Тема 1. Одномерный русловой поток и

Динамика русловых потоков

Конспект лекций

Часть I

Москва 2001

УДК 556.536

Рецензенты: проф. Н.И.Алексеевский, проф. Г.П.Кумсиашвили, проф. Р.С.Чалов

В конспекте лекций по курсу "Динамика русловых потоков" (I часть) изложены основы теории динамики потока в каналах и естественных речных руслах. Рассмотрены вопросы теории динамики руслового потока и гидравлических сопротивлений, закономерности распределения скоростей течения по глубине потока и в его поперечном сечении. Специальные разделы посвящены динамике и кинематике потока на изгибе русла и при его делении на рукава. Завершает конспект рассмотрение плана безотрывных течений.

Предисловие

Дисциплина "Динамика русловых потоков" знакомит студентов-гидрологов с основой знаний в области кинематики и динамики потоков с жестким и деформируемым руслом. В отличие от классической или речной гидравлики динамика русловых потоков имеет дело не с одномерными, а в основном с пространственными (двумерными или трехмерными) течениями.

В некоторых вузах задачи дисциплины "Динамика русловых потоков" включают рассмотрение трех вопросов: движения воды в руслах, движения наносов и русловых процессов. В соответствии с учебным планом кафедры гидрологии суши географического факультета МГУ изучение закономерностей движения наносов осуществляется в рамках дисциплины "Гидрофизика", а руслового процесса – в специальном курсе "Русловые процессы". В связи с этим в данном случае проблематика дисциплины "Динамика русловых потоков" ограничена рассмотрением лишь закономерностей движения воды в руслах рек и каналов.

Основные задачи дисциплины: 1) познакомить студентов с основными закономерностями пространственного распределения скоростей течения в русловых потоках; 2) показать связь распределения скоростей течения в потоках с гидравлическим сопротивлением русла; 3) рассмотреть основные закономерности динамики потоков на изгибе русла, в руслах, разветвленных на рукава; 5) рассмотреть закономерности взаимосвязи между гидравлическими и морфометрическими характеристиками естественных русел (основы "эмпирической" речной гидравлики и теории устойчивости русел).

Дисциплина "Динамика русловых потоков" базируется на курсах "Гидрология рек", "Основы гидромеханики и гидравлики" и увязывается с курсами "гидрофизика" и "Русловые процессы".

Настоящий конспект лекций включает рассмотрение вопросов лишь I-ой части курса. В конспекте последовательно рассматриваются следующие темы: 1) одномерный русловой поток и гидравлическое сопротивление; 2) распределение скоростей течения по глубине потока; 3) распределение скоростей течения в поперечном сечении прямолинейного потока; 4) изгиб потока; 5) деление потока; 6) планы безотрывных течений.

При написании конспекта учтен опыт чтения автором лекций по дисциплине "Динамика русловых потоков" студентам IV курса кафедры гидрологии суши географического факультета МГУ в течение 1996–2001 гг.

Автор выражает признательность рецензентам профессорам Н. И. Алексеевскому, Г. П. Кумсиашвили и Р. С. Чалову за внимательный просмотр рукописи и сделанные замечания.

При подготовке текста и иллюстраций большую помощь оказали Е. С. Повалишникова и М. В. Михайлова, которым автор выражает искреннюю благодарность.

Введение

Развитие науки о закономерностях движения русловых потоков, как и многих других наук, стимулировалось стремлением людей познать тайны природы и практическими потребностями, связанными с улучшением судоходных условий на реках, сооружением оросительных каналов, водоснабжением городов, строительством гидроэлектростанций и др.

Первые сведения о законах движения воды в руслах были получены еще Леонардо да Винчи (1452-1519). Он имел в целом правильное представление о распределении скоростей течения по глубине речного потока, о влиянии уклона на скорости течения, о характере вихрей в местах резкого расширения потока.

Основы теоретической гидравлики были заложены в трудах членов Петербургской Академии наук швейцарцев Даниила Бернулли (1700-1782) и Леонарда Эйлера (1707-1738). Работы, связанные с проектированием канала для водоснабжения Парижа, привело Антуана Шези (1718-1798) к выводу знаменитой формулы, используемой и по сей день. Вклад в гидравлику рек и каналов внесли также французы Пьер Луи Жорж дю Бюа (1738-1809), Пьер Симон Жирар (1765-1836), Анри Филибер Гаспар Дарси (1803-1858) и Анри Эмиль Базен (1829-1917), швейцарцы Эмиль Оскар Гангилье (1818-1894) и Вильгельм Рудольф Куттер (1818-1888), ирландец Роберт Маннинг (1816-1897) и многие другие.

В России исследования динамики русловых потоков были в начале связаны с удовлетворением потребностей речного транспорта. В эту проблему большой вклад внесли В. М. Лохтин (1849-1919) и Н. С. Лелявский (1853-1905). Широкую известность получили работы В. М.Лохтина "О механизме речного русла" (1897) и Н. С. Лелявского "О речных течениях и формировании речного русла" (1893).

Динамика русловых потоков как наука и учебная дисциплина возникла в нашей стране в послевоенные годы. Основоположником и науки и учебной дисциплины был М. А. Великанов (1879-1964), которому принадлежит и название науки и первая книга "Динамика русловых потоков" (1946). Позже М. А. Великановым были опубликованы новые расширенные варианты этой книги (1949, 1954 – первый том и 1955 – второй том).

Большой вклад в развитие теории динамики русловых потоков внесли также российские ученые В. М. Маккавеев, А. В. Караушев, И. И. Леви, В. Н. Гончаров, К. В. Гришанин, Н. Б. Барышников и др. Как следует из данных табл. 1, эти ученые по-разному понимали содержание дисциплины "Динамика русловых потоков". Большинство из них в круг проблем, входящих в "Динамику русловых потоков", включали, во-первых, турбулентность и скоростную структуру потока, во-вторых, движение наносов, в-третьих, русловые процессы. Лишь в учебнике Н. Б. Барышникова и И. В. Попова (1988) динамика русловых потоков и русловые процессы рассматриваются раздельно.

В ряде книг большое внимание уделено прикладным аспектам динамики русловых потоков и теории русловых процессов. Так, в работах И. И. Леви и В. Н. Гончарова много места отдано описанию процессов заиления и занесения верхних бьефов и размыву русла в нижних бьефах гидроузлов, что несомненно было связано с бурным развитием гидростроительства на реках СССР в 50-60-е годы прошлого столетия.

В настоящее время наиболее современными и обстоятельными признаны книги К. В. Гришанина "Динамика русловых потоков" (1979) и "Основы динамики русловых потоков" (1990), а также учебник Н. Б. Барышникова и И. В. Попова "Динамика русловых потоков и русловые процессы" (1988).

В последние 30-40 лет заметных успехов в теории движения воды в руслах рек и каналов достигла американская наука. Правда, термин "Динамика русловых потоков" за рубежом не применяется. Эту отрасль науки называют на западе либо "Речной гидравликой" (см., например, книгу "Введение в речную гидравлику", перев. с англ., 1961, С. Лелявского – потомка российского ученого Н. С. Лелявского), либо "Речной механикой" (см., например, двухтомное издание "River Mechanics", под ред. А. У. Шена, Колорадский университет, 1971).

Таблица 1

Сводка научных проблем, включенных разными авторами

в дисциплину "Динамика русловых потоков"

Научная проблема	М.А.Великанов (1946, 1949, 1954-1955)	И.И.Леви (1948, 1957)	В.Н.Гончаров (1954, 1960)	А.В.Караушев (1960)	К.В.Гришанин (1969, 1979, 1990)	Н.Б.Барышни-ков, И.В.Попов (1988)	Настоящий курс
Турбулентность	+		+	+	+	+
Гидравлические сопротивления		+	+		+	+	+
Распределение скоростей течения в потоке	+	+	+	+	+	+	+
План течений без водоворотных зон		+	+	+	+		+
План течений с водоворотными зонами		+			+		+
Движение воды на изгибе русла	+		+	+	+	+	+
Деление потока					+	+	+
Влияние на поток:
– ледяного покрова			+	+		+	+
– растительности			+				+
– ветра				+
– поймы					+	+	+
Характеристики наносов			+			+
Критические скорости течения		+	+		+	+
Движение взвешенных наносов	+	+	+		+	+
Движение влекомых наносов	+	+	+		+	+
Русловые деформации		+	+		+
Занесение и заиление верхних бьефов		+	+
Размыв в нижних бьефах		+	+

В содержание настоящего курса не включены проблемы русловой турбулентности, движения взвешенных и влекомых наносов, русловых процессов, рассматриваемых в рамках других дисциплин, изучаемых студентами на кафедре гидрологии суши географического факультета МГУ.

Специального учебного пособия по курсу "Динамика русловых потоков" для гидрологов географического факультета, к сожалению, нет. Его заменяет настоящий конспект лекций.

*

* *

Динамика русловых потоков как раздел науки и учебная дисциплина возникла на стыке трех крупных отраслей науки: гидромеханики с гидравликой, гидрологии и флювиальной геоморфологии и сохраняет связи с этими науками в настоящее время.

Динамика русловых потоков широко использует теоретические положения гидромеханики и ее прикладного раздела – гидравлики. От классической гидравлики динамика русловых потоков отличается тем, что в основном имеет дело с естественными руслами и поэтому обычно рассматривает не одномерные, а двумерные и трехмерные течения. С гидрологией динамику русловых процессов связывает учет особенностей гидрологического режима рек, с флювиальной геоморфологией – учет особенностей строения речных русел и распределения в них донных отложений.

Таким образом, динамика русловых потоков – наука одновременно и географическая и физическая. Ее развитие было невозможно без использования физико-математических и географических подходов.

Динамика русловых потоков – наука молодая (ей не более полувека) и поэтому еще не вполне оформившаяся. В настоящее время мы являемся свидетелями ее становления.

*

* *

Для лучшего понимания последующих тем, ниже приведены основные понятия и обозначения, используемые в Динамике русловых потоков, как учебной дисциплине. Схема русла и руслового потока приведена на рис. 1, а в табл. 2 сведены основные характеристики потока и русла с принятыми в курсе обозначениями и размерностями.

Рис. 1. Схема русла и руслового потока:

а – продольный, б – поперечный разрезы, в – распределение скоростей течения по глубине.

Таблица 2

Основные характеристики потока и русла

Характеристики	Обозначение	Размерность
Морфометрические характеристики русла
Площадь поперечного сечения	w	м^2
Ширина	B	м
Глубина (в любом месте)	h	м
Средняя глубина	H =w/ В	м
Максимальная глубина	h м	м
Смоченный периметр	p	м
Гидравлический радиус	R =w/ р	м
Радиус изгиба	r	м
Гидравлические характеристики потока
Расход воды	Q	м^3/с
Скорость течения: – средняя	V	м/с
– местная	u	м/с
– максимальная	u м	м/с
– на поверхности	u пов	м/с
– у дна	u д	м/с
– осредненная по глубине вертикали	u ср	м/с
Уклон водной поверхности	I =sina	–
Коэффициент Шези	C	м^1/2/с
Коэффициент шероховатости по Маннингу	n	с/м^1/3
Коэффициент гидравлического сопротивления	l=2 g / C ^2	-
Гидрофизические характеристики
Температура воды	T	^oC
Плотность воды	r	кг/м^3
Кинематический коэффициент вязкости	n	м^2/с
Динамический коэффициент вязкости	m=rn	кг/(м×с)
Критерии подобия
Число Фруда	Fr= V ^2/ gH	-
Число Рейнольдса	Re= VH /n	-

Тема 1. Одномерный русловой поток и

Дата добавления: 2015-11-13