通过前面两种方法,我们可以计算出水流的速度,这只是第一步,要想计算出水的流量,还需要知道水流横截面的面积。那么,怎么计算这个横截面的面积呢?这就需要知道横截面的形状。我们可以用以下方法计算。
方法一:划船标竿法
找一个可以测量出河面宽度的地方,在河的两岸,紧贴河面的岸边,分别钉两个小木桩作为标记,然后跟另一个人乘坐一条小船,从其中一个标记向另一个标记划船。需要注意的是,在划船的过程中,一定要尽量使小船始终沿着两个标记间的直线前进。如果你们两个划船技术都不是很好,可以找另一个人在对岸,时刻盯着小船,以便随时调整小船行进的方向。特别是在水流比较急的地方,即便是划船的高手,也是很难把握好方向的。
在划船的过程中,要数一下划桨的次数,当划到对岸的时候,记下划桨的总次数。根据这个数值,计算出小船行进10米的距离需要划几次浆。然后,再掉头划回去,只不过,这时候要带上一根长的竹竿,事先在竹竿上标记上刻度,按照刚才计算出来的划桨次数,在每划这么多次浆的地方,把竹竿插到水中,记下每一次的刻度,也就是水的深度。
需要说明的是,对于比较小的河流,这个方法还是很方便的,但是如果河流的河面比较宽,而且水比较深,就必须用其他的测量方法,或者请专家来帮忙解决了。
方法二:拉绳标竿法
如果要测量的是一条狭小的河,水也不深,那么就可以采用下面的方法,根本不需要划船。
在前面标记的两个小木桩之间,拉一条绳子,要求这条绳子跟水流的方向垂直。拉绳子之前,事先在绳子上面做一些标记,每个标记间的距离是1米或者2米,然后在每个标记处插一根竹竿到河底,测量出每个标记点上的水深。
根据测得的水深数据,在方格纸上把河流的横截面画出来,如图所示。这样,我们得到了河流的横截面图,就可以很容易计算出它的面积。在中间的部分,我们可以把它看成是由很多个梯形组成的,而在两边的部分,可以看成是两个三角形,把它们的面积相加,就是河流的截面积。需要注意的是,如果图的比例尺是1∶100,图形上的数据单位是厘米,那么计算出来的数值就正好是用平方米表示的截面积。
图 河流截面图。
在前面的分析中,我们得到了水流的速度,现在,我们又得出了河流横截面的面积,接下来,我们就可以计算出河流的流量了。很明显,在河流的横截面上,每秒流过的水量就等于以河流的横截面作为底面、以水流的速度作为高度所形成的柱形几何体的体积。比如,如果水流的速度是0.4米/秒,而横截面的面积是3.5平
方米,可得:3.5×0.4=1.4(立方米)也就是说,每秒钟流过的水量就是1.4立方米,也就是1.4吨(1立方米质量的水正好是1吨)。那么,每小时的流量就是1.4×3600=5040立方米,也就是5040吨。
而每天的流量是:5040×24=120960立方米,也就是1209600吨。
也就是说,这条小河每天的流水量是12多万立方米。实际上,横截面只有3.5平方米的小河确实太小了。你可以把它想象成一条3.5米宽、1米深的小河。只需要几步,我们就可以跨过这条小河了。我想,你肯定没想到,就是这样一条小河,每天流过的水量竟然有这么多!而一些大河,比如,涅瓦河,它每秒钟的流水量可达3300立方米,它每天的流水量得有多少啊!当然了,我们这里说的是平均流水量。
但是,要建一座水力发电站,还有很多其他的工作要做,比如,要计算出河的两岸究竟可以容纳多高的水位,也就是建成后的拦河坝可以形成的落差是多少,如图所示。那么,怎么计算这一落差呢?首先,我们需要在河两岸距离岸边5米~10米处各做一个标记,使这两个标记间的连线垂直于水流的方向。其次,沿着这条连线的延长线,向远离河流的方向行进,如果岸边坡度变化比较大,就做一个标记,如图所示。用特定的工具测量出这两个标记之间的垂直落差,也就是高度差,以及两个标记之间的距离。再次,把这些结果标在方格纸上,就得到了河岸横截面的图形。
图 小型水电站。
图 岸边地形的测量。
根据画出来的横截面图形,工程师就可以知道河岸可以容纳的水位是多高。比如,拦河坝可以允许水位抬高2.5米,那么我们就可以根据这一数值计算出可能产生的电能有多少。
专家已经做了很多这方面的工作,根据他们的经验和计算,建成的水电站可能产生的电能就等于:每秒钟的水流量×水位的高度×6。在前面的例子中,就是:
1.4×2.5×6=21(千瓦)
这里的系数6跟发电机的能量损耗有关,不同的发电机系数会有所不同。另外,河流水面的高度和水流量会随着季节的变化而变化,所以在进行相关计算时,要考虑这一因素的影响,尽量选择一年中大部分时间里测得的数据。