РЕЧНОЙ СТОК И РУСЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

А.А. Макаревич

РЕЧНОЙ СТОК И РУСЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

Текст лекций

Минск

Макаревич А.А.

Речной сток и русловые процессы: Текст лекций. — Минск: БГУ, 2016.

Электронная версия текста лекций по дисциплине «Речной сток и русловые процессы» составлена в соответствии с Учебной программой учреждения высшего образования по учебной дисциплине для специальности «1-31 02 02 Гидрометеорология» и предназначена для студентов 3 курса географического факультета БГУ.

Вопросы речного стока и связанного с ним русловых процессов излагаются с учетом особенностей речных потоков Беларуси, что делает содержание курса более конкретным и близким географам-гидрометеорологам, изучающих современные гидрологические проблемы республики.

На изучение данного курса отводится 94 часа, из них 62 аудиторных (36 часов ― лекции, 6 часов ― семинары и 20 часов ― практические занятия).

СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ.. 5

1.1. Основные понятия. 5

1.2. Развитие исследований русловых процессов. 5

1.3. Значение учения о русловых процессах для народного хозяйства. 7

1.4. Русловые процессы и физико-географическая среда. 9

2. РЕЧНОЙ СТОК.. 10

2.1. Формирование речного стока. 10

2.2. Количественные характеристики речного стока. 10

2.3. Влияние физико-географических условий на речной сток. 12

3. ТИПЫ ВОДНЫХ ПОТОКОВ И РЕЧНАЯ СЕТЬ. 14

3.1. Типы водных потоков. 14

3.2. Речная сеть. 15

4. МОРФОЛОГИЯ И МОРФОМЕТРИЯ ДОЛИНЫ И РУСЛА РЕКИ.. 17

4.1. Речная долина и ее элементы.. 17

4.2. Морфологические элементы и морфометрические характеристики русла. 18

4.3. Продольный профиль реки. 20

4.4. Продольный профиль долины р. Западная Березина. 22

5. ДИНАМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ВОДНОГО ПОТОКА.. 24

5.1. Продольное течение в русле реки и силы, действующие в потоке. 24

5.2. Поперечные (циркуляционные) течения. Теория Н.С. Лелявского. 25

5.3. Турбулентное перемешивание. 27

6. ЭРОЗИЯ, АККУМУЛЯЦИЯ И ТРАНСПОРТ НАНОСОВ.. 31

6.1. Механизм эрозии, аккумуляции и транспорта наносов как единая система. 31

6.2. Общая характеристика и классификация речных наносов. 32

6.3. Движение и сток взвешенных наносов. 33

6.4. Движение донных наносов. Закон Эри. 36

6.5. Транспортирующая способность потока. Сели. 37

7. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РУСЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ.. 38

7.1. Основные направления в развитии теории руслового процесса. 38

7.2. Взаимодействие потока и русла как основа руслового процесса. 38

7.3. Формы рельефа речного русла и их изменения. 39

8. ТИПЫ РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА.. 43

8.1. Типизация руслового процесса. Общая схема. 43

8.2. Ленточногрядовый тип руслового процесса. 44

8.3. Побочневый тип руслового процесса. 45

8.4. Ограниченное меандрирование. 46

8.5. Свободное меандрирование. 47

8.6. Незавершенное меандрирование. Пойменная многорукавность. 48

8.7. Осередковый тип или русловая многорукавность. 49

9. УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЧНОГО РУСЛА.. 50

9.1. Гидроморфологические зависимости. 50

9.2. Руслоформирующий расход воды.. 51

9.3. Динамическое равновесие потока и устойчивость русла. 52

10. РАЗВИТИЕ ПРОДОЛЬНОГО ПРОФИЛЯ РЕКИ.. 54

10.1. Основные понятия. 54

10.2. Факторы формирования продольного профиля. 55

10.3. Изменения продольного уклона при различных уровнях воды.. 56

11. РУСЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В УСТЬЯХ РЕК.. 58

11.1. Устьевая область реки и устьевые процессы.. 58

11.2. Классификация устьев рек. 59

11.3. Гидрологический режим устьевой области реки. 60

11.4. Устья притоков. 62

12. АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА РУСЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ... 63

12.1. Развитие русловых процессов в условиях зарегулированного режима. 63

12.2. Заиление и занесение водохранилищ.. 65

12.3. Изменение русловых процессов при преобразовании русел рек. 66

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1. Основные понятия

Речной сток в широком смысле — это главный элемент материкового звена глобального круговорота вещества и энергии. Речной сток — это одновременно и характеристика количества стекающей воды, и процесс стекания воды в речных системах.

Водные потоки, воздействуя на земную поверхность, производят разрушение и смыв слагающих ее горных пород и почв, перемещение разрыхленного материала вниз по течению и, наконец, отложение (или многократное переотложение) последнего на относительно низких уровнях либо там, где поток прекращает свое существование (например, втекая в водоем).

Все водные потоки на поверхности суши делятся на три основных звена:

а) нерусловые потоки талых или дождевых вод, текущие по поверхности склонов и производящие смыв почвы;

б) русловые временные потоки, текущие по оврагам и балкам и производящие размыв покровных пород;

в) реки — постоянные русловые потоки, протекающие в долинах, нередко врезанных в коренные породы вплоть до некоторого базисного уровня.

Продукты эрозии перемещаются потоками первого (верхнего) звена только в пределах длины склона, потоками второго звена — до ближайшего местного базиса эрозии. Лишь реки переносят твердый материал на большие расстояния

Во всех звеньях прослеживается тесная связь между эрозией и аккумуляцией. Эрозионно-аккумулятивные процессы в этих звеньях расчленяются на процессы эрозии почв, овражной эрозии и русловых процессов. Эрозия почв и овражная эрозия часто объединяются термином эрозионные процессы временных потоков.

В отличие от них русловые процессы в реках непрерывны и постоянно изменяются в зависимости от водного режима. Интенсивность, характер и направленность русловых процессов определяются взаимодействием движущейся воды, перемещаемых водой наносов и слагающих ложе потока грунтов. Под влиянием этого взаимодействия возникают различные формы русла, которые, в свою очередь, становятся фактором, влияющим на гидравлические параметры потока.

Количество твердого материала, перемещаемого водными потоками с материков в океаны и в большие глубокие озера, составляет около 17, 0 млрд. т/год. Кроме того, около 3, 5 млрд. т/год растворенных веществ переносится реками и подземными водами, разгружающимися непосредственно в океан. Лишь 3 млрд. т/год перемещают с суши в море остальные виды денудации — ветер, ледники.

1.2. Развитие исследований русловых процессов

На протяжении нескольких веков, в соответствии с запросами практики, речные русла оказались предметом исследований естественных (гидрологии и геоморфологии) и технических (гидротехники и гидродинамики) дисциплин, на основе которых получено решение многих общих и частных задач русловых процессов.

Первые исследования процессов в речных руслах относятся к средним векам. Уже Галилео Галилей (1564− 1642) консультировал проект спрямления излучин Тибра, разработанный с целью снизить уровни половодий, затопляющих Рим.

В XVIII—XIX вв. на реках Европы производились исследования для обоснования проектов улучшения судоходных условий. Проекты включали прогноз изменения глубины, что давало возможность определить экономический эффект намеченных работ.

Развернувшаяся в конце XIX — начале XX в. «борьба за глубины» между сторонниками выправления и углубления рек привела к необходимости научного обоснования целого комплекса проблем русловых процессов. Особенно обострились эти проблемы в связи с реализацией ряда неудачных проектов выправления рек. Между 1892 и 1904 годами был проведен ряд съездов российских деятелей по водным путям и ряд международных конгрессов по судоходству. В дискуссиях о способах улучшения судоходных условий зарождались первые научные представления о русловом процессе.

Потребность в прогнозах изменений глубин способствовала зарождению науки о русловых процессах как самостоятельной дисциплины, основоположниками которой в России были В.М. Лохтин и Н.С. Лелявский

В 1897 г. В.М. Лохтин опубликовал первую крупную научную работу «О механизме речного русла», в которой были заложены научные основы русловых процессов. Его основные идеи сводились к следующему. Деформации речных русел и пойм, и морфологические образования, являются следствием транспорта наносов, т.е. их переотложение в процессе перемещения их потоком вниз по течению. Основную их часть поток получает со своего водосбора. Количество наносов, поступающих в поток, для последующего транспортирования им до водоприемника будет зависеть от уклонов водосбора (определяют скорости стекания), слагающих их грунтов (определяют состав и крупность наносов) и расходов воды (водности). Первым исследователем скоростной структуры речных потоков, был современник Лохтина, Н.С. Лелявский, разработавший схемы течений.

Среди зарубежных исследователей конца ХIX ― начала XX вв. первую очередь выделяется французские инженеры Л. Фарг, установивший ряд закономерностей формирования речных излучин и Г. Жирардон, предложивший первую классификацию речных перекатов.

После Октябрьской революции в Советском Союзе начинается интенсивное изучение рек. В Ленинграде и в Москве формируются крупные научные центры. Так, уже в 1919 г. в Ленинграде был организован Государственный гидрологический институт, а несколько позднее ― Всесоюзный научно-исследовательский институт гидротехники имени Б.Е. Веденеева. В Москве изучение русловых процессов в основном концентрируется в Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова.

Именно в этот период бурно развиваются исследования в области русловых процессов, связанные с именами таких ученых, как М.А. Великанов, В.Н. Гончаров, В.М. Маккавеев и других, разработавших теоретические основы русловых процессов и сформировавших их в самостоятельную дисциплину.

После создания Московского гидрометеорологического института в 1930 г., в нем, усилиями М.А.Великанова, был создан и прочитан курс лекций, названный им «Динамика русловых потоков», на основании которого в 1946 г. был издан первый учебник.

В работах многих гидрологов были установлены зависимости таких морфометрических характеристик русла, как ширина и глубина, от расходов воды, уклонов и грунтов. Среди них наиболее известны гидроморфологические зависимости М.А. Великанова, В.Г. Глушкова, имеющих наиболее обобщенный вид.

Дальнейшее развитие исследований по русловым процессам связано с ленинградской, московской и другими научными школами, имевшими хорошую экспериментальную базу (Н. Е. Кондратьев, И.В. Попов, Н.И. Маккавеев, Р.С. Чалов и др.). Крупные работы были выполнены и в ряде зарубежных стран: США, Англии, Нидерландах, Италии и др. (Л.Б. Леопольд и М.Ж. Вольман и др.).

В результате сформировалось два аспекта теории русловых процессов ― гидродинамический и гидроморфологический, имеющие свои области применения и существенно дополняющих друг друга. Их дальнейшее развитие направлено на создание единой теории русловых процессов, включающей достижения как гидродинамического, так и гидроморфологического аспектов.

Одновременно с теорией русловых процессов осуществляется разработка ее наиболее сложной составляющей ― теории пойм. На основе комплексного подхода к проблеме пойм была теоретически обоснована концепция, объединяющая в себе как морфологию, так и гидравлику пойм. В этом направлении следует отметить исследования Н.И. Маккавеева, И.В. Попова, Н.Б. Барышникова, Р.С. Чалова и др.

Результаты исследований на рубеже XX и XXI веков, посвященных различным аспектам движения наносов и русловых процессов, как в их естественном состоянии, так и при интенсивном антропогенном воздействии в результате гидротехнического строительстве, опубликованы в серии монографий Н.И. Алексеевского, Р.С. Чалова, и др. (в основном естественное состояние рек), К.М. Берковича, Н.Б. Барышникова и др. (при антропогенном воздействии на реки).

В XXI веке в РГГМУ под руководством Н.Б. Барышникова была выполнена разработка принципиально нового направления, посвященного роли русловых процессов в саморегулирующейся системе «бассейн ― речной поток ― русло» с учетом антропогенного воздействия на эту систему.

Интенсивные исследования выполнялись и в ряде зарубежных стран. Здесь в первую очередь следует отметить работы А. Раудкиви, Г. Чанга, Т. Чена и других, а также результаты исследований голландской лаборатории в г. Дельфте.

За последние годы выполнен значительный объем теоретических, лабораторных и натурных исследований, что позволило по-новому подойти к решению ряда принципиальных вопросов. Результаты этих исследований служат теоретической основой для проектирования водохозяйственных мероприятий и различных гидротехнических сооружений: регулирующих водохранилищ, мостовых переходов, ЛЭП, водозаборов и др.

1.3. Значение учения о русловых процессах для народного хозяйства

Крупные преобразования природных условий, вызванные сооружением водохранилищ, водозаборов, переброской стока, сведением лесов и распашкой земель, привели к существенным изменениям руслоформирующей деятельности рек. Изучение этих изменений, их закономерностей и масштабов имеет огромное научное и практическое значение. Исследователю приходится работать в своеобразной природной лаборатории, в которой в сравнительно сжатые сроки происходят процессы, протекающие в естественных условиях в масштабах исторического или геологического времени.

Распашка территорий, сведение лесов, неумеренный выпас скота и другие воздействия, обусловливающие уничтожение естественного растительного покрова, сооружение дорог — все это создает предпосылки для развития ускоренной эрозии почв и образования оврагов. Продукты смыва почв, поступая, в конечном счете, в речную сеть, оказывают влияние на морфологию и динамику речных русел. Происходит отмирание малых рек, обмеление перекатов на средних и даже крупных реках, активизируются размывы берегов и опесчанивание пойменных лугов. Поэтому при решении крупных народнохозяйственных проблем вопросы защиты почв от эрозии и регулирования речных русел должны рассматриваться в едином комплексе.

Изучение русловых процессов имеет большое значение для решения задач, выдвигаемых многочисленными запросами практики. Любая отрасль народного хозяйства, предприятия которой расположены в речных долинах или использующая водные ресурсы, в той или иной мере должна учитывать деятельность реки.

Одним из наиболее давних «потребителей» теории руслового процесса является водный транспорт. В Беларуси протяженность водных путей в настоящее время превышает 1, 8 тыс. км. Судоходство осуществляется по таким рекам, как Припять, Днепр, Березина, Сож, Неман и Западная Двина.

Для обеспечения постоянного улучшения судоходных условий в связи с ростом перевозок на речном флоте на реках проводятся работы по регулированию русел. Чтобы эти работы были достаточно эффективны, необходимо максимальное использование руслоформирующей деятельности самого потока. Поэтому познание закономерностей руслового режима рек и обоснование прогноза русловых деформаций составляют основу проектирования судоходных трасс.

Возведение крупных гидротехнических сооружений на реках требует прогнозов русловых деформаций, которые могут произойти вследствие изменения режима реки или создания нового базиса эрозии. В нижних бьефах гидроузлов размывы русла, особенно сильные на приплотинных участках, приводят к обсыханию водозаборов, снижению глубины на порогах шлюзов, потере устойчивости опор мостовых переходов и т. д. Если из-за недостаточного учета русловых деформаций возникает ошибка в прогнозе, то это приводит к большим дополнительным капиталовложениям на реконструкцию инженерных объектов.

Строительство мостовых переходов, водозаборов, набережных и других сооружений также не может обойтись без учета русловых процессов. Кроме того, все эти сооружения изменяют условия протекания речного потока и, следовательно, вызывают целый ряд новых явлений в его руслоформирующей деятельности, которые необходимо предвидеть, чтобы обеспечить сохранность и функционирование самого сооружения.

Проектируемые крупные переброски стока приведут не только к появлению искусственно созданных русел, но и вызовут изменения руслоформирующей деятельности рек-«доноров», из которых будет изыматься часть стока, и рек-«приемников», водность которых возрастает. Изучение деформаций самотечных каналов особенно актуально в условиях размываемых грунтов.

Важная область применения теории русловых процессов — сельское хозяйство, поскольку наиболее богатые луговые угодья располагаются на речных поймах; деятельность рек необходимо учитывать при разработке проектов их мелиорации. Известны случаи, когда распашка пойменных земель приводила к смыву почв и превращению лугов в непродуктивные пустоши на длительный срок. Вместе с тем в ряде районов поймы издавна используются под пашню и выращивание овощей.

Правильное управление русловыми процессами позволяет успешно проводить санитарную очистку рек, создавать условия для рассеивания сточных вод и тем самым бороться с загрязнением рек. Организация лесосплава, развитие лесомелиорации по берегам рек, проектирование через реки переходов ЛЭП и трубопроводов, рыбное хозяйство — все это также требует прогноза и учета русловых процессов.

Практика показала, что научно обоснованные прогнозы русловых деформаций, приемы и методы регулирования русел экономически эффективны во всех отраслях народного хозяйства, связанных с использованием рек.

1.4. Русловые процессы и физико-географическая среда

Русловые процессы зависят от физико-географической среды, характеризующей ландшафт водосбора. Климатические факторы формирования стока, геоморфологическое строение территории и характер слагающих пород, почвенно-растительный покров, современные тектонические движения, колебания отметок базисов эрозии — таковы основные естественные факторы русловых процессов, определяющие различия в их формах, интенсивности и направленности проявления.

Русловые процессы в такой же мере зональны, как и другие географические процессы. Степень проявления каждого из физико-географических факторов изменяется в зависимости от размеров бассейна и соотношения с другими факторами. Чем больше площадь водосбора, тем равномернее (при прочих равных условиях) сток реки и тем меньшую эрозионно-транспортную работу выполняет единица объема воды. От размера водосбора и его формы зависит количество ландшафтных зон, которые входят в границы бассейна.

Подавляющее большинство малых бассейнов располагается в пределах только одной зоны, тогда как режим крупнейших рек и рек с сильно вытянутым водосбором отражает влияние ряда зон. Это определяет величины модуля стока и долю относительного участия эрозионно-аккумулятивных процессов в формировании количества и состава наносов в реках.

Познание русловых процессов невозможно без анализа тех изменений руслообразующих условий и русловых форм, которые испытала в различные этапы эволюции данная река. При смене природной обстановки на водосборе (колебания влажности, изменения характера растительного покрова и т. п.) происходит усиление или ослабление процессов денудации. Это обусловливает аккумуляцию наносов в русле или глубинную эрозию.

Изменения водности реки, внутригодового распределения стока, степени его естественной зарегулированности приводят к смене одного типа русла другим (извилистое трансформируется в разветвленное или наоборот), уменьшению или увеличению темпов русловых деформаций.

В естественных условиях изменения крупных русловых форм протекают медленно и проявляются в морфологии речных долин и строении аллювиальных толщ. Под влиянием хозяйственной деятельности скорость этих процессов может быть изменена на порядки величин.

Эрозионно-аккумулятивные и русловые процессы нельзя рассматривать как цепи явлений, развитие которых происходит изолированно от физико-географической среды, без учета конкретных особенностей, характеризующих ландшафт водосбора. Водные потоки и их водосборы необходимо рассматривать в тесной взаимосвязи и взаимообусловленности.

РЕЧНОЙ СТОК

2.1. Формирование речного стока

Крупнейшему русскому климатологу А. И. Воейкову принадлежит выражение «реки — продукт климата». В этом определении подчеркивается ведущая роль климатических условий в формировании рек и их режима. Вместе с тем не следует забывать, что и другие компоненты природной среды (рельеф, почвы и растительность, геологическое строение и др.), а также хозяйственная деятельность человека влияют на сток рек и формируют их природный облик.

Если, по образному выражению географов, вода — это кровь ландшафта, то реки — это кровеносная система ландшафта, переносящая вещество и энергию и преобразующая сам ландшафт.

В этой связи важнейшее значение приобретает понятие «сток». Стокв широком смысле (как его понимал известный гидролог С. Д. Муравейский) — это процесс стекания воды с водосборов вместе с содержащимися в ней веществами и теплотой. Поэтому речной сток — важнейший элемент материкового звена глобального круговорота воды и веществ, а также мощный геологический агент, главнейший фактор, определяющий взаимосвязь между различными объектами суши и гидросферы.

Речной сток формируется в результате поступления в реки вод атмосферного происхождения, при этом часть атмосферных осадков стекает с реками в океан или бессточные озера, другая часть — испаряется. Однако при единстве атмосферного происхождения, в конечном счете, всех речных вод непосредственные пути поступления вод в реки могут быть различными.

Выделяют четыре вида питания рек: дождевое, снеговое, ледниковое и подземное. Атмосферное происхождение вод, участвующих в дождевом, снеговом и ледниковом питании рек, очевидно и не требует пояснения. Подземное же питание рек также формируется, в конечном счете, в основном из вод атмосферного происхождения, но прошедших более сложный путь. Оно определяется характером взаимодействия подземных (грунтовых) и речных вод. Направленность и интенсивность этого взаимодействия зависят от взаимного положения уровня воды в реке, высоты водоупора и уровня грунтовых вод, в свою очередь зависящего от фазы водного режима реки и гидрогеологических условий. В случаях постоянной гидравлической связи реки и грунтовых вод с переменным направлением их движенияреки получают подземное питание в течение всего года, кроме пика половодья.

Именно подземное питание обусловливает постоянство или большую продолжительность стока реки в течение года, что и создает в конечном итоге реку.

2.2. Количественные характеристики речного стока

Рассмотрим основные характеристики речного стока, применяемые в гидрологии и при изучении русловых процессов.

Расход воды Q, м³/с ― объем воды, протекающий через живое сечение потока в единицу времени (секунду):

Q = ω v_ср, (2.1)

где ω ― площадь поперечного (живого) сечения потока, м²;

v_ср ― средняя скорость течения, м/с.

Модуль стока , л/с× км² ― объем воды в литрах, стекающий в секунду с квадратного километра площади бассейна; для годового стока:

^,(2.2)

где ― среднегодовой расход воды, м³/с;

F ― площадь водосбора, км².

Объем стока W, млн. м ³ (м³, км³) ― количество воды, стекающее с бассейна реки за какой-либо промежуток времени (год, сезон, месяц и т.д.); для годового стока:

, (2.3)

где ― среднегодовой расход воды, м³/с;

Т ― количество секунд в году, равное в среднем 31, 56 млн.

W ― объем стока, млн. м³/год.

Слой стока h, мм ― объем воды, стекающей с бассейна реки за какой-либо промежуток времени (год, сезон, месяц и т.д.), выраженный в виде водного слоя; для годового стока:

^,(2.4)

где W ― объем стока, м³.

F ― площадь водосбора, км².

Величина слоя стока h (мм) используется при воднобалансовых расчетах, в которых она сопоставляется с атмосферными осадками, испарением, при построении карт стока и в других случаях.

Коэффициент стока η (безразмерная величина, меньшая единицы) ― отношение величины стока h (мм) к величине атмосферных осадков х (мм), выпавших на площадь бассейна реки:

^.(2.5)

Величина коэффициента стока η показывает, какая часть атмосферных осадков, выпавших на площадь бассейна реки, преобразуется в речной сток.

2.3. Влияние физико-географических условий на речной сток

Основными факторами и условиями формирования речного стока являются климатические условия, геоморфологические (рельеф) факторы, почвенно-гидрогеологические условия, растительный покров и геологические условия (тектоника).

Климатические условия. Объем речного стока и его режим находится в тесной зависимости от условий, определяющих соотношение тепла и влаги. Для того чтобы существовала река, количество атмосферных осадков, выпавших на водосбор, должно быть достаточным для поддержания постоянного течения и компенсации потерь на испарение, транспирацию, фильтрацию в грунты и т.д.

Минимальная величина годового слоя осадков, необходимая на образование и существование рек, составляет в средних широтах 250 мм, в субтропиках ― 500 мм, в тропиках ― 700− 1000 мм. Вместе с тем, существуют транзитные реки, питающиеся водой во влажных областях, водность которых настолько значительна, что они могут пересекать засушливые территории, теряя лишь часть воды, но полностью не пересыхая (например, Нил).

Неравномерность выпадения осадков в сезонном разрезе сказывается и на неравномерности стока. В зоне умеренного климата основной объем годового стока формируется в результате снеготаяния. В засушливом климате сток более изменчив: в периоды длительного отсутствия дождей он может временно отсутствовать, при этом на максимальный сток большое влияние оказывает интенсивность и продолжительность ливней (зона муссонного климата и т.д.).

Геоморфологические факторы (рельеф). Характер рельефа водосбора определяет уклоны и густоту речной и овражно-балочной сети. Большая величина крутизны склонов и уклонов русел способствуют возрастанию скоростей стекания воды со склонов и скоростей течения в руслах, а, следовательно, и к увеличению речного стока.

Почвенно-гидрогеологические условия. Влияние этих условий проявляется в форме аккумуляции воды в почвогрунтах. Чем больше водопроницаемость пород и мощнее отложения, тем больше подземная емкость и ее регулирующая способность. В областях с сильно развитым карстом склоновый сток поглощается карстовыми воронками, доля подземного питания в стоке при этом повышенная (по сравнению с зональными величинами. Чем глубже врезаны долина и русло, тем больше водоносных горизонтов участвует в питании реки.

Растительный покров. Растительный покров, влияя на интенсивность снеготаяния и скорость стекания воды по земной поверхности, тем самым оказывает воздействие и на водный режим. Влияние леса на режим стока проявляется двояко. С одной стороны, за счет запаздывания снеготаяния в лесу, весеннее половодье затягивается; с другой стороны, за счет большой инфильтрационной способности лесных почв и лесной подстилки, значительная часть поверхностного стока переходит в подземный. В результате этого сток с залесенных участков происходит более равномерно, чем с безлесных.

Геологические условия. Тектонические движения земной коры могут вызвать миграцию рек, изменение режима стока и интенсивности эрозии.

Во многих районах существенное влияние на величину и режим речного стока оказывает хозяйственная деятельность (ее влияние на русловые процессы рассмотрено в последующих разделах).

Заметное влияние на величину и равномерность стока оказывает величина водосбора. Чем больше площадь водосбора, тем равномернее сток благодаря увеличению доли подземного (грунтового) питания. На больших водосборах более явно выражена зональность формирования стока, на малых водосборах существенный вклад вносят азональные факторы.

Поскольку условия и факторы формирования стока изменяются в пространстве, то и величина стока воды распределена по территории неравномерно. Получить объективное представление о пространственном распределении речного стока можно двумя путями:

1) анализируя изменение расхода воды или объема стока по длине реки;

2) рассматривая распределение по территории характеристик стока, не зависящих от площади бассейна и поэтому допускающих их картографирование, т. е. модуля (слоя или коэффициента) стока.

В качестве примера первого подхода к анализу пространственного распределения стока можно привести скачкообразное увеличение стока после впадения притоков, что приводит к увеличению площади водосбора главной реки.

При втором подходе анализируется распределение среднего многолетнего модуля (слоя или коэффициента) стока по территории.

Наиболее характерные особенности распределения среднего многолетнего годового модуля стока по территории Беларуси следующие:

а) широтная зональность, проявляющаяся в закономерном уменьшении модуля стока с севера на юг: от 7, 5 л/с∙ км² — на севере и северо-востоке до 3, 0 л/с∙ км² — на юге и юго-востоке, где в связи с удалением от источника влаги (Атлантического океана) наблюдается уменьшение осадков и стока.

б) увеличение стока на возвышенностях (Ошмянская, Минская, Городокская) и его уменьшение в пределах Полесской низменности (Припятского прогиба).

в) изменение стока (по сравнению с зональным), связанное с влиянием азональных факторов, особенно на водосборах малых рек (почвенно-гидрогеологические условия, растительность, хозяйственная деятельность и т.д.).

ТИПЫ РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА

8.1. Типизация руслового процесса. Общая схема

Типизация руслового процесса ― это классификация форм речных русел и транспорта наносов в различных гидравлических условиях и на различных стадиях деятельности потока.

Наиболее полной схемой типизации руслового процесса является классификация, разработанная в ГГИ (Н.Е. Кондратьев, И.В. Попов) применительно к равнинным рекам. По уточненной схеме (2013 г.) выделено семь типов руслового процесса (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Типы руслового процесса (по ГГИ)

Приведенная типизация опирается на то положение, что при каждом типе руслового процесса возникновение и наличие характерных для него деформаций и русловых образований связано с изменением транспортирующей способности потока и роли донных и взвешенных наносов в руслообразовании.

С последовательным переходом от ленточногрядового и побочневого типа и далее, к свободному меандрированию, увеличивается извилистость русла, уменьшается степень использования рекой свойственного ей уклона дна долины и транспортирующей способности потока. Разветвление на рукава при незавершенном меандрировании, и далее, при пойменной многорукавности, выражает дальнейшее уменьшение транспортирующей способности потока, которая в итоге оказывается исчерпанной при свободном меандрировании.

8.2. Ленточногрядовый тип руслового процесса

Этот тип руслового процесса связан с перемещением по руслу ленточных гряд, занимающих всю ширину русла. На рис. 8.2. показан участок реки с элементами ленточногрядового руслового процесса и его показатели:

Рис. 8.2. Ленточногрядовый тип руслового процесса

l ― шаг гряды (м), т.е. расстояние между гребнями смежных гряд по средней линии русла;

∆ ― высота гряды (м), т.е. возвышение гряды над подошвой подвалья;

С ― скорость перемещения (сползания) гряды (м/год).

Ленточногрядовый тип руслового процесса возникает при наличии условий, ограничивающих плановые деформации речного русла: берега не размываются, поймы отсутствуют. Гряды образуются на прямолинейных участках реки с относительно крупными донными наносами. Они являются простейшей русловой формой первичных гряд.

В плане ленточная гряда имеет дугообразную форму с выпуклостью, направленной вниз по течению, а поперечном разрезе характеризуется постепенным повышением отметок в сторону изгиба. Длина ленточных гряд в несколько раз превосходит ее высоту. В условиях Беларуси длина самых больших гряд может достигать нескольких ширин русла (до 6 ― 8), а на очень больших реках мира их длина в несколько десятков, а иногда и в несколько сот раз превосходит ее высоту.

В межень высота ленточных гряд уменьшается, в период половодья ― возрастает. Скорость сползания гряд колеблется от 1 до 100 м/год (на очень больших реках). При резких снижениях уровня воды ленточные гряды могут образовывать одиночные осередки.

Этот тип руслового процесса в естественных условиях в Беларуси наблюдается редко и характерен для канализированных участков рек, а также для каналов.

8.3. Побочневый тип руслового процесса

Побочневый тип руслового процесса возникает как развитие ленточногрядового, когда замедляется транспорт наносов (вследствие уменьшения уклонов, скоростей и т.д.) и поток оказывается неспособным перемещать донные наносы в форме ленточных гряд.

Побочень ― часть перекошенной в плане ленточной гряды, обсыхающей в межень. На рис. 8..3. представлен участок реки с побочневым типом руслового процесса и его показатели:

Рис. 8.3. Побочневый тип руслового процесса

l ― шаг побочня (м), т.е. расстояние по прямой между двумя точками перегиба осевой линии русла;

b ― ширина русла в межень, м;

В ― ширина русла в половодье (между бровками противоположных берегов), м.

Этот тип руслового процесса характерен для участков рек, стесненных склонами долин, и чаще проявляется в сочетании с другими типами руслового процесса.

Гряды формируются в половодье. При спаде уровня прибрежная их часть обсыхает, образуя побочни, а направление течения становится извилистым. Побочни относительно друг друга располагаются в шахматном порядке. Побочень сохраняет основные особенности строения гряды: центральная и низовая его часть возвышенны; внешний, обращенный к реке склон ― более крутой, чем внутренний, обращенный к берегу.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒