Речные системы. Намывание и размывание русел

Реки образуются в более или менее определенных руслах, дренирующих почвенно-грунтовую воду, которая образуется в результате выпадения атмосферных осадков и таяния снега на возвышенностях. Реки формируются на протяжении столетий. Вместе с водой они переносят твердые частицы, которые вымываются с поверхности речного бассейна, со дна и берегов русел. Речные системы и речные процессы сложны.

Например, для участка реки в верхнем створе рассматриваются расход воды и расход наносов, при этом начальные характеристики: глубина, ширина и скорость течения реки, расход наносов на участке, скорость осаждения и объем воды, который может быть со знаком «плюс» или «минус» на рассматриваемом участке.

Шероховатость ложа и силы трения могут рассматриваться как второстепенные факторы; их значения связаны с глубиной и скоростью течения, скоростью транспортировки наносов и, в некоторой степени, с интенсивностью водной эрозии и отложения наносов.

За геологическое время река развивается таким образом, что может со временем переносить наносы, поступающие в нее с поверхностным стоком. Большую часть природных русел можно считать существующими в условиях режима течения, при котором основные размеры русел остаются в основном постоянными на протяжении длительного периода времени.

Водный режим не препятствует плановым деформациям русла вследствие эрозии и переформированию берегов, но необходим баланс между этими факторами. Нужно, чтобы количество наносов, переносимых через участок реки, было равным количеству наносов, поступающих на следующий участок. Однако это не означает, что существует неизменное соотношение между расходом наносов и расходом воды.

Для большинства потоков с подвижным руслом имеется диапазон значений расхода воды, в пределах которого поток может приспосабливаться к десятикратному изменению расхода наносов за счет изменения русловых форм — гряд и дюн. Одновременное изменение глубины и скорости течения реки без каких-либо существенных изменений уклона, ширины русла или вертикального профиля дна.

Поток может изменять размеры русла на отдельных участках, во времени и пространстве, не изменяя водный режим, пока эти изменения колеблются вокруг состояния равновесия. Фактически именно таким образом река приспосабливается к изменениям ниже по течению от места слияния с притоком, который имеет другие характеристики процесса транспортировки наносов.

Намывание и размывание русел. На определенных участках некоторых водотоков, где количество поступающих наносов превышает количество, которое поток может транспортировать, их излишек может оседать. Ложе потока таким образом может намываться. И наоборот, если количество наносов, поступающее на участок водотока, меньше, чем транспортирующая способность потока, его дно и берега размываются; поток будет вымывать их, чтобы ликвидировать дефицит наносов. Основные размеры русел, подверженных намыванию и размыванию, остаются постоянными, пока существует равновесие между приходом наносов и их расходом.

Типы речных русел. Существует три основных типа речных русел: прямые, разветвленные и меандрирующие. Это разделение характеризует плановые очертания русел. Поток принимает ту или иную форму в зависимости от многих факторов, и их взаимосвязи до сих пор изучены не полностью.

Прямые русла. Прямые русла — это те русла, которые имеют прямые границы. Они преимущественно формируются, когда уклон русла реки совпадает с уклоном долины или когда крутые уклоны вызывают относительно высокие скорости течения. В последнем случае вполне возможно, что прямые очертания русла являются результатом инерции, которая препятствует повороту потока.

Разветвленные русла. Отличительная особенность ветвления — многорукавность. При этом существует два типа многорукавности. Первый — в межень поток разделяется островами, образуя подобие «косички». В многоводные фазы острова могут затапливаться, и поток течет по всей ширине русла (рисунок II.4.41 a).

Рисунок II.4.41. Русловая многорукавность (a) и дельтовидное русло (b)

Другой тип многорукавности наблюдается в дельтах рек или в конусах выноса (рисунок II.4.41 b). Это в основном намывные русла, разветвляющиеся на разрозненные русла, которые под конец исчезают, соединяясь с прибрежной частью.

Меандрирующие русла. Меандрирующие русла характеризуются чередованием изгибов русла или излучин. Этот тип русел имеет тенденцию постоянно смещаться под действием эрозии на отдельных участках и в результате переформирования берегов.

Самые большие проблемы при управлении потоками возникают в случае меандрирующих русел, т. к. у них часто наблюдается береговая эрозия. Поскольку решение этих проблем зависит от знания русловых характеристик, многие авторы изучают меандрирующие реки и посвящают им многочисленные работы.

Основная форма меандра по существу синусоидальная кривая (рисунок II.4.42 a). Это подвижная форма, постоянно меняющая свое положение вследствие размывания вогнутого берега и отложения материала размыва вдоль выпуклого берега. В идеальных условиях система меандров будет сползать вниз по течению вдоль центральной оси (Vanoni, 1975).

Рисунок II.4.42. меандрирующее русло (a) и деформирующееся русло (b)

Основные размерные величины системы меандров — длина, ширина и кривизна — известны еще как извилистость. Эти размерные величины изначально определяются пятью факторами: уклон долины, максимальный расход воды, донные отложения, поперечные циркуляции и степень эродируемости аллювиальных отложений.

Идеальные системы меандров редко встречаются в природе. Отдельные меандры и целые системы естественных меандрирующих потоков подвержены деформации. Обычный меандрирующий поток (рисунок II.4.42 b) состоит из многочисленных неправильных изгибов различных размеров и формы и имеет сходство с идеальным меандром только в отношении чередования направленности и непрерывного смещения изгибов.