ГІДРОЕКОЛОГІЧНІ АСПЕКТИ РУСЛОВИХ ПРОЦЕСІВ

Если рассматриваемое тело имеет форму катка и под действием приложенных активных сил может катиться по поверхности другого тела, то из-за деформации поверхностей этих тел в месте соприкосновения могут возникнуть силы реакции, препятствующие не только скольжению, но и качению. Примерами таких катков являются различные колеса, как, например, у электровозов, вагонов, автомашин, шарики и ролики в шариковых и роликовых подшипниках и т.п.

Пусть цилиндрический каток находится на горизонтальной плоскости под действием активных сил. Соприкосновение катка с плоскостью из-за деформации фактически происходит не вдоль одной образующей, как в случае абсолютно твердых тел, а по некоторой площадке. Если активные силы приложены симметрично относительно среднего сечения катка, то есть вызывают одинаковые деформации вдоль всей его образующей, то можно изучать только одно среднее сечение катка. Этот случай рассмотрен ниже.

Между катк­ом и плоскостью, на которой он покоится, возникают силы трения, если приложить к оси катка силу (рис. 7.5), стремящуюся его двигать по плоскости.

Рис. 7.5

Рассмотрим случай, когда сила параллельна горизонтальной плоскости. Из опыта известно, что при изменении модуля силы от нуля до неко­торого предельного значения каток остается в покое, т.е. силы, дейст­вующие на каток, уравновешиваются. Кроме активных сил (веса и си­лы ), к катку, равновесие которого рассматривается, приложена реакция плоскости. Из условия равновесия трех непараллельных сил следует, что реакция плоскости должна проходить через центр катка О, так как две другие силы приложены к этой точке.

Следовательно, точка приложения реакции С должна быть смещена на некоторое расстояние от вертикали, проходящей через центр коле­са, иначе реакция не будет иметь горизонтальной составляющей, необхо­димой для удовлетворения условий равновесия. Разложим реакцию плос­кости на две составляющие: нормальную составляющую и касатель­ную реакцию , являющуюся силой трения (рис. 7.6).

Рис. 7.6

В предельном положении равновесия катка к нему будут приложены две взаимно уравновешивающиеся пары: одна пара сил (, ) с момен­том (где r – радиус катка) и вторая пара сил ( , ), удерживаю­щая каток в равновесии.

Момент пары, называемой моментом трения качения, определяется формулой:

,

из которой следует, что для того, чтобы имело место чистое качение (без скольжения), необходимо, чтобы сила трения качения была меньше максимальной силы трения скольжения:

,

где f – коэффициент трения скольжения.

Таким образом, чистое качение (без скольжения) будет, если .

Трение качения возникает из-за деформации катка и плоскости, вследствие чего соприкосновение между катком и плоскостью происходит по некоторой поверхности, смещенной от нижней точки катка в сторону возможного движения.

Если сила не направлена по горизонтали, то ее следует разложить на две составляющие, направленные по горизонтали и вертикали. Верти­кальную составляющую следует сложить с силой , и мы снова приходим к схеме действия сил, изображенных на рис. 7.6.

Установлены следующие приближенные законы для наибольшего момента пары сил, препятствующей качению:

1. Наибольший момент пары сил, препятствующий качению, в довольно широких пределах не зависит от радиуса катка.

2. Предельное значение момента пропорционально нормальному давлению и равной ему нормальной реакции : .

Коэффициент пропорциональности d называют коэффициентом трения качения при покое или коэффициентом трения второго рода. Коэффициент d имеет размерность длины.

3. Коэффициент трения качения d зависит от материала катка, плоскости и физического состояния их поверхностей. Коэффициент трения при качении в первом приближении можно считать не зависящим от угловой скорости качения катка и его скорости скольжения по плоскости. Для случая качения вагонного колеса по стальному рельсу коэффициент трения качения .

Законы трения качения, как и законы трения скольжения, справедливы для не очень больших нормальных давлений и не слишком легко деформирующихся материалов катка и плоскости.

Эти законы позволяют не рассматривать деформации катка и плоскости, считая их абсолютно твердыми телами, касающимися в одной точке. В этой точке соприкосновения кроме нормальной реакции и силы трения надо приложить еще и пару сил, препятствующую качению.

Для того, чтобы каток не скользил, необходимо выполнение условия

.

Для того чтобы каток не катился, должно выполняться условие

.

ГІДРОЕКОЛОГІЧНІ АСПЕКТИ РУСЛОВИХ ПРОЦЕСІВ

1. Русловий кар’єр являє собою штучне поглиблення дна русла, різної форми. У кар’єрі глибина русла значно перевищує глибину, яка відповідає заданій витраті, заданій формі поперечного перерізу і стоку наносів.

Утворення кар’єрів на річках спричиняє зміни форми поперечного перерізу, зменшення похилів водної поверхні, а також зменшення рівнів води, особливо зменшення рівнів спостерігається у період межені.

На ділянці кар’єру вище за течією формуються специфічні гідравлічні умови, що спричиняють похилів вверх за течією річки. Це зумовлює поширення розмиву русла в тому ж напрямку. Розмив русла призводить до його звуження і активізації розмиву берегів. Стік наносів спочатку різко зростає, а потім поступово зменшується.

Ділянка річки, що розташована нижче кар’єру теж характеризується специфічними умовами транспорту наносів. При відборі великої кількості алювію на вказаній ділянці виникає дефіцит руслоутворюючих наносів. Цей процес відбувається до тих пір, поки кар’єр не буде повністю занесений, а дефіцит наносів є головною причиною розвитку кар’єрів глибинної ерозії, яка призводить до пониження дна.

Для зменшення негативного впливу кар’єрів на гідрологічний і русловий режим розроблено 5 рекомендацій:

1. Місця кар’єрів та їх розміри вибираються, таким чином, щоб не змінювалися місцеві базиси ерозії (перекати).

2. На відносно прямолінійних ділянках з розвинутими боковиками кар’єри повинні розташовуватися в шаховому порядку на верхових відкосах побочнів і прилеглих верхніх плесових улоговинах. Довжина кар’єру повинна бути не більше 10 середніх меженних глибин, а глибина – не більше 4-5 середніх меженних глибин.

3. На меандруючих річках рекомендується розробка нижньої частини пляжу біля опуклого берега, при цьому необхідно, щоб кар’єр був відділений від плеса косою.

4. На розгалужених річках кар’єри розробляються в другорядних протоках і на окремих осередках.

5. Для зменшення падіння рівня треба влаштовувати штучні базиси ерозії (донні пороги, затоплені запруди).

2. Найбільш активним фактором руслових процесів є річковий стік. По суті, руслоформуючу діяльність він виконує у будь-яку фазу водності, тобто всі витрати є руслоформуючими. Проте ступінь їх впливу на формування русла не є однозначним.

У межень каламутність річкових потоків різко скорочується, а інтенсивність руслових деформацій стає мінімальною, а під час повеней та паводків – навпаки, зростає. Отже, меженні витрати, що мають велику забезпеченість, можуть впливати на русло не менше, ніж витрати малої забезпеченості.

А витрати, які визначають максимальну інтенсивність руслових деформацій і найбільший вплив потоку на русло називають руслоформуючими (Чалов,1979) Q_рф.

Значний вклад в дослідженнях руслоформуючих витрат вніс професор М.І. Маккавеєв. Він пропонує руслоформуючі витрати визначати як максимум добутку:

_max, (1)

де δ – коефіцієнт, що враховує ширину розливу річки (рівний 1 до виходу води на заплаву; 0,9 – при ширині затопленої заплави менше двох ширин русла; 0,5 – коли затоплена заплава більше десяти ширин русла); Q_сер – середня витрата кожного із інтервалів, на які розбивається весь діапазон витрат у даному створі, м³/с; n – показник ступеня, що залежить від крупності річкового алювію (його величина коливається від 1,1 для мулу з піском, глини до 3,0 для гальково-валунних русел); Р – ймовірність перевищення витрат кожного інтервалу, %; I – середній похил водної поверхні у даному інтервалі витрат.

Визначення руслоформуючих витрат зводиться до наступних операцій:

1. Весь період спостереження у створі розбивається ≈20 рівних інтервалів, для цього використовують дані про щоденні витрати води за 25-30 років спостереження. Такий період спостереження враховує циклічність та однорідність стоку.

2. Визначають ймовірність повторення і забезпеченість середніх витрат в межах інтервалів. Будують залежності Q=f (I), Q=f(H). За допомогою цих залежностей визначають, в першому випадку, поздовжній похил річкового потоку, що відповідає середній витраті кожного інтервалу. А в другому випадку, визначають позначку, яка відповідає цьому рівню.

3. Для кожного із інтервалів обчислюють добуток .

4. Будується епюра руслоформуючих витрат води , а середні витрати їх інтервалів приймаються за розрахункові.

3. Непрямим фактором зміни русел річок, особливо малих і середніх є розорювання земель і зменшення площі лісів на водозборах. Це призводить до замулення річок, їх інтенсивного заростання. Чим інтенсивніше проявляються у річках дані фактори, тим більш напруженою та небезпечною стає екологічна ситуація на водозборах.

Малі річки чутливіше реагують на антропогенні зміни. Збільшення розораності водозбору та зростання ерозії призводить до того, що на деяких річках лісостепу басейнова ерозія виносить у річки до 80% завислих наносів.

Транспортуюча здатність потоку не в змозі впоратися із надмірною їх кількістю, це спричиняє замулення річки. Ступінь замулення русел малих річок є основним показником їх екологічного стану. Транспортуюча здатність потоку залежить від екологічно допустимих витрат води.

Під екологічно допустимими витратами води розуміють такі витрати, які повинні зберігатися в річці при будь-яких видах господарської діяльності і забезпечувати процеси руслоформування, стік завислих і рухомих наносів, відтворення біологічних ресурсів, задовільний санітарний стан і самоочищення річки (за В.С.Холоденко).

А під поняттям екологічно допустимі мінімальні витрати води необхідно розуміти нижню межу цих витрат води, яка визначає умови існування організмів, тобто є лімітуючим чинником функціонування річкової системи. Їх визначення проводять за Методикою визначення екологічно допустимих рівнів відбору води з річок з метою збереження сталого функціонування їх екосистем (Яцик А. В., Бишовець Л. Б., Кириченко С. М., Кудріна А. В., Аніщенко Л. Г., Чураєвська Н. М., Свердлов Б. С., Холоденко В. С., К.: Оріяни, 2002. – 48 с.).

О.Г.Ободовський пропонує називати екологічно допустимими витратами води - витрати, які відповідають при проходженні водопілля і високих паводків руслоформуючим витратам води і визначають основний стік завислих і донних наносів, а в меженний період – витратам з незамулюючими швидкостями, за яких спостерігається тільки стік завислих наносів.

На великих річках зміни в руслах пов’язані, переважно із такими антропогенними втручаннями як будівництво набережних та дамб, регулювання русел будівництво гідротехнічних споруд, доріг, мостів, каналізування та спрямлення русел тощо.

Головним чинником, який може суттєво вплинути на екологічну ситуацію прилеглої території є інтенсивність розмиву берегів середніх і великих річок. Механічне втручання виявляється в зміні форми русла і розмірів поперечного перерізу, в руйнуванні форми руслового рельєфу, зокрема, перекатів, побочнів, осередків, це може порушити швидкісну структуру потоку та саморегулюючу систему потоку русла.