Динамика водного потока Виды препятствий

Лекция N6 Динамика водного потока. Виды препятствий. Лектор: Колосков Дмитрий. Конспект: его же.

Основные характеристики реки

• Расход реки - количество воды, протекающей через поперечное сечение водотока.. Единица измерения - м?/с.
• Уклон реки — отношение падения реки на каком-либо её участке к длине этого участка.

Единица измерения – м/км.

Искусственные препятствия

1. Мосты (Опасны тем, что могут иметь натяжные тросы, видимые только с близкого расстояния. А так же наличием остатков старого моста на месте новых);
2. Плотина, дамба(Опасны образованием сильных и мощных "бочек", что, в принципе, только импонирует брутальным каякерам);
3. Водозаборы (Наиболее опасное искусственное препятствие для всех типов судов, а тем паче для пловцов. Желательно обносить)

Естественные препятствия

Рис. 1а - V-образная струя и улова после слива;

рис. 1б - "Усы" после подводного камня;

рис. 1в - Простая шивера. V-образные структуры потока определяют линию движения;

• Улов (улово) - участок спокойной воды, защищенный от основного потока крупными надводными преградами.
• Сбойка струи - граница улова и струи.
• Шивера — относительно мелководный (глубина до 1,5 — 2 м) участок реки с беспорядочно расположенными в русле подводными и выступающими из воды камнями и быстрым течением. В отличие от порогов шиверы не имеют мощных сливов.

Вал.

Рис. 2а - Прямой вал;

рис. 2б - Косой вал;

рис. 2в - Пирамидальный вал;

Характеристики вала:

1. Длина;
2. Высота;
3. Направление скорости вала.

Вал:

1. Стоячий;
2. Пульсирующий.

Стоячий вал – вал, в любой точке которого горизонтальная скорость воды направлена по ходу основного потока.

Стоячий вал:

1. Прямой вал;
2. Косой вал;
3. Пирамидальный вал.

Прямой вал – вал, гребень которого перпендикулярен направлению потока, и вода движется строго вдоль склонов вала вверх и вниз.

Косой вал – вал, в котором скорость течения в самом валу, до и после него имеет составляющую, параллельную гребню. Иначе говоря, поведение лодки на косом валу можно рассматривать как прохождение прямого вала плюс боковой снос.

Пирамидальный вал – крайний случай стоячего(косого) вала, т.е. если вал очень узкий, то его гребень превращается практически в точку. Такие валы возникают, например, в конце "языка" после сужающегося слива. На переднем и боковых склонах вала вода движется вверх, и только на заднем — вниз.

Пульсирующий вал – периодически возникающий вал. На реках с большим расходом или во время паводка возможно периодическое изменение формы валов. На протяжении нескольких секунд вал растет, становится более крутым, затем его верхушка опрокидывается, и процесс повторяется сначала.

Если энергия, высвобождаемая в данном месте потока на 1 м3 воды, невелика, вал имеет очень пологую форму. При увеличении удельной энергии вал становится более крутым и, при неизменной длине, более высоким. Вершина его становится все более острой. Наконец, при достижении некоторой критической величины вершина обрушивается навстречу потоку. Дальнейшая эволюция вала в этом направлении постепенно превращает его в бочку.

Бочка

Бочка - это предельный случай вала, при котором размер и энергия опрокидывающегося пенного гребня сопоставимы с размером и энергией основного потока. Бочки образуются тогда, когда вода со слива падает в стоячую воду и закручивает значительную циркуляцию в вертикальной плоскости. При этом в обратное течение подсасывается большое количество воздуха, и гребень бочки оказывается сильно вспененным.

рис.3а Эволюция формы вала при изменении глубины потока.

рис.3б Эволюция формы вала при изменении скорости потока

Поверхностные бочки (рис. 4а) могут быть очень мощными, но под турбулентной, пенящейся поверхностью скрывается мощный невозмущенный поток, называемый донной струей. Если вы перевернетесь в такой бочке, он быстро вынесет вас прочь. Такие бочки обычно бывают очень шумными и эффектными, но относительно безопасными. Глубокие бочки (рис. 4б, 4в) образуются там, где вода падает под большим углом в глубокий бассейн ниже слива. Это часто происходит на искусственных сооружениях, таких как плотины и дамбы, и на локальных водопадных сливах при малой скорости течения до и после слива. Последняя ситуация нередко имеет место, например, на относительно простых реках Карелии. Для такой структуры характерна большая область обратного течения, направленного к сливу, и пузырьки, поднимающиеся на поверхность, как при кипении. Донная струя проходит в этом случае очень далеко от поверхности.

Прямая бочка – бочка, направление которой строго перпендикулярно потоку, и каждая струя в ней циркулирует в одной вертикальной плоскости.

Косая бочка расположена под острым углом к основному потоку, и в ней, помимо циркуляции, существует более или менее значительный боковой снос. Вода в этом случае движется по спирали вдоль оси бочки. Такая бочка возникает, например, после слива, расположенного под острым углом к оси потока. Характерными признаками косой бочки являются также: несоосность входной и выходной струи; неравномерная глубина на кромке слива.

Пенный котел - предельный случай бочки, образуется если скорость течения невелика, а слив имеет подковообразную форму и обращен навстречу течению.

Прямой слив (рис. 5а) представляет собой однородную вертикальную ступеньку через все русло. За ним, как правило, образуется столь же однородная бочка. Чем меньше начальная скорость потока и чем выше слив, тем более круто падает вода в конце него и тем более глубокой и жесткой оказывается бочка. Под ступенькой может образовываться полость — карман — в которой существует своя собственная циркуляция. Выбраться из такого кармана крайне сложно.	Рис. 5а - Прямой слив.
Наклонный слив (рис. 5б) дает потоку достаточный разгон. Если бассейн под сливом достаточно глубок и не засорен скальными обломками, в нем образуется мощная бочка во всю ширину слива.	Рис. 5б - Наклонный слив.
Ступенчатый слив (рис. 5в) состоит из нескольких прямых или наклонных сливов, расстояние между которыми сравнимо с их высотой. Вместе они образуют единую структуру, соединенную в одно целое прямыми и обратными течениями бочек, отбойными валами, поганками и другими структурами. Прохождение каждого из таких сливов в отдельности может не представлять большого труда; сложность состоит в том, чтобы преодолеть их подряд друг за другом.	Рис. 5в - Ступенчатый слив.

Ломаный ступенчатый слив - слив, в котором сливы с разных ступеней могут быть повернуты под углом друг к другу.

V-образный или подковообразный слив по течению (рис. 6а). Если ступенька слива имеет выступ, направленный по течению, то по обе стороны от нее образуются косые бочки с боковым сносом к вершине этого выступа. В этой точке, как правило, и выходит основная струя.	Рис. 6а - V-образный или подковообразный слив по течению.
V-образный или подковообразный слив против течения (рис. 6б). Под такими сливами образуется котел, а по обеим сторонам слива возникает мощный боковой снос в направлении вершины слива. Дно под таким сливом часто бывает засорено скальными обломками.	Рис. 6б - V-образный или подковообразный слив против течения.
Г-образный слив (рис. 6в) состоит из двух частей, повернутых друг к другу примерно под прямым углом. Такой слив образуется, когда часть русла перегорожена крупным камнем немного ниже основной ступеньки. Под сливом образуется единая бочка с боковым сносом сначала поперек основного слива под самую сбойку, а затем поперек бокового — вниз по течению. Она очень несимметрична, и поэтому выбрасывает плывущие предметы достаточно быстро.	Рис. 6в - Г-образный слив.
Наклонный сходящийся слив (рис. 6г). Если V-образный слив, обращенный против течения, достаточно пологий, а скорость течения велика, то вместо котла образуется сбойка двух примерно равновеликих струй.	Рис. 6г - Наклонный сходящийся слив.

Вертикальная турбулентность

При большой скорости течения возникает большая разность средних скоростей потока на его оси и вблизи берегов. Из-за этого поверхностные слои воды начинают смещаться к центру. Возникают спиральные течения, которые выталкивают все плывущие предметы на середину основного потока.	7а - Спиральные течения.
Самое обычное место для образования воронок — это граница улова и струи. Когда две параллельные струи текут в разные стороны на небольшом расстоянии друг от друга, вода, заключенная между ними, вовлекается в водоворот и уходит вертикально вниз.	7б - Воронка.
Если вода в каком-то месте уходит вертикально вниз, то неподалеку должно быть и обратное движение. Такое восходящее течение называется поганкой. Вода поднимается со дна вертикальным фонтаном и затем растекается по поверхности. Иногда на очень мощных реках уровень такой поганки превышает уровень окружающей воды на 30–40 см.	7в - Поганки.

Камни

Если камень подходит близко к поверхности воды, то энергия набегающего потока оказывается достаточной, чтобы вода переливалась поверх камня. Тогда этот камень называется обливным камнем. Ниже камня, в зависимости от его размеров и скорости потока, вода может либо срываться с его поверхности тонкой пленкой ("петушиным хвостом"), под которой образуется большая воздушная полость, либо падать отвесно вниз, образуя глубокую и жесткую бочку.

Рис. 8а - Обливной камень.

Когда скорость потока оказывается недостаточной для того, чтобы поднять уровень воды выше камня, перед камнем образуется отбойный вал (рис.8б)

Рис. 8б - Отбойный вал.

Препятствия при повороте реки

Если река делает крутой поворот, то центробежная сила отбрасывает воду и все, что по ней плывет, к внешнему берегу поворота. При этом могут образовываться:

1. Если такой берег покрыт лесом, то возле него образуется залом из наполовину упавших деревьев, подмытых водой, но еще не вырванных окончательно корней и застрявшего в них плавника (В общем, как правило так и бывает);
2. Если же внешний берег поворота — скальная стенка, то возле нее образуется один или несколько отбойных валов (Одна из наиболее приятных ситуаций на повороте);
3. Также если же внешний берег поворота — скальная стенка, может образовываться подводный грот — карман(Наименее благоприятная ситуация при повороте, если есть подозрения - ЛУЧШЕ ОБНЕСТИ);

Прочие препятствия

Завал – большое количество деревьев, перегораживающие частично или полностью русло реки

Сифон - подводный туннель естественного или искусственного происхождения, по которому протекает вода. Представляет значительную опасность для пловцов, так как сифон может быть значительной длины, не иметь подходящего диаметра для проплыва в нём человека и т. д.

На этом все. Помните о препятствиях и не бойтесь их. Ведь, что известно - уже не страшно :-)

пишите_письма_буду_рад