Розподіл швидкості течії у річках, її екологічна роль

Размещено на http://www.allbest.ru/

РОЗПОДІЛ ШВИДКОСТІ ТЕЧІЇ У РІЧКАХ, ЇЇ ЕКОЛОГІЧНА РОЛЬ

Вимірювання швидкостей течії в потоці частіше всього пов'язано з потребою визначення витрат води, але може мати й самостійне значення при спорудженні та розкритті перемичок, перекритті русел річок, будівництві споруд на річках, забезпеченні безпечного плавання суден тощо.

Швидкість ut у даній точці потоку в донний момент часу називається місцевою миттєвою швидкістю. Коливання місцевої швидкості в часі, по величині та напрямку називають пульсацією швидкості.

Прилади для вимірювання швидкостей течії води. Основними приладами для вимірювання швидкостей течії води в річках та каналах, тобто в натурних умовах, являються гідрометричні поплавки та гідрометричні вертушки, а в лабораторних умовах - гідрометричні мікровертушки, гідрометричні трубки, термогідрометри, лазери тощо.

Гідрометричні поплавці. В залежності від швидкості, що вимірюється, гідрометричні поплавці підрозділяють на точкові та інтеграційні .

Точковими поплавцями вимірюють швидкість потоку з усередненням по довжині траєкторії руху поплавця, інтеграційними - швидкість з усередненням по глибині, довжині і всьому перетину потоку. Точкові поплавці ділять на поверхневі та глибинні.

В якості поверхневих поплавців у залежності від ширини річки (тобто від відстані спостереження) можна використовувати бруски деревини, відпиляні від колоди циліндричні кільця висотою 3-7 см, сполучені хрестом дві дошки або колоди, напівзанурені скляні або пластикові пляшки тощо. Для кращої видимості з берега поплавці забезпечують яскравими прапорцями. Швидкість руху поплавця визначають по довжині траєкторії його руху за відповідний відрізок часу. Під час льодоходу на річках у якості поплавців можна використовувати крижини, що пливуть.

На одній відтвореній картині А. Фразера, де зображений Леонардо да Вінчі (1452-1519), що вивчає розподіл швидкостей течії в річці. Дерев'яний поплавець, що пливе у воді, художник змалював із рукопису Леонардо, що зберігається в Інституті Франції. Такий же поплавець зображений в одній із записних книжок Леонардо.

Там Леонардо да Вінчі вимірює швидкість течії води за допомогою поплавців.

Леонардо тримається врівень із поплавцем, що пливе посередині річки вниз за течією. Одночасно він вимірює пройдену відстань за допомогою одометра - приладу для вимірювання пройденого шляху.

Для виміру часу, за який поплавець покриває цю відстань, він розспівує музичні гами. На протилежному березі річки сидить його помічник із заготовленими поплавцями. За Леонардо - ватерпас, за допомогою якого він визначав похил річки, і глечик із водою для «заправки» ватерпаса. Всі ці предмети відтворені художником із справжніх рукописів Леонардо. Це, мабуть, була перша серйозна спроба визначення швидкості води за допомогою поплавців.

Одним з перших гідрометричних приладів для вимірювання швидкості течії води, мабуть були хитромудрі пристосування італійського лікаря Санторіо (1591-1630). Його наштовхнули на це досить курйозні обставини. Він вирішив виміряти, при яких швидкостях вода створює той легкий шум, при якому засинають його пацієнти, і при якому - навпаки, шумить так, що не дає заснути.

Використовуючи той же самий принцип, Санторіо сконструював прилад для вимірювання силу вітру, який своїм шумом аналогічним чином впливає на його пацієнтів.

Прилади Санторіо вимірювали тільки тиск води або вітру на пластини, не перетворюючи отримані дані в показники швидкості води або вітру. Математичні методи для такого перетворення на той час ще не були розроблені.

У 18 столітті Паоло Фризі (1727-1784) писав про вимірювання швидкості течії води за допомогою гребного колеса, лопатки якого торкались поверхні води. Число обертів цього колеса за одиницю часу приймалось за показник швидкості течії води .

Тоді ж були сконструйовані численні «гідрометричні маятники», за допомогою яких швидкість вимірюється по куту нахилу маятника: чим більше кут його відхилення від вертикалі, тим вища швидкість потоку.

По аналогії з водомірами і вітромірами Санторіо, продовжувалось створення чисельних приладів для вимірювання швидкості потоку води, в яких використовувався принцип римських терезів (безмін).

Найбільш цікавими і перспективними виявились методи вимірювання швидкостей водного потоку Леонардо да Вінчі, а також Санторіо та Фризі.

При сучасних вимірюваннях швидкості течії води на ділянці водотоку спочатку розбивають створи перпендикулярно до напрямку течії води і закріплюють їх віхами . Створи 2, 3 і 4 повинні бути прив'язані до магістралі 5. Відстань L між створами 2 і 4 приймають за довжину траєкторії руху поплавця. Тривалість ходу поплавків tп між створами 2 і 4 при вимірюванні найбільшої швидкості vmax повинна бути не менше 20 с.

У момент проходження поплавця через ствір 3 визначають відстань b. При В < 100 м b відраховують по натягнутому тросу, нульову позначку якого суміщають з магістраллю. На широких річках, де використовувати трос важко, координати перетину траєкторій поплавців з головним створом визначають способами геодезичних засічок. Як правило, в звичайних умовах по всій ширині річки рівномірно розподіляють від 15 до 25 поплавців, випускаючи їх по черзі. По umax = L / tп і b складають епюру розподілу поверхневих швидкостей по ширині потоку. Визначивши b в декількох створах, легко знайти і траєкторії руху поплавців.

Гідрометричні вертушки. Основні конструктивні елементи вертушки - робоче колесо з віссю обертання, корпус, рахунково-контактний механізм та хвостове опорядження. Датчиком швидкості гідрометричних вертушок послуговує робоче колесо (ротор). Чим більша швидкість течії рідини, тим швидше воно обертається.

По розташуванню осі ротора розрізняють вертушки з горизонтальною та вертикальною осями обертання.

По способу установки вертушки підрозділяють на штангові, тросові та універсальні. Штангові вертушки в свою чергу можуть застосовуватись як на опорній, так і на підвісній штанзі . Для зменшення кута знесення троса під вертушкою підвішують важок обтічної форми.

Визначення витрат води по місцевих швидкостях та глибинах потоку. Цей спосіб скорочено називають способом швидкості - площі. Він визначається співвідношенням:

швидкість течія річка

Q = u w

де Q - витрати води,

u - швидкість водного потоку,

w - площа поперечного перерізу.

До складу робіт по визначенню витрат води в річках та каналах входить: опис стану водотоку, вимірювання рівнів, глибин у гідрометричному створі та швидкостей течії, визначення похилів поверхні води. Рівні води вимірюють до початку і після закінчення всіх вимірювань.

Характер течії річок. Напрямок, характер і здатність річок виробляти собі долину залежать перш за все від рельєфу. Напрямок течії річки визначається загальним нахилом поверхні, якою вона тече. Так, територія, якою протікає Дніпро, нахилена на південь, тому й річка тече на південь.

Чим більший похил поверхні, тим сильніше річка її руйнує, тим глибшою буде річкова долина. Гірські річки течуть в горах, де місцевість має великий похил поверхні. Тому вони мають велику швидкість і бурхливу течію. Такий характер течії обумовлює утворення глибоких і вузьких річкових долин. Сотні тисяч років йдуть на те, щоб річка прорізала в горах долину. Рівнинні річки течуть рівнинами. Рівнини мають незначний похил поверхні. Тому швидкість течії рівнинних річок невелика - близько 1 м/с. Вони течуть повільно та спокійно. Не маючи сили, достатньої для того, щоб прокласти собі прямий шлях, рівнинна річка обходить перепони і виробляє широку, але неглибоку долину, дном якої звивається її русло. Так, Дніпро нижче Києва змушений огинати виступ Придніпровської височини. Тому він відхиляється на південний схід і лише після Дніпропетровська знову повертає на південь. Рівнинними річками є також Волга, Амазонка та ін.

В природі багато річок, що починаються в горах і мають характер гірських. Але потім вони виходять на рівнину і стають рівнинними. Такими є, наприклад Дунай, Янцзи.

ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА

1. Архангельский А.М. и др. Методика полевых физико-географических исследований: Учебное пособие для университетов и педвузов. - М.: Высш. шк., 1972. - 304 с.

2. Басманов Є.І. Загальна гідрологія: Конспект лекцій. - Харків, 2004. -

3. Богословский Б.Б., Самохин А.А., Иванов К.Е., Соколов Д.П. Общая гидрология. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 420 с.

4. Важнов А.В. Гидрология рек. - М.: Изд-во МГУ, 1976. - 338 с.

5. Великанов М.А. Гидрология суши. М.: Изд-во МВТУ, 1925. - 192 с.