книги из ГПНТБ / Земляновский, Д. К. Общая лоция внутренних водных путей учеб. пособие

Типы водпостов. Наиболее распространены свайный, реечный и дистанционный посты.

С в а й н ы й пост . Свайный пост состоит из деревянных или чугунных свай, забитых по прямой линии поперек откоса берега (см. рис. 5). Головки свай возвышаются одна над другой на вы­ соту d, равную примерно 1 м. Все сваи имеют номера. Высоту уровня воды измеряют с помощью переносной рейки, которую ус­ танавливают на ближайшую от уреза воды затопленную сваю для замера высоты уровня К над головкой сваи. Зная из таблицы воз­ вышение данной сваи над нулем водпоста и прибавляя к ней измеренную рейкой высоту К, узнают положение уровня воды h над нулем водпоста.

ляют на каком-либо сооружении в русле: устое моста, шлюзе, плотине, стенке набережной (рис. 6),

Д и с т а н ц и о н н ы й пост. На таких постах устанавливают самописец 1 или отметчик, который регистрирует колебания уров­ ня 2 поплавком 3. С помощью механических, электрических ра­ дио или иных систем данные передаются к месту отсчета уровней

(рис. 7).

График колебаний уровня. Результаты наблюдений за уров­

абсолютных отметок нуля водпоста и графика указывают на по­ лях графика.

Обычно на одном листе графика линиями различных цветов или видов изображают колебания уровней воды за несколько лет.

20

Вверху горизонтальными сплошными линиями обозначают дни,, когда река была покрыта льдом, и прерывистыми — период ледо­

хода.

Характерные уровни воды. Характерные уровни воды и даты их наступления имеют большое значение для различных отрас­ лей народного хозяйства, особенно для судоходства и гидрогео­ логического строительства. К характерным относятся в основном следующие уровни:1

1) наивысший уровень воды — пик половодья (знание высо­ кого положения уровней необходимо для определения границ и размеров затопляемой территории, мест строительства зданий, дорог, высоты мостов и т. п.);

2)наинизший навигационный уровень (эти сведения необхо­ димы для определения минимальных глубин, выбора мест для причалов с учетом возможности подхода к ним судов и т. п.);

3)уровни в начале и конце навигации (знать их необходимо, например, для своевременного ввода судов в затоны и вывода из

них); 4) уровни пиков летних и осенних паводков (данные о них ис­

пользуются при эксплуатации гидротехнических сооружений или решении вопроса о размещении временных складов, которые мо­ жет повредить вода);

5) наивысшие и наинизшие уровни весеннего и осеннего ледо­ ходов (данные об этих уровнях нужны для определения высоты ледозащитных сооружений, мест расположения затопляемых по­

строек и др.); 6) наинизший зимний уровень (знать его необходимо для вы­

бора безопасной стоянки судов во время зимовки, так как судно-

21

может сесть на дно и повредить корпус; кроме того, при недоста­ точных глубинах ледяная чаша, образующаяся под корпусом суд­ на, может примерзнуть ко дну затона).

§ 5. УКЛОНЫ ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ

Падение и продольный уклон. Поверхность речного потока непрерывно понижается от истока к устью. Степень понижения

(см. рис. 4). Падение может характеризоваться величиной, при­ ходящейся на 1 км длины участка реки. Например, среднее па­ дение Оби на 1 км равно 4 см.

П р о д о л ь н ы м у к л о н о м / поверхности (см. рис. 4) на­ зывается отношение падения h на данном участке к длине этого

Величина продольного уклона поверхности воды в реке зави­ сит от высоты уровня воды, вида продольного профиля реки, пла­ новых очертаний русла и т. д. При низком уровне воды уклон меньше, причем, как правило, уклон на плесе меньше, чем на пе­ рекатах. При увеличении расхода и подъеме уровня уклон на пле­ се увеличивается, а на перекате —- уменьшается. При дальнейшем повышении уровня уклоны на плесах могут сравняться с укло­ нами на перекатах. Обычно в половодье уклон бывает больше на плесе и меньше на перекате. После выхода воды из коренного русла и разлива ее по пойме уклон будет зависеть от очертаний

22

долины в плане. Где долина уже, там поверхностный уклон будет больше, где она расширяется — меньше.

Скорость течения воды в реке зависит от продольного уклона. Чем больше уклон, тем больше скорость течения, и наоборот. По­

участке реки на частицы воды действует сила тяжести Р, равная

вень займет положение cd, перпендикулярное направлению рав­ нодействующей г (см. рис. 9). Треугольники аос, bod и nok по­ добны, следовательно, значение поперечного уклона может быть выражено следующим уравнением:

23

Треугольники dob и dee подобны. Сторона се приближенно равна ширине русла, которую обозначим величиной В. На осно­ вании подобия треугольников можно написать

из-за чего поверхность ее становится выпуклой. Это объясняется тем, что вода встречает меньшее сопротивление на середине рус­ ла, чем у берегов.

При резкой убыли вода быстрее уходит из средней части рус­ ла, где также встречает меньшее сопротивление, чем у берегов, почему поверхность ее становится вогнутой.

Такие явления наблюдаются в начальный период резкого подъема или спада уровня. В дальнейшем подъем и спад проис­ ходят при относительно горизонтальном уровне.

У к л о н в с л е д с т в и е в р а щ е н и я З е м л и ( з а к о н Б э ­ р а 1). Каждая точка земной поверхности совершает за сутки один полный оборот, но круговой путь при этом проделывает разный. ■Следовательно, и скорость движения точек Земли неодинакова и зависит от географической широты места, т. е. от того, ближе или

проходит точка, расположенная к северу от экватора, например у Ленинграда (широта 60°), равен 20 000 км, а скорость ее —

231 м/сек.

Таким образом, реки северного полушария, текущие с юга на север, будут переходить из области больших скоростей в область

24

нии — отрицательным. При уменьшении или увеличении скоро­ сти движения возникает сила инерции, которая всегда будет на­ правлена в сторону, противоположную ускорению.

рону левого берега, а сила инерции fi — в сторону правого берега. В результате у правого берега уровень воды повышается, у лево­ го — понижается.

Река II (например, Обь) течет с юга на север. Частицы воды, перетекая из пункта 3 в пункт 4, будут переходить из области больших скоростей v3 кругового вращения Земли в область мень­ ших скоростей v4. Следовательно, ускорение будет направлено в

от правого берега к левому.

Если продолжить рассуждения, то можно показать, что у рек южного полушария, независимо от направления течения, в связи с вращением Земли, создается поперечный уклон поверхности во­ ды от левого берега к правому.

Обычно поперечный уклон, вызываемый вращением Земли, в средних широтах весьма незначителен, в несколько раз меньше продольного. Но действуя многие тысячелетия, он оказывал боль­

полушария правый берег высокий (горный), а левый отлогий (лу­ говой). К числу таких рек относятся Днепр, Дон, Волга, Обь, Ир­ тыш, Лена и др. Отсутствие у некоторых рек ярко выраженного

2S

правого горного и левого отлогого берегов объясняется тем, что роль сил инерции в формировании русла значительно слабее, чем роль таких факторов, как ветер, геологическое строение Зем­ ли, уклон местности и т. д.

Поперечные уклоны могут возникать возле неровностей бере­ га, на участках разделения русла, а также в периоды сильных ветров и при изменении ширины русла. При двустороннем сужении русла наблюдается поднятие уровня у берегов. При расширении

ся параллельно друг другу, не смешиваясь между собой. Скоро­ сти отдельных частичек воды постоянны по величине и направ­ лению. У стенок скорости равны нулю, затем они постепенно уве­ личиваются, достигая наибольшего значения в середине потока.

1 м при песчаном русле и температуре 20° С будет иметь ламинар­

лентным. При турбулентном движении частички воды перемеща­ ются беспорядочно, постоянно перемешиваясь и образуя в от­ дельных случаях вихри. Скорость их непрерывно и мгновенно изменяется по величине и направлению (т. е. происходит пульса­ ция скорости).

Скорость перехода одного движения в другое при данной глу­ бине потока называется к р и т и ч е с к о й . При увеличении глу­ бины критическая скорость уменьшается. По данным М. А. Вели­ канова, переход ламинарного движения потока в турбулентное и обратно при глубинах 10, 100, 200 см происходит с критически­ ми скоростями, равными соответственно 0,4; 0,04; 0,02 см/сек.

В реках движение воды всегда турбулентное.

Общее течение потока. При наличии продольного уклона дви­ жение частиц воды в реках происходит под действием силы тя­ жести G (рис. 11). Силу G можно разложить на две составляю­ щие: / 3= Gsi na и Q= G cos а. Сила Р, направленная параллель­ но линии продольного уклона, вызывает движение частицы воды. Сила Q перпендикулярна поверхности дна реки и вызывает со­ противление трения движению воды о дно и берега потока. С уве­ личением уклона реки сила Р, а следовательно, и скорость тече­ ния будут возрастать, сила Q и трение — уменьшаться. Энергия

26

потока расходуется на внутреннее трение воды и на преодоление трения ее о дно и берега. Поэтому ускорения движения воды в речном потоке не наблюдается.

Степень турбулентности, или интенсивность перемешивания масс воды речного потока, зависит от шероховатости русла и скорости течения. При неровном русле и большой скорости тече­ ния степень турбулентности выше, при от­ носительно ровном русле и небольшой ско­ рости течения — ниже.

Общее течение речного потока при сво­ ем движении видоизменяется, в нем созда­ ются внутренние неправильные течения.

В н у т р е н н и е т е ч е н и я в п о т о ­ ках. Внутренние течения имеют решающее значение во всех русловых процессах, по­ этому их изучению уделяется большое вни­ мание.

Наиболее вероятными причинами воз­ никновения внутренних течений являются изгибы русла, вращение

Земли, подъем и спад уровней, наличие в потоке слоев воды с разной температурой, выход воды из русла и разлив по пойме, воз­ действие перекатов и рельефа дна, ветер, искусственные сооруже­ ния, изменение ширины и разделение русла.

верхностное течение, направленное от выпуклого берега к вогну­ тому. В результате этого у вогнутого берега течение воды направ­

придает потоку винтовой характер. Так как речное русло состоит из извилин, переходящих одна в другую, направление поперечного течения постоянно меняется.

Т е ч е н и я , в ы з ы в а е м ы е в р а щ е н и е м З е мл и . В ре­ зультате вращения Земли в речных руслах северного полушария, согласно закону Бэра, возникает сила инерции, направленная к правому берегу. Под действием этой силы создается постоянное

27

поперечное течение, направленное в поверхностном слое к право­ му берегу, а в придонном — к левому. Для реки с глубиной 5 м и скоростью течения 1 м/сек поперечные скорости у поверхности составляют около 0,25 и у дна 0,23 см/сек. Взаимодействие про­ дольного течения воды с поперечным также придает потоку вин­ товой характер, но очень слабый. Если направление поперечного течения на изгибах русла совпадает с направлением поперечного течения от вращения Земли, то внутреннее винтовое течение уси­

мах воды возникают два винтовых течения, идущие от середины вверх, у поверхности — к берегам и по дну — к середине (рис. 12,6). При спаде воды наблюдаются обратные циркуляци­ онные течения (см. рис. 12,6, пунктир).

В действительности движение воды в речном потоке имеет более сложные формы; внутренние течения постоянно видоизме­ няются, переходя из одного вида в другой.

Распределение скоростей течения в потоке. При турбулентном характере движения речного потока скорость каждой частички воды непрерывно меняется. Если ее в какой-либо точке потока измерять достаточно долго, то можно получить осредненную ско­

до поверхности, затем измеренные скорости в этих точках отло­ жить в соответствующем масштабе на чертеже в виде горизон­

Средняя скорость по вертикали обычно находится на расстоя­ нии 0,6 глубины от. поверхности. Наибольшая скорость по верти­ кали располагается обычно несколько ниже поверхности, так как на скорость у поверхности влияют сила трения о воздух и по­ верхностное натяжение воды. Наименьшая скорость течения — у дна.

Такое распределение скоростей течения по вертикали подвер­ гается значительным изменениям под действием ряда факторов. При ветре, направление которого совпадает с направлением те­ чения, поверхностная скорость увеличивается, и наоборот.

Неровности дна и водная растительность также вызывают пе­ рераспределение скоростей в потоке. В местах сжатия потока, например между устоями моста, скорости течения увеличивают­ ся, особенно в придонной части. В зимний период скорость тече­ ния вблизи ледяного покрова бывает такая же, как у дна, или меньше, а наибольшая скорость находится на расстоянии 0,Зч-0,4 глубины русла (рис. 13,6). Скорость течения на фарватере в слое воды, равном глубине осадки судна, называется э к с п л у а ­ т а ц и о н н о й с к о р о с т ь ю т е ч е н и я .

28

увеличиваются от берегов к середине русла. Местам с наиболь­ шей глубиной соответствуют наибольшие скорости течения

(рис. 13,(5). Если определить средние скорости течения для вер­ тикалей, расположенных по поперечному профилю русла, и за­ тем отложить их в виде отрезков вверх или вниз по указанным вертикалям от линии уровня воды, то получится эпюра средних скоростей речного потока в плане. Обычно очертание эпюры по­

наибольшей скоростью течения в смежных живых сечениях рус­ ла. Наибольшие скорости течения распределяются в русле весь­

29