Механізм течії річок.
Визначення швидкості течії водотоків
1.Рух води у природі.
2.Методи вимірювання швидкості течії річок.
3.Розподіл швидкості в живому перерізі водного потоку.
Середня швидкість потоку.
4.Визначення середньої швидкості за формулою Шезі.
5. Будова гідрометричної вертушки.
1.Вода у водних потоках рухається (тече) під дією сили ваги. Швидкість течії залежить від співвідношення між величиною складової сили ваги і сили опору, який виникає в потоці в результаті тертя маси води об дно і береги потоку. Величина поздовжньої сили ваги залежить від похилу русла, а сила опору – від шорсткості русла.
У природі існує два режими руху рідини, в тому числі і води – ламінарний і турбулентний. Ламінарний рух являє собою паралельно-струйний рух. Кожна частка води при цьому русі переміщується паралельно руху всієї маси рідини. Ламінарний рух залежить від густини рідини і опір руху пропорційний швидкості у першій степені. Ламінарний рух має місце переважно в підземних водах.
У природних потоках спостерігається майже виключно турбулентний рух. При цьому русі швидкості мають пульсуючий характер, безперервно змінюючись і за величиною і за напрямком. Коливання швидкості в кожній точці відбувається біля стійких середніх значень, якими і користуються гідрологи. При певних співвідношеннях між глибиною і швидкістю ламінарний рух переходить у турбулентний. Це співвідношення виражається безрозмірним числом Рейнольдса (Re), яке має залежність:
де Vсер - середня швидкість в см/с;
Hсер - глибина в см;
n - коефіцієнт кінематичної в’язкості рідини.
Глибини і швидкості при яких ламінарний рух переходить у турбулентний, називаються критичними. Для відкритих каналів числа Рейнольдса при яких змінюється режим руху, коливаються в межах 300-1200. Так за даними М.А.Великанова, при глибині 10 см критична швидкість дорівнює 0,40 см/с, а при глибині 100 см вона знижується до 0,04 см/с.
В залежності від гідравлічних характеристик водного потоку виділяють рівномірний, нерівномірний і несталий (мінливий) рух.
При рівномірномурусі швидкості течії, поперечний (живий) переріз, витрата води постійні по довжині потоку і не змінюються в часі. Такий рух можна спостерігати в штучно створених руслах з постійним похилом і поперечним перерізом.
При нерівномірному русі похил, швидкості, живий переріз не змінюються в даному створі в часі, але змінюються по довжині потоку. Цей рух спостерігається на річках під час межені, а також в умовах підпору. Нерівномірний рух може бути сповільнений і прискорений. При сповільненому русі крива вільної водної поверхні приймає форму кривої підпору. Похил водної поверхні стає менше похилу дна, глибини при цьому збільшуються. При прискореному русі крива вільної поверхні потоку називається кривою спаду. При цьому глибина уздовж потоку зменшується, а швидкість і похил водної поверхні збільшуються.
При несталому русі всі гідравлічні елементи потоку (похил, швидкість, площа живого перерізу) на певній ділянці змінюються в часі і по довжині. Несталий рух характерний для річок під час проходження повеней і дощових паводків.
2. Швидкості течії річок вимірюються за допомогою поплавків, гідрометричної вертушки або інших приладів. Найпростіші поплавки роблять з дерева у вигляді кружків товщиною 3-5 см, діаметром 15-20 см. Для виміру швидкості визначають віддаль між двома створами (L) і час (t) за який поплавок пройшов цю відстань. Поверхнева швидкість буде дорівнювати:
Точніше швидкість течії вимірюють за допомогою гідрометричної вертушки, яка дозволяє визначити швидкість у будь-якій точці потоку по глибині і ширині. Під час вимірювання швидкості вертушку на штанзі або на тросі спускають у воду на потрібну глибину так, щоб лопаті її стояли проти течії. Під впливом течії лопаті обертаються: чим більша швидкість, тим швидше. Через певну кількість обертів лопаті вертушки (в основному через 20) подається світловий або звуковий сигнал. За часом між двома сигналами визначається кількість обертів за секунду. У спеціальних лабораторіях кожна вертушка проходить тарування, тобто встановлюється залежність між кількістю обертів лопаті ( n ) і швидкістю течії ( V ). По цим даним будується крива тарування за допомогою якої можна обчислити швидкість в точці дослідження. Швидкість вимірюють на швидкісних вертикалях в кількох точках на кожній вертикалі.
3. Швидкості течії води в річках неоднакові в різних точках потоку.
Вони змінюються і по глибині і по ширині потоку. По глибині найменші швидкості під впливом шорсткості русла спостерігаються біля дна і берегів. Швидкість зростає від дна спочатку дуже швидко і на деякій глибині досягає величини близької до середньої швидкості потоку. Далі вверх до поверхні потоку швидкість наростає повільніше (рис. ).
Рис.1 - Крива розподілу швидкостей течії по вертикалі
Зміну швидкості течії на вертикалі можна представити графіком (кривою), який називається епюрою швидкостей. На водній поверхні швидкість найбільша в середній частині потоку і найменша коло берегів. Лінія яка з’єднує плавною лінією точки на поверхні річки з найбільшою швидкістю називається стрижнем.
Наглядну ілюстрацію розподілу швидкостей по живому перерізу дають ізотахи – лінії однакових швидкостей течії. По живому перерізу швидкості збільшуються від берегів і дна до середини і вверх з максимальною швидкістю біля поверхні. Якщо по довжині потоку з’єднати всі точки окремих живих перерізів з максимальними швидкостями плавною лінією, отримаємо динамічну вісь потоку. На розподіл швидкостей у водотоці дуже впливає рельєф дна, льодовий покрив, швидкість і напрямок вітру. При наявності на дні підвищення, швидкості потоку поступово зростають від дна до верху підвищення, а потім різко збільшуються. На плесах швидкості значно менші ніж на перекатах.
При наявності льодового покриву розподіл швидкостей по глибині має особливий характер. На початку льодоутворення, коли нижня поверхня льоду нерівна, шорсткість її значна, максимум швидкості наближається до дна. Далі при згладжуванні нижньої поверхні льоду максимум швидкості переміщується ближче до поверхні. Розподіл швидкостей по живому перерізу під льодом теж інший. Ізотахи утворюють замкнені лінії, динамічна вісь потоку опускається нижче від поверхні.
Для обчислення середньої швидкості на вертикалі треба площу епюри швидкості поділити на глибину вертикалі. За середню можна також прийняти швидкість заміряну в точці 0,6 глибини від поверхні (при відсутності льоду). Щоб обчислити середню швидкість у живому перерізі, треба мати витрату води (Q) в м3/c і площу живого перерізу (w) в м2 . Середня швидкість визначається за формулою:
4. При відсутності безпосередніх вимірів для обчислення середньої швидкості можна використати формулу Шезі:
де R – гідравлічний радіус;
І – похил водної поверхні на ділянці, для якої обчислюється швидкість;
С – коефіцієнт, який залежить від шорсткості русла і гідравлічного радіуса.
Гідравлічний радіус (R) визначається як відношення площі живого перерізу (ω) до змоченого периметру ( χ ).
Змочений периметр це довжина лінії контакту водного потоку з ложем русла. Наближено гідравлічний радіус дорівнює середній глибині.
Коефіцієнт С визначається за формулами Манінга, Павловського і інших авторів.
5 Будова гідрометричної вертушки
Гідрометрична вертушка - один з основних приладів для вимірювання швидкості течії води. Є багато типів гідрометричних вертушок.
Сучасні вертушки різняться по ряду ознак:
- направленню осі обертання (є вертушки з горизонтальною і вертикальною віссю обертання);
- будові лопасного гвинта або ротора (з лопасним гвинтом, або ротором який складається з конусоподібних чашок або крильчаток);
- будові рахунково - контактного механізму (існують вертушки з механічним лічильником числа обертів, або з електричною сигналізацією);
- способу опускання (занурення) вертушки (на штанзі, тросові, універсальні).
Кожна вертушка складається з таких основних частин:
1.) лопасного гвинта або ротора
2.) осі на якій обертається лопасний гвинт
3.) корпуса вертушки
4.) рахунково - контактного механізму
5.) хвоста або руля.
Вертушки забезпечуються приладдям для опускання їх у воду і забезпечення сигналізації. Для догляду за вертушкою додається шансовий інструмент (викрутка) і машинне масло, яким змащується рахунково -контактний механізм і підшипники після кожного виміру швидкостей.
Лопасний гвинт приводиться в рух в результаті дії водного потоку. Деякі вертушки забезпечуються змінними лопасними гвинтами для різних швидкостей. На осі вертушки кріпиться лопасний гвинт.
Корпус вертушки слугує основою для кріплення і розташування на ньому окремих деталей і пристрою для кріплення вертушки на штанзі або тросі.
Рахунково - контактний механізм служить для відліку кількості обертів гвинта або ротора.
Хвостова частина або руль призначений для встановлення вертушки в потоці по направленню течії.
Тарування вертушки – це спеціальне випробування вертушки, під час якого визначається емпірична залежність між швидкістю течії води і кількістю обертів лопатевого гвинта за одну секунду. Перше тарування вертушки виконують після її виготовлення. Подальше тарування за нормальних умов її експлуатації провадять один раз на два роки. У випадку пошкодження вертушки необхідно його негайно відремонтувати і здійснити тарування.