5. Динамическая структура водного потока

И РУСЛОВОЙ ПРОЦЕСС

Развитие руслового процесса определяется взаимодействием двух сред: жидкой (русловой поток) и твердой (грунты ложа реки и переносимые потоком наносы).

Динамическая структура водного потока, применительно к оценке русловых про­цессов, характеризуется следующими основными видами течений:

1) продольное (общее) течение, обусловливающее продольное перемещение масс жидкости;

2) поперечные (циркуляционные) течения, обусловливающее поперечное переме­щение масс жидкости;

3) турбулентное перемешивание ― беспорядочный обмен масс жидкости в толще потока.

Ниже рассмотрим эти основные виды течений и особенности их влияния на русло­вой процесс.

5.1. Продольное течение в русле реки и силы, действующие в потоке

Вода в потоке движется под действием силы тяжести. Скорость течения воды зави­сит от соотношения составляющей силы тяжести, параллельной линии продольного ук­лона, и силы сопротивления, возникающей в результате внутреннего трения между части­цами жидкости и трения, оказываемого движущейся массе воды берегами и дном русла.

Рассмотрим силы, действующие в потоке примени­тельно к русловому процессу (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Схема действующих в потоке физических сил (по А.В. Караушеву, 1969)

Выделим в потоке двумя сечениями 1 и 2, перпендикулярными поверхности и дну некоторый объем воды. Вода в потоке движется под действием силы тяжести F. Эту силу можно разложить на две составляющие: параллельную дну F_x и нормальную (перпенди­кулярную) ко дну F_y.

Сила F_x, зависящая от уклона, вызывает движение воды в потоке. Сила гидродина­мического сопротивления (трения) F_y возникает в результате трения массы воды о дно и берега и зависит от шероховатости смоченного периметра. Силы гидродинамического давления Р₁ и Р₂ при равенстве сечений и постоянном уклоне уравновешиваются.

Изменение уклона, шероховатости, а также сужения и расширения русла, приводят к изменению скорости течения в живом сечении и по длине потока. Для вычисления сред­ней скорости течения при отсутствии непосредственных измерений широко применяется формула Антуана Шези (1718−1798), которую он вывел в результате теоретических и экс­периментальных исследований:

(5.1)

где v_ср — средняя скорость течения, м/с;

R — гидравлический радиус, м;

h_ср — средняя глубина потока м;

i — относительный продольный уклон;

C — коэффициент Шези, м^0,5/с².

Коэффициент Шези, по сути, учитывает потерю энергии потока на преодоление сил трения, зависящих от шероховатости и размеров русла в поперечнике.

Физические силы, участвующие в продольном движении водного потока и опреде­ляющие его гидравлические параметры, оказывают весьма существенное влияние на ру­словые процессы.

5.2. Поперечные (циркуляционные) течения. Теория н.С. Лелявского

Движение воды происходит не только вдоль берегов под влиянием силы тяжести. Внутри потока наблюдаются также поперечные течения в различных направлениях от оси общего движения. Первое объяснение этих явлений принадлежит Н.С. Лелявскому (1897).

Согласно теории Лелявского, быстрое фарватерное течение втягивает в себя воду со стороны берегов (рис. 5.2а). В результате этого в зоне фарватера (зоне наибольших глубин) создается некоторое повышение уровня воды, вызывающее возникновение цир­куляционных течений. Они образуют два замкнутых контура, сходящихся у поверхности и расходящихся у дна (рис. 5.2б); при этом поверхностное течение, направленное к стрежню, Лелявский назвал сбойным. Вследствие поступательного движения эти цирку­ляци­онные токи вдоль по реке проявляются в форме винтообразных течений (рис. 5.2в).

Рис. 5.2. Поперечная циркуляция по Н.С. Лелявскому

На закруглении фарватер приближается к вогнутому берегу тем ближе, чем круче поворот вогнутого берега (рис. 5.3а). Происходит односторонний приток воды к фарва­теру, а два циркуляционных кольца преобразуются в одностороннюю циркуляцию. При этом в области а скорости будут наибольшими, в области b ― ослабленными, а в области с ― наименьшими (рис. 5.3б).

Рис. 5.3. Направление струй у вогнутого берега:

а ― в плане, б ― у вогнутого берега

Такое распределение скоростей течения способствует размыву вогнутых берегов и накоплению наносов у выпуклых, что вносит свой вклад в развитие русловых процессов.

Наи­более полно природа циркуляционных токов была раскрыта в связи с совре­менными представлениями о воздействии на речной поток центробежной силы (Р₁) и отклоняющей силы вращения Земли (Р₂).

Рассмотрим схему поперечной циркуляции на изгибе речного потока (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Схема поперечной циркуляции на изгибе речного потока

в плане (а) и по­перечном разрезе (б):

1 — поверхностные струи; 2—придонные струи

Центробежная сила Р₁ приводит к отклонению течения в поверхностных слоях в сторону вогнутого берега, что создает поперечный перекос уровня воды. В результате у вогнутого берега в придонных слоях возникает течение, направленное в сторону выпуклого берега. Скла­дываясь с основным продольным переносом воды в реке, разно­направленные течения на поверхности и у дна создают спирале­видное движение воды на изгибе речного русла — поперечную цир­куляцию. Частица воды, движущаяся на закруглении, испытывает действие центробежной силы Р₁:

P₁ = mv²/r. (5.2)

Решая уравнение (5.2) относительно поперечного уклона (I_поп), получим:

(5.3)

где v — скорость течения, м/с;

r — радиус изгиба русла, м

g — ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с².

Другой силой, воздействующей на речной поток, является отклоняющая сила вращения Земли, или сила Кориолиса Р₂.

Эта сила проявляется в том, что все тела, движущиеся относительно земной по­верхности, в северном полушарии получают ускорение, направленное вправо, а в южном — влево от направления их движения:

P₂ = 2vωsin, (5.4)

где v — скорость движения тела;

ω — угловая скорость вращения Земли;

 — географическая широта места.

Вследствие незначительного значения ω, сила P₂ очень небольшая по сравнению с силой P₁ (не бо­лее 5 %).

Рассмотренные силы P₁ и P₂ дополняют теорию поперечной циркуляции Н.С. Ле­лявского, однако их влияние на поперечный уклон несущественно. Так, на р. Днепр у г. Речица в период весеннего половодья в результате суммарного действия этих сил раз­ность уровней воды между берегами не превышает 2 см. Поэтому их влияние на русловые процессы и в практических рас­четах не учитывается.

Однако, действуя непрерывно в одном направлении на протяжении тысячелетий и проявляясь более заметно на больших реках при половодьях и паводках, они способст­вует более сильному подмыву восточных берегов и перемещению русел рек на восток.