6.10.4. Сток наносов

С

ток наносов реки включает сток взвешенных и сток влекомых наносов, причем главная роль обычно принадлежит взвешенным наносам. Считается, что на долю влекомых наносов приходится в среднем лишь 5—10% стока взвешенных наносов рек, причем с увеличением размера реки эта доля, как правило, уменьшается.

Рис. 6.17. Типичное распределение мутности воды по глубине речного потока при крупности взвешенных наносов:

1 — наибольшей; 2 — средней;

3 — наименьшей

Предельный суммарный расход как взвешенных, так и влекомых наносов, которые может при данных условиях переносить река, называют транспортирующей способностью потока R_тр. Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям R_тр зависит прежде всего от скоростей течения и расхода воды:

R_тр = s_трQ = k , (6.45)

где s_тр — мутность воды, соответствующая транспортирующей способности потока; v — средняя скорость потока; h_cp — его средняя глубина; w — средняя гидравлическая крупность частиц наносов. В нашей стране и за рубежом предложено много разных формул вида (6.45). При этом мутность воды s_тр, соответствующую транспортирующей способности потока (т.е. предельно возможную мутность при данных гидравлических условиях), часто выражают как функцию средней скорости течения: s_тр = avⁿ, где а и n — параметры, причем п изменяется от 2 до 4.

В реальных условиях фактический расход наносов в реке и транспортирующая способность потока могут не совпадать, что и становится причиной русловых деформаций.

Сток наносов реки (прежде всего взвешенных наносов) обычно рассчитывают по построенным на основе измерений связям расхода воды и расхода взвешенных наносов R=f(Q). У такой связи имеются две важные особенности: она нелинейна, причем R растет быстрее, чем Q; очень приближенно эту зависимость иногда можно записать в виде степенного уравнения:

R=kQ^m, (6.46)

где, по Н.И. Маккавееву, т=2÷3; очень часто связь между R и Q оказывается неоднозначной (петлеобразной). Это объясняется несовпадением изменения в реках расходов воды и расходов наносов во времени (рис. 6.18). Максимальная мутность воды в реках (и максимальные расходы наносов тоже) обычно опережает максимум расхода воды и отмечается на подъеме половодья или паводка. В это время идет наиболее активный смыв грунтов с поверхности водосбора.

Рис. 6.18. Типичные графики изменения расходов воды и взвешенных наносов (а)

и связи между ними (б):

1 — подъем половодья; 2— спад половодья (I—XII — месяцы)

С помощью графика связи R=f(Q) по известным средним суточным значениям Q легко определить и соответствующие величины . Средние расходы наносов за любой период определяют точно так же, как и средние расходы воды (см. формулы 6.18— 6.19)). Сток наносов рассчитывают по формуле, аналогичной (6.20):

W_н= ∆t, (6.47)

где сток наносов W_н, кг; средний расход наносов , кг/с; интервал времени ∆t, с. Сток наносов чаще удобнее представить не в килограммах, а в тоннах или даже в миллионах тонн. В этих случаях применяют формулы

W_н (т)= ∆t 10^-3, (6.48)

W_н (млн т) = ∆t 10^-9. (6.49)

Если речь идет о годовых величинах, то вместо (6.49) записывают

W_н (млн т) = 31,5 10^-3. (6.50)

Модулем стока наносов называют сток наносов в тоннах с 1 км² площади водосбора:

М_н=W_н/F. (6.51)

Для годовых величин стока наносов получим М_н, т/км²:

M_н= 31,5 10³/F. (6.52)

Модуль стока наносов характеризует эрозионную деятельность речных потоков (напомним, однако, что фактическая денудация в бассейнах рек во много раз больше модуля стока наносов, рассчитанного только что описанными способами, так как огромное количество смытых со склонов наносов не попадает в реки, а отлагается у подножья склонов, в устьях балок, оврагов, малых притоков, на поймах).

Модуль стока взвешенных наносов и средняя мутность воды рек, так же как и модуль стока воды, неравномерно распределены по территории. Так, на севере Европейской территории России (тундра, лесная зона) он часто не превышает 1—2 т/км² в год, в северной и западных частях Европейской равнины повышается до 10–20 т/км². На юге Европейской территории бывшего СССР он достигает 50—100 т/км², а в ряде районов Кавказа — даже 500 т/км² в год. Для бассейнов некоторых рек мира модуль стока взвешенных наносов в естественных условиях стока составлял: у Волги — 10,3 т/км², Дуная — 63,6, Терека — 350, Хуанхэ — 1590 т/км² в год. Мутность рек также довольно закономерно распределяется по территории. Так, например, средняя годовая мутность рек на севере Европейской части России весьма невелика — 10—50 г/м³, в бассейнах Оки, Днепра, Дона увеличивается до 150—500 г/м³, на Северном Кавказе иногда превышает 1000 г/м³.

Из суммарного годового стока наносов всех рек мира (15 700 млн т) наибольшая доля в естественных условиях приходилась на Амазонку (1200 млн т), Хуанхэ (1185 млн т), Ганг с Брахмапутрой (1060 млн т), Янцзы (471 млн т), Миссисипи (400 млн т) (см. табл. 6.1). Среди наиболее мутных рек на планете — Хуанхэ (средняя годовая мутность воды более 25 кг/м³, а максимальная — в 10 раз больше), Инд, Ганг, Янцзы, Амударья, Терек.

Сток наносов рек испытывает изменения, сходные с изменениями стока воды (см. разд. 6.7.1). Однако, поскольку связь между расходами воды и взвешенных наносов нелинейная (см. формулу (6.46)), как многолетние, так и сезонные колебания стока наносов рек обычно более значительные, чем стока воды (см., например, рис. 6.18, а).

Так же как сток воды, сток наносов рек увеличивается в холодные и влажные и уменьшается в теплые и засушливые климатические периоды. Вместе с тем в изменениях стока наносов рек отмечаются два проявления антропогенных факторов. Сведение лесов и распашка склонов ведут к усилению эрозии в речных бассейнах и, как следствие, к увеличению стока наносов рек. В Европе пе­риодами существенного увеличения стока наносов рек были эпохи Римской империи и Возрождения, а также XVIII — начало XX вв. Факты увеличения стока наносов рек в эти периоды подтверждены косвенно — по возрастанию интенсивности выдвижения дельт некоторых рек (Эбро, Роны, По, Тибра) в Средиземное море. Наоборот, во второй половине XX в. начал действовать (и в противоположном направлении) другой сильнейший антропогенный фактор — отложение речных наносов в водохранилищах, активное сооружение которых происходило во многих странах мира в это время. В результате гидротехнического строительства на реках сток наносов многих рек заметно уменьшился (см. табл. 6.1 и 6.2). Сток наносов таких рек, как Волга, Дунай, Дон, Кура, Енисей, Мисси­сипи, сократился в 1,3—3 раза; Сулак, Тибр, Нил — в 8—10 раз; Эбро — в 250 (!) раз. Степень антропогенного уменьшения стока наносов рек зависит от параметров водохранилища (объема, высоты плотины) и от расстояния рассматриваемого гидроствора от гидроузла: чем ближе створ к плотине, тем сильнее выражено сокращение стока, так как ниже по течению обычно начинается крупномасштабный размыв русла и частичное восстановление транспортирующей способности речного потока. Так, на Нижнем Дунае (ниже по течению плотины водохранилища Железные Ворота) сток наносов восстанавливается приблизительно наполовину. Значительное сокращение стока наносов р. Эбро в Испании объясняется близостью к устью реки двух крупных водохранилищ.