6.3. Движение донных наносов. Закон Эри

Донные (влекомые) наносы ― твердые частицы (песок, гравий, галька, валуны), перемещаемые потоком в придонном слое путем влечения или перекатывания, или чаще путем перебрасывания на относительно короткие расстояния (сальтация). В не­которых случаях эти наносы могут выбрасываться вос­ходящими вихревыми токами на большую высоту, даже достигать по­верхности потока.

Выделение донных наносов из общей массы транспорти­руемых потоком наносов является в некоторой мере условным, ибо с из­менением гидравлических характери­стик потока (глубины, скорости тече­ния, уклонов и др.) непрерывно про­исходит переход неко­торой части донных наносов во взвешенные и обратно.

Влечение частиц по дну обусловливается донной скоростью потока и размерами частицы. Эта закономерность отражена в законе Эри (формуле Эри):

P = Av⁶, (6.5)

где P ― вес частицы, влекомой потоком;

А — коэффициент, зависящий от формы и удельного веса частицы;

v — скорость, при которой эти частицы начинают двигаться.

Формула Эри показывает, что если скорость потока увеличится в 3 раза, то вес час­тицы, передвигающейся при этой скорости, уве­личится в 729 раз. Вот почему на равнинных реках донные на­носы состоят преимущественно из песка различной крупности, гор­ные же реки переносят гравий, гальку, крупные валуны.

Для практических целей бывает необходимо определить началь­ную среднюю скорость потока, при которой начинается размыв дон­ных отложений. В этом случае, заменяя донную ско­рость потока средней, необходимо учесть глубину потока. С увеличением глубины увеличивается и средняя скорость, при которой начинается переме­щение наносов. Для расчета этой скорости (v_нач) разработан ряд формул. Так, формула Г. И. Шамова имеет вид:

v_нач = 4,4d^1/3 h^1/6, (6.6)

где d ― средний диаметр частиц донных отложений, м;

h — средняя глубина, м;

Для перемещения по дну песка необходимы придонные скорости течения не менее 0,10−0,15 м/с, гравия — не менее 0,15−0,5, гальки — 0,5−1,6, валунов — 1,6−5 м/с. Средняя скорость по­тока должна быть еще больше.

Крупность влекомых наносов изменяется по сезонам года, возрастая при паводках и уменьшаясь в межень. При больших скоростях течения донные наносы дви­жутся большими массами. Размеры донных наносов постепенно уменьшаются по длине рек с уменьшением ско­ростей вниз по те­чению.

Количество влекомых наносов в равнинных реках мало. В условиях Беларуси доля дон­ных наносов в общем стоке наносов реки (твердом стоке) составляет от 5 % ― в больших ре­ках, увеличиваясь до 10 % ― в малых. Значитель­ная часть донных наносов рек Беларуси вхо­дит в состав донных отложений и участвует в образовании русловых аккумулятивных форм — донных гряд, рифелей, кос, побочней и т. д. Вопросы о движении донных гряд, как и о русловых формах, рассмотрены в одном из последующих разделов.

6.4. Транспортирующая способность потока. Сели

Речной поток обла­дает определенной транспортирующей способностью, т. е. способ­но­стью переносить определенное количество наносов данной круп­ности при определенных гид­равлических характеристиках (уклон, скорость, глубина).

Предельный суммарный расход как взвешенных, так и влекомых наносов (твердый сток), ко­торые может переносить река называется транспортирующей способностью потока R_тр. Ее характеризуют либо предельным расходом взвешенных наносов, который способен транспорти­ровать поток (R_тр), либо средней мутностью, отвечающей на­сыщенности потока наносами, при которой осуществляется транс­портирующая способность потока (ρ_тр) при данном расходе воды Q:

R_тр = ρ_трQ, (6.7)

Для расчета транспортирующей способности воды существует несколько формул. Ниже приводится формула Е.А. Замарина:

(6.8)

где R_тр ― транспортирующая способность потока, кг/м³;

v_ср — средняя скорость течения, м³/с;

R — гидравлический радиус, м³/с;

i — уклон потока;

w — средневзвешенная гидравлическая крупность взвешенных наносов, м/с;

Если фактический расход взвешенных наносов в потоке соответствует его транспор­тирую­щей способности, то между процессами взвешивания и осажде­ния наносов в при­донном слое наблюдается динамическое равно­весие. В случае превышения расхода наносов над величиной R_тр происходит аккумуляция наносов, при обратном соотношении поток размывает русло. Это становится причиной русловых деформаций.

В горных районах, часто на небольших реках, возникают кратковре­менные паводки, не­сущие огромные скопления наносов. Эти скопле­ния твердого материала придают потоку характер грязевого, грязе-каменного или водно-каменного. Потоки эти называются селями. Образуются сели в результате выпадения интенсивных дождей, реже — интенсивного снеготаяния. Дви­жение селевых потоков носит пульсирующий заторный ха­рактер. При про­рыве затора по реке проносится селевой поток, обладающий большой разрушительной силой. Продолжи­тельность селей — от нескольких минут до нескольких часов. Во время их прохождения происходят ин­тенсивные про­цессы размыва русла и отложения наносов. Сель относится к опас­ным явлениям природы.