Материал: Федосеев, Иван Андреевич (1909-1998). Развитие гидрологии суши в России

По-видимому, первым, кто опроверг этот неправильный взгляд, был французский ученый Э. Мариотт (1620—1684), применивший в конце XVII в. для наблюдения за скоростями

изобретенные еще Леонардо да Винчи двойные поплавки. Одна­ ко окончательное решение вопрос получил только после того, как А. Пито доказал уменьшение скорости ко дну, произведя

измерение скорости изобретенной им в 1730 г. гидрометриче­ ской трубкой. В сообщении о своих наблюдениях, опубликован­

ном в 1732 г. в записках Парижской Академии паук, Пито ука­ зал также, что скорость у дна составляет больше половины

скорости у поверхности. Последующими опытами было уста­ новлено, что средняя скорость по вертикали находится пример­ но па 3/з глубины от поверхности. Большие исследования по изучению скоростей течения были проведены немецким инже­ нером Р. Вольтманом, сконструировавшим в 1790 г. гидромет­ рическую вертушку; он же предложил в качестве модели рас­ пределения скоростей по вертикали параболу с горизонтальной осью. Не упоминая многих исследователей распределения ско­ ростей в потоке (число которых за период 1630—1932 гг., как отмечает К. И. Колендзян 72, превышает 50, причем ими было предложено 14 различных кривых), укажем, что в 1865 г. фран­ цузский гидравлик А. Базен на основании своих и А. Дарси опытов в лабораторных каналах предложил выражать измене­ ние скорости по вертикали параболой с горизонтальной осью,

помещенной на поверхности потока.

Немецкий инженер Р. Ясмунд считал (1893) 73, что лучшим выражением распределения скорости на вертикали является логарифмическая кривая. Более удобная для пользования логарифмика была предложена в 1914 г. инженером С. И. Мои­ сеенко 74.

Еще в середине XVIII в. некоторые ученые, исходя из фак­ та несжимаемости воды, считали, что скорость течения в откры­ тых руслах зависит не только от величины уклона реки, но и от давления воды в верховьях, особенно если поток находится на большой высоте. Так, известный естествоиспытатель Ж. Бюффон (1707—1788) утверждал, что скорость «гораздо больше зависит от количества и от тяжести верхней воды, нежели от

речной покатости» 75.

СПб., 1914.

75 Ж. Бюффон. Всеобщая и частная естественная история, ч. П

СПб., 1811, стр. 13.

143

На том же основании несжимаемости жидкости некоторые ученые, например Пито, считали, что река «испытывает от мо­ ря сопротивление, истребляющее половину ее скорости, и дви­ жется равномерным движением на трех остальных четвертях ее длины» 76. Но уже немецкий гидравлик А. Брамс (1754) правильно связывал скорость движения воды с уклоном и по­ перечным профилем русла. Он же указал на отсутствие уско­ рения в движении воды, которое, казалось бы, должно было иметь место в соответствии с законами механики твердых тел.

Это ускорение в движущейся жидкости поглощается возни­

кающим сопротивлением движению в виде внутреннего и внешнего трения. Эмпирическая формула для средней скоро­ сти потока, предложенная А. Шези в 1755 г., устанавливает за­

висимость средней скорости равномерного потока (у) от мест­

коэффициентом С):

v= С]^Ri

ивыражает квадратичный закон сопротивления. Л. Г. Дюбуа,

автор первого систематического изложения основ гидравлики

(1779), указал, что именно поверхностный (а не донный) уклон является определяющим фактором движения в откры­ том потоке 77.

Одно из наиболее сложных явлений руслового процесса — пе­ редвижение в потоке твердых частиц — привлекало внимание многих ученых и инженеров. Но одним из первых, проводив­ шим обстоятельные исследования речного потока в связи с движением речных наносов, был Л. Г. Дюбуа. Ему принадле­ жит определение количественных выражений величины макси­ мальной неразмывающей скорости для различных грунтов, а

также минимальной скорости, при которой начинается движе­ ние твердых частиц различной крупности. Он вслед за Э. Ма­ риоттом дал выражение для давления текущей воды па нахо­ дящуюся в ней твердую частицу в зависимости от средней ско­

рости потока:

.скоростей в открытых потоках. «Труды Государственного гидрологиче­ ского института», 1947, вып. 2 (56).

144

Впервые теоретическое исследование явления взвешива­ ния твердых частиц более тяжелых, чем вода, произвел А. Дю­

пюи (1848). Он сделал бесспорный шаг вперед, указав на то, что максимальное количество взвешенных наносов опреде­ ляется не наибольшей абсолютной скоростью потока, а наи­ большей относительной скоростью соседних струй, т. е., что си­

ла взвешивания зависит от производной скорости по глубине Лг , а это уже давало ооъяспение того факта, что нижние слои

более насыщены наносами и содержат частицы большей круп­ ности.

В своем объяснении взвешивания Дюпюи исходил именно

из того обстоятельства, что плавающие тела двигаются с боль­ шей скоростью по сравнению со скоростью окружающей их жидкости, ввиду чего, па основании принципа наименьшей ра­ боты, они должны перемещаться по направлению к струям, имеющим большие скорости 78.

Зависимость движения наносов прежде всего от относитель­ ной скорости подчеркивал и наш русский ученый И. П. Глу-

шипский (1834—1898). Так, он в своем курсе лекций по вод­ ным сообщениям, прочитанном в 1861—1862 г., говорил: «Как

осадка наносов, так и размыв дна зависит главным образом от скорости течения, но не надо забывать, что под словом ско­

рость мы подразумеваем как полную скорость, так равно и

относительные скорости разных слоев воды и что последние...

играют в этом случае даже более важную роль. До сих пор, основываясь на опытах Дюбуа (Dubuat), которому казалось возможным вывести некоторое отношение между полною ско­ ростью и размываемостыо дна реки, обращалось мало внима­ ния на эти относительные скорости и поэтому оставались со­ вершенно не объясненными многие явления, часто встречаю­ щиеся в реках, например, что часто наносы складываются именно в тех местах, где скорости весьма значительны, и, нао­ борот, места, ймеющие меньшую скорость, подвержены под­ мывам.

Причину, почему мнение Дюбуа вошло в большую часть трактатов о гидравлике, надо искать в трудности опытов над относительными скоростями течения, которые зависят от внут­

ренних движений, в них проявляющихся» 79.

Интересно отметить, что в последнем замечании Глушинского о внутренних движениях явно сквозит мысль о существо­

78 Е. Гуке р. Взвешивание твердых тел текучей водою. 1896. В сб.:

лекций 1861—1862 г., записанных Н. В. Бернацким).

10 И. А. Федосеев

вании нарушений параллельности струй, т. е. о турбулентно­

сти потока.

Ценные исследования проблемы движения взвешенных на­ носов были проведены Гемфрейсом и Абботом во время их мно­ голетних работ по изучению р. Миссисипи.

Новый взгляд па механизм взвешивания, основанный на

наблюдениях на р. Луаре, высказал в 1871 г. М. Л. Партио. Со­ гласно этому взгляду, взвешивание наносов происходит вслед­ ствие засасывания пх водоворотами, имеющими большие разно­ сти в давлении на периферии и внутри.

У Дюпюи, как замечает М. А. Великанов, появление взвеши­ вающей силы связано с тем, что, согласно уравнению Бернул­ ли, нижняя поверхность взвешенной частицы должна испыты­ вать большее давление, чем верхняя, ввиду обратного соотноше­

ния скоростей течения 80. Однако Дюпюи не знал еще того, что в естественном потоке происходит непрерывная пульсация ско­ ростей, причем скорости каждое мгновение меняются и по вели­ чине и по направлению. Это явление, присущее потоку, каче­ ственно отличному от параллельноструйного, именно, турбу­ лентному потоку, было выяснено позднее. Впоследствии были

предложены теории движения взвешенных наносов, уже свя­

зывающие взвешивание с вертикальной составляющей скоро­

сти течения.

К числу их относится, в частности, теория английского

ученого Р. Кеннеди, давшего в 1895 г. формулу незаиляющей скорости, т. е. скорости, при которой взвешенные наносы не оса­

ждаются. Эта формула имеет вид-

и = khn,

где к — коэффициент, зависящий от гидравлической крупно­ сти наносов, а параметр п = 0,64.

Новая теория была выдвинута в 1919 г. Н. Е. Жуковским.

В своей теории он исходил из предположения, что в потоке имеется система эллиптических вихрей (вихревых шнуров),

двигающихся вблизи дна без скольжения, наподобие гусенич­ ного трактора. С вертикальной составляющей скорости вихря он и связал силу взвешивания; Зависимость незаиляющей ско­ рости от глубины им дана в виде прямой:

14в