромеханики. Например, применяется модель невязкой жидкости, которая, в отличие от всех имеющихся в природе и в 
технике жидкостей, лишена свойства вязкости.  
Во многих случаях в гидравлике рассматриваются одномерные задачи, в которых достаточно знать только средние по сечениям значения. 
Применительно к средним значениям гидравлических параметров, 
определяющих изучаемое гидравлическое явление, получен ряд основных уравнений гидравлики. 
Первым научным трудом в области гидравлики считается трактат 
Архимеда (287–212 гг. до н. э.) «О плавающих телах», хотя сведения о 
некоторых законах гидравлики были, видимо, известны и ранее, так как задолго до Архимеда строились оросительные каналы и водопроводы. 
В Древнем Египте, Индии, Китае были построены каналы и водохранилища грандиозных по тем временам размеров.  
Основной подъем в развитии гидравлики начался только через 
17 веков после Архимеда. В XV–XVI вв. Леонардо да Винчи (1452–1519) 
написал работу «О движении и измерении воды». Галилео Галилей 
(1564–1642) в 1612 г. в трактате «Рассуждение о телах, пребывающих в 
воде, и о тех, которые в ней движутся» рассмотрел основные законы плавания и гидростатический парадокс. Е. Торричелли (1608–1647) получил 
формулу скорости истечения невязкой жидкости из резервуаров через 
отверстия.  
Б. Паскаль (1623–1662) открыл закон о передаче давления в жидкости, прямым следствием чего явилось появление в средние века большого количества простых гидравлических машин (гидравлические прессы, 
домкраты и т. п.). И. Ньютон (1643–1727) в 1686 г. сформулировал гипотезу о внутреннем трении в жидкости. Формирование гидравлики как 

науки на прочной теоретической основе стало возможным только после 
работ академиков Петербургской академии наук: М.В. Ломоносова 
(1711–1765), Д. Бернулли (1700–1782) и Э. Эйлера (1707–1783).  
Велики заслуги ученых: Д. Полени (1685–1761), который работал в 
области истечения через отверстия и водосливы; А. Шези (1718–1798), 
изучавшего равномерное движение жидкости; П. Дюбуа (1734–1809), 
занимавшегося движением наносов в реках и сопротивлениями движению воды в руслах; Д. Вентури (1746–1822), исследовавшего истечение 
через отверстия и насадки; Ю. Вейсбаха (1806–1871), в основном известного работами в области сопротивлений движению жидкости; 
А. Базена (1829–1897), изучавшего равномерное движение и истечение 
жидкости через водосливы; О. Рейнольдса (1842–1912), внесшего большой вклад в изучение ламинарного и турбулентного режимов движения. 
Впоследствии это учение благодаря исследованиям Л. Прандтля и 
Т. Кармана завершилось созданием полуэмпирических теорий турбулентности, получивших широкое практическое применение. 
Во второй половине XIX века в России появляются работы, оказавшие 
большое 
влияние 
на 
последующее 
развитие 
гидравлики. 
И.С. Громека (1851–1889) создал основы теории винтовых потоков и потоков с поперечной циркуляцией. В 1880 г. Д.И. Менделеев (1834–1907) 
в своей работе «О сопротивлении жидкости и воздухоплавании» привел 
важные выводы о наличии двух режимов движения жидкости (ламинарного и турбулентного).  
Далее Н.П. Петров (1836–1920) сформулировал закон внутреннего 
трения в жидкости. Н.Е. Жуковский (1847–1921) создал теорию гидравлического удара в водопроводных трубах, теорию движения наносов в реках 
и разработал основополагающие предложения в области фильтрации. 

Труды академика Н.Н. Павловского (1884–1937) в области равно
мерного и неравномерного движения, фильтрации через земляные плотины и под гидротехническими сооружениями явились весьма большим 
вкладом в развитие гидравлики.  
В развитии современной гидравлики большое место занимают видные ученые: И.И. Агроскин, М.А. Великанов, В.А. Большаков, А.И. Богомолов, А.Д. Альтшуль, П.Г. Киселев, К.А. Михайлов, М.Д. Чертоусов, 
Р.Р. Чугаев, Д.В. Штеренлихт и многие другие. 
Подробнее с историей гидравлики можно познакомиться в учебной 
литературе, например [27, 30, 32, 53, 60, 77, 79].  

 

 

1.1. Основные понятия  

Жидкость, сохраняя отдельные черты как твердого тела, так и газа, 
обладает рядом только ей присущих особенностей, из которых наиболее 
характерные – текучесть и способность изменять свою форму под воздействием внешней силы. Подобно твердому телу, жидкость сохраняет 
свой объем, имеет свободную поверхность, обладает определенной 
прочностью на разрыв при всестороннем растяжении и т. д. С другой 
стороны, жидкость принимает форму сосуда, в котором находится.  
Жидкость – это тело, обладающее свойством текучести, легкой 
подвижностью, способное изменять свою форму под воздействием 
внешних сил и температурных изменений.  
В гидравлике принята гипотеза сплошности жидкости, согласно 
которой жидкость рассматривается как непрерывная сплошная среда и 
все параметры, характеризующие движение жидкости, считаются непрерывными вместе с их производными во всех точках (кроме особых 
точек), гипотеза сплошности подтверждается практикой гидравлики.  
Жидкости разделяются на сжимаемые (газообразные) и несжимаемые, или малосжимаемые (капельные). 
Для облегчения изучения законов движения жидкости введено понятие идеальных и реальных жидкостей. Идеальные жидкости – невязкие, обладающие абсолютной подвижностью, т. е. отсутствием сил трения и касательных напряжений, абсолютной неизменностью объема при 
изменении температуры и абсолютной несжимаемостью под воздействием внешних сил. Такие жидкости не существуют в действительности. 
Реальные жидкости – сжимаются под воздействием давления, 
практически все расширяются при повышении температуры, обладают 
сопротивлением, растягивающим и сдвигающим усилиями и достаточной подвижностью, т. е. наличием сил трения и касательных напряжений. Вязкость – наиболее характерное свойство реальных жидкостей. 
Реальные жидкости могут быть ньютоновские и неньютоновские 
(бингемовские). В ньютоновских жидкостях (например, вода, масло, 
бензин, керосин, глицерин и др.) при движении одного слоя жидкости 
относительно другого величина касательных напряжений (внутреннего 
трения) пропорциональна скорости сдвига. При относительном покое 
эти напряжения равны нулю. Неньютоновские жидкости не обладают 
большой подвижностью и отличаются от ньютоновских жидкостей 
наличием касательных напряжений (внутреннего трения) в состоянии 
покоя, величина которых зависит от вида жидкости. Такие жидкости 
(битум, гидросмеси, глинистый раствор, коллоиды, нефтепродукты при 
температуре, близкой к температуре застывания) получили и другое 
название – бингемовские (или бингамовские).  

Силы, действующие в жидкости, принято делить на внешние и 
внутренние. Внутренние силы представляют собой силы взаимодействия частиц жидкости, они являются парными, и их сумма всегда равна 
нулю. Вследствие текучести жидкости в ней не могут действовать сосредоточенные силы, а возможно лишь действие внешних сил, непрерывно распределенных по ее объему (массе) или по поверхности. В связи с этим внешние силы разделяют на массовые, или объемные, и поверхностные. Массовые силы пропорциональны массе жидкого тела 
(или для однородных жидкостей – его объему). Массовые – это силы 
тяжести и инерции. Сила тяжести в земных условиях действует на жидкость постоянно, а сила инерции – только при сообщении объему жидкости ускорений (положительных или отрицательных), при относительном покое в ускоренно движущихся сосудах, перемещающихся с тем 
или иным ускорением, или при относительном движении жидкости в 
руслах. К числу массовых сил относят также силы, вводимые при составлении уравнений движения жидкости по принципу Даламбера. Поверхностные силы обусловлены воздействием соседних объемов жидкости на данный объем или воздействием других тел. Поверхностные силы – силы, действующие на каждый элемент поверхностей, ограничивающих жидкость, и на каждый элемент поверхностей, проведенных 
произвольно внутри жидкости. Основные – нормальные (Ратм) и касательные (Fтр при движении) к поверхности. Поверхностную силу, отнесенную к единице площади, называют напряжением.  

1.2. Физические свойства жидкостей 

Плотность. Отношение массы жидкости m к ее объему W называется плотностью жидкости (): 
 
/
,
m W
 
 кг/м3.  
(1.1) 

По химическому составу различают однокомпонентные, или чистые, жидкости и двух- или многокомпонентные жидкие смеси. Плотность смеси (ρс) можно рассчитать по формуле: 

 
1
2
1
1
2
2

1
2
1
2

(
)
(
)
(
)
(
)
с
m
m
W
W
W
W
W
W










, 
(1.2) 

где m1 и m2, W1 и W2, ρ1 и ρ2 – соответственно массы, объемы и плотности первой и второй жидкости.  
Наибольшая плотность пресных вод – 1000 кг/м3 – наблюдается 
при температуре 3,98 ºС. Плотность чистой воды при температуре 15 ºС 
и нормальном атмосферном давлении составляет 999 кг/м3. Морская вода с концентрацией солей 35 г/л имеет среднюю плотность 1028,1 кг/м3