Лекции для студентов

Тема 6. Гидрология рек — Поперечные циркуляции

Поперечные циркуляции

Одной из особенностей движения воды в реках является непараллельноструйность течений. Она отчетливо проявляется на за­круглениях и наблюдается на прямолинейных участках рек. На­ряду с общим параллельным берегам движением потока в целом имеются внутренние течения в потоке, направленные под различ­ными углами к оси движения потока и производящие перемещения водных масс в поперечном к потоку направлении.

На стрежне вследствие больших скоростей на поверхности воды происходит втягивание струй со стороны, в ре­зультате в центре потока создается некоторое повышение уровня. Вследствие этого в плоскости, перпендикулярной направлению те­чения, образуются два циркуляционых течения по замкнутым кон­турам, расходящиеся у дна (рис. 7а). В сочетании с поступатель­ным движением эти поперечные циркуляционные течения приобре­тают форму винтообразных движений. Поверхностное течение, направленное к стрежню — сбойное, а донное расходящееся — веерообразное.

Рис. 7. Циркуляционные течения на прямолинейном (а) и на изогнутом (б) участке русла (по Н. С. Лелявскому).

1 — план поверхностных и донных струй, 2 — циркуляционные тече­ния в вертикальной плоскости, 3 — винтообразные течения.

На изогнутых участках русла струи воды, встречаясь с вогнутым берегом, отбрасываются от него. Массы воды, переносимые этими отраженными струями, обладающими меньшими скоростями, накладываясь на массы воды, переносимые набегающими на них следую­щими струями, повышают уровень водной поверхности у вогнутого берега. Вследствие этого возникает перекос водной поверхности, и струи воды, находящиеся у вогнутого берега, опускаются по от­косу его и направляются в придонных слоях к противоположному выпуклому берегу. Возникает циркуляционное течение на изогнутых участках рек (рис. 7б).

Появление поперечных течений на закруглениях русла объ­ясняется развивающейся здесь центробежной силой инерции и связанным с ней поперечным уклоном водной поверхности. Центробежная сила инерции, возни­кающая на закруглениях, неодинакова на различных глубинах.

Рис. 8. Схема сложения сил, вызывающих циркуляцию.

а — изменение по вертикали центро­бежной силы P₁, б — избыточное давление, в — результирующая эпю­ра действующих на вертикали сил центробежной и избыточного давле­ния, г — поперечная циркуляция.

У поверхности она больше, у дна мень­ше вследствие уменьшения с глубиной продольной скорости (рис. 8а). При перекосе водной поверхности возни­кает избыточное давление i_попg. где g — вес единицы объема воды; i_поп — поперечный уклон. Оно одинаково для каждой точки вертикали и направлено в противоположную сторону по отно­шению к центробежной силе инерции (рис. 8б, в). Вследствие неуравнове­шенности этих сил в отдельных точках по вертикали и возникает в потоке по­перечная циркуляция (рис. 8г).

В зависимости от направления из­лучины отклоняющая сила Кориолиса или усиливает, или ослабляет попереч­ные течения на закруглении. Эта же сила возбуждает поперечные течения на прямолинейных участках.

При низких уровнях на закругле­нии циркуляционные течения почти не выражены. С повышением уровней, увеличением скорости и центробежной силы циркуляционные тече­ния становятся отчетливыми. Скорость поперечных течений обычно мала — в десятки раз меньше продольной составляющей ско­рости. Описанный характер циркуляционных течений наблюдается до выхода воды на пойму. С момента выхода воды на пойму в реке создаются как бы два потока — верхний, долинного направления, и нижний, в коренном русле. Взаимодействие этих потоков сложно и еще мало изучено.