Деформация речного русла

Общие сведения. Для решения вопросов, связанных с эксплуатацией и улучшением водных путей, большое значение имеет изучение процессов, происходящих в результате взаимодействия речного потока и русла реки.

Под воздействием водного потока русло реки подвержено постоянным изменениям (деформациям). Основными факторами, определяющими характер русловых деформаций и формы речного русла, являются:

уклоны реки и скорости течения;

характер грунтов, слагающих русло и пойму реки;

рельеф речного бассейна, его почвенно-грунтовые и растительные условия, влияющие на объем поступления наносов;

водный режим реки, в частности интенсивность весеннего половодья и дождевых паводков;

характер ледовых явлений;

наличие на реке гидротехнических и сплавных сооружений.

Воздействие потока на речное русло проявляется в трех процессах: размыве русла (эрозии), переносе частиц грунта, образовавшихся в процессе размыва, и отложении этих частиц (аккумуляции). Все три процесса происходят одновременно на всем протяжении реки. Однако в зависимости от соотношения между скоростями течения и размерами частиц грунта, слагающих речное русло, на одних участках реки наблюдается преобладание размыва русла над отложением наносов, а на других, наоборот, накапливается больше грунта, чем размывается.

Процесс размыва преобладает в верхнем течении реки, а отложения – в нижнем течении.

Русловая эрозия бывает боковой и глубинной. Боковая эрозия вызывает уширение реки, перемещение русла поперек долины, развитие излучин, расчленение русла на рукава и др. Результатом глубинной эрозии является углубление русла реки.

Все разновидности деформаций речного русла можно разделить на две категории: периодические и постоянные.

П е р и о д и ч е с к и е д е ф о р м а ц и и ежегодно чередуются в определенной последовательности и изменяют форму русла на отдельных участках реки то в одном, то в другом направлении. Они не влекут за собой, как правило, длительных устойчивых изменений русла. Характерным примером таких деформаций является периодическое отложение наносов на перекатах во время подъема половодья и их последующее углубление при спаде уровней.

П о с т о я н н ы е д е ф о р м а ц и и вызывают необратимые изменения формы русла в одном и том же направлении в течение длительного периода времени. К таким деформациям относятся, например, размывы вогнутых берегов рек и отложение наносов на выпуклых берегах, вызывающие перемещения извилин русла по течению реки.

Устойчивость речного русла. Для оценки степени устойчивости речного русла различным деформациям в гидрологии введено понятие о коэффициенте устойчивости русла. Многие исследователи, вкладывая в это понятие различный смысл, предложили определять коэффициент устойчивости по разным формулам. Наибольшей известностью из них пользуется зависимость В. М. Лохтина.

Коэффициент устойчивости по В. М. Лохтину определяется соотношением

, (9.7)

где d_ср – средний диаметр частиц грунта, слагающих русло, мм;

I – уклон реки в промилях (падение в метрах на 1 км длины реки).

В зависимости от степени устойчивости русла М. А. Великанов делит реки на четыре основные категории:

1. Реки наибольшей устойчивости, протекающие в скалистых или крупногалечниковых грунтах с ничтожным количеством наносов (р. Енисей, Ангара и др.).

2. Реки устойчивые, в которых размывы и отложения наносов чередуются периодически в одних и тех же местах, не вызывая существенных необратимых изменений формы русла (р. Волга, Кама, Днепр и др.).

3. Реки малой устойчивости, меняющие в результате деформаций лишь глубину по ширине и длине русла, но сохраняющие в основном свое очертание в плане (р. Десна, Ветлуга и др.).

4. Реки наименьшей устойчивости, меняющие в паводки не только глубину русла, но и очертание в плане (р. Аму-Дарья, Сыр-Дарья и др.).

Рекам первой категории свойственны значения коэффициента устойчивости по В. М. Лохтину k_у > 20; второй k_у = 5÷20; третьей k_у = 2,5÷5 и четвертой k_у < 2,5.

Приведенные значения коэффициента устойчивости русла получены по наблюдениям на крупных реках. Для небольших рек они нуждаются в проверке и уточнении.

Извилистость. Русла рек, протекающих в размываемых грунтах, имеют как правило извилистую форму. Образование извилин можно объяснить следующим образом (рис.9.1,а). Предположим, что поток воды, текущий сначала по прямолинейному участку реки, под влиянием какой-либо случайной причины отклонился к одному из берегов и начал его размывать, образуя вогнутость у точки А. Продукты размыва будут при этом откладываться ниже по течению около точки В, формируя в этом месте берега выпуклость. Струи потока, отклонившиеся от вогнутости А, направятся к противоположному берегу, который в результате размыва примет вогнутую форму около точки С. В такой же последовательности будут поочередно образовываться вогнутости и выпуклости берегов на нижележащих участках реки.

Рис. 9.1. Извилистость речного русла:

а – образование излучин; б – естественное спрямление излучины;

в – передвижение излучин

Размыв вогнутых берегов и отложение наносов у выпуклых длится до тех пор, пока река не примет устойчивого извилистого очертания.

Процесс развития извилин прекращается или в результате снижения скоростей течения, вызванного уменьшением уклона реки из-за ее удлинения, или при подходе реки к берегам долины, сложенным из менее размываемых грунтов.

Развитие извилин часто приводит к образованию очень крутых излучин, которые могут исчезнуть в результате размыва паводковыми водами короткого перешейка между началом и концом излучины (рис. 9.1,б). После спрямления русло излучины постепенно заносится песком и превращается в староречье.

Непрерывный процесс размыва вогнутых берегов и отложения наносов у выпуклых приводит к постепенному передвижению излучин вниз по течению реки и в сторону вогнутых берегов. На рис. 9.1,в сплошной линией показано первоначальное положение излучины, а пунктирной – через некоторое время.

Разветвление русла на рукава. Реки, протекающие в легко размываемых грунтах, часто разветвляются на рукава. Основными причинами русловых разветвлений являются:

несовпадение оси потока при низких и высоких горизонтах воды, в результате чего паводковый поток может при благоприятных условиях промыть на пойме новое русло;

образование островов, обусловленное выходом в русло реки трудноразмываемых пород;

образование островов в результате интенсивного отложения наносов у различных препятствий в русле реки, например, у группы затонувших бревен;

ледяные заторы, вынуждающие часто поток прокладывать себе новое русло.

Суммарная ширина рукавов, как правило, больше ширины неразветвленного русла. Поэтому глубины в рукавах оказываются меньше, чем на прилегающих участках реки до и после разветвления.

Русловые образования. Распределение глубины по длине и ширине русла равнинных рек зависит от их планового очертания. На поворотах русла реки образуются глубокие участки, называемые п л ё с а м и, а на относительно прямолинейных отрезках – мелководные участки, называемые п е р е к а т а м и. Перекаты возникают чаще всего в местах перехода стрежня реки от одного вогнутого берега к другому.

При пересечении рекой скалистых гряд или трудноразмываемых горных пород в русле реки образуются п о р о г и. Участки реки, имеющие сосредоточенное падение воды с отвесного уступа в русле, называются в о д о п а д а м и.

П е р е к а т ы. Перекат – сложное наносное образование, состоящее чаще всего из двух прибрежных отмелей и песчаного вала, пересекающего русло реки под некоторым углом к ее продольной оси. Основными элементами переката являются (рис.9.2): седловина 1 – песчаный вал, соединяющий прибрежные отмели; верхний и нижний побочни 2 и 3 – песчаные отмели; верхняя и нижняя плёсовые лощины 4–5 – глубокие части русла; гребень переката 6 – наиболее возвышенная часть седловины; корыто переката 7 – углубление в средней части седловины; напорный и низовой скаты седловины 8 и 9; затонская часть нижней плёссовой лощины 10 – часть лощины, расположенная под верхним побочнем. Некоторые перекаты могут не иметь затонской части.

В процессе взаимодействия потока и русла реки перекаты могут изменять свою форму, перемещаться вниз по течению, исчезать и возникать на новом месте. Наиболее характерными периодическими изменениями перекатов являются их намыв в период половодья и размыв в период низких уровней. Высота отложения наносов на перекатах во время половодья достигает на крупных реках 2–3 м.

При подъеме уровней воды скорости течения на плёсах растут относительно быстрее, чем на перекатах, поэтому во время половодья наблюдается отложение наносов на перекатах. При спаде уровней скорости течения на перекатах становятся намного большими, чем на плёсах, что и приводит к размыву перекатов.

Кроме переката, показанного на рис. 9.2, встречаются и другие, более сложные их разновидности. Перекат, у которого плёсовые лощины не заходят друг за друга, а ширина и глубина корыта удовлетворяют требованиям судоходства, называется п е р е в а л о м.

Рис.9.2. Перекат:

1 – седловина; 2 – верхний побочень;

3 – нижний побочень; 4 – верхняя плёсовая лощина;

5 – нижняя плёсовая лощина; 6 – гребень переката;

7 – корыто переката; 8 – напорный скат седловины;

9 – низовой скат седловины;

10 – затонская часть нижней плёсовой лощины

П о р о г и. Участок реки, прегражденный во всю ширину русла скалистой или каменистой грядой, называется п о р о г о м. Отличительными особенностями порожистых участков являются неразмываемое русло, сложный рельеф дна, большие уклоны, повышенные скорости течения и наличие подпора на вышележащем участке реки.

Пороги имеются на многих реках Карелии, Ленинградской области, Сибири и других районов. Они представляют большие трудности для судоходства и сплава.

П р о с т е й ш и е р у с л о в ы е о б р а з о в а н и я. Кроме перекатов и порогов, в руслах рек наиболее часто встречаются следующие образования: косы, побочни, осередки, высыпки, гряды, огрудки.

К о с а (рис. 9.3,а) – отложение наносов, примыкающее своим основанием преимущественно к выпуклому берегу реки. Коса имеет в плане форму клина, направленного под углом к потоку.

П о б о ч е н ь (рис. 9.3,б) – отмель значительной ширины, примыкающая своей возвышенной частью к вогнутому берегу.

Рис. 9.3. Русловые образования:

а – коса; б – побочень; в – осередок; г – высыпка

О с е р е д о к (рис.9.3, в) – подводное или надводное отложение наносов, не примыкающее к берегам.

В ы с ы п к а (рис. 9.3, г) – отложение наносов вблизи устья притока или оврага, косы, побочня или осередка.

Г р я д а – каменистое образование небольшого протяжения, перекрывающее всю ширину русла или часть ее.

О г р у д о к – скопление камней в русле реки, не примыкающее к берегам.

Устьевые участки рек. Русловой режим устьевого участка реки, помимо особенностей самого этого участка, зависит от соотношения амплитуд колебания уровней воды на притоке и главной реке, продолжительности половодья на них, степени несовпадения по времени пиков паводков и характера прохождения ледохода.

В зависимости от соотношения уровней воды на главной реке и притоке устьевой участок последнего может находиться временно или постоянно в бесподпорных или подпорных условиях. Б е с п о д п о р -н ы м и называют такие устьевые участки, уровенный и скоростной режимы которых не зависят от высоты горизонта воды в главной реке. Устьевые участки, испытывающие влияние уровней воды в главной реке, находятся в подпорных условиях.

Наибольшее влияние на русловой режим устьевых участков оказывают условия их подпора в период интенсивного формирования наносных образований, т. е. во время подъема половодья или паводков.

Если подъем паводка на притоке происходит раньше, чем на главной реке, то это способствует выносу большого количества наносов из притока в главную реку. Эти наносы являются причиной формирования на главной реке ниже впадения притока перекатов или других русловых образований.

Если, наоборот, подъем паводка главной реки опережает подъем воды на притоке, устьевой участок последнего оказывается во время подъема уровней в подпоре, что влечет за собой интенсивное отложение наносов на этом участке. Сосредоточение перекатов и других наносных образований на устьевых участках наблюдается чаще всего в зоне подпора и непосредственно вблизи устья.

Величина и сроки подпора устьевых участков могут изменяться по годам, вследствие чего и русловые деформации имеют неодинаковый характер в разные годы.

Интенсивное отложение наносов на устьевых участках вызывает часто раздробление русла на отдельные рукава и протоки, чему способствует также образование ледяных заторов во время ледохода, наблюдающееся на устьевых участках при более раннем вскрытии притоков по сравнению с главной рекой.

Многорукавное устье реки, образованное намывными островами, называется д е л ь т о й. Песчаная отмель у берега моря или озера, образовавшееся вблизи устья реки в результате отложения наносов, называется б а р о м.

На русловой режим устьевых участков рек, впадающих в моря и океаны, большое влияние оказывают приливы и отливы, морские волны и ветровые нагонные течения.

На реках, впадающих в моря и океаны со значительными приливами и отливами, образуются однорукавные широкие и глубокие устья воронкообразной формы, называемые э с т у а р и я м и. Эстуарии образуются в том случае, когда приносимые рекой наносы уносятся в море приливно-отливными течениями. Типичные эстуарии имеют реки Обь, Енисей и другие.

Сравнительно узкий и длинный залив, глубоко вдающийся в сушу, в который впадает крупная река, называется губой, например Печорская губа.

Дата добавления: 2014-01-20