4. 2. Хуткасць цячэння і расходы вады рэк, метады іх вызначэння

4. 2.1. Хуткасць цячэння і турбулентнае перамешванне вады

Адной з асаблівасцей турбулентнага руху вады з’яўляецца выпадковыя ваганні хуткасці, якія назіраюцца ў рэк ва ўсіх кропках па іх глыбіні і шырыні. Безперапынны характар змены напрамку і велічыні хуткасці ў кожнай кропцы турбулентнай плыні носіць назву пульсацый хуткасці. Але за адпаведны прамежак часу пры бесперапынным вымярэнні імгненных яе значэнняў можна вызначыць сярэднюю хуткасць. Пульсуючы характар руху вады ў рацэ абумоўлівае бесперапынны абмен масамі вады па ўсёй глыбіні воднай плыні. Гэты працэс называецца турбулентным перамешваннем. Пры гэтым вада плыні неаднародна і ўтрымлівае ў сябе элементарныя масы вады з рознай тэмпературай, мінералізацыяй, рознай колькасцю наносаў і г.д. У выніку турбулентнага перамешвання адбываецца працэс перанос гэтых мас з месц, дзе іх больш, у месца, дзе іх менш.

Сярод пульсацый адрозніваюць пульсацыі малых памераў або высокіх частотаў і пульсацыі нізкіх частотаў. Лінейныя памеры высокіх частотаў вельмі малыя адносна глыбіні плыні. І наадварот, пульсацыі нізкіх частотаў маюць папярочныя памеры параўнальныя з глыбінёй плыні. У выніку абмену аб’ёмамі вады пры турбулентным перамешванні ўзнікае эффект узаемнага тармажэння. Для ацэнкі такой з’явы выкарыстоўваецца спецыяльны тэрмін – каэфіцыент турбулентнай (віртуальнай) вязкасці, які адрозніваецца ад фізічнай вязкасці і не з’яўляецца пастаянным для дадзенай вадкасці пры дадзенай тэмпературы. Ён мяняецца ў залежнасці ад умоў, у якіх назіраецца рух вады. У залежнасці ад ламінарнага руху вады, дзе рух залежыць ад фізічнай вязкасці вадкасці, пры турбулентным руху падобную ролю выконвае ўжо турбулентная вязкасць. Для турбулентнага руху можна знайсці выражэнне сярэдняй хуткасці па формуле v = с √H I, дзе с = √g / 3 α, а α – каэфіцыент прапарцыянальнасці. Гэта ўраўненне носіць назву ўраўнення Шэзі.

4.2.2. Размеркаванне хуткасцяў па вертыкалі і жывому сячэнню

З характэрыстыкамі турбулентнага руху выцякае, што імгненная хуткасць у кожнай кропцы бесперапынна пульсуе. Гэта значыць, што яна мяняецца з цягам часу па напрамку і велічыні вакол некаторага сярэдняга значэння. Калі праводзіць вымярэнне хуткасці дастаткова доўга (некалькі хвілін), то можна атрымаць асераднёную хуткасць у дадзенай кропцы. У гідралогіі практычна карыстаюцца асераднённай хуткасцю, якую атрымліваюць пры гідраметрычных назіраннях.

Размеркаванне хуткасці па вертыкалі ў жывым сячэнні можна выразіць у выглядзе крывой размеркавання хуткасцей у дадзенай вертыкалі (рыс. ). Для гэтага на вертыкальнай восі адкладваюць уніз ад паверхні вады глыбіню вады, па гарызантальнай – хуткасці цячэння. Калі вылічыць плошчу атрыманай фігуры, а затым падзяліць яе на глыбіню, то атрымаем сярэднюю хуткасць на вертыкалі.

Звычайна хуткасць у дна мінімальная (нулявая) і павялічваецца спачатку вельмі хутка, а затым з некаторай глыбіні назіраецца параўнальна раўнамернае размеркаванне хуткасцей. Найбольшая хуткасць назіраецца ў паверхні вады. Аднак пры ветры і ледаставу яна тармазіцца.

Часцінкі вады, якія сутыкаюцца з дном, змочваюць яго і нерухомыя. У дадзеным выпадку можна сведчыць аб нулявым значэнні хуткасці вады непасрэдна у дна. Аднак гідраметрычныя вымярэнні “прыдоннай хуткасці” сведчаць аб тым, што яе велічыня рэдка бывае менш ½ паверхневай, і звычайна звыш ⅔.

Супраціўленне руху вады, звязанае з трэннем аб дно рэчышча і берагі, памяншае хуткасць (рыс.).

Практычна найбольшая хуткасць назіраецца на глыбіні 0,2, сярэдняя – прыблізна 0,6 глыбіні ад паверхні вады.

Ледзяное покрыва надае дадатковае трэнне паверхневага слоя вады аб лёд, хуткасці цячэння памяншаюцца, размеркаванне іх па вертыкалі мяняецца: найбольшая хуткасць размяшчаецца глыбей, чым пры адкрытым рэчышчы.

У гідраметрычнай практыцы хуткасць цячэння звычайна вымяраецца гідраметрычнымі вяртушкамі або паверхневымі паплаўкамі. Найбольш дакладны першы метад, які дазваляе вызначыць хуткасць у любой кропцы плыні.