Русловые процессы на реках

В настоящее время под русловыми процессами понимается совокупность явлений и процессов (в том числе и на водосборе), происходящих под воздей- ствием комплекса различных природных и антропогенных факторов, и выра- жающихся в различных морфологических изменениях речных русел.

Основными факторами русловых процессов являются: сток воды, его ве- личина и изменчивость, определяющие процессы формирования русла; сток наносов, их крупность и форма перемещения, определяющие развитие форм

русла и руслового рельефа и через баланс наносов – преобладание эрозии или аккумуляции; геологическое строение долины реки и ее бассейна, определяю- щие свободные (в легко размываемых породах) или ограниченные (в трудно-

размываемых породах) условия развития русловых деформаций, уклоны реки и крупность наносов [13].

Существует множество классификаций русловых процессов в зависимо-

сти от количества учитываемых факторов. Государственный Гидрологический институт (ГГИ) предлагает следующую классификацию русловых процессов (рис. 18).

Рис. 18. Классификация русловых процессов ГГИ: 1 – ленточногрядовый тип,

2 – побочневый тип, 3 – ограниченное меандрирование, 4 – свободное меандрирование, 5 – незавершенное меандрирование, 6 – пойменная многорукавность, 7 – русловая многорукавность

Ленточногрядовый тип руслового процесса встречается редко. Характе- ризуется наличием в реке одиночных, занимающих всю ширину русла песча- ных гряд, длина которых составляет 6-8 ширин русла.

Основные деформации русла при ленточногрядовом типе руслового про- цесса выражаются в сползании ленточных гряд по реке. Плановые деформации невелики и носят нерегулярный локальный характер.

Побочневый тип руслового процесса характеризуется наличием в русле крупных, занимающих в меженный период большую часть ширины русла, час- тично обсыхающих в межень отмелей, расположенных в русле в шахматном

порядке. Русловые деформации при этом типе сводятся к сползанию побочней вниз по течению и в основном приурочены к периодам половодий и паводков. Плановые деформации берегов несущественны.

Осередковый тип русловых процессов (русловая многорукавность) рас- пространен в условиях перегрузки потока наносами. Характеризуется распла- станным руслом, по которому в половодный и паводочный периоды бессистем- но перемещаются мезоформы (крупные скопления наносов), в разной степени

обсыхающие в межень и создающие многорукавный облик русла.

Ограниченное меандрирование характеризуется извилистым руслом с уг-

лом разворота до 120°. По обоим берегам реки располагаются пойменные мас-

сивы. Подмыв этих массивов с верховой стороны и наращивание с низовой приводят к сползанию излучин без существенного изменения их плановых очертаний.

Свободное меандрирование наиболее распространено на равнинных ре- ках. Этот тип руслового процесса развивается в широких речных долинах, склоны которого не ограничивают свободное развитие плановых деформаций излучин.

Незавершенное меандрирование (прорванные излучины) возникает в сильно затапливаемых во время половодья поймах. Характеризуется наличием

спрямляющего протока.

Пойменная многорукавность – обобщающее название разных типов раз-

ветвленных русел. Выделить основное русло среди многочисленных протоков часто невозможно.

Деформации русла сводятся к развитию спрямляющих протоков, их от-

миранию и возобновлению, сопровождающемуся перераспределением расхода воды между рукавами.

Выделяют следующие русловые образования (рис. 19).

отмель

залив

протока

коса

староречье

Плес

остакра перекат

остров при-

плесок

Пляж

рукав

урез воды

осередок

Рис. 19. Виды русловых образований

Распределение скоростей течения в речном потоке. Движение воды в реках носит, как правило турбулентный, т. е. вихревой характер, при котором движение воды в каждой точке неравномерно по величине и направлению. По- скольку речной поток турбулентен, скорость движения воды у дна не равна ну- лю. В каждой точке потока и в каждый момент времени местная мгновенная скорость течения представляет собой вектор, который можно разложить на

три составляющие (ux, uy, uz) вдоль продольной, поперечной и вертикальной осей координат.

Местные осредненные во времени скорости течения распределены в реч- ном потоке неравномерно: наибольшие скорости наблюдаются на поверхности потока над наиболее глубокой частью русла, наименьшие – у дна и берегов.

Линии, соединяющие точки с одинаковыми скоростями течения, называются изотахами. Продольная (вдоль русла) линия наибольших скоростей течения на поверхности потока называется динамической осью потока, или стрежнем [1].

При наиболее закономерном распределении скоростей течения по глуби-

не речного потока график распределения (эпюра распределения, годограф) вер- тикального распределения скоростей имеет максимум (umax) на поверхности, скорость, близкую к средней по вертикали, – на глубине 0,6 h от поверхности (h – полная глубина) и минимум (umin), не равную нулю – у дна. Но под влияни- ем ледового покрова, ветра, растительности, неровностей рельефа дна и берегов такое распределение скоростей нарушается.

Обычно в речном потоке действует только одна активная массовая сила – продольная составляющая силы тяжести, обусловленная продольным уклоном водной поверхности. При движении водного потока возникают сопутствую- щие движению пассивные силы – сила трения, центробежная сила, сила Кариолиса.

Средняя скорость течения вычисляется по формуле Шези:

n = С hсрI,

где hср – средняя глубина, вместо нее иногда используют гидравлический радиус R = w/p; I – уклон водной поверхности; С – коэффициент Шези, кото- рый вычисляют по эмпирическим формулам, например по формуле Моннинга:

1/6

С = hср

/n,

где n – коэффициент шероховатости речного русла.

Существует множество приборов, позволяющих определять скорости те-

чения речных потоков. Наиболее распространенным прибором для измерения скорости течения является гидрометрическая вертушка. В настоящее время

многие измерения на реке и на море производятся с помощью эхолотов.

Скорость течения существенно меняется в течение года. Минимальные скорости наблюдаются осенью в межень, максимальные – весной в половодье.

Характеристики речных наносов. Основными источниками поступле-

ния наносов в реки служат поверхность водосборов, подвергающаяся эрозии в период дождей и снеготаяния, и сами русла рек, размываемые речными пото-

ками. Наносы – твердые частицы, переносимые потоками или течениями в вод-

ных объектах.

К наиболее важным характеристикам наносов относятся следующие: гео- метрическая крупность, выражающаяся через диаметр частиц наносов (D, мм); гидравлическая крупность, т. е. скорость осаждения частиц наносов в непод-

вижной воде (w, мм/с, мм/мин); плотность частиц (rн, кг/м3), равная для наи- более распространенных кварцевых песков –2650 кг/м3, чистого песка – 1500 кг/м3, глинистого песка – 1100 кг/м3, ила – 1000 кг/м3; плотность отложений (плотность грунта) (rотл, кг/м3), зависящая от плотности частиц и пористости грунта; концентрация (содержание) наносов в потоке, которую можно пред- ставить как в относительных величинах (отношение массы или объема наносов к массе, или объему воды), так и в абсолютных величинах, с использованием понятия мутность воды.

По геометрической крупности наносы делятся на фракции (табл. 6).

В реальных условиях наносы и донные отложения представляют собой смесь наносов различной крупности.

Классификация наносов по размеру частиц

Таблица 6

По характеру перемещения в реках наносы разделяют на два основных типа - взвешенные и влекомые. Промежуточным типом являются сальтирую- щие наносы, движущиеся скачкообразно в придонном слое.

Типы опускания частиц:

а) ламинарный:

w» g D2 / n (D < 0,15),

где w – гидравлическая крупность; D – диаметр частиц;

g – ускорение свободного падения;

n – скорость;

б) турбулентный:

w» gD (D > 1,5 мм),

где w – гидравлическая крупность; D – диаметр частиц;

g – ускорение свободного падения.

Расход наносов – масса наносов, переносимая речным потоком через по-

перечное сечение за единицу времени, выражается в кг/с.

Существуют следующие условия для перемещения взвешенных и влеко-

мых наносов. Условие перемещения взвешенных наносов:

uz+ ≥ w,

где u +

– направленная вверх вертикальная составляющая вектора скоро-

сти течения в данной точке потока; w – гидравлическая крупность частицы наносов.

Условия перемещения влекомых наносов:

uдно > uдно 0,

где uдно – фактическая придонная скорость движения;

uдно 0 – «начальная скорость», при которой частица на дне теряет свою

устойчивость (uдно 0 = k gD, где k – коэффициент, зависящий от плотности частиц и воды, формы частиц, коэффициента трения и др.).

Зависимость между «начальной скоростью» и объемом или весом пере-

мещающихся частиц выражается законом Эри, который гласит, что вес влеко-

мых наносов пропорционален шестой степени скорости течения.

2.11. термический и ледовый режимы рек. ледовые явления   Температура воды в реках реагирует на метеорологические факторы, ос- новная причина временных изменений температуры воды в реке – метеорологи- ческая. В условиях умеренного климата наиболее типичны сезонные изменения температуры воды в реках. Зимой под ледяным покровом вода у поверхности реки имеет температуру около 0ºС. Весной в период повышения температуры воздуха и осенью в период ее понижения изменения температуры воды следу- ют с некоторым отставанием за изменениями температуры воздуха. Максимальная температура воды по величине меньше максимальной температуры воздуха и наступает несколько позже максимальной температуры воздуха. В связи с тем, что температура воды в реках, как правило, не может приобретать отрицательные значения, средняя годовая температура воды в ре- ках заметно выше, чем средняя годовая температура воздуха. Кроме сезонных колебаний температура воды в реках испытывает и су- точные колебания, которые также отстают от изменений температуры воздуха. Минимальная температура воды наблюдается обычно в утренние часы, макси- мальная – в 15-17 часов (максимум температуры воздуха наступает на 1-2 часа раньше).На больших реках суточный ход температуры воды обычно не более 1-2ºС, на малых реках он может быть выше. Температура воды имеет также пространственные изменения. Темпера- тура воды крупных рек, тянущихся в меридианальном направлении, подчиняет- ся широтной зональности. У таких рек наибольшее различие температуры вдоль реки наблюдается в период нагревания. Для больших рек, текущих с юга на север, характерны большие контрасты между температурой воды и воздуха: летом нагревшаяся в южных широтах речная вода попадает в северных широ- тах в условия более холодного климата. Часто температура воды в реках изме- няется ниже впадения крупных притоков. В летнее время температура воды существенно уменьшается по течению ниже водохранилищ, что объясняется поступлением в нижние бьефы гидроузлов глубинных вод из водохранилищ, имеющих пониженную температуру. Часто температура воды заметно возрас- тает в местах сброса отработанных вод промышленных предприятий и тепло- вых электростанций. В этом случае возникает так называемое «тепловое за- грязнение» вод. Вследствие турбулентного перемешивания, температура воды в реках из- меняется мало. На реках с быстрым течением различия составляют 0,1ºС, на ре- ках с медленным течением – 1-2ºС. Вместе с текущими водами реки приносят и теплоту. Количество тепло- ты, приносимое речными водами за какой-либо интервал времени, называется тепловым стоком. Тепловой сток рассчитывается по формуле: WT = cr r TW, где WT – тепловой сток, Дж, за интервал времени Dt; cr – удельная теплоемкость воды; r – плотность воды; T – средняя температура воды; W – сток воды (м3) за тот же интервал времени Dt. Все реки по характеру ледового режима делятся на три большие группы: замерзающие, с неустойчивым ледоставом, незамерзающие. Реки в условиях умеренного климата зимой, как правило, замерзают. На таких реках выделяют три характерных периода: 1) замерзания (осенних ледовых явлений); 2) ледо- става; 3) вскрытия (весенних ледовых явлений). Когда температура воды сни- жается до 0º С, начинаются ледовые явления [1]. Ледовые явления – элементы ледового режима рек, озер, водохранилищ, характеризуют состояния водных объектов с точки зрения ледового режима, фазы возникновения, развития и исчезновения различных видов льда. Обычно к ледовым явлениям относят также ледяные образования, пред- ставляющие собой формы существования льда в водных объектах. Но все-таки целесообразнее разделять ледовые явления и ледовые образования. Ледовые образования, это например – шуга, ледяной покров, льдины и ледяные поля; ле- дяные явления, соответственно – шугоход, ледостав, ледоход. Ледяные явления делятся на 3 группы: периода осенних ледовых явлений, ледостава и весенних ледовых явлений. Ледовые явления и ледовые образования периода осенних ледовых явле- ния (периода замерзания): забереги – полосы льда, смерзшиеся с берегом при незамерзающей основной части водного пространства; сало – поверхностные первичные ледяные образования, состоящие из иглообразных и пластинчатых кристаллов в виде пятен или тонкого сплошного слоя серого цвета, превра- щающиеся по мере разрастания в тонкие ледяные пленки; шуга – скопления рыхлого губчатого льда в водной толще или на поверхности водоема (рис. 20). Образуется главным образом из кристалликов глубинного (внутриводного и донного) льда, возникает до ледостава преимущественно на горных и порожи- стых реках; осенний ледоход – движение льдин и ледяных полей на реках и озе- рах под действием течения, ветра, температуры воды, различают весенний и осенний ледоходы; шугоход – движение шуги на поверхности и внутри водного потока.   Рис. 20. Поперечный профиль забитого шугой русла реки   Зажор льда – скопление шуги с включением мелкобитого льда в русле водотока: – вызывает стеснение (закупорку) водного сечения, подъем уровня воды и затопление прибрежных участков, возникает перед ледоставом, обычно форми- руется ниже порогов. Снежура – скопление снега, плавающего в воде: – образуется при обильном выпадении снега на охлажденную воду; – быстро смерзается в плотный эластичный покров сравнительно боль- шой толщины. Блинный лед – плавающие льдины округлой формы диаметром от 0,5 до 3 м, имеющие по краям валик из измельченного льда. Образуется при смерза- нии сала, шуги и мелких льдин. Битый лед – плавающие льдины неправильной формы. Различают круп- ный (от 20 до 100 м) и мелкий (от 2 до 20 м) лед и куски льда от 0,5 до 2 метров. Ледяная каша – скопление мелкораздробленного льда с включениями снежуры, сала и шуги. Ледяные поля – льдины размером более 100 метров по наибольшему из- мерению. Ледяные валы – ледяные образования в виде гряд, сложенных из шуги и битого льда вдоль берегов. Достигают высоты 1 метра. Ледяные перемычки – короткий участок ледяного покрова, образующийся в местах смыкания заберегов или вследствие смерзания плывущих льдин и шуги. Пятры – скопления донного льда, выросшие до поверхности воды. Ледовые явления и ледовые образования периода ледостава: Ледяной покров – лед в виде сплошного неподвижного покрова на по- верхности водных объектов. Торосы – нагромождение льдин, на ледяном покрове образующееся в ре- зультате подвижек и сжатия ледового покрова. Ледяной мост – участок ледяного покрова реки отделившийся от водной поверхности при резком падении уровня реки, опирающийся на оба берега. Полынья – пространство с открытой водной поверхностью в ледяном по- крове. Трещины – разрывы в ледяном покрове, образовавшиеся под влиянием колебания температуры воздуха, уровня воды, подвижек льда и других причин. Наледь – нарост льда, возникший при замерзании грунтовых вод, излив- шихся на поверхность, или выхода речных вод на поверхность ледяного покрова. Промерзание реки – все сечение реки до дна занято сплошным льдом. Шуговая дорожка – часть ледяного покрова, образовавшаяся из смерз- шейся шуги в виде продольной полосы между заберегами. Снежица – вода на льду, образовавшаяся в результате таяния снега при длительных оттепелях. Ледовые явления и ледовые образования периода весенних ледовых явлений: Закраины – полосы открытой воды вдоль берегов, образующиеся перед вскрытием в результате таяния льда, повышения уровня воды и усилившегося притока грунтовых вод. Лед подняло – всплытие и отделение от берегов ледяного покрова без разламывания при повышении уровня воды (если без отрыва от берегов – лед вспучило). Вода на льду – скопление стоячей воды на льду, образуется в результате таяния снега или за счет воды, поступившей из под ледяного покрова. Вода течет поверх льда – вдоль берегов или по всей поверхности льда. Явление характерно для промерзающих рек при наледях, во время оттепелей. Подвижка льда – небольшие перемещения ледяного покрова на отдель- ных участках реки, происходящее под действием течения, ветра, повышения уровня. Затор – награмождение льда в русле реки, вызывающее стеснение живо- го сечения и подьем уровня воды. Лед растаял на месте – река очистилась ото льда без ледохода. Чисто – состояние водной поверхности после освобождения от ледяных образований. Наслуд – лед, образовавшийся при замерзании талых вод на ледяном покрове. Разводье – пространство открытой воды, в ледяном покрове образующее- ся в результате подвижек льда. Навалы льда – нагромождения льда, часто в виде валов на берегах и в поймах рек, образовавшиеся во время ледохода. Остаточные забереги – полосы льда, оставшиеся весной у берегов при разрушении ледяного покрова. Отдельные элементы ледового режима рек относятся к числу опасных и нежелательных природных явлений.