Наибольшая скорость течения реки. Чему равна скорость течения реки? Самая быстрая река

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.

Амазонка движется со скоростью 15 км/ч

Самой быстрой рекой в мире считается река Амазонка, и без того уже имеющая несколько титулов «самой-самой». Среди них, такие звания, как самая полноводная (7 180 000 км 2), самая глубоководная (глубина ее в некоторых местах достигает 135 метров), самая длинная (7 100 км) и самая широкая (местами дельта Амазонки имеет ширину в 200 км). В нижнем течении Амазонки средний расход воды равен примерно 200-220 тысячам кубических метров, что соответствует скорости течения реки 4,5-5 м/с или 15 км/ч! В сезон дождей этот показатель увеличивается до 300 тысяч м 3 .

Русло каждой реки состоит из верхнего, среднего и нижнего течений. При этом верхнее течение характеризуется большими уклонами, что способствует ее большей размывающей деятельности. Нижнее течение отличается наибольшей водной массой и меньшей скоростью.

Как измеряется скорость течения?

Для измерения скорости течения реки применяются единицы измерения – метры в секунду. При этом не стоит забывать, что скорость водного потока неодинакова в разных частях реки. Она постепенно увеличивается, беря начало от дна и стен русла и набирает наибольшую мощность в средней части потока. Средняя скорость течения рассчитывается на основании замеров, выполненных на нескольких участках русла. Причем на каждом участке реки осуществляется минимально по пять точечных замеров.

Для проведения измерений скорости водного течения используется специальный измерительный прибор – гидрометрическая вертушка, которая опускается на определенную глубину строго перпендикулярно поверхности воды и уже через двадцать секунд можно снимать показания прибора. Имея данные о средней скорости реки и ее приблизительную площадь поперечного сечения, рассчитывается водный расход реки.

Обратное течение Амазонки

Кроме этого, река Амазонка является обладательницей обратного течения, которое возникает во время океанских приливов. Водные потоки с огромной скоростью – 25 км/час или 7 м/сек, загоняются обратно на материк. Волны при этом достигают 4-5 метров в высоту. Чем дальше на сушу проходит волна, тем меньше становится ее разрушительное действие. Останавливаются приливы на расстоянии до 1400 километров вверх по течению Амазонки. Такое природное явление получило название «поророка» – гремящая вода.

Движение воды в реках происходит под действием силы тяжести, поэтому скорость течения в речном потоке зависит главным образом от продольного уклона реки, расхода воды и шероховатости русла.

Расходом называется количество воды, протекающей через поперечное сечение русла, ограниченное его контуром и поверхностью воды, в одну секунду. Расход воды выражается в кубических метрах и может быть определен по формуле:

Где w - площадь поперечного (живого) сечения русла, м2; vт - средняя скорость потока в данном сечении, м/с.

С увеличением расхода воды и уклона реки скорость течения увеличивается, а с увеличением шероховатости русла - уменьшается.

В руслах рек, кроме основного продольного поступательного движения воды, существуют внутренние циркуляционные течения, вызванные вращением Земли, центробежной силой инерции водного потока на изгибах русла, сопротивлением руслового рельефа и т. п. Схема внутренних течений на изгибе русла показана на рис. 57.

Рис. 57. Внутренние течения на изгибе русла:
а-поперечный разрез; б-план; 1-вогнутый подмываемый берег; 2-направление течения на поверхности; 3- выпуклый берег; 4-направление течения у дна

Определение скоростей и направлений течения производится с помощью гидрометрических вертушек и поплавков.

В поперечном сечении русла наибольшие скорости течения соответствуют наибольшей глубине, по высоте они наблюдаются примерно на 0,2 глубины от поверхности воды. Главная струя потока, направленная по его динамической оси и совпадающая с наибольшими глубинами, называется стрежнем. К берегам и дну реки скорости течения уменьшаются.

Направление течения на реках определяется по отношению к оси судового хода. На направление течения оказывает влияние очертание рельефа русла, а

Также колебание уровня воды. В половодье струи потока на отдельных участках реки могут изменять направление по отношению струй меженного потока в значительных пределах (до 90° и более).

С подъемом уровня воды наблюдается растекание струй воды от стрежня к берегам, так как в области стрежня уровень воды в тот момент выше, чем у берегов, и наоборот, при спаде воды на стрежне уровень становится ниже, чем у берегов, и струи воды стекаются от берегов к стрежню.

На некоторых участках рек в силу местных причин в потоке образуются неправильные и затрудняющие судоходство течения. К ним относятся прижимные, затяжные и свальные течения, а также суводи и майданы.

Прижимным называется течение, под действием которого движущиеся суда сносятся (прижимаются) к берегу или какому-либо объекту. Оно обычно возникает на изгибах русла и действует в сторону вогнутого берега. Такие течения опасны для одиночных судов и особенно для составов, следующих по течению, так как на изгибе русла у судов (составов) возникает еще и центробежная сила, стремящаяся прижать их к вогнутому берегу.

Затяжными называются течения, направленные из основного русла в прораны, протоки, воложки. Большие скорости у затяжных течений наблюдаются в половодье и в паводки. Судам и составам при следовании в местах действия таких течений рекомендуется держаться по возможности дальше от прорана, протоки или воложки.

Свальными называются течения, пересекающие ось судового хода под некоторым углом. Они вызываются поперечным уклоном водной поверхности и почти всегда проходят через мелководье. Движущиеся суда и составы смещаются свальным течением с оси судового хода и могут быть посажены на мели.

Суводью называется горизонтальное вращательное движение воды за выступами, вдающимися в русло. У суводей правого берега вращение воды происходит по часовой стрелке, левого- против. На крупных реках часто наблюдаются суводи, имеющие в диаметре несколько десятков метров и скорость вращательного движения воды до нескольких метров в секунду. При следовании через суводь наблюдается рыскливость судов.

Майданом называется вращательное движение воды за подводным препятствием, а также при слиянии двух потоков с большими скоростями.

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.

Скорость течения реки

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.

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.

Для определения расхода воды в реке нужно еще определить среднюю скорость течения реки . Это можно сделать различными способами:

поверхностными поплавками;
по максимальной скорости;
при помощи гидрометрических шестов или вех;
при помощи глубинных поплавков;
гидрометрическими вертушками.

Определение скорости течения реки поверхностными поплавками.

Выбрав прямолинейный участок реки,

устанавливаем на обоих берегах по 8 реек (вех) попарно, одну позади другой;
каждая пара реек должна быть поставлена перпендикулярно к направлению течения реки;
расстояние между рейками, составляющими пару, должно быть у всех пар одинаковое (например, по 5 м).

Таким образом, мы устанавливаем четыре створа: I-пусковой, II - верхний, III - главный, IV - нижний по течению, реки.

Эти створы находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, величина которого зависит от размеров реки, например на расстоянии 15 м друг от друга.

Прежде чем забрасывать поплавки, нужно записать время начала работы, а после окончания - время конца работы; затем отметить обстановку работы:

состояние реки на гидрометрическом створе (чистая, местами покрыта растительностью);
состояние погоды (ясно, пасмурно, туман, дождь);
характеристику ветра (штиль, слабый, средний, сильный; по течению, против течения; от левого или правого берега);
характеристику поверхности потока (спокойная, покрыта рябью, волнение).

Особенно большое влияние на скорость течения реки оказывает ветер: увеличивает (попутный ветер) или уменьшает (встречный ветер) скорость потока, поэтому для большей точности определения скорости течения делают поправки. Для введения поправок имеются специальные таблицы.

Далее, расставив наблюдателей по створам, можно приступить к забрасыванию поплавков. Поплавки обычно применяют в виде кружков, отпиливаемых от сухих бревен диаметром 10-25 см и толщиной 5-6 см. Чтобы поплавок был лучше виден на реке, его окрашивают белой краской, а иногда ярко-красной. Если река небольшая, то можно ограничиться тремя-пятью поплавками.

На пусковом створе поплавки забрасываются последовательно: сначала ближе к правому берегу, потом на середину реки, затем ближе к левому берегу.

На верхнем створе подается сигнал. Когда поплавок окажется в створе, наблюдатель, стоящий у главного створа, засекает время, т. е. пускает секундомер или просто замечает время по часам с секундной стрелкой. Наблюдатель, стоящий у нижнего створа, при прохождении поплавка через створ, подает сигнал наблюдателю у главного створа, а он останавливает секундомер или замечает время по часам. Для определения скорости движения поплавков удобнее вести наблюдения по нижеследующей таблице.

Если расстояние между створами 15 м, то расстояние между верхним и нижним створами будет равно 30 м. Бросаем с пускового створа в разных местах реки четыре поплавка поочередно (т. е. сначала первый поплавок; когда он пройдет весь свой путь, тогда забрасываем второй и т. д.) и получаем данные, которые записаны в нижеприведенной таблице.

№ поплавка

Путь поплавка (м)

Продолжительность хода поплавка (сек)

Скорость течения (м/сек)

Средняя поверхностная скорость течения (м/сек)

Путь поплавка делим на время его движения и узнаем скорость поплавка, а для определения средней скорости течения складываем скорости всех поплавков и делим на их количество.

Определение средней скорости для небольших рек по максимальной поверхностной скорости.

Наибольшую скорость Vмакс умножаем на поправочный коэффициент К, который зависит от степени шероховатости русла. В результате получаем среднюю скорость реки. Для горных рек с валунным дном К = 0,55, для рек с гравелистым дном К = 0,65, для рек с неровным песчаным и глинистым ложем К = 0,85. Например, если К = 0,75, тогда средняя скорость в нашем примере

Vср = 0,75-0,65 - 0,49 м/сек.

Определение средней скорости потока при помощи гидрометрических шестов или вех.

Для этого берут гидрометрический шест длиной меньше минимальной глубины на данном отрезке реки, иначе шест застрянет у мелководья. К шесту привязывают камень такой величины, чтобы гидрометрический шест немного выступал над водой, и определяют его скорость в разных точках реки так же, как это делают с поверхностными поплавками; узнают среднюю скорость. В данном случае средняя скорость будет не поверхностная, а по живому сечению, но для большей точности следует ввести поправку по формуле:

где Н - средняя глубина реки от поверхности воды до дна, h - глубина погружения гидрометрического шеста, v - определенная скорость.

Определение средней скорости при помощи глубинных поплавков.

Для определения скорости этим способом нужно взять две бутылки. Бутылки привязывают друг к другу шнурком, длина которого будет зависеть от глубины исследуемой реки. Одну бутылку (нижнюю) наполняют водой и закупоривают пробкой, во вторую бутылку (верхнюю) насыпают песок в таком количестве, чтобы только часть ее горлышка находилась над водой, и тоже закупоривают.

Наблюдая за верхней бутылкой, определяют среднюю скорость обеих бутылок. При помощи двух бутылок можно также определить скорость на определенной глубине, равной глубине нижней бутылки. Например, мы хотим определить скорость на определенной глубине реки на данном отрезке. Тогда, привязав нижнюю бутылку на глубину 0,2 h (где h - глубина реки), определяем сначала среднюю скорость двух бутылок - верхней и нижней, т.е. vcp, а при помощи поверхностных поплавков определяем среднюю поверхностную скорость Vср.пов

и находим искомую скорость по формуле:

V 0.2 h = 2 Vср - Vср.пов

Этим способом можно определить скорость и на глубинах: 0,4 h; 0,6 h; 0,8 h; таким образом, мы можем узнать среднюю скорость по живому сечению. Для этого нужно сложить все пять скоростей, и разделить на 5:

Наблюдения показывают, что скорости течения распределяются по поперечному сечению рек неравномерно. Они достигают максимальной величины или на самой свободной поверхности, или на незначительной глубине от нее. По мере приближения ко дну скорость уменьшается. Картину распределения скоростей можно изобразить на графике. Для этого глубина каждой точки откладывается по вертикали (сверху вниз), а скорости течения по горизонтали (слева направо). Соединяя концы горизонтальных линий, изображающих скорости потока, получаем кривую, называемую годографом скоростей.

Зная среднюю скорость течения и площадь живого сечения, можно определить расход воды в реке по формуле :

Например, выше мы определили, что F = 7,08 м2, а средняя скорость Vср = 0,27 м/сек; следовательно Q = 7,08-0,27 = 1,91 м3/сек. Округленно можно считать Q==2 м3/сек.

Теперь определяем расход воды во втором нашем примере по формуле: Q= F- Vср, где F = 7,4 м2, а Vср = 0.4 м/сек; Q - 7,4 * 0,4 = 2,96 м3/сек, Округленно можно считать Q = 3 м3/сек.

Определение колебания уровня воды в реке.

Если есть возможность, то следует при помощи водомерной рейки проследить за колебанием уровня воды в реке в течение нескольких суток. Обычно уровень воды измеряют один раз в сутки, в 8 часов утра; если это трудно, то можно проводить наблюдения один раз в 10 дней, а ежесуточные проводить только во время половодья или паводков. Разность между высоким уровнем воды (h макс) и низким (h мин) называется амплитудой колебания (А) уровня воды.

Величина амплитуды имеет большое значение при проектировании различных гидротехнических сооружений.

Для наблюдения за колебанием уровня воды в реке можно принять условный уровень воды на глубине сваи, никогда не выходящей из воды в течение года. От этого условного уровня, называемого нулем графика, вычерчивают график колебания воды в реке.

Вообще за нуль графика берут горизонт воды глубже минимального уровня воды, который можно узнать на ближайшем гидропосту. При построении графика на оси абсцисс откладывают время определения глубины, а на оси ординат - возвышения над нулем графика или отметку уровня воды для каждого дня.