Движение воды на изгибах русла

Рассмотрим движение массы воды (m) на повороте русла (рис. 3.28, а,б). Пусть v – продольная скорость течения, r– радиус закругления.На изгибе рус­ла на массу m действует центробежная сила F_c=mv²/r. Так как у поверхности скорость течения больше, чем у дна, центробежная сила у поверхности приводит к отклонению течения в поверхностных слоях в сторону вогнутого берега, что создает поперечный уклон водной поверхности.

Рисунок 3.27. Кривые связи расходов и уровней воды в реке: а – однозначная, б – с паводочной петлей. Точки измерения; 1–на подъеме, 2–на спаде паводка. Моменты максимума: 3 – расхода, 4– уровня воды.

В результате у вогнутого берега возникает избыток гидростатического давления, что вызывает течение в придонном слое, направленное в сторону выпуклого берега. Следовательно, поверхностные струи воды направлены в сторону вогнутого берега, а донные струи – в сторону выпуклого. Суммируясь с продольным переносом воды в реке, разно­направленные течения на поверхности и у дна создают винтовое движение воды на изгибе речного русла – поперечную цир­куляцию.

Рассмотрим баланс сил на изгибе речного русла. Поток будет находиться в равновесии лишь в том случае, если цент­робежная сила, действующая в плоскости вращения, параллельной водной поверхности (F_c=mv²/r), будет равна поперечной составляющей силы тяжести, обусловленной поперечным уклоном (F_g= mgi_п), где i_п– поперечный уклон, равный синусу угла наклона водной поверхности к горизонту; g– ускорение силы тяжести. Следовательно, (mv²/r)= mgi_п, откуда

. (3.36)

Эта формула означает, что поперечный уклон водной поверхности на изгибе потока тем больше, чем больше скорость течения и меньше радиус изгиба.Разница отметок урезов воды (Dz) между вогнутым и выпуклым берегами при ширине реки В составит

. (3.37)

Рис. 3.28. Схема поперечной циркуляции на изгибе речного потока в плане (а) и по­перечном разрезе (6): 1– поверхностные струи; 2– придонные струи