Поперечное сечение русла и его морфометрические характеристики

Поперечное сечение русла определяет его пропускную способность и оказывает влияние на распределение скоростей уклонов направления течения и другие гидравлические элементы потока.

Поперечным сечением русла называется плоскость, перпендикулярная к направлению Течения потока и ограниченная снизу дном, с боков откосами русла, а сверху линией горизонта воды. При наличии ледяного покрова за верхнюю границу площади поперечного сечения принимается линия уровня воды в лунках.

Следует различать (рис. 10):

1) площадь поперечного сечения русла реки до максимального уровня;

2) площадь поперечного сечения в момент производства промера;

3) площадь водного сечения;

4) площадь живого сечения;

5) площадь мертвых пространств.

В площадь поперечного сечения могут входить как составные части площадь водного сечения и площадь неподвижного погруженного льда (поверхностного, шуги и внутриводного).

Под площадью водного сечения при наличии ледяного покрова подразумевается полная площадь поперечного сечения за вычетом площади погруженного неподвижного льда (поверхностного, шуги и внутриводного). При отсутствии ледяного покрова понятие “площадь водного сечения” с понятием “площадь поперечного сечения”

Под площадью живого сечения подразумевается часть площади водного сечения, в которой скорости течения больше нуля или практически равны нулю, или меньше предела чувствительности прибора. Водное сечение потока изменяется с изменением уровня воды.

Каждому уровню воды в реке соответствует свое водное сечение. При вычислении расходов воды, скоростей течения и других гидравлических элементов потока основные характеристики живого сечения необходимо выразить в виде некоторых чисел, т. е. в количественной форме. Эти числа называются морфометрическими элементами живого сечения. Основными морфометрическими элементами живого сечения являются следующие.

1. Площадь живого сечения, определяемая на основания измерений глубин. Порядок и техника этих измерений излагаются в курсе гидрометрии. Построить по данным измерений профиль по перечного сечения русла, можно непосредственными подсчетами или планиметрированием определить площади живого сечения для разных уровней и по ним построить кривую зависимости площадей от уровней h.

Начало этой кривой находится на высоте наинизшей точки профиля; на высоте же перехода от коренного русла к пойме эта кривая имеет перегиб и становится более пологой.

2. Ширина живого сечения, изменение которой также может быть представлено в виде кривой в зависимости от высот уровня

3. Смоченный периметр Р—длина подводного контура живого сечения, т. е. длина линии по заполненным водой откосам берегов и дну.

4. Средняя глубина входящая в формулу для вычисления средней скорости и получаемая как частное от деления площади живого сечения на ширину потока по линии уровня воды,

5. Иногда для характеристики живого сечения вычисляют так называемый гидравлический радиус, представляющий собой частное от деления площади живого сечения на длину смоченного периметра

Гидравлический радиус, дающий представление о размере площади живого сечения, приходящейся на единицу длины его параметр а, является величиной, характеризующей сопротивление, испытываемое движущейся жидкостью за счет трения о ложе. Поскольку фактические потери энергии в потоке складываются из потерь на трение о ложе и потерь за счет турбулентного перемешивания, постольку и гидравлический радиус лишь приближенно характеризует эти потери.

Обычно для рек разница между смоченным периметром и шириной реки весьма незначительна. Вследствие этого часто, особенно для равнинных рек, можно заменять смоченный периметр шириной реки. Отсюда следует, что в этих условиях вполне воз можно гидравлический радиус заменять средней глубиной. Конечно, для горных потоков, протекающих между нагромождениями камней, такая замена менее правомерна, чем для равнинных рек. Чем более плавно очертание поперечного сечения русла, тем лучше средняя глубина отражает условия протекания потока через него. При наличии резких изломов в поперечном сечении, например при выходе воды из коренного русла и затоплении поймы, средние глубины, вычисленные отдельно для основного русла и для поймы, лучше характеризуют поток, чем средняя глубина для всей реки.

6. Важной характеристикой поперечного сечения русла является его форма. Правильное параболическое очертание поперечного сечения создает условия для упорядоченного равномерного движения воды в русле. Наличие в пределах поперечного сечения резких углублений дна или выступов создает застойные зоны, водовороты, обратные течения и пр.

В условиях такого неупорядоченного течения резко нарушаются соотношения между уклонами водной поверхности, глубинами и скоростями течения. Вследствие этого такие поперечные сечения непригодны для организации гидрометрических измерений.

Форма русла во многих случаях может быть охарактеризована параболической зависимостью между шириной русла В и наибольшей глубиной потока Н

(1)

где B потока при Н=1; m- показатель степени, характеризующий крутость подъема стенок русла и меняющийся от m=0 (прямоугольное русло) до m=1 (треугольное русло)

Для принятой схематизации русла по уравнению (1) площадь живого сечения равна

,

откуда

Средняя глубина а для широких русел и гидравлический радиус R определяются выражением

7. Живое сечение, кроме размеров и формы, должно быть охарактеризовано также и с точки зрения оценки сопротивления, оказываемого им протекающей воде. Чем больше характер русла отклоняется от гладкого, тем скорость меньше при прочих равных условиях. С увеличением глубин потока неровности поверхности русла, определяющие его шероховатость, должны оказывать меньшее влияние на среднюю скорость. Поэтому различают шероховатости абсолютную и относительную

Абсолютная шероховатость представляет собой среднюю высоту возвышения неровностей поверхности русла над средней плавной кривой дна.

Отношение абсолютной шероховатости к средней глубине потока т.е. / называется относительной шероховатость . Таким образом, относительная шероховатость с повышением уровня воды уменьшается.

Для поверхности образованной однородными песчаными частицами, высота выступов шероховатости обычно принимается равной 2/3 их диаметра.

Если русло образовано неоднородными, в смысле размеров, частицами, то сопротивление, оказываемое в этом случае донными частицами движению воды, определяется в основном размерами наиболее крупных частиц. Поэтому при одном и том же среднем диаметре частиц расчетное значение будет тем больше, чем разнороднее состав грунта. По опытам, проведенным в лотках для условий неоднородно песка, отношение к среднему диаметру частиц составляло от 0,85 до 1,65. Для смеси песчаных и гравелистых речных отложений указанное отношение составляет около 2,0.

Иногда для выражения глубины потока в безразмерной форме используют выражение h/ , называемое относительной гладкостью русла.