Движение воды в реках реферат

Обновлено: 03.07.2024

По характеру движения воды реку зрелого возраста можно разделить на 3 участка: верховье с быстрым движением воды, среднее течение, где скорость средней величины, и нижнее течение, где вода движется медленно.

Скорости движения воды в реке и колебания уровней в значи­тельной степени зависят от формы поперечного сечения русла, уклона его, очертания в плане, водной растительности.

Движение воды в реке носит турбулентный характер. У вогнутого берега массы воды перемещаются вниз, размывая берега, а у выпуклого берега - вверх, намывая его. Эту закономерность движения речного потока следует учитывать при выборе конструк­ции и места расположения мостового перехода (рис. 1.4.1.4).

Скорости движения воды в реках распределяются по живому сечению неравномерно - по вертикали они уменьшаются от повер­хности ко дну, а по горизонтали - от середины реки к берегам. Эти особен­ности необходимо учитывать при проектировании мостового перехода, так как от скоростей водного потока, их направ­ления и распределения по живому сечению зависит устой­чивость русла реки в месте мостового перехода, вид крепления русла, режимы движения наносов, шуголедовые явления и др.

Распределение скоростей в речном потоке имеет ряд особенностей. Для русла реки, близкого по форме к призматическому, при отсутствии пойм и в условиях ма­лых колебаний уровня движение можно считать равномер­ным. При этом возникает следующее распределение скоростей: максимум местных скоростей находится на наибольшем удалении от определяющей сопротивление движению шеро­ховатой поверхности дна русла и берегов - на поверхно­сти в середине реки; на любой вертикали скорости изменя­ются, падая ко дну. Закон распределения скоростей (рис. 2.1.2.2, а) - логарифмический или степенной, т.е. аналоги­чен распределению местных скоростей в канале или трубе при квадратичной зоне сопротивления.

Следует напомнить, что при таком наиболее изученном и характерном законе распределения скоростей по верти­кали устанавливается соответствующая связь между сред­ней и_в, максимальной поверхностной u_м и придонной ско­ростью и_л на уровне выступов шероховатости русла.

Рис. 1.4.1.4. распределение скоростей по живому сечению реки

При нарушении равномерного режима безнапорного движения в реке меняется и сам закон распределения ско­ростей, и в частности соотношение между средней и придон­ной скоростями.

Рис. 2.1.2.2. Распределение скоростей в живом сечении по вертикали:

а) в потоке со свободной поверхностью; б) в потоке подо льдом; в) на участках рек при впадении в крупные водоемы

Причиной отклонения от равномерного безнапорного течения в реке может быть, например, образование ледяного покрова. Из-за этого движение речного потока происходит в напорном режиме (рис. 2.1.2.2, б). Трение о поверхность льда создает дополнительное сопротивление, что приводит в целом к торможению потока. Меняется и распределение ско­ростей в живом сечении реки. Максимум скоростей по шири­не сохраняется в ее средней части, вдали от берегов, а по глубине несколько смещается ко дну.

Отклонения в рас­пределении скоростей по вертикали возникают и при нерав­номерном движении. В пределах кривых подпора скорости по вертикали несколько выравниваются, а на участках спада неравномерность скоростей возрастает, разность меж­ду значениями поверхностных и придонных скоростей уве­личивается. Однако в большинстве инженерных расчетов отмеченный эффект до последнего времени не учитывался.

Еще большее искажение распределения скоростей по вертикали возможно при сгонно-нагонных явлениях и стратификации потока - делении на слои разной плотности под влиянием градиента температур, концентрации солей и других причин изменения физических свойств жидкости. Перечисленные условия возникают на участках рек при впадении в крупные, в том числе засоленные, водоемы. Отмеченные отклонения в законе скоростей вплоть до раз­ной направленности потока по глубине (рис. 2.1.2.2, в) необ­ходимо учитывать, в частности, при оценке его размывающей способности.

Наиболее характерные особенности кинематики речного потока обусловлены поперечным профилем дна и плановыми очертаниями берегов. Влияние этих факторов является определяющим и для характера перемещения наносов, для руслового процесса, для компоновки и назначения генераль­ных размеров мостового перехода.

Большинство рек РФ имеет поймы. Пойменные участки отличаются более высоким гидравлическим сопротивлением, чем русло­вые. Причиной этого являются малые глубины на поймах. Очень сильное влияние на сопротивление оказывают расту­щие на поймах деревья и кустарники. Чем больше разница в сопротивлениях поймы и русла, тем значительнее перепад скоростей, тем более медленным оказывается пойменный поток по сравнению с русловым. Одним из важнейших след­ствий малых скоростей на поймах является то, что по ним, как правило, проходят только относительно мелкие, взвешенные наносы.Более крупные донные наносы большей частью перемещаются по руслу.

Перепад скоростей поймен­ного и руслового потоков становится причиной вторичного явления - кинематического эффекта. Раз­ница скоростей вызывает в соответствии с уравнением Бернулли неравенство уровней. Относительно малая кинети­ческая энергия потока на поймах по сравнению с руслом становится причиной повышения уровня (более высокой потенциальной энергии). Появление поперечного уклона свободной поверхности от поймы к руслу порождает соот­ветствующее течение, массообмен пойменных и руслового потоков. Повышаются турбулентные касательные напряже­ния на границе рассматриваемых потоков, являющихся ре­зультатом разницы их скоростей. В итоге происходит тор­можение речного потока в целом: падение скоростей в его русловой части не компенсируется некоторым их увеличе­нием в пойменном потоке у бровки русла. Практически это приводит к общему росту уровня для обеспечения пропуска расхода реки.

Важнейшая особенность кинематики речного потока - поперечная циркуляция, которая вызыва­ется его искривлениями в плане (меандрированием), наибо­лее характерными для равнинных рек. Возникающие на повороте реки инерциальные силы пропорциональны квад­рату продольной местной скорости течения и обратно про­порциональны радиусу закругления. В соответствии с рас­смотренным выше распределением по глубине скоростей в речном потоке инерциальные силы в поверхностных струях оказываются выше, чем в донных. Поверхностные струи с относительно высокими скоростями начинают отклоняться в сторону вогнутого берега, что, в частности, вызывает его разрушение. Образуется поперечный уклон свободной по­верхности с повышением уровня у вогнутого берега. На­бегающие на вогнутый берег поверхностные струиотражаются от него и, переходя в донные, направ­ляются к выпуклому берегу под действием соответствующего пере­пада уровней. В поперечном сечении круг замыкается, а речной поток в целом совершает винтовое движение.

Перечисленные примеры показывают, насколько важно инженеру иметь максимум сведений о расходах, уровнях и других характеристиках потоков в периоды их паводков и половодий, о динамике их изменений как за короткий пери­од времени, так и за много лет.

Представление о распределении скоростей в живом сечении дают линии равных скоростей - изотахи, которые вычерчиваются по данным измерений скоростей в отдельных точках. Линию, соединяющую наибольшие скорости на поверхности реки, называют стрежнем. На прямых плесах стрежень проходит по середине реки и подчиняется симметрии стрелы, а на излучинах он прижимается к вогнутому берегу, и течение резко диссимметрично. Симметрии или дисимметрии водного потока соответствует и форма русла: стрежень и фарватер совпадают.

Измерение скоростей течения воды необходимо для нужд судоходства и лесосплава, строительства мостов и гидротехнических сооружений, для решения множества других научных и практических задач, в том числе и для определения расходов воды.

Река – турбулентный поток, скорость которого непрерывно изменяется по величине и направлению, что приводит к горизонтальному и вертикальному перемешиванию воды. Скорость течения реки определяется поплавками и специальными приборами – гидрометрическими вертушками и выражается в метрах и секунду (v, м/с). При отсутствии непосредственных измерений для вычисления средней скорости потока применяется уравнение Шези: V_ср=C√R*i, где V – скорость в м/с. С – коэффициент, зависящий от шероховатости русла и глубины потока (коэффициент Шези). R – гидравлический радиус. i – уклон русла. Коэффициент Шези определяется по формуле Маннинга; С=1/n*h 1/6 , где h – глубина потока, n – коэффициент шероховатости русел, определяемый по таблицам М. Ф. Срибного. В руслах равнинных рек, ширина которых на несколько порядков превышает их глубину, величина R мало отличается от глубины реки h, и поэтому формула Шези может быть записана в виде V=C√h*i. Из формулы Шези видно, что скорость потока растет с увеличением уклона и глубины (и соответственно гидравлического радиуса), так как при этом ослабевает влияние шероховатости.

При открытой водной поверхности в штилевую погоду наименьшие скорости наблюдаются у дна, что обусловлено трением, и нарастают к поверхности реки. При попутном ветре максимальная скорость бывает на поверхности, при встречном ветре и зимой при наличии ледяного покрова, она опускается на некоторую глубину. При наличии механических препятствий на дне или донной водной растительности скорости внизу потока существенно уменьшаются. Кривые изменения скоростей по вертикали называются годографами или эпюрами скоростей. Скорости течения по ширине реки, как поверхностная, так и на всех других уровнях, меняются довольно плавно и закономерно, повторяя распределение глубин в живом сечении, но у берегов всегда меньше из-за трения. Линии, соединяющие точки с одинаковыми скоростями в живом сечении реки, называются изотахами. Стрежень реки – линия вдоль реки, соединяющая точки наибольших поверхностных скоростей течения. Динамическая ось потока – линия вдоль реки, соединяющая точки наибольших скоростей в поперечном сечении потока.

Знания о распределении скоростей в реке, положении стрежня и динамической оси потока имеют большое значение для водного транспорта и лесосплава.

Движущаяся вода обладает энергией и способна производить работу. Энергия реки прямо пропорциональна массе воды и скорости. В естественных условиях работа реки слагается из процессов эрозии (размыва), переноса и аккумуляции (отложения) наносов. Твердые минеральные частицы, переносимые рекой и отлагаемые в русле и на пойме, называются аллювием. Речные наносы в зависимости от характера движения в потоке условно подразделяются на взвешенные и влекомые (донные). Для характеристики речных наносов применяется ряд показателей: мутность (ρ) – количество взвешенных наносов, содержащихся в 1м 3 воды (г/м 3 ) или литре воды (г/л); расход наносов (R) – количество наносов, проносимое рекой через живое сечение в одну секунду: R= ρ*Q (кг/с). Различают расход взвешенных и расход влекомых наносов. Максимально возможный при данных гидравлических характеристиках потока расход наносов называется транспортирующей способностью реки. Сток наносов – суммарное количество наносов в тоннах, проносимое рекой через живое сечение за длительный промежуток времени (сутки, месяц, год). В настоящее время сток наносов всех рек оценивается в 21,3 млрд. т в год, что составляет около 36% от всего осадочного материала, поступающего в Мировой океан.

Движение воды в реках происходит под действием силы тяжести при наличии продольного уклона или напора. Скорость течения зависит от соотношения горизонтальной составляющей силы тяжести, определяемой уклоном и разностью напоров, и силы трения, определяемой взаимодействием между частицами внутри потока и частицами и дном.

Для рек характерен турбулентный режим движения воды, отличительной особенностью которого является пульсация скорости или изменение ее во времени в каждой точке по значению и направлению относительно среднего значения.

Вследствие неравномерности потерь по ширине русла скорости течения распре­делены в речном потоке неравномерно: наибольшие скорости на­блюдаются на поверхности потока над наиболее глубокой частью русла, наименьшие - у дна и берегов. В наиболее часто встречающихся условиях закономерном распределении скоростей течения эпюра (график распределения) средних скоростей по глубине речного потока имеет максимум (u_max) вблизи поверхности, скорость, близ­кую к средней на вертикали,- на глубине 0,6h от дна (h - полная глубина) и минимум (u_min), не равный нулю,- у дна (рис. 8.1, а).

Рис. 8.1. Вертикальное распределение скоростей течения в речном потоке:

а -типичное; 6-под ледяным покровом; в - под слоем внутриводного льда (шуги); г - при попутном и встречном ветре; д- при влиянии растительности; е - при влиянии неровностей дна; 1 -ледяной покров; 2-слой шуги; V-направление ветра; u_max - максимальная скорость течения; -и - обратное течение

Однако под влиянием ледяного покрова, ветра, растительности, неровностей рельефа дна и берегов это распределение скоростей нарушается (рис. 8.1, б - e).

Среднюю скорость течения в поперечном сечении v рассчиты­вают по известным расходу воды - Q и площади поперечного сечения -  по формуле: v=Q/.

Наиболее простые закономерности наблюдаются при равномерном движении жидкости в русле, близком к прямолинейному. В этом случае средняя скорость течения в русле может описана формулой Шези.

, (8.1)

где C – коэффициент Шези;

h_ср – средняя глубина в русле, м;

I – уклон водной поверхности.

При сотношении ширины русла (В) и средней глубины (h_ср) менее 10 вместо h_ср используют гидравлический радиус R = / ( - площадь живого сечения, - смоченный периметр).

Коэффициент Шези вычисляют по эмпирическим формулам, среди которых наиболее распространены

формула Маннинга (для рек):

формула Павловского (для искусственных водотоков – каналов, канав):

y = 0,37+2,5- 0,75(-0,1) ,

где n – коэффициент шероховатости, который находят по специальным таблицам (в России – по таблицам Срибного, Карасева, в США – таблицам Бредли).

Для ровных незаросших русел с песчаным дном п = 0,020 - 0,023; для извилистых русел с неров­ным дном n= 0,023-0,033; для пойм, заросших кустарником, п = 0,033 - 0,045.

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 сечения  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 меняется из закона сохранения массы вещества можно записать уравнение непрерывности

₁v₁= ₂v₂ = 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.Это приводит к отклонению 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 - поперечную цир­куляцию (рис.8.2).

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

1 – поверхностные струи; 2)придонные струи.

Поперечный уклон (I_поп= sin ), который возникает на повороте русла, может 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 (H_поп) равна

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, H_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 =2/86400 = 0,0000729 рад/с, всякая материальная точка, движущаяся относительно Земли со скоростью v , испытывает добавочное ускорение ().Сила, соответствующая данному ускорению, называется силой Кориолиса (F_кориол), и равна

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

Поперечный уклон, вызываемой силой Кориолиса, равен

Для северной широты =45 sin=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 H=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.

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 процессу 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, выражающаяся через диаметр частиц наносов (D мм);

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

плотность частиц (р_н, кг/м 3 ), равная для наиболее распространенных кварцевых песков2650 кг/м 3 ;

плотность отложений (плотность грунта) (р_отл, кг/м 3 ), зависящая от плотности частиц и пористости грунта согласно формуле (плотность илистых отложений на дне рек обычно составляет в среднем 700-1000 кг/м 3 , песчаных 1500-1700, сме­шанных 1000-1500 кг/м 3 );

концентрация (содержание) наносов в потоке, 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/м 3 , кг/м 3 ), которая вычисляется по формуле

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/м 3 соответственно. В половодье мутность воды Хуанхэ достигала 250 кг/м 3 ! 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/м 3 , а после зарегулирования уменьшилась до 25-30 г/м 3 .

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

Влекомые наносы - это наносы, перемещающиеся речным пото­ком в придонном 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 является условие

(8.11)

где u_дно - фактическая придонная скорость течения.

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 менее 0,15- 0,5, гальки - 0,5-1,6, валунов - 1,6-5 м/с. Средняя скорость по­тока должна быть еще больше.

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

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:

где R в кг/с, s в г/м 3 , Q в м 3 /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 спо­собности потока;

v -средняя скорость потока;

h_cp - средняя глубина;

w- средняя гидравлическая 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 = av n , где а и n - парамет­ры, причем n изменяется от 2 до 4.

В реальных условиях фактический расход наносов в реке и транспортирующая способность потока могут не совпадать, что и становится причиной русловых деформаций.

Сток наносов реки (прежде всего взвешенных наносов) обычно рассчитывают по построенным на основе измерений связям расхо­да воды и расхода взвешенных наносов R=f(Q). У такой связи имеются две важные особенности: она нелинейна, причем R растет быстрее, чем Q; очень приближенно эту зависимость иногда можно записать в виде степенного уравнения:

где, по Н. И. Маккавееву, n = 2  3.

Очень часто связь между R и Q оказывается неоднозначной (петлеобразной). Это объясняет­ся несовпадением изменения в реках расходов воды и расходов наносов во времени (рис. 6.18). Максимальная мутность воды в ре­ках (и максимальные расходы наносов тоже) обычно опережают максимальный расход воды, поскольку наиболее активный смыв грунтов с поверхности водосбора идет в период подъема паводка или половодья.

Рис. 8.4. Типичные графики изменения расходов воды и взвешенных наносов (а) и связи между ними (б): 1 - подъем половодья; 2 -спад половодья

С помощью графика связи R=f(Q) по известным средним су­точным значениям Q легко определить и соответствующие величи ны R.

Средние расходы наносов за любой период R определяют точно так же, как и средние расходы воды. Сток наносов рассчитывают по формуле:

где сток наносов W_н, кг; средний расход наносов R, кг/с; интервал времени T, с.

Сток наносов чаще удобнее представить не в кило­граммах, а в тоннах или даже в миллионах тонн. В этих случаях применяют формулы

Если речь идет о годовых величинах, то записы­вают

W_н (млн т) = R 31,510 -3 . (8.18)

Модулем стока наносов называют сток наносов в тоннах с 1 км 2 площади водосбора (A):

Для годовых величин стока наносов получим М_н, т/км 2 :

Модуль стока наносов характеризует эрозионную деятельность речных потоков (напомним, однако, что фактическая денудация в бассейнах рек во много раз больше модуля стока наносов, рас­считанного только что описанными способами, так как огромное количество смытых со склонов наносов не попадает в реки, а от­лагается у подножья склонов, в устьях балок, оврагов, малых при­токов, на поймах.

Модуль стока взвешенных наносов и средняя мутность воды рек, так же как и модуль стока воды, неравномерно распределены по территории. Так, на севере Европейской территории России (тундра, лесная зона) он часто не превышает 1-2 т/км 2 в год, в северной и западных частях Европейской равнины повышается до 10-20 т/км 2 . На юге Европейской территории бывшего СССР он достигает 50-100 т/км 2 , а в ряде районов Кавказа - даже 500 т/км 2 в год. Для бассейнов некоторых рек мира модуль стока взвешенных наносов в естественных условиях стока составлял: у Волги - 10,3 т/км 2 , Дуная- 63,6, Терека - 350, Хуанхэ- 1590 т/км 2 в год. Мутность рек довольно закономерно распределяется по территории. Так, например, средняя годовая мутность рек на севере Европейской части России весьма невелика – 10-50 г/м 3 , в бассейнах Оки, Днепpa, Дона увеличивается до 150-500 г/м 3 , на Северном Кавказе иногда превышает 1000 г/м 3 .

Из суммарного годового стока наносов всех рек мира (15700 млн. т) наибольшая доля в естественных условиях приходится на Амазонку (1200 млн т), Хуанхэ (1185 млн т), Ганг с Брахмапутрой (1060 млн т), Янцзы (471 млн т), Миссисипи (400 млн т) (см. табл. 6.1). Среди наиболее мутных рек на планете - Хуанхэ (средняя годовая мутность воды более 25 кг/м 3 , а максимальная - в 10 раз больше), Инд, Ганг, Янцзы, Амударья, Терек.

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Движение воды в русле канала .

Открытые русла могут быть естественными или искусственными.

К естественным открытым руслам относятся реки и ручьи, к искусственным– каналы, безнапорные трубы (например, дренажные),гидротехнические тунели и т. д.

Особенность движения в открытом русле заключается в том, что поток здесь ограничен не со всех сторон, а име­ет свободную поверхность, все точки которой находятся под воздействием одинакового внешнего давления (атмос­ферного). Равномерное движение жидкости в открытых каналах или в трубопроводах с частично заполненным по­перечным сечением устанавливается, когда геомет­ри­чес­кий уклон трубопровода или дна канала имеет постоянное зна­чение по всей дли­не и форма поперечного сечения не ме­няется. Шероховатость стенок канала также должна иметь постоянное значение.

При отмеченных условиях возможно существование равномерного движения. Однако для реализации равно­мерного движения необходимо еще, чтобы попе­реч­ное сече­ние потока в канале было также постоянным по всей длине канала.

Следует отметить, что безнапорное движение воды представляет значительно более сложное явление по срав­нению с напорным движением, так как наличие сво­бод­ной поверхности потока приводит к изменению площадей живых сечений по длине последнего даже при незначительных препятствиях. Это требует рас­смот­ре­ния процессов волно–образования, заставляет в некоторых случаях счи­тать­ся с влиянием сил поверхностного натяжения и т. п.

При гидравлических расчетах открытых каналов и без­напорных трубо­про­во­дов ставится задача определения ско­рости движения жидкости в канале, площа­ди сечения и наивыгоднейшей формы канала.

При равномерном движении жидкости в открытом рус­ле гидравлический i_г и пьезометрический i_п уклоны, а так­же уклон дна русла i_п равны между собой:

С учетом равенства (5. 29) открытые каналы и безна­порные трубопроводы рас­считываются по формулам, ко­торые были выведены ранее для напорных тру­бо­проводов (формулы Шези и Павловского). Значения коэффициента шеро­хо­ватости п для широкого диапазона условий приведе­ны в приложении 2.

Как следует из формулы Шези, канал будет обладать наивыгоднейшей фор­мой, если при заданной площади по­перечного сечения он будет иметь наимень­ший смоченный периметр. При этом канал будет обеспечивать наибольший расход. Наиболее выгодными профилями каналов являют­ся круг и полукруг. На прак­тике чаще применяются каналы трапецеидальной формы, поскольку в грун­те полукруглое сечение достаточно трудно.

Более подробные сведения о движении воды в открытых руслах можно почерп­нуть в специальной литературе.

Местные сопротивления

При движении реальной жидкости помимо потерь на трение по длине потока могут возникать и так называв мые местные потери напора. Причина последних, напри­мер в трубопроводах, – разного рода конструктивные вставки: колено 3, трой­ники 2, сужения и рас­ширения трубопровода, задвижка 1, вентили и т. п., не­обходимость применения которых связана с условиями сооружения и экс­плу­атации трубопровода.

Местные сопротивления вызывают изменение скорости движения жидкости по значению (сужение и расширение), направлению (колено) или значению и. Нап­ра­вле­нию одновременно (тройник) , поэтому часто указывают на некоторую ана­логию между явлениями, наблюдаемы­ми в местных сопротивлениях, и уда­ром в твердых телах, который с механической точки зрения также характери­зуется внезапным изменением скорости.

На практике местные потери hмп определяют по формуле Вейсбаха

Если по каким-либо соображениям потерю напора же­лательно выразить через ско­рость перед местным сопро­тивлением, необходимо выполнить пересчет коэф­фициен­та местного сопротивления. Для этой цели используют соотношение ζ 1 /ζ2 – ( s1 /s2)2, где ζ 1 , ζ2 – коэффициенты местных сопротивлений, соответст­вую­щие сечениям s1 и s 2.

В некоторых случаях потери напора в местных сопро­тивлениях удобно опре­де­лять по так называемой экви­валентной длине – длине прямого участка трубо­про­вода данного диаметра, на которой потеря напора на тре­ние hТР равна (экви­ва­лентна) потере напора hмп, вызы ваемой соответствующим местным со­про­тив­лением. Эк­вивалентная длина L Э может быть найдена из равенства потери на­по­ра по длине, определяемой по формуле Дарси - Вейсбаха h_тр= λ (L Э /d)[v2/(2g)], и местных потерь напора, учитываемых формулой Вейсбаха hм.п . = ζ[v2/ (2 g ) ] .

Приравнивая правые части этих формул, находим

Сложение потерь напора

Во многих случаях при движении жидкостей одновре­менно наблюдаются потери напора на трение по длине и местные потери напора. В этих случаях полная потеря напора определяется как арифметическая сумма потерь всех видов. Например, полная потеря напора в трубопро­воде длиной L, диаметром d, имею­щем η местных сопротивлений,

Выражение, стоящее в скобках, называют коэффициентом сопротивления сис­темы и обозначают через ζ_сист. Таким образом,

Местные сопротивления можно заменить эквивалент­ными им длинами. В рас­смат­риваемом случае эквива­лентная длина, соответствующая всем η местным сопро­тивлениям

Тогда, обозначая L+L_Э=L_П, можно определять сумму потерь по формуле Дарси–­Вейсбаха. Для этого в нее вместо действительной длины трубопровода L вводят приведенную длину L_П. Таким образом,

Формулы (*) и (**) обычно используют при гидрав­лическом расчете трубопроводов.

Графоаналитические методы расчета трубопроводов

При гидравлическом расчете трубопроводов широко используют графо­ана­ли­ти­ческие методы. Их применение значительно облегчает и упрощает решение неко­торых сложных задач, а в отдельных случаях (например, при исследовании сов­местной работы нескольких центробежных насосов на один общий трубо­провод) является един­ственно возможным приемом, позволяющим получить иско­мое решение.

Предположим, что в простейшем случае имеется трубопровод диаметром d и длиной L и по нему перекачивается жидкость, кинематическая вязкость ν кото­рой известна. Потери напора в данном трубопроводе пред ставляют собой функ­цию только расхода жидкости, т. е. ΔH=f(Q) .

Изобразим эту зависимость графически:

Для этого, произвольно задаваясь рядом значений Q вычислим соответст­вую­щие им значения потерь напора ΔН и отложим (в масштабе) по оси абсцисс зна­че­ния Q, а по оси ординат – вычисленные значения ΔH. Соединив полученные точки плавной линией, получим кривую из изменения потери напора в трубо­про­воде в зависимости от расхода. Эту кривую называют характеристической кри­вой, или гидравлической характеристикой трубопровода.

В общем случае характеристическая кривая трубо провода состоит из отдель­ных участков разной формы – прямолинейного участка для ламинарного режима (при малых Re) и параболической кривой для турбулентного режима (в области боль­ших Re), в свою очередь состоящей из участков разной крутизны (т. е. Пара­бол с различными показателями степени) в разных зонах этого режима.

Рассмотрим построение характеристик для более сложных трубопроводов. Для простоты будем считать что они лежат в одной горизонтальной плоскости.

При последовательном соединении трубопроводов; предварительно строят ха­рак­теристики отдельных последовательно включенных участков.

На рис. изображены характеристики I, II, III участков соответственно 1, 2, 3. Так как при последовательном соединении потери напора суммируют, сложим кри­вые I, II, III по вертикали. Для этого проведем ряд прямых, параллельных оси орди­нат. Каждая из них пересечет эти кривые. Сложим ординаты точек пересе­че­ний этих прямых с кривыми. Получим ряд точек – а, b, с, . принадле-жащих новой кривой I + II + III , которая представляет собой искомую суммар-ную ха­рак­теристику всего рассматриваемого трубопровода.

При параллельном соединении также прежде всего следует построить харак­тери­стики отдельных параллельно включенных участков.

Пусть кривые II , III , IV — такие характеристи­ки участков 2, 3, 4. Как уже ука­зы­валось, при параллель­ном соединении общий расход определяется как сумма рас­ходов в отдельных параллельно включенных участ­ках. Потери напора в них оди­на­ковы, а полные потери напора определятся как потеря напора в одном из пе­речисленных участков. Для построения суммарной ха­рактеристики необ­хо­димо провести ряд горизонтальных прямых, параллельных оси абсцисс, и сложить при по­стоянных ординатах абсциссы точек их пересечения с характе­рис­ти­ками отдельных участков. В результате получим ряд точек а, b, с. опре­деля­ющих суммар­ную характеристику II + III + IV трубопровода при па­рал­лель­ном соединении.

Таким образом, для построения суммарной характе­ристики сложного трубо­про­вода необходимо сложить характеристики отдельных участков (при парал­лель­ном соединении по горизонтали, при последовательном — по вертикали).

В общем случае, когда трубопровод состоит из ряда участков, соединенных между собой как последователь­но, так и параллельно, суммарную харак­те­рис­ти­ку всего трубопровода находят путем последова­тельного сложения предвари­тель­но достроенных характеристик всех отдельных участков. Сначала сумми­руют характеристики параллельно включенных участков 2, 3, 4 по горизонтали, а за-тем их суммарную харак­теристику по вертикали с характеристиками уча­стков 1 и 5, включенных последовательно.

В тех случаях, когда отдельные участки тру­бопровода лежат в раз­ных плос­костях, при по­строении и суммировании характеристик необходи­мо учи­ты­вать также раз­ность высот Δ z между начальной и конечной точками участков. Харак­теристики этих участков следует строить не от начала координат, а из точек, от­стоя­щих от него по оси ординат на величину Δz. Значение Δ z нужно откла­дывать вверх, если конечная точка участка располо–жена выше начальной точки (подъ­ем жидкости), и вниз, если она находится ниже начальной точки (опускание жид­кости). Аналогично следует поступать и в тех случаях, когда жидкость пода­ется в емкости с повышенным или понижен–ным давлением. В первом случае высо­ту Δp/pg, соответствующую разности начального и конечного дав­лений р₁ – р₂ = Δр, откладывают вверх, а во втором – вниз.

По построенным гидравлическим характеристикам трубопроводов легко опре­де­ляются необходимый перепад напоров Δ H по заданному расходу Q или расход по за­данному перепаду напоров. Например, если для простого трубопровода пост­роена его гидравлическая характеристика, то, отложив перепад на­поров Δ H = Δ z на оси ординат, по соответствующей ему точке характеристики можно опре­делить расход Q. Ана­логично определяют необходимый перепад напоров при заданном расходе.

Гидравлическую характеристику трубопровода ис­пользуют также при подборе центро­бежного насоса.

Для определения необходимого диаметра трубопрово­да по заданному Q и строят, задаваясь разными зна­чениями d, график зависимости ΔH = f (d). По задан­ному значению ΔH определяют соответствующий ему диаметр трубопро­вода d.

Читайте также:

  
• Политические портреты современных российских лидеров реферат
  
• История создания следственного комитета рф реферат
  
• Документооборот в мвд реферат
  
• Динамика и прочность машин реферат
  
• Обогащение активного словаря детей дошкольного возраста реферат