В природе ламинарное течение встречается при движении воды по порам грунта. Оно возможно лишь при очень малых скоростях.
При турбулентном виде движения частички воды перемещаются беспорядочно, постоянно перемешиваясь и образуя в отдельных случаях вихри. Скорость их непрерывно и мгновенно изменяется по величине и направлению (т. е. происходит пульсация скорости). В реках движение воды всегда турбулентное. Степень турбулентности, или интенсивность перемешивания масс воды речного потока, зависит от шероховатости русла и скорости течения. При неровном русле и большой скорости течения степень турбулентности выше, при относительно ровном русле и небольшой скорости течения—ниже.
Скорость перехода одного движения в другое при данной глубине потока называется критической. При увеличении глубины критическая скорость уменьшается. По данным М. А. Великанова, переход ламинарного движения потока в турбулентное и обратно при глубинах 10, 100, 200 см происходит с критическими скоростями, равными соответственно 0,4; 0,04, 0,02 м/с.
Общее течение речного потока вдоль русла при своем движении видоизменяется, в нем создаются внутренние течения. Причинами возникновения таких течений являются изгибы русла, подъем и спад уровней, наличие в потоке слоев воды с разной температурой, вращение Земли, а также воздействие рельефа дна, ветра, сооружений и др.
Под влиянием центробежной силы на изгибах русла образуется поверхностное течение, направленное от выпуклого берега к вогнутому, а у дна, наоборот, — от вогнутого к выпуклому (рис. 8). -За счет трения о дно скорость глубинного течения от вогнутого берега к выпуклому меньше по сравнению с поверхностным, поэтому у выпуклого берега происходит повышение уровня и создается поперечный уклон поверхности воды.
Взаимодействие продольного течения с поперечным придает Потоку винтовой характер. Так как речное русло состоит из извилин, переходящих одна в другую, направление поперечного течения постоянно меняется.
В результате вращения Земли в речных руслах возникает сила инерции, направленная к правому берегу, и под действием этой силы
создается постоянное поперечное течение. Последнее направлено в поверхностном слое к правому берегу, а в придонном — к левому. Скорости поперечных течений невелики.
Взаимодействие продольного течения воды с поперечным также
придает потоку винтовой характер, но очень слабый.
Если направление поперечного течения на изгибах русла совпадает с направлением поперечного течения от вращения Земли, то внутреннее винтовое течение усиливается, если же не совпадет — то уменьшается.
При подъемах воды возникают два винтовых течения, идущие от середины вверх, у поверхности — к берегам, а по дну — к середине.
При спаде воды наблюдаются обратные циркуляционные течения.При турбулентном характере движения речного потока, как было уже указано, скорость каждой частички воды непрерывно меняется.
Наименьшая скорость течения — у дна. Такое распределение скоростей течения по вертикали подвергается значительным изменениям под действием различных факторов. Например, при ветре, направление которого совпадает с направлением течения, поверхностная скорость увеличивается и наоборот.
Распределение скоростей течения по вертикали в открытом речном русле (о) и русле с ледяным покровом (б)
же вызывают перераспределение скоростей. В местах сжатия потока, например между устоями моста, скорости течения увеличиваются.
В период скорость течения вблизи ледяного покрова бывает такая же, как у дна, или меньше, а наибольшая скорость Vmax (рис. 10, б) находится на расстоянии 0,3—0,4 глубины русла.
Изотахи— линии равных скоростей — распределяются по живому сечению реки в соответствии с очертанием поперечного профиля русла. Средние скорости течения увеличиваются от берегов к середине русла. Местам с наибольшей глубиной, как правило, соответствуют наибольшие скорости течения.
В судоводительской практике употребляется понятие стрежень реки. Под ним подразумеваются места в реке с наибольшими глубиной и скоростями течения.
Скорости течения, м/с (км/ч), на отдельных участках крупных равнинных рек характеризуются следующими ориентировочными данными:
Свободный плес в половодье . . . . . . 1,5—2,0(5,4—7,2)
Свободный плес в межень ....... 0,25—0,4(0,9—1,14)
Перекаты с быстрым течением ..... 1,5—2,0(5,4—7,2)
Перекаты с тихим течением ...... 0,5—1,0(1,9—3,6)
Тиховоды— медленные течения, образующиеся за выпуклыми, берегами, крупными песчаными отложениями в русле и т. п. При движении судна вверх для увеличения скорости движения следуют по тиховоду.
Водоворот — постоянное вращательное движение воды в русле. Водовороты нередко создают глубокие ямы (омуты) и являются типичными для горных и полугорных рек.
19. Влияние хозяйственной деятельности людей на режим рек.
Прежде всего следует учитывать, что природные воды используются комплексно, т. е. не только для водоснабжения, но и для многих других целей: орошения, гидроэнергетики, водного транспорта, лесосплава и др. При этом может осуществляться отбор воды из источника (водоснабжение, орошение) или только использование водоема без отбора воды (водный транспорт, лесосплав). Таким образом, можно различать водопотребителей и водопользователей.
Ряд крупных водопотребителей и водопользователей уже не может удовлетвориться использованием рек в их естественном состоянии. Как известно, для целей гидроэнергетики обычно осуществляется регулирование речного стока путем устройства плотин и образования водохранилищ, что дает возможность сезонного регулирования (аккумуляция паводковых вод), а иногда и многолетнего регулирования стока (т. е. накопление в водохранилищах в многоводные годы излишков воды и расходование их в маловодные годы).
Иногда количество воды, требуемой для некоторых крупных производственных предприятий, столь велико, что его можно получить из местных рек также только при условии регулирования их стока. К таким предприятиям прежде всего следует отнести тепловые электростанции. Регулирование речного стока осуществляется также и для целей орошения.
В результате широкого проведения мероприятий по регулированию речного стока многие реки в наиболее густо населенных и промышленно развитых районах превращаются постепенно в систему последовательно расположенных водохранилищ.
В результате проведения мероприятий по регулированию стока рек в настоящее время очень часто приходится использовать в качестве природных источников водоснабжения искусственно созданные водохранилища.