Движение воды в реках

Речной сток

Сток - это главный элемент материкового звена глобального круговорота веществ и энергии на Земле. Он включает поверхностную и подземную части. Сток, проходящий по поверхности земли, называется поверхностным стоком (его нельзя отожествлять с поверхностными водами). Он состоит из речного стока и стока льда покровных ледников.

Речной сток включает сток воды, сток наносов, сток растворенных веществ и сток тепла, осуществляемый рекой.

Сток воды (водный сток) - это одновременно и процесс стекания воды в речных системах и характеристика количества стекающей воды. Он определяет все другие виды перемещения веществ и тепла и является их движущей силой.

Сток образуется в результате выпадения дождей или таяния снега. Основными факторами стока, определяющими его развитие, являются климат, характер подстилающей поверхности и антропогенная деятельность. Последняя оказывает прогрессирующее влияние на сток. Другие природные факторы оказывают опосредованное воздействие на сток, усиливая или ослабляя стоковые процессы.

Для количественной оценки стока рек применяются следующие характеристики:

Расход воды (Q, м³/с)– объем воды, протекающей через поперечное сечение потока в единицу времени.

Объем стока (W, м³) – количество воды, протекающее в русле реки через данный замыкающий створ, за определенный промежуток времени (за год):

W = TQ,

где T – время, число секунд в году (31,54 · 10⁶ с), Q – средний расход, м³/с.

Норма стока (Q_o, м³/с) – средняя арифметическая величина стока (расхода), вычисленная за длительный (более 50 лет) период. Также она рассчитывается по формуле:

Q_o = AF/T,

где А – слой стока, мм; F – площадь водосбора, км²; T – время, число секунд в году (31,54 · 10⁶ с).

Модуль стока (М, л/с·км²) – количество воды, стекающей с единицы площади (1 км²) за единицу времени (с):

M = Q/F,

где Q – средний расход, м³/с; F – площадь водосбора, км².

Слой стока (А, мм) – слой воды в мм, равномерно распределенный по площади F и стекающий с водосбора за некоторый промежуток времени:

A = W/F,

где W – объем стока, м³; F – площадь водосбора, км².

Коэффициент стока (α, безразм.) – отношение величины (объема или слоя) стока к количеству выпавших на площадь водосбора атмосферных осадков, обусловивших возникновение стока:

α = А/Х,

где А - слой стока, мм; Х – количество осадков, мм. Коэффициент стока изменяется от 0 до 1.

Эти характеристики являются исходными для решения многих гидрологических задач.

Движение воды можно классифицировать по изменению гидравлических характеристик водного потока во времени и в пространстве, по гидравлическому режиму (ламинарное, турбулентное), по состоянию водной поверхности (спокойное, бурное), а также по действующим физическим силам.

Выделяют два гидродинамических режима движения воды: ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме частицы воды движутся по параллельным траекториям без перемешивания; при турбулентном режиме их движение имеет хаотический характер, в потоке формируются вихри и активизируются процессы перемешивания воды, скорости течения непрерывно изменяются по величине и направлению. Ламинарный режим может переходить в турбулентный при увеличении скорости течения.

Гидродинамический режим потока характеризуется безразмерным числом Рейнольдса Re, равным

Re ≈ vh/υ,

где v - скорость течения (м/с), h - глубина или толщина слоя воды (м), υ - кинематический коэффициент вязкости, зависящий от характера жидкости и ее температуры.

Критическое значение числа Рейнолъдса Re_кр. соответствующее переходу от ламинарного к турбулентному режиму, лежит приблизительно в диапазоне от 300 до 3000.

Если фактическое число Рейнольдса в водном потоке больше 3000 -режим турбулентный, меньше 300 - ламинарный, в диапазоне Re от 300 до 3000 - переходный.

В реках, озерах и морях число Re всегда значительно выше критического значения, и режим движения воды турбулентный. Ламинарный режим характерен для подземных вод в мелкозернистых грунтах (вследствие малых размеров пор и малых скоростей движения воды) и для ледников (вследствие очень большой вязкости льда и очень малых скоростей его движения).

Движение воды можно классифицировать по изменению гидравлических характеристик водного потока во времени и в пространстве, по гидродинамическому режиму (ламинарное, турбулентное), по состоянию водной поверхности (спокойное, бурное), а также по действующим физическим силам.

Спокойные потоки имеют плавную форму свободной поверхности, препятствия обтекаются ими также плавно. Бурные потоки имеют неровную форму поверхности со стоячими волнами, в местах препятствий образуются резкие перепады уровня. Для определения состояния потока (спокойное или бурное) используют безразмерное число Фруда Fr, равное

Fr = V² /gh,

где h - глубина потока, g - ускорение свободного падения. Критическое значение числа Фруда Fr_Kp равно 1. При числе Fr, равном 1, поток находится в критическом состоянии. Если число Фруда больше 1, то поток бурный, если меньше 1 - спокойный. Бурные потоки характерны для горных рек, спокойные - для равнинных рек и течений в водоемах.

В речном потоке обычно действует одна активная массовая сила - Fg - продольная составляющая силы тяжести, обусловленная продольным уклоном водной поверхности. При продольном равновесии между этой силой Fg и силой трения у дна и берегов (Т_дно) можно вычислить V - среднюю скорость течения потока по формуле Шези:

,

где V - средняя скорость течения, h_сp - средняя глубина потока, I - уклон водной поверхности, С - коэффициент Шези, который вычисляют по формуле Маннинга:

С = h^l/6/ п

где n - коэффициент шероховатости речного русла, определяется по специальным таблицам, h - глубина потока.

Согласно формуле Шези, скорость течения в речном потоке тем больше, чем больше глубина русла и уклон водной поверхности, и меньше шероховатость русла.

Сила Кориолиса (Fк) действует на движущийся поток с массой воды – m и направлена перпендикулярно движению в северном полушарии Земли - вправо, а в южном - влево. Она равна

Fк = 2mvsinφ

где v - скорость течения воды, w- угловая скорость вращения Земли, равная 7,27×0,00001, φ - географическая широта места.

На изгибе речного русла центробежная сила приводит к отклонению течения в поверхностных слоях в сторону вогнутого берега, что создает поперечный перекос уровня воды, разнонаправленные течения на поверхности и у дна и, таким образом, поперечную циркуляцию на изгибе русла. Это явление описывается формулой

I_поп=V²/gr

где I_поп - поперечный уклон водной поверхности на изгибе потока, V - скорость течения, g - ускорение силы тяжести, r - радиус изгиба русла. Величина перекоса уровня ΔН_поп между обоими берегами равна

ΔН_поп = I_попВ

где В - ширина русла.

Дата добавления: 2015-04-30