> Техника, страница 77 > Реки
Реки
Реки, постоянные естественные водотоки, питаемые поверхностными и подземными водами. Нижний конец каждой такой Р. называется устьем в отличие от гораздо более редкого“случая, когда в низовьях Р. вследствие сильного испарения или просачивания в почву вся вода теряется, не доходя до моря, озера или другой Р., и Р. оканчивается в виде т. н. слепого конца.
Основные определения. Естественные водные потоки разделяются по величине на большие, или Р., средние, или речки, и малые—ручьи, или каналы. Ручьи, речки и Р., соединяясь друг с другом, образуют речную систему. Из двух сливающихся Р. главной называется та, которая имеет меньший про дольный уклон. Вторая Р. называется гг р и-т о к о м. Некоторые специалисты дают иные определения главной реки: Шоклич считает главной Р. ту, которая богаче водой, Фран-циус—ту, которая имеет больший бассейн, Зу-пан—ту, исток которой по прямой линии наиболее удален от общего устья. Притоки, впадающие в главную Р., называются притоками первого порядка; впадающие в последние— притоками второго порядка, и т. д. Местность, направляющая свои воды как надземные, так и подземные в определенный водоток (ручей, речка, река), образует его бассейн. В бассейн данной Р. входят бассейны всех ее притоков. Морфологически поверхностный бассейн можно определить как систему склонов земной поверхности, падающих к Р. Подземные бассейны могут не совпадать с поверхностными, заходят иногда за границы соседних поверхностных бассейнов; поэтому определить точно границу двух соседних бассейнов в большинстве случаев крайне затруднительно, причем получающиеся при этом относительные ошибки тем больше, чем меньше площадь бассейна. Для больших бассейнов эти ошибки не существенны. Поверхностные границы смежных бассейнов, или границы стока между соседними водотоками, называются водоразделами. Водораздельная линия охватывает собой все самые высокие точки потоков данной системы, откуда они начинают свое течение. Иногда из противоположных концов одного и того же озера или болота вытекают водотоки, принадлежащие к разным водным системам (Дон и Цна— из Иван-озера; притоки Днепра и Вислы—из Пинских болот). Водные потоки текут по руслу (смотрите), в которое сливаются поверхностные и грунтовые воды, питающие поток. В отдельных случаях происходит раздвоение Р. (бифуркация). При разделении на рукава последние могут принадлежать разным системам главных Р. (Ориноко) или отдельно впадать в море (Волга) или другие Р. или наконец сливаться вновь с главной Р. (Дон). Густота речной сети, выражающаяся отношением общего протяжения в км всех Р. на данной площади к величине этой площади в км3, зависит: а) от степени водопроницаемости грунтов бассейна, причем чем менее водопроницаемы грунты, тем гуще речная сеть;
б) от характера и распространения растительности, препятствующей размыву земной поверхности и уменьшающей поверхностный сток и его интенсивность; в) от высоты и интенсивности осадков, которые повышают густоту речной сети. Наличие озер в составе речной сети весьма существенно отражается на режиме Р. Озера являются регуляторами стока и отстойниками для осаждения в них мути, приносимой Р., причем регулирование и осаждение сказываются тем в большей мере, чем больше площадь озер. Примерами озерных Р. могут служить: Нева, р. Св. Лаврентия (Америка), Волхов. Коэф-т озерностп представляет собой отношение площади озер к общей площади бассейна данной R. Истоки Р. берут свое начало из подземных или надземных источников (болот или озер) или от ледников. Устьем реки называется место ее впадения в море, озеро или в другую Р. Суще-ствуютР., у которых нет устья (Мургаб) вследствие постепенного исчезновения Р. путем просачивания и испарения. Некоторые Р. уходят
сангельс(
7®ЛодейноеЛ> ПйпёТфг I } Череповец“
Hoeroj
^ЯТИ!
Нижн. ноег
Ульяновск
Пемза
.омара
(Тамбов
Оренбург
;аратоj
.Воронеж-
Харьков
^неРропетроо<
Ростов н-Д. ЧАстрадаиь
Соаасгоп!
Краснодар через трещины под землю, превращаясь в подземные Р.; иногда они вновь выходят на поверхность земли или текут под землей до моря. Извилистость Р. характеризуется коэффициентом извилистости, представляющим со-, бою отношение длины прямой линии, соединяющей точки истока и устья, к длине самой реки. Уклон Р. определяется отношением разности высот истока и устья к длине Р. и выражается в промиллях“
(°/00). На разных участках Р. величина уклона не одинакова. Верхний участок реки отличается более значительными уклонами и более быстрым течением, средний— более пологими уклонами и меньшей быстротой течения и нижний — весьма малыми уклонами и медленным течением. Количество воды, протекающее через живое сечение (площадь поперечного сечения водного потока) Р. в единицу времени, называется расходом воды, а линия, ограничивающая живое сечение со стороны русла,— смоченным периметром. Вследствие размыва русла и берегов Р. перемещается, причем на старых местах остаются старые рукава (нередко залитые водой), или т. н. старицы, превращающиеся в озера и болота.
Питание Р. В зависимости от климатич. условий страны пополнение водных запасов Р. происходит от дождей или таяния снегов,
значительно увеличивает расход горных-Р. По характеру притекания воды в реки питание их можно подразделить на поверхностное и подземное. Поверхностное питание происходит поверхностным стоком, для количест-
венной харак-г® теристики ко-Фнг. 2. Z~ I торого служит м о д ул ь ст 0-к а, представ-
Фигура 1.
причем половодье наступает в теплые или холодные периоды года, или совсем не наблюдается больших подъемов воды. К питанию Р. дождевыми и талыми водами в горных местностях присоединяется еще питание из ледников, к-рое в связи с таянием льда летом ляющий собой уд. сток в л/ек на 1 км2 площади бассейна. Распределение стока по территории наиболее наглядно изображается изолиниями (фигура 1). Подземное питание Р. происходит из подземных запасов воды, представляющих собою громадные подземные водоемы, подающие воду в Р. (внутренний с т о к) и являющиеся единственными источниками питания Р. в периоды засухи и в зимнее время. Подземные запасы пополняются гл. обр. просачиванием дождевых и талых вод, а также самими водотоками во время половодий путем насыщения водой грунта пойм. Подземное питание Р. характеризуется наилучшим образом горизонталями подземных вод, или гидроизогипсами (фигура 2); направление потоков обозначено стрелками нормально к гидроизогипсам. Если подземные воды питают Р., то гидроизогипсы отклоняются вверх по течению; если, наоборот, река отдает воду, то гидроизогипсы отклоняются вниз по течению; когда движение подземных вод происходит независимо от речных, гидроизогипсы пересекают реку без всякого отклонения; т. о. по гидроизогипсам можно легко выявить, где и как река питается подземными водами. На разных участках одной и той же Р. могут иметь случаи питания ее подземными водами и случаи обратные; особенно часто это встречается на Р. с плотинами. Размеры подземного питания характеризуются: при отсутствии оттепелей и паводков—размерами зимних расходов воды в Р., а при отсутствии дождей в течение достаточно продолжительного времени—летними расходами воды в Р. Для правильного суждения о стоке и питании Р. необходимо считаться с гидрологии, циклами. По В. Г. Глушкову можно рассматривать четыре категории питания: а) глубокими подземными водами, б) аллювиальными водами и верховодкой, в) большими скоплениями поверхностных вод в период половодья (смотрите),
г) малыми количествами поверхностных вод в период па (смотрите). Первая категория питания Р. наиболее равномерна и постоянна; она не подвержена сезонным, а для крупных бассейнов и многолетним колебаниям, ослабевая и усиливаясь лишь в результате истории. редких засух и обильных осадков. Вторая категория питания менее устойчива, будучи подвержена не только многолетним, но и сезонным колебаниям. Третья категория питания Р. зависит по размерам: для больших бассейнов—от количества атмосферных осадков. для малых бассейнов—от интенсивности поступления вод; границей между теми и другими являются бассейны, для которых наибольшая длительность добегания поверхностного •стока равна продолжительности выпадения или таяния осадков. Четвертая категория питания Р. тесно связана с погодой и зависит от объёма выпавших осадков, исключая потери на испарение и просачивание; расходы пропорциональны высоте осадков для больших бассейнов и интенсивности поступления вод для малых; эта категория отличается от третьей значительно более о потерь,
И Ώ I И Ш Ιί Y Ш Ш W И×особенно для летних дождей. Колебания рас ходов от всех четырех видов питания м. б. выражены графиком (фигура 3).
Колебания уровня Р. В технике и общежитии различают три положения уровня воды в реке: высокий, средний и низкий {меженний). Уровень воды в реке подвержен постоянному колебанию в зависимости от поступления вод. Колебания уровня воды в Р. могут быть периодические (половодье) или случайные, непериодические (паводки). Разность между предельными уровнями воды бывает значительна, например для Волги у Н.-Новгорода она бывает 12,8 м, а для Оки у Калуги—12,3 метров Меньшим колебаниям уровня воды подвержены озерные Р., причем эти колебания тем меньше, чем больше площадь и объём озера, входящего в систему Р. Для решения различных вопросов, связанных с эксплуатей Р. и постройкой сооружений, необходимо иметь данные о колебаниях уровня и уметь предсказать ожидаемые высоты горизонта воды. Данные о предельных уровнях воды необходимы для решения многих технич. вопросов. Это обусловливает долголетнее наблюдение за уровнем воды для установления гидрологии, режима Р. (смотрите Водомерные наблюдения). Характеристики уровня воды в Р. должны даваться для годового цикла, разбиваемого затем на сезонные циклы, или периоды (наир, зимний, весенний, летний с осенним); для циклов определяют средний уровень и крайние пределы его, а также продолжительность стояния уровней воды. Помимо годовых циклов делают также определения для многолетних циклов с их предельными уровнями. В. Г. Глушков предложил строить график относительной повторяемости. Для построения последнего наносят на вертикальной прямой все точки высот ежегодных максимумов уровня, проводят горизонтальные предельные, медианные и квад-
рильянные линии и строят на каждом из вертикальных отрезков, заключенных между двумя смежными горизонтальными участками (верхний предел—вторая квадрильяна, вторая квадрильяна—медиана и т. д.), прямоугольники, характеризующие повторяемость, которая пропорциональна ширине прямоугольников, при их высоте, равной указанным выше вертикальным отрезкам. Обыкновенно строят графики колебания горизонта воды, откладывая время по абсциссе, а высоту горизонтов воды—по ординатам. Такие графики строят для годового периода, накладывая несколько лет на один и тот же график для оценки особенностей того или иного года, и наносят здесь же отметки «среднего года» как результат вычисления средних арифметических из отметок горизонтов воды по дням. Границы между уровнями (высокими и средними, а также средними и низкими) должен быть во всяком случае мало изменяющимися для данного места с течением времени, чтобы иметь постоянный критерий для оценки колебаний горизонтов за определенные периоды времени. Для решения гидротехнич. задач часто бывает важно знать повторяемость, или частоту, горизонтов той или иной высоты; с этой целью на основании водомерных наблюдений за ряд лет строят кривую повторяемости различных горизонтов и кривую продолжительности стояния горизонтов, или так называемым интегральную кривую (фигура 4). В последнее время предсказания высоты горизонтов начали связывать
Повторяемость в% от времени годового периода
X
| L | 1 | ||||||||
| % | А | s)
7 | |||||||
| Jig. | |||||||||
| ____ | Г " * | ||||||||
| в | |||||||||
60
i 50
40
30
20
10
100 90 80 70 60 50 40 50 20 10 О
Продолжителен. в%ог времени годового периода
Фигура 4.
с данными более полных гидрология, исследований и синоптики. Для речных предсказаний Лебедев дал ф-лу:
Н=Х+Г + Г, (1)
где Н—выраженная по пятибальной системе высота половодья (обычное половодье—«О», высокое — « + 1г> и т. д.), N—балл толщины снега, Р—балл осеннего пропитывания почвы,
I—балл ожидаемой циклоничности весны. Переход от бальной системы к соответствующему показанию рейки водомерного поста производится методом коэфициен-т о в или методом перцентилей (рядов). Для первого метода вводится понятие коэфициента интенсивности половодья данного года, выражаемого величиной
(2)
где h—наивысший горизонт данного года над нулем поста, S—среднее арифметическое из наивысших горизонтов половодья за много лет, Ώ—среднее арифметическое из ежегодных отклонений наивысшего горизонта от величины S. Т. к. согласно указаниям Лебедева числовую величину×можно принять близко равной оценке половодья Ы по пятибальной системе, то
Пользуясь ф-лой (3), вычисляют величину h, подставляя значения величин: N и Р—на основании сведений корреспондентов, I — по картам ожидаемого барич, рельефа, S и D— на основании показаний водомерного поста за ряд лет. По методу перцентилей, предложенному Глушковым, составляется возрастающий ряд из наивысших горизонтов данного поста за много лет, причем принимается, что медианный член этого ряда соответствует баллу 0, первый квадрильянный член ряда, отвечающий типичному низкому половодью,— баллу —1, второй квадрильянный член ряда— баллу +1; первые два числа ряда отвечают половодьям чрезвычайно низким, а последние два числа—чрезвычайно высоким.
В устьях Р., впадающих в море или озеро, колебания уровня воды сильно зависят от направления и силы.ветров. Во время морских приливов происходит подъем воды в Р. от входа в устье приливной волны, идущей навстречу течению в Р. Когда приливная волна вступает в Р., то под влиянием силы, сжимающей поверхность вод по горизонтальному направлению, возникают переносные волны, двигающиеся одновременно с приливной волной вверх по Р., и уровень воды в ней меняется от одного места к"другому. Значительное повышение уровня воды в Р. происходит также при движении льда перед ледоставом (смотрите) или при весеннем вскрытии Р., от ледяных заторов (смотрите), а иногда и в зимнее время при подвижках льда. В Р., питаемых ледниками, наибольший подъем воды наступает летом.
Продольный и поперечный профили Р. Продольный профиль поверхности воды в Р. представляет собою ряд непрерывно изменяющихся кривых, причем для определения истинного профиля Р. необходимо выбирать время, когда Р. имеет низкий горизонт. Путь, по к-рому движется поток с наибольшей скоростью, носит название стрежня Р. Этот путь соответствует б. ч. наиболее глубоким местам Р. и идет от одного берега к другому, следуя изгибам русла (смотрите). Вдоль стрежня Р. плесы чередуются с пере к а т а м и, причем при понижении уровня воды до обнажения перекатов вода стоит только в плесах на уровне аа (фигура 5). С повышением уровня до бб вода будет переливаться через перекаты; при этом скорость в плесах будет очень мала. При повышении уровня воды до положения вв на профиле будет еще отражаться рельеф дна, причем скорости на глубоких местах возрастут, а на мелких уменьшатся, пока уровень воды не достигнет нек-рого положения гг, при к-ром поверхность воды будет иметь одинаковый уклон. С дальнейшим повышением уровня воды на плесах будут иметь место большие уклоны, а на перекатах—малые уклоны, последствием чего получится размыв на глубоких местах и намыв на мелких. Т. о. при высоких водах продольный профиль Р. изменяется в сторону углубления плесов и обмеления перекатов, и обратно, при малых водах размываются гребни и намываются плесы. При разливе по широкой долине уклоны Р. сглаживаются благодаря уменьшению скорости течения; в местах сужения долины скорость, а вместе с ней
ности, свойствами грунта, водоносностью Р., притоками и другими причинами. Размывы и наносы постоянно деформируют русло, изменяя все время продольный профиль Р. Существенную роль в отношении деформирования русла играют притоки. Каждый приток изменяет состояние и направление Р. июне места его впадения, т. к. с увеличением количества воды в большинстве случаев увеличивается и количество влекомых водой наносов. Когда приток несет паводковые воды, то последние, вливаясь с большой скоростью поперек главной Р. и как бы запруживая ее, нарушают ее движение и вызывают отложение наносов.
Размеры частиц наносов все более уменьшаются по направлению к устью по закону, выведенному Штернбергом в предположении, что истирание пропорционально весу Р зерен наносов и длине s пути движения их. Если первоначальный вес Р0 зерен уменьшится на величину dP, то
| cIP=— cPds | (4) |
| ИЛИ | |
| In Р=— cs 4- С. | (5) |
| При s=0, Р=-Р0; следовательно | |
| Р=P0e_cs, | (6) |
| где с означает удельное истирание, | то есть |
уменьшение веса камня в 1 килограмм при перемещении его на 1 метров Удельное истирание зависит от петрографии, свойств камня и может быть принято равным 0,0000167 для мергельной извести, 0,0000100 для обыкновенной извести,
O, 0000083 для доломита, 0,0000033 для кварца, от 0,0000050 до 0,0000035 для гнейса и гранита и от 0,0000025 до 0,0000020 для амфиболита. Ур-ие (6) применимо лишь для таких участков
P., в которых происходит движение по преимуществу донных наносов. При рассмотрении различных продольных профилей Р. выяснилось, что уклон I пропорционален величине Р, то есть что
J=|i=aP0e-“, (7)
где a — коэфпциент пропорциональности; из равенства (7) следует, что
dz= а Р0е~csds=Pe~csds. (8)
Интегрируя н принимая, что при s=0, z=z,, получим уравнение продольного профиля Р. следующем виде:
ζα—ζ=0(1 —e_cs), (9)
где ζ„ и ζ суть глубины в начале и в конце рассматриваемого участка длиною s. Ур-ию
(9) отвечают продольные профили ряда исследованных в этом отношении Р. Закономерность продольного профиля нарушается, если вбды притоков несут с собой наносы других размеров, чем размеры наносов в главной Р., или если скалистые участки препятствуют развитию, последней; между такими препятствиями однако устанавливается продольный уклон соответственно величине наносов. Пока еще немногие Р. имеют на всем своем протяжении в полной мере развитой продольный профиль. При законченном развитии продольного профиля Р. с подвижным ложем уклон является функцией размеров наносов, а размеры последних—функцией пути передвижения наносов.
В поперечных сечениях, нормальных к оси потока, также имеются уклоны поверхности воды. В изгибах Р. у вогнутого берега, к которому течение прижимается под влиянием центробежнойсилы, глубина больше и уровень воды стоит выше. При крупных изгибах реки и большой скорости течения разница уровней у обоих берегов Р.может быть довольно значительна. Если вообразить себе на поверхности воды (фигура 6) материальную частицу, двигающуюся по стрежню со скоростью с то на эту частицу будут действовать вес О и центробежная сила - — в сторону вогнутого берега, где д—ускорение силы тяжести; уровень воды расположен перпендикулярно к результирующей обеих сил и имеет поперечный уклон, определяемый отношением G »2
dz _ д х dx G
(10)
откуда
gdz=V*^· (И)
Принимая скорость v равномерно распределенной по поперечному сечению потока и интегрируя ур-ие (И) при условии, что 2=0 при х=Jfti, получим ур-ие линии гор и-зонта Р. (по Грасгофу):
V2 i Я
(12)
Наибольшая величина повышения уровня воды у вогнутого берега будет
υ2
ιη Да о ел ip. g Jn Д7~ ~’oU 71ёк[·
(13)
Ф-ла эта подтвердилась наблюдениями, произведенными на Рейне. Повышение горизонта отвечает т. о. приближенно тем частям поперечного сечения потока, в которых скорость равна величине v. На поперечные уклоны помимо центробежной силы, развивающейся в водных массах при изменениях направления движения, влияет также вращение земли, которое по закону Кориолиса отклоняет массу двин^щейся воды по направлению к западу, но это влияние ничтожно и практически неуловимо. При подъеме воды поверхность ее в поперечном сечении потока может иметь вид кривой, выпуклой в середине, а при спаде воды—вогнутой. Последним обстоятельством (вогнутостью) пользуются между прочим при сплаве дров россыпью. Если на Р. имеется какое-либо искусственное препятствие, то перед ним образуется подпор, а в его пределах—впадина. Площадь живого сечения Р. в большинстве случаев (как показывают измерения) равна площади параболического сегмента, то есть
P=|6i, i (14)
где Π—площадь живого сечения Р., b—ширина Р. по урезу воды, 1—наибольшая глубина Р.
Скорость течения и расход воды в Р. Величина скорости зависит гл. обр. от уклона и шероховатости русла и от гидрав-лич. радиуса или от средней глубины Р. Распределение скоростей по живому сечению Р. чрезвычайно сложно и не поддается б. или м. точному выражению. Определение расхода Q сводится к отысканию площади живого сечения F и средней скорости течения v, причем под последней подразумевают среднюю из скоростей всех частичек живого сечения Р. Расход Р. будет
Q=Fv. (15)
Для определения средней скорости течения предложено много эмпирических формул (смотрите Гидравлика и Движение воды), из которых наибольшее распространение получили одночленные ф лы вида
v — βΙλΚν, (16)
где v—средняя скорость движения воды,
I—гидравлич. уклон, R—гидравлич. радиус, равный отношению площади живого сечения к смоченному периметру, с—коэф., определяемый опытным .путем. Коэф. с и показатели λ и у зависят отсвойств смоченной поверхности русла. В формуле Шези показатели λ и у равны 0,5. В формуле Форхгеймера λ =0,5, у=0,7, е= здесь п—коэф. шероховатости, определяемой по <ф-ле:
П2 = Pini + Pa>li + P314j+·.·)
где Р—смоченный периметр, ри р2, р3, .— части смоченного периметра, соответствующие разной степени шероховатости; nltn3,n3, .—· коэф-ты шероховатости, соответствующие частям pj, р2, р3,. смоченного периметра. Коэ-фициент шероховатости ложа различен для различных Р. При прочих равных ^условиях увеличение уклона и средней глубины влечет за собой увеличение средней скорости, причем средняя глубина представляет собой отношение площади живого сечения к ширине Р. поверху.
Распределение скоростей в Р. по живому сечению м. б. изображено в виде кривых равных скоростей, или и з о т а х (фигура 7). Система изотах ясно указывает место наибольших скоростей. Наименьшая скорость течения у берегов и у дна, она увеличивается к середине и до определенного предела вверх к поверхности воды. Максимальная скорость наблюдается немного ниже поверхности, что объясняется сопротивлением воздуха движению поверхностных струй. Геометрия, место
сечениях. называется динамической осью Р. Последовательное изменение скоростей или, вернее, их составляющих, перпендикулярных к живому сечению Р., м. б. представлено кривыми распределения скоростей, или годографами скоростей, получаемыми путем соединения концов горизонтальных составляющих векторов скоростей (фигура 8). Сред
| 4 CM | ε f в | |
| !
1 _ i —y<*· |
M | |
| f | ?/. |
| M" | л |
няя скорость vmB поперечном сечении потока представляет собою часть наибольшей поверхностной скорости vHmax течения воды, то есть
!-!т а · Vц1т%, (18)
где коэф. а варьирует в пределах 0,40—0,83 (по данным гидротехнич. бюро в Мюнхене). По данным Гидрографического центрального бюро в Вене
Om Я
}1ун S ’
(19)
где vH—поверхностная скорость поданнойвер-тикали, f—часть площади поперечного сечения потока вдоль данной вертикали,α= 0,77-Г
1,00 (по измерениям на австрийских Р.). Величина а определяется из выражения:
а
(20)
где υΗ есть средняя поверхностная скорость. Определив иа основании измерений величину а, находят расход Q:
Q=аЦуц. (21)
Наряду с продольными скоростями, очень разнообразными, в Р. имеют место скорости, направленные поперек Р. и вверх. Лелявский указал, что в Р. на плесах существует верховое сходящееся клинообразное сбойное течение, а на перекатах—дойное расходящееся, веерообразное. На изгибах Р. течение в общей массе принимает винтообразный или спиралеобразный характер. В общем распределение струй и распространение по всему потоку отдельных частиц воды в Р. крайне сложны и не поддаются точному учету. Для измерения и определения скоростей течения и расходов воды имеется много приборов и методов, позволяющих с большей или меньшей точностью выявить искомые величины (смотрите Гидрометрические приборы и Гидрометрия). На основании произведенных в Р. измерений строят э и горы расходов (фигура 9 и 10). От прямой, изображающей поверхность воды, откладывают вверх в произвольном масштабе средние, или поверхностные скорости по каждой вертикали; через концы отложенных скоростей проводят кривую скоростей (средних, или поверхностных); скорости у берегов берут равными нулю; для получения к р и-вой расходов умножают глубину по каждой вертикали на соответствующую скорость, полученные значения расходов по верти
калям откладывают вверх от линии поверхности воды и через концы отрезков проводят кривую. Площадь, ограниченная линией поверхности воды и кривой расходов, дает секундный расход Р. в данном живом сечении. Для получения действительного расхода по фиктивному помножают последний на коэф. к, варьирующий в зависимости от размеров Р. в пределах 0,83—0,95, причем меньшие значения относятся к малым Р., а ббльшие к большим. Для определения козф-та к производят измерения расходов воды вертушкой не менее чем при трех разных уровнях воды и находят величины расходов и величины фиктивных расходов; делением первых на вторые определяют коэф-ты, после чего строят кривую зависимости, откладывая по оси абсцисс величины коэфициента к, а по оси ординат величины глубины И.
Определенному уровню воды в определенном месте Р. отвечает определенный расход воды, что дает возможность выразить зависимость между расходом и уровнем при помощи графиков. Кривую продолжительности расходов <рг (Т) (фигура 11) можно вывести из
500 400 ЗОО 200 100
Фигура 11.
кривой продолжительности стояния1 уровней воды ψι(Τ) при помощи кривой связи уровней и расходов φ(Ρ), которая для каждой ординаты кривой продолжительности стояния уровней воды дает расход воды в виде абсциссы. Между величинами φ(Ρ), ψ ι(Τ) и ψι(Τ), представляющими собой ф-ии отсчетов Р или времени Т, существует зависимость:
Q=<p(P), P-?i(T), 0-v.(T)·
Зависимость между расходом Q и высотою h уровня воды м. б. также выражена аналитически путем подбора наиболее подходящей для каждого поперечного сечения Р. эмпирич. ф-лы, численные коэф-ты которой определяются данными наблюдений. Постоянная зависимость расхода воды от высоты уровня ее имеет место лишь для случая, когда русло не меняет свою форму. В зимнее время расходы воды Р., покрывающихся льдом, значительно разнятся от летних расходов, вследствие чего к таким Р. не применимы кривые и ф-лы, составленные на основании летних измерений. Во время паводков и половодья расходы воды не всегда укладываются на кривой расхода; в этих случаях следует относиться критически к составленным формулам η графикам. Вообще величина расходов в Р. меняется как в течение года, так и из года в год,причем отношение между приходящимися на один и тот же промежуток времени расходами в половодье и в межень достигает больших значений; это отношение для равнинных большихР.меньше,чем для Р.малых; оно особенно велико для горных рек (смотрите) и весьма мало для Р., регулируемых большими озерами. Определение количества воды, протекающей за известный промежуток времени, решается аналитически или графически при помощи кривых расходов воды и колебаний уровня или при помощи интегральной кривой расхода. Для построения первого графика соответствующие каждодневному уровню величины расходов откладывают по ординатам сообразно времени, откладываемому по оси абсцисс. Количество воды, протекающее за определенный промежуток времени, определяется путем измерения плошади фигуры, ограниченной кривой, осью абсцисс и ординатами, соответствующими началу и концу рассматриваемого промежутка времени. Дляпостроения интегральной кривой расхода (фигура 12) откладывают по оси абсцисс время, а по оси ординат—ко-
Фигура i з
| 800 | 1 1 1 | I I-1-1-1-1-1— |
| ч, 700 | - | |
| i | ||
| 4 МО | ||
| §soo
Is |
||
| 4joo
Ǥ |
||
| Ί 200
v> |
- | |
| £ | ||
| 4 юо 0 | и
У-. lV i_i_ |
|
| 1? ·3 ¥ § | !!!§!si g.
<vr К cp 5 ср о. |
Фигура 12.
ние о равномерном расходе воды. Пользуясь интегральной кривой, можно вывести средний секундный расход, равный тангенсу угла наклона прямой к оси абсцисс. Средний секундный расход показывает среднюю водоносность Р., или модуль Р.
Для определения скорости течения и расхода воды в устьях Р., подверженных морским приливам, могут служить следующие ф-лы и соображения. Скорость распространения волны м. б. приближенно определена по ф-ле: _ *
с=У9(* + :>)±у, (22)
где с—скорость распространения волны, ς—· ускорение силы тяжести, F—живое сечение Р., b—ширина Р., h—амплитуда волны, v— средняя скорость течения Р. при отсутствии приливо-отливного течения, причем знак плюс относится к отливной волне, а знак минус—к приливной. На фигуре 13, Λ есть граница приливной волны, а пунктирные кривые AS и AF обозначают соответственно линии высоких и низких вод. Если в устье Р. в продолжение ί ск. спадала вода и горизонт ее понизился на величину ВС и к началу рассматриваемого промежутка времени t относится приливная волна ί, а к концу—приливная волна 2, то за время t область, ограниченная контуром DS^EF^B, заполнилась водой, а из областей BSiDCB и EAF.2E вода стекла. В ί ск., в продолжение которых гребень волны передвинулся из в S2, а подошва ее изFг вF2, в сечении SF на 1 метров ширины Р. стекло воды
Qm= h~h+ fi+ Qt, (23)
где f i. f2> /з—площади сечений упомянутых выше областей; q—секундный приток воды из Р. на 1 метров ее ширины. Для сечения XX за это же время t на 1 метров ширины Р. количество стекшей воды выразится величиной
Qx=~h + fi+ Qt, (24)
ГДе fi—часть площади /2 слева от сечения XX. Если обозначить все площади спада воды через /s, а все площади подъема воды через fh, то
Q=m3)-mh) + qt. (25)
В рассматриваемом поперечном сечении Р. будет иметь место прилив, отлив или отсутствие .таковых, смотря по тому, будет ли величина Q по формуле (25) отрицательной, положительной или равной нулю. Видоизменяя формулу (25), можно получить аналитич. выражение, пригодное для определения расхода воды в любом сечении Р. в пределах приливного течения в зависимости от спада и подъема горизонта воды и средних значений ширины водотока в вышележащих сечениях Р.
Температурные условия Р. В текущих водах ход t° чрезвычайно мал, составах
личество воды, протекшее от начала рассматриваемого промежутка времени. Количество воды, протекшее за определенный промежуток времени, определяется разностью высот ординат, ограничивающих начало и конец этого промежутка времени. Прямая, соединяющая начало и конец интегральной кривой, дает представле-
<г. э. т. XI х. ляя за сутки около 1°. Средняя суточная t° наступает достаточно точно в 11 час. Вследствие турбулентного движения воды происхо-
16
дит основательное перемешивание всех ее частиц, и разница 4° на разных глубинах не замечается, за исключением глубоких ям,где вода может застояться или где на глубинах есть родники. В общем в речной воде ход 4° за год следует высоте солнца. Ледниковые Р. имеют у истоков 4°, мало превышающие 0° и повышающиеся по мере приближения к устью. Зимой средняя 4°воды выше, а в остальное время года ниже 4° воздуха. Родниковые Р. питаются грунтовыми водами, 4° которых в течение всего года почти постоянна и несколько выше средней годовой 4° воздуха; у истоков эти реки имеют мало колеблющуюся 4°, которая зимою выше, а летом ниже средней 4° воздуха; по мере удаления Р. от истока 4° воды иод влиянием солнца приобретает годовой ход, не зависящий уже от 4° грунта. У озерных Р. годовой ход 4° в общем совпадает с ходом 4° озер у их поверхности, причем 4° воздуха обыкновенно только весною и летом несколько выше 4° воды в Р. При глубоких озерах их влияние сказывается на большом протяжении Р. (Нева). Равнинные Р. прогреваются настолько, что их средняя 4° весь год несколько выше средней 4° воздуха; Р. эти имеют нормальный ход 4°, зависящий от степени нагревания их солнцем. Ход 4° в Р. хорошо изображается при помощи линий равных 4°, илитермоизофлетов (фигура 14). В текущей воде 4° измеряют один раз в сутки в месте с наиболее живым течением, в тени,
Фигура 15,
при помощи простого термометра с делением в и,1°,в продолжение не менее 2 мин. Термометр опускают в воду вместе с сосудом, в к-ром он находится, и вынимают для отсчета вместе с последним. Более целесообразно применять здесь специальные черпальные термометры, заделанные в особую оправу, снабженную внизу черпальным сосудом, а наверху кольцом для держания термометра (фигура 15). При измерении 4° на различных глубинах применяют термометры, к-рые, проходя через слои воды с разной 4°, при вынимании из воды не меняют своих показаний. К этому типу термометров относятся инертные термометры, у которых шарики покрыты тепловой изоляцией (твердой резиной или воском) и которые поэтому меняют свои показания лишь после продолжительного воздействия на них среды, и опрокид- ^ ные термометры, отсчет по которым У производится при их перевертывании на 180°. О льдообразовании, а также связанных с этим явлениях см. Донный лед, Ледостав, Ледоход,
Ледяной затор.
Работа Р. Речной поток, двигающийся с определенной скоростью по руслу»Р., обладает живой силой.
В соответствии с последней и сопротивлением, оказываемым речным ложем размывающему действию воды, происходит больший или меньший размыв русла. Процесс размыва русла называется донной, или глубинной“? эрозией, если размывается дно Р., и боковой эрозией, если .размываются берега. Донная эрозия влечет за собой углубление Р., а боковая эрозия—уширение ее.
Размыву способствуют влекомые водой наносы, льдины (в период ледохода), камни (в особенно быстрых потоках). Работа воды особенно сильно проявляется в водоворотах, на порогах и водопадах. Большинство-долин образовано размывающим действием Р„ Обломки скал уносятся Р. в долины и постепенно размельчаются до того, что достигают моря: уже в виде мелкого песка. При свободном течении Р. происходит постоянное развитие отдельных изгибов в развивающиеся и расширяющиеся петли. Если длина L. дуги, образуемой Р., больше длины полуокружности D
π —, το такие петли носят· название меандров. При· L < изгибы называются,
серпентинами. Меандры образуются под влиянием боковой эрозии в Р., текущих в долинах,заполненных аллювиальными отложениями. Последствием образования изгибов и петель является увеличение протяжения Р.,влекущее за собой уменьшение продольного уклона, а следовательно и средней, скорости течения.
Особенное значение в режиме Р. играют ее притоки, изменяющие состояние и направление Р. ниже мест их впадения. Каждый приток увеличивает количество воды в Р., а это влечет за собой в большинстве случаев увеличение количества влекомых водой наносов; иногда меняется и состав наносов, когда главная Р. и приток текут из разных местностей. Наименьшее влияние на режим главной Р. оказывают притоки, впадающие в вогнутый изгиб Р. в месте наибольшей глубины,. т.”к. в этом случае главная Р. легко справляется с наносами притоков. Такие устья притоков отличаются б. ч. постоянством очертаний и положения. Если приток впадает в Р. со стороны выпуклого берега, где уже имеют-
ся отложения наносов, то получается переме-. жающееся скопление наносов. Устья таких притоков обыкновенно крайне неустойчивы и часто меняют свое место. Под влиянием донной эрозии происходит постоянная деформация русла Р., вследствие чего плесы и перекаты все время меняют свою форму и могут продвигаться вниз по течению. В связи с изменением глубин Р. изменяется и линия наибольших глубин, или фарватер. Во время высоких вод происходит на глубоких местах размыв дна, причем взвешенный материал несется Р. Всякое замедление течения вызывает отложение наносов и образование песчаных отмелей, вследствие чего фарватер получает извилистое направление. На прямых и слабо изогнутых участках Р. происходит передвижение песчаных отмелей (фигура 16), меняющих свое местоположение в зависимости от време-
мыва дна и берегов и продвижения наносов, имеет место по Глушкову соотношение:
Во,5=я./{) (26)
где В—ширина Р., Н—средняя глубина Р., к—коэф., зависящий от грунта русла, равный 1,4 при скалистом, 2,75 при песчаном и
5,5 при легко размываемом мелкопесчаном грунте. Для активного состояния, когда имеет силу эта ф-ла, подъем горизонта воды сопровождается увеличением ширины водотока по закону параболы (выпуклостью вверх); при разливе Р. по пойме указанное соотношение исчезает и возникает вновь по достижении водой очень высоких горизонтов, когда происходит формирование русла высоких вод. Из ф-лы (26) явствует, что при разделении на рукава сумма ширин рукавов всегда больше первоначальной ширины Р.
001ШНП Illi"
ни года; эти передвигающиеся мели деформируют ложе Р. в зависимости от размера и продолжительности половодья. Когда Р. встречает на своем пути преграду, к-рую она не в состоянии скоро размыть, то возникают водопады, низвергающиеся с большей или меньшей высоты и размывающие дно Р., образуя ямы, или котлы. Размыв преграды может происходить снизу и сверху в зависимости от встречаемых потоком на своем пути пород грунта. В первом случае разрушение преграды происходит путем обвалов, причем водопад медленно отступает к истоку (Ниагарский водопад), во втором случае от размыва образуются уступы и пороги (Иматра на р. Вуоксе в Финляндии). Наличие водопадов и порогов указывает на то, что Р. возникла в геологич. смысле сравнительно недавно. С течением времени пороги исчезают, и русло сглаживается. Пороги образуются и независимо от водопадов, например при пересечении водотоком морен (груды камней, передвинутых ледниками). Когда поток активно вырабатывает свое русло, то между шириной и глубиной Р., в зависимости от формирования русла путем раз вода Р. несет с собою не только частицы, получающиеся от размыва русла и берегов, но и частицы, приносимые поверхностным стоком в период снеготаяния и во время лишней. Количество твердых частиц в килограммах, проносимых Р. через живое сечение в ск. во взвешенном состоянии, по дну силою течения и в растворенном виде, представляет собою величину твердого расхода. Для взятия пробы воды с наносами, находящимися в ней, пользуются особыми приборами, называемыми батометрами (смотрите). Когда ширина Р. с изменением уровня ее незначительно изменяется, и уклон I свободной поверхности остается приближенно постоянным, то можно годовое количество наносов определить достаточно точно по ф-ле:
G=pP-Z{Q-Qi)^v^{Q-Q3). (27)
Подставляя в эту формулу значения действительного расхода Q и расхода Q„, при к-ром начинается движение наносов по Форхгеймеру,
ρ= >.57/1.7. (28)
Qo^-F’tHy, (29)
где Н и Н„ означают средние глубины Р., соответствующие величинам Q и Q„, получим другое выражение для G, а именно:
в=<р"ЦН1,’-НУ). (30)
Определение входящих в ф-лы(27)и(30) коэфи-циентов φ, φ и φ" представляет большие затруднения. Витман проверил указанную выше формулу для определения G на основании своих 34-летних наблюдений над участком Рейна между Базелем и Келем длиною 80 км и подтвердил ее правильность; коэф-т φ у него получился для указанного участка Рейна равным 0,00013. На фигуре 17 представлен ход дви-
| i a
{ZOOM |
CH | *7*
s l! |
•JHU9 | G =130.000м <0=0,00019 | 3
moot | |||
| т1- | ρ-0-l- | |||||||
| йчвОмуск | ||||||||
| IS Ш nr Y VI w | Ш IX×л ш | |||||||
Про?мжигельность движения наносов Л7дн
Фигура 17.
жения наносов в реке Мур у Фронлейтеиа; бассейн F=6 300 км2; G=130 000 м3 ежегодно; <3(1=150 м3/ск; - Q )=688 000 000 м3; ψ=0,00019. Тот расход воды,при к-ром в продолжение года происходит наибольшая деформация русла Р., Шоклич называет ложеобра-зующим расходом воды, а соответствующий этому расходу уровень воды Шафернак называет ложеобразующим уровнем воды.
Мутность воды определяется количеством (в килограммах) взвешенного материала, проходящего в 1 ск. через живое сечение Р. Под относительной мутностью а подразумевают отношение абсолютной мутности к секундному расходу воды, проходящему через то же живое сечение Р., то есть
аН: >Л
где q—количество мути, у—расход воды. Осаждающийся материал распределяется по живому сечению Р. неравномерно как в количественном, так и в качественном отношении. Мутность возрастает от поверхности ко дну, и в разное время года,в разные годы, при разной средней скорости течения мутность различна. При ламинарном движении муть оседает, как в стоячей воде, при турбулентном же движении частица, попадая в восходящую струю, поднимается или удерживается во взвешенном состоянии. Размер твердых частиц уменьшается от дна к поверхности. Твердый расход, находящийся в растворенном состоянии, состоит гл. обр. из углекислого кальция, хлористого натрия и других веществ. Количество растворенных веществ, обусловливающих вязкость воды, незначительно по сравнению с количеством взвешенных твердых частиц.
Лит.: Г л у га к о в В., К вопросу о характеристике режима рек, П., 1915; его же, Элементарная инструкция для построения кривой расхода воды по точкам, П., 1915; его же, К вопросу о построении кривых расходов воды п вообще кривых, П., 1915; Воейков А., Климаты земного шара, СПБ, 1884; Великанов М., Гидрология суши, М., 1995; Советов С., Метеорология, служба в США, П., 1918; с г о ж е, Курс общей гидрологии, М.—Л., 1931; К а п д и 0 а Б., Внутренние водные сообщения, П., 1922; Шокальский Ю., Океанография, П., 1917; Шпиндлер И., Гидрология моря, П., 1914; Л я х-пнцкий В., Морские течения и волнение и влияние на -них рельефа дна, «Труды 2 Всерос. гидрология, съезда»,т.2, Л., 1929; Иогансон К. Зимний режим р. Волхова и озера Ильмень, Л., 1927; Броунов П., Нурсфизич. географии, 2 изд., П., 1917; Б л и з н я к В., Производство исследований рек, озер,водоразделов,
,М., 1930; Иогансон Е., Зимний режим р. Волхова, Л., 1927: Рыкачев М., Вскрытие и замерзание вод, СПБ, 1886; Канди б Б., Регулирование рек, Л., 1927; Пузыревскпй Н., Движение речного наноса, СПБ, 1904; Великанов М., К вопросу о механизме влечения по дну потока твердых частиц, «Сообщение Гидротехнич. сектора ин-та сооружений», М., 1931, 31; Бочков Н., Исследование размывающих скоростей, Постановка лабораторных исследований, там же, 1931, 31; III в е и к о в с к и и Н., Исследование размывающих скоростей, Статистик, обработка данных наблюдений сплошного влечения песка и о движении потока в прямоугольном русле с песчаным дном, там же, 1931, 31; А к у л о в К. и В е л и к από в М., Краткое изложение теорий движения речного потока и методы выправления рек, М., 1928; Ру ндо А., К вопросу о густите речной сети, «Известия гилрол. института», Л., 1921; Оше веки и А., Связь уровней Днепра у г. Киева и у некоторых нижележащих пунктов и предсказания высот уровней на последних по высотам в Киеве, «Труды I Всероссийского Гидрологического съезда», Л., 1 925; Советов В. Река Ижора, Л., 1930; е г о ж е, Опежское озеро, Г!. 1917; Глушков В., Метеорология речного русла, «Труды I Гидролог, съезда», Л. 1 925; е г о ж е, О постановке наблюдений над наносами, там же, Л., 1 925; Кочергин Д., О нормах наибольших расходов воды для бассейнов европ. части СССР по фактич. данным, «Зап, Гос. гидрологич. ип-та», 1928, вып. 2; Долгов Н., О нормах Кестлина, Екатеринослав, 1915; Франциуе О., Гидротехнич. сооружения, пер. с нем., М., 1929; 3 б р о ж е к Ф., Курс внутренних водяных сообщений, 3 изд., П., 1915; Гельман Я., Гидрология, Л., 1924; Курс внутренних водных сообщений, под ред. К. Акулова и др., отдел 1, М., 1927; Зупан А., Основы физич. географии, пер. с нем., 2 изд., П., 1914; Соколов Н„ Гидрологич. очерк р. Волги от устья р. Шексньг до устья р. Оки, Казань, 1921; Т р у ф а п о в А., Речная гидрология, М., 1923; Васильев В., Курс прикладной гидрологии, ч.1,2, М., 1924; Кейльгак К., Подземные воды и -источники, пер. с нем., СПБ, 1914; Л о х т и н В., Гидрология, П., 1918; «Труды Международного судоходного конгресса», Π., 19υ8; Forchheimer Ph., Hydraulik, 3 Aufl., Lpz., 19 3 U; Forchheimer Ph., Grundriss d. Hydraulik, B., 1926; Η о f m a η π A., Zur Ermittlung d. grOssten Hochwassermenge kleiner Wasserlaufe,«Deutsche Bauzeitung»,B., 1899; Iszkow-s k i R., Beitrag zur Ermittlung d. Niedrigst-, Normal- u. Hochstwasscrmenge auf Grund rharakteristischer Merk-male d. Flussgebiete, «Ztschr. d.Ost. Ing. u. Arch. Ver.», W., 1886; К r e s n i k P., Allgemeine Bereehnung d Wasser-Profils- u. Getal%verhaltnisse f. Fliisse u. Ka-nkle, technische Vortrhge u. Abhandlungen, W., 1886; HeubachE., Zur Wasserstandsvorhersage, «Deutsche Bauzeitung», Band, 1898; Iszkowski R., Wasserstandsvorhersage, «Ztschr. d. Ost. Ing. u. Arch. Ver.», W., 1894; Kleiber W., Studien iiber Wasserslands-yorhersage, «Ztschr. f. Gewhsserkunde», B., 1898, В. 1; Mead D„ Hydrology, N. Y., 1919; M e у e г A., The Elements of Hydrology, N. Y., 1928; G r a v e 1 i u s H., Flusskunde, B., 1914; F r a n z i u s O., Der Verkehrs-wasserbau, B.; Handb. Ing., T. 3, В. 1, Lpz., 1923; Parker Ph., The Control of Water, N. Y., 1925; P г i n z E., Handbuch d. Ilydrologie, B., 1923; E n-gels H., Handbuch des Wasserbaues, Lpz., 1923; S c h о k 1 i t s c h A., Der Wasserbau, W„ 1930; G r a-v ell us H., Flusskunde, B., 192«; Kozeny J., Ueber den Hochwasserverlauf in Fliissen u. das Reten-tinnsproblem, «Zeilschrilt d. Ost. Ing. u. Arch. Ver.», Wien, 1914, B. 61; Biilow Г., Leistungsfahigkeit von FIuss-, Bach-, Werkkanal-u. Rohrq uersehni tten, Mii nchen, 1926; Hartmann O., Die Mftglichkeit mathemati-scher Bereehnung sekundlicher Wassermengen u. Gesch-windiKkeiten. Abhandlungen d. hayer. Landesstelle f. Gewasserkunde, Mch., 1927; Forchheimer Ph., Wasserschwall u. Wassersunk, Wien, 1924; S c h о k-li ts c h A., Ueber Schleppkraft u. Geschiebehewegung, Leipzig, 1914; Engels II., Untersuchung iiber die Bettausbildung gerader Oder schwachgekniinmter Flus-strecken mit heweglicher Sohle, «Ztsehr. f. d. Bauwesen», В. 19«5, B. 55; Kurzmann S., Beobachtungen iiber Geschiebefiihnmg, Mch., 1919; Schaffernak F., Neuc Grundlagen f. die Bereehnung d. Geschiebef dh-rung, Lpz. u. W., 1922; J a s m u n d R., Die Gewas-serkunde, Handbuch d Ing., T. 3., B. t, 4 Aufl, Lpz., 1911; Putzinger J., 1) as Ausgleichsgefa I le geschie-befiihrender Wasserlaufe u.Fliisse, «Ztschr.d. Ost.Ing. u. Arch. Ver.», W., 1919, B. 71; W e y r a u c h R., Hydrau-lisches Rechnen, B., 1921; Engels H., Versuche iiber uen Itei. ungswiderstand zwischen stromendem Wasser u. Bettsohle, B., 1912; R eh nock Th., Betrachtung iiber Ai fluss, Stau-und. Walzenbildung bei rtbssenden Gewassern, B., 1917; S c h o k 1 i t s c h A., Ueber das Vollaulen der Kanale, «Ztschr. d. Ost. Ing. u. Aich.Ver.», W., 1915; K r e i t n e r H., Ueber die Wasserspiegellage in offenen Gerinnen, ibid ,1923; ROssP., Bereehnung der WasserspiegclLage, «Forschungsarbeiten auf dem Ge-biete des lugenieurwesens», B., 1927, H. 284. С. Брилинг.