3.4.3. Речная долина, поперечное сечение и продольный профиль реки

Речная долина – это понижение земной поверхности, выработанное за продолжительный период времени в процессе постепенного и неравномерного врезания русла реки в подстилающие породы (рис. 3.9, а). Наиболее низкая часть долины представляет речное русло (рис. 3.9, б).

Речные долины классифицируются:

• по происхождению – тектонические, ледниковые, эрозионные;

• по форме поперечного сечения – каньоны, ущелья, V-образные, корытообразные, трапецеидальные.

На склонах долины к реке образуются более или менее горизонтальные участки поверхности – терра­сы. Примыкающая к руслу терраса, периодически заливаемая водой во время прохождения весеннего половодья или дождевого паводка, называется поймой. Выше расположены первая, вторая и т.д. надпойменные террасы.

Ширина долин крупных рек может достигать нескольких десятков километров, глубина – сотен метров.

На затопленной пойме скорость течения воды значительно меньше, чем в речном русле. По этой причине взвешенные в воде мелкие частицы (наносы) осаждаются на пойме, ежегодно образуя слои «наилка». Плодородные пойменные луга широко используются для заготовки сена, а также могут осваиваться для выращивания сельскохозяйственной продукции.

Поперечное сечение русла – это плоскость, перпендикулярная среднему направлению тече­ния и ограниченная поверхностью воды и профилем дна русла (рис. 3.9, б). Его размеры и форма определяют пропускную способность русла, распределение ско­ростей в потоке.

Часть площади поперечного сечения, где скорость течения больше нуля, называется площадью живого сечения. Часть площади поперечного сечения, в которой скорости течения практически равны нулю, называется площадью мертвого пространства.

Рис. 3.9. Поперечный профиль долины (а) и русла (б)

1 – бровка долины (коренного берега), 2 – уступ коренного берега, 3 – надпой­менная терраса, 4 – надпойменная тер­раса (эрозионная), 5 – бровка террасы) 6 – русло реки, 7 – низкая пойма, 8 – высокая пойма, 9 – коренные породы, 10 – аллювиальные отложения, 11– прирусловой вал, В – ширина русла, h_ср – средняя глубина, h _макс – максимальная глубина, Р – смоченный периметр, – водная поверхность.

Поперечное сечение русла характеризуют следующие показатели (рис. 3.10): ширина русла (В), площадь поперечного сечения ( ), средняя глубина

,

смоченный периметр (P) – длина поперечного сечения вдоль линии контакта с дном и берегами), гидравлический радиус

.

Эти характеристики подобно рассматриваются в курсах гидравлики.

Рис. 3.10. Поперечный профиль реки.

Типы речных русел. Русла рек по форме подразделяются на прямолинейные, извилистые (меандрирующие), разделенные на рукава, и разбросан­ные или блуждающие (рис 3.5).

Рис. 3.11. Типы речных русел: а – прямолинейное, 6 – извилистое, в – разделенное на рукава, г – разбросанное; 1 – линия наибольших глубин (фарватер – судовой ход), 2– от­мель, 3 – осередок или остров, 4 – размы­ваемый участок берега, 5–направление течения [16, 19].

Под действием вращения Земли возникает сила Кориолиса, которая в северном полушарии прижимает движу­щийся поток к правому берегу. Поэтому в северном полушарии больше размывается правый берег реки, нередко имеющий вид крутой или отвесной стенки. В юж­ном полушарии сила Кориолиса, наоборот, прижимает поток к левому берегу.

Следует иметь в виду, что в поперечном сечении реки свободная поверхность потока бывает практически горизонтальной только на прямолинейных участках реки. На поворотах русла под влиянием центробежной силы поток прижимается к вогнутому берегу и уровень воды у этого берега становится выше, чем у выпуклого. Об­разуется перекос водной поверхности, или поперечный уклон.

Так как у поверхности скорости выше, чем у дна, центробежное ускорение у поверхности существенно больше, чем у дна. Это обусловливает появ­ление поперечной циркуляции на закруглениях. Поверхностные струи, набегая на вогнутый берег излучины, его размывают, а продукты размыва увлекаются компенсирующим придонным течением к противоположному (выпуклому) берегу.

В результате размыва вогнутого берега образуется плес, – это участок реки в пределах излучины, отличающийся повышенной глубиной и прижатый к вогнутому берегу. В наиболее глубоких плесах с замедленным течением (зимовальных ямах) обеспечиваются наилучшие условия зимовки рыбы.

На выпуклом берегу излучины продукты размыва образуют песчаную отмель (рис. 3.11, б).

К вопросам динамики русловых потоков мы вернемся (разделы 3.7 – 3.9).

Перекат – это прямой участок русла между двумя смежными излучинами, относительно мелководный (рис. 3.11, 3.12 -б).

Рис. 3.12. Продольные профили реки (а) и ее участка (б): 1 – плавновогнутый (р. Вахш), 2 – прямолинейный (р. Зеравшан), .3 – выпуклый (р. Гунт), 4 – ступенчатый (р. Бартанг), 5 – дно реки, 6 – водная поверхность в межень, 7 – водная поверхность в половодье, – падение между створами А и Б в межень, – в половодье, Пл – плес, Пр – перекат [19].

Разность высотных отметок поверхности воды в начале некоторого участка реки (Н₁) и в конце этого участка (Н₂) называется падением (ΔН). Отношение падения к длине участка (l) дает средний уклон реки на участке

I = ΔН/l. (3.19)

У равнинных рек значения уклонов составляют от 0,001 до 0,00001; у горных они могут достигать 0,01 и более. Уклоны на перекатах больше, чем на плесах. Кроме того, уклон уменьшается от верховьев реки к низовьям.

Продольный профиль реки – это график изменения отметок дна и водной поверхности вдоль русла. На вертикальной оси графика откладывают абсо­лютные или условные отметки уровня воды и дна (обычно по линии наибольших глубин), на горизонтальной – расстояние по длине реки (рис. 3.12).

Равнинные реки постепенно вырабатывают плавный вогнутый профиль, называемый профилем равновесия. В верховьях рек дно интен­сивно размывается, уклоны наибольшие. В средней части уклоны меньше, образуются излучины. В низовьях – уклоны наименьшие, происходит ак­кумуляция наносов и образование дельты.