Меню

Движение частиц в реках



Гидродинамика. Траектория движения частицы жидкости. Линия тока.

Траектория движения частицы жидкости – это маршрут движения отдельной частицы жидкости в пространстве.

При установившемся движении траектория движения частиц жидкости постоянна во времени.

При неустановившемся движении траектория движения частиц постоянно претерпевает изменения во времени, поскольку происходит смена скорости течения по величине и по направленности.

Траектория движения демонстрирует маршрут, пройденный частицей жидкости за обозначенный временной отрезок.

Линия тока – это линия, прочерченная через ряд точек в движущейся жидкости таким способом, что во всякой из этих точек векторы скорости в данный момент времени касательны к ним. Это понятие характерно для способа Эйлера.

Линия тока описывает некоторую мгновенную характеристику потока, объединяя различные частицы жидкости, располагающиеся на линии тока в избранный момент, и демонстрирует направление вектора скорости частиц в этот момент.

Разница между этими двумя понятиями в том, что траектории частицы демонстрирует путь движения одной частицы жидкости за определенный промежуток времени, а линия тока объединяет различные частицы и дает некоторую мгновенную характеристику движущейся жидкости в момент времени.

Через выбранную точку в определенный временной отрезок существует возможность провести исключительно единственную линию тока.

В этом заключается преимущество линий тока перед траекториями частиц. Через всякую точку может проходить вектор скорости в анализируемый момент имел бы два различных направления, что физически не реально.

Когда на выбранном участке движущейся жидкости величина и направление скорости и гидродинамическое давление с течением времени постоянные величины (то есть движение можно считать установившимся), то и линия тока, и траектория частицы, оказавшейся на ней, совпадают во времени, т.е. постоянны. При описанных условиях траектории частиц выступают и линиями тока.

Резюмируя получаем, что траектория частицы фиксирует положение одной и той же частицы с течением времени; линия тока указывает направление скоростей разных частиц в один и тот же момент времени.

Источник

Взаимодействие потока и русла. Речные наносы

Под действием текущей воды речной поток непрерывно преобразует очертания своего русла. Совокупность явлений образования и последующих переформирований ложа реки называется русловым процессом. Взаимодействие осуществляется по схеме: поток↔русло. Поток вырабатывает свое русло и видоизменяет его с течением времени. В свою очередь, характеристики потока – скорость течения и уклон свободной поверхности – в силу действия этой взаимосвязи устанавливаются в соответствии с характеристиками речного русла. По мере изменения размеров русла изменяются также характеристики течения воды в реке.

Частицы аллювия, перемещаемые текущей водой в реках, называются речными наносами. По природе своего происхождения наносы бывают внерусловые и русловые. Первые попадают в реку в результате смыва почвы с территории бассейна в период таяния снега и дождевых паводков. Как правило, это наиболее мелкие частицы. Попадая в речной поток, они переносятся водой на большие расстояния и осаждаются на устьевых участках рек.

Русловые наносы образуются в результате размыва берегов и аллювиального ложа реки. Перемещение этих наносов представляет процесс переотложения. При определенных условиях некоторая часть русловых наносов может откладываться на гребнях перекатов, создавать побочни и другие русловые образования. Затем, по прошествии некоторого времени, частицы наносов вновь могут придти в движение. Этот процесс продолжается в течение десятков и сотен лет, пока частица, попавшая в русло реки, не будет доставлена потоком к ее устью.

Речные наносы классифицируются по своей крупности. Величина крупности наносов существенно различается на разных реках и изменяется в пределах от долей миллиметра до нескольких десятков сантиметров. Этот диапазон делится на ряд интервалов, называемых фракциями грунта. Значения границ различных фракций речных наносов приводятся в таблице.

Наименование фракций Глина, ил Пыль Песок Гравий Галька Валуны
Диаметр частиц, мм 100

По форме частицы наносов бывают шарообразные, эллипсоидальные и пластинчатые. Частицы песка и мелкого гравия имеют шарообразную форму, среди частиц крупного гравия больше эллипсоидальных. Частицы гальки обычно пластинчатой формы.

Главным условием транспорта речных наносов является турбулентный характер течения воды в реках. Захват частицы с речного дна происходит под действием вертикальной составляющей пульсационного движения, величина которой зависит от скорости течения воды на вертикали. Речные наносы обычно представляют смесь частиц различной крупности. Поэтому по мере увеличения скорости течения в движение будут приходить все более крупные частицы, лежащие на дне.

В зависимости от способа перемещения различают взвешенные и влекомые наносы.

Основная часть наносов в реках перемещается во взвешенном состоянии в толще потока воды. Обычно это наиболее мелкие фракции грунта.

Рассмотрим взаимодействие сил, действующих на частицу, находящуюся во взвешенном состоянии. Важную роль играет сила тяжести, под действием которой твердые частицы равномерно падают на дно водоема со скоростью, равной их гидравлической крупности. В покоящейся жидкости и в случае ламинарного движения воды отсутствуют другие силы, препятствующие их выпадению, и транспорта наносов не наблюдается.

В случае развитого турбулентного движения выпадению частиц на дно противодействуют вертикальные пульсационные скорости течения. Благодаря этому взаимодействию происходит обмен частицами наносов между толщей потока и дном реки. При уменьшении скоростей течения некоторая доля взвешенных частиц, имеющая большую гидравлическую крупность, может осаждаться. И, наоборот, с ростом скоростей эти частицы будут вовлекаться потоком, переходя во взвешенное состояние.

Величина гидравлической крупности в первую очередь зависит от диаметра частицы. У мелких частиц она значительно меньше, чем у крупных. В пределах песчаной фракции грунта от 0.1 мм до 1.0 мм гидравлическая крупность возрастает в 20 раз. Кроме этого, на величину гидравлической крупности свое влияние оказывает коэффициент вязкости воды. Изменение температуры воды, а следовательно, и изменение коэффициента вязкости наиболее сильно сказывается на величине гидравлической крупности мелких частиц наносов.

Читайте также:  Исчезнувшие виды рыб в реках

Количественной характеристикой транспорта взвешенных наносов является их концентрация или мутность – весовое содержание взвешенных частиц в единице объема воды. Выражение для расчета мутности имеет вид

где: S – мутность потока, г/м 3 ;

m – масса взвешенных наносов в пробе, г;

V – объем пробы, см 3 .

Для определения мутности воды используются специальные приборы: вакуумные батометры и мутномеры. Вакуумные батометры позволяют отобрать пробы воды на мутность в интересующих точках потока. После этого в лаборатории взвешенные частицы выделяются из пробы посредством фильтрования и взвешиваются на высокоточных весах. Мутномеры позволяют оценивать величину концентрации в процессе измерения, не прибегая к отбору пробы воды.

Мутность существенно различается на разных реках. На равнинных реках она обычно невелика и составляет в среднем 25-50 г/м 3 в меженный период. Весной концентрация взвешенных наносов увеличивается в несколько раз. Наиболее высокой мутностью отличаются реки степной зоны Средней Азии. Величина мутности воды в этих реках на один-два порядка выше, чем у равнинных рек.

Мутность воды в реке сильно изменяется также по глубине потока. У дна она значительно больше, чем у свободной поверхности. Характер эпюры мутности зависит от крупности взвешенных частиц и скорости течения. У мелких частиц она более равномерная по глубине, чем у крупных (рис. 4.8). По ширине реки мутность незначительно увеличивается от берегов к стрежню потока.

Количество взвешенных частиц, проходящих через поперечное сечение русла, называется расходом взвешенных наносов. Его величина зависит от скорости течения, мутности воды и размеров русла реки. Если произвести измерения мутности воды на ряде вертикалей по ширине потока и концентрацию взвешенных наносов представить в виде средней мутности для всего поперечного сечения Sср, то расход взвешенных наносов может быть найден по формуле

где: Qs.взв расход взвешенных наносов, г/c;

Sср – средняя мутность воды в живом сечении, г/м 3 ;

w – площадь живого сечения, м 2 ;

uср – средняя скорость течения, м/c;

Q – расход воды, м 3 /c.

Другая, значительно меньшая по количеству часть наносов в равнинных реках движется во влекомом состоянии. Размеры этой группы частиц крупнее. Скорость течения воды оказывается недостаточной для взвешивания этих частиц, и они перемещаются в придонном слое потока посредством перекатывания или скачками.

Важнейший факт транспорта влекомых наносов состоит в том, что донная поверхность реки имеет волнообразный характер. Эти волны называются рифелями и грядами. Они отсутствуют на речном дне лишь при крайне малых и при очень больших скоростях течения. В первом случае транспорт наносов не наблюдается. Во втором – происходит смыв волн, и частицы наносов движутся во взвешенном состоянии.

Продольный профиль донных волн несимметричен. Они имеют пологий напорный и крутой тыловой скаты. На гребне донной волны поток отрывается от поверхности дна, и за тыловым скатом волны формируется водоворотная область. В пределах водоворота придонная скорость направлена против основного течения, в конце водоворота придонная скорость равна нулю. Далее, вниз по течению, она быстро увеличивается и достигает максимума на гребне гряды. Под действием течения напорный скат гряды размывается потоком. Частицы грунта поступают на гребень гряды и скатываются вниз, в ее подвалье. Размыв верхового и намыв тылового скатов создают эффект движения гряды вниз по течению.

Размеры донных волн различны на реках и изменяются с течением времени. На малых реках и в ручьях чаще встречаются рифели. Высота рифелей не превышает 0,1 глубины потока, а длина их составляет 1-3 глубины. Дно реки, покрытое рифелями, имеет чешуйчатый вид.

В средних и больших реках дно покрывается более крупными волнами – донными грядами. Длины гряд измеряются десятками глубин потока. Их высоты обычно составляют 0.1-0.3 глубины. На рис. 4.9 показана схема движения влекомых наносов в виде донных гряд.

Размеры гряд изменяются с уровнем воды. При высоких уровнях размеры гряд больше, чем в межень. Часто на реках встречаются одновременно рифели и гряды. Причем рифели перемещаются по поверхности гряд с большей скоростью.

Образование рифелей и гряд и регулирование их размеров является одним из замечательных свойств естественных русел. Увеличивая или уменьшая размеры донных волн, речной поток регулирует шероховатость своего дна, а тем самым управляет режимом уклонов и скоростей течения. Таким образом, расход влекомых наносов в реках зависит от размеров донных волн и скорости их перемещения. Скорость движения донных гряд невелика и составляет несколько метров в сутки. Для измерения расхода влекомых наносов служат специальные приборы – донные батометры. Будучи опущенным на дно реки, батометр улавливает движущиеся частицы наносов в течение некоторого времени Dt. Элементарный расход наносов на вертикали находится по формуле

где: m – масса наносов в ловушке батометра на вертикали, г;

Dt – продолжительность выдержки батометра на дне реки, с;

Db – ширина входного отверстия батометра, см.

Для нахождения полного расхода влекомых наносов такие измерения выполняются на нескольких вертикалях по ширине реки.

Читайте также:  Распределение реки кубань по бассейнам

Другой способ определения расхода влекомых наносов основан на непосредственном измерении размеров и скоростей перемещения донных гряд, он является более точным.

Наносы, переносимые речным потоком, составляют твердый сток реки. Годовой сток наносов рек земного шара, впадающих в мировой океан, составляет около 16 млрд. т. Благодаря этому поверхность суши ежегодно понижается в среднем на 0.1 мм.

Транспорт русловых наносов имеет важное значение для практики. Зная характеристики твердого стока, можно прогнозировать русловые деформации – изменение размеров русел с течением времени. От величины стока зависят также судоходные условия на реках и необходимые затраты на их поддержание.

Источник

Движение речных наносов

Речными наносами называются твердые минеральные частицы, переносимые потоком и формирующие русловые, пойменные и донные отложения (аллювий). Они образуются из продуктов выветривания, денудации и эрозии горных пород и почв.

Эрозия поверхности водосборов и склоновая эрозия зависят от интенсивности дождей и снеготаяния, неровностей рельефа, рыхлости грунтов, растительного покрова. Русловая эрозия зависит от скорости течения водопотоков и устойчивости грунтов, слагающих дно и берега рек.

Наиболее важные характеристики наносов следующие:

• Геометрическая крупность (Д, мм) — то есть диаметр частиц.

• Гидравлическая крупность (W, мм / с) — то есть скорость осаждения частиц наносов в неподвижной воде.

• Плотность частиц и отложений (ρ, кг/м 3 ).

• Мутность воды (s, г/м 3 ), то есть весовое количество взвешенных наносов (г) в единице объема воды (м 3 ).

• Расход наносов (R, кг/с) — это количество наносов (в кг) проносимое рекой через поперечное сечение в единицу времени (с).

Влекомые наносы — это наносы, перемещающиеся речным потоком в придонном слое и движущиеся скольжением, перекатыванием и сальтацией (то есть перескакиванием).

На каждую частицу наносов, лежащую на дне реки действуют две силы: сила лобового давления текущей воды и противоположная сила трения, удерживающая частицу на дне.

Влечение частиц описывается законом Эри и соответствующей ему формулой

где Wr — вес частицы, влекомой потоком, V — природная скорость потока, А — коэффициент пропорциональности.

Из формулы Эри следует, что увеличение скорости течения, например, в 3 раза приводит к увеличению веса частиц в 729 раз (в 4 раза – в 4096 раз).

Это объясняет, почему на равнинных реках переносится лишь песок, а бурная горная река (р. Терек) переносит гравий, гальку и огромные валуны. В горных районах при интенсивных дождях могут возникать кратковременные потоки грязекаменного и водно-каменного характера, несущие огромные скопления наносов. Эти потоки называются селями.

В текучей воде вследствие турбулентного характера течения твердые частицы могут находиться во взвешенном состоянии, обуславливая мутность воды. Взвешенные наносы в речном потоке распределены неравномерно: в придонных слоях мутность максимальна и уменьшается по направлению к поверхности.

Движение взвешенных наносов характеризуется формулой:

где R b з — расход взвешенных наносов, кг/с; S — мутность воды, кг/м 3 ; Q — расход воды, м 3 /с.

Стоком наносов называется суммарное количество влекомых и временных наносов, проносимое рекой через поперечное сечение в единицу времени.

Для рек обычно используют формулу годового стока наносов:

где R — средний расход наносов, кг/с; 31,54×10 6 – количество секунд в году.

Модулем стока наносов называется сток наносов в тоннах с 1 км 2 площади водосбора (Мн, т/км 2 ). Модуль годового стока наносов равен:

Источник

Перемещение взвешенных частиц в реках

Перемещение взвешенных частиц в реках

Перемещение взвешенных частиц в реках

Из за приливных дождей в водосборном бассейне реки или обилия талых вод образуются мощные течения в реке, которые перемещают большое количество воды. Эти бурные потоки захватывают и переносят вниз по течению много мелких взвешенных частиц в виде мути, вымываемых из почвы и русла реки, а так же много мусора попавшего в воду.

Мощные потоки воды способны перемещать и достаточно крупные камни, обломки скал. Скорость движения таких частиц не так высока, но можно понять, что за столетия или тысячелетия перемещения могут быть ощутимыми.

Бурные потоки переносят много взвешенных частиц, которые оседают в местах снижения скорости потока. При низком расходе воды взвешенных частиц в воде мало. Эти частицы оседают при расширении русла и в районе устья.

Благодаря проливным дождям в течение одного цикла, потоки воды могут переносить половину годового перемещения осадка.

Если зачерпнуть немного грязной речной воды в стакан вы увидите взвешенные частицы в ней. Оставьте стакан с мутной водой в тихом месте на некоторое время, взвешенные частицы начнут оседать на дно.

То же самое происходит в реках. В местах, где скорость потока воды падает, некоторое количество взвешенных частиц оседает на дне в виде донных отложений. Осадок может накапливаться на дне, или подхватываться очередным потоком и двигаться дальше вниз по течению.

Отношение людей к наводнениям

  • У наводнений есть свои положительные стороны

Осадочные отложения после наводнений в поймах рек часто богаты минералами, что благоприятно для сельхозугодий.

Жители Древнего Египта были благодарны Нилу за наводнения, так как плодородие во многом зависело от минералов, принесенных водами реки на поля при наводнениях. Так же не было необходимости бурить скважины на воду для полива, потому что влаги хватало на весь сезон от предыдущего наводнения.

  • Негативные стороны
Читайте также:  Монах у реки картина

Наводнения оставляют после себя тонны влажной, липкой, тяжелой, и дурно пахнущей грязи, чего не хотели бы вы иметь в своем подвале и дворе.

Осадок в реках может сократить срок службы плотин и водохранилищ. После строительства плотины на реке, отложения, которые раньше уносились дальше по течению, оседают в образовавшемся водохранилище.

Это происходит потому, что речные воды протекают через водохранилище слишком медленно и взвешенные частицы оседает на дно резервуара. Водохранилище постепенно заполняется осадочными частицами и становится непригодным для использования по назначению.

Наблюдения за количеством перемещенных осадочных частиц

Гидрологические службы по всей стране регулярно отслеживают, какое количество взвешенных частиц транспортируется потоками воды.

Наблюдения показывают, что речной сток и концентрация осадка постоянно меняются.

Взвешенные частицы, которые перемещаются с водой, измеряются путем отбора проб воды и отправления их в лабораторию для определения концентрации.

Поскольку количество переносимых взвешенных частиц изменяется с течением времени, гидрологи проводят измерения речного стока, как во время «большой воды», так и при низком расходе.

Зная, сколько воды прошло и какое количество осадка в воде при различных условиях потока, можно вычислить тоннаж осадка за любой промежуток времени.

Источник

Характеристика речных наносов. Гидравлическая крупность наносов. Движение взвешенных и влекомых наносов

Наносы, — твёрдые частицы, переносимые водным или воздушным потоком.

Главными источниками поступления наносов в реки служат поверхность водосборов, подвергающаяся эрозии в период дождей и снеготаяния, и сами русла рек, размываемые речным потоком.

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 (p н, кг/м 3 ), равная для наиболее распространенных кварцевых песков 2650 кг/м 3 ; плотность отложений (плотность грунта) (p отл, кг/м 3 ), зависящая от плотности частиц и пористости грунта ; концентрация (содержание) наносов в потоке, которую можно представить как в относительных величинах (отношение массы или объема наносов к массе или объему воды), так 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.

Классификация наносов по размеру частиц (мм)

Градация Фракции
Глина Ил Пыль Песок Гравий Галька Валуны
Мелкие Средние Крупные Реклама

Наносы крупнее 1,5 мм осаждаются в неподвижной воде с повышенными скоростями по извилистым, винтообразным траекториям (такой режим падения частиц назван турбулентным); для этого случая связь гидравлической и геометрической крупности выражается формулой , где p н и p – плотность наносов и воды. Наносы мельче 0,15 мм осаждаются в неподвижной воде медленно и практически по прямой линии (такой режим падения частиц назвали ламинарным), в этом случае связь w и D будет иная: , где – кинематический коэффициент вязкости. В диапазоне крупности наносов 0,15 – 1,5 мм режим осаждения частиц переходный, и связь между и D описывается более сложными формулами.

Таким образом, для относительно крупных наносов гидравлическая крупность растет пропорционально корню квадратному из их геометрической крупности, а для мелких наносов гидравлическая крупность увеличивается пропорционально квадрату диаметра частиц наносов и уменьшается с возрастанием вязкости воды при уменьшении ее температуры.

По характеру перемещения в реках наносы разделяют на два основных типа – взвешенные и влекомые.

Влекомые наносы – это наносы, перемещающиеся речным потоком в природном слое и движущиеся скольжением, перекатыванием или сальтацией. Путем влечения по дну перемещаются наиболее крупные частицы наносов (песок, гравий, галька, валуны).

Чтобы оценить влияние различных факторов на движение влекомых наносов, в специальных разделах гидрологии рассматривают условия равновесия лежащей на дне реки частицы диаметром D. В направлении, параллельном дну, на частицу действуют две силы: сила лобового давления текущей воды, стремящаяся сдвинуть частицу и пропорциональная квадрату природной скорости течения и площади сечения частицы, и противоположно направленная сила трения, удерживающая частицу на дне.

Формула «начальной скорости», при которой частица на дне теряет свою устойчивость:

, где – коэффициент, зависящий от плотности частицы и воды, формы частицы, коэффициента трения и др. Таким образом, критерием начала движения влекомых наносов в реках является условие , где – фактическая природная скорость течения.

Зависимость между «начальной скоростью» и объемом или весом перемещающихся частиц: . Эта формула получила название закона Эри, утверждающего, что вес влекомых наносов пропорционален шестой степени скорости течения.

Взвешенные наносы – переносятся в толще речного потока. Условием такого перемещения служит соотношение , где — направленная вверх вертикальная составляющая вектора скорости течения в данной точке потока; – гидравлическая крупность частицы наносов.

Важнейшие характеристики при движении взвешенных наносов в реках – это мутность воды s ( ), и расход взвешенных наносов: , где в кг/с, s в кг/м 3 , в м 3 /с. Если мутность задана в г/м 3 , то в формулу должен быть введен множитель 10 -3 .

Взвешенные наносы распределены в речном потоке неравномерно: в придонных слоях мутность максимальная и уменьшается по направлению к поверхности, причем для взвешенных наносов более крупных фракций быстрее, для наносов мелких фракций – медленнее.

Рис. Типичное распределение мутности воды по глубине речного потока при крупности взвешенных наносов: 1 – наибольшей, 2 – средней, 3 – наименьшей

Источник