Тема 1. «Природа і закономірності ерозійних процесів на території україни»

Основні гідравлічні характеристики потоку

Поперечний переріз потоку, який є перпендикулярним до лінії току, має назву живого перерізу потоку (w) і визначається у см² або м². Довжина лінії контакту живого перерізу з річищем потоку зветься периметром зволоженості (P) і вимірюється у м або см. Відношення площі живого перерізу до периметра зволоженості має назву гідравлічного радіусу (R), який має розмірність довжини.

R=w/P

Для широких річищ периметр зволоженості істотно не відрізняється від ширини потоку і тому можна вважати, що гідравлічний радіус приблизно дорівнює глибині потоку. Для прямокутного річища можна записати:

R=(b*H))/(B'+2H)

де:     b – ширина річища, м

         Н – глибина потоку, м

За умови, коли b>>Н, R»H.

Об’єм води, що протікає скрізь поперечний переріз потоку за одиницю часу, зветься розходом потоку (Q), який вимірюється у м³/с чи л/с. Довжина шляху, який проходить вода за одиницю часу, зветься швидкістю потоку (u)і вимірюється у м/с або см/с.

Режими течії

Ламінарний режим характеризується паралельноцівковим рухом без створення вихорів. Турбулентний режим – хаотичний безпосередній рух, коли цівки постійно відхиляються і перетинаються одна з одною. Швидкість у турбулентному потоці безперервно пульсує, змінюючись як за величиною так і за напрямком. При цьому, напрям руху всього потоку залишається незмінним.

Турбулентність потоку має значний вплив на розвиток ерозійних процесів. Грунтові частки відриваються від поверхні під впливом цівок води з високими миттєвими значеннями швидкостей, які відповідають максимальним пульсаціям швидкості потоку. До того ж, під впливом пульсаційного навантаження з боку потоку на грунтові частки відбувається повільне ослаблення внутрішньо- і міжагрегатного зчеплення, що веде до зменшення протиерозійної стійкості грунту або підгрунтя. Пульсацію швидкості у турбулентних потоках ураховують відповідним коефіцієнтом в рівнянні, за яким визначається критична (розмиваюча) швидкість, про що нижче буде йти мова. Крім того, підвищення турбулентності збільшує трансформуючу властивість потоку води.

В природних умовах ламінарні потоки зустрічаються лише на добре задернованих схилах, де вода тече рівним шаром з малою глибиною при невеликих швидкостях, а також на початку сніготанення, коли вода відчуває опір снігу, фільтраційні потоки також характеризуються ламінарним режимом, що обумовлюється малим діаметром шпарин і низькими швидкостями. Турбулентний рух відбувається у водах, з якими і пов’язані процеси водної ерозії.

Коефіцієнт шорсткості поверхні

Величина коефіцієнту шорсткості визначається розмірами виступів на дні і стінках річища, формою річища у плані, наявністю в ньому рослинності і інших витоків місцевих опорів.

Для прямих річищ без рослин і сміття коефіцієнт шорсткості (n_п) обумовлюється розміром виступів:

n_п=0,044×D^1/6, D - висота виступів шорсткості, м.

Коефіцієнт шорсткості відбиває шорсткість, яка створюється рівнозернистими і різнозернистими грунтами, що формують ложе річища. Для потоків на схилах актуальним є питання про додаткові так звані “місцеві” опори. В природних умовах витоки місцевого опору у більшості випадків розташовані на річищі безсистемно. До них належать масивні виступи, донні гребені і сільськогосподарські рослини. Саме рослини є основним витоком місцевого опору і чинником збільшення коефіцієнта шорсткості.

При малих швидкостях потоку коефіцієнт шорсткості, окрім виступів, визначається ще й швидкістю потоку: n_п=0,05×D^0,017+0,0652e^-10,65V , де e – основа натурального логарифму, V – середня швидкість потоку, м/с.

Для річищ потоків, які рухаються по поверхні грунту, шорсткість обумовлена розміром водотривких агрегатів грунту () . При цьому: D=0,7, де  - середньозважений діаметр водотривких агрегатів, що визначається методом “мокрого” просіювання.

Поняття – вододільна лінія, водозбірна площа, басейн

Вододільною лінією (або водорозділом) називається лінія, яка проходить за найвищими токами місцевості. Від водорозділу поверхневі води стікають у різні боки. Площа, обмежена вододільною лінією, має назву водозбірної площі, або водозбору. Підгрунтові води, як і поверхневі, збираються у конкретний водний об’єкт з певної площі, яка називається водозбіром підгрунтових вод. Він також обмежений вододільною лінією, яка проходить за найвищими точками водонепроникливого шару підгрунтя, але визначити її в реальних умовах досить клопітке завдання. Тому в гідрології є поняття басейн, під яким розуміють площу, з якої надходять поверхневі і підгрунтові води. Ця площа дорівнює площі водозбору поверхневих вод. При цьому розбіжності між водозборами поверхневих і підгрунтових вод ігноруються.

Таким чином, щоб визначити на топографічній карті водозбір певного порядку, необхідно провести лінію від замикаючого створу елементу гідромережі перпендикулярно до горизонталей до другого боку цього створу. Очевидно, що площа водозбору залежить від положення цього створу. Чим ближче він розташований до верхів’я яру чи балки, тим менша його площа.

Елементи балансу води для басейну

Рівняння водного балансу для басейну за певний термін можна записати так: x=y+a+b, де x – об’єм атмосферних опадів; y – об’єм поверхневого стоку; a – об’єм води, що витрачається на випаровування і транспірацію; b – об’єм води, що надходить у грунт і підгрунтові води.

Для багаторічного терміну b добігає нуля і тоді: x»y+a

Після ділення на x одержуємо: 1≈a/x+y/x

Відношення об’єму поверхневого стоку до об’єму опадів (річної чи конкретної дії) називається коефіцієнтом стоку (a)

a=y/x

При незмінній кількості опадів коефіцієнт стоку обумовлюється водопроникливістю грунтів і підгрунтя, яка залежить від гранулометричного складу., агрегованості, вмісту гумусу, складу обмінних катіонів тощо.

Коефіцієнт стоку також залежить від ухилу схилів. Чим він вищий, тим більше швидкість руху води по поверхні і, відповідно, менше час взаємодії грунту з водою, що надійшла на його поверхню. Тому збільшення ухилу схилів збільшує коефіцієнт стоку.

Мінливість стоку

Для проектування протиерозійного захисту, що має розраховуватися на максимальний стік, який може проявитися один раз за певну кількість років, недостатньо знати тільки середні показники стоку. Необхідно використовувати поняття забезпеченості чи імовірності перебільшення.

Забезпеченість стоку – частота проявлення стоку розрахованої величини за певний термін, яку визначають у відсотках. Якщо стік буває не менше певної величини один раз за 10 років, то забезпеченість дорівнює 10%, 5 разів за 100 років – 5%. Але це вірно для сніготанення. Для злив (маються на увазі поодинокі зливи) замість років береться кількість злив, яких за рік може випадати декілька.

Для розрахунку забезпеченості низка спостережень розміщується у порядку зменшення і далі використовується формула:

P=m/n*100%, де Р – забезпеченість, %; m – порядковий номер числа у ряду, що зменшується; n – загальне число членів ряду.

Тобто, забезпеченість останнього члена (найменшого) ряду дорівнює 100%. Але при подовженні спостережень може виявитися ще менше значення, тому імовірність 100% не реальна, тому:

P=m/(n+1)*100%

При проектуванні гідротехнічних протиерозійних споруд розрахунки ведуться на забезпеченість 5-10%, лісомеліоративні і агротехнічні заходи – 10-25%.

Фізичний сенс критичних швидкостей водного потоку

На дні розташована частка, яка має середній діаметр d. На передню грань частки сила потоку впливає позитивно, а тильну – негативно через створення за часткою зони вихорів і циркуляцій. Сума цих сил називається лобовою силою (Р_л), яка намагається перевернути частку через точку опори.

Крім того, на частку діє підйомна сила Р_п і архімедова сила Р_g.

При досягненні деякої швидкості, коли частка переходить у стан несталої рівноваги, сума моментів лобової і підйомної сили дорівнює моменту сили, що утримує частку на місці. Найбільша швидкість потоку, при якій ще не відбувається переміщення частки, називається нерозмиваючою або нездвигаючою швидкістю V_н:

V=B*√(g*(p-p₀)d/p₀), де B – емпіричний коефіцієнт; r - щільність частки; r₀ – щільність рідини.

Слід відмітити, що поняття “нерозмиваюча швидкість” не має фізичного сенсу щодо реальних грунтів.

В найбільшій мірі цій вимозі (фізичний сенс) відповідає так звана розмиваюча швидкість потоку (V_р), під якою розуміється така найменша швидкість, при якій наступає безперервний відрив грунтових часток, що веде до початку ерозії грунту. На такому визначенні базується візуальний метод находження розмиваючої швидкості потоку для пов’язаних і достатньо сильно зв’язаних грунтів. Дійсно, при збільшенні швидкості потоку спостерігається така поведінка часток на дні, за якою можна визначити мінімальну швидкість, за якої наступає стале переміщення часток потоку. Можна вважати, що: V_р=1.41V_н.