Поступление воды за счет таяния льда и снега играет большую роль в областях умеренного и полярного климата, горных районах. В холодные периоды здесь происходит процесс накопления воды в твердом виде. В теплый период эти осадки быстро тают, вызывая значительное увеличение расходов и уровней.
В этих же районах иногда значительную роль играет перемещение снега, вызывающее перераспределение запасов снега по территории в холодный период со снегонакоплением в депрессиях рельефа и лесных массивах и уменьшением на открытых пространствах. Особенно выражены эти процессы в районах лесостепи и степи.
Вы уже знаете о суперспособностях современного учителя?
Тратить минимум сил на подготовку и проведение уроков.
Быстро и объективно проверять знания учащихся.
Сделать изучение нового материала максимально понятным.
Избавить себя от подбора заданий и их проверки после уроков.
Просмотр содержимого документа
«Физические основы процессов в гидросфере»
7
Гидрология 2011
ЛЕКЦИЯ 3. Физические основы процессов в гидросфере.
Вопросы:
1. Фундаментальные законы физики при изучении водных объектов.
2.Метод водного баланса.
3.Метод теплового баланса.
4.Классификация видов движения воды. Турбулентный и ламинарный режимы движения воды. Число Рейнольдса.
1. Фундаментальные законы физики при изучении водных объектов.
Закон сохранения вещества (закон Ломоносова – Лавуазье): материя не возникает из ничего и не возникает бесследно, а только переходит из одного вида в другой:
m+ - m- = m. (3.1)
Из закона сохранения вещества следуют водный баланс, баланс наносов, баланс солей.
Закон сохранения тепловой энергии: тепловая энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно:
Q+ - Q- = Q. (3.2)
Величина Q называется изменением теплосодержания объекта. Если Q 0, то происходит нагревание объекта, если Q
Q = mcpT, (3.3)
где ср – удельная теплоемкость воды.
2-й закон механики: изменение импульса (количества движения) объекта равно сумме сил, действующих на него:
. (3.4)
Этот закон называется также законом изменения импульса, 2-м законом Ньютона, уравнением движения, уравнением баланса.
2.Метод водного баланса в гидрологии.
Метод водного баланса вытекает из общего закона сохранения материи и формулируется следующим образом: для любого пространства, ограниченного произвольной поверхностью, разность между количеством воды, поступившей внутрь него (сумма приходных составляющих - прих ) и вышедшей наружу (сумма расходных составляющих - расх), должна равняться либо увеличению либо уменьшению ее количества внутри данного объема ( u ).
прих - расх=u. (3.5)
Метод водного баланса заключается в:
Составлении уравнения водного баланса
Анализе его составляющих
Определении неизвестных компонентов по известным.
При составлении уравнения водного баланса в качестве приходных составляющих обычно берутся:
атмосферные осадки, выпавшие на поверхность – X;
количество влаги, сконденсировавшейся, в почве и на поверхности – E+;
количество воды, поступившей на данную площадь поверхностными водотоками – Y+пов;
количество воды, поступившей в данный объем подземным путем - Y+подз;
К расходным составляющим относят:
физическое испарение с поверхности – E- ;
транспирацию с растительного покрова - T;
количество воды, стекающей с данной площади поверхностными водотоками – Y-пов;
количество воды, ушедшей из данного объема подземным путем - Y-подз;
Тогда соотношение приходных и расходных составляющих может быть выражено в виде уравнения (все компоненты выражены в единицах объема):
X + E+ + Y+пов + Y+подз = E- + T + Y-пов + Y-подз u. (3.6)
Для вывода уравнения водного баланса, являющегося частным случаем закона сохранения вещества, следует учитывать следующие параметры: время (сутки, декада, месяц, сезон, год); одинаковую размерность составляющих водного баланса (либо в единицах объема либо в единицах слоя).
Расчеты водного баланса могут производиться для речных бассейнов, озер, водохранилищ, болот, водоносных горизонтов, а также для отдельных участков территории, сельскохозяйственных полей, административных районов.
В зависимости от поставленной задачи и наличия данных могут составляться полные водные балансы, учитывающие все приходные и расходные составляющие и изменение запаса воды на поверхности и внутри объема и частные (приближенные) водные балансы, в которых учитывается только часть составляющих, а остальные определяются либо расчетным путем либо отбрасываются.
Так часто, при анализе составляющих водного баланса за многолетний период для больших бассейнов величины E+ , Y+пов , Y+подз принимаются равными нулю, сумма (E- + T) анализируется без разделения и называется суммарным испарением(E), сумма (Y-пов + Y-подз) принимается в целом равной годовому стоку – Y, u приравнивается к нулю, тогда уравнение водного баланса речного водосбора за многолетний период записывается в виде :
X = E+Y. (3.7)
В таком виде уравнение часто используется для определения суммарного испарения при известных осадках и стоке, или наоборот для определения стока при известных осадках и испарении.
При этом следует отметить, что в величину u или в определяемый неизвестный компонент вносится суммарная погрешность всех величин, входящих в уравнение водного баланса, что накладывает серьезные ограничения на применение уравнения водного баланса для небольших отрезков времени ( год, сезон, месяц, неделя, сутки).
Однако, даже учитывая эти ограничения, метод водного баланса остается наиболее часто применяемым в гидрологии. Особенно эффективно применение водного баланса совместно с методом теплового баланса.
3. Метод теплового баланса.
Метод теплового баланса вытекает из общего закона сохранения энергии и формулируется следующим образом: для любого пространства, ограниченного произвольной поверхностью, разность между количеством тепла, поступившего внутрь него (сумма приходных составляющих - Qприх ) и вышедшего наружу (сумма расходных составляющих - Qрасх), должна равняться либо увеличению либо уменьшению ее количества внутри данного объема ( Q ).
Qприх - Qрасх= Q. (3.8)
Метод теплового баланса заключается в:
составлении уравнения теплового баланса
анализе уравнения и его компонентов
определении неизвестных компонентов по известным
При составлении уравнения теплового баланса системы вода-земля-атмосфера в качестве приходных составляющих обычно берутся:
Тепловой баланс рассчитывается либо в абсолютных единицах (джоулях или калориях), либо в относительных (дж/см2 или кал/м2).
Обычно, уравнение водного баланса составляется для отдельного участка водосбора, участка русла реки, водоема, совместно с прилегающими участками земной поверхности и атмосферы, что позволяет принимать ряд компонентов равными нулю. Также как и уравнение водного баланса, уравнение теплового баланса записывается для различных интервалов времени.
Для участка поверхности и многолетнего периода оно упрощается и имеет вид:
R = Qисп Qатм Q-грунт. (3.10)
4. Классификация видов движения воды. Турбулентный и ламинарный режимы движения воды. Число Рейнольдса.
Вода в водных потоках движется под действием силы тяжести. Скорость течения воды зависит от составляющей силы тяжести, параллельной водной поверхности, и силы сопротивления воды, возникающей в результате внутреннего трения между частицами воды и трения между водой и поверхностью дна и берегов. Составляющая силы тяжести зависит от уклона, а сила сопротивления от режима движения жидкости и степени шероховатости русла.
В зависимости от общих условий и характера действующих сил различают безнапорное и напорное движение жидкости.
Безнапорное (свободное) движение характеризуется наличием свободной поверхности уровня воды и совершаются под действие силы тяжести. Такое движение наблюдается в открытых естественных потоках и в работающих неполным сечением трубах.
Напорное движение – движение при котором поток со всех сторон ограничен твердыми стенками, а само движение происходит под действием сил давления, сообщаемых внешним источником. Наблюдается в напорных трубопроводах, полностью заполненном водоносном пласте, перекрытом сверху и снизу водоупорным слоем (артезианские воды), в реки при наличии плотного ледяного покрова.
В зависимости от характера изменения элементов поперечного сечения и гидравлических характеристик по длине потока движение делят на : 1) равномерное; 2) неравномерное.
Равномерным называют движение, при котором элементы потока (глубина, площадь живого сечения, расход, средняя скорость и пр.) при переходе от одного сечения к другому остаются постоянными. Уклоны водной поверхности и уклон дна равны.
Может наблюдаться в каналах с одинаковым поперечным сечением (безнапорное равномерное движение) и напорных трубопроводах (напорное равномерное движение). В естественных водотоках обычно можно принимать движение равномерным только на небольших прямолинейных участках.
Неравномерным движением называется движение, характеристики которого изменяются по длине потока. Оно может быть вызвано: а) изменением живого сечения потока; б) изменением средних скоростей в живых сечениях; в) изменение и того и другого одновременно.
Примеры неравномерного движения:
1)движение воды на участке перед плотиной: по длине потока в направлении движения площадь живого сечения и глубина увеличиваются, скорость убывает;
2) движение воды в сужении или расширении, при выходе воды на пойму, при переходе от плеса к перекату, на участке поворота.
В зависимости от изменения характеристик движенияво времени движение делят на: 1) установившиеся; 2) неустановившиеся.
Установившимся движением называется движение, характеристики которого (уровень свободной поверхности, расход и скорость в данном сечении потока) не изменяются во времени. Примеры: движение воды в канале и реке при постоянном уровне, движение воды в напорном трубопроводе при постоянном напоре.
Установившееся движение может быть как равномерным, так и неравномерным.
Неустановившимся движением называется движение, при котором все (или некоторые) гидравлические характеристики изменяются во времени. Примеры неустановившегося движения: 1) волны половодья и паводков; 2) попуски из водохранилищ; 3) истечение жидкости из резервуара при переменном подпоре.
В зависимости от преобладания в суммарной энергии потока кинетической или потенциальной энергии выделяют следующие: 1) спокойное состояние; 2) бурное состояние.
В спокойном состоянии преобладает потенциальная энергия и движение жидкости характеризуется малыми скоростями и большими глубинами. Это состояние характерно для равнинных рек. В бурном состоянии преобладает кинетическая энергия и движение жидкости характеризуется большими скоростями и малыми глубинами. Оно характерно для горных рек, водосбросов ГЭС, оврагов и часто сопровождаются образованием периодически возникающих разрушающихся волн на поверхности потока.
Наряду с видами движения различают и режимы движения жидкости. В механике жидкости выделяют два режима: ламинарный и турбулентный.
Эти режимы были открыты в результате экспериментальных исследований Пуазейля и Дарси (Франция), Хазеном (Германия), Рейнольдса (Великобритания).
При ламинарном (стручатом) движении жидкость движется послойно, сопротивление пропорционально скорости впервой степени.
При турбулентном движении имеет место сильное перемешивание жидкости в различных направлениях, сопротивление пропорционально скорости в квадрате.
Несмотря на кажущуюся упорядоченность ламинарного движения современными исследованиями установлено, что ламинарное является более беспорядочным, а турбулентное движение – значительно более упорядоченно и управляемо. В исследование турбулентного движения, которое является задачей науки XXI века, внесен большой вклад советскими учеными – А.А.Фридманом, А.Н. Колмогоровым и их учениками.
На основании теоретических исследований О.Рейнольдс предложил безразмерное число – число Рейнольдса (Re), представляющее меру отношения кинетической энергии элемента жидкости к работе сил вязкости.
, (3.11)
где v – скорость течения,
l – характерный геометрический размер потока,
- кинематический коэффициент вязкости (при температуре 15С
= 110-6 м2/с).
Если фактическое значение Re меньше некоторого критического значения- Reкрит , то режим движения – ламинаарный, если больше – то турбулентный. Для открытых потоков, где в качестве характерного геометрического размера потока обычно берется глубина (h), критическое число Рейнольдса - Reкрит=300-3000 (нижнее и верхнее критические числа). Диапазон между ними переходная зона, где могут наблюдаться как ламинарное. Так и турбулентное движение.
Для естественных открытых водных потоков, за исключением склонового стока на покрытых снегом склонах, характерен только турбулентный режим движения
. (3.4)
, (3.11)
