![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •Динамика русловых потоков
- •Часть I
- •Предисловие
- •Введение
- •Тема 1. Одномерный русловой поток и гидравлическое сопротивление
- •1.1. Уравнение одномерного квазиравномерного движения руслового потока, понятие о касательном напряжении и гидравлическом сопротивлении
- •1.2. Оценка влияния гидравлического сопротивления на русловой поток
- •1.3. Виды гидравлического сопротивления и понятие о законе гидравлического сопротивления
- •1.4 Сопротивление зернистой шероховатости. Коэффициент шероховатости
- •1.5 Влияние на гидравлическое сопротивление характера гидродинамического режима. Графики Никурадзе и Зегжды.
- •1.6. Сопротивление донных гряд
- •1.7 Сопротивление формы русла
- •1.8 Сопротивление поймы
- •1.9 Сопротивление ледяного покрова
- •1.10 Сопротивление растительности
- •1.11 Сопротивление, обусловленное неустановившимся характером движения потока
- •1.12 Дополнительные сопротивления, связанные с местными неровностями дна и расширением русла
- •Тема 2. Распределение скоростей течения по глубине потока
- •2.1 Эмпирические формулы, описывающие распределение скоростей течения по глубине потока
- •2.2 Теоретическое обоснование закона распределения скоростей течения по глубине
- •2.3 Новая интерпретация логарифмического закона распределения скоростей течения по глубине и его основные следствия
- •2.4 Влияние неравномерного и неустановившегося движения воды на распределение скоростей течения по глубине
- •Тема 3. Распределение скоростей течения в поперечном сечении прямолинейного потока
- •3.1 Распределение скоростей течения в потоке с прямоугольным сечением
- •3.2 Распределение скоростей течения в естественном русловом потоке с прямолинейными очертаниями
- •Тема 4. Изгиб потока
- •4.1 Движение воды на изгибе русла
- •4.2 Лабораторные исследования кинематики потока на изгибе русла
- •4.3 Исследования кинематики потока на изгибе естественного русла
- •Тема 5. Деление потока
- •5.1 Сущность деления потока
- •5.2 Экспериментальные исследования отвода потока и некоторые эмпирические зависимости
- •5.3 Движение потока в узлах разветвления естественных водотоков
- •5.4 Распределение расходов воды между рукавами
- •Тема 6. Планы безотрывных течений
- •6.1. Основные определения
- •6.2. Построение плана течений при наличии данных изменений скоростей течения
- •6.3. Методы теоретического построения плана безотрывных течений
- •Заключение
- •Литература
Введение
Развитие науки о закономерностях движения русловых потоков, как и многих других наук, стимулировалось стремлением людей познать тайны природы и практическими потребностями, связанными с улучшением судоходных условий на реках, сооружением оросительных каналов, водоснабжением городов, строительством гидроэлектростанций и др.
Первые сведения о законах движения воды в руслах были получены еще Леонардо да Винчи (1452-1519). Он имел в целом правильное представление о распределении скоростей течения по глубине речного потока, о влиянии уклона на скорости течения, о характере вихрей в местах резкого расширения потока.
Основы теоретической гидравлики были заложены в трудах членов Петербургской Академии наук швейцарцев Даниила Бернулли (1700-1782) и Леонарда Эйлера (1707-1738). Работы, связанные с проектированием канала для водоснабжения Парижа, привело Антуана Шези (1718-1798) к выводу знаменитой формулы, используемой и по сей день. Вклад в гидравлику рек и каналов внесли также французы Пьер Луи Жорж дю Бюа (1738-1809), Пьер Симон Жирар (1765-1836), Анри Филибер Гаспар Дарси (1803-1858) и Анри Эмиль Базен (1829-1917), швейцарцы Эмиль Оскар Гангилье (1818-1894) и Вильгельм Рудольф Куттер (1818-1888), ирландец Роберт Маннинг (1816-1897) и многие другие.
В России исследования динамики русловых потоков были в начале связаны с удовлетворением потребностей речного транспорта. В эту проблему большой вклад внесли В. М. Лохтин (1849-1919) и Н. С. Лелявский (1853-1905). Широкую известность получили работы В. М.Лохтина "О механизме речного русла" (1897) и Н. С. Лелявского "О речных течениях и формировании речного русла" (1893).
Динамика русловых потоков как наука и учебная дисциплина возникла в нашей стране в послевоенные годы. Основоположником и науки и учебной дисциплины был М. А. Великанов (1879-1964), которому принадлежит и название науки и первая книга "Динамика русловых потоков" (1946). Позже М. А. Великановым были опубликованы новые расширенные варианты этой книги (1949, 1954 – первый том и 1955 – второй том).
Большой вклад в развитие теории динамики русловых потоков внесли также российские ученые В. М. Маккавеев, А. В. Караушев, И. И. Леви, В. Н. Гончаров, К. В. Гришанин, Н. Б. Барышников и др. Как следует из данных табл. 1, эти ученые по-разному понимали содержание дисциплины "Динамика русловых потоков". Большинство из них в круг проблем, входящих в "Динамику русловых потоков", включали, во-первых, турбулентность и скоростную структуру потока, во-вторых, движение наносов, в-третьих, русловые процессы. Лишь в учебнике Н. Б. Барышникова и И. В. Попова (1988) динамика русловых потоков и русловые процессы рассматриваются раздельно.
В ряде книг большое внимание уделено прикладным аспектам динамики русловых потоков и теории русловых процессов. Так, в работах И. И. Леви и В. Н. Гончарова много места отдано описанию процессов заиления и занесения верхних бьефов и размыву русла в нижних бьефах гидроузлов, что несомненно было связано с бурным развитием гидростроительства на реках СССР в 50-60-е годы прошлого столетия.
В настоящее время наиболее современными и обстоятельными признаны книги К. В. Гришанина "Динамика русловых потоков" (1979) и "Основы динамики русловых потоков" (1990), а также учебник Н. Б. Барышникова и И. В. Попова "Динамика русловых потоков и русловые процессы" (1988).
В последние 30-40 лет заметных успехов в теории движения воды в руслах рек и каналов достигла американская наука. Правда, термин "Динамика русловых потоков" за рубежом не применяется. Эту отрасль науки называют на западе либо "Речной гидравликой" (см., например, книгу "Введение в речную гидравлику", перев. с англ., 1961, С. Лелявского – потомка российского ученого Н. С. Лелявского), либо "Речной механикой" (см., например, двухтомное издание "River Mechanics", под ред. А. У. Шена, Колорадский университет, 1971).
Таблица 1
Сводка научных проблем, включенных разными авторами
в дисциплину "Динамика русловых потоков"
Научная проблема |
М.А.Великанов (1946, 1949, 1954-1955) |
И.И.Леви (1948, 1957) |
В.Н.Гончаров (1954, 1960) |
А.В.Караушев (1960) |
К.В.Гришанин (1969, 1979, 1990) |
Н.Б.Барышни-ков, И.В.Попов (1988) |
Настоящий курс |
Турбулентность |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
|
Гидравлические сопротивления |
|
+ |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
Распределение скоростей течения в потоке |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
План течений без водоворотных зон |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
|
+ |
План течений с водоворотными зонами |
|
+ |
|
|
+ |
|
+ |
Движение воды на изгибе русла |
+ |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
Деление потока |
|
|
|
|
+ |
+ |
+ |
Влияние на поток: |
|
|
|
|
|
|
|
– ледяного покрова |
|
|
+ |
+ |
|
+ |
+ |
– растительности |
|
|
+ |
|
|
|
+ |
– ветра |
|
|
|
+ |
|
|
|
– поймы |
|
|
|
|
+ |
+ |
+ |
Характеристики наносов |
|
|
+ |
|
|
+ |
|
Критические скорости течения |
|
+ |
+ |
|
+ |
+ |
|
Движение взвешенных наносов |
+ |
+ |
+ |
|
+ |
+ |
|
Движение влекомых наносов |
+ |
+ |
+ |
|
+ |
+ |
|
Русловые деформации |
|
+ |
+ |
|
+ |
|
|
Занесение и заиление верхних бьефов |
|
+ |
+ |
|
|
|
|
Размыв в нижних бьефах |
|
+ |
+ |
|
|
|
|
В содержание настоящего курса не включены проблемы русловой турбулентности, движения взвешенных и влекомых наносов, русловых процессов, рассматриваемых в рамках других дисциплин, изучаемых студентами на кафедре гидрологии суши географического факультета МГУ.
Специального учебного пособия по курсу "Динамика русловых потоков" для гидрологов географического факультета, к сожалению, нет. Его заменяет настоящий конспект лекций.
*
* *
Динамика русловых потоков как раздел науки и учебная дисциплина возникла на стыке трех крупных отраслей науки: гидромеханики с гидравликой, гидрологии и флювиальной геоморфологии и сохраняет связи с этими науками в настоящее время.
Динамика русловых потоков широко использует теоретические положения гидромеханики и ее прикладного раздела – гидравлики. От классической гидравлики динамика русловых потоков отличается тем, что в основном имеет дело с естественными руслами и поэтому обычно рассматривает не одномерные, а двумерные и трехмерные течения. С гидрологией динамику русловых процессов связывает учет особенностей гидрологического режима рек, с флювиальной геоморфологией – учет особенностей строения речных русел и распределения в них донных отложений.
Таким образом, динамика русловых потоков – наука одновременно и географическая и физическая. Ее развитие было невозможно без использования физико-математических и географических подходов.
Динамика русловых потоков – наука молодая (ей не более полувека) и поэтому еще не вполне оформившаяся. В настоящее время мы являемся свидетелями ее становления.
*
* *
Для лучшего понимания последующих тем, ниже приведены основные понятия и обозначения, используемые в Динамике русловых потоков, как учебной дисциплине. Схема русла и руслового потока приведена на рис. 1, а в табл. 2 сведены основные характеристики потока и русла с принятыми в курсе обозначениями и размерностями.
Рис. 1. Схема русла и руслового потока:
а – продольный, б – поперечный разрезы, в – распределение скоростей течения по глубине.
Таблица 2
Основные характеристики потока и русла
Характеристики |
Обозначение |
Размерность |
Морфометрические характеристики русла |
||
Площадь поперечного сечения |
|
м2 |
Ширина |
B |
м |
Глубина (в любом месте) |
h |
м |
Средняя глубина |
H=/В |
м |
Максимальная глубина |
hм |
м |
Смоченный периметр |
p |
м |
Гидравлический радиус |
R=/р |
м |
Радиус изгиба |
r |
м |
Гидравлические характеристики потока |
||
Расход воды |
Q |
м3/с |
Скорость течения: – средняя |
V |
м/с |
– местная |
u |
м/с |
– максимальная |
uм |
м/с |
– на поверхности |
uпов |
м/с |
– у дна |
uд |
м/с |
– осредненная по глубине вертикали |
uср |
м/с |
Уклон водной поверхности |
I=sin |
– |
Коэффициент Шези |
C |
м1/2/с |
Коэффициент шероховатости по Маннингу |
n |
с/м1/3 |
Коэффициент гидравлического сопротивления |
=2g/C2 |
- |
Гидрофизические характеристики |
||
Температура воды |
T |
oC |
Плотность воды |
|
кг/м3 |
Кинематический коэффициент вязкости |
|
м2/с |
Динамический коэффициент вязкости |
= |
кг/(мс) |
Критерии подобия |
||
Число Фруда |
Fr=V2/gH |
- |
Число Рейнольдса |
Re=VH/ |
- |