16) Связь между расходом и уровнем воды

Изменение расхода воды в реке влечет за собой изменение всех гидравлических характеристик потока (глубина, ширина живого сечения, скорость течения, коэф. Шизи, коэф. шероховатости)

Так же при изменение расхода меняются уклоны свободной поверхности. Пока поток не вышел на пойму средний уклон участка большой протяженности останется неизменным, т.к. он не может существенно отклониться от среднего уклона дна реки. При затопление поймы и ее опорожнение наблюдаются изменения уклонов своб.поверхности, охватывающие большие участки и очень большого протяжения.

Опираясь на уравнение неустановившегося движения можно написать закон изменения средней глубины в сечение: , где М- безразмерная постоянная, значение которой зависит от характера грунтов дна, В- характерное поперечное сечение (ширина русла по зеркалу воды)

Решая данный закон относительно расхода воды:

Разделив обе части уравнения на площадь сечения ω:

Получим закон:

если в это уравнение подставить Vcp, полученное по закону ШИЗИ , получим закон изменения коэффициента Шизи:

Данная формула действительна во всей амплитуде колебания уровней при незатопляемых берегах, a при затопляемых берегах - до выхода реки на пойму. Значения постоянной M может меняться от створа к створу, но колебания не очень велики. Среднее значение М равны: в плесовых лощинах с песчаным дном 0.9, с гравелистым дном 0.75 и с галечным 0.6

Получаемое в результате измерений графическая зависимость расхода от уровней, называется кривой расходов. Кривая расходов всегда имеет выпуклость, направленную к оси z рис 18

С ростом уровня расход растет все быстрее. Различные местные условия движения воды в естественных руслах могут нарушать однозначность связи между расходом и уровнем, делая зависимость не действительной. Чаще всего нарушение однозначности обусловлено деформацией русла или явлениями подпора.

18) Распределение скоростей на вертикали и в живом сечение

Средние скорости в живых сечениях рек невелики у равнинных рек от 0,5-1,5 м/c ,в меженный период в плесовых лощинах могут уменьшаться до 0,1-0,3, у горных рек - 5-7 м/c.

В результате действии сил трения скорости течения в открытых потоках убывают от свободной поверхности ко дну, а также от середины сечения к берегам.

В гидромеханике доказывается, что вблизи твердой поверхности осредненные скорости турбулентного потока изменяются как логарифм расстояния от этой поверхности. Распределение логарифмического закона на всю вертикаль представляет собой условное допущение, однако оно не приводит к существенной погрешности. Рис 19

,

Vmax- максимальная поверхностная скорость

I-уклон

h - глубина

χ-параметр Кармана (постоянная)

𝜂-плоскость, от которой отсчитываются расстояния

При практическом использование данной формулы удобно перейти от ln к lg кроме того величину в гидромеханике принято обозначать V* имеющая размерность скорости, но ей не являющаяся. Динамичная скорость характеризующая касательные напряжения на дне. Введем опытное значение параметра Кармена χ=0,4 получим след. расчетную формулу:

Вывод логарифмического закона распределения скоростей основан на предположение плоскопараллельного движения жидкости. Это условие в естественных руслах соблюдается редко и поэтому эпюру распр. скоростей на вертикали могут отличаться от идеальной. Наиболее сильное отклонение наблюдается при резком изменение площади живого сечения и под воздействием ветра на свободную поверхность. В живом сечение точки с равными скоростями соед. плавными линиями называются изотахами. Рис 20