Тема 1.3. Кінематика і динаміка річкового потоку
Cередня швидкість течії
Об'ємними витратами (витратами) Q називають об'єм води, який протікає через переріз потоку за одиницю часу. Вимірюють витрати в м3/с.
За законом збереження маси витрати через будь-який живий переріз потоку - величина незмінна, тобто характеризує потік в цілому.
Середня швидкість течії у живому перерізі визначається формулою
Ламінарний та турбулентний рух
Як відомо, вода в річках рухається під дією сили ваги. Швидкість течії залежить від співвідношення між складовою сили ваги, паралельної лінії поздовжнього похилу, і силою опору, яка виникає в потоці в результаті тертя води, що рухається, об дно. Величина поздовжньої складової сили ваги залежить від похилу русла ( похил - це не що інше, як та частина сили ваги, що діє вздовж течії), сила опору - від швидкості потоку і ступеня шорсткості русла. Зростання швидкості під дією сили ваги призводить до того, що сила тертя згодом досягає величини достатньої, щоб її компенсувати, і рух води стає рівномірним, тобто швидкості всіх часток води залишаються не змінними.
У природі існує дві категорії руху рідини, в тому числі й води - ламінарний і турбулентний. Ламінарний рух - паралельнострумний, кожна частка води переміщується по траєкторії, яка паралельна дну. Опір руху пропорційний швидкості в першому ступені, перемішування в потоці відбувається завдяки молекулярній дифузії. Ламінарний режим характерний для підземних потоків, які протікають у дрібнозернистих ґрунтах.
У природних потоках спостерігається майже виключно турбулентний (вихровий) рух. Для турбулентного режиму характерні пульсації швидкості у нижній точці потоку навколо стійкого середнього значення, яке й використовують у гідрології. В практично важливих випадках турбулентний рух не залежить від в’язкості, тому опір руху в турбулентних потоках пропорційний квадрату середньої швидкості.
За сучасними уявленнями турбулентний потік вміщає різномасштабні вихрові згустки (турбулентні молі), які мають ознаки індивідуальності і беруть участь у процесах перенесення та перемішування.
Експериментально встановлено, що перехід від ламінарного режиму до турбулентного і навпаки відбувається при певних співвідношеннях між середньою швидкістю і середньою глибиною (гідравлічним радіусом). Це співвідношення виражається через безрозмірне число Рейнольдса
3. Розподіл швидкостей по живому перерізу
Швидкості течії в ріках неоднакові в різних точках потоку: вони змінюються і поглибині і по ширині живого перерізу. По глибині найменші швидкості спостерігаються навколо дна, бо на твердій поверхні, як відомо з експериментів, вони повинні дорівнювати нулю. Від дна до поверхні швидкості збільшуються спочатку досить швидко. Це відбувається у так званому в'язкому шарі, де крім шорсткості русла на рух впливає в'язкість. Тут виникають і розвиваються турбулентні молі. Спливаючи, турбулентні молі попадають у турбулентне ядро потоку, яке знаходиться над в'язким шаром і займає основну частину перерізу. В турбулентному ядрі швидкості майже не змінюються і в'язкість стає несуттєвою. Крива розподілу швидкості течії по вертикалі називається епюрою швидкостей.
На поверхні води швидкість найбільша в середній частині потоку і найменша біля берегів. Якщо з'єднати плавною лінією точки на поверхні річки з найбільшою швидкістю, то така лінія називається стрижнем.
Картину розподілу швидкостей по живому перерізу дають ізотахи - лінії однакових швидкостей течії. Якщо по довжині потоку з'єднати всі точки окремих живих перерізів із максимальними швидкостями плавною лінією, одержимо динамічну вісь потоку.
На розподіл швидкостей дуже впливає рельєф дна, водяна рослинність, льодовий покрив, швидкість і напрямок вітру (рис. 7). Перепони і рослинність на дні підвищують шорсткість русла і зменшують швидкість в придонному шарі.
Рис.7.
Вертикальний розподіл швидкостей в
річковому потоці: а - типове; б - під
льодяним покривом; в - під шаром шуги;
г - при вітрі; д, е - під впливом рослинності
і нерівностей дна