3.7.3. Движение паводка

Паводки (паводочные вол­ны) при движении вдоль речного русла трансформируются. Это проявляется в их распластывании, т.е. в уменьшении высоты и возрастании продолжительности паводка, в изменении фор­мы паводочной волны (рис. 3.26). Паводки перемещаются подобно распространению волн на воде – гребень волны перемещается быстрее ее подошвы. Уклоны, и, следовательно, скорости течения, в лобовой части паводочной волны больше, чем в тыловой, что приводит к растягиванию (распластыванию) волны паводка. Этому способствует и выход воды на пойму, где, из-за большей шероховатости движение воды замедляется, и значительные массы воды заполняют емкость поймы. Скорость перемещения гребня паводочной волны при отсутствии поймы обычно больше средней скорости течения воды в 1,2–1,5 раза.

При перемещении в реках волн половодья или паводка изменение глубины или уровня воды (Н), расхода воды (Q), средней скорости те­чения (v), уклона водной поверхности (i) происходит несинхронно. Выполненный М.А. Великановым [7] математический анализ движения паводка показал, что в любом створе реки должна наблюдаться следующая последовательность наступле­ния максимальных значений перечисленных характеристик: снача­ла своего максимума достигает уклон, затем скорость течения, потом наступает максимальное значение расхода воды и лишь после всего максимальной величины достигает уровень воды (пик паводка). Как известно из курса гидрометрии, не одновременное наступление максимальных значений расхода и уровня воды во время паводка или половодья предопределяет неоднозначность «кривой расходов»; на графике Q=f(H) появляет­ся поводочная петля (см. рис. 3.27).

Рис 3.26. Схема трансформации паводочной волны (по М. А Великанову): а–графики изменения уровня воды в двух пунктах, расположенных последовательно вдоль русла (1 и 2), б–продольные профили паводочной волны и се длины в два последовательных момента времени.

3.7.4. Движение воды на изгибах русла

Рассмотрим движение массы воды (m) на повороте русла (рис. 3.28, а,б). Пусть v – продольная скорость течения, r– радиус закругления. На изгибе рус­ла на массу m действует центробежная сила F_c=mv²/r. Так как у поверхности скорость течения больше, чем у дна, центробежная сила у поверхности приводит к отклонению течения в поверхностных слоях в сторону вогнутого берега, что создает поперечный уклон водной поверхности.

Рисунок 3.27. Кривые связи расходов и уровней воды в реке: а – однозначная, б – с паводочной петлей. Точки измерения; 1–на подъеме, 2–на спаде паводка. Моменты максимума: 3 – расхода, 4– уровня воды.

В результате у вогнутого берега возникает избыток гидростатического давления, что вызывает течение в придонном слое, направленное в сторону выпуклого берега. Следовательно, поверхностные струи воды направлены в сторону вогнутого берега, а донные струи – в сторону выпуклого. Суммируясь с продольным переносом воды в реке, разно­направленные течения на поверхности и у дна создают винтовое движение воды на изгибе речного русла – поперечную цир­куляцию.

Рассмотрим баланс сил на изгибе речного русла. Поток будет находиться в равновесии лишь в том случае, если цент­робежная сила, действующая в плоскости вращения, параллельной водной поверхности (F_c=mv²/r), будет равна поперечной составляющей силы тяжести, обусловленной поперечным уклоном (F_g= mgi_п), где i_п– поперечный уклон, равный синусу угла наклона водной поверхности к горизонту; g– ускорение силы тяжести. Следовательно, (mv²/r)= mgi_п, откуда

. (3.36)

Эта формула означает, что поперечный уклон водной поверхности на изгибе потока тем больше, чем больше скорость течения и меньше радиус изгиба. Разница отметок урезов воды (z) между вогнутым и выпуклым берегами при ширине реки В составит

. (3.37)

Рис. 3.28. Схема поперечной циркуляции на изгибе речного потока в плане (а) и по­перечном разрезе (6): 1– поверхностные струи; 2– придонные струи