В.А. Магницкий - Общая геофизика (1119278), страница 49
Текст из файла (страница 49)
На закруглениях реки формируется циркуляция, придающая устойчивость тем изгибам реки, в которых она реализовалась.Следует отметить, что пока строгого математического аппарата дляоценки взаимодействия потока и русла нет.Известно, что даже в том случае, когда берега реки прямолинейны, ось потока нередко имеет синусоидальный характер. Но обычно извилистыми становятся и берега, река приобретает в плане такназываемый меандрический характер.
Эта извилистость приводит квозникновению продольных углублений — ложбин, плесов, нижекоторых скапливается вымытый грунт в виде побочней и перекатов.Чем больше ширина реки, тем слабее выражены в ней меандры. Всемеандры возникают в силу того, что изогнутое русло поглощает меньше энергии, чем прямолинейное.Все природные русловые потоки турбулентны. Ламинарный режим движения в них реализуется крайне редко. Крупные вихри,которым соответствуют пульсации скорости низких частот, определяют преимущественно кинетическую энергию потока, пульсации жескорости высоких частот создают сопротивление движению. М.А.
Великанов показал, что русловый процесс развивается под влияниемглавным образом крупномасштабных турбулентных возмущений,размер которых может быть порядка глубины потока. Таким образом, исследуя турбулентность руслового потока, нет необходимости рассматривать весь спектр пульсаций скорости, поскольку пульсации скорости высоких частот играют в процессе руслообразованиялишь незначительную роль.
Крупномасштабные структурные возмущения оказывают детерминированное, почти периодическое воздействие на размываемые части русла. Именно колебания скоростибольшой амплитуды и периода вызывают скачкообразное перемещение донных наносов и транспорт более легких наносов в воднойтолще.При движении по наклонной плоскости открытого потока, т.е.потока, в котором глубина h много меньше ширины Ь (А <0,1й),поток будет тормозиться главным образом со стороны дна, а этоприведет к возникновению в нем вихревых структур (вальцов) сгоризонтальной осью и со сменой плавно переходящих друг в друга восходящих и нисходящих течений.
Поскольку переход от восходящих движений к нисходящим и обратно происходит постепеигно, т.е. с малыми градиентами скоростей, касательные напряжениямежду движущимися слоями (pidv/dx£) могут быть значительнылишь вблизи стенок (/л — динамическая вязкость).Водные массы, свободно движущиеся в своей верхней части итормозимые снизу твердым дном, опрокидываются, захватывая потокпочти на всю его глубину. Выше тонкого придонного слоя в потокевозникает чередование вальцов, скользящих по дну.
Как показываютэксперимент и теория, произведениеiw = u 'v ’ (и = ~й + и'; v = v + v')(2.36)всегда отрицательно. Это свидетельствует о том, что восходящиеструи в вальце в среднем круче нисходящих, т.е. вальцы несимметричны относительно восходящих и нисходящих течений, большаячасть вальца занята нисходящим движением. Следовательно, вальцыимеют удлиненную форму. Частота со их прохождения через фиксированное сечение колеблется в малых пределах.
Отсюда мы получаем постоянство числа Струхаля Sh = coh/u для низких частотпо всему течению потока. Число Струхаля оказалось постоянным длявсех потоков одинаковой геометрии, но разных размеров. Это свидетельствует о существовании некоего статистического подобия в турбулентной структуре русловых потоков.Все вышеизложенное позволяет утверждать, что в формированииструктуры турбулентного руслового потока первичными являютсясамые большие вихри, или вальцы, образующиеся при опрокидывании отрезков основного поступательного потока. Между смежными первичными вихрями, а также между ними и дном образуются вторичные вихри, которые, в. свою очередь, передаютэнергию более мелким вихрям.На рис. 2.16, а представленыснимки вихревых образований впотоке, полученные с помощьюфотоаппарата, равномерно движущегося над лотком со скоростью, близкой к средней скорости ядра потока.
Водная поверхность в эксперименте былапокрыта алюминиевой пылью.На рис. 2.16, б приведена фотография, на которой проявилисьgвихревые образования, В О З Н И К 2Л6. Фотографии вихревых струкшие в результате неустойчивости ™ никурХГ П°Т<Же’ П°Лученныекрупных вихрей.Поле осредненных скоростей в русловом потоке и крупные возмущения взаимообусловлены.
Вихри с масштабом порядка глубиныпотока формируются в результате ^устойчивости основного поступательного движения. Возмущения меньших размеров рождаютсяв результате неустойчивости самых крупных возмущений и самипо себе играют в русловом процессе, как упоминалось выше, лишьвторостепенную роль. Поэтому М.А. Великанов предложил различать в русловом потоке два важнейших типа движения: основное поступательное движение и вторичное движение, проявляющееся в виде низкочастотных пульсаций. Он ввел условное разделение скорости на три слагаемых:и = и + и' + иv = v + v' + v " .(2.37)Одним штрихом обозначены структурные, почти неслучайные колебания скорости, соответствующие крупномасштабным вихревымобразованиям, двумя штрихами — чисто случайные колебания. Поскольку роль крупномасштабных и мелкомасштабных вихрей различна, Г\4.А.
Великанов постулировал отсутствие корреляции какмежду всеми случайными пульсациями скорости (и " и г»"), так имежду ними и структурными колебаниями. В таком случае произведение uv будет равно (и + и' + и") (у + v' + v " ) = u!v\ т.е. моменткорреляции между продольной и вертикальной компонентами определяется лишь структурными отклонениями (скорость v предполагается равной нулю).Русло равнинных рек состоит из частиц, передвижка которыхнаступает лишь при повышенных значениях пульсирующих скоростей и связана с пульсациями самых низких частот.
Высокочастотныеже колебания малой амплитуды практически не влияют ка движение накосов. Эксперименты и наблюдения в природе показали, чтопериоды пульсаций мутности близки к периодам крупномасштабныхвозмущений, а они, в свою очередь, — к периодам песчаных волнв момент их возникновения.Работа потока по подъему донных частиц и по поддержанию ихв потоке сводится к работе взвешивания. В этом и выражается эрозионная деятельность водных потоков.На твердую частицу, лежащую на дне, действуют со стороныпотока две силы: лобовое давление и подъемная сила, связаннаяс разностью скоростей выше и ниже частицы. Причем основная рольр переносе наносов на равнинных реках с песчаным дном принадлежит подъемной силе.
Когда подъемная сила превышает вес частицыв воде, частица отрывается от дна и уносится потоком. Смена восходящие и нисходящих течений определяет вероятность взвешивания.В среднем за достаточно большей промежуток времени поток, затрачивая часть своей энергии на работу взвешивания, тем самым совершает перенос наносов.Все рассмотренные выше вопросы динамики руслового потока относятся главным образом к рекам равнинного характера. Горныеже реки изучены значительно меньше. Скорость течения горныхрек существенно больше, чем равнинных, и каменистые осколкидвигаются в них сравнительно быстро.
Горный поток имеет руслосчрезвычайнойшероховатостью дна. Гидродинамический признак, позволяющий разграничить равнинные и горные реки, былдан Сен-Венаном разделившим русловые потоки на реки и быстротоки, исходя из особенностей распространения одиночной волны в них. Скорость распространения одиночной волны (см. с. 255)имеет видС= (*А)0’5Если скорость течения и, то в зависимости от направления волнывверх или вниз по потоку имеемС* = (gty 0,5 - и,с** = (gfij 0,5 + и.Следовательно, если и > (gfij ’ , то волна вверх не пойдет и передвыступом образуется резкое поднятие уровня поверхности. Если жеи < (gh\ °’5, то волна, возникающая благодаря, например, выступу наднб, будет распространяться вверх.
Равнинные реки, скорость течения которых меньше, чем горных, как бы издали чувствуют препятствие и приспосабливают к нему свое движение. Горная же рекаударяется о препятствие, искажение течения происходит скачком.Одним из основных методов изучения русловых потоков являетсялабораторное моделирование. Модель должна отражать прежде всегоосновную особенность руслового потока — взаимодействие потока ирусла.
Динамическое подобие двух потоков принципиально осуществимо при равенстве для них критериев Рейнольдса Re = uh ! v йФруда Fr = w2/ gh. Если вязкость жидкости v на модели и в природеодна и та же, то эти условия несовместимы, так как из определениякритериев Рейнольдса и Фруда при этом вытекают совершенно различные зависимости скорости потока от глубины.Экспериментальным путем показано, что начиная с некоторогозначения числа Рейнольдса критерийЯ = Fr • iперестает зависеть от этого числа.
Это так называемая автомодельная область, которая на рис. 2.17 выделяется рядом горизонтальныхпрямых. Следовательно, подобие самого потока и его модели можетбыть достигнуто при выполнении автомодельности.Необходимо также, чтобы для модели и потока было одинаковым отношение силы сопротивления русла к размывающей силепотока. Сила сопротивления русла для верхнего слоя наносов тлеет видЯ (f*s ~ P w j D rще Ds — диаметр наносов, p s — плотность наносот, p w — плотностьвода. Размывающую силу можно загасать какgpwM.Критерий Ч', равныйч , _S ipsv s —rРц)w , Dss=aDs_ _ JSPW h i=id e mhiхарактеризует глубинную устойчивость русла. Однако требованиеЧ* = idem для модели и равнинных рек невыполнимо, поскольку вравнинных реках песок обычно бывает мелкий и смоделировать еготак же, как глубину, уменьшением масштаба нельзя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
