§ 34. Река и ее характеристики

Важные характеристики реки —- ее длина, падение, уклоны, скорости течения и расходы.

Длину реки чаще всего определяют по карте, посредством малого (1—2 мм) раствора измерителя. Для этого всю длину реки делят на небольшие участки (между устьями впадающих притоков) и измеряют их в прямом и обратном направлениях, не допуская

расхождений между результатами более 2%. Если река имеет много мелких извилин, не доступных для измерений на карте, то необхо­димо среднее значение длины (из прямого и обратного ходов) умно­жить на коэффициент извилистости k, который определяют на основе сравнения характера реки на карте и в таблице (рис. 52), составлен­ной Ю. М. Шокальским. За начало счета длины реки (километража) обычно принимают устье, так как эта точка более определенная и более устойчивая во времени. Для приближенных измерений длин рек можно пользоваться курвиметром.

Падение h рек на каком-то участке находят как разность отметок H₁ и H₂ урезов воды в начале Н₁ и конце H₂ участка

тогда уклон i водной поверхности этого участка реки будет

Здесь L₂_₁ — длина участка.

Уклоны рек изменяются в довольно широких пределах; они больше на горных реках и меньше на равнинных.

Продольный уклон непрерывно изменяется и в пределах одной реки: в верховье он обычно больше, а по мере продвижения к устью убывает. При изучении продольного профиля реки можно выделить в ней отдельные участки, характеризующиеся сравнительно боль­шими глубинами и спокойным течением - это плёсы и участки с малыми глубинами и более быстрым течением - перекаты. Уклоны водотоков изменяются во времени, а также при проходе паводков

Линия, соединяющая точки русла с наибольшими глубинами называется динамической осью потока, стрежнем или фарватером; на судоходных реках фарватером называют полосу водной поверхности (отмеченную специальными знаками – бакенами), в пределах которой гарантированы определенные глубины.

Уклоны рек выражаются десятичными дробями. Например, р. Ока в среднем течении имеет уклон i = 0,00011. Для упрощения записи, а следовательно для уменьшения возможности ошибок уклоны записывают в тысячных (промилле) и сопровождают знач­ком /₀₀, тогда уклон Оки следует записать так: i = 0,11°/оо, что на 1 км длины реки соответствует падению 0,11 м, или 11 см

Уклоны могут быть найдены по карте, но имеющимся на ней отметкам урезов воды или, что точнее, непосредственно на местности путем нивелирования урезов воды. Точность нивелирования зависит от величины уклона реки: чем больше уклон, тем ниже должен быть класс нивелирования. Обычно для этой цели применяется нивелирование IV или III класса, иногда II класса [24, с. 10-28] Наряду с продольным уклоном может быть и поперечный уклон реки, т.е. такой случай, когда уровень воды у одного берега выше, чем у другого. Причин для такого перекоса водной поверхности несколько: вращение Земли (Кориолисово ускорение), кривизна русла (центробежная сила), влияние ветра.

Знать величину перекоса водной поверхности под действием ' названных причин для геодезиста существенно, так как при трас­сировании линейных сооружений довольно часто уровнем воды в реке пользуются для передачи отметки с одного берега на другой. Влияние вращения Земли выражается формулой

Влияние центробежной силы на поворотах реки выражается зависимостью

Пользуясь приведенными формулами, подсчитаем, каких зна­чений могут достигать величины , если v=0,5 м/с, В == = 300 м, R = 500 м, φ = 60°

Как видим, Кориолисово уско­рение обусловливает такое нера­венство уровней воды, что с ними при решении большинства практи­ческих задач можно не считаться. На поворотах реки превышение одного уреза воды над другим ста­новится ощутимым, и его следует учитывать.

Поперечный уклон реки может быть вызван также ветром, дую­щим в перпендикулярном к реке направлении. Величина перекоса в таком случае может достигать нескольких дециметров; она зависит от ширины реки и силы ветра.

Зеркало воды в поперечном сечении реки может иметь выпук­лую и вогнутую поверхность в связи с быстрым подъемом воды в реке в периоды половодий и паводков и быстрым спадом после прохождения высоких уровней.

Следующие характеристики реки относятся к ее живому се­чению.

Живым, или водным сечением называется пло­щадь, нормально расположенная к направлению течения реки и заполненная текущей водой (рис. 53). Живое сечение характери­зуется площадью со, шириной В, средней глубиной h , гидравли­ческим радиусом R, средней скоростью v_ср, расходом Q.

Среднюю глубину h_cp в живом сечении подсчитывают по формуле

Гидравлический радиус R находят из отношения

В приведенных формулах приняты обозначения:

— площадь живого сечения,

В — ширина реки (AF),

р — смоченный периметр (длина ломаной А, В, С, D, E, F, по которой вода соприкасается с ложем реки; зимой к этой длине нужно прибавить расстояние от берега до берега по нижней кромке льда).

Для естественных русел равнинных рек величины R и h_cp ока­зываются очень близкими, так как при сравнительно большой ширине реки имеют небольшую глубину и р ≈ В. Близость значений h_cp и R позволяет в ряде формул заменять строгое выражение для R, подсчет которого более трудоемок, его приближенным зна­чением h_cp.

Весьма важная характеристика реки — скорость течения, т. е. путь частицы воды в единицу времени.В живом сечении скорость меняется в зависимости от глубины и ширины реки.

При измерении скоростей течения на разных глубинах одной вертикали обнаруживается, что максимумы скоростей располагаются ' близ поверхности, по мере приближения ко дну скорости падают. Характер изменения скорости с глубиной для периода открытого русла (ледяного покрова нет) показан на рис. 54.

Скорость в каждой точке вертикали то возрастает, то уменьша­ется, т. е. пульсирует вблизи какого-то среднего значения. В связи с этим различают «мгновенную» и «осредненную» скорость. Явление пульсации должно учитываться при измерении скоростей течения. Распределение скоростей в живом сечении для периода открытого русла показано на рис. 55, а, при ледяном покрове — на рис. 55, б. Изотахи — линии равных скоростей — показывают, что макси­мумы скоростей в летний период располагаются у поверхности, а зимой, в силу дополнительного трения воды о нижнюю кромку льда, максимум несколько смещается вглубь.

Для определения скорости течения существует много различных средств и приборов. Для определения скорости без измерений поль­зуются формулой Шези для равномерного движения откры­того потока

где

R — гидравлический радиус;

i — продольный уклон водной поверхности участка реки;

С — коэффициент Шези.

Для нахождения коэффициента С существует несколько формул. Наиболее употребительна формула Н. Н. Павловского

здесь: п — коэффициент шероховатости (табл. 5)¹⁰;

у — показатель степени, зависящий от гидравлического ра­диуса R и n

Для приближенных расчетов принимают

Наиболее объемлющей характеристикой живого сечения является расход воды.

Расходом воды Q называется количество воды, проте­кающей через живое сечение со в единицу времени. Расход воды обычно находят по формуле