Взаимодействие потока и русла. Речные наносы

Под действием текущей воды речной поток непрерывно преобразует очертания своего русла. Совокупность явлений образования и последующих переформирований ложа реки называется русловым процессом. Взаимодействие осуществляется по схеме: поток↔русло. Поток вырабатывает свое русло и видоизменяет его с течением времени. В свою очередь, характеристики потока – скорость течения и уклон свободной поверхности – в силу действия этой взаимосвязи устанавливаются в соответствии с характеристиками речного русла. По мере изменения размеров русла изменяются также характеристики течения воды в реке.

Частицы аллювия, перемещаемые текущей водой в реках, называются речными наносами. По природе своего происхождения наносы бывают внерусловые и русловые. Первые попадают в реку в результате смыва почвы с территории бассейна в период таяния снега и дождевых паводков. Как правило, это наиболее мелкие частицы. Попадая в речной поток, они переносятся водой на большие расстояния и осаждаются на устьевых участках рек.

Русловые наносы образуются в результате размыва берегов и аллювиального ложа реки. Перемещение этих наносов представляет процесс переотложения. При определенных условиях некоторая часть русловых наносов может откладываться на гребнях перекатов, создавать побочни и другие русловые образования. Затем, по прошествии некоторого времени, частицы наносов вновь могут придти в движение. Этот процесс продолжается в течение десятков и сотен лет, пока частица, попавшая в русло реки, не будет доставлена потоком к ее устью.

Речные наносы классифицируются по своей крупности. Величина крупности наносов существенно различается на разных реках и изменяется в пределах от долей миллиметра до нескольких десятков сантиметров. Этот диапазон делится на ряд интервалов, называемых фракциями грунта. Значения границ различных фракций речных наносов приводятся в таблице.

Таблица 4.1.

По форме частицы наносов бывают шарообразные, эллипсоидальные и пластинчатые. Частицы песка и мелкого гравия имеют шарообразную форму, среди частиц крупного гравия больше эллипсоидальных. Частицы гальки обычно пластинчатой формы.

Главным условием транспорта речных наносов является турбулентный характер течения воды в реках. Захват частицы с речного дна происходит под действием вертикальной составляющей пульсационного движения, величина которой зависит от скорости течения воды на вертикали. Речные наносы обычно представляют смесь частиц различной крупности. Поэтому по мере увеличения скорости течения в движение будут приходить все более крупные частицы, лежащие на дне.

В зависимости от способа перемещения различают взвешенные и влекомые наносы.

Основная часть наносов в реках перемещается во взвешенном состоянии в толще потока воды. Обычно это наиболее мелкие фракции грунта.

Рассмотрим взаимодействие сил, действующих на частицу, находящуюся во взвешенном состоянии. Важную роль играет сила тяжести, под действием которой твердые частицы равномерно падают на дно водоема со скоростью, равной их гидравлической крупности. В покоящейся жидкости и в случае ламинарного движения воды отсутствуют другие силы, препятствующие их выпадению, и транспорта наносов не наблюдается.

В случае развитого турбулентного движения выпадению частиц на дно противодействуют вертикальные пульсационные скорости течения. Благодаря этому взаимодействию происходит обмен частицами наносов между толщей потока и дном реки. При уменьшении скоростей течения некоторая доля взвешенных частиц, имеющая большую гидравлическую крупность, может осаждаться. И, наоборот, с ростом скоростей эти частицы будут вовлекаться потоком, переходя во взвешенное состояние.

Величина гидравлической крупности в первую очередь зависит от диаметра частицы. У мелких частиц она значительно меньше, чем у крупных. В пределах песчаной фракции грунта от 0.1 мм до 1.0 мм гидравлическая крупность возрастает в 20 раз. Кроме этого, на величину гидравлической крупности свое влияние оказывает коэффициент вязкости воды. Изменение температуры воды, а следовательно, и изменение коэффициента вязкости наиболее сильно сказывается на величине гидравлической крупности мелких частиц наносов.

Количественной характеристикой транспорта взвешенных наносов является их концентрация или мутность – весовое содержание взвешенных частиц в единице объема воды. Выражение для расчета мутности имеет вид

, (4.13)

где: S – мутность потока, г/м³;

m – масса взвешенных наносов в пробе, г;

V – объем пробы, см³.

Для определения мутности воды используются специальные приборы: вакуумные батометры и мутномеры. Вакуумные батометры позволяют отобрать пробы воды на мутность в интересующих точках потока. После этого в лаборатории взвешенные частицы выделяются из пробы посредством фильтрования и взвешиваются на высокоточных весах. Мутномеры позволяют оценивать величину концентрации в процессе измерения, не прибегая к отбору пробы воды.

Мутность существенно различается на разных реках. На равнинных реках она обычно невелика и составляет в среднем 25-50 г/м³ в меженный период. Весной концентрация взвешенных наносов увеличивается в несколько раз. Наиболее высокой мутностью отличаются реки степной зоны Средней Азии. Величина мутности воды в этих реках на один-два порядка выше, чем у равнинных рек.

Мутность воды в реке сильно изменяется также по глубине потока. У дна она значительно больше, чем у свободной поверхности. Характер эпюры мутности зависит от крупности взвешенных частиц и скорости течения. У мелких частиц она более равномерная по глубине, чем у крупных (рис. 4.8). По ширине реки мутность незначительно увеличивается от берегов к стрежню потока.

Количество взвешенных частиц, проходящих через поперечное сечение русла, называется расходом взвешенных наносов. Его величина зависит от скорости течения, мутности воды и размеров русла реки. Если произвести измерения мутности воды на ряде вертикалей по ширине потока и концентрацию взвешенных наносов представить в виде средней мутности для всего поперечного сечения S_ср, то расход взвешенных наносов может быть найден по формуле

, (4.14)

где: Q_s.взв – расход взвешенных наносов, г/c;

S_ср – средняя мутность воды в живом сечении, г/м³;

w – площадь живого сечения, м²;

u_ср – средняя скорость течения, м/c;

Q – расход воды, м³/c.

Другая, значительно меньшая по количеству часть наносов в равнинных реках движется во влекомом состоянии. Размеры этой группы частиц крупнее. Скорость течения воды оказывается недостаточной для взвешивания этих частиц, и они перемещаются в придонном слое потока посредством перекатывания или скачками.

Важнейший факт транспорта влекомых наносов состоит в том, что донная поверхность реки имеет волнообразный характер. Эти волны называются рифелями и грядами. Они отсутствуют на речном дне лишь при крайне малых и при очень больших скоростях течения. В первом случае транспорт наносов не наблюдается. Во втором – происходит смыв волн, и частицы наносов движутся во взвешенном состоянии.

Продольный профиль донных волн несимметричен. Они имеют пологий напорный и крутой тыловой скаты. На гребне донной волны поток отрывается от поверхности дна, и за тыловым скатом волны формируется водоворотная область. В пределах водоворота придонная скорость направлена против основного течения, в конце водоворота придонная скорость равна нулю. Далее, вниз по течению, она быстро увеличивается и достигает максимума на гребне гряды. Под действием течения напорный скат гряды размывается потоком. Частицы грунта поступают на гребень гряды и скатываются вниз, в ее подвалье. Размыв верхового и намыв тылового скатов создают эффект движения гряды вниз по течению.

Размеры донных волн различны на реках и изменяются с течением времени. На малых реках и в ручьях чаще встречаются рифели. Высота рифелей не превышает 0,1 глубины потока, а длина их составляет 1-3 глубины. Дно реки, покрытое рифелями, имеет чешуйчатый вид.

В средних и больших реках дно покрывается более крупными волнами – донными грядами. Длины гряд измеряются десятками глубин потока. Их высоты обычно составляют 0.1-0.3 глубины. На рис. 4.9 показана схема движения влекомых наносов в виде донных гряд.

Размеры гряд изменяются с уровнем воды. При высоких уровнях размеры гряд больше, чем в межень. Часто на реках встречаются одновременно рифели и гряды. Причем рифели перемещаются по поверхности гряд с большей скоростью.

Образование рифелей и гряд и регулирование их размеров является одним из замечательных свойств естественных русел. Увеличивая или уменьшая размеры донных волн, речной поток регулирует шероховатость своего дна, а тем самым управляет режимом уклонов и скоростей течения. Таким образом, расход влекомых наносов в реках зависит от размеров донных волн и скорости их перемещения. Скорость движения донных гряд невелика и составляет несколько метров в сутки. Для измерения расхода влекомых наносов служат специальные приборы – донные батометры. Будучи опущенным на дно реки, батометр улавливает движущиеся частицы наносов в течение некоторого времени Dt. Элементарный расход наносов на вертикали находится по формуле

, (4.15)

где: m – масса наносов в ловушке батометра на вертикали, г;

Dt – продолжительность выдержки батометра на дне реки, с;

Db – ширина входного отверстия батометра, см.

Для нахождения полного расхода влекомых наносов такие измерения выполняются на нескольких вертикалях по ширине реки.

Другой способ определения расхода влекомых наносов основан на непосредственном измерении размеров и скоростей перемещения донных гряд, он является более точным.

Наносы, переносимые речным потоком, составляют твердый сток реки. Годовой сток наносов рек земного шара, впадающих в мировой океан, составляет около 16 млрд. т. Благодаря этому поверхность суши ежегодно понижается в среднем на 0.1 мм.

Транспорт русловых наносов имеет важное значение для практики. Зная характеристики твердого стока, можно прогнозировать русловые деформации – изменение размеров русел с течением времени. От величины стока зависят также судоходные условия на реках и необходимые затраты на их поддержание.