Тема 4: енергія і робота річквого потоку

План

1. Режим руху рідини в річкових потоках. Нерозривність потоку.

2. Структура турбулентного руху потоку.

3. Енергія і робота річкового потоку.

1. Розрізняють два режими руху рідини: ламінарний і турбулентний.

Для ламінарного руху лінії течії в потоці є паралельними і такий режим характерний для підземних вод та окремих ділянок струмків в межень. У відкритих потоках річок та каналів переважає турбулентний режим руху. Він характеризується хаотичним переміщенням частинок рідин, пульсаціями тиску і швидкості течії. Ці показники безперервно змінюються за величиною і напрямком.

Перехід від ламінарного до турбулентного режиму руху характеризується числом Рейнольдса (R_e):

, (1)

де V – середня швидкість потоку, м/с; R - гідравлічний радіус, м; γ – кінематичний коефіцієнт в’язкості, м²/с.

Якщо R_е>580 – потік турбулентний, у протилежному випадку потік має ламінарний режим руху рідини.

Найважливішою властивістю потоку є його нерозривність. Закон збереження речовини (рідини) вздовж потоку описується рівнянням нерозривності. Найпростіший доказ рівняння зводиться до наступного. По довжині безпритомної ділянки русла виділяють два перерізи 1-1 і 2-2 (рис.1).

Рис.1.Схема безприточної ділянки русла

Об’єми рідини, що проходять через ці перерізи за проміжок часу Δt, відповідно дорівнюють: , - є однаковими за величиною, тобто .

Виразивши витрату через площу водного перерізу та швидкість, можна записати:

, (2)

тобто . (3)

Це означає, що зменшення в одному із створів площі живого перерізу зумовлює збільшення швидкості течії і навпаки. Цю закономірність нерозривного потоку використовують при регулюванні русел річок. Зокрема, штучне стиснення потоку застосовують для поглиблення русла.

2. Структура руслового турбулентного потоку характеризується вихорами еліптичної форми різних розмірів з витягнутою горизонтальною віссю і меншою вертикальною віссю. В процесі руху ці вихори дещо ковзаючи рухаються по дну (рис.2). Величина горизонтальної вісі вихорів перевищує малу вертикальну вісь у 2-3 рази. Вихори мають напрямок орбітальних швидкостей, які суттєво менші за швидкість течії. Вода, що стікає під дією сили тяжіння постійно здійснює роботу. Кількісно робота річкового потоку характеризується потужністю річки. Найменші вихори наближаються за формою до кола.

Рис.2. Схема кінематичної структури потоку

3. Вода, що стікає під дією сили тяжіння по схилах та руслах постійно здійснює роботу. Кількісно робота річкового потоку характеризується потужністю річки. Потужність може бути обчислена для всієї довжини річки, тоді вона називається кадастровою або повною потужністю річки. Або для окремої ділянки на одиницю довжини річки або площі. В останньому випадку вона називається питомою потужністю.

Для обчислення кадастрової потужності та потужності річки на окремій ділянці використовують залежність:

, т·м/с, (4)

, кг·м/с, (5)

де - обємна вага води, що дорівнює =1 т·м/с; Q – витрата води, м³/с; Н – падіння річки, м (різниця між відміткою витоку і відміткою гирла).

Потужність може бути виражена в кінських силах або в кВт, відповідно

1к.с.=0,075 т·м/с і 1кВт=1,36 к.с.

Тобто формулу (4) можна записати в кінських силах:

, к.с. (6)

І в кіловатах потужність буде дорівнювати:

, кВт. (7)

Оскільки похили річки переважно суттєво змінюються від витоків до гирла, то повна або кадастрова потужність річки обчислюється додаванням потужностей, отриманих для окремих ділянок.

, кВт, (8)

де Q_і – середньо багаторічні витрати води на окремій ділянці, м³/с; Н_і – падіння рівня води на ділянці, м.

Питома потужність річки обчислюється за відношенням:

, (9)

де N – кадастрова потужність на ділянці, L – довжина річки або ділянки, км.

В природних умовах енергія води витрачається:

а) на подолання внутрішнього опору рухові, зумовленого перемішуванням часток води;

б) на тертя об земну поверхню і ложе річки. Ця частина енергії розсіюється в потоці у вигляді тепла. Решта енергії витрачається на розмив грунту, зависання і перенесення твердого і розчиненого матеріалу в більш понижені місця.

На схилах водозбору робота текучої води проявляється в руйнуванні зв’язності часток грунту й гірських порід та в змиванні їх в улоговини, суходоли та річки. Цей процес називається схиловою ерозією.

Русловий потік в процесі руслової ерозії переформовує саме русло, розмиваючи ложе. При цьому продукти руйнування разом з матеріалом, що поступає зі схилів водозбору переміщується вниз за течією. В подальшому відбувається формування річкових наносів.