1.8 Сопротивление поймы

Воздействие поймы на суммарное гидравлическое сопротивление потоку проявляется двояким образом.

Во-первых, при затоплении поймы водами половодья или паводков, пойменный поток испытывает повышенное сопротивление, обусловленное большой неровностью рельефа поймы (гряды, старицы, промоины и т.д.), относительной мелководностью пойм, пойменной растительностью. Коэффициенты шероховатости поверхности поймы (особенно заросшей) обычно намного больше коэффициентов шероховатости русла. Поэтому суммарное гидравлическое сопротивление речному потоку после его выхода на пойму заметно больше, чем потоку в границах русла.

Во-вторых, при затоплении поймы между русловым и пойменным потоками формируется граница раздела с большими поперечными градиентами скоростей течения. Здесь возникают вихри и повышенная турбулентность, являющиеся причинами потерь энергии. Поэтому сопротивление русловому потоку возрастает сразу же после выхода воды на пойму.

Увеличение суммарного сопротивления потоку в руслах с поймами Н.Б.Барышников (1988) представил формулой

n=n_p+n_i, (1.51)

где n – полный коэффициент шероховатости всего потока (руслового и пойменного), n_p – коэффициент шероховатости в русловом потоке, n_i – добавочное значение коэффициента шероховатости, обусловленное шероховатостью самой поймы и взаимодействием руслового и пойменного потоков.

Барышников для руслового потока получил

, (1.52)

где n_р – коэффициент шероховатости в русловом потоке при заданном уровне воды, n_р.б – коэффициент шероховатости в русловом потоке для уровней, при которых начинается затопление поймы (при уровнях, соответствующих бровке прирусловых валов), n_р.п. – параметр, учитывающий влияние пойменного потока на сопротивление движению руслового потока.

Отношение n_р/n_р.б, по Барышникову, зависит от ряда факторов, среди которых – соотношение глубин в русле при заданном его наполнении и при начале затопления поймы (h_р/h_р.б), соотношение соответствующих уклонов водной поверхности (I_р/I_р.б), соотношение ширины поймы и русла (В_п/В_р), угол между направлением руслового и пойменного потоков () и др.

Более подробно о влиянии поймы на русловой поток будет сказано во II части курса.

1.9 Сопротивление ледяного покрова

Возникновение ледяного покрова в потоке скачкообразно увеличивает суммарное гидравлическое сопротивление. Нижняя поверхность льда становится источником дополнительного значительного сопротивления потоку.

При оценке влияния ледяного покрова на сопротивление потоку необходимо различать коэффициент шероховатости дна, не зависящий от ледяного покрова (n_д); коэффициент шероховатости нижней поверхности льда (n_л); суммарный (приведенный) коэффициент шероховатости (n_c). Приведенный коэффициент шероховатости – это такой коэффициент n, который, будучи подставленным в формулу Шези-Маннинга , позволяет оценить суммарное влияние n_д и n_л на скорости течения и рассчитать либо расход воды под ледяным покровом (при известном уклоне I), либо уклон (при известном расходе воды).

Для определения n_c используют формулы Н.Н.Павловского

(1.53)

или П.Н.Белоконя (1940)

. (1.54)

Позже разными исследователями последняя формула многократно уточнялась путем введения дополнительных коэффициентов.

Коэффициент шероховатости нижней поверхности ледяного покрова n_л в течение зимы не остается постоянным. Наблюдения на некоторых сибирских реках показали, что сразу после образования ледостава n_л равен 0,10–0,12. Затем он постепенно уменьшается до 0,04–0,08 через 20 дней, до 0,02–0,04 через 40 дней, до 0,01–0,03 через 80–100 дней от начала ледостава. Это объясняется следующим. В начальный период ледостава нижняя поверхность ледяного покрова очень шероховата, что связано с процессом смерзания льдин во время осеннего ледохода. В последующий период под влиянием текущей воды и нарастания льда нижняя поверхность ледяного покрова выравнивается.

Увеличение суммарного сопротивления потоку в зимний период вследствие образования ледяного покрова ведет к уменьшению скоростей течения и повышению уровней при неизменном расходе воды.

Вопросы влияния ледяного покрова на поток ведет рассмотрены также во II части курса.