3.Русловые процессы

Русловые процессы - это изменения морфологического строения речного русла и поймы, обусловленные действием текущей воды. Русловые процессы проявляются во взаимодействии потока и русла реки. Конкретные проявления русловых процессов в виде измене­ния положения и размеров русла, поймы и отдельных русловых образований, т. е. в виде размыва или намыва дна и берегов, на­зывают русловыми деформациями.

Русловые образования, подвергающиеся деформациям,- это скоп­ления наносов, создающие характерные формы рельефа речно­го русла и поймы разного размера - микро-, мезо- и макроформы. К микроформам относятся перемещающиеся в русле донные гряды, размеры которых меньше глубины русла. Мезоформы - это также состоящие из наносов гряды, но более крупного размера, соизмеримые уже с поперечными размерами самого русла. К мезоформам относятся речные перекаты, осередки, небольшие острова. Макроформами называют крупные, морфологически однородные участки речного русла, представленные относительно прямолиней­ными участками, извилинами (излучинами, меандрами), системами русловых и пойменных разветвлений, участками так называемого разбросанного русла. Русловые процессы неразрыв­но связаны с переносом в речном потоке наносов, в основном - влекомых. Иногда даже говорят, что русловые процессы - это форма перемещения влекомых наносов.

Изучение русловых процессов имеет большое практическое значение, так как от характера и интенсивности русловых дефор­маций зависят работа водного транспорта, эксплуатация водозабор­ных сооружений, мостовых переходов, газо- и нефтепроводов через реки и т. д.

Физической причиной русловых деформаций является наруше­ние баланса наносов на тех или иных участках речного русла. Изменение расхода наносов вдоль потока на бесприточном участке должно неизбежно сопровождаться русловыми деформациями: при увеличении расхода наносов вдоль реки должен происходить раз­мыв русла (эрозии), при уменьшении расхода наносов вдоль реки - намыв русла (аккумуляция наносов). Соотношение между фактическим расходом наносов и транспорти­рующей способностью потока определяют русловые дефорации. При R> R _тр должны происходить отложение наносов и намыв дна, при R< R _тр - наоборот, размыв дна. По направленности русловые де­формации подразделяются, таким образом, на два вида: размыв (эрозия) и намыв (аккумуляция наносов).

Русловые деформации подразделяют также на вертикальные, когда происходят изменения отметок дна русла, и горизонтальные, когда наблюдаются поперечные смещения русла. Обычно эти два вида русловых деформаций происходят одновре­менно, но в некоторых случаях преобладают первые, в некото­рых - вторые.

Русловые деформации и русловые процессы подразделяют так­же на два типа: периодические (знакопеременные, обрати­мые) и направленные (необратимые). К периодическим рус-ловым деформациям относят такие изменения русла, которые неод­нократно повторяются и после которых русло возвращается при­близительно в первоначальное положение. Эти русловые деформации наблюдаются при движении донных гряд, развитии излучин и т.д. Направленные русловые деформации выражены в односторонних изменениях русла, например при однонаправленном размыве или намыве, сопутствующих сооружению водохранилища на реке.

Микроформы речного русла и их изменения

Если в гидравлическом лотке, дно которого выстлано ровным слоем песка, постепенно увеличивать расход воды, то после дости­жения скоростями течения некоторых значений наносы придут в движение. Поскольку распределение скоростей течения в турбу­лентном потоке крайне неравномерно, неравномерным будет и дви­жение этих наносов. В результате формируются небольшие донные гряды - рифели. По мере увеличения скоростей течения высота движущихся рифелей постепенно возрастает и образуются донные дюны. При дальнейшем увеличении скоростей течения может про­изойти разрушение дюн: наступит так называемая гладкая фаза движения влекомых наносов. Наконец, при очень больших скоростях течения возникают песчаные стоячие волны, а затем антидюны, форма которых перемещается вверх по течению.

Русловые деформации при движении всех описанных выше микроформ (донных гряд) обратимы: после смещения гряды на всю ее длину дно потока в этом месте приобретает первоначальные от­метки. Скорость смещения микроформ на реках обычно не превышает нескольких метров в сутки.

Высота донных гряд может изменяться от нескольких сантимет­ров до 4-6 м. На некоторых реках размеры гряд соизмеримыс глубиной русла. Обычно гряды меньшего размера накладываются на гряды большего размера, создавая целую «иерархию» микро форм речного русла.

Переход от одного вида микроформ к другому происходит, как показали экспериментальные исследования, с увеличением как числа Фруда v²/gh, так и отношения скорости течения к гидравлической крупности частиц наносов v/w, т. е. степени подвижности наносов.

Мезоформы речного русла и их изменения

Наиболее типичным видом мезоформы речного русла является крупная русловая гряда - перекат (рис. 8.5). Перекаты вместе с расположенными между ними понижениями дна - плесами обра­зуют на реках системы плес - перекат. Эти системы, как и другие русловые формы, медленно смещаются вдоль русла; этот процесс сопровождается обратимыми русловыми деформациями. Скорость смещения таких систем обычно не превышает нескольких сотен метров в год.

Наиболее характерными элементами системы плес - перекат являются верхняя и нижняя плесовые лощины и верхний и нижний (или лево- и правобережный) побочни переката (см. рис. 8.5). Перекат представляет собой крупную русловую гряду, пересекаю­щую русло под углом 20-30°. Верхний по течению склон гряды более пологий, низовой откос (подвалье переката) - более крутой. Наиболее мелкие части гряды - прибрежные отмели — носят на­звание побочней. Наиболее глубокая часть переката между смежны­ми плесовыми лощинами называется корытом переката. Через нее и проходят линия наибольших глубин и фарватер. Наиболее мел­ководный участок фарватера над перекатом называется гребнем переката.

Перекаты по своему строению бывают трех видов: перева­лы - перекаты с плавными и небольшими изменениями отметок дна без резко выраженного подвалья; нормальные — перекаты с хорошо выраженным подвальем, но без резкого искривления фар­ватера (рис. 8.5, а), перекошенные (сдвинутые) – перекаты.

Рис. 8.5. Схемы перекатов:

а - нормального; б- перекошенного; 1, 2-верхняя и нижняя плесовые лощины; 3, 4- верхний (правобережный) и нижний (левобережный) побочни переката, 5-корыто; 6- гребень; 7 - подвалье переката; 8- затонская часть нижней плесовой лощины; 9 - линия наибольших глубин

с резким искривлением фарватера (рис. 8.5,б). Те перекаты, которые вследствие либо малых глубин на гребне, либо сильного искривления фарватера создают препятствие судоходству, называют лимитирующими.

Наибольшая скорость перемещения характерна для перекатов на прямолинейных участках русла. Она возрастает с уменьшением крупности наносов. По данным Р. С. Чалова, скорость смещения побочней перекатов на р. Вычегде составляет 25-250 м/год, Лене - 800, Амударье - до 1000 м/год.

Для большинства перекатов с песчаным дном характерны довольно своеобразные сезонные изменения отметок дна. На подъеме половодья происходит намыв переката, на спаде половодья и в межень - размыв. Размыв переката объясняется возрастанием уклонов водной поверхности и сопутствующим увеличением скоростей течения. Напомним, что в целом в период половодья уклоны на перекате меньше, чем в межень. Для плесов харак­терны, наоборот, размыв в половодье и намыв в межень.

Другой вид мезоформ речного русла - осередки - подвижные, не соединенные (в отличие от побочней перекатов) с берегами и незаросшие растительностью отмели. Осередки часто возникают на перекатах, вызывая разделение фарватера на его гребне на две ветви.

Макроформы речного русла и их изменения

В относительно прямолинейных руслах вниз по течению смещаются как мезоформы (перекаты, осередки), так и мик­роформы (донные гряды различного размера). Во многих случаях смещающиеся побочни перекатов предохраняют коренные или пойменные берега прямолинейного русла от размыва.

Весьма своеобразны русловые деформации в извилистых (меандрирующих) руслах. Такие деформации представляют собой циклические процессы постепенного увеличения извилиВесьма своеобразны русловые деформации в извилистых (меандрирующих) руслах. Такие деформации представляют собой циклические процессы постепенного увеличения извилистости русла благодаря размыву его вогнутых берегов, развороту и смеще­нию излучин (меандров), завершающиеся прорывом перешейка со спрямлением русла (рис. 8.9).

Рис.8.6. Схема смещения и изменения формы излучины:

1- участок размыва берега; 2 – старица

Затем процесс развития излучин повторяется. Важно отметить, что описанный процесс сопровождается изменением уровней воды на участке реки: с увеличением извилистости он постепенно повышается, а в результате спрямле­ния русла после прорыва перешейка - резко понижается.

В излучинах находятся системы глубоких (плесы) и мелких (перекаты) участков. Плесы обычно приурочены к участкам русла с наибольшей кривизной, перекаты - к прямым (переходным) уча­сткам русла между смежными излучинами. Эти образования на извилистых участках русла более стабильны в своем положении, чем на относительно прямолинейных участках русла.

Смещение и искривление излучин сопровождается значитель­ными горизонтальными русловыми деформациями. Наибольшие размывы (достигающие десятков метров в год) приурочены к вог­нутым берегам на изгибе русла, где в потоке возникает поперечная циркуляция.

В процессе развития излучин происходит обмен наносами меж­ду руслом и поймой. Нередко и сама пойма формируется в резуль­тате образования излучин, их смещения и прорыва. На поймах часто остаются следы бывших участков русла - старицы.

Своеобразные русловые деформации наблюдаются в руслах, разветвленных на рукава. Различают пойменную и русловую многорукавность. Пойменные рукава обычно более стабильны по сравнению с внутрирусловыми. При русловой многорукавности в пределах русла находятся упорядоченные острова: либо одиночные острова, либо закономерные цепочки островов, расположенные в шахматном порядке или тяготеющие к одному из берегов.

Как пойменным, так и внутрирусловым рукавам свойственны два взаимосвязанных процесса: перераспределение стока воды и на­носов между водотоками и отмирание (заиление) или активизация (размыв) этих водотоков. Рукава, увеличивающие свой сток, акти­визируются, уменьшающие - отмирают или теряют свою актив­ность.

И наконец, необходимо упомянуть русловые деформации в так называемых разбросанных руслах. В руслах этого типа вниз по течению перемещаются многочисленные неупорядо­ченные и весьма подвижные отмели - осередки разного размера. Разбросанные русла очень неустойчивы и изменчивы. Обычно они наблюдаются на реках с повышенными скоростями течения, с мел­кими и очень подвижными наносами (на Тереке, Амударье).

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, (8.21)

где D- крупность донных наносов, мм; Н -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.