Динамика речного потока. Формула Шези

Распределение скоростей течения в речном потоке.

Распределение стока воды по территории СНГ и факторы, его определяющие.

Поскольку сток воды – результат сложного влияния географических и геологических условий, а эти условия изменяются прежде всего в пространстве, то и величина стока воды распределена по территории Земли неравномерно.

Наиболее характерные особенности распределения среднего многолетнего годового стока по территории СНГ следующие:

1) Широтная зональность, особенно хорошо выраженная в равнинных областях СНГ и проявляющаяся в закономерном уменьшении слоя стока с севера на юг, например, от 300-400 мм на севере Европейской территории России до 5-20 мм в Прикаспии и Средней Азии (исключение составляют лишь районы Крайнего Севера, где вместе с уменьшением осадков отмечается некоторое уменьшение стока)

2) Уменьшение величин стока с удалением от источников влаги – от Атлантического океана, а на Дальнем востоке с запада на восток на больше части территории и в увеличении стока в приморских районах Дальнего востока

3) Увеличение стока в горных и предгорных районах

Для рек характерен турбулентный режим движения воды, и скорость течения в любой точке речного потока подвержена турбулентным пульсациям, большим, чем скорость течения. Поэтому в каждой точке речного потока и в каждый момент времени местная мгновенная скорость – это вектор, который можно разложить на три составляющие вдоль продольной, поперечной и вертикальной осей координат.

Местные осредненные во времени скорости течения распределены в речном потоке не равномерно: наибольшие скорости наблюдаются на поверхности потока над наиболее глубокой частью русла, наименьшие - дна и берегов. Линии, соединяющие точки с одинаковыми скоростями течения, называются изотахами. Продольная линия наибольших скоростей течения называется динамической осью потока или стержнем.

Наиболее закономерное распределение скоростей: максимум – на пов-ти, мин-у дна, средняя- на глубине 0,6 от полной глубины. Под влиянием лед. покрова, ветра, растительности, неровного рельефа дна и берегов это распределение нарушается.

Сред. ск-ть течения в поперечном сечении рассчитывают так: v=Q/w

В речном потоке обычно действует лишь одна активная массовая сила – продольная составляющая силы тяжести, обусловлена продольным уклоном водной поверхности. При движении речного потока возникают сопутствующие движению пассивные силы – трения, центробежная, Кориолиса.

Продольное равновесии речного потока. При движении волы, близком к равномерному, в речном потоке устанавливается равновесие между продольной составляющей силы тяжести F'g и силой трения у дна и берегов Tдно. В этом случае получаем условие

и для скорости течения получаем формулу

Если коэффициент трения заменить на g / C², то получим формулу Шези

Где, v – средняя скорость течения, - средняя глубина, вместо нее иногда используют гидравлический радиус R = ω/p, I – уклон водной поверхности, С – коэффициент Шези, который вычисляют по эмпирическим формулам, например по формуле Маннинга:

n – коэффициент шероховатости.

Формула Шези иллюстрирует тот факт, что скорость течения в речном потоке тем больше, чем больше глубина русла и уклон водной поверхности и меньше шероховатость русла.

Формулу Шези путем умножения обеих частей уравнения на площадь поперечного сечения

И учета формулы Шези можно преобразовать

Из этой формулы следует, что при заданных расходах воды Q, ширине и шероховатости русла B и n, уклоне дна , равном уклону водной поверхности I (это справедливо при равномерном движении воды), в потоке формируется вполне определенная глубина

Скорость течения также будет вполне определенной:

Следовательно

1) Речной поток – это саморегулирующийся природный объект, в котором глубина и скорость течения формируются в соответствии с внешними определяющими факторами – расходом воды, шириной, уклоном и шероховатостью русла;

2) Между глубиной (и уровнем воды), с одной стороны, и расходом воды – с другой, в речном потоке складывается нелинейная связь

3) Увеличение шероховатости русла, например в результате образования на реке ледяного покрова или зарастания дна и берегов водной растительностью, также приводит к увеличению глубины (и повышению уровня воды); поэтому зимой на реках, покрытых людом уровень воды обычно выше, чем летом при тех же расходах воды.

Если движение речного потока неравномерное, что может быть обусловлено изменением вдоль русла его морфометрических характеристик, то скорость течения будет изменяться вдоль реки. При неизменно расходе воды можно записать

Отсюда следует, что увеличение площади поперечного сечения вдоль реки повлечет за собой уменьшение на данном участке скорости течения, уменьшение площади приведет к увеличению на этом участке скорости течения.

Поперечное равновесие речного потока. На изгибе речного русла центробежная сила приводит к отклонению течения в поверхностных слоях в сторону вогнутого берега, что создает поперечный перекос уровня воды. В результате избытка гидростатического давления у вогнутого берега в придонных слоях возникает течение, направленное в сторону выпуклого берега. Складываясь с основным продольным переносом воды в реке, разно-направленные течения на поверхности и у дна создают спиралевидное движение воды на изгиба русла – поперечную циркуляцию.

+ стр. 210

11. Характеристики речных наносов. Движение взвешенных и влекомых наносов. Режим стока взвешенных наносов и мутности воды.

Дата добавления: 2015-04-30