Формула Шези показывает, что скорость течения в речном потоке тем больше, чем больше глубина русла и уклон водной поверхности и меньше шероховатость русла.

Путем умножения обеих частей формулы Шези на площадь поперечного с ечения w с учетом формулы (8.1) можно получить формулу для определения расхода воды:

. (8.4)

Если морфометрические харак­теристики речного потока изменяются по длине реки, то движение речного потока будет неравномерное и скорость течения будет изменяться вдоль реки. На небольшом участке реки, где расход не меняе тся из закона сохранения массы вещества можно записать уравнение непрерывности

w ₁ × v ₁= w₂ × v ₂ = Q = const. (8.5)

Отсюда следует, что увеличение площади поперечного сечения вдоль реки (от створа 1 к створу 2) повлечет за собой уменьшение на данном участке скорости течения, как, например, в межень на плесе, уменьшение же площади поперечного сечения вдоль реки приведет к увеличению на этом участке скорости течения, как, например, в межень на перекате.

В случае неравномерного движения уклон водного зеркала уже не будет равен уклону дна, поэтому вдоль реки могут наблюдаться явления подпора (увеличения глубины воды с увеличением расстояния) или явления спада (уменьшения глубины с увеличением расстояния). Причиной неравномерного движения могут быть различные сооружения, возводимые в русле реки – плотины, дамбы, мостовые переходы, спрямление и расчистка русел рек.

Более сложные случаи движения возникают на повороте русла, где наряду с силой тяжести на скорость течения влияет центробежная сила. Этоприводит к о тклонению течения в поверхностных слоях в сторону вогнутого берега, что создает поперечный перекос уровня воды. В результате избытка гидростатического давления у вогнутого берега в придонных слоях возникает течение, направленное в сторону выпуклого берега. Скла­дываясь с основным продольным переносом воды в реке, разно­направленные течения на поверхности и у дна создают спирале­видное движение воды на изгибе речного русла - поп еречную цир­куляцию (рис.8.2).

Рис.8.2. Схема поперечной циркуляции на изгибе речного потока в плане (а) и п оперечном разрезе (б) и схема действующих сил (в):

1 – поверхностные струи; 2)придонные струи.

Поперечный уклон (I _поп= sin b), который возникает на повороте русла, м ожет определен по формуле

. (8.6)

где v -средняя скорость течения;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

r -радиус изгиба русла.

Величина перекоса уровня между обо­ими берегами (DH_поп) равна

D H_поп=I_поп×В, (8.7)

где В -ширина русла.

Пример. При скорости v=1 м/с, r=100 м, B=50 м, величина I_поп =0,001, DH_поп= 0,05 м.

Наряду с силой тяжести, силой трения и центростремительной силой на частицы жидкости действует отклоняющая сила вращения Земли.

Вследствие суточного вращения Земли с угловой скоростью w=2p/86400 = 0,0000729 рад/с, всякая материальная точка, движущаяся относительно Земли со скоростью v, испытывает добавочное ускорение (w).Сила, соответствующая данному ускорению, называется силой Кориолиса (F_кориол), и равна

F _кориол=m×w_г=2× m×v×w×sinj. (8.8)

Сила Кориолиса направлена в северном полушарии под прямым углом вправо к направлению движения частицы, в южном полушарии – влево.

Поперечный уклон, вызываемой силой Кориолиса, равен

I _кориол= v× sinj/67200, (8.9)

Для северной широты j =45° sinj=0,707 I_{кориол=} v/95000, при v=1 м/с I_кориол=1,05×10^-5. При ширине реки B=50 м перепад уровня DH=0,00052 м (0,05 см), что в 100 раз меньше уклона за счет центробежной силы. Наиболее сильно влияние силы Кориолиса проявляется для больших рек (Волга, Днепр, Енисей, Обь и др), что было в свое время обнаружено русским академиком, естествоиспытателем К.Бэром. Однако, из-за своей малости сила Корриолиса, не учитывается в гидравлических расчетах.

2. Движение наносов в реках

Наряду с водой в реках движутся наносы и растворимые примеси. Главными источниками поступления наносов в реки служат поверхность водосборов, подвергающаяся эрозии или про цессу разрушения почв и грунтов текущей водой и ветром в период дождей и снеготаяния, и сами русла рек, размываемые речным потоком.

Эрозия поверхности водосборов - процесс сложный, зависящий как от эродирующей способности стекающих по его поверхности дожде­вых и талых вод, так и от противоэрозионной устойчивости почв и грунтов водосбора. Эрозия поверхности водосборов (и поступле­ние ее продуктов в реки) обычно тем больше, чем сильнее дожди и интенсивнее снеготаяние, чем больше неровности рельефа, рых­лее грунты (наиболее легко подвергаются эрозии лёссовые грунты), менее развит растительный покров, сильнее распаханность скло­нов. Эрозия речных русел тем сильнее, чем больше скорости тече­ния в реках и менее устойчивы грунты, слагающие дно и берега. Часть наносов поступает в русло рек при абразии (волновом раз­рушении) берегов водохранилищ и речных берегов на широких плесах. Наносы, слагающие дно рек, называют донными отложени­ями, или аллювием.

Наиболее важные характеристики наносов следующие:

· геомет­рическая крупность, в ыражающаяся через диаметр частиц наносов (D мм);

· гидравлическая крупность, т. е. скорость осаждения частиц наносов в н еподвижной воде (w, мм/с, мм/мин);

· плотность частиц (р _н, кг/м³), равная для наиболее распространенных кварцевых пес ков2650 кг/м³;

· плотность отложений (плотность грунта) (р_отл, кг/м³), зависящая от плотности частиц и пористости грунта согласно формуле (плотность илистых отложений на дне рек обычно составляет в среднем 700-1000 кг/м³, песчаных 1500-1700, сме ­ шанных1000-1500 кг/м³);

· концентрация (содержание) наносов в по токе, которую можно представить как в относительных величинах (отношение массы или объема наносов к массе или объему воды), гак и в абсолютных величинах; в последнем случае используют понятие мутность воды (s, г/м³, кг/м³), которая вычисляется по формуле

s = m/V, (8.10)

где m- масса наносов в пробе воды; V- объем пробы воды. Мутность определяют путем фильтрования отобранных с помощью питометров проб воды и взвешивания фильтров.

Наибольшую концентрацию наносов (мутность воды) имеют реки с паводочным режимом и протекающие в условиях засушливого климата и легкоразмываемых грунтов. Самые мутные реки на Зем­ле - Терек, Сулак, Кура, Амударья, Ганг, Хуанхэ. Средняя годовая мутность рек Терека, Амударьи и Хуанхэ в условиях естественного режима составляла, например, 1,7; 2,9 и 25,8 кг/м³ соответственно. В половодье мутность воды Хуанхэ достигала 250 кг/м³! В насто­ящее время мутность перечисленных рек стала заметно меньше. Для сравнения приведем данные о средней годовой мутности воды в Волге в ее низовьях: до зарегулирования реки она была равна около 60 г/м³, а после зарегулирования уменьшилась до 25-30 г/м³.

По характеру перемещения в реках наносы разделяют на два основных типа - взвешенные и влекомые. Промежуточным типом являются сальтирующие наносы, движущиеся ска чкообразно в при­донном слое; наносы этой промежуточной группы условно объеди­няют с влекомыми.

Влекомые наносы -это наносы, перемещающиеся речным пото­ком в пр идонном слое и движущиеся скольжением, перекатывани­ем или сальтацией. Путем влечения по дну перемещаются наиболее крупные частицы наносов (песок, гравий, галька, валуны).

Таким образом, критерием начала движения влекомых наносов в реках явл яется условие

(8.11)

где u_дно- фактическая придонная скорость течения.

Между «начальной скоростью» и объе­мом или весом перемещающихся частиц:

F _g~D'~u⁶_дно0. (8.12)

Эта формула получила название закона Эри, утверждающего, что вес влекомых наносов пропорционален шестой степени скорости течения. Из формулы Эри следует, что увеличение скорости тече­ния, например в 2, 3, 4 раза, приводит к увеличению веса переме­щающихся по дну частиц наносов соответственно в 64, 729, 4096 раз. Это как раз и объясняет, почему на равнинных реках с малыми скоростями течения поток может переносить по дну лишь песок, а на горных с большими скоростями — гальку и даже огромные валуны. Для перемещения по дну песка необходимы придонные скорости течения не менее 0,10-0,15 м/с, гравия - не ме нее 0,15- 0,5, гальки - 0,5-1,6, валунов - 1,6-5 м/с. Средняя скорость по­тока должна быть еще больше.

Влекомые наносы могут перемещаться по дну рек либо сплош­ным слоем, либо в виде скоплений, т. е. дискретно. Второй харак­тер движения для рек наиболее типичен. Скопления влекомых наносов представлены донными грядами различного размера (рис. 8.3). Наносы перемещаются слоем по верховому склону гряды и скатываются по низовому склону (его наклон близок к углу естественного откоса) в подвалье гряды. Здесь частицы наносон могут быть «захоронены» надвигающейся грядой и вновь придут в движение лишь после смещения гряды на всю ее полную длину.

Рис.8.3. Донные гряды на дне реки в два последовательных момента времени (1 и 2).

Взвешенные наносы переносятся в толще речного потока. Усло­вием такого перемещения служит соотношение

u ⁺_{z ³}w, (8.13)

где u⁺_z - направленная вверх вертикальная составляющая вектора скорости течения в данной точке потока; w - гидравлическая круп­ность частицы наносов.

Важнейшие характеристики при дви­жении взвешенных наносов в реках - это мутность воды s, определяемая по формуле (8.10), и расход взвешенных наносов:

R=10^-3×sQ, (8.14)

где R в кг/с, s в г/м³, Q в м³ /с.

Взвешенные наносы распределены в речном потоке неравномерно: в при­донных слоях мутность максимальна и уменьшается по направлению к по­верхности, причем для взвешенных на­носов более крупных фракций быстрее, для наносов мелких фракций - медлен­нее.

Наряду со стоком воды в гидрологии определяют сток наносов.Сток наносов реки включает сток взвешенных и сток влекомых наносов, причем главная роль обычно принадлежит взвешенным наносам. Считается, что на долю влекомых наносов приходится в среднем лишь 5-10% стока взвешенных наносов рек, причем с увеличением размера реки эта доля, как правило, уменьшается.

Предельный суммарный расход как взвешенных, так и влеко­мых наносов, которые может при данных условиях переносить река, называют транспортирующей способностью потока R_тр. Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям R_тр зависит прежде всего от скоростей течения и расхода воды:

(8.15)

где s_тр - мутность воды, соответствующая транспортирующей спо­ собности потока;

v -средняя скорость потока;

h_cp - средняя глубина;

w - средняя ги дравлическая крупность частиц наносов.

В нашей стране и за рубежом предложено много разных формул вида (8.15). При этом мутность воды s_тр, соответствующую транс­портирующей способности потока (т. е. предельно возможную мут­ность при данных гидравлических условиях), часто выражают как функцию средней скорости течения: s_rp = avⁿ, где а и n - парамет­ры, причем n изменяется от 2 до 4.