- •Ющенко ю.С.
- •Чернівці Зелена Буковина 2005
- •Наука про природні води
- •Предмет і об’єкт гідрологічних досліджень
- •1.1.1. Уявлення про природні води до Нового часу
- •1.1.2. Формування основ наукової гідрології
- •1.1.3. Сучасна гідрологія
- •1.1.4. Природні води — об’єкт дослідження гідрології
- •1.1.5. Різноманітність водних об’єктів Землі
- •1.1.6. Колообіги та циркуляції природних вод
- •Середньорічний водний баланс Землі [12]
- •1.1.7. Зміни водних об’єктів в часі
- •1.1.8. Основні гідрологічні поняття та терміни
- •Фундаментальні основи гідрологічних досліджень
- •1.2.1. Молекули та надмолекулярні структури води
- •1.2.2. Агрегатні стани та фазові переходи води
- •1.2.3. Густина води
- •1.2.4. Теплові властивості води
- •1.2.5. В’язкість, поверхневий натяг та змочування
- •1.2.6. Деякі фізичні властивості снігу та льоду
- •1.2.7. Умови перебування води в ґрунтах та породах
- •1.2.8. Механіка рідини і дослідження природних вод
- •1.2.9. Основи статики природних вод
- •1.2.10. Загальні поняття та визначення гідродинаміки
- •1.2.11. Види руху водних потоків
- •1.2.12. Два режими руху рідини
- •1.2.13. Рівняння нерозривності
- •1.2.14. Рівняння Бернуллі
- •1.2.15. Рух поверхневих водотоків
- •1.2.16. Спокійні та бурхливі потоки
- •1.2.17. Приклади ламінарного руху
- •1.2.18 Течії у водойомах
- •1.2.19. Хвилі у воді
- •1.2.20. Стратифікація, стійкість та перемішування природних вод
- •1.2.21. Природні води як хімічний розчин
- •1.2.22. Основні типи домішок у природних водах
- •Головні іони в океанічних водах (за с. Бруєвичем)
- •1.2.23 Гідрохімічна класифікація природних вод. Зміни їх складу
- •1.2.24. Забруднення та якість природних вод
- •Методи гідрологічних досліджень
- •1.3.1. Математичні методи, інформатика
- •1.3.2. Системний підхід
- •1.3.3. Експеримент та моделювання
- •1.3.4. Порівняння, типізація, класифікація
- •1.3.5. Історичний метод
- •1.3.6. Прогнозування
- •1.3.7. Експедиційний метод
- •1.3.8. Вимірювання, спостереження, моніторинг
- •1.3.9. Балансові методи
- •1.3.10. Картографічні методи
- •1.3.11. Географо-гідрологічні методи
- •1.3.12. Еколого-гідрологічні методи
- •Гідрологія водних об’єктів
- •Гідрологія океанів і морів
- •2.1.1. Поділ Світового океану
- •Основні характеристики океанів
- •2.1.2. Рельєф дна та донні відклади Світового океану
- •2.1.3. Розподіл основних гідрологічних характеристик та водні маси океану. Процеси перемішування
- •2.1.4 Морський лід
- •2.1.5. Морські хвилі
- •2.1.6. Припливи в океані
- •2.1.7. Морські течії
- •2.1.8. Рівень океанів і морів
- •2.1.9. Життя в океані
- •2.1.10. Моря України
- •Гідрологія льодовиків
- •2.2.1. Процеси утворення льодовиків
- •2.2.2. Рух льодовиків
- •2.2.3. Розповсюдження, основні типи, будова та гідрографічна сітка льодовиків
- •2.2.4. Баланс та режим льодовиків
- •2.2.5. Процеси та явища пов’язані з льодовиками
- •Гідрологія підземних вод
- •2.3.1. Походження підземних вод
- •2.3.2. Класифікації підземних вод
- •2.3.3. Води зони аерації
- •2.3.4. Ґрунтові води
- •2.3.5. Артезіанські води
- •2.3.6. Підземні води у тріщинуватих та закарстованих породах
- •2.3.7. Структури підземної гідросфери
- •2.3.8. Рух підземних вод
- •2.3.9. Підземний стік
- •2.3.10. Природні явища та процеси пов’язані з підземними водами
- •Гідрологія річок
- •Найбільші річки світу
- •2.4.1. Річкові системи
- •2.4.2. Річкові водозбори
- •2.4.3. Річкові долини
- •2.4.4. Русла та заплави річок
- •2.4.5. Рух води в річках
- •2.4.6. Поняття про водний режим річок
- •2.4.7. Процеси водного живлення річок
- •2.4.8. Аналіз водного режиму річок
- •2.4.9. Рівневий режим річок
- •2.4.10. Утворення та основні характеристики річкових наносів
- •2.4.11. Основні категорії та стік наносів
- •2.4.12. Поняття про русловий процес річок
- •2.4.13. Типізації та класифікації руслового процесу
- •2.4.14. Термічний режим річок
- •2.4.15. Льодовий режим річок
- •2.4.16. Гідрохімічний режим та особливості гідробіології річок
- •Гідрологія озер
- •Найбільші озера світу
- •2.5.1. Котловини озер
- •2.5.2. Морфометрія та морфологія озер
- •2.5.3. Термічний режим озер
- •2.5.4. Льодовий режим озер
- •2.5.5. Динаміка озер
- •2.5.6. Водний режим озер
- •2.5.7. Гідрохімічні та гідробіологічні особливості озер
- •2.5.8. Донні відклади озер
- •Гідрологія особливих типів водних об’єктів
- •2.6.1. Сніговий покрив
- •2.6.2. Гідрологічні явища та процеси в зоні багаторічної мерзлоти та холодного клімату
- •2.6.4. Гідрологія водосховищ
- •2.6.5. Канали та гідромеліоративні системи
- •2.6.6. Гідрологія боліт
- •2.6.7. Гідрологія гирл річок
- •Типи гирлових областей річок
- •Загальні гідрологічні явища та процеси
- •Природні води і атмосфера Землі
- •3.1.1. Кліматична система Землі і природні води
- •Характеристики складових кліматичної системи Землі
- •3.1.2. Взаємодія океану та атмосфери
- •3.1.3. Атмосферна ланка колообігу води
- •Водний баланс та стік води з суходолу
- •3.2.1. Водний баланс територій
- •3.2.2. Формування стоку
- •3.2.3. Стік води в річках
- •Природні води і тверде тіло Землі
- •3.3.1. Літосфера та підземні води
- •3.2.2. Ендогенний вплив на поверхневу гідросферу
- •3.3.3. Природні води і рельєф
- •3.3.4. Гідрогенні відклади та акумулятивні утворення
- •Природні води та еволюційні процеси
- •3.4.1. Еволюція географічної оболонки та її складових
- •3.4.2. Біогенний етап розвитку природних вод
- •3.4.3. Антропогенний етап розвитку природних вод
- •Заключення Новітній етап розвитку гідрології
2.4.11. Основні категорії та стік наносів
Рух часток річкових наносів різної величини характеризується певними особливостями. В цілому рух наносів вивчає динаміка руслових потоків. Закономірності руху досить складні. Тверді частки можуть рухатися трьома основними способами:
1) майже постійно, без осаджень на дно, у товщі потоку;
2) шляхом періодичних підстрибувань (сальтацій);
3) шляхом перекочування або ковзання по дну.
У першому випадку наноси називають завислими (зваженими), а у другому та третьому — придонними (захопленими). Це дві основні категорії річкових наносів. Придонні наноси являються основною частиною руслоформуючих, або донних відкладів. Виділення основних категорій наносів було проведено ще на початку XX століття В.Г. Глушковим. Характер руху значною мірою залежить від співвідношення гідравлічної крупності та основних характеристик швидкостей турбулентного потоку. До останніх можна віднести: середнє та максимальне значення вертикальної складової пульсації швидкостей (u’), і початкову швидкість зрушення часток ( 0). А.В. Караушев запропонував на основі цього гідродинамічну класифікацію наносів:
Таблиця 2.5.
Гідродинамічна класифікація наносів
Насиченість потоку води твердими частками характеризують за допомогою поняття «мутність» (тобто концентрація). Це вміст маси наносів в одиниці об’єму суміші води з наносами:
(2.30)
Розподіл мутності у річковому потоці нерівномірний, складний, пульсуючий. Це пов’язано з особливостями поля швидкостей. Наприклад, на рис. 2.61 показані епюри мутності по глибині. Нерівномірність розподілу пов’язана як із впливом крупності наносів так зі зменшенням інтенсивності турбулентних пульсацій від дна до поверхні.
Добуток середньої мутності на витрату води дає витрату наносів:
(2.31)
Цей спосіб розрахунку використовують переважно до завислих наносів.
Завислі наноси переміщуються у товщі потоку на значні відстані і можуть частково перевідкладатися в межах заплав. Тут вони формують дрібнозернисту (заплавну) фацію алювію. Зміни мутності та витрат завислих наносів характеризують режим їх стоку. Їх зв’язок з витратами води нелінійний (рис. 2.62). Стік завислих наносів визначають шляхом спостережень за мутністю. Для порівняння стоку наносів з різних територій використовують модуль:
(2.32)
де — об’єм стоку наносів (т/рік), — площа водозбору (км2). Ця величина нерівномірно розподілена по території суходолу і підкоряється певним географічним закономірностям. У перезволожених областях рівнин може складати 1-2 т/км2 · рік, а у посушливих 200-400. Найбільші модулі спостерігаються в басейнах сухого субтропічного та тропічного клімату, які значною мірою охоплюють гірські території: т/км2 · рік. Найбільший модуль спостерігається в басейні р. Хуанхе — 2 200 т/км2 · рік. Це пов’язано з наявністю особливої території — Лесового плато, яке швидко руйнується. Велике значення має також модуль стоку наносів в басейні р. Ганг. Тут він досягає 1 260 т/км2 · рік. Це пов’язано з комплексом факторів: найвищі гори світу, найбільша кількість опадів на їх зовнішніх схилах, наявність потужних давніх алювіальних рівнин, активні процеси вивітрювання. Середній модуль для всього суходолу (за оцінками) перевищує 100 т/км2 · рік.
Рух придонних наносів значно відрізняється від завислих (рис. 2.63). Їх мутність (концентрацію) та витрати досить важко вимірювати. Це пов’язано з дуже великою чутливістю характеру руху у придонній області на введення інорідних тіл (приладів). Безконтактні способи, спостережень також наштовхуються на ряд об’єктивних проблем. Тому дані про стік придонних наносів набагато менш точні ніж про завислі. Їх витрати можна також оцінювати за допомогою об’ємних способів (ловушки, відклади) та за параметрами руху донних гряд.
Розглянемо умови рівноваги відносно крупної кулеподібної частки наносів на дні річкового потоку:
де — сила лобового тиску потоку; — вага частки; — підйомна сила; — коефіцієнт тертя. Сила лобового тиску пропорційна площі перетину частки та швидкісному напору:
(2.34)
де — коефіцієнт, що залежить від форми частки; — густина води; — діаметр частки; — придонна швидкість потоку. Підйомна сила обчислюється подібним чином:
(2.35)
де — коефіцієнт пропорційності. Дослідження в лабораторних умовах показали, що . Вага частки може бути виражена так:
(2.36)
Можемо переписати рівняння, розділивши всі складові на :
(2.37)
Згрупуємо складові відносно та
(2.38)
Можна сказати, що
(2.39)
оскільки в дужках були записані постійні величини.
Якщо перейти від лінійних розмірів частки (d) до об’єму (~ d3), то отримаємо:
(2.40)
Такі залежності отримали назву закону Ері. З нього впливає, що при збільшенні швидкостей течії у 2, 3, 4 раза діаметри часток будуть збільшуватися у 4, 9, 16 раз. Це пояснює значне збільшення крупності наносів на ділянках течії зі значними швидкостями.
Співвідношення між стоком придонних та завислих наносів змінюються в залежності від природних умов. В горах воно може досягати 100%, а на рівнинах (особливо на великих річках) понижуватися до 3-5%.