Движение влекомых наносов

Как уже говорилось, движение влекомых частиц прерывистое – их подвижки перемежаются периодами покоя. Отдельную подвижку частица совершает либо посредством перекатывания, либо посредством скачка. Перекатывание наблюдается у крупных частиц или при малой скорости течения. Основным способом движения являются скачки. Длина скачков составляет , высота – . Чем больше скорость течения, тем длиннее и выше скачки, тем больше число двигающихся по дну частиц.

Суммарный объем влекомых твердых частиц, проходящих через единицу ширины потока в единицу времени, называется элементарным объемным расходом влекомых наносов. Обозначив его q_{s вл}и интегрируя по ширине поперечного сечения, будем иметь полный объемный расход

. (75)

Умножив расходы и на плотность наносов, получим массовые расходы:

; (76)

. (76)

В гидрологии преимущественно используются массовые расходы.

Важнейший факт транспорта влекомых наносов состоит в том, что при достаточной интенсивности их движения (при определенных удельных расходах) состояние ровного дна становится неустойчивым, и малое случайное возмущение способно вызвать коренное преобразование донной поверхности – превращение ее в волнообразную. Дно рек, протекающих в несвязных (сыпучих) грунтах, почти всегда покрыто волнами. Эти волны могут отсутствовать при малых скоростях течения, когда транспорт русловых наносов слаб, и при больших скоростях, когда русловые наносы движутся во взвешенном состоянии.

Продольный профиль донных волн несимметричен. Они имеют пологий верховой скат и крутой низовой. Обычно уклон низового ската близок к уклону естественного откоса грунта под водой (в среднем 1:3).

На гребне донной волны поток отрывается от поверхности дна и за тыловым скатом волны формируется водоворотная область. В пределах водоворота придонные скорости направлены против основного течения. В конце водоворота придонная скорость равна нулю. Отсюда она быстро увеличивается, достигая максимума на гребне волны. В результате роста скорости верховой скат волны размывается. Смытые с него частицы, поступая на гребень, скатываются вниз и накапливаются на тыловом скате. Размыв верхового ската донной волны и намыв низового ската создают эффект движения волны вниз по течению.

Рис. 40. Донные волны: а – рифели; б – гряды

В ручьях и малых реках, во время межени, длины донных волн составляют от 1 до 3 глубин потока, а их высоты не превосходят 0,1 глубины. Волны таких размеров называются рифелями (рис. 40). Гребни рифелей в плане искривлены и часто имеют подковообразный вид. Дно в этом случае выглядит чешуйчатым.

В средних и больших реках, а во время паводка и во многих малых реках, дно покрывают волны, гораздо более крупные, чем рифели. Они называются донными или песчаными грядами. Длины гряд l_г превышают 5 глубин потока и нередко измеряются десятками глубин. Их высоты h_г обычно составляют от 0,1h до 0,3h. Скорость перемещения донных гряд в больших, глубоких реках выражается десятитысячными долями скорости течения, а в средних и малых реках – тысячными долями. Рифели движутся быстрее гряд.

Установим связь между параметрами донных гряд и объемным расходом влекомых наносов. Пусть гряда, не изменяя своей формы, передвинулась за время t на свою длину l_г (рис. 41).

Рис. 41. К определению расхода наносов через параметры донных гряд

Это значит, что через контрольный створ 0-0, проведенный в начальный момент времени через подвалье гряды, за время t прошел объем пористого песка, численно равный, в расчете на единицу ширины потока, площади продольного сечения гряды W_г. Отсюда средний за время t удельный расход наносов в плотном теле составит

, (77)

где: e»1/3 – коэффициент пористости песка.

Площадь продольного сечения гряды можно представить в виде

, (78)

где: s < 1 – коэффициент полноты профиля гряды.

Подставив выражение W_гпо уравнению (78) в формулу (77) и учтя, что частное от деления l_г на t есть скорость движения гряды с_г, будем иметь

. (79)

Определение расхода влекомых наносов по формуле (79) на основе измеренных значений l_г, h_г и c_г оказывается во многих случаях более удобным, чем применение донных батометров – приборов для прямого измерения расхода наносов (см. гл. XIII)

Движение донных гряд представляет собой основной вид транспорта влекомых наносов в реках. Но роль гряд в режиме речных потоков этим не исчерпывается. Беспорядочное движение жидкости в водоворотных зонах за тыловыми скатами гряд и рифелей отбирает от потока значительное количество энергии. Поэтому наличие на дне гряд или рифелей увеличивает уклон трения. Иными словами, гряды и рифели действуют на поток как особый вид шероховатости. В реках с песчаным дном этот вид шероховатости оказывается более важным фактором трения, чем шероховатость, создаваемая зернами грунта.