Режим уклонов свободной поверхности воды

Течение воды в реках возникает, когда появляется продольная составляющая у силы тяжести. Это имеет место, если на рассматриваемом участке реки отметки уровней воды, измеренные от общей плоскости сравнения, понижаются по ее длине от истока к устью. Обычно в качестве плоскости сравнения при определении высоты уровня здесь используется ноль Кронштадского футштока, т.е. уровни воды измеряются в Балтийской системе. Разность высот уровня в двух соседних пунктах называется падением уровней воды. Отношение величины падения к длине участка реки между этими пунктами называется уклоном свободной поверхности. Выражение для продольного уклона имеет вид

, (4.1)

где: DН – падение свободной поверхности на участке реки, м;

Н₁ – отметка уровня воды в верхнем сечении, м;

Н₂ – отметка уровня воды в нижнем сечении, м;

DL – длина участка реки, м.

Уклон является одной из важнейших характеристик течения воды. Его величина у равнинных рек обычно невелика и изменяется в пределах от 5´10^-5 до 20´10^-5, что составляет 5-20 см/км. Падение и уклон свободной поверхности воды является функцией двух переменных.

Во-первых, они зависят от местоположения створа наблюдения по длине реки. В верховьях реки уклоны воды больше, чем в среднем течении и на устье. Обусловлено это рельефом речной долины. На границе водосбора в районе истока реки отметки земной поверхности повышаются при приближении к водоразделу. Поэтому уклон свободной поверхности постепенно уменьшается от истока реки к устью.

Кроме этого, величина уклона воды изменяется также по длине реки вследствие чередования перекатов и плесовых лощин. В меженный период практически все падение свободной поверхности воды в реке сосредотачивается на перекатах, где наблюдаются наибольшие уклоны воды. В свою очередь, плесовые лощины в это время находятся в подпоре от нижележащих перекатов. Подпор обуславливает малые значения уклонов свободной поверхности на этих участках рек.

Другим фактором, от которого зависит уклон свободной поверхности, является величина наполнения русла. Так как она меняется в течение года, то происходит изменение уклонов воды. С ростом уровней воды в реке влияние перекатов на уровенный режим уменьшается, и это приводит к ослаблению неравномерности изменения уклонов по длине. Средние уклоны свободной поверхности в реке при этом возрастают.

Графическое построение, изображающее изменение отметок свободной поверхности и высот дна по линии наибольших глубин на участке реки, называется продольным профилем этого участка (рис. 4.1). На графике по вертикальной оси откладывают отметки уровней воды и высот дна, измеренные от общей плоскости сравнения, а по горизонтальной – продольные расстояния от какого-либо постоянного начала. Так как глубины рек всегда малы по сравнению с их длинами, то такой график обычно строится с искажением вертикального и горизонтального масштабов. Линия дна на продольном профиле получает пилообразный вид, где пики отвечают перекатам, а впадины – плесовым лощинам. Наблюдения за уровнями воды, выполненные при различных наполнениях русла, позволяют судить о характере изменения уклонов в реке.

У горных рек уклоны воды значительно больше, чем у равнинных. Их величина составляет от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров на километр. Течение воды в таких реках становится бурным.

Рис. 4.1. продольный профиль участка реки:

1 – уровень воды при половодье; 2 – меженный уровень воды; 3 – линия дна;

Н₁ – отметка уровня в сечении 1-1; Н₂ – отметка уровня в сечении 2-2;

DН – падение уровня воды на участке; DL – длина участка реки

На каменистых участках с трудноразмываемым ложем возможно образование порогов и водопадов. В связи с этим использование горных рек для судоходства сильно затруднено.

Размеры речного русла изменяются по длине реки. Поперечное сечение (живое сечение) характеризуется шириной по зеркалу воды B, площадью сечения w, максимальной глубиной T_max и средней глубиной (рис. 4.2).

Площадь поперечного сечения в плесовых лощинах в межень больше, чем на перекатах. Изменение ширин и глубин обычно следует обратному закону: ширина русла в плесовых лощинах, как правило, меньше, чем на перекатах, а глубина, наоборот, больше. Такая картина наблюдается при низких уровнях воды. При наступлении высоких уровней неравномерность изменения площадей поперечного сечения по длине реки выравнивается. На перекатах при большом наполнении русла площадь поперечного сечения часто становится больше, чем в плесовых лощинах.

Одна из основных особенностей естественных русел заключается в том, что их ширина всегда значительно больше глубины потока. Параметр, характеризующий это условие, записывается в виде отношения . Значение изменяется по длине реки и кроме этого зависит от величины наполнения русла. С ростом уровней воды в плесовых лощинах его величина убывает. На перекатах наблюдается обратная картина. Величина зависит также от водности реки. У больших рек его значение больше, чем у малых рек и ручьев.