§7. Движение воды в реках

Движение воды можно классифицировать по изменению гидравлических характеристик водного потока во времени и в пространстве, по гидравлическому режиму (ламинарное, турбулентное), по состоянию водной поверхности (спокойное, бурное), а также по действующим физическим силам.

Выделяют два гидродинамических режима движения воды: ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме частицы воды движутся по параллельным траекториям без перемешивания; при турбулентном режиме их движение имеет хаотический характер, в потоке формируются вихри и активизируются процессы перемешивания воды, скорости течения непрерывно изменяются по величине и направлению. Ламинарный режим может переходить в турбулентный при увеличении скорости течения.

Гидродинамический режим потока характеризуется безразмерным числом Рейнольдса Re, равным

Re ≈ vh/υ,

где v - скорость течения (м/с), h - глубина или толщина слоя воды (м), υ - кинематический коэффициент вязкости, зависящий от характера жидкости и ее температуры.

Критическое значение числа Рейнолъдса Re_кр. соответствующее переходу от ламинарного к турбулентному режиму, лежит приблизительно в диапазоне от 300 до 3000.

Если фактическое число Рейнольдса в водном потоке больше 3000 -режим турбулентный, меньше 300 - ламинарный, в диапазоне Re от 300 до 3000 - переходный.

В реках, озерах и морях число Re всегда значительно выше критического значения, и режим движения воды турбулентный. Ламинарный режим характерен для подземных вод в мелкозернистых грунтах (вследствие малых размеров пор и малых скоростей движения воды) и для ледников (вследствие очень большой вязкости льда и очень малых скоростей его движения).

Движение воды можно классифицировать по изменению гидравлических характеристик водного потока во времени и в пространстве, по гидродинамическому режиму (ламинарное, турбулентное), по состоянию водной поверхности (спокойное, бурное), а также по действующим физическим силам.

Спокойные потоки имеют плавную форму свободной поверхности, препятствия обтекаются ими также плавно. Бурные потоки имеют неровную форму поверхности со стоячими волнами, в местах препятствий образуются резкие перепады уровня. Для определения состояния потока (спокойное или бурное) используют безразмерное число Фруда Fr, равное

Fr = V² /gh,

где h - глубина потока, g - ускорение свободного падения. Критическое значение числа Фруда Fr_Kp равно 1. При числе Fr, равном 1, поток находится в критическом состоянии. Если число Фруда больше 1, то поток бурный, если меньше 1 - спокойный. Бурные потоки характерны для горных рек, спокойные - для равнинных рек и течений в водоемах.

В речном потоке обычно действует одна активная массовая сила - Fg - продольная составляющая силы тяжести, обусловленная продольным уклоном водной поверхности. При продольном равновесии между этой силой Fg и силой трения у дна и берегов (Т_дно) можно вычислить V - среднюю скорость течения потока по формуле Шези:

,

где V - средняя скорость течения, h_сp - средняя глубина потока, I - уклон водной поверхности, С - коэффициент Шези, который вычисляют по формуле Маннинга:

С = h^l/6/ п

где n - коэффициент шероховатости речного русла, определяется по специальным таблицам, h - глубина потока.

Согласно формуле Шези, скорость течения в речном потоке тем больше, чем больше глубина русла и уклон водной поверхности, и меньше шероховатость русла.

Сила Кориолиса (Fк) действует на движущийся поток с массой воды – m и направлена перпендикулярно движению в северном полушарии Земли - вправо, а в южном - влево. Она равна

Fк = 2mvsinφ

где v - скорость течения воды, w- угловая скорость вращения Земли, равная 7,27×0,00001, φ - географическая широта места.

На изгибе речного русла центробежная сила приводит к отклонению течения в поверхностных слоях в сторону вогнутого берега, что создает поперечный перекос уровня воды, разнонаправленные течения на поверхности и у дна и, таким образом, поперечную циркуляцию на изгибе русла. Это явление описывается формулой

I_поп=V²/gr

где I_поп - поперечный уклон водной поверхности на изгибе потока, V - скорость течения, g - ускорение силы тяжести, r - радиус изгиба русла. Величина перекоса уровня ΔН_поп между обоими берегами равна

ΔН_поп = I_попВ

где В - ширина русла.