ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РУСЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ

7.1. Основные направления в развитии теории руслового процесса

Русловой процесс ― постоянно происходящие изменения морфологического строения речного русла и поймы, обусловленные действием текущей воды.

Основоположниками теории руслового процесса были В. М. Лохтин, Н.С. Лелявскнй, Л. Фарг (конец XIX ― начало XIX вв.) в связи с работами по улучшению судоходных условий рек (см. пункт 1.2)..

В.М. Лохтин исследовал влияние уклона водной поверхности, изменения водности потока и сопротивляемости размыву грунтов, слагающих русло реки, на перемещение наносов и формирование русловых форм. Н.С. Лелявский занимался исследованием речных течений, влияющих на распределение глубин в речном русле.

В дальнейшем основным стало гидродинамическое направление руслового процесса, признающее взаимодействие потока и русла. Это направление относит теорию руслового процесса к речной гидравлике (А.В. Караушев и др.). Большая роль отводится изучению динамической структуры водного потока применительно к оценке стока воды и наносов для решения проблемы расчета русловых деформаций,

В последующие годы получило развитие гидролого-морфологическое направление теории руслового процесса (Н.И. Маккавеев, Н.Е. Кондратьев, И.В. Попов), основанное на типизации морфологически однородных русловых форм и образований и на определении скоростей их перемещения для разработки прогнозов русловых процессов большой заблаговременности. При такой трактовке задачей теории руслового процесса является изучение динамики русловых форм, определяющих тип руслового процесса.

Таким образом, в результате сформировались два направления теории русловых процессов ― гидродинамический и гидролого-морфологический, имеющие свои области применения и существенно дополняющие друг друга. Их дальнейшее развитие направлено на создание единой теории русловых процессов, включающей достижения как гидродинамического, так и гидроморфологического аспектов.

7.2. Взаимодействие потока и русла как основа руслового процесса

Как отмечено выше, русловые процессы проявляются во взаимодействии потока и русла реки. Конкретные проявления русловых процессов в виде изменения положения и размеров русла, поймы и отдельных русловых образований, т. е. в виде размыва или намыва дна и берегов, называют русловыми деформациями .

Физической причиной русловых деформаций является нарушение равновесия между транспортирующей способностью потока и фактической величиной расхода наносов на тех или иных участках речного русла. При превышении расхода наносов над транспортирующей способностью потока происходит размыв русла (эрозия), в противном случае — намыв русла (аккумуляция наносов). Происходящие деформации русла как бы стремятся создать постоянство расхода наносов по длине реки.

Русловые деформации подразделяют также на вертикальные, когда происходят изменения отметок дна русла, и горизонтальные, когда наблюдаются поперечные смещения русла. Обычно эти два вида русловых деформаций происходят одновременно, но в некоторых случаях преобладают первые, в некоторых — вторые.

Русловые деформации и русловые процессы подразделяют также на периодические (знакопеременные, обратимые) и направленные (необратимые).

К периодическим русловым деформациям относят такие изменения русла, которые неоднократно повторяются и после которых русло возвращается в первоначальное положение. Эти русловые деформации наблюдаются при движении донных гряд, развитии излучин и т. д.

Направленные русловые деформации выражены в односторонних изменениях русла как природного, так и антропогенного происхождения (при поднятии и опускании отдельных участков суши; при вековых изменениях отметки уровня воды, куда впадает река; при однонаправленном размыве или намыве, сопутствующих сооружению водохранилищ на реке и др.).

Русловые образования, подвергающиеся деформациям ― это скопления наносов, создающие характерные формы рельефа речного русла разного размера — микро-, мезо- и макроформы.

Рассмотрим подробнее эти формы рельефа речного русла.

7.3. Формы рельефа речного русла и их изменения

Микроформы речного русла ― это перемещающиеся в русле донные гряды, размеры которых меньше глубины русла. Они наиболее характерны для рек, русла которых сформированы песчаными отложениями.

После достижения скоростями течения некоторых значений наносы приходят в движение и формируются микроформы речного русла: небольшие донные гряды — рифели. По мере увеличения скоростей течения высота движущихся рифелей постепенно возрастает, и образуются донные дюны. При дальнейшем увеличении скоростей течения может произойти разрушение дюн: наступит так называемая гладкая фаза движения влекомых наносов. Наконец, при очень больших скоростях течения возникают песчаные стоячие волны, а затем антидюны, форма которых перемещается вверх по течению.

На рис. 7.1 в продольном разрезе показаны основные элементы донной гряды.

Рис. 7.1. Продольный профиль донной гряды

Вдоль по течению различают: пологий верхний лобковый откос и более крутой нижний тыловой откос; наиболее высокая часть гряды называется гребнем, а зона наиболее низких отметок за тыловым откосом ― подвальем гряды.

Русловые деформации при движении всех описанных выше микроформ (донных гряд) обратимы: после смещения гряды на всю ее длину дно потока в этом месте приобретает первоначальные отметки. Скорость смещения микроформ на реках обычно не превышает нескольких сантиметров или метров в сутки.

Высота донных гряд может изменяться от нескольких сантиметров до 4—6 м. На некоторых реках размеры гряд соизмеримы с глубиной русла. Обычно гряды меньшего размера накладываются на гряды большего размера, создавая целую «иерархию» микроформ речного русла, переходящими в мезоформы.

Мезоформы речного русла ― это те же донные гряды, но более крупных размеров, соизмеримых с поперечными размерами самого русла. К ним относятся перекаты, осередки и небольшие острова. Наиболее типичным видом мезоформы речного русла является крупная русловая гряда — перекат.

Перекат ― более или менее устойчивое образование в русле в виде поперечного вала из наносов, пресекающего русло под некоторым углом. Перекаты имеют следующие основные элементы (рис. 7.2):

Рис. 7.2. Общая схема переката

а ― план, б ― продольный профиль по фарватеру

1 ― верхняя коса, или верхние пески, расположена выше (считая по течению) корыта переката;

2 ― нижняя коса, или нижние пески, расположена ниже корыта переката (иногда верхнюю косу называют верхним побочнем, а нижнюю косу — нижним побочнем);

3 ― верхняя плёсовая лощина, или ложбина, — глубокая часть русла выше переката;

4 ― нижняя плёсовая лощина, или ложбина, — глубокая часть русла ниже переката;

5 ― седловина, или гребень, — наиболее повышенная часть вала из наносов, соединяющего верхнюю и нижнюю косы переката;

6 ― корыто переката — наиболее глубокая часть седловины, где обычно проходит фарватер;

7 ― напорный (верхний) скат — верховая часть седловины переката, обращенная к верхней плесовой лощине, обычно более пологая, чем низовая часть (подвалье);

8 ― подвалье — низовая часть, или тыловой скат, седловины переката, лежащая ниже вала переката и обращенная в сторону нижней плесовой лощины, обычно более крутая, чем напорный скат;

9 ― гребень (вал) ― наиболее мелководный участок фарватера над перекатом;

10 ― фарватер ― линия наибольших глубин вдоль реки;

11 ― изобаты;

12 ― затонская часть нижней плёсовой лощины.

Перекаты по своему строению бывают трех видов:

перевалы — перекаты с плавными и небольшими изменениями отметок дна без резко выраженного подвалья;

нормальные — перекаты с хорошо выраженным подвальем, но без резкого искривления фарватера,

перекошенные (сдвинутые) — перекаты с резким искривлением фарватера.

На подъеме половодья происходит намыв переката за счет размыва плёса, на спаде половодья и в межень — его размыв и занесение плёса. С течением времени перекаты могут передвигаться по течению так же, как передвигаются излучины реки. Например, на р. Волге перекаты смещаются вниз по течению со скоростью, достигающей 200− 300 м в период половодья, на Сырдарье ― 1 км/год.

Те перекаты, которые вследствие либо малых глубин на гребне, либо сильного искривления фарватера создают препятствие судоходству, называют лимитирующими.

На больших реках Беларуси глубина на перекатах уменьшается местами до
0, 4− 0, 8 м, что затрудняет судоходство на отдельных участках (например, на Днепре, Припяти, Соже, Березине, Западной Двине, Нёмане). Борьба с перекатами ведется главным образом землечерпанием.

Другие виды мезоформ речного русла:

— осередки — подвижные, не соединенные с берегами и не заросшие растительностью отмели; возникают на перекатах, вызывая разделение фарватера на его гребне на две ветви;

— остров ― часть поймы, ограниченная рукавами или протоками реки, устойчивая и закрепленная растительностью.

Макроформы речного русла — крупные, морфологически однородные участки речного русла, представленные относительно прямолинейными участками, извилинами (излучинами, меандрами), системами русловых и пойменных разветвлений.

Деформации в извилистых (меандрирующих) руслах представляют собой циклические процессы постепенного увеличения извилистости русла благодаря размыву его вогнутых берегов, развороту и смещению излучин (меандров), завершающиеся прорывом перешейка со спрямлением русла (рис. 7.3). Затем процесс развития излучин повторяется.

Рис. 7.3. Схема смещения и изменения формы излучины:

1 — участок размыва берега, 2 — старица

В излучинах находятся системы глубоких (плёсы) и мелких (перекаты) участков. Плёсы обычно приурочены к участкам русла с наибольшей кривизной, перекаты — к прямым (переходным) участкам русла между смежными излучинами.

Смещение и искривление излучин сопровождается значительными горизонтальными русловыми деформациями. Наибольшие размывы (достигающие десятков метров в год) приурочены к вогнутым берегам на изгибе русла, где в потоке возникает поперечная циркуляция.

Соотношения между плановыми очертаниями русла и распределением глубин были установлены Л. Фаргом на основе сопоставления кривизны русла и глубин по фарватеру. В общем виде взаимосвязь между кривизной русла и глубинами общеизвестна: глубокие места реки ― плёс ― располагаются на изгибах реки, где кривизна (т. е. величина, обратная радиусу кривизны) наибольшая.

Фарг расширил эти представления, и свои выводы сформулировал в следующей форме (закономерности Фарга).

1. Линия наибольших глубин вдоль по течению реки стремится прижаться к вогнутому берегу; песок и ил откладываются в форме пляжей или широких отмелей на противоположном выпуклом берегу.

2. Самая глубокая часть плёса и самая мелкая часть переката сдвинуты по отношению к точкам наибольшей и наименьшей кривизны вниз по течению приблизительно на ¼ длины плёса плюс переката.

3. Плавному изменению кривизны соответствует плавное же изменение глубин; всякое резкое изменение кривизны сопровождается резким изменением глубин.

4. Чем кривизна больше, тем больше и глубина плеса.

5. С увеличением длины кривой при данной ее кривизне глубина сначала возрастает, а потом убывает. Для каждого участка реки существует некоторое среднее, наиболее благоприятствующее глубинам значение длины кривой.

Наиболее сложными макроформами русловых образований являются поймы. Они формируются в результате отложений переносимых рекой наносов и плановых деформаций ее русла.

В период половодья (паводков) речная вода выходит из берегов меженного русла и затопляет пойму. Таким образом, руслом потока в этот период является меженное русло вместе с поймой. При колебаниях уровня воды интенсивной деформации подвергаются как русло, так и пойма.

В меандрирующих руслах усиливается размыв вогнутого берега излучины и происходит отложение наносов у выпуклого. Формируются пляжи. Вдоль внешнего края пляжа возникают косы и заструги (наносные образования, которые являются результатом причленения к берегу песчаных гряд на спаде уровня). Вытянутое водное пространство между косой и берегом называется затоном.

Косы и пляжи зарастают растительностью, что усиливает аккумуляцию наносов при последующем затоплении. Они увеличиваются в размерах и постепенно способствуют образованию береговых валов. Эта форма наносного образования характерна для рельефа поймы.

Современный рельеф поймы оказывается весьма сложным. Ее поверхность может быть расчленена протоками, старицами, расположенными между гривистыми повышениями, часто дугообразной формы. Очевидно, при разных типах плановых деформаций русла будут создаваться и различные типы пойм.

Условно в пойме выделяют три части: прирусловую — более повышенную часть, центральную — несколько более низкую и ровную, и притеррасную — наиболее пониженную, имеющую вид заболоченной ложбины, прилегающей к коренному склону долины или террасы.

Все сказанное справедливо по отношению к равнинным рекам. Русловые деформации горных рек менее изучены.

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.

Все русловые деформации проявляются в виде сползания гряд (при отсутствии существенных плановых смещений берегов русла), а также в сезонных изменениях отметок русла (в период половодья размываются плёсы и наращиваются перекаты, в межень происходит обратный процесс).

В Беларуси побочневый тип руслового процесса, вместе с ленточно-грядовым, отмечается на участках рек общей длиной, составляющей 10 % от суммарной длины рек Беларуси. Он характерен в северной, наиболее возвышенной, части республики ― на отдельных участках рек: Западная Двина и ее притоках (Межа, Каспля, Лучоса, Оболь), Нёман, Вилия (с притоком Ошмянка), Днепр, а также на участках рек, протекающих у Мозырской гряды.

8.4. Ограниченное меандрирование

Ограниченное меандрирование наступает при дальнейшем развитии побочневого процесса вследствие уменьшения транспортирующей способности потока. Оно развивается на реках с узкой поймой (односторонней или чередующейся) и характеризуется систематическим сползанием вниз по течению слабовыраженных извилин при сохранении ими плановых очертаний. На рис. 8.4 показан участок реки с элементами ограниченного меандрирования:

Рис. 8.4. Ограниченное меандрирование

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

a ― угол разворота излучины, образованный касательными, проведенными через точки перегиба;

b ― ширина русла в межень, м;

В_м― ширина пояса меандрирования (м), т.е. расстояние между линиями, огибающих вершины излучин;

mm ― участок подмываемого берега.

Скорость сползания излучины (м/год) ― отношение длины пути, пройденного точкой перегиба русла, к периоду времени, за которое этот путь пройден; определяется сопоставлением разновременных топо- и аэросъемок участка реки.

В отличие от ленточногрядового и побочневого типов руслового процесса, деформации захватывают не только русло реки, но, в результате плановых смещений русла, распространяются и на пойму. Ограниченное меандрирование свойственно рекам, русла которых стеснены склонами долин, уступами террас и устойчивыми береговыми валами. В межень наблюдается размыв перекатов с намывом их в половодье, на плёсах же происходит обратный процесс. Скорость сползания излучин на больших реках достигает 3− 5 м/год.

В Беларуси ограниченное меандрирование отмечается на участках рек общей длиной, составляющей 5 % от суммарной длины рек Беларуси. Он встречается преимущественно в северной и центральной (возвышенных частях) Беларуси ― на участках рек: Западная Двина (с притоками Лучоса, Усвейка, Эсса, Улла и др.), Нёман (с притоками Вилия, Западная Березина и др.), Днепр, Сож (с притоком Проня), а также на верховых участках притоков Припяти и
Березины.

8.5. Свободное меандрирование

Этот тип меандрирования возникает при отсутствии факторов, препятствующих перемещению русла реки в плане. Он развивается на реках с широкой долиной и поймой. Свободное меандрирование может быть количественно охарактеризовано следующими параметрами (рис. 8.5):

Рис. 8.5. Свободное меандрирование

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

a_вх ― угол входа в излучину, т.е. угол между касательной в верховой точке перегиба и линией шага излучины;

a_вых ― угол выхода из излучины, т.е. угол между касательной в низовой точке перегиба и линией шага излучины;

S ― длина излучины (м), т.е. расстояние между точками входа и выхода по осевой линии русла;

a_р ― угол разворота, равный сумме углов: a_р = a_вх + a_вых.

В процессе свободного меандрирования наблюдается цикличность развития излучин: русла проходят последовательные стадии развития от слабоизогнутых до петлеобразных. Цикл развития завершается прорывом перешейка излучины, что ведет к отчленению изгиба русла и образованию старицы. После этого цикл развития повторяется.

В половодье нарастают перекаты и развиваются плёсы, а в межень происходит обратный процесс. Скорость смещения (размыва) вогнутых берегов излучин рек Беларуси колеблется от первых метров до 18 м/год (р. Припять).

Этот тип руслового процесса получил наибольшее распространение в Беларуси. Оно обнаружено на участках рек общей протяженностью, составляющей ⅔ от суммарной длины рек Беларуси. Особенно четко эта разновидность меандрирования представлена на реках Припять, Птичь, Березина, Свислочь, Друть, Нёман, Сож, Беседь, Ипуть, а также и на других реках, некоторые из которых свободно меандрируют почти на всем протяжении. На больших реках участки свободного меандрирования имеют значительное протяжение (Днепр ― 375 км, Нёман ― 240 км, Западная Двина ― 100 км).

8.6. Незавершенное меандрирование. Пойменная многорукавность

Незавершенное меандрирование осуществляется на реках, имеющих низкие, хорошо затопляемые поймы, когда цикл развития излучины нарушается образованием спрямляющего потока. На рис. 8.6 приведен пример незавершенного меандрирования и его показатели:

Рис. 8.6. Незавершенное меандрирование

S_р― длина излучины основного русла (м), т.е. расстояние между точками входа и выхода по осевой линии русла;

S_пр― длина спрямляющего протока (м), т.е. расстояние между точками входа и выхода по прямой линии.

При незавершенном меандрировании происходит прорыв перешейка излучины до достижения ею петлеобразного очертания (поэтому оно и называется незавершенным) путем образования спрямляющего протока (рукава, воложка), в который затем переходит главный поток, а прежнее русло отмирает. Новое русло повторяет описанный цикл. Такой процесс длится несколько лет, иногда и десятилетий.

Интенсивное развитие этого типа руслового процесса создает благоприятные условия для расчленения поймы многочисленными протоками. В результате возникает достаточно самостоятельная разновидность процесса незавершенного меандрирования ― пойменная многорукавность (рис. 8.7).

Рис. 8.7. Пойменная многорукавность

При развитии этого процесса на участке поймы река протекает несколькими рукавами большой протяженности. При этом отдельные рукава могут рассматриваться как самостоятельные реки А, Б и В.

Незавершенное меандрирование и пойменная многорукавность получили в Беларуси менее широкое распространение, чем свободное меандрирование. Они отмечены в руслах и поймах рек Днепр, Березина, Сож, Ипуть, Нёман, Вилия, Припять, Ясельда, Пина, Бобрик, Цна и др.

8.7. Осередковый тип или русловая многорукавность

Этот тип руслового процесса возникает как развитие ленточногрядового типа
(см. рис. 8.2) вследствие большой насыщенности потока донными наносами (превышающей его транспортирующую способность), вызывающей активный процесс аккумуляции.

Река образует широкое распластанное русло, по которому движутся либо расчлененная гряда, либо ряды этих гряд. Возвышенные части гряд, обсыхая в межень, образуют осередки, которые в условиях длительной межени могут превращаться в острова (рис. 8.8).

Рис. 8.8. Осередковый тип (русловая многорукавность)

Одним из показателей этого типа руслового процесса является плотность осередков:
k =f / F, где f ― площадь осередков на участке; F ― площадь всего участка, ограниченная створами I и III (см. рис. 8.8).

Осередковый тип руслового процесса не получил широкого распространения на реках Беларуси (ввиду небольших значений мутности и стока речных наносов) и встречается лишь фрагментарно на отдельных участках.

Таким образом, развитие руслового процесса от исходной ленточногрядовой формы может происходить или в порядке последовательного перехода к побочневому типу процесса, и далее ― к ограниченному, свободному (незавершенному) меандрированию, или путем перехода непосредственно от ленточногрядового к осередковому типу руслового процесса.

Первая линия эволюции грядового движения наносов происходит при условии закономерно меняющихся условий транспорта наносов, водности потока и ограничивающих условий.

Вторая линия эволюции грядового движения наносов, приводящая непосредственно от ленточногрядового к осередковому типу руслового процесса и русловой многорукавности, связана с возрастанием загрузки потока наносами выше его способности транспортировать их в форме ленточных гряд и побочней.

Первая линия эволюции характерна почти для всех рек Беларуси, вторая ― встречается очень редко, ввиду небольших значений мутности и стока речных наносов. Наиболее распространенными типами русловых процессов является меандрирование всех типов (более 80 % общей длины речной сети), особенно свободное меандрирование, охватывающее ⅔ общей длины речной сети Беларуси.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒