ДИНАМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ВОДНОГО ПОТОКА

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 11Следующая ⇒

Развитие руслового процесса определяется взаимодействием двух сред: жидкой (русловой поток) и твердой (грунты ложа реки и переносимые потоком наносы).

Динамическая структура водного потока, применительно к оценке русловых процессов, характеризуется следующими основными видами течений:

1) продольное (общее) течение, обусловливающее продольное перемещение масс жидкости;

2) поперечные (циркуляционные) течения, обусловливающее поперечное перемещение масс жидкости;

3) турбулентное перемешивание ― беспорядочный обмен масс жидкости в толще потока.

Ниже рассмотрим эти основные виды течений и особенности их влияния на русловой процесс.

5.1. Продольное течение в русле реки и силы, действующие в потоке

Вода в потоке движется под действием силы тяжести. Скорость течения воды зависит от соотношения составляющей силы тяжести, параллельной линии продольного уклона, и силы сопротивления, возникающей в результате внутреннего трения между частицами жидкости и трения, оказываемого движущейся массе воды берегами и дном русла.

Рассмотрим силы, действующие в потоке применительно к русловому процессу (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Схема действующих в потоке физических сил (по А.В. Караушеву, 1969)

Выделим в потоке двумя сечениями 1 и 2, перпендикулярными поверхности и дну некоторый объем воды. Вода в потоке движется под действием силы тяжести F. Эту силу можно разложить на две составляющие: параллельную дну F_x и нормальную (перпендикулярную) ко дну F_y.

Сила F_x, зависящая от уклона, вызывает движение воды в потоке. Сила гидродинамического сопротивления (трения) F_y возникает в результате трения массы воды о дно и берега и зависит от шероховатости смоченного периметра. Силы гидродинамического давления Р₁ и Р₂ при равенстве сечений и постоянном уклоне уравновешиваются.

Изменение уклона, шероховатости, а также сужения и расширения русла, приводят к изменению скорости течения в живом сечении и по длине потока. Для вычисления средней скорости течения при отсутствии непосредственных измерений широко применяется формула Антуана Шези (1718− 1798), которую он вывел в результате теоретических и экспериментальных исследований:

(5.1)

где v_ср — средняя скорость течения, м/с;

R — гидравлический радиус, м;

h_ср — средняя глубина потока м;

i — относительный продольный уклон;

C — коэффициент Шези, м^{0, 5}/с².

Коэффициент Шези, по сути, учитывает потерю энергии потока на преодоление сил трения, зависящих от шероховатости и размеров русла в поперечнике.

Физические силы, участвующие в продольном движении водного потока и определяющие его гидравлические параметры, оказывают весьма существенное влияние на русловые процессы.

5.2. Поперечные (циркуляционные) течения. Теория Н.С. Лелявского

Движение воды происходит не только вдоль берегов под влиянием силы тяжести. Внутри потока наблюдаются также поперечные течения в различных направлениях от оси общего движения. Первое объяснение этих явлений принадлежит Н.С. Лелявскому (1897).

Согласно теории Лелявского, быстрое фарватерное течение втягивает в себя воду со стороны берегов (рис. 5.2а). В результате этого в зоне фарватера (зоне наибольших глубин) создается некоторое повышение уровня воды, вызывающее возникновение циркуляционных течений. Они образуют два замкнутых контура, сходящихся у поверхности и расходящихся у дна (рис. 5.2б); при этом поверхностное течение, направленное к стрежню, Лелявский назвал сбойным. Вследствие поступательного движения эти циркуляционные токи вдоль по реке проявляются в форме винтообразных течений (рис. 5.2в).

Рис. 5.2. Поперечная циркуляция по Н.С. Лелявскому

На закруглении фарватер приближается к вогнутому берегу тем ближе, чем круче поворот вогнутого берега (рис. 5.3а). Происходит односторонний приток воды к фарватеру, а два циркуляционных кольца преобразуются в одностороннюю циркуляцию. При этом в области а скорости будут наибольшими, в области b ― ослабленными, а в области с ― наименьшими (рис. 5.3б).

Рис. 5.3. Направление струй у вогнутого берега:

а ― в плане, б ― у вогнутого берега

Такое распределение скоростей течения способствует размыву вогнутых берегов и накоплению наносов у выпуклых, что вносит свой вклад в развитие русловых процессов.

Наиболее полно природа циркуляционных токов была раскрыта в связи с современными представлениями о воздействии на речной поток центробежной силы (Р₁) и отклоняющей силы вращения Земли (Р₂).

Рассмотрим схему поперечной циркуляции на изгибе речного потока (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Схема поперечной циркуляции на изгибе речного потока

в плане (а) и поперечном разрезе (б):

1 — поверхностные струи; 2—придонные струи

Центробежная сила Р₁ приводит к отклонению течения в поверхностных слоях в сторону вогнутого берега, что создает поперечный перекос уровня воды. В результате у вогнутого берега в придонных слоях возникает течение, направленное в сторону выпуклого берега. Складываясь с основным продольным переносом воды в реке, разнонаправленные течения на поверхности и у дна создают спиралевидное движение воды на изгибе речного русла — поперечную циркуляцию. Частица воды, движущаяся на закруглении, испытывает действие центробежной силы Р₁:

P₁ = mv²/r. (5.2)

Решая уравнение (5.2) относительно поперечного уклона (I_поп), получим:

(5.3)

где v — скорость течения, м/с;

r — радиус изгиба русла, м

g — ускорение свободного падения, равное 9, 81 м/с².

Другой силой, воздействующей на речной поток, является отклоняющая сила
вращения Земли, или сила Кориолиса Р₂.

Эта сила проявляется в том, что все тела, движущиеся относительно земной поверхности, в северном полушарии получают ускорение, направленное вправо, а в южном — влево от направления их движения:

P₂ = 2vω sinj, (5.4)

где v — скорость движения тела;

ω — угловая скорость вращения Земли;

j — географическая широта места.

Вследствие незначительного значения ω, сила P₂ очень небольшая по сравнению с силой P₁(не более 5 %).

Рассмотренные силы P₁ и P₂ дополняют теорию поперечной циркуляции Н.С. Лелявского, однако их влияние на поперечный уклон несущественно. Так, на р. Днепр у
г. Речица в период весеннего половодья в результате суммарного действия этих сил разность уровней воды между берегами не превышает 2 см. Поэтому их влияние на русловые процессы и в практических расчетах не учитывается.

Однако, действуя непрерывно в одном направлении на протяжении тысячелетий и проявляясь более заметно на больших реках при половодьях и паводках, они способствует более сильному подмыву восточных берегов и перемещению русел рек на восток.

5.3. Турбулентное перемешивание

Турбулентное движение — режим, при котором движение имеет хаотический характер, наблюдаются процессы перемешивания воды, скорости течения непрерывно изменяются по величине и направлению. Скорость течения практически не зависит от вязкости, а сопротивление движению пропорционально квадрату скорости.

Критерием степени турбулентности потока является безразмерное число Рейнольдса Re:

(5.5)

где v_ср — средняя скорость течения, м/с;

R — гидравлический радиус, м;

h_ср — средняя глубина потока м;

ν — кинематический коэффициент вязкости, равный для воды (при температуре
20 °С) 1, 01∙ 10^{− 6} м²/с.

Критическое значение Re, соответствующее переходу от ламинарного к турбулентному режиму, лежит в диапазоне от 300 до 3000. При Re> 3000 режим турбулентный, при Re< 300 — ламинарный, в диапазоне 300< Re< 3000 — переходный.

В естественных открытых потоках (реках, ручьях) движение всегда турбулентное. Скорость течения в любой точке речного потока подвержена турбулентным пульсациям по величине и направлению, причем тем большим, чем больше скорость течения. Каждой точке речного потока присуща местная мгновенная скорость течения. Гидрометрические вертушки фиксируют скорость, осредненную за некоторый интервал времени (например, 100 с). Скорости течения изменяются по глубине и по ширине живого сечения. Кривые изменения скоростей по вертикали называются годографами или эпюрами скоростей.

На рис. 5.5 показано вертикальное распределение скоростей течения в различных условиях.

Рис. 5.5. Вертикальное распределение скоростей течения в речном потоке:

а — типичное; б —под ледяным покровом; в — под слоем внутриводного льда (шуги);
г — при попутном и встречном ветре; д — при влиянии растительности; е — при влиянии
неровностей дна; 1 — ледяной покров; 2 — слой шуги; W — направление ветра; v_max—
максимальная скорость течения; u — обратное течение

При свободном состоянии русла (рис. 5.5а) типичным является следующее распределение скоростей по глубине, что связано, в основном, с шероховатостью русла. Максимальные скорости v_max наблюдаются на поверхности (или на глубине 0, 2h от поверхности), скорость, близкую к средней на вертикали, — на глубине 0, 6h и минимум (v_min), не равный нулю, — у дна.

Однако, под влиянием других факторов, кроме шероховатости русла, типичное распределение скоростей по глубине нарушается. Так, зимой под ледяным покровом (рис. 5.5б), особенно под слоем внутриводного льда — шуги (рис. 5.5в), под влиянием трения о нижнюю поверхность льда, и особенно шуги, скорость течения уменьшается. В период открытого русла при попутном ветре скорость течения на поверхности увеличивается, а при встречном ветре, — уменьшается (рис. 5.5г). При влиянии растительности уменьшается скорость течения в придонном слое (рис. 5.5д). При влиянии неровностей дна (рис. 5.5е) скорость течения перед препятствиями уменьшается ко дну, а после препятствия может возникнуть обратное течение.

Наглядное представление о распределении скоростей течения в живом сечении дают изотахи — линии, соединяющие точки с одинаковыми скоростями течения (рис. 5.6).

У берегов скорость течения меньше, в центре потока она наибольшая. Продольная линия, соединяющая точки на поверхности реки с наибольшими скоростями, называется стрежнем. 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. 5.6. Изотахи в живом сечении речного потока

Наиболее интенсивное турбулентное перемешивание будет иметь место в тех частях потока, где значения скорости течения наибольшие. Турбулентное перемешивание способствует выравниванию по живому сечению концентрации взвешенных наносов.

Горные и равнинные реки. Число Фруда. Гидравлический прыжок. По состоянию водной поверхности потоки делят на спокойные и бурные. Спокойные потоки имеют плавную форму водной поверхности, препятствия обтекаются плавно. Бурные потоки имеют неровную форму водной поверхности со стоячими волнами, в местах препятствий образуются резкие перепады уровня.

Для определения состояния потока используют безразмерное число Уильяма Фруда, введенное им в 1870 г.:

(5.6)

где v_ср — средняя скорость течения, м/с;

g — ускорение свободного падения, равное 9, 81 м/с²;

h_ср — средняя глубина потока, м.

При Fr=1 поток находится в критическом состоянии, при Fr> 1 поток бурный, при Fr< 1 поток спокойный. Бурные потоки характерны для горных рек, спокойные — для равнинных.

Спокойные потоки характеризуются плавной формой водной поверхности. Препятствия обтекаются ими спокойно, образующаяся перед препятствием зона подъема уровня плавно сопрягается с водной поверхностью выше расположенного участка потока.

Свободная поверхность бурных потоков отличается крайней неровностью, резкие повышения поверхности воды чередуются с понижениями и водопадами.

Переход водного потока из бурного состояния в спокойное осуществляется с помощью гидравлического прыжка — резкого увеличения глубины потока, сопровождающееся повышением уровня воды в направлении течения. Гидравлические прыжки образуются в бурных потоках перед препятствиями или над ними. Гидравлический прыжок является остановившейся волной. Ниже препятствий и на участках резкого увеличения уклона образуются водопады. Бурный режим является наиболее характерным для горных рек, хотя и в горах могут встретиться реки или участки рек со спокойным режимом. Обычно же поверхность горных рек представляет собой систему остановившихся волн (гидравлических прыжков).

Всё это определяет особенности эрозионно-аккумулятивных процессов в руслах горных и равнинных рек.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒