Файл: Давыдов Л.К. Общая гидрология учебник.pdf

ный — может возникать при переходе типа I в тип II. В этом случае струи в середине потока могут быть сходящимися или расходящи­ мися, соответственно у берегов — расходящимися или сходящимися.

здесь центробежной силой инерции и связанным с ней поперечным уклоном водной поверхности. Центробежная сила инерции, возни-

поперечный уклон. Оно одинаково для каждой точки вертикали и направлено в противоположную сторону по отно­ шению к центробежной силе инерции (рис. 716,в). Вследствие неуравнове­ шенности этих сил в отдельных точках по вертикали и возникает в потоке по­

увеличением скорости и центробежной силы циркуляционные тече­ ния становятся отчетливыми. Скорость поперечных течений обычно

мала — в десятки раз меньше продольной составляющей ско­ рости-

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,

инижний, в коренном русле. Взаимодействие этих потоков сложно

иеще мало изучено.

В современной литературе по динамике русловых потоков (К. В. Гришанин, 1969 г.) приводится, по-видимому, более строгое объяснение возникновения поперечных циркуляций в речном по­ токе. Происхождение таких циркуляций связывается с механизмом передачи на элементарные объемы воды в потоке действия корио­ лисова ускорения посредством градиента давления, обусловленного поперечным уклоном (и постоянного на вертикали), и разности ка-

сательных напряжений, вызванных на гранях элементарных объе­ мов воды различиями в скоростях потока по вертикали. Аналогич­ ную кориолисову ускорению роль выполняет на повороте русла центростремительное ускорение.

Помимо поперечных циркуляций, в потоке наблюдаются вихре­ вые движения с вертикальной осью вращения (рис. 72). Одни из них подвижны и неустойчивы, другие стационарны и отличаются боль­ шими поперечными размерами. Чаще они возникают в местах слия­ ния потоков, за крутыми выступами берегов, при обтекании неко­ торых подводных препятствий и т. д. Условия формирования ста­ ционарных вихрей пока не исследованы. Гришанин высказы­ вает предположение, что образованию устойчивого локализован­ ного вихря способствует значительная глубина потока и сущест­ вование восходящего течения воды. Эти вихри в потоке, извест­ ные под названием водоворотов, напоминают воздушные ви­ хри — смерчи.

Поперечные циркуляции, вихревые движения играют большую роль в транспортировании наносов и формировании речных русел (см. гл. 37).

ГЛ А В А 30. ЭЛЕМЕНТЫ ВОДНОГО РЕЖИМА

ИМЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА НИМИ

Под влиянием ряда причин, о которых будет сказано ниже, из­ меняются расходы воды в реках, положение уровенной поверхности, •ее уклоны и скорости течения. Совокупное изменение расходов воды, уровней, уклонов и скоростей течения во времени называется в о д н ы м р е ж и м о м , а изменение величин расходов, уровней, уклонов и скоростей в отдельности — э л е м е н т а м и в о д н о г о р е ж и м а .

Р а с х о д о м в о д ы (Q) называется то количество воды, кото­ рое протекает через данное живое сечение реки в единицу времени. Величина расхода выражается в м3/с.

У р о в е н ь в о д ы (Н) — высота поверхности воды (в сантимет­ рах), отсчитываемая от некоторой постоянной плоскости сравнения.

§ 121. Наблюдения за уровнями и методы их обработки

Наблюдения за колебанием уровня проводятся на водомерных постах (рис. 73) и заключаются в измерении высоты водной поверх-

Рис. 73. Свайный водомерный пост (а) и отсчет уровня воды по пере­ носной рейке (б).

ности над некоторой постоянной плоскостью, принимаемой за на­ чальную, или нулевую. За такую плоскость обычно принимают плоскость, проходящую через отметку несколько ниже наинизшего уровня воды. Абсолютную или относительную отметку этой плоско­ сти называют нулем графика, в превышениях над которым и да­ ются все уровни. 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 про­ водятся при помощи переносной рейки. Для этого в русло реки и на пойме забивается ряд расположенных в створе свай. Отметки голо­ вок 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 нуле­ вой 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 допол­ нительные наблюдения через 1, 2, 3 или 6 часов. Для непрерывной регистрации уровней в течение суток применяются самописцы уров­

годниках. 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 гра­ фики их колебаний, дающие наглядное представление об уровенном режиме за данный год (рис. 74).

§ 122. Методы измерения скоростей течения рек

Скорости течения рек обычно измеряются либо поплавками, либо гидрометрическими вертушками. В отдельных случаях вели­ чина средней скорости для всего живого сечения вычисляется по формуле Шези. Простейшие и наиболее часто употребляемые по­ плавки 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 сосед­ ними створами, расстояние / между которыми известно. Поверх­

ностная скорость течения приравнивается скорости движения по­ плавка

V„OB= - J - . (125)

Более точно скорости течения измеряются при помощи гидро­ метрической вертушки. Она позволяет определять осредненную ско­ рость 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 (рис. 75). При измерении скоростей вертушка на штанге или тросе опускается в воду на различные глу­ бины так, чтобы ее лопасти были направлены против течения. Ло­ пасти начинают вращаться, и тем быстрее, чем больше скорость те-

Рис. 75. Гидрометрическая вертушка.

чения. Через определенное число оборотов оси вертушки (обычно через 20) при помощи специального приспособления подается све­ товой или звуковой сигнал. По промежутку времени между двумя сигналами определяется число оборотов в секунду. Вертушки тари­ руются в специальных лабораториях или на заводах, где они изго­ товляются, т. е. устанавливается зависимость между числом оборо­ тов лопасти вертушки в секунду (п об/с) и скоростью течения (о м/с). По этой зависимости, зная п, можно определить ѵ. Измере­ ния вертушкой производятся на нескольких вертикалях, в несколь­ ких точках на каждой из них.

§ 123. Методы определения расходов воды

Расход воды в данном живом сечении может быть определен по формуле

где V— средняя скорость для всего живого сечения; ю — площадь этого сечения. Последняя определяется в результате промеров глу­ бин русла реки по поперечному створу.

По приведенной формуле расход вычисляется лишь в том слу­ чае, если скорость определена по формуле Шези. При измерении

скоростей поплавками или вертушкой на отдельных вертикалях определение расхода производится иначе. Пусть в результате изме­ рений известны средние скорости для каждой вертикали. Тогда схема вычисления расхода воды сводится к следующему. Расход воды можно представить в виде объема водяного тела — модели

б)

Рис. 76. Схема к вычислению расхода воды.

а — м одель расх о д а, б — частичны й расход .

Модель расхода можно разделить вертикальными плоскостями, перпендикулярными площади живого сечения, на элементарные объемы (рис. 76 б). Общий расход вычисляется как сумма частич­ ных расходов AQ, каждый из которых проходит через часть пло­ щади живого сечения сог-, заключенную между двумя скоростными вертикалями или между урезом и ближайшей к нему вертикалью.

Таким образом, общий расход Q равен

и изменяющийся от 0,7 до 0,9. При наличии мертвого пространства /( = 0,5. Расчет расхода воды поясняется рис. 76.

Средняя скорость для всего живого сечения при известном рас­ ходе воды Q вычисляется по формуле £'ср= т~- •