книги из ГПНТБ / Давыдов Л.К. Общая гидрология учебник

в общей массе воды. Этим же объясняется не только пульсация скоростей в потоке, но и пульсации мутности, температуры, кон­ центрации растворенных солей.

Турбулентный характер движения воды в реках обусловливает перемешивание водной массы. Интенсивность перемешивания уси­ ливается с увеличением скорости течения. Явление перемешивания имеет большое гидрологическое значение. Оно способствует вы­ равниванию по живому сечению потока температуры, концентрации взвешенных и растворенных частиц.

§ 116. Движение воды в реках

Вода в реках движется под действием силы тяжести F'. Эту силу можно разложить на две составляющие: параллельную дну F'

а) '

должна бы вызвать ускорение движения. Этого не происходит, так как она уравновешивается силой сопротивления, возникающей в по­ токе в результате внутреннего трения между частицами воды и тре­ ния движущейся массы воды о дно и берега. Изменение уклона, ше­ роховатости дна, сужения и расширения русла вызывают измене­ ние соотношения движущей силы и силы сопротивления, что приводит к изменению скоростей течения по длине реки и в живом сечении.

Выделяются следующие виды движения воды в потоках: 1) рав­ номерное, 2) неравномерное, 3) неустановившееся.

При н е р а в н о м е р н о м д в и ж е н и и уклон, скорости, жи­ вое сечение не изменяются в данном сечении во времени, но изме­ няются по длине потока. Этот вид движения наблюдается в реках в период межени при устойчивых расходах воды в них, а также в условиях подпора, образованного плотиной.

Н е у с т а н о в и в ш е е с я д в и ж е н и е — это такое, при кото­ ром все гидравлические элементы потока (уклоны, скорости, пло­ щадь живого сечения) на рассматриваемом участке изменяются и во времени и по длине. Неустановившееся движение характерно для рек во время прохождения паводков и половодий.

При равномерном движении уклон поверхности потока / равен уклону дна і и водная поверхность параллельна выровненной по­ верхности дна. Неравномерное движение может быть замедленным и ускоренным. При замедляющемся течении вниз по реке кривая свободной водной поверхности принимает форму кривой подпора. Поверхностный уклон становится меньше уклона дна (I c i ), и глу­ бина возрастает в направлении течения. При ускоряющемся течении кривая свободной поверхности потока называется кривой спада; глубина убывает вдоль потока, скорость и уклон возрастают (1 > і) (рис. 65).

§ 117. Скорости течения воды и распределение их по живому сечению

Скорости течения в реках неодинаковы в различных точках по­ тока; они изменяются и по глубине и по ширине живого сечения. На каждой отдельно взятой вертикали наименьшие скорости наблю­ даются у дна, что связано с влиянием шероховатости русла. От дна к поверхности нарастание скорости сначала происходит быстро, а затем замедляется, и максимум в открытых потоках достигается у поверхности или на расстоянии 0,2Я от поверхности. Кривые из­ менения скоростей по вертикали называются г о д о г р а ф а м и или э п ю р а м и с к о р о с т е й (рис. 66). На распределение скоро­ стей по вертикали большое влияние оказывают неровности в рель­ ефе дна, ледяной покров, ветер и водная растительность. При нали­ чии на дне неровностей (возвышения, валуны) скорости в потоке перед препятствием резко уменьшаются ко дну. Уменьшаются ско­ рости в придонном слое при развитии водной растительности, зна­ чительно повышающей шероховатость дна русла. Зимой подо льдом, особенно при наличии шуги, под влиянием добавочного трения о ше­ роховатую нижнюю поверхность льда скорости малы. Максимум скорости смещается к середине глубины и иногда расположен ближе ко дну. Ветер, дующий в направлении течения, увеличивает ско­ рость у поверхности. При обратном соотношении направления ветра и течения скорости у поверхности уменьшаются, а положение мак­ симума смещается на большую глубину по сравнению с его положе­ нием в безветренную погоду.

По ширине потока скорости как поверхностная, так и средняя на вертикалях меняются довольно плавно, в основном повторяя

распределение глубин в живом сечении: у берегов скорость меньше,

н е м. Знание положения стрежня имеет большое значение при ис­

делением площади эпюры скоростей на глубину вертикали или при наличии измеренных скоростей в характерных точках по глу-

Рис. 67. Изотахи в живом сечении речного потока.

бине (Упов, Уо,2, Уо.6, Уо,8, Удон) ПО одной из эмпирических формул, например

§ 118. Средняя скорость в живом сечении. Формула Шези

Для вычисления средней скорости потока при отсутствии непо­ средственных измерений широко применяется формула Шези.

Она зависит от глубины и шероховатости русла. Для определения

таблицам М. Ф. Срибного. Переменный показатель в формуле Павловского определяется зависимостью.

у = 2 ,5 1 /д + 0 ,1 3 -0 ,7 5 V R {Ѵп — 0,\).

Из формулы Шези видно, что скорость потока растет с увеличе­ нием гидравлического радиуса или средней глубины. Это происхо­ дит потому, что с увеличением глубины ослабевает влияние шеро­ ховатости дна на величину скорости в отдельных точках вертикали

итем самым уменьшается площадь на эпюре скоростей, занятая малыми скоростями. Увеличение гидравлического радиуса приводит

ик увеличению коэффициента С. Из формулы Шези следует, что скорость потока растет с увеличением уклона, но этот рост при тур­ булентном движении выражен в меньшей мере, чем при ламинар­ ном (см. формулу Дарси, § 92).

§ 119. Скорость течения горных и равнинных рек

Течение равнинных рек значительно более спокойное, чем гор­ ных. Водная поверхность равнинных рек сравнительно ровная. Пре­ пятствия обтекаются потоком спокойно, кривая подпора, возникаю­ щего перед препятствием, плавно сопрягается с водной поверхно­ стью вышерасположенного участка.

Горные реки отличаются крайней неровностью водной поверх­ ности (пенистые гребни, взбросы, провалы). Взбросы возникают перед препятствием (нагромождением валунов на дне русла) или при резком уменьшении уклона дна. Взброс воды в гидравлике но­ сит название г и д р а в л и ч е с к о г о (водного) п р ы ж к а . Его можно рассматривать как одиночную волну, появившуюся на вод­ ной поверхности перед препятствием. Скорость распространения

одиночной волны на поверхности, как известно (см. § 52), c = ~]/gH, где g — ускорение силы тяжести, Н — глубина.

Если средняя скорость течения цср потока оказывается равной скорости распространения волны или превышает ее (ѵср^ с ) , то образующаяся у препятствия волна не может распространиться вверх по течению и останавливается вблизи места ее возбуждения. Формируется остановившаяся волна перемещения.

Пусть Ѵср— с. Подставляя в это равенство значение из предыду­ щей формулы, получим УСр = У g H , или

Это число позволяет оценить условия существования бурного или спокойного режима течения: при F r e i — спокойный режим, при Fr > 1 — бурный режим.

Таким образом, между характером течения, глубиной, скоро­ стью, а следовательно, и уклоном существуют следующие соотно­ шения: с увеличением уклона и скорости и уменьшением глубины при данном расходе течение становится более бурным; с уменьше­ нием уклона и скорости и увеличением глубины при данном рас­ ходе течение приобретает более спокойный характер.

Горные реки характеризуются, как правило, бурным течением, равнинные реки имеют спокойный режим течения. Бурный режим течения может быть и на порожистых участках равнинных рек. Пе­ реход к бурному течению резко усиливает турбулентность потока.

§ 120. Поперечные циркуляции

Одной из особенностей движения воды в реках является непараллельноструйность течений. Она отчетливо проявляется на за­ круглениях и наблюдается на прямолинейных участках рек. На­ ряду с общим параллельным берегам движением потока в целом имеются внутренние течения в потоке, направленные под различ­ ными углами к оси движения потока и производящие перемещения водных масс в поперечном к потоку направлении. На это еще в конце прошлого столетия обратил внимание русский исследова­ тель Н. С. Лелявский. Он следующим образом объяснил структуру внутренних течений. На стрежне вследствие больших скоростей на поверхности воды происходит втягивание струй со стороны, в ре­ зультате в центре потока создается некоторое повышение уровня. Вследствие этого в плоскости, перпендикулярной направлению те­ чения, образуются два циркуляционых течения по замкнутым кон­ турам, расходящиеся у дна (рис. 69 а). В сочетании с поступатель­ ным движением эти поперечные циркуляционные течения приобре­ тают форму винтообразных движений. Поверхностное течение, направленное к стрежню, Лелявский назвал с б о й н ым, а донное расходящееся — в е е р о о б р а з н ы м .

На изогнутых участках русла струи воды, встречаясь с вогнутым берегом, отбрасываются от него. Массы воды, переносимые этими

ный — может возникать при переходе типа I в тип II. В этом случае струи в середине потока могут быть сходящимися или расходящи­ мися, соответственно у берегов — расходящимися или сходящимися.

здесь центробежной силой инерции и связанным с ней поперечным уклоном водной поверхности. Центробежная сила инерции, возни-

поперечный уклон. Оно одинаково для каждой точки вертикали и направлено в противоположную сторону по отно­ шению к центробежной силе инерции (рис. 716,в). Вследствие неуравнове­ шенности этих сил в отдельных точках по вертикали и возникает в потоке по­

увеличением скорости и центробежной силы циркуляционные тече­ ния становятся отчетливыми. Скорость поперечных течений обычно

мала — в десятки раз меньше продольной составляющей ско­ рости-

Описанный характер циркуляционных течений наблюдается до выхода воды на пойму. С момента выхода воды на пойму в реке создаются как бы два потока — верхний, долинного направления,

инижний, в коренном русле. Взаимодействие этих потоков сложно

иеще мало изучено.

В современной литературе по динамике русловых потоков (К. В. Гришанин, 1969 г.) приводится, по-видимому, более строгое объяснение возникновения поперечных циркуляций в речном по­ токе. Происхождение таких циркуляций связывается с механизмом передачи на элементарные объемы воды в потоке действия корио­ лисова ускорения посредством градиента давления, обусловленного поперечным уклоном (и постоянного на вертикали), и разности ка-

сательных напряжений, вызванных на гранях элементарных объе­ мов воды различиями в скоростях потока по вертикали. Аналогич­ ную кориолисову ускорению роль выполняет на повороте русла центростремительное ускорение.

Помимо поперечных циркуляций, в потоке наблюдаются вихре­ вые движения с вертикальной осью вращения (рис. 72). Одни из них подвижны и неустойчивы, другие стационарны и отличаются боль­ шими поперечными размерами. Чаще они возникают в местах слия­ ния потоков, за крутыми выступами берегов, при обтекании неко­ торых подводных препятствий и т. д. Условия формирования ста­ ционарных вихрей пока не исследованы. Гришанин высказы­ вает предположение, что образованию устойчивого локализован­ ного вихря способствует значительная глубина потока и сущест­ вование восходящего течения воды. Эти вихри в потоке, извест­ ные под названием водоворотов, напоминают воздушные ви­ хри — смерчи.

Поперечные циркуляции, вихревые движения играют большую роль в транспортировании наносов и формировании речных русел (см. гл. 37).

ГЛ А В А 30. ЭЛЕМЕНТЫ ВОДНОГО РЕЖИМА

ИМЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА НИМИ

Под влиянием ряда причин, о которых будет сказано ниже, из­ меняются расходы воды в реках, положение уровенной поверхности, •ее уклоны и скорости течения. Совокупное изменение расходов воды, уровней, уклонов и скоростей течения во времени называется в о д н ы м р е ж и м о м , а изменение величин расходов, уровней, уклонов и скоростей в отдельности — э л е м е н т а м и в о д н о г о р е ж и м а .

Р а с х о д о м в о д ы (Q) называется то количество воды, кото­ рое протекает через данное живое сечение реки в единицу времени. Величина расхода выражается в м3/с.

У р о в е н ь в о д ы (Н) — высота поверхности воды (в сантимет­ рах), отсчитываемая от некоторой постоянной плоскости сравнения.

§ 121. Наблюдения за уровнями и методы их обработки

Наблюдения за колебанием уровня проводятся на водомерных постах (рис. 73) и заключаются в измерении высоты водной поверх-

Рис. 73. Свайный водомерный пост (а) и отсчет уровня воды по пере­ носной рейке (б).

ности над некоторой постоянной плоскостью, принимаемой за на­ чальную, или нулевую. За такую плоскость обычно принимают плоскость, проходящую через отметку несколько ниже наинизшего уровня воды. Абсолютную или относительную отметку этой плоско­ сти называют нулем графика, в превышениях над которым и да­ ются все уровни. Измерения производятся при помощи водомерной рейки с точностью до 1 см. Рейки бывают двух типов — постоянные и переносные. Постоянные рейки прикрепляются к устоям мостов или к свае, забитой в дно русла у берега. При пологих берегах и больших амплитудах колебаний уровней наблюдения за ними про­ водятся при помощи переносной рейки. Для этого в русло реки и на пойме забивается ряд расположенных в створе свай. Отметки голо­ вок свай связываются нивелировкой с репером водомерного поста, установленным на берегу, абсолютная или относительная отметка