Движение воды в руслах. Распределение скоростей по ширине и глубине

Течение — движение воды в русле водотока (реки, канала, ручья). Течение водотоков происходит под действием гравитации за счёт перепадов уровней воды.

В разных частях речных русел наблюдаются различные течения: на речных излучинах наблюдаются прижимные течения, которые затрудняют судоходство; на перекатах наблюдаются; в ухвостьях островов наблюдаются сбойные течения.

Течения водотоков характеризуются скоростью и направлением. План течений определяется на реке с помощью поплавков или гидрологических вертушек. На гидравлических моделях план течений изучается для определения воздействия водного потока на суда и гидротехнические сооружения. План течений рассчитывается разными способами, из которых одних из простых является метод Бернадского: струи распределяются пропорционально глубине потока в определённой степени. Существует множество численных математических двумерных и трёхмерных моделей по построению плана течений.

Течения водотоков отличаются по своему генезису от течений водоёмов, которые образуются за счёт различных причин: ветра, поступления водных масс из притоков, за счёт перекоса водной поверхности из-за разности давлений, плотностной неоднородности водных масс.

Течения реки бывают трёх видов: Верхнее течение, Среднее течение, Нижнее течение.

Верхнее течение образовывается в вершинах гор при скоплении воды из-за подземных вод и осадков, и оттуда река берёт своё начало.

В Среднем течении река обычно повышает свою полноводность за счёт притоков.

В Нижнем течении река обычно течёт медленно и плавно, зачастую образовывая извилины.

Скорость течения – расстояние, на которое перемещается за единицу времени частица или объем воды в процессе движения. В реках, каналах и других водотоках обычно наблюдается турбулентный режим движения воды, который характеризуется перемешиванием водных масс и пульсацией С.т. как по величине, так и по направлению, поэтому скоростное поле потока представляет собой сложную картину, непрерывно меняющуюся во времени. В связи с пульсацией различают мгновенную и среднюю скорость. Мгновенной называется скорость в данной точке в момент ее измерения. В практических задачах гидравлики и гидрологии обычно используется осредненная во времени скорость. С.т. в точке потока, осредненная за достаточно продолжительный период времени, называется осредненной местной скоростью. В практической гидрометрии принято производить измерение С.т. в точке в течение 100 с, что для большинства случаев оказывается достаточным, чтобы осреднить пульсацию. Принятая в гидрометрии размерность С.т. — м/с. Существует большое количество методов измерения С.т. воды и приборов, действие которых основано на различных физических принципах. Наиболее распространены методы, основанные на регистрации числа оборотов лопастного винта (гидрометрические вертушки) и регистрации скорости плывущего тела (поплавки). Другие методы, применяемые главным образом при проведении научно-исследовательских работ и в лабораторных условиях, основаны на регистрации скоростного напора, силового воздействия потока, на принципе теплообмена, на измерении объема воды, вошедшей в прибор за время наблюдения, на применении ультразвука. Последняя группа методов — наиболее перспективна и активно разрабатывается. Распределение С.т. в речном потоке может быть весьма разнообразным в зависимости от типа реки (равнинная, горная и др.), морфологических особенностей, шероховатости русла, уклона водной поверхности. Общие закономерности в распределении скоростей по глубине и ширине реки таковы: в открытом потоке наибольшая скорость наблюдается обычно у поверхности, наименьшая — у дна (донная скорость, имеет конечное значение, не равное 0), местоположение наибольшей скорости в поперечном створе потока приближенно совпадает с наибольшей глубиной. Представление о распределении скоростей течения по глубине дает эпюра С.т. по вертикали, по ширине — эпюра поверхностных или средних скоростей по ширине реки. Наиболее полное представление о распределении скоростей в живом сечении водотока дают линии равных скоростей — изотахи, которые строятся по данным измерений в отдельных точках. Среднюю скорость потока в гидрометрии обычно находят путем деления расхода воды на площадь водного сечения. На практике при отсутствии измерений средняя скорость в реке (канале) находится по полуэмпирической формуле Шези v = c sqrt {Ri}, где с — коэффициент Шези, зависящий от шероховатости русла и гидравлического радиуса R (приближенно равного средней глубине потока), i — уклон водной поверхности.