ЭРОЗИЯ, АККУМУЛЯЦИЯ И ТРАНСПОРТ НАНОСОВ

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

Механизм эрозии, транспорта и аккумуляции наносов, необходимо рассматривать как единую саморегулирующуюся систему «бассейн ― водный поток ― русло».

Вода, стекающая по земной поверхности, под действием силы тяжести непрерывно производит работу. Количество этой работы (энергия потока) зависит от массы стекающей воды и падения реки в пределах рассматриваемого участка.

Большая часть энергии потока расходуется на преодоление внутреннего сопротивления движению воды, возникающего вследствие трения частиц между собой. Остальная, меньшая часть энергии потока, представляющая в данном случае больший интерес, тратится на перемещение (транспорт) продуктов размыва с более повышенных мест бассейна в более пониженные.

Таким образом, этой энергией обусловливаются все процессы денудации, а именно:
1) смыв частиц грунта с поверхности (эрозия); 2) перенос (транспорт) частиц вниз по течению;
3) аккумуляция (отложение) частиц.

В свою очередь, образующиеся в результате эрозионно-аккумулятивных процессов формы рельефа русла, сами влияют на изменение гидравлических параметров потока (величину и распределение скоростей по глубине и ширине, соотношение между глубиной и шириной, распределению уклонов водной поверхности и т.д.).

Процессы эрозии и аккумуляции обычно могут иметь место одновременно на всем протяжении реки. Однако эрозионно-аккумулятивным процессам, происходящим в различных физико-географических условиях, присущи некоторые общие черты и закономерности.

В верховых участках реки, где скорость течения значительна, эрозия (денудация) преобладает над аккумуляцией (отложением наносов) и русло реки постепенно углубляется. При этом размыв русла в глубину (глубинная эрозия) преобладает над размывом русла в плане (боковая эрозия).

В среднем течении процессы эрозии и аккумуляции взаимно уравновешиваются, вследствие чего продольный профиль реки на этом участке обычно находится в состоянии равновесия.

В низовом участке реки аккумуляция преобладает над эрозией, обусловливая постепенное повышение дна русла. Русловой процесс здесь проявляется главным образом в форме боковой эрозии. Подъем дна русла в нижнем течении вследствие речных отложений у рек, несущих большое количество наносов, может быть весьма значительным. На горных реках, выходящих на равнину, формируются конусы выноса (дельты).

Характер, интенсивность и направленность эрозионно-аккумулятивных процессов тесно связаны с физико-географическими условиями: особенностями климата, гидрологического режима реки, рельефа, почв, растительности водосбора и др., а также хозяйственной деятельностью.

Климат (величина атмосферных осадков, интенсивность дождей и снеготаяния, температура и влажность воздуха) определяет количество, интенсивность и распределение осадков по площади водосбора и во времени, а также водность и режим потоков, работа которых способствует смыву и транспорту твердых частиц вниз по течению.

Рельеф способствует усилению или ослаблению скоростей течения движущейся по поверхности водосбора воды, а, следовательно, и усилению или ослаблению размыва. Большое значение имеет величина уклонов и длина отдельных скатов поверхности как элемент, определяющий в основном скорость движения и интенсивность действия поверхностных вод.

Почвы, являясь объектом эрозии, содержат материал размыва и смыва, поступающий в русловую сеть, но в то же время они оказывают влияние на интенсивность движения воды, уменьшая в различной степени (в зависимости от водно-физических свойств, эрозионной устойчивости) количество движущейся по поверхности воды за счет просачивания и создавая различное сопротивление ее движению, что, в конечном итоге, сказывается и на формах русловых образований.

Растительный покров, увеличивая своей корневой системой связность почв, тем самым препятствует интенсивному развитию эрозионных процессов и предохраняет поверхность почвы от разрушения. Уничтожение естественного растительного покрова путем распашки поверхности водосбора или иными средствами, если оно проводится бессистемно и без должной борьбы за сохранение почвенного покрова, приводит к смыву плодородного почвенного слоя.

Основными видами хозяйственной деятельности, влияющими на эрозионно-аккумулятивные процессы, являются: дноуглубительные работы в целях поддержания судоходных глубин; гидротехническое строительство (водохранилища, водозаборы); сведение лесов и распашка склонов; орошение и осушение земель, и другие мероприятия на водосборах и в руслах рек.

Одни из перечисленных физико-географических факторов ― зональные, другие ― азональные. К зональным относятся климат, величина и распределение стока, рельеф, к азональным ― почвы, растительность, гидрогеологические условия и др. Такое деление факторов весьма условное и зависит от размера и особенностей рассматриваемого региона (водосбора). Так, например, для Беларуси, как отмечено выше, характерно уменьшение модуля стока с севера и северо-востока на юг и юго-восток за счет уменьшения увлажненности атмосферными осадками, расчлененности рельефа и т.д.

Перенос продуктов размыва, в зависимости от их веса и скорости течения реки, осуществляется в виде взвешенных и донных (влекомых по дну) наносов.

6.2. Общая характеристика и классификация речных наносов

Речные наносы ― твердые минеральные частицы, переносимые водным потоком и формирующие русловые и пойменные отложения. Они образуются из продуктов денудации горных пород и эрозии почв. В зависимости от характера движения в водном потоке речные наносы подразделяются на взвешенные и донные (влекомые). Промежуточным типом являются сальтирующие наносы, движущиеся скачкообразно в придонном слое; наносы этой промежуточной группы условно объединяют с донными.

Такое подразделение речных наносов носит условный характер, так как в зависимости от крупности наносов и скорости течения те или иные твердые частицы могут находиться во взвешенном состоянии или перемещаться по дну русла. Большая часть взвешенных наносов является транзитной и переносится течением по руслу реки до ее устья. Большая же часть донных наносов задерживается на отдельных участках реки и принимает участие в формировании русла.

Наиболее важными характеристиками речных наносов являются: гранулометрический состав, средняя геометрическая крупность, удельный вес (плотность), гидравлическая крупность.

Гранулометрический состав ― распределение наносов по размерам частиц (фракциям). При этом принята следующая шкала (в мм):

Глина……………….…..0, 001

Ил……………………0, 001− 0, 01

Пыль…………….…….....0, 01

Гравий……….…………1, 0− 10

Галька………………..…10− 100

Валуны…………………> 100

Средняя геометрическая крупность (d_ср), или средневзвешенный диаметр частиц, рассчитывается по формуле:

(6.1)

где d_ср ― средний диаметр частиц;

d_i ― диаметр i-той фракции;

P_i ― вес данной фракции в процентах от общей.

Удельный вес (в некоторых источниках ― плотность) ― вес частицы в единице объема (г/см³); для речных наносов изменяется в узких пределах и обычно принимается равным 2, 65 г/см³.

Гидравлическая крупность (w) ― скорость осаждения частиц в неподвижной воде (мм/с). Она зависит от диаметра частиц и температуры воды (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Гидравлическая крупность частиц при температуре воды 15° С

(по А.В. Караушеву)

Диаметр частиц, мм	1, 0	0, 5	0, 2	0, 1	0, 05	0, 01	0, 005	0, 001
Гидравлическая крупность, мм/с						0, 08	0, 03	0, 0008

6.3. Движение и сток взвешенных наносов

Взвешенные наносы ― твердые частицы, переносимые потоком во взвешенном состоянии. Взвешивание осуществляется в турбулентных потоках под влиянием восходящих пульсационных вихревых токов. Вихри, возникающие в придонном слое, захватывают частицы наносов и поднимают их в толщу потока. Частицы, вовлеченные внутрь потока, движутся вместе с водой, находясь под воздействием переменных по величине и направлению пульсационных скоростей.

На турбулентный перенос накладывается явление падения частиц под действием силы тяжести. В результате возникает сложный характер движения частиц. В процессе вертикального движения частица может опуститься до дна и смешаться с донными отложениями, оставаясь в них до момента, когда над ней вновь пройдет достаточно мощный вихрь и вновь увлечет ее в толщу потока.

Таким образом, твердые частицы могут находиться во взвешенном состоянии в том случае, когда вертикальная составляющая скорости течения превосходит гидравлическую крупность, то есть:
v⁺≥ w. При обратном соотношении частицы будут осаждаться на дно, и начнется аккумуляция наносов или влечение их по дну. Вертикальная составляющая скорости растет с увеличением степени турбулентности потока и, следовательно, с увеличением скорости течения.

Таким образом, чем больше скорости, тем более крупные частицы находятся во взвешенном состоянии. По мере продвижения вниз по течению, в связи с уменьшением его скорости, размеры частиц, находящихся во взвешенном состоянии, будут уменьшаться, а аккумуляция наносов усиливаться.

Важнейшей характеристикой при движении взвешенных наносов в реках является мутность воды (ρ ) ― количество взвешенных веществ, содержащееся в единице объема воды (г/м³).

Мутность значительно меняется по живому сечению потока и во времени. Как правило, мутность возрастает от поверхности ко дну. Это увеличение происходит главным образом за счет крупных фракций наносов, увеличивающихся ко дну. Мелкие же фракции распределяются довольно равномерно по глубине потока. С увеличением водности, скорости и турбулентности потока распределение взвешенных наносов по вертикали становится более равномерным. По ширине реки мутность несколько возрастает к середине потока, но сильно меняется в зависимости от направления и циркуляции течений, впадения притоков, несущих большее или меньшее количество наносов, чем главная река и т. д. В период повышенной водности мутность воды возрастает.

В настоящее время в Беларуси систематические наблюдения за мутностью воды и стоком взвешенных наносов ведутся на 12 водпостах. Пробы отбираются батометром-бутылкой (рис. 6.1) интегральным (в двух точках ― 0, 2h и 0, 8 h) или точечным (в одной точке ― 0, 6 h) методами.

Рис. 6.1. Батометр-бутылка ГГИ с креплением на штанге

С помощью графика связи R=f(Q) по известным суточным значениям расходов воды Q рассчитываются соответствующие величины наносов R. Результаты наблюдений по
25 водпостам (с учетом закрытых) свидетельствует о том, что по сравнению со странами бывшего СССР территория Беларуси отличается небольшой средней годовой мутностью рек. На территории республики можно выделить две зоны мутности: малой (до 25 г/м³) и повышенной (от 25 до 50 г/м³). К зоне малой мутности (с равнинным рельефом) относятся бассейны рек Припять, Березина, нижние части бассейнов рек Западная Двина, Днепр и Сож. К зоне повышенной мутности (с возвышенным рельефом) относятся бассейны рек Нёман и Вилия, верхние части бассейнов Западной Двины и Днепра. Мутность во время весеннего половодья в среднем по Беларуси примерно в 1, 5 раза выше её средних годовых величин.

В пределах бывшего СССР южная граница зоны небольшой мутности совпадает с южной границей распространения лесной растительности. К югу располагается лесостепная зона с мутностью 50− 100 г/м³. Полупустыни Средней Азии, а также юг Западно-Сибирской и Русской равнин характеризуются среднегодовой мутностью рек 100− 500 г/м³, низовья Волги, Дона и Калача ― 500− 1000 г/м³, в Предкавказье и в бассейне Амударьи увеличивается до 5000 г/м³, на Кавказе ― местами до 10000 г/м³, в самой мутной реке мира ― Хуанхэ ― 250000 г/м³. Влияние азональных факторов на интенсивность эрозии, главным образом литологического состава пород, слагающих речные бассейны, наиболее отчетливо проявляется в горных районах.

Важнейшими характеристиками движения взвешенных наносов в реках, кроме мутности, являются расход, модуль и объем стока взвешенных наносов, определяемые по следующим формулам.

Расход взвешенных наносов ― количество наносов, проносимое потоком через поперечное живое сечение реки в единицу времени:

R = ρ Q ∙ 10^-3, (6.2)

где R ― расход взвешенных наносов, кг/с;

ρ ― мутность воды, г/м³;

Q ― расход воды, м³/с.

Cток взвешенных наносов ― количество наносов, проносимое потоком через поперечное живое сечение в единицу времени (например, в год):

∑ R = RT, (6.3)

где ∑ R ― годовой сток взвешенных наносов, тыс. т;

R ― расход взвешенных наносов, кг/с;

T ― количество секунд в году, 31, 56 млн.;

Модуль стока взвешенных наносов ― сток наносов в единицу времени (например, в год) с единицы площади (км²):

M_R = ∑ R ∙ 10³/ F, (6.4)

где M_R ― средний годовой модуль стока взвешенных наносов, т/км²;

∑ R ― годовой сток взвешенных наносов, тыс. т;

F ― площадь водосбора, км².

Из всех рек земного шара наибольшим стоком взвешенных наносов отличаются Амазонка и Хуанхэ (около 1, 2 млрд. т/год каждая), в Беларуси ― Днепр (до границы с Украиной) и Припять ― около 200 тыс. т/год каждая.

6.4. Движение донных наносов. Закон Эри

Донные (влекомые) наносы ― твердые частицы (песок, гравий, галька, валуны), перемещаемые потоком в придонном слое путем влечения или перекатывания, или чаще путем перебрасывания на относительно короткие расстояния (сальтация). В некоторых случаях эти наносы могут выбрасываться восходящими вихревыми токами на большую высоту, даже достигать поверхности потока.

Выделение донных наносов из общей массы транспортируемых потоком наносов является в некоторой мере условным, ибо с изменением гидравлических характеристик потока (глубины, скорости течения, уклонов и др.) непрерывно происходит переход некоторой части донных наносов во взвешенные и обратно.

Влечение частиц по дну обусловливается донной скоростью потока и размерами частицы. Эта закономерность отражена в законе Эри (формуле Эри):

P = Av⁶, (6.5)

где P ― вес частицы, влекомой потоком;

А — коэффициент, зависящий от формы и удельного веса частицы;

v — скорость, при которой эти частицы начинают двигаться.

Формула Эри показывает, что если скорость потока увеличится в 3 раза, то вес частицы, передвигающейся при этой скорости, увеличится в 729 раз. Вот почему на равнинных реках донные наносы состоят преимущественно из песка различной крупности, горные же реки переносят гравий, гальку, крупные валуны.

Для практических целей бывает необходимо определить начальную среднюю скорость потока, при которой начинается размыв донных отложений. В этом случае, заменяя донную скорость потока средней, необходимо учесть глубину потока. С увеличением глубины увеличивается и средняя скорость, при которой начинается перемещение наносов. Для расчета этой скорости (v_нач) разработан ряд формул. Так, формула Г. И. Шамова имеет вид:

v_нач = 4, 4d^1/3 h^1/6, (6.6)

где d ― средний диаметр частиц донных отложений, м;

h — средняя глубина, м;

Для перемещения по дну песка необходимы придонные скорости течения не менее 0, 10− 0, 15 м/с, гравия — не менее 0, 15− 0, 5, гальки — 0, 5− 1, 6, валунов — 1, 6− 5 м/с. Средняя скорость потока должна быть еще больше.

Крупность влекомых наносов изменяется по сезонам года, возрастая при паводках и уменьшаясь в межень. При больших скоростях течения донные наносы движутся большими массами. Размеры донных наносов постепенно уменьшаются по длине рек с уменьшением скоростей вниз по течению.

Количество влекомых наносов в равнинных реках мало. В условиях Беларуси доля донных наносов в общем стоке наносов реки (твердом стоке) составляет от 5 % ― в больших реках, увеличиваясь до 10 % ― в малых. Значительная часть донных наносов рек Беларуси входит в состав донных отложений и участвует в образовании русловых аккумулятивных форм — донных гряд, рифелей, кос, побочнейи т. д. Вопросы о движении донных гряд, как и о русловых формах, рассмотрены в одном из последующих разделов.

6.5. Транспортирующая способность потока. Сели

Рассматривая транспорт наносов в природных условиях, в ряде случаев оказывается целесообразным оценить этот процесс в целом, не подразделяя транспортируемые наносы на взвешенные и влекомые. Такой подход часто используется при прогнозах русловых деформаций. По существу он сводится к оценке транспортирующей способности потока, т. е. способности переносить определенное количество наносов данной крупности при определенных гидравлических характеристиках (уклон, скорость, глубина и т.д.).

Предельный суммарный расход как взвешенных, так и влекомых наносов (твердый сток), которые может переносить река называется транспортирующей способностью потока R_тр. Ее характеризуют либо предельным расходом взвешенных наносов, который способен транспортировать поток (R_тр), либо средней мутностью, отвечающей насыщенности потока наносами, при которой осуществляется транспортирующая способность потока (ρ _тр) при данном расходе воды Q:

R_тр = ρ _трQ, (6.7)

Для расчета транспортирующей способности потока существует несколько формул. Ниже приводится формула Е.А. Замарина, применяемая для равнинных рек:

(6.8)

где R_тр ― транспортирующая способность потока, кг/м³;

v_ср— средняя скорость течения, м³/с;

R — гидравлический радиус, м³/с;

i — уклон потока;

w — средневзвешенная гидравлическая крупность взвешенных наносов, м/с;

Если фактический расход взвешенных наносов в потоке соответствует его транспортирующей способности, то между процессами взвешивания и осаждения наносов в придонном слое наблюдается динамическое равновесие. В случае превышения расхода наносов над величиной R_тр происходит аккумуляция наносов, при обратном соотношении поток размывает русло. Это становится причиной русловых деформаций.

В горных районах, часто на небольших реках, возникают кратковременные паводки, несущие огромные скопления наносов. Эти скопления твердого материала придают потоку характер грязевого, грязе-каменного или водно-каменного. Потоки эти называются селями. Образуются сели в результате выпадения интенсивных дождей, реже — интенсивного снеготаяния. Движение селевых потоков носит пульсирующий заторный характер. При прорыве затора по реке проносится селевой поток, обладающий большой разрушительной силой. Продолжительность селей — от нескольких минут до нескольких часов. Во время их прохождения происходят интенсивные процессы размыва русла и отложения наносов.

Селевые потоки относится к особо опасным явлениям природы. Они обладают колоссальной силой и могут разрушать гидротехнические сооружения, здания и мосты, сносить под откос целые железнодорожные составы.

На территории бывшего СССР сели особенно распространены в Закавказье и Средней Азии, в Европе ― в Альпах, в Северной Америке ― в Кордильерах (район Лос-Анджелеса), а также в горных районах Южной Америки, Японии и др.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒