Скорость течения реки. Методы измерения. Скорость течения реки Средняя скорость течения воды в реке

Скорость течения рек. Расход и сток рек

течение скорость сток вода

Роль текучей воды на земле громадна и всегда обращала на себя внимание человека, недаром с глубокой древности многие реки были олицетворены; и в глазах современной науки реки являются наиболее активным элементом физической географии. Одни из них спокойны, имеют медленное течение и правильные подъемы воды, которые легко предвидеть; другие - быстро и стремительно несут бурные воды, внезапно вздымают свой уровень и так же внезапно понижают его.

Но реки являются географическим фактором не только сами, но себе, они в то же время неустанно работают над изменением земли; результаты этой геологической работы текучей воды, суммируясь на протяжении веков, бывают настолько велики, что страны совершенно утрачивают свой первоначальный вид: там, где вздымались некогда высокие горы, в настоящее время мы находим частой лишь волнистую равнину, а, с другой стороны, высокие плоскогорья превращены в гористые или холмистые местности.

Жизнь человека находится в такой тесной связи с режимом текучих вод, что само собой понятен тот высокий интерес, которые проявляет человек по отношению к рекам. Большие реки служат наиболее дешевыми естественными путями сообщения во многих странах, а на далеком севере это часто единственные пути сообщения и не только летом, но и зимой, когда их закованная льдом поверхность представляет наилучшую дорогу. Даже в пустынных странах, как, например, в Сахаре, сухие русла рек определяют направление караванных путей. С незапамятных времен Аму-Дарья (древний Оксус), Сыр-Дарья (древний Яксарт) определяли направление торговых путей через Среднюю Азию. Быстрая колонизация некоторых стран как, например, Канады, средней части Соединенных Штатов Америки и Сибири, делается понятной лишь в том случае, если принять во внимание расположение рек в этих странах. Удобства, которые представляют реки как пути сообщения, притягивают население к их берегам и являются одним из факторов возникновения городов, в особенности в местах пересечения речных путей. Еще большее значение имеют реки как посредники между океаном и внутренними частями стран, недаром недалеко от их устья возникли величайшие торговые города как Лондон, Роттердам, Антверпен, Гамбург, Александрия, Калькутта, Шанхай, Монреаль, Квебек, Новый Орлеан, Монтевидео, Ленинград и др.

С другой стороны, разливы некоторых рек, как, например, Нила, Тигра и Евфрата, дали возможность развиться цивилизации у самых границ пустыни. Значение рек в жизни страны столь велико, что во всех культурных государствах возникли специальные организации для изучения гидрографии, и давно уже приступлено к систематическому изучению рек и их режима. Во Франции учреждение Service nydrometrique de la Seine предшествовало учреждению метеорологических станций, в Германии издан ряд ценных монографий, посвященных изучению всех больших рек, начиная от Рейна и кончая Вислой, в Соединенных Штатах Америки систематическое изучение рек ведет Geological Survey. Сильные и опустошительные разливы Дуная и в особенности его притоков Тиссы, Мароша и других в Венгрии повели к созданию целой сети гидрологических учреждений с центральной станцией в Будапеште. Из рек СНГ более подробному обследованию в XIX столетии подвергались Днепр, Волга и ряд других рек; в конце XIX столетия в Европейской России, кроме того, работала специальная экспедиция по обследованию истоков важнейших рек, под общим руководством А.А.Тилло, давшая ценный материал по гидрологии верховий ваших основных водных артерий. Наиболее характерной особенностью каждой реки является ее режим, т. е. изменение на протяжении года ее уровней: расходов, наносов, температуры, химизма и т. д. Чтобы выяснить режим реки, необходимо определить отношение, какое существует между количеством осадков, выпавших в ее бассейне, и массой воды, стекающей рекой.

Для определения же этой последней достаточно знать площадь поперечного сечения реки (так называемое живое сечение) и среднюю скорость ее течения в данном месте, так как произведение этих двух величии и дает нам искомое количество воды, протекающее рекой в определенную единицу времени, например в секунду, в минуту и т. д. Однако определение расхода воды в реке в течение более или менее значительного промежутка времени, а в особенности целого года, нелегкая задача, так как и скорость течения и живое сечение-реки постоянно изменяются на протяжении года.

Определение скорости течения производится или при помощи простых поплавков, например бутылок, или при помощи более точных приборов, называемых вертушками.

Наблюдения показывают, что скорость течения в реке обычно уменьшается от верховьев вниз по течению. Причина этого заключается в том, что вода при своем движении испытывает трение, как внешнее о дно, берега и о воздух, так и внутреннее, вследствие неодинаковой скорости и различного направления движения частиц воды. В конце концов препятствия, испытываемые водой при ее движении, настолько велики, что поглощают все ускорение, приобретаемое водой при падении от истоков к устью.

Вследствие трения в данном живом сечении реки наибольшая скорость (в случае правильного поперечника реки) находится в середине, но не на поверхности, а на некоторой небольшой глубине, так как на поверхности вода испытывает трение о воздух. В случае несимметричности живого сечения наибольшая скорость будет над самой глубокой ложбиной реки, ближе к одному из берегов. Соединяя точки поперечных сечений реки, в которых течение наиболее быстрое, получим извилистую линию, которая называется стрежнем, или осью, реки. Наглядное понятие о распределении скоростей в данном живом сечении реки можно получить, соединив линиями - изотахами - точки, имеющие одинаковую скорость. По середине высшей изотахи проходит стрежень реки.

Если ветра нет и шероховатость дна обычна, то на каждой отдельной вертикали наибольшая скорость будет находиться от поверхности на расстоянии приблизительно 1/5 глубины вертикали.

Положение точки с наибольшей скоростью определяется соотношением между скоростями поверхностной и придонной (соотношением трения поверхностного и продольного). Увеличение шероховатости дна повлечет за собой уменьшение придонной скорости и соответствующее приближение точки с наибольшей скоростью к поверхности.

Уровень воды в реке не всегда одинаков. Во время прибыли (подъема) воды горизонт ее в середине русла несколько повышается, а во время убыли понижается в середине и повышается у берегов. Это объясняется тем, что дно русла около берегов создает сопротивление движению воды.

Схема живого течения при убыли и при резкой прибыли воды

При резкой убыли воды все плавающие на реке предметы (бревна, мусор и т. д.) втягиваются в среднюю ее часть, на прямом участке русла и ближе к вогнутому берегу на изгибе его. Особенно хорошо это видно весной, когда разлившаяся река входит в русло и отдельные льдины и другие плавающие предметы движутся по воде, строго очерчивая лентообразный контур стрежня.

Во время подъема воды различные плавающие предметы движутся у берегов, соскальзывая с водной выпуклости, образовавшейся в середине потока. Заплесок подрезается течением, от чего он делается обрывистым, вода имеет мутновато-желтый или темный цвет. При убыли воды заплесок увеличивается и становится пологим.

Направление стрежня особенно ярко выражено там, где течение сильное, а его поверхность, волнистая от ветра, представляет собою светлую, ясно очерченную лентообразную полосу, местами прерывающуюся.

Направления и скорости течений могут быть определены судоводителем по контурам берегов исходя из того, что стрежень проходит близко к вогнутым берегам. Если берег обрезной, то течение в непосредственной близости от него особенно быстрое. Скорость течения тем больше, чем меньше ширина русла и чем больше его уклон.

Направление и скорость течения можно определить по различным видимым с судна береговым предметам: кустам, сваям, камням и т. д. При большой скорости течения вода поднимается выше этих предметов, образуя подпор.

Затопленные кусты под напором течения ритмично раскачиваются, вибрируют, а от жестких предметов -- столбов, свай, мостовых опор -- отходят в стороны волны. Чем больше скорость течения, тем острее угол волнообразования и выше волна. При небольшом течении виден слабый след ниже предмета.

Направление и примерную скорость течения определяют по плывущим по поверхности воды предметам, в том числе и специально для этого брошенным в воду, и по расположению угла плотиков, на которых установлены бакены. Чем сильнее течение, тем больше наклоняются буи и вехи.

Встречный ветер, усиливая трение, уменьшает поверхностную скорость и удаляет наибольшую скорость от поверхности. В случае, если поверхностная скорость равна при этом придонной, наибольшая скорость окажется по середине вертикали. Зимой подо льдом, с сильно шероховатой нижней поверхностью, наибольшая скорость перемещается ближе ко дну.

Ветер, дующий по направлению течения, будет не тормозить поверхностные слои воды, а подгонять их, поэтому наибольшая скорость по вертикали поднимется на поверхность.

Таким образом, скорость течения определяется:

• 1) уклоном поверхности реки,
• 2) формой русла,
• 3) шероховатостью русла.

При этом нужно иметь в виду, что скорость определяется уклоном поверхности воды в реке, а не уклоном русла. Если поверхность воды горизонтальна (например перед плотиной), то течения не будет.

Формула Шези, давая зависимость скорости от факторов, ее определяющих, позволяет предвидеть, как будет меняться скорость при изменении этих факторов.

Вследствие неодинаковых скоростей движения воды в живом сечении поверхность реки не является горизонтальной; при повышении уровня реки к середине притекает более воды, чем к краям, и поверхность принимает выпуклый вид, что весьма наглядно обнаруживается, например, в наших реках до вскрытия льда: лед вследствие прибыли воды к середине принимает также выпуклую форму, причем поверхностные талые воды собираются около берегов, образуя здесь длинные лужи, тогда как поверхность льда посредине остается сухой. При спаде вод стекает наибольшее количество воды серединой реки, и поверхность реки принимает вогнутую форму. Проистекающая от этого разность уровней в Миссисипи достигает 2 м.

Кроме того, поперечный профиль реки искажается центробежной силой, силой Кориолиса, происходящей от вращения земли, и сгоно-нагонными ветрами, дующими поперек реки. Различают два типа движения жидкости - ламинарное и турбулентное.

Если скорость в каждой точке изобразить вектором (стрелкой, дающей направление скорости и ее величину), то при ламинарном движении вектор скорости в каждой заданной точке будет постоянен, не будет меняться. Такое движение жидкости наблюдается в узких трубочках при малых скоростях. В природе к ламинарному приближается движение подземных вод по мелким порам. Частным случаем ламинарного движения будет параллелоструйное.

Турбулентное движение характеризуется непостоянством, изменчивостью вектора скорости в каждой заданной точке живого сечения или вертикали. Эта изменчивость называется пульсацией. Таким образом, при турбулентном движении каждая отдельная частица воды, приходя в заданную точку, будет проходить ее в разных направлениях и с разной линейной скоростью. Турбулентное движение широко распространено в природе. Все достаточно быстро текущие поверхностные воды турбулентны. Можно с уверенностью утверждать, что реки имеют только турбулентное течение. Частным случаем турбулентного движения является вихревое (водовороты, воронки и т. д.).

Вектор скорости турбулентного движения можно разложить на составляющие - горизонтальную, вертикальную и боковую. Горизонтальная составляющая характеризует снос по течению, а вертикальная - перемещение частиц воды вверх или вниз.

Значение турбулентности речного течения исключительно велико. Ею определяется перемешивание речной воды и перенос материала во взвешенном состоянии.

Количество (объем) воды, протекающей через площадь живого сечения в единицу времени, называется расходом реки. Расход за продолжительное время называется стоком. Обычно различают сток годовой, месячный, суточный.

Зная массу воды, протекающей рекой в разные времена года, мы можем составить представление о ее режиме. Для наглядности можно выразить изменение расхода воды графически, обозначая количество воды, протекающее в данное время, прямоугольниками, пропорциональными соответствующим массам воды. Так как определение расхода сопряжено с большими трудностями и произведено для небольшого числа рек, то часто ограничиваются лишь наблюдениями по водомерной рейке над колебанием уровня реки и на основании этих колебаний судят и об изменении расхода, получая эмпирические формулы зависимости расхода от высоты уровня. Эти формулы теряют смысл, если русло неустойчиво (размывается или заносится).

Выпавшие на поверхности осадки, как известно, стекают, растворяются и просачиваются. Просочившаяся вода рано или поздно или испарится или присоединится к стоку, поэтому в среднем за большой промежуток времени можно считать, что выпавшая вода частью испаряется, а частью стекает. Если коэффициент стока равен 30%, то, это значит, что из общего количества выпавших осадков 30% стекли, а остальные 70% испарились.

Величина коэффициента стока определяется общей географической обстановкой - климатом, рельефом, растительностью. Так, для река северной Европы - Невы, Северной Двины, Печоры и др. - коэффициент стока больше 60%, для Дона он около 15%, для Нила - около 4%, для Амазонки - около 30%. Громадное испарение в бассейне Нила и слабое на севере Европы и дает такой резкий контраст. В разные годы для одной и той же реки коэффициент стока меняется в зависимости от количества осадков. Во влажные годы коэффициент стока больше, в засушливые - меньше.

В бессточных областях коэффициент стока равен нулю.

Среди причин, обусловливающих коэффициент стока, на первое место надо поставить климат данной местности. Температура влияет на форму выпадающих осадков и на ход испарения. Высокая температура и малая влажность уменьшают поверхностный сток и прекращают действие неглубоких источников. Во время зимнего покоя прекращается испарение растительности, промерзшая почва мешает проникновению воды в глубину. В местностях с продолжительными холодными зимами выпавший на зиму снег остается лежать до весны. Весной же коэффициент стока сильно повышается талыми водами.

Рельеф тоже оказывает влияние на величину коэффициента стока: значительной величины склон облегчает сток даже на проницаемых породах. Горные потоки после дождя несут громадное количество вод, а в без дождевое время почти пересыхают, не вследствие недостатка осадков, а вследствие того, что воды их слишком быстро стекают. Проницаемые породы обусловливают более равномерный сток, непроницаемые - режим потоков.

В горных местностях лес благотворно действует на режим рек, замедляя сток воды и тем предохраняя горные склоны от размыва. Вообще лес имеет регулирующее влияние на речной сток, уменьшая размер половодья и сохраняя запасы влаги к началу лета. Болота же, вопреки распространенному мнению, неблагоприятны для питания рек. Торф, подобно губке, во влажное время впитывает много воды, а в жары много испаряет. По исследованиям Оппокова, осушение болот не только не влечет за собой обмеления рек, но содействует более правильному их питанию.

Кроме коэффициента стока для характеристики стока пользуются также модулем стока.

Модулем стока называется выраженное в литрах количество воды, стекающее в среднем в одну секунду с 1 кв. км площади бассейна. Инженер Кочерин построил карту изолиний модуля стока для Европейской территории Союза. Зная средний модуль стока бассейна, можно рассчитать величину годового стока, умножив модуль стока на число секунд в году и на площадь бассейна. Также очевидно, что модуль стока тесно связан с количеством осадков, испарением, рельефом, растительностью и характером поверхности.

Движение воды в реках возникает в результате действия силы тяжести и, кроме того, оно зависит от силы Кориолиса, количества переносимого обломочного материала и других причин. Скорость движения потока пропорциональна уклону реки – чем больше уклон, тем больше скорость, следовательно, больше и эрозионная способность реки. Малейшее изменение уклона (тектоническим движением, наносами, врезанием) русла немедленно отражается на скоростном режиме водотока. Горные реки имеют большую скорость, равнинные – текут медленно, меандрируют, широко разливаются. Скорость реки определяется известной формулой Шези:

где: с – коэффициент Шези, зависящий от сил сопротивления в речном русле; R – гидравлический радиус (отношение площади живого сечения водотока к смоченному периметру русла), который в естественных потоках практически соответствует их средней глубине; i – уклон реки. Гидравлический радиус характеризует форму русла. Наименьших значений он достигает в очень широких, но неглубоких руслах, ширина которых более чем в 10 раз превышает глубину. В таком случае вода испытывает сильное торможение за счет трения о дно и берега русла и течет медленно. Быстрое течение наблюдается у потоков с наибольшим гидравлическим радиусом, которые при одном и том же сечении и уклоне имеют наименьший смоченный периметр. Поэтому всякая концентрация потока в узких руслах приводит к увеличению его скорости и усилению его эрозионной способности. Движение йоды вызывает непрерывную эрозию и аккумуляцию и, следовательно, постоянное изменение рельефа русла реки. Линия наибольшей поверхностной скорости потока называется стрежнем, который обычно совпадает с линией наибольших глубин (фарватером). В зависимости от изгибов реки по течению стрежень попеременно переходит от одного берега к другому.

От массы воды и ее скорости зависит кинетическая энергия и, следовательно, эрозионная и транспортирующая способность потока. Эта энергия расходуется на преодоление сопротивлении движению воды, на перенос взвешенных частиц твердого вещества, на перемещение обломков по дну реки и на ускорение течения потока. От скорости потока также в большой степени зависят величина обломков и общая масса транспортируемого рекой материала. Согласно закону Эри, вес тела, влекомого потоком, пропорционален шестой степени его скорости, т. е. если скорость потока увеличивается в два раза, то вес увлекаемых им обломков – до 64 раз. Такой же закономерности подчиняется и общий объем переносимых наносов. При увеличении скорости, например, в 4 раза масса транспортируемого материала увеличивается в 4е, т. е. в 4096 раз. Поэтому неудивительно, что горные реки, перемещающие в межень по дну лишь небольшие гальки, во время половодья транспортируют громадные валуны и большое количество наносов. Однако эти же валуны и наносы останутся лежать спокойно на дне мощной, но медленно текущей равнинной реки.

Поскольку величина обломков речных отложений зависит от массы и скорости потока, по составу осадков можно судить о характере русловых процессов древних рек. Если в обнажениях сверху лежат крупные обломки, внизу – тонкие частицы, то эрозия постепенно усиливалась, при обратном соотношении – происходили ослабление ее и аккумуляция.

Вода и русло всегда взаимосвязаны, поэтому в каждом русловом потоке существует два основных взаимодействия: с одной стороны русло управляет потоком, а с другой – поток руслом. В первом случае рельеф русла вызывает изменение скоростного режима реки; во втором – меняется форма самого русла под влиянием размывающей деятельности потока. Например, на расширенных участках русла поток распластывается, теряя скорость, или на сужениях реки поток увеличивает скорость, интенсивно размывает русло, меняя рельеф долины. Если дно реки сложено устойчивыми коренными породами, то как поток, так и русло становятся более устойчивыми. Однако поток, находясь в постоянном взаимодействии с руслом, постоянно стремится к некоторым более или менее устойчивым формам движения, что, по М. А. Великанову (1958), находит объяснение в стремлении его к наименьшей затрате энергии на преодоление всех сопротивлений при движении, по принципу диссипации (связанной с потерей энергии) руслового потока. Такой устойчивой формой движения реки является меандрирование.

Скорость течения зависит от ширины русла и перепада высот. Измеряется она гидрометрической вертушкой. Делается 5 замеров на определнной глубине на разных участках. Скорость течения в Амазонке, которая считается самой быстрой рекой составляет 4,5-5 м/сек. или около 15 км/час.

Река из Южной Америки - Амазонка считается рекой с максимальной скоростью течения.

По результатам исследований эта река самая длинная в мире. Ко всему прочему, е переплыть можно только на пароме, мосты через эту реку не построены из-за е приличной ширины.

Средняя скорость порядка 15 км/ч. Но во время приливов с океана Амазонка движется ещ быстрее.

Насчет максимальной скорости конкретной реки я информацию найти не смогла, поэтому не скажу. Скорость же течения зависит от: 1 рельефа и подстилающей поверхности. Равнинные реки или реки в равнинных частях гораздо медленнее, поскольку нет уклона и вода не набирает определенной скорости. По равнинам вода течет медленнее и из-за сдерживающих факторов подстилающей поверхности, земли, более рыхлой нежели горные породы. 2. От скорости ветра. Ветер является определенным подгоном для воды, формируя волну. 3. Динамика движения реки зависит и от количества наносов, т.е. того природного или антропогенного материала который переносит вода. Большое количество наносов тормозит движение воды. Есть еще факторы, но эти самые заметные.

Самой быстрой рекой считают Амазонку. Измеряют скорость течения в метрах в секунду. Но, конечно же, скорость реки меняется на всем ее протяжении: у истока она меньше, чем в устье, а максимальна в среднем течении реки, где скорость увеличивается еще и за счет мощности водного потока. Скорость течения зависит от мощности водного потока и от уклона местности, по которой течет река. Средняя скорость рассчитывается по нескольким замерам, как правило, в пяти разных точках русла. У Амазонки это 4,5-5 м/с или 10-15 км/час. Амазонка еще и самая длинная, полноводная и глубокая река в мире.



Насколько помню из школьной географии,что самая быстрая река в мире-это Амазонка.скорость зависит от уклонов где протекает река.Существует верхнее,среднее и нижнее течение.В верхнем течении и скорость самая высокая.

Вообще, у любой реки скорость течения не является постоянной величиной на всм протяжении реки - она изменяются и по глубине, и по ширине. Для определения средней скорости реки делают, как минимум, 5 замеров в разных местах - в истоке, середине и устье реки .

Необходимые предметы:

1) гидрометрическая вертушка



2) вспомогательное оборудование - гидрометрическая штанга, трос, вертлюг, гидрометрические грузы и лебдки.

3) секундомер.

Что влияет на скорость реки

1) Уклон русла, а также его ширина - скорость находится в прямой зависимости от уклона русла.

2) Рельеф местности - горные реки имеют более быстрое течение.

3) Неровности на дне реки - скорости в потоке перед препятствием в этом случае резко уменьшаются ко дну.

4) Ветер - если направление ветра против течения, то скорость реки снижается.

5) Наличие водной растительности.

Самая быстрая река

Ей является южноамериканская река Амазонка - она имеет среднюю скорость 4,5-5 метров в секунду или 15 километров в час .

Также Амазонке принадлежит ещ ряд рекордов:

Скорости течения речного потока (или кинематики потока) подробно изучаются в курсе гидравлики. Здесь же мы обратим внимание лишь на те особенности кинематики потока, которые необходимо знать для понимания основных разделов гидрологии.

Вода в реках движется под действием силы тяжести. Скорость течения зависит от соотношения между величиной составляющей силы тяжести, параллельной линии продольного уклона потока и силы сопротивления, возникающего в потоке в результате трения движущейся массы воды между дном и берегом. Величина продольной составляющей силы тяжести зависит от уклона русла, а сила сопротивления - от степени шероховатости русла. Если сопротивление оказывается равным движущей силе, то движение воды становится равномерным. Если же движущая сила превышает силу сопротивления, движение приобретает ускорение; при обратном соотношении этих сил движение замедляется. Существует две категории движения воды - ламинарное и турбулентное.

Ламинарное движение представляет собой параллелоструйчатое движение. Ламинарное движение отличается следующими особенностями: 1) Все частицы потока движутся в одном общем направлении, не испытывая поперечных отклонений; 2) скорость течения воды плавно возрастает от нуля у стенка русла до максимума на свободной поверхности; 3) скорость течения прямо пропорциональна уклону свободной поверхности и зависит от вязкости жидкости.

Турбулентное движение имеет следующие особенности: 1) скорости потока пульсируют, т. е. направление и величина скорости в каждой точке все время колеблется; 2) Скорость течения от нуля на стенке быстро растет в пределах тонкого придонного слоя; в дальнейшем, по направлению к водной поверхности скорость возрастает медленно; 3) скорость течения воды не зависит или почти не зависит от вязкости жидкости и при отсутствии влияния вязкости пропорциональна корню квадратному из уклона.; 4) частицы воды перемещаются не только вдоль потока, но также по вертикали и в поперечном направлении, т.е. происходит перемещивание всей текущей массы воды.

Таким образом в турбулентном движении установлено, что в открытых потоках амплитуда пульсаций увеличивается от поверхности ко дну. В поперечном сечении потока амплитуда пульсаций возрастает от оси потока к берегам.

В связи с извилистостью и разнообразными формами русел течение воды в реках почти никогда не бывает параллельно берегам, и водный поток разбивается на отдельные так называемые внутпенние течения. Эти течения размывают русло, переносят продукты размыва (наносы) и откладывают их в русле, в результате чего возникают косы, осередки, перекаты, перевалы и другие подводные препятствия.

В речном потоке существуют следующие внутренние течения: 1) течение, вызываемое кривизной русла; 2) течение, возникающее при вращении земли вокруг оси; 3) вращательное (вихревое) движение воды, обусловленное недостаточной обтекаемостью русловых форм.

Различают мгновенную скорость и местную скорость в точке потока. Мгновенной скоростью (U) (см. рис. 1) называется скорость в данной точке потока в данное мгновение. В прямоугольной системе координат мгновенная скорость имеет продольную составляющую, направленную горизонтально вдоль продольной оси потока и вертикальную - направленную по вертикальной оси потока.

В практических расчетах, как правило, приходится иметь дело со скоростями течения, осредненными во времени. Скорость течения в точке потока, осредненная за достаточно продолжительный период времени, называется местной скоростью и определяется выражением

где - площадь графика пульсации скорости в пределах периода времени T (рис. 1).

Рис. 1. График пульсаций продольной составляющей скорости течения воды.

Распределение скоростей в речном потоке.

Распределение скоростей течения воды в речном потоке разнообразно и зависит от типа реки (равнинная, горная и др.), морфометрических особенностей, шероховатости русла, уклона водной поверхности. При всем разнообразии существуют некоторые общие закономерности в распределении скоростей по глубине и по ширине реки.

Рассмотрим распределение продольных скоростей на различных глубинах по вертикали. Если от направления вертикали отложить величины скоростей и соединить их концы плавной линией, то эта линия будет представлять собой профиль скоростей. Фигура, ограниченная профилем скоростей, направлением вертикали, линиям поверхности воды и дна, называется эпюрой скоростей (рис. 2). Как видно из рисунка 2, наибольшая скорость (в открытом потоке) наблюдается обычно на поверхности (U пов). Скорость у дна потока называется донной скоростью (U д).

Если измерить площадь эпюры скоростей и разделить ее на глубину вертикали, то получим величину, которая называется средней скоростью на вертикали и выражается формулой

(2)

Средняя скорость на вертикали открытого потока располагается на глубине от поверхности, равной примерно 0.6h .

Нормальный вид профиля скоростей, показанный на рис. 2, в условиях естественных водотоков может искажаться воздействием различных факторов: неровностями дна, водной растительностью, ветром, ледяными образованиями и др.

При значительных неровностях дна скорость у дна может резко снижаться, примерно так, как показано на рис. 3.

При ветре по течению поверхностные скорости могут увеличиваться, а уровень воды несколько понижаться; при ветре против течения наблюдается обратная картина (рис. 4).

Подобно эпюрам скоростей на вертикалях можно построить эпюру скоростей по ширине реки (рис. 5), например поверхностных или средних скоростей на вертикалях очертания эпюры обычно следуют очертаниям дна; местоположение наибольшей скорости приближенно совпадает с положением наибольшей глубины.

При наличии ледяного покрова влияние шероховатости нижней поверхности льда обуславливает смещение максимальной скорости на некоторую глубину от поверхности, обычно на (0.3-0.4)h (рис. 6а). Если имеется подледная шуга, то смещение максимальной скорости вниз может быть еще более значительным, до (0.6-0.7)h (рис. 6б).

Средние скорости течения изменяются по длине реки в силу непостоянства размеров поперечного сечения русла. В конкретном поперечном створе средняя скорость находится путем осреднения местных скоростей, измеренных в отдельных точках потока по глубине и ширине реки. В свою очередь, местные скорости в различных точках потока существенно различаются между собой. У поверхности они обычно больше, чем у дна, а у берегов, наоборот, меньше, чем в средней части реки.

На это распределение сильно влияет форма поперечного сечения русла и условия движения воды на участке.

Наличие растительности или другой дополнительной шероховатости у дна реки приводит к уменьшению придонных скоростей течения воды. Образование ледового покрова на свободной поверхности зимой создает дополнительное сопротивление движению воды. В результате этого поверхностные скорости течения уменьшаются, а максимум скоростей перемещается в толщу потока. Это приводит к тому, что средние скорости в поперечном сечении реки зимой также уменьшаются, по сравнению с летним периодом времени при прочих равных условиях.

Для анализа распределения местных скоростей течения по живому сечению на практике их измеряют в отдельных точках по глубине потока на целом ряде скоростных вертикалей , намечаемых по ширине реки. На рис. 4.4 показан профиль поперечного сечения русла реки с измеренными скоростями течения на вертикалях. В данном примере скорости течения измерялись в 5 точках по глубине потока. На профиле реки изображены изотахи – линии равных скоростей в поперечном сечении русла.

В верхней части построения показана эпюра распределения средних скоростей течения на вертикалях по ширине реки, а пунктиром – величина средней по живому сечению скорости течения.

По данным измерения скоростей течения воды в отдельных точках по глубине потока может быть построена эпюра их распределения по вертикали. Пример такого построения приводится на рис. 4.5. По вертикальной оси на этом графике в масштабе откладываются расстояния от свободной поверхности воды до точек измерения скоростей, а по горизонтальной – значения этих скоростей. Средняя скорость на вертикали находится обычно на расстоянии 0.4h , считая от дна реки.

В каждом конкретном случае распределение скоростей течения по вертикали и по ширине русла зависит от условий движения воды на участке. Обычно максимум поверхностных скоростей потока и наибольшие средние скорости течения на вертикалях наблюдаются в районе максимальных глубин в живом сечении русла. На перекатах эпюра средних скоростей течения выравнивается по ширине реки по сравнению с плесовыми лощинами. Наибольшая неравномерность распределения скоростей по ширине реки наблюдается на участках поворота русла. В этом случае максимальные скорости течения сосредотачиваются у вогнутого – прижимного берега реки. На рис. 4.6 приведены эпюры распределения средних на вертикалях скоростей течения на перекатном участке реки.

Рис. 4.6. Распределение средних скоростей течения

на перекатном участке реки

Анализ распределения скоростей течения по ширине реки показывает, что на стрежне потока, в наиболее глубокой части русла, фактические скорости течения воды всегда больше, чем средние по живому сечению.

Поэтому, при выполнении технико-экономических расчетов вводится понятие эксплуатационной скорости течения , величина которой может быть найдена из следующей зависимости:

, (4.8)

где: Vср – средняя скорость потока по живому сечению в рассматриваемом створе реки, м/c;

DV – разница между скоростью течения на оси судового хода и средней скоростью по живому сечению в данном створе реки, м/c.

Величина средней скорости течения может быть определена по формуле Шези или на основе натурных измерений. Скорости течения в реке измеряются специальными приборами – гидрометрическими вертушками (рис. 4.7) или с помощью пуска поплавков. Определить значение величины DV непосредственными измерениями на протяженном участке реки представляется весьма затруднительным.

Рис. 4.7. Гидрометрическая вертушка:

1 – лопасти; 2 – корпус; 3 – хвостовая часть;

4 – штанга; 5 – электрические клеммы

На практике эксплуатационную скорость для отдельного участка реки определяют в результате измерения скорости движения судна относительно берега при следовании по течению Vвн и против течения Vвв по формуле

. (4.9)

Для приближенных расчетов часто принимают

Зная эксплуатационную скорость течения, можно найти скорость хода судна относительно берега:

при движении вниз по течению

, (4.11)

при движении вверх против течения

, (4.12)

где: Vс – скорость хода судна в спокойной воде (при отсутствии течения), м/c.

Полученные значения скоростей движения судов используются на практике при планировании времени доставки грузов и составлении диспетчерских графиков.

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:

При строительстве многих инженерных сооружений на реках необходимо знать количество воды, протекающей в том или ином месте в секунду, или, как говорят, расход воды. Это нужно для определения длины мостов, плотин, а также для орошения и водоснабжения.

Расход воды измеряется обычно кубическими метрами в секунду. Расход воды в половодье сильно отличается от расхода в межень, то есть при низких летних уровнях. В таблице 7 для примера приведены расходы по некоторым рекам.

Если мы разрежем мысленно реку поперёк течения, то получим так называемое «живое сечение» реки. Распределение скорости течения по живому сечению реки весьма неравномерно. На скорость течения влияет и глубина русла, и форма его, и препятствия, которые встречает на своём пути река, например опора моста, остров и т. д.

Обычно у берегов скорость меньше, а на середине, в более глубокой части реки, скорость значительно больше, чем в мелкой. В верхней части потока скорости бывают больше, а чем ближе ко дну, тем меньше. На ровном участке реки наибольшая скорость бывает обычно несколько ниже поверхности воды, но иногда наибольшая скорость наблюдается и на поверхности.

Если течение наталкивается на препятствие, например на опору моста, островок, то наибольшие скорости могут переместиться ближе ко дну реки. На старицах в половодье скорости вблизи дна падают до нуля.

На рисунке 14 показано распределение скоростей течения по живому сечению Волги около Саратова в половодье. Скорость на поверхности в левом рукаве 1,3 в секунду, а в правом 1,7 в секунду. Над островом, который в половодье покрыт водой, скорости падают до 0,5 в секунду. На дне реки скорости падают до 0,4 . Летом наибольшая скорость на этом участке в главном русле была не более 0,4 в секунду.

Вдоль реки скорости могут также сильно меняться в зависимости от очертаний живого сечения. Например, четырнадцатью километрами ниже Саратова, у Увека, где русло не имеет островов и стеснено дамбами, в половодье поверхностная скорость доходила до 3 в секунду, в то время, как у Саратова скорость была до 1,8 в секунду.

В глубоких местах на реке, которые называются плёсами, живое сечение больше. На мелких местах или перекатах живое сечение значительно меньше. Поскольку на коротком участке по длине реки расходы воды равны, а сечения на плёсе больше, чем на перекате, то и скорости течения будут разные: в глубоком месте вода идёт тихо, а на перекате - значительно быстрее.

Скорость течения зависит ещё от уклона потока, шероховатости дна и глубины. Чем больше уклон, чем ровнее ложе и чем правильнее его очертания, тем выше скорость течения. Примерные величины скорости на реках указаны в таблице 8.

В таблице указана «средняя скорость». Эта скорость определяется путём деления расхода воды на площадь живого сечения реки. Наибольшая поверхностная скорость обычно раза в полтора больше, а донная - в полтора раза меньше средней скорости.

Измерением скоростей и расходов воды рек занимается наука гидрометрия.

Скорость течения воды можно измерить очень простым путём.

Для этого нужно по берегу отмерить, хотя бы шагами, определённое расстояние, установить отметки и бросить в воду несколько выше верхней отметки поплавок или просто щепку. Время прохода поплавка от одной отметки до другой измеряется по часам с секундной стрелкой. Разделив расстояние между заметками на время, которое поплавок плыл от одной отметки до другой, мы получим поверхностную скорость потока в этом месте.

На изысканиях проход поплавков засекают специальным угломерным инструментом.

Наиболее точно можно измерить скорость с помощью гидрометрических вертушек (рис. 15). Эти вертушки на металлическом стержне (при глубинах до 4)или на тросе (при любой глубине) опускают со специально оборудованных судов в воду на разную глубину. Как только вертушка сделает определённое число оборотов, электрические провода в ней замыкаются, по вертушке идёт ток, и наверху получается короткий звонок. Промежуток времени между отдельными звонками соответствует определённой скорости течения. Опуская вертушку всё ниже и ниже, можно измерить скорости по всей глубине реки на данной вертикали.

Расход воды на реке подсчитывается так. На каждой из 10–20 вертикалей, расположенных поперёк течения на одинаковом расстоянии друг от друга, определяют среднюю скорость течения, которую затем умножают на площадь живого сечения реки между вертикалями. Полученные таким путём отдельные частные расходы между вертикалями складывают. Сумма даёт общий расход реки, выраженный в кубических метрах в секунду.

В заключение приведём некоторые сведения о переправе через реки вброд.

Переправу вброд можно делать, в зависимости от скорости, при разной глубине. Как правило, при скорости 1,5 можно идти вброд на глубине 1 , верхом на лошади - при глубине 1,2 , на автомашине - при глубине в 0,5 . При скорости 2 идти вброд можно на глубине 0,6 , переходить реку верхом - на глубине 1 , на автомашине - при глубине 0,3 Если вода неподвижна, наибольшая глубина для перехода вброд определяется только ростом человека и конструкцией машины.

Есть несколько способов измерения скорости реки. Можно это сделать при решении математических задач, когда есть какие-то данные, а можно это сделать, применив практические действия.

Скорость течения реки

Скорость течения зависит впрямую от уклона русла. Уклон русла это отношение разности высот двух участков, пунктов к длине участка. Чем больше уклон, тем скорость течения реки больше.

Чему равна скорость течения реки, можно узнать, пройдя на лодке по течению реки вверх, а затем вниз по течению. Скорость лодки по течению — V1, скорость лодки против течения — V2. Чтобы рассчитать скорость течения реки нужно (V1 — V2): 2.

Для измерения скорости течения воды используют специальный прибор лаг, вертушка, состоящая из лопасти, корпуса, хвостовой части, ротор.

Есть еще один простейший способ, как найти скорость течения реки.

Отмерить вверх по течению 10 метров, можно шагами. Своим ростом будет точнее. Затем сделать отметку на берегу камнем или веткой, бросить щепку в реку выше отметки. После того, как щепка поравняется с отметкой на берегу, нужно начать отсчитать секунды. Затем отмеренное расстояние в 10 метров разделить на количество секунд за это расстояние. Например, 10 метров щепка проплыла за 8,5 секунд. Скорость течения реки будет 1,18 метров в секунду.

Элементы водного режима и методы наблюдений за ними

(по Л. К. Давыдову)

Под влиянием ряда причин, о которых будет сказано ниже, изменяются расходы воды в реках, положение уровенной поверхности ее уклоны и скорости течения. Совокупное изменение расходов воды, уровней, уклонов и скоростей течения во времени называется водным режимом, а изменение величин расходов, уровней, уклонов и скоростей в отдельности — элементами водного режима.

Расходом воды (Q) называется то количество воды, которое протекает через данное живое сечение реки в единицу времени. Величина расхода выражается в м3/с. Уровень воды (H) — высота поверхности воды (в сантиметрах), отсчитываемая от некоторой постоянной плоскости сравнения.

Наблюдения за уровнями и методы их обработки

Наблюдения за колебанием уровня проводятся на водомерных постах (рис. 73) и заключаются в измерении высоты водной поверхности над некоторой постоянной плоскостью, принимаемой за начальную, или нулевую. За такую плоскость обычно принимают плоскость, проходящую через отметку несколько ниже наинизшего уровня воды. Абсолютную или относительную отметку этой плоскости называют нулем графика, в превышениях над которым и даются все уровни.

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

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 проводятся при помощи переносной рейки. Для этого в русло реки и на пойме забивается ряд расположенных в створе свай.

Отметки головок свай связываются нивелировкой с репером водомерного поста, установленным на берегу, абсолютная или относительная отметка которого известна. Переносной рейкой, устанавливаемой на головке сваи, измеряют уровень воды. Зная отметку головки каждой сваи, можно выразить все измеренные уровни в превышениях над нулевой поверхностью, или нулем графика. Наблюдения на водомерных постах обычно проводятся 2 раза в сутки — в 8 и 20 часов. В период, когда уровни быстро меняются, в течение суток проводятся дополнительные наблюдения через 1, 2, 3 или 6 часов. Для непрерывной регистрации уровней в течение суток применяются самописцы уровней, описание которых можно найти в учебнике гидрометрии (В. Д. Быков и А. В. Васильев). Там же можно ознакомиться с автоматическим режимным регистрирующим (уровень и температуру воды) гидрологическим постом. Переход к автоматизированной системе наблюдений ускоряет получение гидрологической информации и повышает эффективность ее использования.

По данным всех измерений вычисляются средние уровни за каждый день и составляются таблицы ежедневных средних уровней за год. В этих таблицах помещаются, кроме того, средние уровни за каждый месяц и за год и выбираются наивысшие и наинизшие уровни за каждый месяц и год.

Средние, наибольшие и наименьшие уровни называются характерными уровнями. Данные наблюдений за уровнями публикуются в СССР в специальных изданиях — гидрологических ежегодниках. В дореволюционный период эти данные публиковались в "Сведениях об уровнях воды на внутренних водных путях России по наблюдениям на водомерных постах".

По данным ежедневных наблюдений за уровнями строятся графики их колебаний, дающие наглядное представление об уровенном режиме за данный год.

Методы измерения скоростей течения рек

Скорости течения рек обычно измеряются либо поплавками, либо гидрометрическими вертушками. В отдельных случаях величина средней скорости для всего живого сечения вычисляется по формуле Шези. Простейшие и наиболее часто употребляемые поплавки изготовляются из дерева. Поплавки сбрасываются в воду на малых реках с берега, на больших — с лодки. По секундомеру определяется время t прохождения поплавка между двумя соседними створами, расстояние l между которыми известно. Поверхностная скорость течения приравнивается скорости движения поплавка

Более точно скорости течения измеряются при помощи гидрометрической вертушки. Она позволяет определять осредненную скорость течения в любой точке потока. Вертушки бывают различных типов. В СССР в настоящее время рекомендуются к употреблению модернизированные гидрометрические вертушки Жестовского и Бурцева ГР-21М, ГР-55, ГР-11.

При измерении скоростей вертушка на штанге или тросе опускается в воду на различные глубины так, чтобы ее лопасти были направлены против течения. Лопасти начинают вращаться, и тем быстрее, чем больше скорость течения. Через определенное число оборотов оси вертушки (обычно через 20) при помощи специального приспособления подается световой или звуковой сигнал. По промежутку времени между двумя сигналами определяется число оборотов в секунду.

Вертушки тарируются в специальных лабораториях или на заводах, где они изготовляются, т. е. устанавливается зависимость между числом оборотов лопасти вертушки в секунду (n об/с) и скоростью течения (v м/с). По этой зависимости, зная п, можно определить v. Измерения вертушкой производятся на нескольких вертикалях, в нескольких точках на каждой из них.

Методы определения расходов воды

Расход воды в данном живом сечении может быть определен по формуле

Где v — средняя скорость для всего живого сечения; w — площадь этого сечения. Последняя определяется в результате промеров глубин русла реки по поперечному створу.

По приведенной формуле расход вычисляется лишь в том случае, если скорость определена по формуле Шези. При измерении скоростей поплавками или вертушкой на отдельных вертикалях определение расхода производится иначе. Пусть в результате измерений известны средние скорости для каждой вертикали. Тогда схема вычисления расхода воды сводится к следующему. Расход воды можно представить в виде объема водяного тела — модели расхода (рис. 76 а), ограниченного плоскостью живого сечения, горизонтальной поверхностью воды и криволинейной поверхностью v = f(H,В), показывающей изменение скорости по глубине и ширине потока. Этот объем, а следовательно, и расход выражается формулой

Так как математически закон изменения v = f(H,В) неизвестен, расход вычисляется приближенно.

Рис. 76 Схема к вычислению расхода воды. а — модель расхода, б — частичный расход.

Модель расхода можно разделить вертикальными плоскостями, перпендикулярными площади живого сечения, на элементарные объемы (рис. 76 б). Общий расход вычисляется как сумма частичных расходов AQ, каждый из которых проходит через часть площади живого сечения wi, заключенную между двумя скоростными вертикалями или между урезом и ближайшей к нему вертикалью.

Таким образом, общий расход Q равен

где К — переменный параметр, зависящий от характера берега и изменяющийся от 0,7 до 0,9. При наличии мертвого пространства K = 0,5.

Средняя скорость для всего живого сечения при известном расходе воды Q вычисляется по формуле vcр =Q/w .

Для измерения расходов воды применяются и другие методы, например на горных реках используется метод ионного паводка.

Подробные сведения по определению и вычислению расходов воды излагаются в курсе гидрометрии. Между расходами воды и уровнями существует определенная зависимость Q — f(H), известная в гидрологии как кривая расходов воды. Подобная эмпирическая кривая представлена на рис. 77 а.

Она проведена по измеренным расходам воды в реке в период, свободный ото льда. Точки, соответствующие зимним расходам воды, ложатся влево от летней кривой, так как расходы, измеренные при ледоставе Qзим (при одной высоте стояния уровня), меньше летних QЛ. Уменьшение расходов есть следствие увеличения шероховатости русла при ледовых образованиях и уменьшения площади живого сечения. Соотношение между Qзим и Qл, выражаемое переходным коэффициентом

Не остается постоянным и изменяется во времени с изменением интенсивности ледовых образований, толщины льда и шероховатости его нижней поверхности. Ход изменений Кзим=f(Т) от начала замерзания до вскрытия показан на рис. 77 б.

Кривая расходов позволяет определять ежедневные расходы воды реки по извест-ным уровням, наблюдаемым на водомерных постах. Для периода, свободного ото льда, пользование кривой Q = f(H) не вызывает затруднений. Ежедневные расходы при ледоставе или других ледовых образованиях можно определить с помощью той же кривой Q = f(H) и хронологического графика Kзим = f/(T), с которого снимаются значения Кзим на нужную дату:

QЗИМ = Kзим Qл

Существуют и другие способы определения зимних расходов, например по "зимней" кривой расходов, если ее удается построить.

Однозначность кривой расходов воды в ряде случаев нарушается и в период, свободный ото льда. Наиболее часто это наблюдается при неустойчивом русле (намыв, размыв), а также при возникновении переменного подпора, вызванного несовпадением хода уровней данной реки и ее притока, работой гидротехнических сооружений, зарастанием русла водной растительностью и другими явлениями. В каждом из этих случаев выбираются те или иные способы определения ежедневных расходов воды, излагаемые в курсе гидрометрии.

По данным ежедневных расходов воды можно вычислить средние расходы за декаду, месяц, год. Средние, наибольшие и наименьшие расходы за данный год или за ряд лет называются характерными расходами. По данным ежедневных расходов строится календарный (хронологический) график колебаний расходов воды, называемый гидрографом (рис.78).

Рис. 78. Гидрограф.

Механизм течения рек

(по Л. К. Давыдову)

Движение ламинарное и турбулентное

В природе существуют два режима движения жидкости, в том числе и воды: ламинарное и турбулентное. Ламинарное движение — параллельноструйное. При постоянном расходе воды скорости в каждой точке потока не изменяются во времени ни по величине, ни по направлению. В открытых потоках скорость от дна, где она равна нулю, плавно возрастает до наибольшей величины на поверхности. Движение зависит от вязкости жидкости, и сопротивление движению пропорционально скорости в первой степени. Перемешивание в потоке носит характер молекулярной диффузии. Ламинарный режим характерен для подземных потоков, протекающих в мелкозернистых грунтах.

В речных потоках движение турбулентное. Характерной особенностью турбулентного режима является пульсация скорости, т. е. изменение ее во времени в каждой точке по величине и направлению. Эти колебания скорости в каждой точке совершаются около устойчивых средних значений, которыми обычно и оперируют гидрологи. Наибольшие скорости наблюдаются на поверхности потока. В направлении ко дну они уменьшаются относительно медленно и в непосредственной близости от дна имеют еще достаточно большие значения. Таким образом, в речном потоке скорость у дна практически не равна нулю. В теоретических исследованиях турбулентного потока отмечается наличие у дна очень тонкого пограничного слоя, в котором скорость резко уменьшается до нуля.

Турбулентное движение практически не зависит от вязкости жидкости. Сопротивление движению в турбулентных потоках пропорционально квадрату скорости.

Экспериментально установлено, что переход от ламинарного режима к турбулентному и обратно происходит при определенных соотношениях между скоростью vср и глубиной Hср потока. Это соотношение выражается безразмерным числом Рейнольдса

знаменатель (ν) — коэффициент кинематической вязкости.

Для открытых каналов критические числа Рейнольдса, при которых меняется режим движения, изменяются примерно в пределах 300-1200. Если принять Re = 360 и коэффициент кинематической вязкости = 0,011, то при глубине 10 см критическая скорость (скорость, при которой ламинарное движение переходит в турбулентное) равна 0,40 см/с; при глубине 100 см она снижается до 0,04 см/с. Малыми значениями критической скорости объясняется турбулентный характер движения воды в речных потоках.

По современным представлениям (А. В. Караушев и др.), внутри турбулентного потока в различных направлениях и с различными относительными скоростями перемещаются элементарные объемы воды (структурные элементы), обладающие различными размерами. Таким образом, наряду с общим движением потока можно заметить движение отдельных масс воды, в течение короткого времени ведущих как бы самостоятельное существование. Этим, очевидно, объясняется появление на поверхности турбулентного потока маленьких воронок — водоворотов, быстро появляющихся и так же быстро исчезающих, как бы растворяющихся в общей массе воды. Этим же объясняется не только пульсация скоростей в потоке, но и пульсации мутности, температуры, концентрации растворенных солей.

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

Рис. 65. Примеры кривой водной поверхности потока. а — крикая подпора, б — кривая спада (по А. В. Караушеву).

Движение воды в реках

Вода в реках движется под действием силы тяжести F’. Эту силу можно разложить на две составляющие: параллельную дну Fx и нормальную ко дну F’y (см. рис. 68). Сила F’ уравновешивается силой реакции со стороны дна. Сила F’х, зависящая от уклона, вызывает движение воды в потоке. Эта сила, действуя постоянно, должна бы вызвать ускорение движения. Этого не происходит, так как она уравновешивается силой сопротивления, возникающей в потоке в результате внутреннего трения между частицами воды и трения движущейся массы воды о дно и берега. Изменение уклона, шероховатости дна, сужения и расширения русла вызывают изменение 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) равномерное, 2) неравномерное, 3) неустановившееся. При равномерном движении скорости течения, живое сечение, расход воды постоянны по длине потока и не меняются во времени. Такого рода движение можно наблюдать в каналах с призматическим сечением.

При неравномерном движении уклон, скорости, живое сечение не изменяются в данном сечении во времени, но изменяются 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.

Неустановившееся движение — это такое, при котором все гидравлические элементы потока (уклоны, скорости, площадь 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 I равен уклону дна i и водная поверхность параллельна выровненной поверхности 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 < i), и глубина возрастает в направлении течения. При ускоряющемся течении кривая свободной поверхности потока называется кривой спада; глубина убывает вдоль потока, скорость и уклон возрастают (I > i) (рис. 65).

Рис. 68. Схема к выводу уравнения Шези (по А. В. Караушеву).

Скорости течения воды и распределение их по живому сечению

Скорости течения в реках неодинаковы в различных точках потока: они изменяются и по глубине и по ширине живого сечения. На каждой отдельно взятой вертикали наименьшие скорости наблюдаются 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 0,2H от поверхности. Кривые изменения скоростей по вертикали называются годографами или эпюрами скоростей (рис. 66). На распределение скоростей по вертикали большое влияние оказывают неровности в рельефе дна, ледяной покров, ветер и водная растительность. При наличии на дне неровностей (возвышения, валуны) скорости в потоке перед препятствием резко уменьшаются ко дну. Уменьшаются скорости в придонном слое при развитии водной растительности, значительно повышающей шероховатость дна русла. Зимой подо льдом, особенно при наличии шуги, под влиянием добавочного трения о шероховатую нижнюю поверхность льда скорости малы. Максимум скорости смещается к середине глубины и иногда расположен ближе ко дну. Ветер, дующий в направлении течения, увеличивает скорость у поверхности. При обратном соотношении направления ветра и течения скорости у поверхности уменьшаются, а положение максимума смещается на большую глубину по сравнению с его положением 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, в центре потока она наибольшая. Линия, соединяющая точки на поверхности реки с наибольшими скоростями, называется стрежнем. Знание положения стрежня имеет большое значение при использовании рек для целей водного транспорта и лесосплава. Наглядное представление о распределении скоростей в живом сечении можно получить построением изотах — линий, соединяющих в живом сечении точки с одинаковыми скоростями (рис. 67). Область максимальных скоростей расположена обычно на некоторой глубине от поверхности. Линия, соединяющая по длине потока точки отдельных живых сечений с наибольшими скоростями, называется динамической осью потока.

Рис. 66. Эпюры скоростей. а — открытое русло, б — перед препятствием, в — ледяной покров, г — скопление шуги.

Средняя скорость на вертикали вычисляется делением площади эпюры скоростей на глубину вертикали или при наличии измеренных скоростей в характерных точках по глубине (VПОВ, V0,2, V0,6, V0,8, VДОН) по одной из эмпирических формул, например

Средняя скорость в живом сечении. Формула Шези

Для вычисления средней скорости потока при отсутствии непосредственных измерений широко применяется формула Шези. Она имеет следующий вид:

где Hср — средняя глубина.

Величина коэффициента С не является величиной постоянной. Она зависит от глубины и шероховатости русла. Для определения С существует несколько эмпирических формул. Приведем две из них:

формула Манинга

формула Н. Н. Павловского
где n — коэффициент шероховатости, находится по специальным таблицам М. Ф. Срибного. Переменный показатель в формуле Павловского определяется зависимостью.

Из формулы Шези видно, что скорость потока растет с увеличением гидравлического радиуса или средней глубины. Это происходит потому, что с увеличением глубины ослабевает влияние шероховатости дна на величину скорости в отдельных точках вертикали и тем самым уменьшается площадь на эпюре скоростей, занятая малыми скоростями. Увеличение гидравлического радиуса приводит и к увеличению коэффициента С. Из формулы Шези следует, что скорость потока растет с увеличением уклона, но этот рост при турбулентном движении выражен в меньшей мере, чем при ламинарном.

Скорость течения горных и равнинных рек

Течение равнинных рек значительно более спокойное, чем горных. Водная поверхность равнинных рек сравнительно ровная. Препятствия обтекаются потоком спокойно, кривая подпора, возникающего перед препятствием, плавно сопрягается с водной поверхностью вышерасположенного участка.

Горные реки отличаются крайней неровностью водной поверхности (пенистые гребни, взбросы, провалы). Взбросы возникают перед препятствием (нагромождением валунов на дне русла) или при резком уменьшении уклона дна. Взброс воды в гидравлике носит название гидравлического (водного) прыжка. Его можно рассматривать как одиночную волну, появившуюся на водной поверхности перед препятствием. Скорость распространения одиночной волны на поверхности, как известно, c = , где g — ускорение силы тяжести, H — глубина.

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

Пусть vср = c. Подставляя в это равенство значение из предыдущей формулы, получим vср = , или

Левая часть этого равенства известна как число Фруда (Fr). Это число позволяет оценить условия существования бурного или спокойного режима течения: при Fr < 1 — спокойный режим, при Fr > 1 — бурный режим.

Таким образом, между характером течения, глубиной, скоростью, а следовательно, и уклоном существуют следующие соотношения: с увеличением уклона и скорости и уменьшением глубины при данном расходе течение становится более бурным; с уменьшением уклона и скорости и увеличением глубины при данном расходе 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. Переход к бурному течению резко усиливает турбулентность потока.

Поперечные циркуляции

Одной из особенностей движения воды в реках является непараллельноструйность течений. Она отчетливо проявляется на закруглениях и наблюдается на прямолинейных участках рек. Наряду с общим параллельным берегам движением потока в целом имеются внутренние течения в потоке, направленные под различными 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 исследователь Н. С. Лелявский. Он следующим образом объяснил структуру внутренних течений. На стрежне вследствие больших скоростей на поверхности воды происходит втягивание струй со стороны, в результате в центре потока создается некоторое повышение уровня. Вследствие этого в плоскости, перпендикулярной направлению течения, образуются два циркуляционых течения по замкнутым контурам, расходящиеся у дна (рис. 69 а). В сочетании с поступательным движением эти поперечные циркуляционные течения приобретают форму винтообразных движений. Поверхностное течение, направленное к стрежню, Лелявский назвал сбойным, а донное расходящееся — веерообразным.

На изогнутых участках русла струи воды, встречаясь с вогнутым берегом, отбрасываются от него. Массы воды, переносимые этими отраженными струями, обладающими меньшими скоростями, накладываясь на массы воды, переносимые набегающими на них следующими струями, повышают уровень водной поверхности у вогнутого берега. Вследствие этого возникает перекос водной поверхности, и струи воды, находящиеся у вогнутого берега, опускаются по откосу его и направляются в придонных слоях к противоположному выпуклому берегу. Возникает циркуляционное течение на изогнутых участках рек (рис. 69 б).

Рис. 69. Циркуляционные течения на прямолинейном (а) и на изогнутом (б) участке русла (по Н. С. Лелявскому). 1 — план поверхностных и донных струй, 2 — циркуляционные течения в вертикальной плоскости, 3 — винтообразные течения.

Особенности внутренних течений потока были изучены А. И. Лосиевским в лабораторных условиях. Им была установлена зависимость формы циркуляционных течений от соотношения глубины и ширины потока и выделены четыре типа внутренних течений (рис. 70).

Типы I и II представлены двумя симметричными циркуляциями. Для типа I характерно схождение струй у поверхности и расхождение у дна. Этот случай свойствен водотокам с широким и неглубоким руслом, когда влияние берегов на поток незначительно. Во втором случае донные струи направлены от берегов к середине. Этот тип циркуляции характерен для глубоких потоков с большими скоростями. Тип III с односторонней циркуляцией наблюдается в руслах треугольной формы. Тип IV — промежуточный — может возникать при переходе типа I в тип II. В этом случае струи в середине потока могут быть сходящимися или расходящимися, соответственно у берегов — расходящимися или сходящимися. Дальнейшее развитие представления о циркуляционных течениях получили в работах М. А. Великанова, В. М. Маккавеева, А. В. Караушева и др. Теоретические исследования возникновения этих течений излагаются в специальных курсах гидравлики и динамики русловых потоков. Появление поперечных течений на закруглениях русла объясняется развивающейся здесь центробежной силой инерции и связанным с ней поперечным уклоном водной поверхности. Центробежная сила инерции, возникающая на закруглениях, неодинакова на различных глубинах.

Рис. 70. Схема внутренних течений (по А. И. Лосиевскому). 1 — поверхностная струя, 2 — донная струя.

Рис. 71. Схема сложения сил, вызывающих циркуляцию. а — изменение по вертикали центробежной силы P1, б — избыточное давление, в — результирующая эпюра действующих на вертикали сил центробежной и избыточного давления, г — поперечная циркуляция.
У поверхности она больше, у дна меньше вследствие уменьшения с глубиной продольной скорости (рис. 71 а).

В зависимости от направления излучины отклоняющая сила Кориолиса или усиливает, или ослабляет поперечные течения на закруглении. Эта же сила возбуждает поперечные течения на прямолинейных участках.

При низких уровнях на закруглении циркуляционные течения почти не выражены. С повышением уровней, увеличением скорости и центробежной силы циркуляционные течения становятся отчетливыми. Скорость поперечных течений обычно мала — в десятки раз меньше продольной составляющей скорости. 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, и нижний, в коренном русле. Взаимодействие этих потоков сложно и еще мало изучено.

В современной литературе по динамике русловых потоков (К. В. Гришанин, 1969 г.) приводится, по-видимому, более строгое объяснение возникновения поперечных циркуляции в речном потоке. Происхождение таких циркуляции связывается с механизмом передачи на элементарные объемы воды в потоке действия кориолисова ускорения посредством градиента давления, обусловленного4 поперечным уклоном (и постоянного на вертикали), и разности касательных напряжений, вызванных на гранях элементарных объемов воды различиями в скоростях потока по вертикали.

Аналогичную кориолисову ускорению роль выполняет на повороте русла центростремительное ускорение.

Помимо поперечных циркуляции, в потоке наблюдаются вихревые движения с вертикальной осью вращения (рис. 72).

Рис. 72. Схема вихрей с вертикальными осями (по К. В. Гришанину).

Одни из них подвижны и неустойчивы, другие стационарны и отличаются большими поперечными размерами. Чаще они возникают в местах слияния потоков, за крутыми выступами берегов, при обтекании некоторых подводных препятствий и т. д. Условия формирования стационарных вихрей пока не исследованы. Гришанин высказывает предположение, что образованию устойчивого локализованного вихря способствует значительная глубина потока и существование восходящего течения воды. Эти вихри в потоке, известные под названием водоворотов, напоминают воздушные вихри — смерчи.

Поперечные циркуляции, вихревые движения играют большую роль в транспортировании наносов и формировании речных русел.