Швидкість течії. Розподіл швидкостей у перерізу річки. Витрата води в річці.

Швидкість течії річки залежить від нахилу русла, однак ця залежність не є простою. Біля берегів швидкість значно менша, ніж на середині.

Численні дослідження показують, що 1) шар води, який безпосередньо примикає до русла, в результаті тертя об дно і стінки русла рухається з найменшою швидкістю. 2) Наступний шар має вже більшу швидкість, тому що він контактує не з нерухомим руслом, а з першим шаром, який рухається повільно. 3) третій шар має ще більшу швидкість і т.д. МАКСИМАЛЬНУ ШВИДКІСТЬ фіксують у тій частині потоку, яка найбільш віддалена від дна і стінок русла.

Якщо взяти поперечний переріз потоку і з’єднати місця з однаковою швидкістю лініями – ізотахами, то виникне схема, яка наглядно зображує розташування шарів різної швидкості (рис. 16, 17).

Рис. 16. Ізотахи при відкритому Рис. 17. Ізотахи під льодом

руслі

Подібний шаруватий (паралельноструминний) рух потоку, при якому швидкість послідовно зростає від дна і стінок русла до середньої частини називають ЛАМІНАРНИМ. Типові особливості ламінарного руху можна коротко охарактеризувати наступним чином:

1.– швидкість всіх частинок потоку має один постійний напрям;

2.– швидкість біля дна і стінок завжди = 0, а з відділенням від стінок плавно зростає до середини потоку.

Слід зазначити, що в річках де форма, напрям і характер русла сильно відрізняється від правильного коритоподібного русла штучного потоку, правильний ламінарний рух майже ніколи не спостерігається !!!Вигини русла, нерівності дна і стінок потоку, мілини все це серйозно змінює швидкість течії і напрям потоку.

Різке зростання швидкості течії, а також гвинтоподібні струмені і вихороподібні рухи та пульсація настільки ускладнюють рух води, що він стає дуже складним – ТУРБУЛЕНТНИМ (турбулентний рух має місце в усіх річках !!!).

Швидкість руху в потоці по вертикалі (глибині) також змінюється. Крива розподілу швидкості течії по вертикалі отримала назву ГОДОГРАФ, або епюра швидкості. Слід відзначити, що лінія годографа сильно залежить від льодового покриву. Якщо при кризі кристалічного характеру, швидкість потоку, ще не дуже змінюється, то при губчастій кризі, яка наростає під кристалічною, вона суттєво знижується (рис. 18).

А Б

Рис. 18 (А – епюра (крива) розподілу швидкості по вертикалі; Б - епюра (крива) розподілу швидкостей під льодом)

На рух води в річці та її швидкість впливає вітер і, як вже зазначалося, льодовий покрив. Лінія у потоці, яка з’єднує точки з найбільшою швидкістю називається СТРИЖНЕМ. Лінія, якою можна з’єднати по довжині потоку всі точки окремих живих перерізів з максимальними швидкостями називається ДИНАМІЧНА ВІСЬ ПОТОКУ. У вітряну погоду динамічна вісь потоку виходить на поверхню і співпадає із стрижнем. Середня швидкість (V ср.) в живому перерізі обраховується за формулою Шезі: V ср. = С√ Ri,де R- гідравлічний радіус; і –похил водної поверхні на досліджуваній ділянці; С – коефіцієнт шорсткуватості русла.

Для гірських річок з валунним дном він становить 0.55, для річок з гравелистим руслом – 0.65, для річок з нерівним піщанистим і глинистим ложем – 0.85.

Середня швидкість водного потоку, у більшості випадків фіксується на глибині 0.6 м від поверхні.

Більшість річок мають швидкість біля дна – 0.5 м/с, а гірські – (7-10 м/с).

Існує ряд способів визначення швидкості течії:

- за допомогою поверхневих поплавків;

- гідрометричної жердини

(Vср. = [ 1 – 0.116 ( √ H – h : H) ] ·V),деH -середня глибина

річки,h -глибина занурення гіпсометричної жердини,V –

швидкість по даній вертикалі;

- глибинних поплавків (Vср. = Vср. пов. + V0.2h / 2; V0.2h = 2Vср. - Vср. пов.; Vср. –середня швидкість обох глибинних поплавків, Vср. пов. –швидкість поверхневих поплавків);

- гідрометричного млинка.

Знаючи швидкість течії (Vср) і площу живого перерізу (F) можна визначити ВИТРАТУ ВОДИ (Q) в річці за формулою:

Q = F · Vср. Витрату можна визначити за певний час (секунду, хвилину добу і т.д.)

ФАРВАТЕР – лінія, що проходить по найбільших глибинах потоку.