2. Движение паводочной волны
Установившейся режим движения воды в реках нарушается при резком увеличении притока воды, например, в период половодья, паводков и попусков из водохранилищ. В этих случаях происходит формирование паводочной волны с продвижением ее вниз по течению.
Представим график изменения уровня воды в реке от створа к створу на продольном профиле (рис. 14).
Рис. 14. Схема перемещения волны паводка по течению реки.
(1- дно, 2 – поверхность воды до паводка, 3 – волны паводка.)
В момент Т1 паводочная волна, например, займет положение 1. Волна будет распластываться. Уменьшаться ее высота, увеличивается ее длина. Причина – разность уклонов, а следовательно и скоростей в лобовой и тыловой частях волны.
Другой особенностью движения паводочной волны является то, что скорость ее продвижения примерно в 1.5 раза больше средней скорости потока, т.е.
Vп = S/( t2 – t1) = 1.5 Vc
На кривых связи Q – f(H) явление паводочной волны прослеживается в виде петель, т.н. паводочных петель.
3. Распределение скоростей воды по живому сечению реки
В реках имеет место развитое турбулентное движение воды, в связи с чем наблюдается пульсация скоростей.
Скорость в точке потока (актуальную) можно представить в виде суммы осредненной скорости и пулььсационной добавки, т.е. :
V= Vc + Vx,
где V –актуальная скорость, Vс – осредненная скорость, Vx – пульсационная добавка.
В инженерных расчетах оперируют осредненной скоростью воды. Пульсационная добавка играет роль в рассеивании примесей и транспортировки наносов.
Известно, что коэффициент турбулентной диффузии от слоя к слою воды на 3…4 порядка больше, чем молекулярной диффузии.
Осредненная скорость потока и её распределение по вертикали. Эпюры скоростей для свободной поверхности, ледостава, при заросшем русле (рис. 15). Максимальные и минимальные значения. Пограничный слой.
В результате измерений скоростей течения вычерчивается план участка реки, на котором видно распределение скоростей по живому сечению потока (рис.16). Проводятся изотахи, т.е. линии равных глубин. Максимальная скорость наблюдается там, где отмечено минимальное тормозящее воздействие воды о берега и дно.
Рис. 15. Эпюры скорости течения воды (1 – свободное русло,
2– ледостав, 3 – донная растительность)
Рис. 16. Распределение скоростей течения по поперечному
профилю реки ( а – при свободном русле, б – при ледоставе)
4. Циркуляция воды в руслах рек
В руслах рек существует три вида течения: верховое, сходящееся, клинообразное и низовое, расходящееся.
Классическая форма циркуляции на прямых участках имеет вид (рис.17).
Причиной этого явления является то, что более быстрое фарваторное течение «втягивает» воду от берегов, создавая зону повышенного уровня воды на середине реки. Исходя из уравнения неразрывности потока, на фарваторе вода перемещается в глубину, а потом к берегам. В результате формируется т.н. винтообразное течение с двумя зонами циркуляции.
На закруглениях реки форваторное течение прижимается к вогнутому берегу и две формы циркуляции течения вырождаются в одну (рис. 18).
Природа циркуляционных течений объясняется действием центробежной силы, силы тяжести, а также силы Кариолиса.
Эпюры скоростей и центробежной силы будут аналогичны, различие будет в величинах, т.к. центробежной сила зависит от квадрата скоростей. Силы избыточного давления, возникающие за счет поперечного уклона, распределяются одинаково по глубине. В итоге результирующая сила в верхних слоях будет направлена к вогнутому берегу, а в нижних слоях – к выпуклому берегу. Это вызывает поперечную циркуляцию воды в русле.
Оценим, насколько поднимется уровень воды у вогнутого берега, если R =100 м, В – 50 м и V - 3 м/c.
Что касается силы Кариолиса, т.е. отклоняющей силы вращения Земли, то она равна: Pk = 2*V * ω * siп Ω (где ω – угловая скорость вращения Земли., Ω - широта места).
При течении с юга на север (вогнутый правый берег) центробежная сила суммируется с силой Кариолиса, с севера на юг (вогнутый левый берег) – вычитаться из центробежной силы (рис. 18).
Рис. 18