Поперечные (циркуляционные) течения. Теория Н.С. Лелявского

Движение воды происходит не только вдоль берегов под влиянием силы тяжести. Внутри потока наблюдаются также поперечные течения в различных направлениях от оси общего движения. Первое объяснение этих явлений принадлежит Н.С. Лелявскому (1897).

Согласно теории Лелявского, быстрое фарватерное течение втягивает в себя воду со стороны берегов (рис. 5.2а). В результате этого в зоне фарватера (зоне наибольших глубин) создается некоторое повышение уровня воды, вызывающее возникновение цир­куляционных течений. Они образуют два замкнутых контура, сходящихся у поверхности и расходящихся у дна (рис. 5.2б); при этом поверхностное течение, направленное к стрежню, Лелявский назвал сбойным. Вследствие поступательного движения эти цирку­ляци­онные токи вдоль по реке проявляются в форме винтообразных течений (рис. 5.2в).

Рис. 5.2. Поперечная циркуляция по Н.С. Лелявскому

На закруглении фарватер приближается к вогнутому берегу тем ближе, чем круче поворот вогнутого берега (рис. 5.3а). Происходит односторонний приток воды к фарва­теру, а два циркуляционных кольца преобразуются в одностороннюю циркуляцию. При этом в области а скорости будут наибольшими, в области b ― ослабленными, а в области с ― наименьшими (рис. 5.3б).

Рис. 5.3. Направление струй у вогнутого берега:

а ― в плане, б ― у вогнутого берега

Такое распределение скоростей течения способствует размыву вогнутых берегов и накоплению наносов у выпуклых, что вносит свой вклад в развитие русловых процессов.

Наи­более полно природа циркуляционных токов была раскрыта в связи с совре­менными представлениями о воздействии на речной поток центробежной силы (Р₁) и отклоняющей силы вращения Земли (Р₂).

Рис. 5.4. Схема поперечной циркуляции на изгибе речного потока

в плане (а) и по­перечном разрезе (б):

1 — поверхностные струи; 2—придонные струи

Центробежная сила Р₁ приводит к отклонению течения в поверхностных слоях в сторону вогнутого берега, что создает поперечный перекос уровня воды. В результате у вогнутого берега в придонных слоях возникает течение, направленное в сторону выпуклого берега. Скла­дываясь с основным продольным переносом воды в реке, разно­направленные течения на поверхности и у дна создают спирале­видное движение воды на изгибе речного русла — поперечную цир­куляцию. Частица воды, движущаяся на закруглении, испытывает действие центробежной силы Р₁:

P₁ = mv²/r. (5.2)

Решая уравнение (5.2) относительно поперечного уклона (I_поп), получим:

(5.3)

где v — скорость течения, м/с;

r — радиус изгиба русла, м

g — ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с².

Другой силой, воздействующей на речной поток, является отклоняющая сила
вращения Земли, или сила Кориолиса Р₂.

Эта сила проявляется в том, что все тела, движущиеся относительно земной по­верхности, в северном полушарии получают ускорение, направленное вправо, а в южном — влево от направления их движения:

P₂ = 2vωsinj, (5.4)

где v — скорость движения тела;

ω — угловая скорость вращения Земли;

j — географическая широта места.

Вследствие незначительного значения ω, сила P₂ очень небольшая по сравнению с силой P₁ (не бо­лее 5 %).

Рассмотренные силы P₁ и P₂ дополняют теорию поперечной циркуляции Н.С. Ле­лявского, однако их влияние на поперечный уклон несущественно. Так, на р. Днепр у
г. Речица в период весеннего половодья в результате суммарного действия этих сил раз­ность уровней воды между берегами не превышает 2 см. Поэтому их влияние на русловые процессы и в практических рас­четах не учитывается.

Однако, действуя непрерывно в одном направлении на протяжении тысячелетий и проявляясь более заметно на больших реках при половодьях и паводках, они способст­вует более сильному подмыву восточных берегов и перемещению русел рек на восток.