10. Распределение скоростей на вертикали и в живом сечении

Средние в живом сечении скорости движения воды в реках невелики. С увеличением уклонов в реках растет крупность донных отложений и растут скорости.

Местные скорости (т. е. осредненные скорости в отдельных точках сечений) меняются, конечно, в более широких границах. В результате действия сил трения скорости течения в открытых потоках убывают от свободной поверхности к дну, а также от середины сечения к берегам.

При резком изменении площадей поперечных сечений скорости течения у дна и у свободной поверхности меняются не одинаково. При стеснении потока, напр., на участке реки, сжатом выходами в берегах скальных, пород, донная скорость растет быстрее, чем поверхностная, и в результате эпюра скоростей на вертикали выравнивается. Это происходит и тогда, когда поток стеснен в вертикальном направлении, напр. при ускоренном движении воды над резким возвышением дна.

Если поток расширяется, донная скорость убывает быстрее, чем поверхностная, и поэтому эпюра скоростей растягив-ся, делается менее равномерной.

При внезапном сжатии потока донная скорость может стать больше поверхностной. При внезапном расширении она может стать отрицательной. В этом случае в нижних слоях потока образуется зона отрыва и донные скорости направлены против основного течения.

Ветер, создавая волны на свободной поверхности, делает эту поверхность шероховатой и поэтому на ней может возникать довольно большая сила трения. Эта сила трения, в зависимости от направления ветра может ускорять или тормозить поверхностные слои потока. Результатом такого ускорения или торможения является искажение эпюр распределения скоростей.

Появление на реке ледяного покрова приводит к созданию поля скоростей, характерного для напорных потоков. Максимум осредненных скоростей переходит в толщу потока. Положение этого максимума определяется соотношением между шероховатостью дна и шероховатостью нижней поверхности ледяного покрова. В результате сразу после замерзания нижняя поверхность льда оказывается очень шероховатой и максимум скоростей смещается в нижнюю половину вертикали. Под действием течения и подвода тепла от дна шероховатость льда в дальнейшем снижается и максимум скоростей перемещается вверх.

Чтобы наглядно изобразить распределение скоростей в поперечном сечении потока, точки сечения, в которых скорости одинаковы, соединяют плавными линиями. Эти линии называются линиями равных скоростей, или изотахами.

11. Движение воды на изгибе русла

Прогрессирующее искривление изогнутых участков речных русл, столь характерное для процесса меандрирования, есть следствие особенностей движения воды на участках изгиба. При переходе от прямолинейного участка к изогнутому высота свободной поверхности у внешнего (вогнутого) берега повышается, а у внутреннего (выпуклого) понижается. Поле скоростей потока сложным образом перестраивается.

В потоках реальной жидкости скорость по вертикали меняется, а с ней, и притом более сильно, меняется пропорциональная квадрату скорости центробежная сила. Это обстоятельство вносит важные поправки в схему движения. Радиальный уклон на данной вертикали устанавливается в соответствии со скоростью, близкой к средней на вертикали.

Следовательно, равновесие между силой инерции и радиальным градиентом давления имеется лишь в одной точке вертикали, где скорость близка к средней (т. е. на расстоянии от дна 0,4h). Выше этой точки градиент давления не может уравновесить центробежные силы, и вода под их действием получает компоненту скорости, направленную к вогнутому берегу. Ниже точки равновесия, где центробежные силы малы, доминирующим делается влияние градиента давления и вода течет к выпуклому берегу. В итоге в живом сечении образуется общее поперечное движение воды, направленное в верхних слоях к вогнутому, а в придонных к выпуклому берегу. У вогнутого берега движение воды является нисходящим. Сложение продольного и поперечного движений придает траекториям жидких частиц на изогнутом участке русла винтообразный характер.

Поперечные течения, вызываемые центробежной силой, составляют внутренний механизм меандрирования. Скорости самих этих течений невелики - обычно они на порядок меньше продольных скоростей. Однако эти течения производят коренную перестройку поля продольных скоростей на изгибе русла. Поверхностное течение подводит к вогнутому берегу струи потока, обладающие наибольшей кинетической энергией. Смещение сюда максимума продольных скоростей вызывает размыв берега. Донное течение переносит продукты размыва к противоположному, выпуклому берегу. Искривленным участкам русл оказываются присущи резко несимметричные поперечные сечения с большими глубинами под крутым вогнутым берегом и пологим пляжным откосом у выпуклого берега.

В ходе развития изогнутых участков рек кривизна русла и поперечные течения до определенного предела усиливают друг друга. Размыв потоком вогнутого берега увеличивает кривизну русла, а увеличение кривизны ведет к росту поперечного уклона и усилению поперечного течения. Предел этому процессу кладется увеличением длин излучин, т.е. уменьшением в них продольных уклонов и соответствующим ослаблением скорости течения.