Тема: Швидкість течії води

Мета:

1. навчальна: сформування у студентів уявлення про поняття швидкість течії річок, прилади, що застосовуються для її виміру.

2. Розвиваюча: розвивати кругозір студента, формувати професійні якості.

3.Виховна: виховувати любов до праці, викликати зацікавленість до дисципліни.

Питання лекції:

1.Швидкість течії води

2. Прилади для виміру швидкості течії води

Література:

1Ющенко ю.С., Гринь г.І., Масікевич ю.Г., Моісеєв в.Ф.,Солодкий в.Д., Змарада а.О., Байрачний в.Б.Загальна гідрологія: Навчальний посібник. — Чернівці: Зелена Буковина. — 2005. — 368 с.

2Железняков Г.В. Теоретические основы гидрометрии. Л.: Гидрометеорологическое издательство - 1968 - 290с.

Матеріал лекції

1. Швидкість течії води

У річкових руслах течія води виникає у зв'язку з поздовжнім ухилом. Здавалося б, що під впливом ухилу швидкість руху потоку буде збільшуватися все більше і більше. Однак цього не відбувається. Енергія річкового потоку витрачається на внутрішнє тертя води і на подолання тертя її об дно і береги. Тому в цілому прискорення руху води в річковому потоці не спостерігається, однак може виникнути місцеве прискорення, наприклад, на перекатах і порогах.

У природі розрізняють два режими руху рідини: ламінарний (паралельно-струйчата) і турбулентний (безладно-вихровий).

При ламінарному режимі окремі струмки води рухаються паралельно один одному, не змішуючись між собою. Швидкості окремих часток води постійні за величиною і напрямком. У стінок швидкість дорівнюють нулю, потім вони поступово збільшуються, досягаючи найбільшого значення в середині потоку. У природі ламінарне протягом зустрічається при русі води по порах грунту. Воно можливе лише при дуже малих швидкостях. Наприклад, за розрахунками, водний потік глибиною в 1 м при піщаному руслі і температурі 20 ° С буде мати ламінарний рух в тому випадку, якщо швидкість не перевищує 0,5 мм / с. При більшій швидкості рух води буде турбулентним. При турбулентному русі частинки води переміщуються безладно, постійно перемішуючись і утворюючи в окремих випадках вихори. Швидкість їх безперервно і миттєво змінюється за величиною і напрямком (тобто відбувається пульсація швидкості). У річках рух води завжди турбулентний. Ступінь турбулентності, або інтенсивність перемішування мас води річкового потоку, залежить від шорсткості русла і швидкості течії. При нерівному руслі і велику швидкість течії ступінь турбулентності вище, при відносно рівному руслі і невеликій швидкості течії - нижче.

Швидкість переходу одного руху в інший при даній глибині потоку називається критичною. При збільшенні глибини критична швидкість зменшується. За даними М. А. Веліканова, перехід ламінарного руху потоку в турбулентний і назад при глибинах 10, 100, 200 см відбувається з критичними швидкостями, рівними відповідно 0,4; 0,04, 0,02 м / с.

З агальний перебіг річкового потоку вздовж русла при своєму рухів видозмінюється, в ньому створюються внутрішні течії. Причинами виникнення таких течій є вигини русла, підйом і спад рівнів, наявність в потоці шарів води з різною температурою, обертання Землі, а також вплив рельєфу дна, вітру, споруд та інш. Під впливом відцентрової сили на вигинах русла утворюється поверхнева течія, спрямована від опуклого берега до увігнутому, а у дна, навпаки, - від увігнутого до опуклого. За рахунок тертя об дно швидкість глибинного течії від увігнутого берега до опуклого менше порівняно з поверхневим, тому у опуклого берега відбувається підвищення рівня і створюється поперечний ухил поверхні води. Наприклад, для річки, що має радіус кривизни 1000 м, швидкість течії 1 м/с і глибину 5 м, швидкість поперечного поверхневого течії становить близько 3,8 см /с, а біля дна - 3,3 см/ с. Взаємодія поздовжнього течії з поперечним надає потоку гвинтовий характер. Так як річкове русло складається з звивин, що переходять одна в іншу, напрям поперечного течії постійно змінюється.

У результаті обертання Землі в річкових руслах виникає сила інерції, спрямована до правого берега, і під дією цієї сили створюється постійний поперечний перебіг. Останнє направлено в поверхневому шарі до правого берега, а в придонному - до лівого. Швидкості поперечних течій невеликі. Наприклад, для річки з глибиною 5 м і швидкістю течії 1 м/с поперечні швидкості біля поверхні згідно розрахунків.

Взаємодія поздовжнього течії води з поперечним також надає потоку гвинтовий характер, але дуже слабкий.

Якщо напрямок поперечного течії на вигинах русла співпадає з напрямком поперечного течії від обертання Землі, то внутрішнє гвинтове протягом посилюється, якщо ж не збіжиться - то зменшується.

При підйомах води виникають дві гвинтові течії, що йдуть від середини вгору, у поверхні - до берегів, а по дну-до середини.

При спаді води спостерігаються зворотні циркуляційні течії.

Слід мати на увазі, що рух води в річковому потоці має більш складні форми в порівнянні з описаними вище; внутрішні течії постійно видозмінюються, загасають і виникають знову.

При турбулентному характері руху річкового потоку, як було вже зазначено, швидкість кожної частинки води безперервно змінюється. Однак якщо в якій-небудь точці потоку приладом виміряти пульсуючу швидкість досить довго, то можна отримати середню швидкість в даній точці, що має певну величину і напрям.

Для уявлення про розподіл швидкостей течії в річковому руслі вимірюють їх осредненние значення і будують графіки. Якщо виміряти середню швидкість течії в декількох точках, потім відкласти їх від прямої лінії у відповідному масштабі на кресленні у вигляді відрізків, то, з'єднавши кінці цих відрізків плавною кривою, одержимо графік швидкостей, званий годографом або епюрою швидкостей.

Зазвичай епюри швидкостей будують по вертикалі, живому перетину і в плані.

У відкритих руслах середня швидкість по вертикалі Усред зазвичай знаходиться на відстані 0,6 глибини h від поверхні. Найбільша швидкість по вертикалі У_МАКС розташовується зазвичай трохи нижче поверхні, так як на швидкість біля поверхні опов впливають сила тертя об повітря і поверхневий натяг води. Найменша швидкість течії - у дна. Такий розподіл швидкостей течії по вертикалі зазнає значних змін під дією різних факторів. Наприклад, п ри вітрі, напрямок якого збігається з напрямком течії, поверхнева швидкість збільшується і навпаки. Нерівності дна і водна рослинність так само викликають перерозподіл швидкостей. У місцях стиснення потоку, наприклад між засадами мосту, швидкості течії збільшуються.

У зимовий період швидкість течії поблизу крижаного покриву буває така ж, як у дна, або менше, а найбільша швидкість Імакс знаходиться на відстані 0,3-0,4 глибини русла.

Ізотахи - лінії рівних швидкостей - розподіляються по живому перетину річки відповідно до обрисом поперечного профілю русла. Для відкритого русла ізотахіі мають вигляд розімкнутих кривих, для русла під крижаним покривом - замкнутих кривих.

Якщо визначити середні швидкості течії по вертикалях по всій ширині русла, потім відкласти їх у вигляді відрізків на плані річки чи від горизонтальної лінії вгору або вниз, то вийде епюра середніх швидкостей річкового потоку в плані.

Таку епюру можна побудувати і для найбільших швидкостей. Зазвичай обрис епюри подібно обрису живого перетину річки. Середні швидкості течії збільшуються від берегів до середини русла. Місцям з найбільшою глибиною, як правило, відповідають найбільші швидкості течії. Лінію, що з'єднує точки з найбільшою швидкістю течії в суміжних живих перетинах русла, називають динамічною віссю річкового потоку. Найбільші швидкості течії розподіляються в живих перетинах дуже різноманітно, тому динамічна вісь вигинається як у плані, так і по вертикалі.

Зазвичай під швидкістю течії річкового потоку розуміють середню швидкість по всьому живому перетину. Залежність швидкості течії від поздовжнього ухилу, глибини і шорсткості русла виражається формулою Шезі:

де см - коефіцієнт Шезі (швидкісний множник).

р - гідравлічний радіус, м, являє собою відношення живого перетину русла, м², до його змоченій периметру (контуру)%, м; / - поверхневий ухил.

Швидкісний множник с_м враховує вплив шорсткості русла. Для орієнтовних розрахунків його можна визначити за формулою Базена:

де V - коефіцієнт шорсткості, що враховує стан поверхні русла. Для земляних русел у = 1,3, для русла з крупногалечним дном Y = 1,75, для заплав з рослинністю у = 2 - = - 4 і т. д.

Т і х о в о д и - повільні течії, які утворюються за опуклими берегами, великими піщаними відкладеннями в руслі і т. п. При русі судна вгору для збільшення швидкості руху слідують по тиховоддя. Вир - постійне обертальний рух води в руслі. Вири нерідко створюють глибокі ями (вири) і є типовими для гірських і полугорних річок. Суводь - водний простір з обертальним рухом води (рис. 13), зазвичай знаходиться за виступами берегів, мисами, опуклими берегами, сильно вдаються в русло. У цих місцях протягом, з великою швидкістю обтікаючи берег, зустрічає на своєму шляху виступ і створює перед ним підпір води і підвищення рівня. Проходячи виступ, водний потік відхиляється від нього і за інерцією проходить деяку відстань. За виступом рівень води знижений, через що в низовій частині суводі вода затягується з основного потоку, а у верхній частині, навпаки, - з області суводі в основний струмінь потоку. Цей процес відбувається безперервно і викликає обертальний рух води.

При обертанні води в суводі дно надає гальмує дію-В наслідок цього ближче до поверхні суводі швидкість обертання води і відцентрові сили збільшуються. Під впливом відцентрових сил відбувається більша відкидання води від осі суводі у поверхні і меншу - у дна. Знизу вгору вздовж осі суводі утворюється висхідний потік, який заповнює відкидається воду. Він розмиває дно, захоплює продукти розмиву, створюючи воронкообразное поглиблення дна.

При зменшенні швидкості вода плавно обтікає виступ, утворюючи за ним Тиховод.

У увігнутих берегів у крутих вигинах русла річки також утворюються суводі. На відміну від суводях, розташованих за виступами берегів, тут спадні струми води спускаються в центрі суводі до дна і розтікаються в сторони. Цей тип суводі з чітко вираженою лійкою на поверхні води іноді називається виром.