18.2: Геометрія каналу та характеристики потоку
- Page ID
- 38276
Геометрія каналу
Геометрія каналу та характеристики потоку за своєю суттю пов'язані. Зміни геометрії каналу можуть впливати на швидкість потоку і скидання.
Площа поперечного перерізу потоку визначається множенням глибини каналу на ширину каналу по поперечному перерізу потоку. Для гіпотетичного потоку з прямокутною формою поперечного перерізу (струмок з плоским дном і вертикальними сторонами) площа поперечного перерізу (А) - це просто ширина, помножена на глибину:
А = (Ш * Г)
Змочений периметр - це ділянка каналу, який є «мокрим». Змочений периметр (WP) - це ширина плюс подвійна глибина, до якої торкається вода:
WP= Ш + 2D
Чим більше площа поперечного перерізу в порівнянні з змоченим периметром, тим вільніше буде протікати потік, оскільки менше води знаходиться в безпосередній близькості від фрикційного шару. Так як гідравлічний радіус збільшується так буде і швидкість (всі інші фактори рівні).
Дослідження показали, що ширина і глибина, як правило, регулярно змінюються в залежності від скидання потоку. Якщо розряд проводиться постійним, а ширина зменшується, то канал повинен поглиблюватися шляхом прочищення. Це відбувається в результаті збільшення швидкості і транспортної потужності, що супроводжує звуження каналу. Дослідження також показали, що як середній розряд потоку збільшується нижче за течією, так і ширина каналу, глибина і середня швидкість струму.
Швидкість потоку безпосередньо пов'язана з гідравлічним радіусом (площа поперечного перерізу, розділена на змочений периметр) та нахилом каналу, і обернено пов'язана з шорсткістю каналу.
Ухил каналу або градієнт - це різниця висот між двома точками на потоці, розділена на відстань між ними, виміряну вздовж каналу потоку. Швидкість потоку, а отже, і потужність потоку для виконання роботи також безпосередньо пов'язана з нахилом каналу, чим крутіше нахил, тим швидше швидкість потоку.
Потік потоку
Джерела потоку потоку
Існує чотири основних джерела потоку потоку. Затікання грунтових вод в русло - це те, що забезпечує базовий потік, або нормальне протікання струмка. Для багаторічних струмків рівень води знаходиться на висоті поверхні струмка, як показано нижче. Базовий потік струмка посилюється переливом із зони зволоження грунту. На поверхні прямі канальні опади та поверхневий стік, оскільки сухопутний потік сприяють потоку потоку під час та після штормів.
Швидкість потоку
Швидкість потоку потоку - це те, наскільки швидко вода рухається через поперечний переріз. Швидкість потоку визначається балансом між гравітаційним напруженням вниз схилу в результаті нахилу потоку, і втратою або витратою енергії при подоланні опору тертя русла і бортика. Взагалі швидкість потоку найбільша в центрі каналу, трохи нижче поверхні. Більш конкретно, найвища швидкість потоку слідує за потоком thalweg, лінією, яка з'єднує найглибшу частину каналу потоку. Тут вода, що рухається через потік, стикається з найменшим опором потоку, що дає більш високу швидкість потоку.
Відео: Streamgage - Безшумний супергерой (люб'язно USGS)
Режими потоку
При дуже низьких швидкостях вода протікає через потік у вигляді гладких листів, що йдуть паралельно слою, званого ламінарним потоком. Ламінарний потік має вигляд, схожий на колоду карт з верхньою картою, що виступає вперед над тими, що знаходяться нижче. Буксирування дна каналу уповільнює воду біля грядки, при цьому вода ближче до поверхні тече дещо швидше. Тільки найтонші частинки можуть бути від'єднані, тому ламінарний потік в основному неерозійний.
При більш високих швидкостях потоку опір всередині потоку та спричинене шаром та сторонами каналу призводить до руйнування потоку на окремі струми. Закручені струми турбулентного течії зазнають постійних змін швидкості та напрямку потоку. Вихри води, створені під час турбулентного потоку, є більш ерозійними, ніж ламінарний потік, і допомагають підвішувати матеріал у потоці. Турбулентний потік - це «нормальний» тип потоку в більшості потоків.
потік розряду
Витрата потоку - це обсяг води, що проходить через певний переріз за одиницю часу, вимірюваний в таких одиницях, як кубічні метри в секунду або кубічні фути в секунду. Скидання багаторічно протікає потоку забезпечується за рахунок припливу грунтових вод в русло. Цей приплив забезпечує те, що називається «базовим потоком» потоку. Вода додається в потік стоком з навколишньої місцевості під час штормових подій.
Розряд (Q) може бути виражений як
Q = А Х В
де,
A = площа поперечного перерізу
V = швидкість
Гідрограф - це графічний спосіб зображення зміни скиду з плином часу та того, як він пов'язаний з входами води та середовищем, в якому знаходиться потік. Вісь Y гідрографа масштабується для скидання, а при дослідженні впливу штормового події - опадів. Вісь X масштабується на час. Розряд наноситься у вигляді лінії, а опади - у вигляді гістограми. Гідрограф показує розряд, починаючи з його базового потоку, піднімаючись до піку (піднімається кінцівка), а потім знижується (рецесійна кінцівка) назад до його базового потоку. Зверніть увагу, як пік опадів не відбувається одночасно з піком розряду. Іншими словами, існує період відставання між часом, коли випадає найбільше опадів, і коли фіксується найбільший розряд.
На форму гідрографа і довжину періоду відставання впливає ряд факторів. Подовжені басейни, як правило, демонструють більш плоскі гідрографи, оскільки це займає більше часу, щоб вода рухалася від голови до станції запису в гирлі басейну. Час у дорозі менше для кругових басейнів, що призводить до більш пікового гідрографа.
Земельний покрив - ще один важливий контроль над формою гідрографа потоку. У природних умовах рослинність уповільнює поверхневий стік і сприяє інфільтрації. Як результат, гідрограф менш піковий, а час відставання довший, ніж басейн з невеликою рослинністю. Урбанізація вододілу може мати різкий вплив на стік, скидання та отриманий гідрограф. Урбанізація замінює проникну поверхню непроникною, вулицями, стоянками, будівлями тощо Вода стікає з поверхні ефективніше і відводиться в сусідні потоки шляхом будівництва зливової каналізації. Зливові каналізації ефективно збільшують щільність дренажу урбанізованого вододілу. Як результат, урбанізовані вододіли, як правило, демонструють більш пікові гідрографи з меншими періодами відставання.
Потік енергії
Енергія, якою володіє потік, тісно пов'язана з його розрядом, оскільки розряд визначає швидкість потоку. Швидкість потоку контролює здатність потоку розмивати і транспортувати осад через його канал. Як правило, чим більший розряд, тим плавніше канал, більша швидкість потоку. Площа поперечного перерізу і скидання збільшується вниз за течією за рахунок припливу і надходження грунтових вод в русло. Як результат, можна очікувати, що швидкість потоку зросте і в напрямку вниз за течією. Однак у міру збільшення потоків їх нахил вниз за течією зменшується, запобігаючи безперервному накопиченню енергії та створюючи більш рівномірний розподіл енергії потоку по його довжині.
Повені та затоплення
Повінь виникає, коли канал потоку більше не може містити воду, що рухається по ньому. Повені зазвичай є локальними, короткочасними подіями, інші можуть бути катастрофічними, відбуваються з невеликим попередженням або без нього. Повені найчастіше спричинені тривалими опадами, які насичують землю, викликаючи поверхневий стік у сусідні потоки, збільшуючи їх скид. Затоплення відбувається, коли вода виливається з каналу і на прилеглу місцевість. Хоча і розглядається як «природна небезпека» для людини, затоплення є природним, омолоджуючим процесом.
Причини і умови
Взагалі кажучи, існує два типи повеней: 1) де вода повільно піднімається і розливається по берегах струмка або річки і 2) спалаху повені. Повені можуть відбуватися в будь-який час року, але конкретні сезонні погодні умови більш сприятливі для створення повеней, ніж інші в різних географічних регіонах. У Сполучених Штатах циклонічні шторми, що ревуть біля океану і в штати тихоокеанського узбережжя взимку і ранньою весною, можуть стати причиною повені. На південному заході, влітку і восени грози звільняють потоки води, які спрямовуються вниз по сухим струмкам або арройо як спалаху повені. Повінь може відбуватися в північних центральних штатах взимку, коли випадає дощ або танення снігу стікає з замерзлої поверхні землі, або крижані затори річок, що спричиняють їх затоплення. Повінь у середній частині Сполучених Штатів, як правило, відбувається навесні та влітку, коли циклони полярного фронту проходять по північноамериканському континенту. Урагани і великі конвективні комплекси створюють повені в кінці літа і падають уздовж узбережжя затоки США.
У тропічних регіонах, таких як Бангла Деш, мусонні дощі насичують землю, викликаючи сильні повені. Повені Європи з моря можуть виникнути внаслідок атлантичних штормів, що штовхають воду до узбережжя, і можуть бути особливо шкідливими, коли відбуваються під час припливу. Вирубка лісів значно збільшує ризик затоплення.
Деякі з найгірших повеней за останні десятиліття також сталися влітку 2007 року. Повінь у Британії була викликана стійким струменем, що сидів далі на південь, ніж зазвичай в цей час року. Система за системою розбила Британські острови. Протягом серпня 2007 року широко поширені повені сталися на середньому заході США, завдавши шкоди, що перевищує 115 мільйонів доларів. Теплий фронт просунувся на північ до Айови та Іллінойсу в середині серпня, де він застопорився і став стаціонарним фронтом. Тепле вологе повітря, що охоплює фронт, забезпечив інгредієнти для злив і грози. Опади за вихідні 18-19 серпня, 17 дюймів опадів випали у Вітоці, штат Міннесота. Рочестер, штат Міннесота, вимірював 6,9 дюймів опадів. Сильний дощ послав потоки в області над їх берегами. Волога від тропічного шторму Ерін на південь посилювала бурхливі умови.
Частота повеней
Використовуючи частотний аналіз, можна оцінити ймовірність виникнення заданої події повені Інтервал повторення, також відомий як період повернення, заснований на ймовірності того, що дана подія буде дорівнює або перевищена в будь-якому конкретному році. Наприклад, сторічний повінь має 1% шансів на виникнення в будь-якому конкретному році. Сторічні повені рідкісні, але можуть бути руйнівними. 100-річна заплава використовується для управління заплавами та цілей страхування. Ті, хто живе в цій зоні, часто зобов'язані мати страхування від повені на додаток до їх звичайного власника будинку страхування.
Типи каналів
Існує три основних типи каналів, прямі, звивисті і плетені. Опис каналу одним з вищезазначених термінів не означає, що весь канал прямий або іншим чином. Це просто означає, що якась частина каналу може бути описана таким чином. Насправді ділянки струмка можуть бути прямими, деякі звивисті, а інші заплетені.
Опис каналу як прямого каналу здається досить очевидним, хоча рідко є каналом ідеально прямим за своєю природою. Звивистий канал - це той, який приймає повороти і перевертається по своїй довжині. 
Геологи використовують коефіцієнт звивистості, щоб визначити, чи є канал прямим або звивистим. Коефіцієнт звивистості - це відстань між двома точками на потоці, виміряна вздовж каналу, поділена на пряму відстань між двома точками. Якщо коефіцієнт звивистості дорівнює 1,5 або більше, канал вважається звивистим.
Плетений канал створюється при поділі потокового каналу на кілька менших за рахунок накопичення внутрішньканальних відкладень. Це відбувається, коли навантаження каналу плоского потоку занадто велика для швидкості або розряду. Або сезонні коливання скидання виставляють внутрішньоканальні відкладення. Пісок або гравійні бруски накопичуються, розділяючи потік води на безліч більш дрібних каналів. Плетені потоки поширені в льодовикових районах, де потоки талої води, захлинувшись осадом, скидаються на морду льодовика.
Басейни і Ріфлі
Ми часто знаходимо регулярну послідовність дрібних рифлів і більш глибоких басейнів в потокових каналах, причина яких до сих пір недостатньо вивчена. Відстань послідовності стрільчастого басейну пов'язане з шириною потоку. Послідовності стрільчастого басейну зазвичай в 5-7 разів перевищують ширину каналу. Лабораторні експерименти зі штучними каналами в незв'язному піску або мулі показують, що послідовності рифлів і басейнів в прямих каналах, як правило, еволюціонують в меандри. Коли це відбувається, басейн стає місцем для латерально мігруючого меандру. Потік thalweg меандрує назад і вперед між басейнами, рухаючись до зовнішнього берега кожної наступної кривої. Тому ерозія зосереджена на зовнішніх берегах, де потік найглибший, а швидкість потоку прискорюється навколо меандру.