1.3. Виды гидравлического сопротивления и понятие о законе гидравлического сопротивления

Рассматривая влияние коэффициента гидравлического сопротивления  на русловой поток, мы пока оставляли в тени вопрос о том, от чего зависит сам этот коэффициент.

Видов (или факторов) гидравлического сопротивления довольно много. Их обычно подразделяют на следующие группы:

1) Сопротивление зернистой шероховатости (или просто зернистая шероховатость). В данном случае сопротивление потоку оказывают частицы донных отложений. Это сопротивление может быть охарактеризовано через крупность частиц d, их отношение к глубине русла d/H (так называемая относительная зернистая шероховатость), высоту выступов шероховатости , отношение /H. Используют и обратные отношения: H/d и H/.

2) Сопротивление донных гряд (грядовая шероховатость). Она определяется размерами сложенных мелкозернистыми наносами гряд или волн – их высотой h_гр и длиной l_гр, а также отношениями h_гр/Н, l_гр/Н, h_гр/l_гр или Н/h_гр, Н/l_гр, l_гр/h_гр и др.

3) Сопротивление формы русла. Сюда относятся:

а) влияние формы поперечного сечения русла, описываемое отношениями В/Н (относительная ширина русла) или Н/В (относительная глубина русла);

б) влияние изгибов русла, которое можно охарактеризовать через отношения r/H или r/В, где r – радиус изгиба русла;

в) влияние крупных форм руслового рельефа типа побочней, перекатов, осередков, отмелей, россыпей и т.д.

4) Сопротивление, связанное с взаимодействием руслового и пойменного потоков (так называемое сопротивление поймы).

5) Сопротивление, обусловленное ледяным покровом (сопротивление ледяного покрова).

6) Сопротивление, обусловленное растительностью в русле (сопротивление растительности).

7) Сопротивление, обусловленное неустановившимся характером движения потока. Доказано, что ускорение и, особенно, замедление потока увеличивают гидравлическое сопротивление.

8) Дополнительные (местные) сопротивления. К числу дополнительных (местных) сопротивлений относят:

а) сопротивление отдельных массивных выступов (например, крупных валунов и скальных гряд), которое может быть оценено с помощью соотношений /Н или Н/, где  – величина выступа;

б) сопротивление, обусловленное местным резким расширением русла или узлом разветвления русла на рукава;

в) сопротивление устоев мостов и других гидротехнических сооружений.

Кроме того, гидравлическое сопротивление зависит и от некоторых гидрофизических (плотности , вязкости ) и гидравлических (V) характеристик. Установлено, что гидравлическое сопротивление зависит от числа Рейнольдса (Re=VH/) не только у ламинарных, но и у турбулентных потоков.

Таким образом, коэффициент гидравлического сопротивления русел  может зависеть от комплекса характеристик потока и русла: Re, Fr, V, H, H/B, d/H, h_гр/H, r/H, , , характеристик ледяного покрова и донной растительности и т.д.

Реальный коэффициент гидравлического сопротивления складывается из суммы коэффициентов, обусловленных сопротивлением разного вида: =_i.

Поскольку , то суммирование гидравлических сопротивлений может быть представлено также формулой

,

где C_i – коэффициенты Шези, обусловленные сопротивлением разного вида.

Так как согласно формуле Шези уклон водной поверхности I обратно пропорционален C², то суммирование гидравлических сопротивлений равнозначно соотношению I=I_i, где I_i – гидравлический уклон, обусловленный влиянием сопротивления данного вида.

Например, если мы имеем дело с двумя источниками сопротивления (1 и 2), то получим

=₁+₂,

,

I=I₁+I₂.

Здесь , С и I без индекса – суммарные значения этих характеристик, учитывающие влияние сопротивлений обоих видов.

Задача теории гидравлического сопротивления в динамике русловых потоков сводится к определению коэффициентов  и C. Соотношения, связывающие эти коэффициенты с элементами потока и русла, получили название законов гидравлического сопротивления (К. В. Гришанин, 1992, стр.33).

Заметим, что такие соотношения исследованы еще недостаточно. Наилучшим образом оценено влияние зернистой шероховатости, т.е. влияние на  и с крупности частиц донных отложений. В последние десятилетия достигнут прогресс в оценке влияния донных гряд на гидравлическое сопротивление. Роль других источников сопротивления изучена значительно хуже.

Для того, чтобы оценить влияние на  и с факторов гидравлического сопротивления того или иного вида необходимо: во-первых, количественно выразить данный фактор сопротивления, во-вторых, определить  и C по данным наблюдений за гидравлическими характеристиками потока; в-третьих, найти эмпирическую связь между количественными параметрами фактора сопротивления данного вида и рассчитанными величинами  и C.

Величины  и C определяют по гидравлическим характеристикам потока по формулам, вытекающим из (1.2), (1.5), (1.6) и (1.7):

, (1.9)

. (1.10)