Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы гидрологии. Учебное пособие для СПО
.pdf
2.5. Речное русло
Руслом называется часть дна долины, по которой осуществляется
речной сток.
Основными характеристиками русла являются: очертание русла в
плане, русловые образования, продольный профиль реки, поперечное
сечение русла [4, 11, 12].
Очертание русла в плане. Речное русло в плане обычно имеет
извилистую форму. На отдельных участках течения оно может быть
прямолинейным, слабо извилистым,
извилистым и сильно извилистым (меандрирующим). Образование излучин объясняется наличием
в водном потоке циркуляционных винтообразных течений и неустойчивостью речного русла, особенно у равнинных рек, протекающих в
сравнительно легко размываемых грунтах.
Русловые образования. С очертанием в плане связано распреде-
ление его глубин. На закруглениях реки глубина обычно больше, чем
на прямых
участках. Глубоководные части реки с малыми уклонами и
небольшими скоростями течения, приуроченные к изогнутым участкам русла, называются плесами. Относительно прямолинейные с небольшими глубинами и повышенными скоростями течения переходные участки от одного плеса к другому называются перекатами [4].
Распределение глубин в русле характеризуется линиями равных глубин, называемых изобатами.
Линия, соединяющая самые глубокие
точки дна реки, называется фарватером. Если фарватер плавно переходит от одного плеса к другому, то перекат называют нормальным.
Если фарватер искривлен и плесы сдвинуты относительно друг друга,
получается сдвинутый перекат (рис. 6).
Рис. 6. Схема перекатов:
а – нормальный; б – сдвинутый
21
Порогом называется короткий участок реки с большим падением
и бурным течением.
Водопад – падение водного потока с высоких уступов в речном
ложе.
Пороги и водопады обычно встречаются на суженных участках
реки со скалистым, трудно размываемым руслом, присущим рекам,
протекающим в горных районах. Наиболее высоким водопадом
в Российской Федерации является Тальниковый водопад, располо
-
женный на Таймыре, высота его достигает 600 метров. Знаменитый
Ниагарский водопад (США, Канада) низвергается с высоты 51 м и
имеет ширину около 1 км. Самым высоким в мире водопадом считается Анхель на р. Чурун в Венесуэле (падает с высоты 1054 м).
Отмель – мелководный участок русла, зачастую обсыхающий
в период межени.
Кроме того, можно
назвать следующие русловые образования: ру-
кав, старица, остров и другие.
Продольный профиль реки. Продольный профиль реки характе-
ризуется изменением уклонов ее дна и уклонов водной поверхности
[4]. Различают три типа профилей речного дна: профиль равновесия,
прямолинейный и сбросовый (рис. 7).
Рис. 7. Типы продольных профилей рек:
1 – профиль равновесия; 2 – прямолинейный; 3 – сбросовый
Профиль равновесия имеет значительную крутизну в верховьях реки и меньшие уклоны в нижнем течении. В начальной стадии форми-
22
рования продольного профиля реки преобладают процессы размыва
русла, так как превышение потока над базисом эрозии значительное.
Базис эрозии – это горизонтальная плоскость, ниже которой река
не может углублять свое дно. Для рек, впадающих в море или озеро,
базисом эрозии является их уровень, а для притоков – наинизший
уровень реки в месте впадения притока
. С понижением базиса эрозии
размыв реки увеличивается, с повышением – уменьшается. С течением времени процессы намыва и размыва выравниваются и устанавливается продольный профиль равновесия, характерный для больших
равнинных и горных рек. Малые равнинные реки часто имеют прямолинейный продольный профиль дна.
Сбросовый профиль характеризуется малыми уклонами в вер-
ховьях
и большими – в устьевых участках; встречается на реках Рес-
публики Карелии и Кольского полуострова.
Уклон водной поверхности представляет собой тангенс угла, об-
разованного водной поверхностью и ее проекцией на горизонтальную
плоскость (рис. 8).
Рис. 8. Схема уклона реки
h
i
= ,
b
где
h – превышение между двумя точками на участке l;
b – проекция водной поверхности на горизонтальную плоскость.
23
(14)
α
ω
H
f
ω
Вследствие небольшой разницы между l и b уклон водной поверх-
ности определяют как синус угла
, то есть как отношение падения
реки к ее длине.
h
i
= .
l
(15)
Уклоны выражают в десятичных дробях и промилле (то есть
в метрах на 1 км длины). Например, если h = 25,0 м, l = 50,0 км, то
25
5000
0005,0
==i , или в промиллях
25
50
0
/ 5,0
==i
00
.
Уклоны продольного профиля реки мало зависят от местных переломов дна, однако на коротких участках местные уклоны водной
поверхности могут меняться в зависимости от колебания уровня воды
в реке и перегибов профиля дна. При выходе потока на пойму распределение частных уклонов определяется не особенностями русла,
а очертаниями дна долины.
Там, где долина суживается, уклоны
больше, где расширяется – меньше.
Поперечное сечение русла имеет следующие морфометрические
характеристики: площадь живого сечения, ширина живого сечения,
смоченный периметр, средняя глубина, гидравлический радиус.
Живым сечением называется поперечное сечение реки, запол-
ненное водой. Иногда в живом сечении выделяют участки с очень
малыми скоростями течения, меньше чувствительности прибора
применяемого для измерения скоростей. Такие участки называют
мертвым пространством.
Площадь живого сечения
определяется на основании измере-
ния глубин, по которым вычерчивают профиль живого сечения, а затем аналитически или планиметрированием определяют его площадь
при разных уровнях. По полученным данным строится кривая зависимости
=
)(
, имеющая большое практическое применение
,
(рис. 9).
24
HfB
B
ω
H
f
ω
Ширина живого сечения В – расстояние между урезами воды,
зависящее также от высоты уровня. Можно построить зависимость
= .
)(
Смоченный периметр Р – длина подводного контура живого се-
чения.
Средняя глубина входит в формулу для вычисления средней ско-
рости потока. Вычисляется по формуле:
h
ср
.
=
(16)
Ширина водного сечения В, как правило, мало отличается от смоченного периметра Р, особенно на крупных реках. Поэтому принимают
PB≈ .
Рис. 9. Поперечное сечение русла и кривая зависимости
Рис. 10. Эпюра скоростей при открытом русле на плесе
25
=
)(
B
P
ω
ω
ω
ω
Гидравлический радиус R представляет собой частное от деле-
ния площади живого сечения на длину смоченного периметра. Для
широких и неглубоких рек
hR ≈ ., так как P
ср
B
h
ср
R ≈==
.
≈ .
(17)
2.6. Скорость течения реки
Речной поток характеризуется турбулентным движением, при котором мгновенные скорости в каждой точке непрерывно пульсируют,
изменяясь как по величине, так и по направлению около некоторого
среднего значения. Если измерение скорости в какой-либо точке потока производят достаточно длительное время, то можно получить
осредненную скорость в данной
точке [4, 6, 12].
Распределение скоростей на различных глубинах можно изобразить графически – путем построения кривой распределения скоростей
на вертикали, называемой эпюрой скоростей (рис. 10).
Если вычислить площадь эпюры, то, зная глубину, можно получить среднюю скорость на вертикали:
Э
,
h
(18)
где
– площадь эпюры скоростей;
Э
h – глубина на вертикали.
V
ср
=
Обычно скорость течения довольно равномерно изменяется от поверхности ко дну реки и лишь вблизи дна заметно уменьшается.
Однако эта схема изменяется от ряда факторов, влияющих на распределение скорости в потоке. Например, при наличии выступа в дне
русла скорость перед ним резко уменьшается (рис. 11). На перекатах
максимальная скорость наблюдается не у поверхности, а на некоторой глубине. При ледяном покрове река оказывается как бы заключенной в трубу. Чем больше шероховатость нижней поверхности
льда, тем глубже будет наблюдаться максимальная скорость.
26
Рис. 11. Эпюры скоростей на перекате (1), подо льдом (2) и у препятствия (3)
Аналогично графикам распределения скоростей на вертикали можно построить эпюру средних скоростей по ширине живого сечения
(рис. 12). Очертания такой эпюры следуют очертанию дна русла [4].
Распределение скоростей по живому сечению можно изобразить
в виде линий равных скоростей, называемых изотахами. Построение
изотах выполняется аналогично вычерчиванию горизонталей на топографической карте. Для открытого
русла обычное расположение
изотах представлено на рис. 13.
Рис. 12. Эпюра скоростей
В русле, покрытом льдом, максимальные скорости располагаются
в середине потока, где изотахи представляют собою замкнутые кривые (рис. 14) [2, 4, 7]. Изменение скоростей течения наблюдается не
только в живом сечении, но и по длине реки, что объясняется изменением уклонов, извилистостью русла, наличием плесов, перекатов,
островов, порогов и т. д.
27
Рис. 13. Изотахи в открытом русле
Рис. 14. Изотахи в русле подо льдом
Существуют следующие способы определения средней скорости
течения реки [8, 9, 10, 12]:
1. Путем непосредственного измерения скорости потока различ-
ными методами. Это наиболее надежный и точный способ.
2. По различным формулам при отсутствии гидрометрических измерений. Чаще всего используется формула Шези, предложенная автором в 1775 г.:
RicV =
,
(19)
где i – уклон реки;
R – гидравлический радиус;
с – скоростной коэффициент, зависящий от основных элементов
потока (формы живого сечения, шероховатости русла, глубины).
Существует около 200 формул, рекомендованных для вычисления
коэффициента С. Наибольшим распространением пользуются следующие:
28
γ
γ
1. Формула Безена (1897 г.):
C
87
,
γ
+=1
R
(20)
где
коэффициент шероховатости, значения которого для различ-
–
ных русел определяются по специальным таблицам (для равнинных
рек
32 ÷≈
);
R – гидравлический радиус.
2. Формула Маннинга:
1
1
C =
6
,
R
n
(21)
где n — коэффициент шероховатости, значения которого определяются по специальным таблицам.
3. Формула Н.Н. Павловского:
x
C1= ,
R
n
(22)
где параметр х находится в зависимости от коэффициента шероховатости n. Величина n определяется опытным путем или по специальным таблицам (для русел равнинных рек
045,0033,0 ÷≈n
).
Для определения средней скорости потока часто применяется
формула Д.Л. Соколовского:
h – средняя глубина потока, м;
где
ср
40,0
17=
,
hiV
срср
(23)
i – уклон реки.
2.7. Питание рек
Речной сток формируется за счет четырех источников питания:
дождевого, снегового, ледникового и подземного [4, 6, 8].
Преобладание дождевого питания характерно для рек Закавказья,
Черноморского побережья и районов с муссонным климатом (бассейн
р. Амура, Забайкалье). Сток, формирующийся за счет ливневых дож-
29
дей, характеризуется быстро проходящими, иногда довольно значительными паводками. Обложные дожди могут захватывать большие
районы и обеспечивать сток рек продолжительный период времени.
Снеговое питание осуществляется за счет таяния весной снега,
накопившегося на водосборе в течение зимы. Оно характерно для
большинства равнинных рек Российской Федерации. Сток весеннего
половодья (от таяния снега) в
большинстве случаев составляет более
50 %, а в южных степных районах европейской части Российской
Федерации и Северном Казахстане – до 90-95 % суммарного годового
стока.
Ледниковое питание получают реки за счет таяния льда и вечных
снегов в высокогорных районах. Половодье на реках с таким питанием проходит летом (реки Кавказа, Алтая, Средней Азии).
Подземное питание
рек в разных размерах распространено почти
повсеместно; оно наиболее устойчиво и равномерно в течение года и
на некоторых реках достигает 60 % от годового стока. В районах вечной мерзлоты подземное питание ограничено.
Наибольшее распространение имеет смешанное питание, при котором один из перечисленных его источников может преобладать.
2.8. Распределение стока по сезонам
Для большинства рек Российской Федерации характерно неравномерное распределение стока внутри года, на что в первую очередь
влияют климатические факторы, осадки и температура воздуха, которые подчинены закону географической зональности. Поэтому, несмотря на значительные колебания этих факторов в разные годы, они
определяют общий тип годового
распределения стока или форму
гидрографа стока. Гидрографом стока называется график изменения
расходов воды во времени [11, 12].
На распределение стока влияют также размер бассейна, геологическое строение, рельеф, леса, болота, озера. Немаловажную роль играет хозяйственная деятельность человека.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]