Колебания уровня воды в реках.

В зависимости от характера питания, времени года и фазы вод­ного режима уровни воды в различных реках имеют значительные ко­лебания, достигающие в отдельных случаях 30 м. Например, годовая амплитуда колебаний уровней воды на р. Енисее с 4,5. м в истоке по­степенно увеличивается и в нижнем течении достигает 20 м. Лишь в устьевой части амплитуда снижается до 9—10 м.

Основные причины, вызывающие колебания уровней воды в ре­ках, следующие: изменение расходов воды в реке за счет дождей, тая­ния снега и др.; сгонные и нагонные ветры; заграждение русла реки льдом (заторы); действие приливов и отливов в устьях рек; подпоры воды в устьях притоков; режим работы гидроузлов (попуски воды) и т. д.

Поверхность речного потока непрерывно понижается от истока к устью. Степень понижения характеризуется падением и продольным уклоном поверхности воды.

Падением h (рис. 5) уровня воды называется разность между его абсолютными отметками Н- и Нч в двух пунктах (Л и Б), распо­ложенных вдоль реки на расстоянии /. Падение может характеризо­ваться величиной (обычно в сантиметрах), приходящейся на 1 км дли­ны участка реки. Например, среднее падение р. Оби на 1 км равно 4 см.

Продольным уклоном / поверхности воды в реке называется от­ношение падения h на данном участке к длине этого участка l (длина

участка и падение должны быть выражены в одной и той же размер­ности), причем

Уклон выражается безразмерной величиной (десятичной дробью). Меженные уклоны Волги у Горького равны 0,00005, Северной Двины у Березников — 0,00003, Дона у Калача — 0,00001 и т. д.

Величина продольных уклонов поверхности воды в реках зависит от высоты уровня воды, вида продольного профиля реки, плановых очертаний русла и т. д. При низких уровнях воды уклон меньше, причем, как правило, уклон на плесе меньше, чем на перекатах. При увеличении расхода и подъеме уровня уклоны на плесах увеличивают­ся, а на перекатах — уменьшаются. При дальнейшем повышении уровня уклоны на плесах могут сравняться с уклонами на перекатах. При еще большем повышении уровня уклоны на плесе увеличиваются, а на перекатах — уменьшаются. Обычно в половодье уклоны бывают больше на плесе и меньше на перекате.

После выхода воды из русла и разлива ее по пойме уклоны будут зависеть от очертаний долины в плане. Где долина уже, там будет больший поверхностный уклон, где она расширяется — меньше.

Скорости течения воды в реке зависят от продольного уклона. Чем больше уклон, тем больше скорость течения и наоборот. Поэтому в межень скорость течения на перекатах больше, чем на плесах, а в половодье — наоборот.

Поверхность воды в реке имеет также и поперечные уклоны, возникающие на закруглениях русла, при резких подъемах и спадах воды, а также вследствие вра­щения Земли.

На прямолинейном уча­стке реки на частицы воды действует сила тяжести G, равная произведению массы т частицы воды на g — ускорение свободно падающе­го тела (g = 9,81 м/с²), т. е.

Поверхность воды в этом случае на поперечном профиле занимает го­ризонтальное положение ab (рис. 6).

Рис. 6. Схема образования попе­речного уклона поверхности во­ды на закруглениях русла:

ab — положение уровня на прямоли­нейном участке русла; cd — то же на криволинейном участке русла; R — радиус кривизны русла; G — сила тя­жести

На закруглениях русла те же частицы воды, кроме силы тяжести, подвергаются действию цен­тробежной силы / (см. рис. 6), на­правленной по радиусу кривизны русла в сторону вогнутого берега. При этом

/= mv /R, (3).

где т — масса частицы воды;

v — скорость речного потока;

R — радиус кривизны русла.

Силы / и G заменим равнодействующей силой г. Под действием центробежной силы часть воды будет смещаться к вогнутому берегу, вследствие чего образуется поперечный уклон и уровень займет поло­жение cd, перпендикулярное направлению равнодействующей г (см. рис. 6). Значение поперечного уклона может быть выражено сле­дующим уравнением:

Заменим / и G их значениями из выражений (2) и (3), тогда

Треугольники d0b и dee подобны. Сторона се почти равна ширин» В русла. На основании подобия треугольников можно написать

На основании формул (5) и (6) повышение уровня A/l у вогнутого берега (по сравнению с уровнем воды у выпуклого берега) определяет­ся по формуле

Если для реки, имеющей ширину 100 .м, скорость течения 2 м/с и радиус изгиба 200 м, провести расчет по формуле (7), то повышение уровня у вогнутого берега (по сравнению с уровнем у выпуклого) составит примерно 20 см.

При резких подъемах и спадах воды так­же возникает уклон. Вода при резкой прибыли быстрее заполняет сред­нюю часть русла и поверхность ее становится выпуклой. Это объясня­ется тем, что вода встречает меньшее сопротивление на середине рус­ла, чем у берегов. При резкой убыли вода быстрее уходит из средней части русла, где также встречает меньшее сопротивление, чем у бере­гов, поэтому поверхность ее становится вогнутой.

Такие явления наблюдаются в начальный период резкого подъе­ма или спада уровня. В дальнейшем подъем и спад происходит при относительно горизонтальной поверхности свободного потока.

Уклон вследствие вращения Земли (закон Бэра) имеет следующие предпосылки. 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 того, ближе или дальше от экватора по направлению к полюсам расположена эта точка. Очевидно, что ок­ружная скорость движения точек больше у экватора и меньше по направлению к полюсам.

Таким образом, реки северного полушария, текущие с юга на се­вер, будут переходить из области больших скоростей в область меньших, а реки, текущие с севера на юг — из области меньших скоростей в область больших.

При появлении ускорения возникает сила инерции, которая всегда направлена в сторону, противоположную ускорению. Поэтому в момент увеличения скорости какой-либо точки сила инерции будет направлена в сторону, противоположную ее движению, а при замедле­нии — в сторону движения.

Рассмотрим две реки северного полушария (рис. 7).

Река 1 (например, Волга) течет с севера на юг. Частицы воды, перетекая из пункта / в пункт 2, будут переходить из области мень­ших скоростей V1 в область больших скоростей V2 кругового вращения точек земной поверхности. Скорости частицы водыо v1 и и v2 в соответст­вии с вращением Земли направлены в сторону левого берега. Следо­вательно, ускорение, равное величине V2—V1, направлено также в сторону левого берега, а сила инерции fi — в сторону правого берега. Тогда на частицу будут действовать две силы: сила тяжести G и сила инерции f1. Заменим эти две силы равнодействующей r1,. Уровень воды расположится по перпендикулярному направлению линии действия равнодействующей. В результате у правого берега уровень воды по­вышается, у левого — понижается.

Река 2 (например, Обь) течет с юга на север. Частицы воды, пере­текая из пункта 3 в пункт 4 , будут переходить из области больших скоростей vз кругового вращения точек земной поверхности в область меньших скоростей v4. Следовательно, ускорение будет направлено в сторону левого берега, а сила инерции, так же как и реки /, опять в сторону правого. Поэтому у правого берега уровень воды повышает­ся, а у левого — понижается (см. рис. 7).

Это позволяет сделать вывод о том, что независимо от географиче­ского направления течения, в результате вращения Земли поперечный уклон поверхности воды у рек северного полушария всегда направлен от правого берега к левому. Если продолжить рассуждения, то легко показать, что у рек южного полушария, независимо от направления течения, поперечный уклон поверхности воды направлен от левого берега к правому.

Обычно поперечный уклон, вызываемый вращением Земли, в сред­них широтах незначителен, в несколько раз меньше продольного.

Например, по расчету у реки, имеющей ширину 1 км, скорость тече­ния 1 м/с на широте 60° (Ленинград), разность уровней у противопо­ложных берегов составит 1,3 см. Однако действуя многие тысячеле­тия, он оказывал большое влияние на формирование русла, постепен­но перемещая его в северном полушарии в сторону правого берега и в южном — в сторону левого. Вследствие этого у большинства рек северного полушария правый берег высокий (горный), а левый отло­гий (луговой). К числу таких рек относятся Днепр, Дон, Волга, Обь, Иртыш, Лена и др. Отсутствие у некоторых рек ярко выраженного 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 Земли, уклон местности и т. д.

Поперечные уклоны могут возникать возле неровностей берега, на участках разделения русла, а также в периоды сильных ветров и при изменении ширины русла.

Навигационная опасность — это препятствие, опас­ное для плавания судна.

Навигационные опасности делятся на постоянные и временные. К первым относятся: габаритные размеры судового хода, недостаточные для свободного прохода судов; значительная извилистость русла;

сложная конфигурация дна и берегов; перекаты; наносные каменистые образования; отдельные элементы гидротехнических сооружений и др. К временным навигационным опасностям относятся: значительные ко­лебания уровней воды; сильные ветры, волнение, течения; туманы;

льды; неправильные течения; колебания течений и т. д.

Влияние опасности на плавание судов часто зависит от типа и раз­мера последних.

Судоводитель обязан знать виды, особенности и природу навига­ционных опасностей, чтобы правильно учитывать их при плавании.