Гидравлика, гидрология, гидрометрия водотоков

ГИДРАВЛИКА, 
ГИДРОЛОГИЯ, 
ГИДРОМЕТРИЯ 
ВОДОТОКОВ

2023

Москва
«ИНФРАМ»

Допущено
Министерством образования Республики Беларусь 
в качестве учебного пособия для строительных
специальностей высших учебных заведений
(соответствует направлению подготовки 
08.03.01 «Строительство»)

В.Т. ПАРАХНЕВИЧ

УДК [556.53+627.133](075.8)
ББК 26.22я73
 
П18

Парахневич В.Т.
Гидравлика, гидрология, гидрометрия водотоков : учебное 
пособие / В.Т. Парахневич. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 
368 с. : ил. — (Высшее образование: Бакалавриат).

ISBN 978-5-16-010308-2 (print)
ISBN 978-5-16-102248-1 (online)

Излагаются общие законы гидравлики. Даны основы теории равномерного и неравномерного установившегося движения воды в каналах. Приведены основные расчетные формулы. Уделено внимание 
гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений, их гидрологическому и гидрометрическому обеспечению. Содержатся основные сведения о гидравлике грунтовых вод и моделировании гидравлических потоков.
Для студентов строительных специальностей. Может быть полезно 
студентам гидротехнических специальностей и инженерно-техническим работникам дорожной отрасли.

УДК [556.53+627.133](075.8)
ББК 26.22я73

П18

 
© Парахневич  В.Т., 2014
 
© ООО «Новое знание», 2014

Р е ц е н з е н т ы:
кафедра «Экология и рациональное  использование водных ресурсов» Белорусского  государственного университета транспорта;
профессор  Белорусского  национального   технического университета,  
доктор технических наук, профессор  И.И. Леонович

ISBN 978-5-16-010308-2 (print)
ISBN 978-5-16-102248-1 (online)

Оглавление

Предисловие..............................................................................................................................7

Принятые.обозначения........................................................................................................10

Введение...................................................................................................................................14
Предмет.гидравлики.и.ее.задачи.....................................................................................14
Краткая.история.развития.гидравлики.........................................................................15
Жидкость.и.ее.основные.физические.свойства.........................................................17

Глава 1. Гидростатика.........................................................................................................22
1.1..Общие.сведения.............................................................................................................22
1.2..Гидростатическое.давление.и.его.свойства..........................................................23
1.3..Абсолютное,.избыточное.давление.и.вакуум......................................................24
1.4..Приборы.и.единицы.измерения.давления...........................................................25
1.5..Дифференциальные.уравнения.Эйлера.для.покоящейся.жидкости.........27
1.6..Два.вида.основного.уравнения.гидростатики.....................................................30
1.7..Эпюры.гидростатического.давления......................................................................33
1.8..Относительный.покой.жидкости.............................................................................35
1.9..Сила.гидростатического.давления.на.плоскую.поверхность........................37
1.10..Сила.гидростатического.давления.на.цилиндрическую.поверхность.....39
1.11..Закон.Архимеда..Основы.теории.плавания.тел..............................................42

Глава 2. Введение в гидродинамику.............................................................................47
2.1..Общие.сведения.............................................................................................................47
2.2..Виды.и.методы.изучения.движения.жидкости..................................................48
2.3..Элементы.и.характеристики.потока.жидкости..................................................52
2.4..Уравнение.неразрывности..........................................................................................56
2.5..Дифференциальные.уравнения.Эйлера.движения.идеальной.жидкости......58
2.6..Уравнение.Бернулли.для.струйки.идеальной.и.реальной.жидкости........61
2.7..Уравнение.Бернулли.для.потока.реальной.жидкости.....................................63
2.8..Геометрическая.и.энергетическая.интерпретации.уравнения.Бернулли.....66

Глава 3. Гидравлические сопротивления....................................................................70
3.1..Общие.сведения.о.потерях.удельной.энергии...................................................70
3.2..Основное.уравнение.равномерного.движения...................................................72
3.3..Режимы.движения.жидкости....................................................................................75
3.4..Эпюра.скорости.и.касательные.напряжения..
при.ламинарном.режиме............................................................................................77
3.5..Потери.напора.при.ламинарном.режиме.движения........................................79
3.6..Характеристики.турбулентного.режима.движения..........................................82
3.7..Касательные.напряжения.в.турбулентном.потоке..
(модель.Буссинеска)....................................................................................................84
3.8..Распределение.скоростей.при.турбулентном.режиме.....................................86
3.9..Понятие.гидравлической.шероховатости.............................................................89

Оглавление
4

3.10..Потери.напора.при.турбулентном.режиме.движения...................................92
3.11..Местные.гидравлические.сопротивления..........................................................97
3.12..Эквивалентная.длина.и.взаимное.влияние.местных.сопротивлений.......101

Глава 4. Гидравлический расчет трубопроводов.................................................. 103
4.1..Классификация.трубопроводов............................................................................. 103
4.2..Задачи.по.гидравлическому.расчету.трубопроводов.................................... 105
4.3..Оптимальный.диаметр.трубопровода................................................................. 108
4.4..Гидравлический.расчет.простого.трубопровода............................................. 110
4.5..Гидравлический.расчет.длинных.трубопроводов........................................... 114
4.6..Принцип.гидравлического.расчета.сложных.трубопроводов.................... 117
4.7..Гидравлический.удар.в.трубопроводах.............................................................. 121

Глава 5. Истечение жидкости через отверстия и насадки............................... 126
5.1..Истечение.жидкости.через.малое.отверстие.в.тонкой.стенке................... 126
5.2..Истечение.жидкости.через.насадки..................................................................... 129

Глава 6. Равномерное движение воды в каналах................................................ 133
6.1..Общие.сведения..Классификация.открытых.потоков.................................. 133
6.2..Зависимости.для.гидравлического.расчета.каналов..................................... 135
6.3..Гидравлически.наивыгоднейшее.сечение.и.допускаемые.скорости.
в.канале.......................................................................................................................... 139
6.4..Основные.задачи.по.гидравлическому.расчету.каналов............................. 141
6.5..Гидравлический.расчет.безнапорных.труб....................................................... 145

Глава 7. Неравномерное движение воды в каналах........................................... 150
7.1..Дифференциальное.уравнение.неравномерного..
плавно.изменяющегося.движения.жидкости.в.каналах.............................. 150
7.2..Удельная.энергия.сечения..Критическая.глубина...
Критический.уклон................................................................................................... 154
7.3..Кривые.свободной.поверхности.в.каналах.при.неравномерном.
движении....................................................................................................................... 159
7.4..Интегрирование.дифференциального.уравнения.неравномерного.
движения.воды.в.каналах....................................................................................... 166
7.5..Гидравлический.прыжок.......................................................................................... 171

Глава 8. Водосливы и сопряжение бьефов............................................................. 176
8.1..Классификация.водосливов.................................................................................... 176
8.2..Формула.расхода.водосливов................................................................................ 179
8.3..Сопряжение.бьефов................................................................................................... 181
8.4..Сооружения.для.гашения.энергии....................................................................... 185
8.5..Перепады,.быстротоки.и.консольные.водосбросы......................................... 189

Оглавление
5

Глава 9. Основы гидрологии суши.............................................................................. 197
9.1..Общие.сведения.о.гидрологии.............................................................................. 197
9.2..Круговорот.воды.в.природе.и.водный.баланс................................................. 199
9.3..Испарение.и.атмосферные.осадки....................................................................... 202
9.4..Механизм.образования.и.единицы.измерения.стока................................... 205
9.5..Общие.сведения.о.болотах,.озерах.и.водохранилищах................................ 209
9.6..Река.и.речная.система.............................................................................................. 217
9.7..Питание.и.водный.режим.рек................................................................................ 221
9.8..Кинематика.речного.потока.................................................................................... 226
9.9..Наносы.и.русловые.процессы................................................................................ 231
9.10..Охрана.водных.ресурсов.и.почв......................................................................... 238

Глава 10. Введение в речную гидрометрию........................................................... 242
10.1..Общие.сведения.о.гидрометрии..Гидрологические.посты........................ 242
10.2..Измерение.глубин.................................................................................................... 247
10.3..Измерение.скоростей.водотоков........................................................................ 253
10.4..Определение.расходов.воды................................................................................. 260
10.5..Измерение.расхода.наносов................................................................................. 265
10.6..Организация.и.техника.безопасности.гидрометрических.работ............ 266

Глава 11. Основы гидрологических расчетов........................................................ 269
11.1..Общие.сведения.о.гидрологических.расчетах............................................... 269
11.2..Формирование.максимальных.паводков.и.половодий.............................. 270
11.3..Определяющие.факторы.стока.паводков.и.половодий............................. 275
11.4..Вероятность.превышения.гидрологических.характеристик.................... 276
11.5..Определение.расчетного.расхода.по.данным..
многолетних.наблюдений....................................................................................... 278
11.6..Подбор.аналитических.кривых.распределения............................................ 283
11.7..Расчетный.расход.при.недостаточности.гидрологических.сведений.....287
11.8..Максимальные.расходы.при.отсутствии..
гидрологических.наблюдений............................................................................... 292
11.9..Минимальный.сток.................................................................................................. 301
11.10..Расчет.стока.с.учетом.аккумуляции............................................................... 303

Глава 12. Гидравлический расчет малых водопропускных сооружений.......307
12.1..Общие.сведения........................................................................................................ 307
12.2..Гидравлический.расчет.малых.водопропускных.сооружений................ 311
12.3..Укрепление.русла.верхнего.и.нижнего.бьефов............................................. 318

Глава 13. Движение грунтовых вод........................................................................... 327
13.1..Общие.сведения........................................................................................................ 327
13.2..Основной.закон.фильтрации............................................................................... 331
13.3..Равномерное.и.неравномерное.движение.грунтовых.вод......................... 333
13.4..Частные.примеры.фильтрации.грунтовых.вод............................................. 338

Оглавление
6

Глава 14. Основы гидравлического моделирования........................................... 347
14.1..Основные.понятия.и.определения..................................................................... 347
14.2..Условия.гидродинамического.подобия............................................................ 348
14.3..Критерии.динамического.подобия.................................................................... 349

Приложения......................................................................................................................... 353

Список.литературы............................................................................................................ 359

Предметный.указатель..................................................................................................... 362

Предисловие

«Гидравлика,. гидрология,. гидрометрия. водотоков». как. общетехнический. курс. базируется. на. ранее. изучаемых. дисциплинах:.
математике,. теоретической. механике,. сопротивлении. материалов.
и.физике..Отдельные.положения.курса.имеют.прикладной.характер,.что.вызывает.определенные.сложности.в.изложении.учебного.
материала..В.настоящее.время.многие.разделы.курса.выделились.
в. самостоятельные. науки,. поэтому. в. учебное. пособие. включены.
только.основные.их.положения.
Рассматриваемая.дисциплина.является.основополагающей.для.
таких. специальностей,. как. гидротехническое. и. мелиоративное.
строительство,. мостостроение,. водный. транспорт.. Ее. положения.
используются.в.ряде.других.строительных.специальностей..В.настоящее. время. трудно. назвать. сферу. инженерной. деятельности,.
где.в.той.или.иной.мере.не.использовались.бы.законы.основного.
ее.раздела.—.гидравлики..Сложность.изучения.гидравлики.связана.с.тем,.что.студентам.при.обучении,.да.и.в.последующей.инженерной.деятельности.приходится.иметь.дело.в.основном.с.твердыми.
телами,.сохраняющими.свою.форму..Этого.нельзя.сказать.о.жидкости,.которая.в.процессе.движения.изменяет.не.только.форму,.но.
и.внутреннюю.структуру.
Одна.из.основных.задач.пособия.—.изложить.законы.гидравлических.явлений,.разъяснить.физический.смысл.получаемых.формул.и.зависимостей..В.связи.с.дефицитом.времени.автор.стремился.
не.усложнять.математические.описания..Для.более.легкого.усвоения.учебного.материала.изложение.сопровождается.соответствующими.рисунками.
Пособие.можно.условно.разделить.на.три.части..В.первой.части.излагаются.основные.законы.гидравлики,.которым.посвящены.
главы.1–3..В.главах.4–7.используются.ранее.полученные.уравнения.для.решения.типичных.гидравлических.задач..Эта.часть.пособия.может.быть.полезна.студентам.многих.строительных.специальностей.
Прежде.чем.излагать.учебный.материал.по.гидравлике.дорожных. сооружений,. во. второй. части. пособия. рассматриваются. необходимые. сведения. по. гидрологии. и. гидрометрии. водотоков.
(гл..9–11).
Третью.часть.пособия.представляют.главы.8.и.12;.они.имеют.
прикладное.значение.

Предисловие
8

Основы динамики грунтовых вод (гл. 13) носят самостоятельный характер, поэтому помещены в конце пособия. В заключение 
излагаются основы гидравлического моделирования (гл. 14). Проектирование сложных и ответственных сооружений вызывает необходимость их моделирования, так как гидравлические расчеты традиционными методами могут привести к значительным ошибкам.
Предлагаемое учебное пособие адресовано главным образом 
студентам специальности 1-70 03 01 «Автомобильные дороги». 
Вместе с тем оно может быть полезно специалистам, работающим 
в области проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог, а также студентам других строительных специальностей. Необходимость издания пособия продиктована дефицитом учебной литературы данного профиля и ростом количества 
студентов строительных специальностей. Автор считает необходимым поделиться более чем сорокалетним педагогическим опытом 
с теми, кто желает пополнить свои знания в области гидравлики, 
гидрологии, гидрометрии водотоков, и в первую очередь со студентами.
Значение курса гидравлики для специалистов по строительству транспортных объектов трудно переоценить. Уже на стадии 
проектирования отсутствие достаточных знаний по данному курсу 
может привести к нежелательным последствиям. Не менее важны 
умения применять законы гидравлики и в период строительства. 
Пренебрежение к основным положениям гидравлики приводит 
к дополнительным затратам при строительстве и ухудшает его качество. Срок эксплуатации сооружения при этом сокращается 
в десятки раз.
В пособии излагаются только основы рассматриваемых дисциплин, которые необходимы студентам строительного профиля, 
поэтому оно не может полностью заменить специальные руководства по проектированию тех или иных сооружений. Вместе с тем, 
в результате изучения учебного материала студент получает знания, которые позволят ему в дальнейшем самостоятельно разобраться во многих практических вопросах гидравлики, гидрологии, гидрометрии водотоков.
Обширные сведения по гидравлике дорожных сооружений требуют отдельного изложения в виде специального курса.
В настоящее время имеется ряд литературных источников 
[8, 28], посвященных гидравлическим расчетам. Поэтому в целях 

Предисловие
9

сокращения.объема.пособия.примеры.расчетов.в.нем.не.рассматриваются..Однако.в.нем.приводятся.таблицы.и.другие.материалы.
справочного.характера,.с.помощью.которых.можно.решать.задачи.
для.более.глубокого.усвоения.теоретического.материала.
Библиография,. приведенная. в. конце. пособия,. содержит. наименования.только.хорошо.известных,.общедоступных.учебных.пособий.и.технической.литературы.по.тематике.учебного.пособия.
Автор. выражает. искреннюю. благодарность. рецензентам:. доктору. технических. наук. профессору. Белорусского. национального.
технического. университета. И.И.. Леоновичу,. заведующему. кафедрой.«Экология.и.рациональное.использование.водных.ресурсов».
Белорусского.государственного.университета.транспорта.(г..Гомель).
кандидату.технических.наук.доценту.Р.Н..Востровой.за.ценные.замечания.и.предложения.

Принятые обозначения

 
А. —.площадь.водосбора.(бассейн.реки),.км2

 
Аi. —.площадь.водосбора.озер,.км2

 
Аб. —.относительная.заболоченность.водосбора,.%
 
Ал. —.относительная.залесенность.водосбора,.%
 
Аоз. —.средневзвешенная.озерность.водосбора.в.долях.единицы
 А1кр. —.первая.критическая.площадь,.км2

 
′
Aоз. —.относительная.озерность.водосбора,.%
 
а. —.ускорение,.м/с2;.степень.наполнения.трубы
 
В. —.ширина.канала,.реки,.озера,.водохранилища,.бассейна,.м.(км)
 
b. —.ширина.канала.по.дну,.м
 
С. —.коэффициент.Шези,.м0,5/с
 
Сs. —.коэффициент.асимметрии
 
Сv. —.коэффициент.вариации
 
с. —.скорость.распространения.ударной.волны,.м/с
 
d. —.диаметр.трубопровода,.частиц.грунта,.мм
 
dк. —.глубина.водобойного.колодца,.м
 
Е. —.модуль.упругости,.Па;.полная.удельная.энергия.потока,.м
 
Еж. —.модуль.упругости.жидкости,.Па
 
F. —.сила,.Н
.Fr.(Пк).—.параметр.кинетичности.потока,.число.Фруда
 
fд. —.критерий.подвижности.дна
 
G. —.вес,.Н;.расход.наносов.водотока,.кг/с
 
Gд. —.расход.донных.наносов,.кг/м.⋅ с
 
Gн. —.расход.взвешенных.наносов,.кг/с
 Н1.%. —.максимальный.слой.осадков.ВП.=.1.%,.мм
.
∆Н. —.погрешность.измерения.уровня,.см
 
h. —.слой.стока,.осадков,.испарения,.мм;.глубина.воды.в.канале,.
расстояние.между.изобатами,.уровнями,.м
 
hв. —.интенсивность.водоотдачи,.мм/мин
 
hл. —.толщина.льда,.см
 
hм. —.метацентрическая.высота,.м
 
hп. —.предельная.интенсивность.дождя,.мм/мин
 
i. —.гидравлический.уклон
 
iв. —.продольный.уклон.водотока
 
iд. —.уклон.дна.канала
 
iп. —.пьезометрический.уклон;.поперечный.уклон.водотока
 
iс. —.уклон.склона.лога