Гидравлика, гидрология и метеорология (стр. 18 )

В первой половине XIX в. начато преподавание механики жидкости (гидравлики) и в ряде учебных заведений западноевропейских стран и в России созданы специальные лаборатории, изданы учебники.

Законы и достижения гидравлики интенсивно внедрялись в другие отрасли знаний. Особенно примечательно проникновение ее в физиологию человека и животных.  Д. Бернулли, Л. Эйлер, Ж. Пуазейль, первоначально занимаясь физиологией и при этом пытаясь смоделировать движение крови по сосудам, в итоге пришли к крупным открытиям в гидравлике.

Во второй половине XIX в. разработано учение о вихревом движении жидкостей  (Г. Гельмгольц, 1858, , 1877, , 1881). Теория вихрей сыграла большую роль в развитии метеорологии, теорий крыла самолета, пропеллера и корабельного винта.

Четвертый этап – с конца ХIХ в. по 60-е годы ХХ в. – характеризуется ускоренным развитием технического прогресса во всех отраслях производства и науки. В гидромеханике и гидравлике следует, в первую очередь, отметить сильное развитие теории турбулентных течений (О. Рейнольдс, Л. Прандтль, , Дж. Тэйлор, Т. Карман и др.), неустановившегося движения (, и др.), обтекания тел потоком ( и др.) и приложение их к решению практических задач. Анализ ранее проведенных и постановка новых исследований позволили систематизировать учение о гидравлических сопротивлениях, создать сравнительно простые методы их расчета (И. Никурадзе, 1933, Кольбрук, 1938, , 1948,  , 1958 и др.).

Пятый этап – с 60-х годов ХХ в. – характеризуется тем, что во всех сферах производства четко определилась роль науки как инструмента в решении технических задач. Не случайно этап был назван научной революцией.

В этих условиях гидравлика как прикладная инженерная наука, базирующаяся на теоретических и экспериментальных исследованиях высокого уровня с применением ЭВМ, и теоретическая гидромеханика настолько сблизились и взаимно ассимилировались, что на данном этапе целесообразно рассматривать их как единую науку – механику жидкости. Роль и значение этой науки возрастает. Без нее не обходится ни одна отрасль производства. На базе или с использованием ее идет непрерывное совершенствование машин и технологических процессов.

Р а з д е л  2. ГИДРОЛОГИЯ

7. РЕКИ И ИХ РЕЖИМ

7.1. Круговорот воды в природе

Вода находится на земном шаре в постоянном движении. Под действием солнечного тепла с поверхностей морей и океанов ежегодно испаряется громадное количество воды. Пары воды, поднявшись в атмосферу, переносятся воздушными течениями за сотни и тысячи километров. При определенных условиях они сгущаются (конденсируются), образуют облака и возвращаются на землю в виде осадков.

Осадки, выпавшие на материки, частично испаряются с поверхности суши и снова попадают в атмосферу, а частично стекают по рекам в моря и океаны. Сток воды в реки происходит двумя путями: поверхностным по склонам местности и подземным через поры грунта по водонепроницаемому слою. Часть воды поступает с суши в моря и океаны подземным путем, минуя реки.

Непрерывный процесс обмена влаги между океанами, атмосферой и сушей называется  к р у г о в о р о т о м  в о д ы  в  п р и р о д е. Различают два вида круговорота воды на земном шаре: малый и большой. В малом круговороте участвует вода, возвращающаяся из атмосферы в моря и океаны непосредственно в виде осадков, а в большом – вода, стекающая с суши в реки, и грунтовая вода.

Водный баланс земного шара. Круговорот воды в природе можно охарактеризовать уравнениями водного баланса, которые устанавливают связь между приходом и расходом воды в морях и океанах, на суше и земном шаре в целом.

Для составления этих уравнений введем обозначения:

Ем – объем воды, испаряющейся за год с морей и океанов в среднем за многолетний период;

Ес  – то же с поверхности суши;

Хм – среднемноголетний объем осадков, выпадающих за год на поверхность морей и океанов;

Хс – то же на поверхность суши;

У  – объем воды, стекающей за год с суши в моря и океаны.

Длительными наблюдениями установлено, что средний уровень воды в морях и океанах остается из года в год одинаковым. Поэтому ежегодная убыль воды из морей и океанов за счет испарения должна равняться сумме осадков на их поверхность и стока с суши:

Ем = Хм + У.                                (7.1)

Таким же образом можно составить аналогичное уравнение для суши:

Ес = Хс – У.                                (7.2)

Сложив уравнения (7.1) и (7.2), получим уравнение водного баланса для земного шара в целом:

Ем + Ес = Хм + Хс.                        (7.3)

Последнее уравнение показывает, что объем воды, испаряющейся за год с морей, океанов и суши, равен годовому объему осадков, выпадающих на их поверхность.

Водный баланс речного бассейна. Речным бассейном называется территория, с которой вода стекает по поверхности земли только в данную реку.

Уравнение водного баланса отдельного речного бассейна для любого года имеет следующий вид:

х + q = Е + у + r ± Дw,                (7.4)

где х – объем годовых осадков на поверхность бассейна;

q – объем подземных вод, притекающих из соседних бассейнов;

Е – объем испарения с поверхности бассейна;

у – объем годового стока реки;

r – объем подземных вод, оттекающих в соседние бассейны;

Дw – изменение запаса грунтовых вод в бассейне.

Членами q и r ввиду их незначительной величины обычно пренебрегают.

В годы с большим количеством осадков запас грунтовых вод в бассейне увеличивается, и член Дw учитывается со знаком плюс. В засушливые годы Дw имеет знак минус. Для многолетнего периода, в течение которого многоводные годы чередуются с маловодными, Дщ можно не учитывать. Уравнение водного баланса речного бассейна принимает при этом более простой вид:

х0 = у0 + Е0 ,                                (7.5)

где х0, у0, Е0 – среднемноголетние объемы  годовых осадков, стока и испарения.

Обычно в метеорологии осадки выражаются высотой слоя воды (мм), выпавшей за какой-нибудь период (сутки, месяц, год). Если выпадают твердые осадки, они пересчитываются на жидкие.

Максимально возможное среднемноголетнее испарение Еm (мм) за год можно определить по формуле и :

Еm = 306 + 0,2УТ>10 ,                        (7.6)

где УТ>10 – сумма среднесуточных температур воздуха выше 10°С.

Объем годового стока получается путем вычитания объема испарения из объема осадков (7.5).

7.2. Реки и речные системы

Р е к о й  называется постоянный водный поток, протекающий по разработанному им руслу в понижениях земной поверхности. Выпадающие на поверхность суши осадки стекают по склонам в небольшие углубления, образуя ручьи. Ручьи, соединяясь друг с другом, превращаются в небольшие реки, которые, продолжая сливаться вместе, образуют более крупные реки. Описанный процесс образования рек не является единственным. Реки могут вытекать из озер или болот; появляться в результате таяния ледников и вечных снегов в высокогорных районах; возникать из родников, питаемых подземными водами.

Долина и русло реки. Р е ч н ы м и  д о л и н а м и  называются вытянутые в длину углубления в земной поверхности, образовавшиеся в результате геологических процессов и многовековой деятельности водных потоков.

В зависимости от рельефа местности, геологического происхождения и характера грунтов, из которых сложены склоны и дно долин, они могут иметь в поперечном сечении различную форму: от щелевидной с отвесными склонами, встречающейся в горных районах, до широких неясно выраженных углублений с очень пологими склонами, сливающимися с окружающей равнинной местностью. В горных районах встречаются очень глубокие речные долины (до 2000 м), а в равнинных – глубина долин не превышает 200–300 м.

Наиболее пониженная часть долины, по которой стекает вода, называется р у с л о м  р е к и. Различают м е ж е н н о е  (основное) русло, по которому происходит сток воды весь год, и  п о й м у  р у с - л а, затапливаемую только в периоды паводков.

Линии сопряжения берегов меженного русла с поймой называются б р о в к а м и,  а  линии пересечения водной поверхности с берегами  –

у р е з а м и  в о д ы. Линия, проходящая вдоль потока по наиболее пониженным точкам дна русла, называется с т р е ж н е м  р е к и  или  д и н а м и ч е с к о й  о с ь ю  п о т о к а. Линия, проходящая вдоль реки посредине ширины русла, называется г е о м е т р и ч е с к о й  о с ь ю  п о т о к а.

Исток и устье реки. Истоком называется место, откуда река берет свое начало. На реках, вытекающих из озер, за исток принимается точка пересечения реки с контуром озера; на болотных реках – место, где начинает появляться выраженное русло с заметным течением. Нередко за исток реки принимается место слияния двух ее притоков с разными названиями. Например, река Обь образуется от слияния рек Бии и Катуни.

Место впадения реки в озеро, море или другую реку называется  у с т ь е м. Если река разветвляется на устьевом участке на несколько рукавов, за ее устье принимается устье наиболее крупного рукава. В засушливых районах некоторые реки не имеют устья. Они теряют свои воды на испарение и просачивание в грунт, не доходя до моря, озера или другой реки.

Длина и извилистость реки. Д л и н о й  р е к и  называется расстояние между устьем и истоком, измеренное с учетом всех ее извилин по стрежню реки.

Для оценки степени извилистости реку следует разделить на ряд более или менее крупных участков, в пределах которых сохраняется общее направление течения (рис. 7.1, а). Извилистость каждого участка характеризуется к о э ф ф и ц и е н т о м  и з в и л и с т о с т и, который равен отношению истинной длины участка к длине прямой, соединяющей его концы. Для участков 1–2, 2–3 и 3–4 коэффициенты извилистости определяются отношениями: