Hidrológiai Közlöny 1958 (38. évfolyam)

4. szám - Bogárdi János: Néhány újabb törvényszerűség a hordalékmozgás elméletében

2Jflf Hidrológiai Közlöny 1958. 4. sz. Bogárdi J.: Néhány újabb törvényszerűség a hordalékmozgásban hogy a hordalékos vízfolyások hidraulikai és hidrológiai sajátságait csaknem teljesen figyelmen kívül hagyták. Pedig, mint éppen hazai vizsgálataink is bizonyítják, a vízgyűjtőterületen a hordalékképződésnek, a folyó hordalékkal való ellátottságának és a meder állapotának döntő szerep jut a valóságos hozam kialakulásában. Bizonyos előrehaladást jelent az Einstein—Chien Ning-féle [6] osztályozás, amely szerint a hozam számításban különbséget kell tenni a folyómederből származó ún. fenékhordalék és a vízgyűjtőterületről származó és onnan folyamatosan vagy megszakításokkal érkező ún. kimosott hordalék között. Nyilván a hordalékfogóval való mérés során is különbséget kell tenni a fenékhordalék és a vízgyűjtőterületről származó kimosott hordalék között. Véleményünk szerint ezzel a kettéválasztással sok látszólagos ellentmondás is magyarázatát leli majd. A lebegtetett hordalékmozgás törvényszerűségeit illetően kedvezőbb a helyzet. Itt már sok elméleti tételt ismételten is igazolt a gyakorlat. Pl. a turbulens hordalékszállítási elmélet, bár még ma is fejlődőben van, jól bevált. Igaz, hogy a természetben való mérések céljait szolgáló műszerek is lényegesen tökéletesebbek mint a görgetett hordalék méréséhez alkalmazott eszközök. A megállapodott meder elmélete viszonylag a legfiatalabb ágazata a hordalékmozgás túdományának. Mégis, talán éppen a gyakorlat sürgető kívánságainak megfelelően ezen a téren mutatkozik a legroliamosabb fejlődés. A hordalékmozgás elméletének ebben az ágában a megoldandó kérdés így tehető fel : adott mederanyag esetén milyen vízmennyiséggel, mederszélességgel és eséssel tervezzük a csatornánkat, hogy az ugyancsak adott víz- és hordalékhozamot zavartalanul szállíthassa a csatorna. Az ilyen természetű feladatokat kezdetben önállóan, a hordalékmozgás egyéb vonatkozásaitól függetlenül kívánták megoldani. Hamarosan bebizonyosodott azonban, hogy az elkülönített vizsgálat nem lehetséges, mivel mint Lane [7] megállapította, a megállapodott mederre vonatkozó törvényszerűségek lényegileg a hordalékmozgás tételeivel azonosak. A nagymérvű fejlődés ellenére a megállapodott meder elmélete ma még távolról sem tekinthető megoldottnak. Mindenesetre az elmúlt évtizedben a hordalék mozgás kérdései közül a legtöbb eredményt talán éppen ebben a kérdéscsoportban értek el. A megállapodott meder törvényszerűségeit több kutató a meder állapotának milyenségével, illetőleg különböző mederállandósági tényezők segítségével kívánta magyarázni. A fenti általános vonatkozású megállapítások után mi most a meder állapotának a hordalékmozgással összefüggő kapcsolataira vonatkozó legújabb külföldi és hazai kutatásokra akarunk kitérni. A vizsgálatok az ún. fenékrétegre vonatkoznak és így megállapításaink általánosságban a görgetett hordalékra vonatkoznak. Tanulmányunk tárgyát képező kutatások viszszanyúlnak a mederérdesség kérdéséhez, sőt ezen túlmenően a hordalékmozgástól függetlenül a határréteg-elméletet és általánosságban az elválasztó határterületek instabilitására vonatkozó elméleti tételeket is figyelembe veszik. Bevezetőben Liu [8] tanulmányára utalunk, aki megkísérelte a mederfenéken fellépő homok hullámbarázdák keletkezésének mechanikáját tisztázni és ennek a jelenségnek fizikai magyarázatát adni. A hullámbarázdák keletkezésénél, csakúgy mint általában a görgetett hordalékmozgás során, több erőhatás eléggé bonyolultan tevődik össze. Részletezés nélkül megemlítjük, hogy igen sok elmélet látott napvilágot a hullámbarázdák fellépését illetően. Liu a határfelületek instabilitásával kísérelte meg megmagyarázni a hullámbarázdák keletkezését. Tanulmányozta különböző sebességű és sűrűségű rétegezett folyadékok áramlását a határfelületek stabilitását illetően. Figyelembe vette Keulegan [9] eredményeit, aki két folyadékréteg közötti határfelületet vizsgálta abban az esetben, midőn az alsó folyadékréteg kezdeti állapotban nyugalomban volt. Eredményei megnyugtató módon megegyeztek Dryden [10] kísérleteivel, aki levegőnek egy szilárd lemez feletti áramlását vizsgálta, feltételezve, hogy a szilárd lemez végtelen nagy viszkozitású folyadékkal azonos. A határrétegnél, mint tudjuk, egyik legfontosabb jelenség, amikor az áramlás laminárisból turbulens mozgásba megy át. A lamináris mozgásból a turbulens mozgásba való átmenet a határrétegben a határfelületek instabilitásával kapcsolatos. Liu vizsgálatai közben arra a megállapításra jutott, hogy a hordalékos mederfeneket folyadéknak tekintheti, amit igazolni látszik Keulegan megállapítása, hogy a merev mederfal végtelenül nagy viszkozitású folyadékként fogható fel. Mozgómedrű hordalékos mederben még ha a főáramlás maga turbulens is, a mederfenék közvetlen közelében rendszerint egy lamináris zóna alakul ki. A lamináris zóna az áramlás továbbfejlődésével turbulens határréteggé alakulhat át, de ebben az esetben is egy igen vékony lamináris alsóbb réteg megmarad. A lamináris határrétegben a viszkozitás hatása a domináns. Ha a lamináris zónát mint a folyadék és a hordalékos meder közötti határfelületet tekintjük, akkor a hullámbarázdák keletkezése olyan probléma, amely a határfelületek instabilitásával kapcsolatos. A kettőnek a kapcsolata és összefüggése nyilvánvaló, de a tudomány mai állása szerint még igen nehéz ezt a törvényszerűséget határozott alakban megfogalmazni. Liu felteszi és mértékegységelemzéssel igazolja is feltevését, hogy a lamináris határréteg instabilitását egy —— alakú invariáns jellegszám jellemzi. TJ % = ][ghl a csúsztató sebesség, d a mederfenéken nyugvó hordalék szemátmérője, v pedig a folyadék kinematikai viszkozitása. Feltevés szerint hullámbarázdák a mederfenéken akkor keletkezhetnek, ha a vízfolyás képes szállítani a hordalékot és a hordalékos mederfenék közötti határfelület stabilitása megszűnik. Liu számos laboratóriumi kísérlet alapján megállapítja, hogy a hullámbarázdák megjelenése