6.11.6. Устойчивость речного русла

Устойчивость речного русла, т. е. степень его противодействия размыву, тем больше, чем меньше скорости течения и соответственно меньше размывающая способность потока и чем больше сопротивляемость русла размыву, которая определяется крупностью наносов, формирующих дно, связанностью наносов, слагающих берега, закрепляющим влиянием растительности на берегах, искусственными защитными мероприятиями и т.д.

Устойчивость русла можно охарактеризовать количественно, сопоставляя факторы, препятствующие и благоприятствующие размыву. Одним из таких количественных показателей служит коэффициент устойчивости русла В.М. Лохтина:

К_Л = D/∆Н, (6.54)

где D — крупность донных наносов, мм; ∆H— километрическое падение уровня, м/км. Повышению устойчивости русла и увеличению коэффициента К_л способствуют увеличение крупности частиц наносов и уменьшение скоростей течения, косвенной характеристикой которых служит величина падения. По Лохтину, устойчивые русла, в которых отсутствует постоянное движение наносов, имеют К_л более 15—20, у относительно устойчивых русел с постоянным перемещением влекомых наносов К_л ~ 5, наконец, у рек с неустойчивым руслом и весьма подвижным дном К_л менее 1—2.

Устойчивые русла характерны для рек, донные отложения которых представлены галечным, галечно-валунным и валунно-глыбовым материалом. Русловые деформации на таких реках крайне медленны и невелики по масштабу. Таковы русла рек Алдана, Верхней Лены, Верхнего Енисея, Ангары, Верхней Камы, Чусовой, Белой. Наименее устойчивы речные русла, сложенные мелкопесчаным материалом. К таким рекам относятся многие реки Средней Азии, например Амударья, с исключительно интенсивными русло­выми деформациями. В некоторых случаях на таких реках наблюдается дейгиш — быстрое разрушение берегов.

6.12. Термический и ледовый режим рек

6.12.1. Тепловой баланс участка реки

Изменения температуры воды в реке влияют на многие важные черты ее гидрологического режима: ледовые явления (лед образуется лишь при снижении температуры воды до 0°С); химические и биологические процессы (от температуры воды зависят, например, растворимость газов, быстрота многих химических реакций, жизнедеятельность организмов и т.д.); перенос взвешенных наносов потоком (гидравлическая крупность мелких частиц зависит от вязкости, а она, в свою очередь, от температуры воды). Температура воды определяет наряду с минерализацией и химическим составом растворенных веществ качество воды. Температура воды — важный показатель при использовании вод в хозяйстве, например в охладительных установках, и в быту.

Изменение температуры речной воды — следствие изменения составляющих теплового баланса данного участка реки.

Применим к участку реки общее уравнение теплового баланса для любого водного объекта гидросферы (2.7). Перепишем это уравнение в следующем виде:

∆ = _В - _Н + А + В + С, (6.55)

где ∆ — изменение количества теплоты в воде за интервал времени ∆t; _В — теплота, поступающая вместе с речной водой через верхний створ участка; _Н — теплота, уходящая с водой через нижний створ. И _В и _Н в единицу времени равны c_рQT, где с_р — удельная теплоемкость воды;  — ее плотность; Q — расход воды; Т — температура воды. А означает сумму всех компонентов теплообмена через границу «поверхность реки — воздух». Эта сумма включает радиационный баланс этой поверхности R согласно формуле (2.6), приход или расход теплоты в процессе теплообмена с атмосферой и , теплоту, поступившую вместе с атмосферными осадками _х, приход теплоты при конденсации _конд и расход теплоты при испарении воды _исп. В — это сумма всех компонентов теплообмена через границу «вода — грунт»: приток или отток теплоты с грунтовыми водами и , приход или расход теплоты в процессе теплообмена с грунтами и . Величина С объединяет слагаемые, связанные с тепловыми процессами в самом потоке (теплота, получаемая при переходе части кинетической энергии в тепловую, т. е. при диссипации энергии _дис, приход теплоты при ледообразовании _лед и расход при таянии льда _пл). _конд, _исп, _лед, _пл определяют по формулам (1.11) — (1.12). Приход теплоты вследствие диссипации энергии _дис в единицу времени численно равен затрате механической энергии потока на преодоление сил трения F_тр = gQIl, где  — плотность воды; g — ускорение свободного падения; Q — расход воды; I—уклон водной поверхности; l — длина участка реки. Обычно _дис — величина весьма малая, но на реках с большими уклонами может быть соизмерима с величиной теплообмена воды с воздухом. Напомним, что изменение количества теплоты ∆ равно c_pV∆T, где с_р — удельная теплоемкость воды;  — ее плотность; V — объем воды; ∆Т — изменение температуры воды за интервал времени ∆t.

Выразив ∆ в (6.55) через c_pV∆T, получим, что изменение температуры воды на участке реки за интервал времени ∆t будет равно:

. (6.56)

Наибольшее значение в уравнении теплового баланса имеют члены: А, где важнейшие составляющие — радиационный баланс и теплообмен с атмосферой, и С, который приобретает знак плюс в период ледообразования и минус в период таяния льда. Соотношение составляющих теплового баланса изменяется во времени. Соответственно должна изменяться и температура воды в реке. Так, весной и летом вследствие положительного радиационного баланса и поступления теплоты из атмосферы существенно возрастает величина А; температура воды поэтому повышается. Поздней осенью величина А становится отрицательной, и температура воды понижается. На отдельных участках, где встречаются крупные выходы грунтовых вод, начинает играть роль и член В.