9. Взаимодействие потока и русла реки

9.1. Речные наносы

Р е ч н ы м и наносами называются частицы грунта, которые переносятся водным потоком и формируют различные отложения в руслах рек.

Основная масса наносов поступает в реки с площади речных бассейнов. Вода, стекая по склонам местности, смывает с земной поверхности большое количество грунта и переносит его в реки. Часть наносов образуется в результате размыва самого русла реки (их количество не превышает 2–5% общего объема наносов, поступающих с поверхности бассейна).

По крупности и характеру перемещения наносы делятся на в з в е -ш е н н ы е и д о н н ы е (влекомые). Первые переносятся потоком во взвешенном состоянии по всему живому сечению реки, а вторые – передвигаются потоком по дну русла. Основным видом наносов на равнинных реках являются взвешенные. На их долю приходится 90–95% всех наносов. На горных реках количество донных наносов может превышать взвешенные.

Взвешенные наносы. Степень насыщения речного потока взвешенными наносами характеризуется мутностью воды. М у т н о с т ь ю называется масса взвешенных наносов, содержащаяся в единице объема воды

, (9.1)

где m_в – масса наносов, г;

w_п – объем взятой пробы воды, м³;

Мутность воды измеряется в реках специальными приборами, называемыми б а т о м е т р а м и.

Реки, протекающие в различных физико-географических условиях, имеют неодинаковую мутность. Реки северной части СНГ характеризуются среднегодовой мутностью ρ_в < 50 г/м³; лесостепной зоны ρ_в = =50÷150 г/м³ и южной степной зоны ρ_в = 150÷500 г/м³. Горные реки Кавказа и Средней Азии имеют очень большую мутность, достигающую на некоторых из них 5000 г/м³ и более.

Количество взвешенных наносов, проносимых через живое сечение реки в секунду называется р а с х о д о м в з в е ш е н н ы х н а н о с о в

R_в.н. = 0,001 ρ_срQ = 0,001 ρ_ср ωv, кг/с, (9.2)

где ρ_ср – средняя мутность воды в живом сечении реки;

Q – расход воды, м³/с;

ω – площадь живого сечения реки, м²;

v – средняя скорость потока, м/с.

Средняя мутность воды ρ_ср устанавливается по нескольким пробам воды, взятым батометром в различных точках живого сечения реки.

Количество взвешенных наносов, переносимых рекой за год, называется годовым стоком взвешенных наносов

, (9.3)

где ρ₀ – среднегодовая мутность воды, г/м³;

W₀ – среднегодовой объем стока воды, м³.

Донные наносы. Движение донных наносов имеет разнообразный характер, зависящий от их крупности и скоростей течения в придонном слое потока. Донные наносы передвигаются преимущественно у выпуклых берегов реки.

Передвижение донных наносов подчиняется закону Эри, согласно которому масса влекомой частицы пропорциональна скорости течения в шестой степени:

m_е = k v_н⁶, (9.4)

где v_н – скорость течения, м/с; при которой частица начинает двигаться;

k – коэффициент пропорциональности, зависящий от формы и удельного веса частицы.

Из этой формулы видно, что с увеличением скорости течения в 3 раза масса передвигаемой по дну частицы увеличится в 729 раз (3⁶). Столь сильное влияние скорости течения на величину влекомых частиц объясняет то обстоятельство, что горные реки способны перемещать крупные камни, а равнинные – только небольшие песчинки, хотя скорости течения на последних всего лишь в несколько раз меньше, чем на горных реках.

Средняя скорость течения, при которой начинается размыв русла и перемещение донных наносов, называется р а з м ы в а ю щ е й. Величина этой скорости определяется формулой М. А. Великанова

,м/с, (9.5)

где d_ср – средний диаметр частиц грунта, м;

Формула (9.5) справедлива для наносов диаметром от 0,1 до 5 мм. Для более крупных наносов эта зависимость дает преувеличенные значения размывающей скорости.

Расход донных наносов, влекомых речным потоком, можно найти по формуле В. Н. Гончарова

,кг/с, (9.6)

где В – ширина реки, м;

v_р – размывающая скорость, м/сек, определяемая по формуле (9.5);

h_ср –средняя глубина потока, м.

Для определения годового стока донных наносов нужно вычислить по формуле (9.6) их расходы для отдельных периодов года при соответствующих значениях В, v и h_ср. Сток наносов за каждый период определяют умножением его продолжительности, выраженной в секундах, на величину расхода наносов в этот период.