2. Твердый сток

Энергия потока расходуется на преодоление сопротивления со стороны дна и берегов, а также на размыв и перенос грунта со склонов водосбора в водоприемник. Уровень воды в водоприемнике представляет для впадающей в него реки базис эрозии, т.е. потенциальная отметка, до которой произойдет размыв водотока. Базис эрозии характеризует энергию потока.

Процесс размыва включает четыре стадии:

- смыв грунта с поверхности водосбора;

- размыв дна и берегов в русле реки и на пойме;

- перенос частиц грунта по течению водотока;

- отложение или аккумуляцию частиц.

Причиной размыва является движение масс воды (в виде ручейков на склонах или же потока в реке), достигающее определенной скорости. Отрыв частиц грунта и их подъем – переход во взвешенное состояние - , кроме скорости воды, зависит от размеров частиц, их формы и плотности, а также от взаимного расположения частиц на дне.

На отдельную частицу, лежащую на дне, действует сила лобового давления и подъемная сила, которая возникает при обтекании частицы, обусловленная разностью скоростей на верхней и нижней её гранях. По закону Бернулли давление на верхнюю грань будет меньше, чем на нижнюю. Кроме того, необходимо учесть вес частицы и Архимедову (выталкивающую) силу.

Еще один механизм отрыва частиц от дна – это наличие вихрей, возникающих при обтекании разного рода препятствий. Эти вихри имеют на своей оси область пониженного давления и захватывают оторвавшиеся частицы, поднимают их в толщу потока.

В тех случаях, когда подъемная сила меньше силы тяжести,, частица может перемещаться по дну путем скольжения и перекатывания. Такое перемещение называется влечением донных наносов. Анализ устойчивости такой частицы показывает, что веса влекомых частиц относятся как шестые степени скоростей (закон Эри). Таким образом, если скорости горного и равнинного потоков относятся как 1 : 4, то веса влекомых ими наносов относятся как 1 : 4096.

Скорость течения, при которой происходит первоначальное нарушение равновесие частиц донных наносов, формирующих русло, называется неразмывающей скоростью, а при начале массового движения донных частиц – размывающей скоростью. Они зависят от размера частицы, глубины потока и сил сцепления (связные грунты). Размывающая скорость примерно на 30…40% больше неразмывающей. Её используют при определении расхода наносов, а неразмывающую – в расчетах общего и местного размыва русла у ГТС.

Известно, что перенос частиц осуществляется в виде взвешенных и донных наносов.

Донные наносы являются руслоформирующими,т.е. участвующими в образовании, перемещении и разрушении таких русловых форм, как гряды, побочни, осередки и т.д.

В отличие от них, взвешенные наносы, частицы которых находятся в потоке большую часть времени и переносятся на большие расстояния. При уменьшении скорости потока они могут откладываться на дне и переходить в донные наносы. По размеру взвешенные частицы примерно на порядок меньше донных.

Содержание взвешенных частиц в потоке характеризуется мутностью воды, г/м3. Для её определения в реке берутся пробы воды. Наибольшая мутность воды наблюдается у дна и в середине потока. Её величина колеблется в очень широких пределах: от 10 до 1000 г/м3, а иногода – до 1…10 кг/м3 (р. Хуанхе).

Произведение средней мутности на скорость потока характеризует его транспортирующую способность, которая уменьшается от истока к устью реки, где преобладают процессы аккумуляции наносов.

Масса частиц, переносимых водой через поперечное сечение водотока в 1 сек, называется расходом взвешенных наносов, который определяется по формуле: G = 1000 * ρ * Q, кг/с. Для характеристики объема выноса грунта водой реки вычисляют величину твердого стока за сутки, месяц, сезон и год. Наибольший твердый сток наблюдается, как правило, в периоды половодья и паводков.

Среднемноголетний объем наносов вычисляется по формуле:

Vн = G * 86400*365 / γ = ρ * Q * 86400*365 / γ ,

где G - среднегодовой расход наносов или норма твердого стока, кг/с,

ρ - мутность воды, кг/м3,

γ – плотность наносов, кг/м3

.