5.4. Русловые процессы

Совокупность процессов, обусловливающих взаимодействие между водным потоком и руслом, называют русловым процессом. Воздействию потока на русло противостоит обратное воздействие русла на поток. В каждый момент времени скоростное поле потока определяется формой русла. В условиях размываемого русла, там, где скорости больше размывающих, происходит углубление русла и скорости падают, а там, где скорости меньше размывающих, происходит отложение наносов, т. е. обмеление русла, и возраста­ние скорости. Таким образом, поток деформирует русло, которое изменяет скоростную структуру потока. Русловый процесс в есте­ственных условиях зависит от расхода воды и его изменения во времени, расхода наносов и их крупности, а также определяется рельефом местности, структурой коры выветривания, расположе­нием геологических пластов, характером и мощностью раститель­ности. Естественный русловый процесс может изменяться под воз­действием хозяйственной деятельности: строительства русловыпра-вительных сооружений, мостов, при возведении плотин и т. п. Гидротехническое строительство приводит к изменению, как пра­вило, стеснению живого сечения реки, изменению водности на от­дельных участках реки, перераспределению внутригодового сто­ка — снижению расходов в половодье и увеличению расходов в межень, изменению шероховатости берегов при их укреплении или строительстве продольных или поперечных русловьшравительных сооружений. Предусмотреть при этих изменениях возможное пове­дение потока возможно только в случае достаточной изученности

⁶* 163

русловых процессов. Строительство гидротехнических сооружений без учета направленности руслового процесса может привести к нежелательным последствиям. Например, река может отойти от водозабора или водозабор, а иногда даже целый порт могут быть засыпаны большими массами наносов; разработать новое русло и оставить старое, уйти в другой рукав и т. п. В связи с этим начи­ная с конца XIX — начала XX в. ученые разных стран усиленно занимались этой проблемой. В 50-е годы в Государственном гид­рологическом институте под руководством проф. Н. Е. Кондратье­ва была разработана гидроморфологическая теория русловых про­цессов, которая основывалась на определенных позициях, главней­шими из которых были: все деформации русла делятся на обра­тимые и необратимые; определяющими независимыми факторами являются расходы воды и наносов, а также условия, ограничи­вающие свободное развитие русловых процессов; структура рус­лового процесса и морфология русла являются дискретными; вы­деляются несколько уровней, на которых могут рассматриваться транспорт наносов и русловый процесс: движение отдельных частиц, микроформы, мезоформы, макроформы и морфологически однородные участки.

К. необратимым (или многолетним) деформациям русла отно­сятся его переформирования, когда река приспосабливается к ко­ренным изменениям в процессе своего векового развития и в ре­зультате хозяйственной деятельности человека; разработка про­дольного профиля реки вогнутой формы, что обеспечивает тран­зит наносов; эрозия коренных берегов; смещение русла в плане или параллельное или в виде меандрирования (см. ниже); обра­зование рукавов на пойме.

/С обратимым (или сезонным) деформациям относятся намывы и размывы перекатов, наблюдающиеся при чередовании меженей и половодий, при этом изменяются высотные отметки, иногда в до­статочно широких пределах — до 3...4 м и более; смещение вниз по течению плоских гряд, побочней и осередков.

Если многолетние деформации русла происходят очень медлен­но по сравнению с сезонными колебаниями, то ими в первом при­ближении можно пренебречь и в этом случае считается, что русло находится в динамическом равновесии.

Три типа русловых процессов связаны с образованием и сме­щением мезоформ: ленточно-грядовой, побочневый и осередковый. Так как эти образования являются формой движения донных на­носов, то последние непосредственно участвуют в их формирова­нии. Разделению реки на рукава всегда предшествует образование в русле осередков, и, следовательно, в явлении многорукавности русла также принимает участие транспорт наносов. Ряд исследо­вателей связывает с транспортом наносов и меандрирование реки. Причины меандрирования рек до конца еще не выяснены, но уча­стие транспорта наносов в этом процессе несомненно.

164

Тип руслового процесса зависит от расхода воды. При этом ме­няются гидравлические характеристики потока: скорость течения, глубина, уклон свободной поверхности, что вызывает смену рус­ловых форм; структура потока: по ширине наблюдаются струи разного масштаба, меняется турбулентность потока — все это при­водит к формированию различных русловых форм не только по длине, но и по ширине реки; развивается меандрирование или промываются рукава — река меняет свои очертания в плане.

Ограничивающими условиями развития руслового процесса могут быть коренные берега долины, что препятствует смещению реки в плане; наличие скального массива, который река вынуж­дена огибать; выход скальных грунтов на поверхность ограничи­вает углубление русла. К ограничивающим условиям Н. С. Зна­менская предлагает отнести изменчивость гидравлического режи­ма, в частности наличие отдельных струй в потоке, что препятст­вует развитию русловых форм по ширине потока. Уменьшение расхода воды приводят к замедлению смещения мезоформ, к их остановке, обсыханию, размыву подводной части, т. е. прекраще­нию их активного движения. Изменчивость расхода приводит к дискретности, т. е. перерывам в развитии руслового процесса. К ограничивающим условиям следует отнести также криволиней-ность в плане долины и связанную с этим вынужденную криволи-нейность русла; в развивающихся при этом плесовых лощинах во время половодья могут генерироваться винтообразные сильные течения, которые взвешивают наносы с низовых частей мезоформ, лежащих выше плеса. Эти мезоформы останавливаются, наносы проходят во взвешенном состоянии плес и ниже его оседают на дно, формируя новые русловые мезоформы.

Несмотря на большое разнообразие в естественных условиях русловых процессов, что зависит от сочетания морфометрических и гидрологических характеристик русла и потока, оказалось воз­можным свести это многообразие к определенной типизации рус­ловых процессов. Результаты наблюдений в лотковых и естествен­ных условиях позволили установить, что некоторые типы русловых процессов зарождаются и развиваются независимо друг от друга. Эти процессы названы активными. Другие процессы являются дальнейшим развитием активных процессов и названы автором пассивными (рис. 5.6). К активным русловым процессам относятся грядовые русловые формы, которые с увеличением транспортирую­щей способности потока располагаются в определенной последова­тельности: осередковый, побочневый, ленточно-грядовой (при смы­ве гряд) и реки с блуждающим руслом. В последнем случае после гладкой фазы и фазы антидюн река занимает новое положение и в ее русле снова начинают развиваться русловые процессы в ука­занной последовательности. Развитие осередкового процесса при­водит к формированию многорукавности (рис. 5.6, поз. 5, 9). При развитии побочневого процесса формируется либо непосредствен­но многорукавность (7, 5, 9), либо меандрирование и последую-

165

Рис. 5.6. Типизация руслового процесса с учетом основных действующих факторов и условий перехода одних типов руслового процесса в другой: 1 — осередковый тип; 2 — побочневый; 3 — ленточно-грядовой; 4 — блуждающая ре­ка; 5 — русловая многорукавность; 6 — ограниченное меандрирование; 7 — отторже­ние побочней (как переход к меандрированию); 8 — бифуркация; 9 — пойменная многорукавность, возникшая из русловой; 10 — свободное меандрирование; 11 — не­завершенное меандрирование; 12 — пойменная многорукавность

щая многорукавность (6, 10, 11, 12). Ленточно-грядовой процесс переходит в двурукавность (бифуркацию 8) с дальнейшим пере­ходом к меандрированию (11) и многорукавности (9) или непо­средственно к многорукавности.

Меандром (или излучиной) реки называют изгиб русла реки. Различают вынужденный изгиб русла реки, обтекающий какое-либо препятствие, и свободный изгиб, или меандрирующую излу­чину.

Меандрирование реки, т. е. смещение излучины реки в плане, является наиболее распространенным русловым процессом для малых и средних рек, имеющих пойму. Различают ограниченное, свободное и незавершенное меандрирование. Ограниченное меанд­рирование наблюдается при узкой пойме, когда смещение реки

166

ограничено бортами долины. Река имеет синусоидальную форму, достаточно стабильную во времени, смещающуюся параллельно самой себе (рис. 5.7, а). Свободное меандрирование развивается на реках с широкой поймой, излучины развиваются от слабоизог­нутых до петлеобразных (рис. 5.7,6). Развитие излучины закан­чивается промывом перешейка, отчленением изгиба реки и обра­зованием старицы. При незавершенном меандрировании промыв перешейка происходит раньше образования пет­ли, эта протока превра­щается в главное русло, старое русло отмирает (рис. 5.7, в). Элементы из­лучины: шаг излучины Л — расстояние между точка­ми перегибов русла (шаг излучины); относительный шаг излучины "k/B, где В — ширина реки; ско­рость сползания излучины Cm = bk/T, где Т — время наблюдения; a_ent — угол входа и а_ех — угол выхода (рис. 5.7, б), угол разво­рота a = a.p_nt + a_ex, угол со­пряжения излучины р = — ос_га—dent', показатель выраженности излучины— отношение длины реки между точками перегиба Sriv к шагу излучины X; показатель незавершен­ности процесса меандри-рования — отношение дли­ны спрямленного рукава

S_arm К ДЛИНе ГЛЗВНОГО

русла S_riv.

Рис. 5.7. Типы меандрирования:

а — ограниченное; б — свободное; в — незавершенное; / — извилина; 2 — излучина; 3 — протока

Наряду с руслоформи-рующими факторами, ко­торые позволяют оценить явления с качественной стороны, рассматриваются руслоформирующие усло­вия, к которым относятся расход воды Q, ширина потока В, средняя круп­ность наносов d_m и уклон реки /. В частности, для

167

грядовых типов русловых процессов принимается Q=Q_max в мно­голетнем разрезе, В—ширина русла в бровках, d_m —в русле, /— в пределах русла. Соотношения между морфометрическими пара­метрами русла и гидравлическими характеристиками потока, кото­рые определяют тип русловых процессов, давались различными ав­торами [3]. Обобщенная зависимость предложена в виде

(5.15)

где z — параметр, характеризующий тип руслового процесса.

В результате обработки эксперимен­тальных данных многих авторов предло­жены графики зависимости (5.15) и ее аналитическое выражение (рис. 5.8)

Рис. 5 8 Критериальная за­висимость перехода одних типов русловых процессов в другой:

/ — ленточные гряды, 2 — по-бочни. 3 — осередки; 4 — огра­ниченное меандрирование; 5 — русловая многорукавность; 6 — свободное меандрирование, 7 -незавершенное меандрирование, « пойменная многорукавность

(5.16)

На рис. 5.8 указаны типы русловых процессов и числовые значения пара­метра z.

В реальных потоках связь между мут­ностью и скоростью течения неоднознач­на. Это объясняется тем, что вследствие существенной неоднородности зернового состава наносов в услови­ях размыва дна происходят вымывание мелких фракций, образо­вание самоотмостки и ухудшение условий питания потока наноса­ми; при отложении наносов, наоборот, дно покрывается в основ­ном мелкими фракциями, легко поддающимися взвешиванию. Как следствие, при размыве реальных русл транспортирующая способ­ность потока оказывается меньшей, чем в условиях отложения на­носов. Это положение заложено в основу методики расчета русло-вах деформаций, происходящих под влиянием изменения режима течений.