Уже давно в англоязычном интернете наталкиваюсь на статьи, которые описывают факт изменения шероховатости от условий потока. Грубо говоря, это гидравлическое свойство материала не является константой, в отличие от постоянных физ.мех свойств материала ложа реки.
Основной тезис такой: чем меньше толщина потока по какой-либо поверхности, тем выше будет шероховатость.
Этот тезис наиболее актуален в двух вопросах:
1. плоский слабоконцентрированный поверхностный сток в верховьях водосборов;
2. потоки воды в горных ручьях.
По горным ручьям Chris Goodell написал интересную статью. Пруф тут: https://www.kleinschmidtgroup.com/ras-post/n-values-in-steep-streams/
Краткий перевод в моей интерпретации:
Что мы можем сказать про шероховатость русла горных ручьев? Давайте мы представим типичный горный водоток -> галька, валуны, перекаты. Напоминает габионы, но несколько более труднопроходимые. Можно предположить что шероховатость находится в пределах 0,035<n-value<0.07.
Ну вот вам и выдержка из табличных значений, которые подтверждают наши предположения:
Но не тут то было!
Некий дядька Джаретт разработал уравнение на основе 75 наблюдений за ручьями в Колорадо. Его ручьи состояли из материала, от булыжника до небольших валунов. Диапазон уклонов (S) составлял 0,002 -0,09, а диапазон гидравлических радиусов (R) составлял 0,15 - 2,1м.
По наблюдениям Джаретта шероховатости наблюдаемых ручьев оказались гораздо выше: 0,21 и более! Крис Гуделл поднимал этот вопрос на своих занятиях, и многие участники соглашаются с ним, что шероховатость горных ручьев явно недооценена.
Ниже я создал две функции n(R), на два очень крутых уклона: синий на 100‰, а красный на 400‰. Эти уклоны продолжают уклоны наблюдаемых ручьев Джаретта, и посмотрите какие там значения!!!
Какие выводы мы можем сделать из формулы Джарета:
1. Чем больше гидравлический радиус, тем меньше шероховатость. Но это снижение стремится асимптотически к некоторому значению;
2. Чем круче уклон, тем больше шероховатость при прочих равных.
И вот несколько комментариев под статьей Криса:
В Швейцарии в 2001 году вышла публикация Федерального ведомства водных ресурсов и геологии о волнении рек.
Они проанализировали различные типы потоков и измерили коэффициент неровности. Выяснилось, что в горных ручьях с малым расходом значения n с 0,2 вполне реалистичны. Если поток возрастает, значения n падают в одном потоке до значения 0,05.
Для своей диссертации я работал на ручье Уилер-Крик, который истощает горнолыжный курорт Сноубейсин в штате Юта. Я измерил поток, измерил уклоны и «обратно рассчитал» n Мэннинга. Участки, над которыми я работал, имели наклоны в диапазоне 4-8%, а n Мэннинга обычно было выше 0,06, иногда достигая 0,09
В 1996 году Лиза Хаббард защитила диссертацию, в которой оценивала процессы стока в горных реках, используя Ревущую реку в Колорадо для полевого анализа и оценивая способность существующих уравнений оценивать значения n, которые она получила на основе полевых данных. На своем участке она обнаружила значения 0,07–0,31 для этого небольшого ручья из булыжника и валунов с уклоном 4–8%.
Выводы от себя: все в жизни стремится к равновесию. Вот, видимо и на ручьях есть механизм, который сдерживает скорости течения в адекватных скоростных пределах (примерно 1- 2 м/с). Это косвенно можно обосновать тем, что если русло сформировано, эрозии берегов нет, то и скорости там адекватные. Скорее всего этот механизм - это турбулентность. В итоге в природе мы имеем "отбалансированное русло" где поперечное сечение, гидравлический радиус и скорость потока находятся в некотором равновесии.
Одно можно сказать точно: константные табличные значения шероховатости каналов, которые зависят от физ.мех свойств материала водотока были определены в некоторых тепличных условиях и имеют границы применимости. Шероховатость Маннинга нельзя воспринимать как постоянный коэффициент. Этот гидравлический фактор переменный, который зависит от условий потока.
Думаю, еще не один диссер будет написан на эту тему.
PS. Ставь магарычи и бери хоть все мечи.