1.10 Сопротивление растительности

Растительность, развивающаяся на дне и вдоль берегов русла, оказывает на поток заметное тормозящее влияние. Поэтому коэффициенты сопротивления и шероховатости возрастают. Такое возрастание зависит от таких характеристик как высота и толщина стеблей растений, густота растительного покрова.

Эта связь может быть выражена, например, формулой В.Н.Гончарова (1962)

, (1.55)

где n_с – суммарный (или приведенный) коэффициент шероховатости (его смысл такой же как в предыдущем разделе), n_о – коэффициент шероховатости русла без растительности,  – расстояние между растениями, выраженное через долю средней глубины русла (Н);  – высота растений, также выраженная долей средней глубины русла (Н). По расчетам Гончарова величина n_с/n_о при разных  и  составляет:

	=0,25	=1,0
0,5	1,32	8,0
0,01	1,60	34,2

В такой же пропорции должна уменьшиться скорость течения. Глубина же русла при том же расходе воды должна заметно увеличиться. Расчеты показывают, что скорость течения в русле, заросшем растительностью, может уменьшиться во много раз.

О влиянии растительности на русловой поток будет также сказано во II части курса.

1.11 Сопротивление, обусловленное неустановившимся характером движения потока

При расчетах неустановившегося движения русловых потоков (волн половодья, паводков, попусков) обычно коэффициенты сопротивления или коэффициенты Шези принимают такими же, как при квазиравномерном движении воды. Однако, в действительности, сопротивление потоку при неустановившемся движении возрастает, поскольку при больших величинах локального ускорения dV/dt возникают дополнительная турбулентность в потоке, искривление струй и вихри, увеличивающие потери энергии. Считают, что сопротивление особенно сильно возрастает при замедлении потока (при dV/dt<0).

Рассматриваемый вопрос пока практически не изучен.

1.12 Дополнительные сопротивления, связанные с местными неровностями дна и расширением русла

Дополнительные сопротивления, обусловленные местными факторами – отдельными массивными выступами (например, валунами, выходами скальных пород и др.), резким расширением русла и гидротехническими сооружениями (устоями мостов, шпорами, причалами и т.д.), могут быть оценены двум путями.

Если местное препятствие (валун, порог и т.д.) имеет вид донного выступа, то возможен подход, аналогичный оценке влияния на гидравлическое сопротивление зернистой или грядовой шероховатости. В этих случаях возможно, например, применение формул вида

, (1.56)

где R – гидравлический радиус, d – размер выступа (диаметр валунов).

К.В.Гришанин (1992) для русел горных и полугорных рек с крупными валунами получил эмпирическую формулу

. (1.57)

Оказалось, что крупные валуны резко уменьшают коэффициент Шези и скорости течения в потоке с валунным дном.

Если же местное препятствие сужает русло, уменьшая его ширину, то возможен иной подход, хорошо разработанный в гидравлике.

Потери напора при резком расширении русла выражают известной формулой Борда

, (1.58)

где V₁ и V₂ – средние скорости течения выше и ниже створа резкого расширения. Величину V₁–V₂ называют потерянной скоростью. Формулу (1.58) иногда записывают в виде

, (1.59)

где ₁ и ₂ – соответствующие площади поперечного сечения потока, ′ – так называемый коэффициент сопротивления при резком расширении потока.

Эффект резкого расширения потока характерен не только для труб (для которых была первоначально выведена формула Борда), но и для всех резких расширений русел каналов и рек. К таким случаям можно отнести резкое расширение русла с образованием водоворотов ниже побочней перекатов, на перекатах типа россыпей, на некоторых крутых излучинах, при делении основного русла на рукава, при отделении бокового канала, ниже местных гидротехнических сооружений типа устоев мостов, причалов, выдвинутых в русло защитных шпор, полузапруд и т.д.

Во всех этих случаях причина дополнительных сопротивлений – образование водоворотных зон, повышенная турбулентность на границе транзитного потока и водоворота, усиление неравномерного распределения скоростей течения по ширине русла.

Поведение потока на участках резкого расширения с образованием водоворотных зон будет более подробно рассмотрено во II части курса.

Отличие сопротивления в сужающихся и расширяющихся потоках К.В.Гришанин (1992) объясняет следующим образом. При неравномерном движении воды и сужении потока конвективное ускорение положительно (dV/dx0). В этом случае неравномерность распределения скоростей течения по вертикали в пристенном слое несколько увеличивается, а в толще потока – на большей части вертикали – уменьшается. В результате профиль скоростей становится более выполненным, чем в равномерном потоке. Интенсивность турбулентных пульсаций снижается, и поток становится более упорядоченным. Когда же мы имеем дело с расширяющимся потоком, скорости течения вдоль потока уменьшаются и конвективное ускорение становится отрицательным (dV/dx0). В этом случае профиль скорости, напротив, "вытягивается" – делается менее выполненным, чем в равномерном потоке. Интенсивность пульсаций и вместе с ней беспорядочность турбулентного движения усиливаются.

Потери энергии при плавном расширении потока, по данным многочисленных экспериментальных исследований диффузоров с различными "углами раскрытия", возрастают с увеличением этого угла.