УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЧНОГО РУСЛА

9.1. Гидроморфологические зависимости

В процессе длительного взаимодействия потока и русла между его морфометрическими и гидравлическими характеристиками устанавливаются определенные соотношения, которые получили названия гидроморфологических зависимостей.

Связывая между собой параметры русла и гидравлические элементы, эти зависимости позволяют использовать их для оценки (прогноза) русловых деформаций при проектировании гидротехнических сооружений и в других практических целях.

При определенных сочетаниях факторов руслового процесса возникают вполне определенные формы русла, устанавливаются характерные соотношения: например, между шириной, средней глубиной ― с одной стороны, и расходом воды и уклоном ― с другой и т.д. Установив эти соотношения и зная, какие значения примут расход воды и уклон при зарегулированном режиме, можно получить представление, как изменится ширина и глубина потока в условиях этого измененного режима.

Попытки найти связь между гидравлическими элементами потока и морфометрическими характеристиками русла делались еще в начале XX века. Так, в 1924 г.
В.Г. Глушков, на основании на обработки обширного гидрометрического материала, установил соотношение между шириной и средней глубиной русла следующего вида:

(9.1)

где Г ― безразмерный коэффициент Глушкова;

В ― ширина русла, м;

h_ср ― средняя глубина русла, м;

Коэффициент Г оказался равным: для равнинных рек с песчаным руслом ― в среднем 5, 5; для горных рек он падал до 1, 4. Так, для р. Западная Березина в створе учебного гидрологического поста геостации БГУ при ширине реки 20 м и средней глубине 1 м, коэффициент Глушкова равен:

В последующем М.А. Великанов, С.И. Рыбкин и др. усовершенствовали соотношение (9.1) и установили морфометрические зависимости более общего вида. Так, М.А. Великанов ввел в формулу Глушкова средний диаметр наносов d_{ср (мм) и привел зависимость (9.1) к виду:}

(9.2)

Учитывая, что расход воды связан с шириной, средней глубиной и средней скоростью соотношением: Q = Bh_срv_ср, из зависимости (9.1) легко получить соотношения:

(9.3)

Следует отметить, что рассмотренные зависимости, как и все другие гидроморфологические зависимости, приведенные в работах других авторов, справедливы для условий, когда водный поток еще не выходит на пойму. В этот момент наблюдаются наиболее высокие средние скорости течения потока и максимальная размываемость русла реки. При таких условиях наблюдаемый расход воды в реке называется руслоформирующим расходом воды.

9.2. Руслоформирующий расход воды

При исследованиях процессов руслообразования всегда необходимо давать количественную характеристику гидравлических элементов потока. В каналах с неразмываемым правильным руслом, пропускающим строго зарегулированный сток, определение гидравлических характеристик потока не вызывает существенных затруднений. В естественном же русловом потоке (глубина, уклон и скорость течения которого непрерывно изменяются как по длине потока, так и во времени) определение гидравлических характеристик встречает ряд трудностей, непреодолимых в полной мере и при современном состоянии теории руслового процесса.

Для гидротехнических расчетов часто применяется так называемый руслоформи-рующий расход воды, под которым понимают такой расход, который в течение некоторого отрезка времени (обычно – гидрологического года) оказывает наиболее существенное воздействие на русло по сравнению с другими наблюдающимися за этот период расходами воды.

Достаточно универсального способа определения руслоформирующего расхода воды до сих пор не предложено. Для условий равнинных рек большинство гидрологов в настоящее время принимают в качестве руслоформирующего ― расход, соответствующий уровню воды, равному высоте бровок поймы.

Такое допущение сделано, например, при выводе формул, широко применяющихся в практике регулирования равнинных рек. Обосновать это допущение пытался В.Г. Глушков (1925), утверждавший, что для активного формирования русла необходимо определенное соотношение между глубиной и шириной потока. При разливе же половодья на пойме равнинной реки, по мнению В.Г. Глушкова, наступает «пассивное» состояние потока, не отражающееся существенно на формировании русла.

Таким образом, можно принять, что для равнинных рек руслоформирующий расход воды ― это такой расход, который наблюдается в реке до момента выхода воды на пойму. При этом в первом приближении в качестве руслоформирующего расхода Q_ф принимается расход воды, наблюдаемый при наибольшем заполнении коренного русла (без поймы). На первых этапах исследований его можно определить, используя данные систематических наблюдений на водпостах двумя способами.

1. По данным об абсолютных отметках воды при выходе ее на пойму. Они публикуются в гидрологических ежегодниках в разделе «Описание постов». В случае необходимости такие сведения можно получить при гидрографическом обследовании района водпоста перед началом половодья. Далее путем использования кривых расходов воды Q=f(H), можно рассчитать руслоформирующие расходы воды Q_ф и проводить их дальнейшую обработку в зависимости от цели и задач исследований.

2. Путём определения среднего многолетнего расхода воды за период весеннего половодья (многие гидрологи считают, что эта гидрологическая характеристика близка к величине руслоформирующего расхода воды):

(9.4)

Такое определение величины руслоформирующих расходов воды не учитывает процессы и особенности русловых образований разного порядка. Оно целесообразно лишь на первых этапах исследований. Для более точных расчетов Q_ф разработано множество региональных формул для отдельных участков рек. В них в качестве аргументов, кроме расходов воды и стока наносов различной обеспеченности, выступают ширина, глубина и шероховатость русла, уклон водной поверхности потока, ширина поймы и т.д. Это позволяет выявлять общие пространственные изменения руслового режима рек, а через них устанавливать региональные особенности морфологии и динамики русел, характер и интенсивность русловых переформирований рек каждого региона.

Можно отметить масштабные исследования по установлению морфометрических зависимостей и по определению руслоформирующих расходов воды, выполненные при проектировании крупных гидроузлов Волжского и Днепровского каскадов, на реках Сибири, Средней Азии и других регионов.

Огромный вклад в развитие этих исследований внесли С.И. Рыбкин, Н.А. Ржаницын, С.Т. Алтунин и др. При этом гидроморфологические зависимости устанавливались не только традиционно (применительно к глубине, ширине и т.д.), но и в отношении радиусов кривизны, размеров гряд донных наносов, излучин и других элементов русла.

9.3. Динамическое равновесие потока и устойчивость русла

Взаимодействие между потоком и руслом приводит к тому, что поток в размываемом русле стремится создать русловые формы с плавными очертаниями, наиболее соответствующими характеру течений, значениям скоростей и уклонов. Поток, сглаживая все резкие изломы русла, достигает понижения местных сопротивлений движению, а также уменьшения интенсивности размыва, т. е. повышения устойчивости русла.

Теоретически конечной стадией взаимодействия потока и русла должна явиться выработка наиболее устойчивой формы русла, в которой поток протекает при наименьшей затрате энергии на сопротивление. Поток будет находиться в состоянии динамического равновесия, при котором его размывающая энергия и сопротивление частиц грунта размыву в среднем уравновешиваются. Динамическое равновесие руслового процесса характеризуется тем, что для участка реки достаточно большой протяженности и однородного морфологического строения существует примерное равенство между объемами размывов и отложений, а, следовательно, между объемом наносов, переносимых потоком через верховой и низовой створы, ограничивающие участок.

Устойчивость речного русла, т. е. степень его противодействия размыву, тем больше, чем меньше скорости течения (и соответственно меньше размывающая способность потока) и чем больше сопротивляемость русла размыву (которая определяется крупностью наносов, формирующих дно). Принимая средний геометрический размер частиц за показатель сопротивления русла размыву, а уклон ― за показатель динамического воздействия потока на русло, М. В. Лохтин предложил характеризовать степень устойчивости речного русла особым безразмерным коэффициентом К_л, получившим название в литературе как Число Лохтина:

(9.5)

где d_ср — средняя крупность частиц донных наносов, мм;

i — уклон водного потока, ‰;

Имеются и иные модификации рассматриваемого критерия устойчивости русел (Н.И. Маккавеев, А.М. Великанов и др.).

По В.М. Лохтину, устойчивые русла, в которых отсутствует постоянное движение наносов, имеют К_л > 15÷ 20, у относительно устойчивых русел с постоянным перемещением влекомых наносов К_л ~ 5, наконец, у рек с неустойчивым руслом и весьма подвижным дном К_л < 1÷ 2.

Коэффициент К_л, для большинства равнинных рек колеблется от 1− 2 до 8− 10. В частности, по расчетам Н.И. Маккавеева, самым неустойчивым руслом из рек Беларуси (исследованных по этому критерию), характеризуется русло р. Припять (К_л колеблется в пределах от 1, 3 до 2, 1, увеличиваясь вверх по течению). Это связано в основном с преобладанием подвижных песчаных грунтов, слагающих ложе реки. На р. Березина (участок Светлогорск ― устье) К_л составил 2, 6; на р. Днепр (участок Речица ― Лоев) — 3, 8. Самым устойчивым оказалось русло р. Сож: на участке Гомель ― устье К_л составил 4, 3. Это связано с более крупным гранулометрическим составом грунтов, слагающих ложе реки на данном обследованном участке.

Реки с большим уклоном могут быть более устойчивыми, если диаметр частиц их ложа значительно больше. Так, например, р. Енисей имеет средний уклон, вдвое больший, чем
р. Волга, но ложе его состоит из гальки диаметром 2− 3 см и более, а ложе Волги — из песка диаметром 1− 2 мм. В связи с этим русло Енисея значительно более устойчиво
(К_л> 100), чем русло Волги в среднем и нижнем течении, где К_л колеблется в пределах от 8 до 10.

Устойчивые русла характерны для рек, донные отложения которых представлены галечным, галечно-валунным и валунно-глыбовым материалом. Русловые деформации на таких реках крайне медленны и невелики по масштабу. Таковы русла Алдана, Верхней Лены, Верхнего Енисея, Ангары, Верхней Камы, Чусовой, Белой и др.

Наименее устойчивы речные русла и их берега, сложенные мелкопесчаным и илистым материалом. К таким рекам относятся многие реки Средней Азии (например, Амударья), с исключительно интенсивными русловыми деформациями. В некоторых случаях на таких реках наблюдается такое явление, как дейгиш — быстрое и масштабное разрушение (сползание) берегов русел блуждающего типа в связи с резкими колебаниями уровня воды в реках, несущих большое количество мелкозернистых и илистых наносов.

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 678 9 10 11 Следующая ⇒