Как меняется скорость течения на разных уровнях. Чему равна скорость течения реки? Методы определения расходов воды

Рейнольдса число, один из подобия критериев для течений вязких жидкостей и газов, характеризующий соотношение между инерционными силами и силами вязкости: Re =rvl /m, где r - плотность, m - динамический коэффициент вязкости жидкости или газа, v - характерная скорость потока, l - характерный линейный размер. Так, при течении в круглых цилиндрических трубах обычно принимают l = d , где d - диаметр трубы, а v = v cp , где v cp - средняя скорость течения; при обтекании тел / - длина или поперечный размер тела, а v = v ¥ , где v ¥ - скорость невозмущённого потока, набегающего на тело. Назван по имени О. Рейнольдса.

От Р. ч. зависит также режим течения жидкости, характеризуемый критическим Р. ч. Re kр . При R <Re kр возможно лишь ламинарное течение жидкости, а при Re > Re kр течение может стать турбулентным. Значение Re kр зависит от вида течения. Например, для течения вязкой жидкости в круглой цилиндрической трубке Re kр = 2300.

Распределение скоростей течения в речном потоке.

Одной из особенностей движения частиц воды в реках являются нерегулярные случайные изменения скоростей. Непрерывные изменения направления и величины скоростей в каждой точке турбулентного потока называются пульсацией. Чем больше скорость, тем больше турбулентная пульсация. Тогда в каждой точке потока и в каждый момент времени мгновенная скорость течения – это вектор. Его можно разложить на составляющие в прямоугольной системе координат (υ x , υ y , υ z,), они тоже будут пульсирующими. Большинством гидрометрических приборов измеряется продольная составляющая скорости (υ x), осредненная за некоторый интервал времени (на практике 1-1,5 минуты).

Скорости меняются по глубине и ширине живого сечения реки. На каждой отдельно взятой вертикали наименьшая скорость отмечается у дна, что зависит от шероховатости русла. К поверхности скорость растет до величины средней по вертикали на глубине 0,6h, а максимум отмечается на поверхности или на расстоянии 0,2h от поверхности, в открытом русле. График изменения скорости по глубине называется годографом (эпюрой скоростей).

Распределение скорости по глубине зависит от рельефа дна, наличия ледяного покрова, ветра и водной растительности. Наличие валунов, больших камней и водной растительности у дна приводит к резкому уменьшению скорости в придонном слое. Ледяной покров и шуга также уменьшают скорость, но в слое воды подо льдом. Средняя скорость на вертикали определяется делением площади эпюры на глубину вертикали.

По ширине потока скорость повторяет в основном изменение глубины – от берегов скорость увеличивается к средине. Линия, соединяющая точки с наибольшими скоростями по длине реки, называется стрежень (линия наибольших глубин).

Распределение скоростей в плане можно отразить изотахами – линиями, соединяющими точки с равными скоростями в живом сечении.

Линия, соединяющая вдоль реки точки отдельных живых сечений с максимальными скоростями, называется динамической осью потока.

Скорость течения рек. Расход и сток рек

течение скорость сток вода

Роль текучей воды на земле громадна и всегда обращала на себя внимание человека, недаром с глубокой древности многие реки были олицетворены; и в глазах современной науки реки являются наиболее активным элементом физической географии. Одни из них спокойны, имеют медленное течение и правильные подъемы воды, которые легко предвидеть; другие - быстро и стремительно несут бурные воды, внезапно вздымают свой уровень и так же внезапно понижают его.

Но реки являются географическим фактором не только сами, но себе, они в то же время неустанно работают над изменением земли; результаты этой геологической работы текучей воды, суммируясь на протяжении веков, бывают настолько велики, что страны совершенно утрачивают свой первоначальный вид: там, где вздымались некогда высокие горы, в настоящее время мы находим частой лишь волнистую равнину, а, с другой стороны, высокие плоскогорья превращены в гористые или холмистые местности.

Жизнь человека находится в такой тесной связи с режимом текучих вод, что само собой понятен тот высокий интерес, которые проявляет человек по отношению к рекам. Большие реки служат наиболее дешевыми естественными путями сообщения во многих странах, а на далеком севере это часто единственные пути сообщения и не только летом, но и зимой, когда их закованная льдом поверхность представляет наилучшую дорогу. Даже в пустынных странах, как, например, в Сахаре, сухие русла рек определяют направление караванных путей. С незапамятных времен Аму-Дарья (древний Оксус), Сыр-Дарья (древний Яксарт) определяли направление торговых путей через Среднюю Азию. Быстрая колонизация некоторых стран как, например, Канады, средней части Соединенных Штатов Америки и Сибири, делается понятной лишь в том случае, если принять во внимание расположение рек в этих странах. Удобства, которые представляют реки как пути сообщения, притягивают население к их берегам и являются одним из факторов возникновения городов, в особенности в местах пересечения речных путей. Еще большее значение имеют реки как посредники между океаном и внутренними частями стран, недаром недалеко от их устья возникли величайшие торговые города как Лондон, Роттердам, Антверпен, Гамбург, Александрия, Калькутта, Шанхай, Монреаль, Квебек, Новый Орлеан, Монтевидео, Ленинград и др.

С другой стороны, разливы некоторых рек, как, например, Нила, Тигра и Евфрата, дали возможность развиться цивилизации у самых границ пустыни. Значение рек в жизни страны столь велико, что во всех культурных государствах возникли специальные организации для изучения гидрографии, и давно уже приступлено к систематическому изучению рек и их режима. Во Франции учреждение Service nydrometrique de la Seine предшествовало учреждению метеорологических станций, в Германии издан ряд ценных монографий, посвященных изучению всех больших рек, начиная от Рейна и кончая Вислой, в Соединенных Штатах Америки систематическое изучение рек ведет Geological Survey. Сильные и опустошительные разливы Дуная и в особенности его притоков Тиссы, Мароша и других в Венгрии повели к созданию целой сети гидрологических учреждений с центральной станцией в Будапеште. Из рек СНГ более подробному обследованию в XIX столетии подвергались Днепр, Волга и ряд других рек; в конце XIX столетия в Европейской России, кроме того, работала специальная экспедиция по обследованию истоков важнейших рек, под общим руководством А.А.Тилло, давшая ценный материал по гидрологии верховий ваших основных водных артерий. Наиболее характерной особенностью каждой реки является ее режим, т. е. изменение на протяжении года ее уровней: расходов, наносов, температуры, химизма и т. д. Чтобы выяснить режим реки, необходимо определить отношение, какое существует между количеством осадков, выпавших в ее бассейне, и массой воды, стекающей рекой.

Для определения же этой последней достаточно знать площадь поперечного сечения реки (так называемое живое сечение) и среднюю скорость ее течения в данном месте, так как произведение этих двух величии и дает нам искомое количество воды, протекающее рекой в определенную единицу времени, например в секунду, в минуту и т. д. Однако определение расхода воды в реке в течение более или менее значительного промежутка времени, а в особенности целого года, нелегкая задача, так как и скорость течения и живое сечение-реки постоянно изменяются на протяжении года.

Определение скорости течения производится или при помощи простых поплавков, например бутылок, или при помощи более точных приборов, называемых вертушками.

Наблюдения показывают, что скорость течения в реке обычно уменьшается от верховьев вниз по течению. Причина этого заключается в том, что вода при своем движении испытывает трение, как внешнее о дно, берега и о воздух, так и внутреннее, вследствие неодинаковой скорости и различного направления движения частиц воды. В конце концов препятствия, испытываемые водой при ее движении, настолько велики, что поглощают все ускорение, приобретаемое водой при падении от истоков к устью.

Вследствие трения в данном живом сечении реки наибольшая скорость (в случае правильного поперечника реки) находится в середине, но не на поверхности, а на некоторой небольшой глубине, так как на поверхности вода испытывает трение о воздух. В случае несимметричности живого сечения наибольшая скорость будет над самой глубокой ложбиной реки, ближе к одному из берегов. Соединяя точки поперечных сечений реки, в которых течение наиболее быстрое, получим извилистую линию, которая называется стрежнем, или осью, реки. Наглядное понятие о распределении скоростей в данном живом сечении реки можно получить, соединив линиями - изотахами - точки, имеющие одинаковую скорость. По середине высшей изотахи проходит стрежень реки.

Если ветра нет и шероховатость дна обычна, то на каждой отдельной вертикали наибольшая скорость будет находиться от поверхности на расстоянии приблизительно 1/5 глубины вертикали.

Положение точки с наибольшей скоростью определяется соотношением между скоростями поверхностной и придонной (соотношением трения поверхностного и продольного). Увеличение шероховатости дна повлечет за собой уменьшение придонной скорости и соответствующее приближение точки с наибольшей скоростью к поверхности.

Уровень воды в реке не всегда одинаков. Во время прибыли (подъема) воды горизонт ее в середине русла несколько повышается, а во время убыли понижается в середине и повышается у берегов. Это объясняется тем, что дно русла около берегов создает сопротивление движению воды.

Схема живого течения при убыли и при резкой прибыли воды

При резкой убыли воды все плавающие на реке предметы (бревна, мусор и т. д.) втягиваются в среднюю ее часть, на прямом участке русла и ближе к вогнутому берегу на изгибе его. Особенно хорошо это видно весной, когда разлившаяся река входит в русло и отдельные льдины и другие плавающие предметы движутся по воде, строго очерчивая лентообразный контур стрежня.

Во время подъема воды различные плавающие предметы движутся у берегов, соскальзывая с водной выпуклости, образовавшейся в середине потока. Заплесок подрезается течением, от чего он делается обрывистым, вода имеет мутновато-желтый или темный цвет. При убыли воды заплесок увеличивается и становится пологим.

Направление стрежня особенно ярко выражено там, где течение сильное, а его поверхность, волнистая от ветра, представляет собою светлую, ясно очерченную лентообразную полосу, местами прерывающуюся.

Направления и скорости течений могут быть определены судоводителем по контурам берегов исходя из того, что стрежень проходит близко к вогнутым берегам. Если берег обрезной, то течение в непосредственной близости от него особенно быстрое. Скорость течения тем больше, чем меньше ширина русла и чем больше его уклон.

Направление и скорость течения можно определить по различным видимым с судна береговым предметам: кустам, сваям, камням и т. д. При большой скорости течения вода поднимается выше этих предметов, образуя подпор.

Затопленные кусты под напором течения ритмично раскачиваются, вибрируют, а от жестких предметов -- столбов, свай, мостовых опор -- отходят в стороны волны. Чем больше скорость течения, тем острее угол волнообразования и выше волна. При небольшом течении виден слабый след ниже предмета.

Направление и примерную скорость течения определяют по плывущим по поверхности воды предметам, в том числе и специально для этого брошенным в воду, и по расположению угла плотиков, на которых установлены бакены. Чем сильнее течение, тем больше наклоняются буи и вехи.

Встречный ветер, усиливая трение, уменьшает поверхностную скорость и удаляет наибольшую скорость от поверхности. В случае, если поверхностная скорость равна при этом придонной, наибольшая скорость окажется по середине вертикали. Зимой подо льдом, с сильно шероховатой нижней поверхностью, наибольшая скорость перемещается ближе ко дну.

Ветер, дующий по направлению течения, будет не тормозить поверхностные слои воды, а подгонять их, поэтому наибольшая скорость по вертикали поднимется на поверхность.

Таким образом, скорость течения определяется:

• 1) уклоном поверхности реки,
• 2) формой русла,
• 3) шероховатостью русла.

При этом нужно иметь в виду, что скорость определяется уклоном поверхности воды в реке, а не уклоном русла. Если поверхность воды горизонтальна (например перед плотиной), то течения не будет.

Формула Шези, давая зависимость скорости от факторов, ее определяющих, позволяет предвидеть, как будет меняться скорость при изменении этих факторов.

Вследствие неодинаковых скоростей движения воды в живом сечении поверхность реки не является горизонтальной; при повышении уровня реки к середине притекает более воды, чем к краям, и поверхность принимает выпуклый вид, что весьма наглядно обнаруживается, например, в наших реках до вскрытия льда: лед вследствие прибыли воды к середине принимает также выпуклую форму, причем поверхностные талые воды собираются около берегов, образуя здесь длинные лужи, тогда как поверхность льда посредине остается сухой. При спаде вод стекает наибольшее количество воды серединой реки, и поверхность реки принимает вогнутую форму. Проистекающая от этого разность уровней в Миссисипи достигает 2 м.

Кроме того, поперечный профиль реки искажается центробежной силой, силой Кориолиса, происходящей от вращения земли, и сгоно-нагонными ветрами, дующими поперек реки. Различают два типа движения жидкости - ламинарное и турбулентное.

Если скорость в каждой точке изобразить вектором (стрелкой, дающей направление скорости и ее величину), то при ламинарном движении вектор скорости в каждой заданной точке будет постоянен, не будет меняться. Такое движение жидкости наблюдается в узких трубочках при малых скоростях. В природе к ламинарному приближается движение подземных вод по мелким порам. Частным случаем ламинарного движения будет параллелоструйное.

Турбулентное движение характеризуется непостоянством, изменчивостью вектора скорости в каждой заданной точке живого сечения или вертикали. Эта изменчивость называется пульсацией. Таким образом, при турбулентном движении каждая отдельная частица воды, приходя в заданную точку, будет проходить ее в разных направлениях и с разной линейной скоростью. Турбулентное движение широко распространено в природе. Все достаточно быстро текущие поверхностные воды турбулентны. Можно с уверенностью утверждать, что реки имеют только турбулентное течение. Частным случаем турбулентного движения является вихревое (водовороты, воронки и т. д.).

Вектор скорости турбулентного движения можно разложить на составляющие - горизонтальную, вертикальную и боковую. Горизонтальная составляющая характеризует снос по течению, а вертикальная - перемещение частиц воды вверх или вниз.

Значение турбулентности речного течения исключительно велико. Ею определяется перемешивание речной воды и перенос материала во взвешенном состоянии.

Количество (объем) воды, протекающей через площадь живого сечения в единицу времени, называется расходом реки. Расход за продолжительное время называется стоком. Обычно различают сток годовой, месячный, суточный.

Зная массу воды, протекающей рекой в разные времена года, мы можем составить представление о ее режиме. Для наглядности можно выразить изменение расхода воды графически, обозначая количество воды, протекающее в данное время, прямоугольниками, пропорциональными соответствующим массам воды. Так как определение расхода сопряжено с большими трудностями и произведено для небольшого числа рек, то часто ограничиваются лишь наблюдениями по водомерной рейке над колебанием уровня реки и на основании этих колебаний судят и об изменении расхода, получая эмпирические формулы зависимости расхода от высоты уровня. Эти формулы теряют смысл, если русло неустойчиво (размывается или заносится).

Выпавшие на поверхности осадки, как известно, стекают, растворяются и просачиваются. Просочившаяся вода рано или поздно или испарится или присоединится к стоку, поэтому в среднем за большой промежуток времени можно считать, что выпавшая вода частью испаряется, а частью стекает. Если коэффициент стока равен 30%, то, это значит, что из общего количества выпавших осадков 30% стекли, а остальные 70% испарились.

Величина коэффициента стока определяется общей географической обстановкой - климатом, рельефом, растительностью. Так, для река северной Европы - Невы, Северной Двины, Печоры и др. - коэффициент стока больше 60%, для Дона он около 15%, для Нила - около 4%, для Амазонки - около 30%. Громадное испарение в бассейне Нила и слабое на севере Европы и дает такой резкий контраст. В разные годы для одной и той же реки коэффициент стока меняется в зависимости от количества осадков. Во влажные годы коэффициент стока больше, в засушливые - меньше.

В бессточных областях коэффициент стока равен нулю.

Среди причин, обусловливающих коэффициент стока, на первое место надо поставить климат данной местности. Температура влияет на форму выпадающих осадков и на ход испарения. Высокая температура и малая влажность уменьшают поверхностный сток и прекращают действие неглубоких источников. Во время зимнего покоя прекращается испарение растительности, промерзшая почва мешает проникновению воды в глубину. В местностях с продолжительными холодными зимами выпавший на зиму снег остается лежать до весны. Весной же коэффициент стока сильно повышается талыми водами.

Рельеф тоже оказывает влияние на величину коэффициента стока: значительной величины склон облегчает сток даже на проницаемых породах. Горные потоки после дождя несут громадное количество вод, а в без дождевое время почти пересыхают, не вследствие недостатка осадков, а вследствие того, что воды их слишком быстро стекают. Проницаемые породы обусловливают более равномерный сток, непроницаемые - режим потоков.

В горных местностях лес благотворно действует на режим рек, замедляя сток воды и тем предохраняя горные склоны от размыва. Вообще лес имеет регулирующее влияние на речной сток, уменьшая размер половодья и сохраняя запасы влаги к началу лета. Болота же, вопреки распространенному мнению, неблагоприятны для питания рек. Торф, подобно губке, во влажное время впитывает много воды, а в жары много испаряет. По исследованиям Оппокова, осушение болот не только не влечет за собой обмеления рек, но содействует более правильному их питанию.

Кроме коэффициента стока для характеристики стока пользуются также модулем стока.

Модулем стока называется выраженное в литрах количество воды, стекающее в среднем в одну секунду с 1 кв. км площади бассейна. Инженер Кочерин построил карту изолиний модуля стока для Европейской территории Союза. Зная средний модуль стока бассейна, можно рассчитать величину годового стока, умножив модуль стока на число секунд в году и на площадь бассейна. Также очевидно, что модуль стока тесно связан с количеством осадков, испарением, рельефом, растительностью и характером поверхности.