Ruch rumowiska rzecznego

Woda płynąca w korytach rzecznych transportuje materiał stały - tzw. rumowisko rzeczne, które ze względu na mechanizm transportu dzielimy na rumowisko unoszone i wleczone.

• Rumowisko unoszone - składa się z drobnych cząstki mineralnych (głównie pylastych i ilastych) rozproszonych w całym przekroju poprzecznym rzeki, transportowanych bez kontaktu z dnem;

• Rumowisko wleczone - składa się z grubszych ziaren, które poruszają się w stałym lub okresowym kontakcie z dnem cieku - są to ziarna przesuwane i toczone po powierzchni dna oraz poruszające się skokowo.

Wyróżnia się również:

• Rumowisko zawieszone - tworzą je cząstki organiczne;

• Rumowisko rozpuszczone - są to związki chemiczne rozpuszczone w wodzie.

Ruch rumowiska unoszonego

Na odcinkach cieków swobodnie płynących rumowisko unoszone jest transportowane w toni wodnej praktycznie w każdych warunkach przepływu. Opadanie cząstek unoszonych (sedymentacja) występuje zwykle na spiętrzonych odcinkach rzek (w zbiornikach wodnych, powyżej jazów), gdzie następuje znaczne zmniejszenie prędkości przepływu wody. Sedymentacja unosin może również występować w miejscach zastoiskowych - w korycie np. w zatokach, a na terenach zalewowych, tam gdzie prędkość przepływu jest mała ze względu gęsty porost roślinny.

Ruch rumowiska wleczonego

Rumowisko wleczone porusza się zwykle okresowo, zwłaszcza gdy jest to gruby materiał żwirowy lub kamienisty. Pojedyncze ziarno rumowiska zacznie poruszać się, gdy tzw. siła poruszająca, wywołana ciśnieniem dynamicznym strugi wody działającym na ziarno leżące na dnie, będzie większa od sił utrzymujących to ziarno w spoczynku, tj. siły ciężkości zmniejszonej o siłę wyporu oraz siły tarcia spoczynkowego.

Warunek graniczny ruchu ziarna rumowiska można zapisać następująco:

gdzie:

- bezwymiarowe naprężenie styczne, które wyraża hydrodynamiczne oddziaływanie strumienia na ziarno leżące na dnie, z uwzględnieniem siły ciężkości i wyporu,

- graniczne bezwymiarowe naprężenie styczne na dnie, nazywane parametrem Shieldsa.

Bezwymiarowe naprężenie styczne na dnie:

- prędkość dynamiczna [m/s],

- względna gęstość właściwa rumowiska [-], gdzie:
- odpowiednio gęstość właściwa rumowiska i wody [kg/m³],

g - przyspieszenie ziemskie [m/s²],

d - średnica ziarna rumowiska [m].

Ponieważ prędkość dynamiczna jest równa:
gdzie
- naprężenie styczne na dnie [Pa],

bezwymiarowe naprężenie styczne na dnie można wyrazić następująco:

Naprężenie styczne na dnie w pionie o głębokości h jest równe:

gdzie J - spadek hydrauliczny (spadek zw. wody).

Naprężenie styczne można również określać dla strefy dna (na szerokości dna) lub dla całego obwodu zwilżonego:

- średnie naprężenie styczne na dnie; R_d - promień hydrauliczny dla strefy dna

- średnie naprężenie styczne w przekroju poprzecznym; R - promień hydrauliczny dla całego przekroju poprzecznego koryta

Graniczne bezwymiarowe naprężenie styczne

Wartość
zależy od:

• wymiarów, kształtu i wzajemnego ułożenia ziaren,

• warunków hydraulicznych strumienia przy dnie.

Wartość
można określić jedynie w sposób doświadczalny w laboratorium hydraulicznym, rzadziej w badaniach terenowych.

Warunki hydrauliczne w strefie dna można wyrazić przez liczbę Reynoldsa dla ziaren rumowiska:

gdzie:
- kinematyczny współczynnik lepkości wody, [m²/s]

Na podstawie wyników badań poszukuje się zależności
lub innych - określających warunki graniczne ruchu ziaren materiału dennego.

Porównanie przebiegu krzywej Shieldsa, określonej dla ziaren materiału jednorodnego (o jednakowych średnicach ziaren), z wynikami badań warunków granicznych dla rumowiska o zróżnicowanym uziarnieniu.

- bezwymiarowy parametr ziarna Bonnefille'a

Porównanie przebiegu zależności Bonnefille'a z wynikami badań warunków granicznych dla rumowiska o zróżnicowanym uziarnieniu.

Prędkości graniczne

Warunki graniczne można również wyrazić za pomocą prędkości granicznej V_gr, tj. prędkości przepływu wody po przekroczeniu której rozpoczyna się ruch rumowiska wleczonego (prędkość ta jest również nazywana zrywającą).

Prędkość V_gr jest różnie definiowana: najczęściej jest to prędkość średnia w pionie lub w strefie oddziaływania strumienia na dno koryta - taką prędkość pokazano na wykresie zamieszczonym poniżej, gdzie
. W literaturze można znaleźć wiele innych postaci zależności empirycznych na V_gr , określonych podobnie jak naprężenia graniczne, tj najczęściej na podstawie badań laboratoryjnych.

Zależność
dla piasków o różnej średnicy d₅₀ (wg badań w Lab. Hydraulicznym SGGW).

Formy denne

Powstają w korytach z dnem piaszczystym, tj. gdy średnice ziaren d wynoszą: 0,05 < d < 2 mm.

Według klasyfikacji Simonsa i in. (podanej w poniższej tabeli), formy denne występujące w dolnym obszarze przepływu dzielimy na: zmarszczki, zmarszczki na fałdach i fałdy. W strefie przejściowej następuje rozmywanie form dennych, natomiast w górnym obszarze przepływu, po fazie dna płaskiego z ruchem rumowiska wleczonego, na dnie powstają tzw. antyfałdy albo fale stojące.

Klasyfikacja form dennych według Simonsa i in. (1965).

Reżim przepływu	Formy denne	Koncentracja wleczenia^1) [ppm]	Rodzaj transportu rumowiska	Typ szorstkości
Dolny	Zmarszczki	10 - 200	Nieciągły	Dominuje szorstkość form dennych
		Zmarszczki na fałdach			100 - 1200
		Fałdy			200 - 2000
Przejściowy	Rozmywanie fałd	1000 - 3000		Zmienny
Górny	Płaskie dno	2000 - 6000	Ciągły	Dominuje szorstkość ziarnista
		Antyfałdy			Ponad 2000

¹⁾ ppm - skrót od angielskiego określenia parts per milion, które wyraża koncentrację rumowiska wleczonego w płynącej wodzie, określonej w jednostkach wagowych jako ilość miligramów (gramów) rumowiska na 10⁶ miligramów (gramów) płynącej korytem wody.

Warunki powstawania form dennych w tzw. dolnym obszarze przepływu według Yalina

a)

h

α h_f

l_f

b)

h

h_f

l_f

Schemat kształtu profilu podłużnego form dennych: a) zmarszczki i fałdy, b) antyfałdy (powstają w warunkach przepływu rwącego, gdy liczba Froude'a Fr > 1).

Metody pomiaru intensywności wleczenia

W praktyce hydrometrycznej najczęściej stosowanym przyrządem do pomiaru intensywności transportu rumowiska wleczonego są łapaczki - urządzenia o różnej konstrukcji i wielkości, które składają się ze zbiornika do gromadzenia rumowiska, steru umożliwiającego ustawienie się łapaczki równolegle do kierunku przepływu oraz układu linek do opuszczania i podnoszenia łapaczki z jednoczesnym otwieraniem i zamykaniem wlotu do zbiornika.

Schematyczny przekrój podłużny łapaczki do pomiaru natężenia wleczenia

Konstrukcja łapaczki powoduje powstawanie zaburzeń w przebiegu strug wody przy dnie, w wyniku czego, część rumowiska wleczonego omija otwór wlotowy do zbiornika łapaczki. Z tego względu konieczne jest wykonanie odpowiednich pomiarów tarujących, na podstawie których określa się współczynnik sprawności η łapaczki. Według badań Skibińskiego na współczynnik sprawności łapaczki ma również wpływ przeciętna średnica ziaren d₅₀.

Zestawienie głównych wymiarów i wartości współczynników sprawności łapaczek typu PIHM

do pomiaru intensywności transportu rumowiska wleczonego (Skibiński 1974).

Typ łapaczki	Wymiary skrzyni łapaczki [m]			Średnica d50 [mm]	Współczynnik sprawności η [-]
		Długość	Szerokość			Wysokość otworu wlotowego
	PIHM-A	1,20	0,40	0,20	0,25 ÷ 0,50	0,40
								3,0	0,28
PIHM-B	0,60	0,20	0,10	0,30 ÷ 0,70	0,65
PIHM-C	0,36	0,12	0,06	0,25 ÷ 0,50	0,52
								3,0	0,36

Do obliczenia wartości jednostkowych intensywności (natężeń) wleczenia, określonych na podstawie pomiaru łapaczkowego, służy następujący wzór:

gdzie:

q_r - jednostkowa intensywność wleczenia [cm³·s^-1·m^-1],

V_rum - objętość rumowiska zgromadzonego w łapaczce [cm³],

η - współczynnik sprawności łapaczki [-],

b_o - szerokość otworu wlotowego łapaczki [m],

Δt - czas trwania pomiaru [s].

W praktyce, do dalszego opracowania wyników pomiarów wartości q_r w [cm³·s^-1·m^-1] przelicza się na

[m³·s^-1·m^-1]. Można również zważyć próbkę zatrzymaną w łapaczce i natężenie wleczenia q_r wyrazić w jednostkach wagowych - w [g·s^-1·m^-1] lub w [kg·s^-1·m^-1].

W warunkach laboratoryjnych do pomiaru natężenia wleczenia stosuje się najczęściej tzw. łapacze rumowiska - zbiorniki umieszczone pod dnem koryta pomiarowego, do których wpada cały materiał wleczony, stąd przyjmuje się, że współczynnik sprawności łapacza η = 1. Łapacz rumowiska wyposażony jest w układ do ciągłego pomiaru ciężaru rumowiska gromadzącego się w zbiorniku, co pozwala na określenie przyrostów ciężaru
w kolejnych krokach czasowych Δt i określenie chwilowych natężeń wleczenia ze wzoru:

[g·s^-1·m^-1] lub [kg·s^-1·m^-1]

w którym szerokość łapacza b_o jest równa szerokości dna koryta laboratoryjnego.

Bardzo rzadko łapacze rumowiska są stosowane w badaniach terenowych, ponieważ muszą to być wówczas umieszczone pod dnem rzeki urządzenia stacjonarne, odpowiednio wytrzymałe na zmienne warunki przepływu, w tym w okresie wezbrań powodziowych. Również pomiar ciężaru rumowiska i rejestracji wyników oraz usuwania rumowiska z łapacza wymaga zastosowania specjalistycznej aparatury. Tego typu łapacz rumowiska jest wykorzystywany w badaniach prowadzonych w korycie rzeki Zagożdżonki - na terenie zlewni badawczej Kat. Inżynierii Wodnej i Rekultywacji Środowiska SGGW. Poniżej przedstawiono schemat łapacza wykorzystywanego w badaniach własnych oraz przykładowe wyniki pomiarów.

Schemat łapacza rumowiska wleczonego zainstalowanego w korycie rzeki Zagożdżonki: 1-zbiornik osłonowy, 2-rama nośna, 3-zbiornik na rumowisko, 4-pokrywa zbiornika (otwór wlotowy zabezpieczony siatką), 5-rumowisko wleczone, 6-czujniki ciężaru, 7-podłoga drewniana, 8-palisada drewniana.

Hydrogram jednostkowych natężeń przepływu, q_d (1), oraz natężeń wleczenia, q_r (2), w okresie od 16.03.2001 godz. 16:00 do 21.03.2001 godz. 03:00.

Hydrogram jednostkowych natężeń przepływu, q_d (1), oraz natężeń wleczenia, q_r (2), w okresie wystąpienia dwóch wezbrań (21.04.2001 01:00 ÷ 26.04.2001 01:00).

Transport rumowiska wleczonego ma zmienne natężenie nawet w ustalonych warunkach przepływu. Wynika to przede wszystkim z charakteru tego ruchu, który przy większych naprężeniach stycznych na dnie (prędkościach) odbywa się w postaci przemieszczających się form dennych - zmiennych pod względem wymiarów i kształtów.

Zwłaszcza duża zmienność natężeń wleczenia występuje w czasie wezbrań - przed wystąpieniem kulminacji fali przepływu występują większe intensywności wleczenia niż w fazie opadania fali wezbraniowej (jest to tzw. zjawisko histerezy). Na obu powyższych hydrogramach widać wyraźnie, że kulminacja fali wleczenia (maksimum q_r) występuje wcześniej niż kulminacja fali przepływu (maksimum q_d - jednostkowe natężenie przepływu wody w strefie oddziaływania strumienia na dno).

Zależności empiryczne do określania natężenia wleczenia

Na intensywność transportu rumowiska wleczonego ma zasadniczy wpływ charakterystyka materiału dennego i zdolność transportowa cieku, której jednak nie da się w chwili obecnej wyrazić zależnością opartą na teoretycznych podstawach opisu tak złożonego zjawiska jakim jest ruch dwufazowy wody i materiału stałego. Z tego względu wszelkie zależności mają charakter empiryczny i łączą natężenie ruchu rumowiska z parametrami charakteryzującymi cechy tego rumowiska oraz właściwości cieczy, przepływu i koryta cieku.

Formuły empiryczne można podzielić na cztery grupy, w zależności od podstawowego parametru hydraulicznego od którego uzależnia się intensywności ruchu rumowiska, tj:

• prędkości przepływu wody:

(zakres wartości m₁ = 3 ÷ 5)

• naprężenia stycznego na dnie:

(rząd wielkości m₂ = 1,5)

• energii strumienia (siły prądu):

• prędkości przemieszczania się form dennych:

Zależności empiryczne zaliczane do poszczególnych grup wzorów mogą mieć różną postać szczegółową i uwzględniać szereg dodatkowych parametrów charakteryzujących rumowisko (średnica d₅₀, ρ_r, nierównomierność uziarnienia) i warunki przepływu (głębokość wody, promień hydrauliczny itp.).

W literaturze można znaleźć dziesiątki różnych wzorów empirycznych. Zastosowanie określonego wzoru w praktyce inżynierskiej wymaga sprawdzenia, czy w danych warunkach hydraulicznych i dla danego rumowiska można stosować daną formułę. Zwykle wykonuje się obliczenia kilkoma wzorami, odpowiednimi dla rozpatrywanych warunków przepływu i transportu rumowiska wleczonego.

Ruch ziaren

Brak ruch ziaren

---