Продольное течение в русле реки и силы, действующие в потоке

Вода в потоке движется под действием силы тяжести. Скорость течения воды зави­сит от соотношения составляющей силы тяжести, параллельной линии продольного ук­лона, и силы сопротивления, возникающей в результате внутреннего трения между части­цами жидкости и трения, оказываемого движущейся массе воды берегами и дном русла.

Рассмотрим силы, действующие в потоке примени­тельно к русловому процессу (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Схема действующих в потоке физических сил (по А.В. Караушеву, 1969)

Выделим в потоке двумя сечениями 1 и 2,перпендикулярными поверхности и дну некоторый объем воды. Вода в потоке движется под действием силы тяжести F. Эту силу можно разложить на две составляющие: параллельную дну F_x и нормальную (перпенди­кулярную) ко дну F_y.

Сила F_x, зависящая от уклона, вызывает движение воды в потоке. Сила гидродина­мического сопротивления (трения) F_y возникает в результате трения массы воды о дно и берега и зависит от шероховатости смоченного периметра. Силы гидродинамического давления Р₁ и Р₂ при равенстве сечений и постоянном уклоне уравновешиваются.

Изменение уклона, шероховатости, а также сужения и расширения русла, приводят к изменению скорости течения в живом сечении и по длине потока. Для вычисления сред­ней скорости течения при отсутствии непосредственных измерений широко применяется формула Антуана Шези (1718−1798), которую он вывел в результате теоретических и экс­периментальных исследований:

(5.1)

где v_ср — средняя скорость течения, м/с;

R — гидравлический радиус, м;

h_ср — средняя глубина потока м;

i — относительный продольный уклон;

C — коэффициент Шези, м^0,5/с².

Коэффициент Шези, по сути, учитывает потерю энергии потока на преодоление сил трения, зависящих от шероховатости и размеров русла в поперечнике.

Физические силы, участвующие в продольном движении водного потока и опреде­ляющие его гидравлические параметры, оказывают весьма существенное влияние на ру­словые процессы.