Классификация видов движения воды
Свойство текучести обусловливает постоянное движение воды в природных объектах: внешние и внутренние силы перераспределяют ее во времени и пространстве. Движется и лед, обладающий пластичностью.
Для анализа основных закономерностей движения воды введем некоторые обозначения. Выразим через и скорость течения в любой точке, через v среднюю скорость движения всей массы воды (в слое, потоке и т. д.), причем в общем случае примем, что u=f(x, у, z, t) и v = ф(х, /), где х, у, z — пространственные координаты, t— время. Продольную ось х обычно направляют вдоль потока параллельно его поверхности, у — поперек потока, вертикальную ось z — от поверхности ко дну.
Движение воды можно классифицировать по изменению гидравлических характеристик водного потока во времени и в пространстве, по гидродинамическому режиму (ламинарное, турбулентное), по состоянию водной поверхности (спокойное, бурное), а также по действующим физическим силам.
Движение воды считают установившимся (стационарным), если скорость течения во времени не изменяется (dv/dt= 0), и неуста- новившимся (нестационарным), если скорость течения во времени—величина переменная (dv/dt* 0). Установившееся движение, в свою очередь, подразделяют на равномерное, если скорость течения вдоль потока остается неизменной (dv/dx = 0), и неравномерное, если скорость течения вдоль потока изменяется (dv/dx ф ф 0). При равномерном движении равна нулю и полная производная скорости (dvjdt- 0).
Выделяют два гидродинамических режима движения воды: ламинарный и турбулентный. Слово «ламинарный» происходит от латинского слова, означающего «слоистый», слово «турбулентный» — от латинского слова, означающего «беспорядочный». И действительно, при ламинарном режиме частицы воды движутся по параллельным траекториям без перемешивания; при турбулентном режиме их движение имеет хаотический характер, в потоке формируются вихри и активизируются процессы перемешивания воды, скорости течения непрерывно изменяются по величине и направлению. Ламинарный режим может переходить в турбулентный при увеличении скорости течения.
Гидродинамический режим потока характеризуется безразмерным числом Рейнольдса Re, равным
Re = (2-8)
где v — средняя скорость течения, м/с; h — глубина потока или толщина слоя воды, м; v — кинематический коэффициент вязкости, м2/с; зависящий от характера жидкости и ее температуры (см. разд. 1.3.4).
Критическое значение числа Рейнольдса ReKp, соответствующее переходу от ламинарного к турбулентному режиму, лежит приблизительно в диапазоне от 300 до 3000.
Если фактическое число Рейнольдса в водном потоке больше 3000 — режим турбулентный, меньше 300 — ламинарный, в диапазоне Re от 300 до 3000 — переходный.
В реках, озерах, морях и океанах число Re всегда значительно больше критического значения, и режим движения воды турбулентный. Ламинарный режим характерен для подземных вод в мелко
зернистых грунтах (вследствие малых размеров пор и малых скоростей движения воды) и для ледников (вследствие очень большой вязкости льда и очень малых скоростей его движения).
От гидродинамического режима зависит внутреннее трение в потоке и вертикальное распределение скоростей течения.
В ламинарном потоке возникающее между смежными слоями воды внутреннее касательное напряжение (трение на единицу поверхности) зависит от вязкости, которая, в свою очередь, изменяли
ется с изменением температуры, и равно х = )Л —, где ц — динами-
dz
ческий коэффициент вязкости (р, = pv), du/dz — вертикальный градиент скорости течения. В турбулентном потоке внутреннее касательное напряжение зависит уже не от вязкости воды, а от так называемого коэффициента турбулентного обмена А, характеризующего интенсивность турбулентного перемешивания вод: х = А —,
dz
где du/dz — вертикальный градиент осредненной во времени скорости течения. Для определения коэффициента А обычно используют эмпирические зависимости, связывающие его с глубиной, скоростью течения и другими характеристиками потока.
В ламинарном потоке вертикальное распределение скоростей течения описывается формулой параболы с горизонтальной осью, расположенной на поверхности потока. Максимальная скорость находится на поверхности потока, у дна скорость течения равна нулю.
Д
и
Рис. 2.2. Схема распределения скоростей течения по вертикали в турбулентном (/) и ламинарном (2) потоках
ля турбулентного потока исследователи предлагают различные математические выражения для распределения скоростей течения по глубине: логарифмическая кривая, часть эллипса, парабола и т. д. Максимальная скорость во всех этих случаях также находится на поверхности потока. Важно подчеркнуть, что скорость течения в турбулентном потоке (и это подтверждается данными наблюдений) изменяется по вертикали более плавно, чем в ламинарном, причем у дна скорость течения не равна нулю (рис. 2.2). Этим объясняются размывающее воздействие турбулентных потоков (в отличие от ламинарных) на дно и их способность перемещать частицы наносов по дну. В русловых потоках с турбулентным режимом распределение скоростей течения по вертикали (глубине) близко к кривой 7, в ледниках и подземных водах с ламинарным режимом движения — к кривой 2.По состоянию водной поверхности потоки делят на спокойные и бурные. Спокойные потоки имеют плавную форму водной поверхности, препятствия обтекаются ими также плавно. Бурные потоки имеют неровную форму водной
поверхности со стоячими волнами, в местах препятствий образуются резкие перепады уровня. Для определения состояния потока (спокойное или бурное) используют безразмерное число Фруда Fr, равное
Fr = 4> (2-9)
gh
где h — глубина потока, м; g — ускорение свободного падения, м/с2. При числе Fr, равном 1, поток находится в критическом состоянии. Если число Фруда больше 1, то поток бурный, если меньше 1 — спокойный. Бурные потоки характерны для горных рек, спокойные — для равнинных рек и течений в водоемах.
Нельзя отождествлять бурные и турбулентные, спокойные и ламинарные потоки, так как характеристики этих движений воды качественно различные. Спокойные потоки, например, могут быть как ламинарными, так и турбулентными, бурные — всегда турбулентные.
- Isbn 978-5-06-005815-4 © фгуп «Издательство «Высшая школа», 2007
- Предисловие
- Введение
- Вода в природе и жизни человека
- Водные объекты. Понятие о гидросфере
- Гидрологический режим и гидрологические процессы
- Науки о природных водах
- Методы гидрологических исследований
- Использование природных вод и практическое значение гидрологии
- 2. В числителе приведено полное, в знаменателе — безвозвратное водопотребление.
- Глава 1 химические и физические свойства природных вод
- Вода как вещество, ее молекулярная структура и изотопный состав
- 1.2. Химические свойства воды. Вода как растворитель
- 1.3. Физические свойства воды 1.3.1. Агрегатные состояния воды и фазовые переходы
- Плотность воды
- Тепловые свойства воды
- Некоторые другие физические свойства воды
- Глава 2 физические основы гидрологических процессов
- Фундаментальные законы физики и их использование при изучении водных объектов
- Водный баланс
- Баланс содержащихся в воде веществ
- Тепловой баланс
- Основные закономерности движения природных вод
- Классификация видов движения воды
- Расход, энергия, работа и мощность водных потоков
- Силы, действующие в водных объектах
- Уравнение движения водного потока
- Вертикальная устойчивость вод
- Глава 3 круговорот воды в природе и водные ресурсы земли
- Вода на земном шаре
- Современные и ожидаемые изменения климата и гидросферы земли
- Круговорот теплоты на земном шаре и роль в нем природных вод
- Круговорот воды на земном шаре
- И водные ресурсы Земли», 1974)
- Вод в грунтах
- Круговорот содержащихся в воде веществ
- Влияние гидрологических процессов на природные условия
- Водные ресурсы земного шара, частей света и россии
- Та блица 3.6. Средние многолетние (1930—2000) водные ресурсы России*
- Глава 4 гидрология ледников
- Происхождение ледников и их распространение на земном шаре
- Типы ледников
- Образование и строение ледников
- Питание и абляция ледников, баланс льда и воды в ледниках
- Режим и движение ледников
- Роль ледников в питании и режиме рек. Практическое значение горных ледников
- Глава 5 гидрология подземных вод
- Происхождение подземных вод и их распространение на земном шаре
- Физические и водные свойства грунтов. Виды воды в порах грунтов
- Физические свойства грунтов
- Виды воды в порах грунта
- 5.2.3. Водные свойства грунтов
- Классификация подземных вод. Типы подземных вод по характеру залегания
- Воды зоны аэрации. Почвенные воды, верховодка, капиллярная зона
- Воды зоны насыщения. Грунтовые воды
- 5.3.5. Другие типы подземных вод
- Движение подземных вод
- Водный баланс и режим подземных вод
- Водный баланс подземных вод
- 5.5.2. Водный режим зоны аэрации
- Режим грунтовых вод
- Провинции: а — кратковременного питания, б— сезонного питания, в — круглогодичного питания (I—XII — месяцы)
- Взаимодействие поверхностных и подземных вод. Роль подземных вод в питании рек.
- Практическое значение и охрана подземных вод
- Глава 6 гидрология рек
- Реки и их распространение на земном шаре
- Водосбор и бассейн реки
- По линии а — б:
- Сток; 8 — русла рек
- Морфометрические характеристики бассейна реки
- Физико-географические и геологические характеристики бассейна реки
- Река и речная сеть
- Долина и русло реки
- Продольный профиль реки
- Плес; Пр — перекат
- Питание рек
- Виды питания рек
- Классификация рек по видам питания
- Расходование воды в бассейне реки
- Водный баланс бассейна реки
- Уравнение водного баланса бассейна реки
- Структура водного баланса бассейна реки
- Водный режим рек
- Виды колебаний водности рек
- 1 Числитель — данные за 1942—1955 гг., знаменатель — за 1956—1969 гг. 2 Данные за 1941— 1967 гг. 3 Данные за 1968—1987 гг. Прочерк означает отсутствие данных.
- Фазы водного режима рек. Половодье, паводки, межень
- Расчленение гидрографа по видам питания
- Классификация рек по водному режиму
- Типы: а — дальневосточный (р. Витим, г. Бодайбо, 1937 г.); 6 — тянь-шанский (р. Терек, с. Казбеги,
- 1937 Г.) (I—XII — месяцы)
- Речной сток
- Составляющие речного стока
- Факторы и количественные характеристики стока воды
- Пространственное распределение стока воды на территории снг
- Движение воды в реках
- Распределение скоростей течения в речном потоке
- Динамика речного потока
- Закономерности трансформации паводков
- Движение речных наносов
- Происхождение, характеристики и классификация речных наносов
- Частиц, мм 1,0 0,5 0,2 0,1 0,05 0,01 0,005 0,001
- Движение влекомых наносов
- Движение взвешенных наносов
- Сток наносов
- И связи между ними (б):
- Русловые процессы
- Физические причины и типизация русловых процессов
- Микроформы речного русла и их изменения
- Мезоформы речного русла и их изменения
- Макроформы речного русла и их изменения
- Деформации продольного профиля русла
- Устойчивость речного русла
- Термический и ледовый режим рек 6.12.1. Тепловой баланс участка реки
- Ледовые явления
- Основные черты гидрохимического и гидробиологического режима рек
- Гидрохимический режим рек
- Гидробиологические особенности рек
- Устья рек
- Факторы формирования, классификация и районирование устьев рек
- С блокирующей косой
- Особенности гидрологического режима устьевого участка реки
- Особенности гидрологического режима устьевого взморья
- Практическое значение рек. Влияние хозяйственной деятельности на режим рек
- Практическое значение рек и типизация хозяйственных мероприятий, влияющих на речной сток
- Влияние на речной сток хозяйственной деятельности на поверхности речных бассейнов
- Влияние на речной сток хозяйственной деятельности, связанной с непосредственным использованием речных вод
- 2 4 6 8 1012141618202224 Часы
- 6.15.4. Гидролого-экологические последствия антропогенных изменений стока рек
- Глава 7 гидрология озер
- 7.1. Озера и их распространение на земном шаре
- Профиль берега
- Водный баланс озер
- Уравнение водного баланса озера
- Структура водного баланса озера
- Водообмен в озере
- Колебания уровня воды в озерах
- Термический и ледовый режим озер
- Тепловой баланс озер
- Термическая классификация озер
- Термический режим озер в условиях умеренного климата
- Ледовые явления на озерах
- Основные особенности гидрохимических и гидробиологических условий. Донные отложения озер
- Гидрохимические характеристики озер
- Гидробиологические характеристики озер
- Наносы и донные отложения в озерах
- Водные массы озер
- Изменения гидрологического режима каспийского и аральского морей
- Проблемы, связанные с судьбой Каспийского и Аральского морей
- Каспийское море
- Влияние озер на речной сток. Хозяйственное использование озер
- Глава 8 гидрология водохранилищ
- Назначение водохранилищ и их размещение на земном шаре
- Типы водохранилищ
- Основные характеристики водохранилищ
- Водный режим водохранилищ
- Термический и ледовый режим водохранилищ
- Гидрохимический и гидробиологический режим водохранилищ
- Заиление водохранилищ и переформирование их берегов
- Водные массы водохранилищ
- Влияние водохранилищ на речной сток и окружающую природную среду
- Глава 9 гидрология болот
- Происхождение болот и их распространение на земном шаре
- Типы болот
- Строение, морфология и гидрография торфяных болот
- Развитие торфяного болота
- Фазы: 7 —низинная; 2—переходная; 3— 6— верховая;
- Водный баланс и гидрологический режим болот
- Влияние болот и их осушения на речной сток. Практическое значение болот
- Глава 10 гидрология океанов и морей
- Мировой океан и его части. Классификация морей
- Происхождение, строение и рельеф дна мирового океана. Донные отложения
- Происхождение ложа океана
- Рельеф дна Мирового океана
- Донные отложения
- Водный баланс мирового океана
- Солевой состав и соленость вод океана
- Солевой состав вод океана
- Распределение солености в Мировом океане
- Термический режим мирового океана
- Тепловой баланс Мирового океана
- Распределение температуры в Мировом океане
- 2,7 3,8 5,5 4,4 2,9 2,2 Южное полушарие
- Факторы, определяющие плотность морской воды
- Распределение плотности в Мировом океане
- Морские льды
- Ледообразование в море
- Физические свойства морского льда
- Движение льдов
- 10.7.4. Ледовитость океанов и морей
- Оптические свойства морской воды
- Акустические свойства морской воды
- Волны зыби
- Деформация волн у берега
- Волны цунами
- Внутренние волны
- Приливы
- Основные элементы приливов
- Приливообразующая сила
- Статическая и динамическая теории приливов. Строение приливной волны и приливные течения
- Разложение уравнения приливной волны. Гармонические постоянные. Таблицы приливов
- Приливы в ограниченном водоеме. Сейши
- Морские течения
- 10.12.1. Силы, формирующие течения. Классификация морских течений
- Теория ветровых течений
- Течение
- Плотностные течения
- Циркуляция вод в Мировом океане
- Уровень океанов и морей
- Кратковременные колебания уровня
- Сезонные колебания уровня
- Водные массы океана
- Основы учения о водных массах
- Основы г, s-анализа водных масс
- Водные массы Мирового океана
- Взаимодействие океана и атмосферы. Океан и климат
- Ресурсы мирового океана и его экологическое состояние
- Ресурсы Мирового океана
- Литература Основная
- Богословский б. Б. И др. Общая гидрология,— ji.: Гидрометеоиздат, 1984,—356 с.
- VI Всероссийский гидрологический съезд. 28 сентября — 1 октября 2004 г. Санкт- Петербург. Тезисы докладов. СПб.: Гидрометеоиздат, 2004.
- Типы рек