Тема 5. Деление потока

5.1 Сущность деления потока

Под деление потока понимают разделение (бифуркацию) русла и соответствующее распределение расходов воды и течений между ответвлениями водотока.

Русло и поток до места деления называют основным, отделяющийся водоток называют боковым (или отводом, если речь идет об искусственном боковом канале). Продолжение основного водотока ниже места деления иногда называют главным (в противовес боковому).

Явление деления потока широко распространено в природе. Например, основное русло делится на рукава в процессе формирования русловой или пойменной многорукавности на равнинных реках, на рукава и притоки в дельтах.

Как отмечает К.В.Гришанин "по степени распространения деление на рукава является второй после меандрирования особенностью естественных русел" (1979, стр.175).

Довольно часто деление потока встречается и при гидротехническом строительстве и водохозяйственном использовании водотоков: при строительстве водозаборов, каналов различного назначения (судоходных, оросительных, деривационных, сбросных и др.).

При делении потока происходит перестройка поля течений, разделение расхода воды и наносов основного потока, сопутствующие деформации дна русла.

Как отметил К. В. Гришанин (1979, стр.181-182) "к сожалению, картина движения на участке деления настолько сложна, что до настоящего времени не предложено ни одного теоретического решения этой задачи. Имеющиеся способы расчета или основаны на грубой схематизации явления, либо носят чисто эмпирический характер".

Наиболее важные результаты получены в данной области при проведении лабораторных экспериментов.

5.2 Экспериментальные исследования отвода потока и некоторые эмпирические зависимости

Лабораторные опыты по исследованию кинематики потока на участке деления русла (отвода потока) были проведены Г. Булле (1926), А. Я. Миловичем (1947), В. А. Шаумяном (1948) и др. Схема деления потока приведена на рис.12. На рисунке приняты также обозначения: В и В_отв – ширина основного русла и бокового отвода; Q и Q_отв – соответствующие расходы воды;  – угол отвода; Y_дно и Y_пов – ширина захвата в боковой отвод донных и поверхностных струй из основного потока; х_дно – расстояние створа, где начинается отклонение донных струй от верхового ребра отвода; А и Б – водовороты.

Лабораторные опыты различных исследователей показали следующее:

1. На участке отвода формируется специфическая структура течений:

• донные струи отклоняются в сторону отвода выше его по течению и с большей ширины русла, чем поверхностные (траектории донных течений по опытам Миловича приведены на рис.13);

• в месте отвода происходят одновременно и изгиб потока (с соответствующей циркуляцией, описанной в предыдущей теме), и сжатие потока при входе в отвод; при сжатии потока донные скорости возрастают сильнее поверхностных;

• ниже места отвода у выпуклого берега при больших углах отвода возникает водоворот (А на рис.12);

• иногда водоворот формируется и у противоположного берега напротив нижней части отвода (Б на рис.12).

2. Поверхность раздела между потоками, идущими в боковой отвод и в продолжение основного русла, на участке выше отвода вогнута в сторону отвода.

3. В районе отвода водная поверхность искривляется: понижение отметок уровня направлено в сторону отвода (величина перекоса достигает 3–4 V²/2g).

4. Происходит "захват" влекомых наносов боковым отводом. "Наносоотсасывающую" роль отводов отмечали многие исследователи, начиная с Г. Булле.

Рис.12 Схема деления потока при боковом отводе.

Рис.13 Траектории донных течений при боковом отводе по опытам А.Я.Миловича.

К числу эмпирических соотношений, описывающих явление деления потока, относится формула В.А.Шаумяна (1948), связывающая ширину "захвата" донных струй в прямолинейном канале Y_дно (рис.12) с шириной отвода В_отв и соотношением удельных расходов воды в отводе q_отв и основном русле до отвода q:

. (5.1)

Аналогичные формулы А.С.Образовского (1962) имеют вид:

• для потока в жестком русле

, (5.2)

• для потока в русле с подвижным дном

. (5.3)

Сходные результаты получены А.С.Офицеровым (1952). В этих формулах Q_отв и Q – расходы воды в отводе и основном русле выше отвода, В – ширина основного русла.

Анализ уравнений (5.1)–(5.3) показывает, во-первых, их сходство (все они могут быть приведены к виду Y_дно/В=f(Q_отв/Q)), а, во-вторых, ведущую роль в "захвате донных струй" соотношения расходов воды в отводе и основном русле. Для ширины "захвата" поверхностных струй Y_пов могут быть получены сходные эмпирические формулы вида Y_пов/В=(Q_отв/Q).

Как показали эксперименты отношение Y_дно/Y_пов может изменяться в широком пределе – от 2,0 до 5,0 и более.

Створ, где начинается отклонение в сторону отвода донных струй, расположен на расстоянии х_дно от верхового ребра отвода, которое не зависит от угла отвода и определяется шириной зоны "захвата" донных струй:

х_дно=0,55Y_дно. (5.4)