3. Закономерности трансформации паводков

При движении вдоль речного русла паводки (паводочные вол­ны) трансформируются. Это проявляется в уменьшении высоты и возрастании продолжительности паводка (распластывании павод­ка), в уменьшении скорости его перемещения и в изменении фор­мы паводочной волны (рис. 6.15). Эти особенности движения па­водка объясняются закономерностями распространения любых волн на воде — гребень волны перемещается быстрее ее подошвы, вли­янием шероховатости русла и выходом паводочных вод на пойму. Скорость перемещения паводочной волны обычно больше скоро­сти движения самой воды в 1,2—1,5 раза. Пример распространения паводка вдоль Дуная на протяжении более 2 тыс. км был рассмот­рен в разд. 6.7.2.

П ри перемещении в реках волн паводков (а также и половодья) изменение уровня воды Н, расхода воды Q, средней скорости те­чения v, уклона водной поверхности I происходит несинхронно. Гидравлическими расчетами можно доказать, что в любом створе реки должна наблюдаться следующая последовательность наступле­ния максимальных значений перечисленных характеристик: снача­ла своего максимума достигает уклон, затем скорость течения, потом

Рис. 6.15. Схема трансформации паводочной волны (по М. А. Великанову):

а — графики изменения уровня воды в двух пунктах, расположенных последовательно вдоль русла (7 и 2); б— продольные профили паводочной волны и ее длины в два последовательных момента времени

наступает максимальное значение расхода воды и лишь после всего максимальной величины достигает уровень воды (пик паводка). Несинхронность наступления максимальных значений расхода и уровня воды во время паводка или половодья предопределяет неоднозначность «кривой расходов»; на графике Q-/(#) появляет­ся паводочная петля (см. рис. 6.13,6).

4. Движение речных наносов

   1. Происхождение, характеристики и классификация речных наносов

Главными источниками поступления наносов в реки служат поверхность водосборов, подвергающаяся эрозии в период дождей и снеготаяния, и сами русла рек, размываемые речным потоком. Эрозия водосборов — процесс очень сложный, зависящий как от эродирующей способности стекающих по его поверхности дожде­вых и талых вод, так и от противоэрозионной устойчивости почв и грунтов водосбора. Эрозия поверхности водосборов (и поступле­ние ее продуктов в реки) обычно тем больше, чем сильнее дожди и интенсивнее снеготаяние, чем больше неровности рельефа, рых­лее грунты (наиболее легко подвергаются эрозии лёссовые грунты), менее развит растительный покров, сильнее распаханность скло­нов. Эрозия речных русел тем сильнее, чем больше скорости тече­ния в реках и менее устойчивы грунты, слагающие дно и берега. Часть наносов поступает в русло рек при абразии (волновом раз­рушении) берегов водохранилищ и речных берегов на широких плесах. Наносы, слагающие дно рек, называют донными отложени­ями, или аллювием.

Наибольшую концентрацию наносов (мутность воды) имеют реки с паводочным режимом и протекающие в условиях засушливого климата и легкоразмываемых грунтов. Самые мутные реки на Зем­ле — Терек, Сулак, Кура, Амударья, Ганг, Хуанхэ. Средняя годовая мутность рек Терека, Амударьи и Хуанхэ в условиях естественного режима составляла, например, 1,7; 2,9 и 25,8 кг/м³ соответственно. В половодье мутность воды Хуанхэ достигала 250 кг/м³! В насто­ящее время мутность перечисленных рек стала заметно меньше. Для сравнения приведем данные о средней годовой мутности воды в Волге в ее низовьях: до зарегулирования реки она была равна около 60 г/м³, а после зарегулирования уменьшилась до 25—30 г/м³.

Наиболее важные характеристики наносов следующие: геомет­рическая крупность, выражающаяся через диаметр частиц наносов (D, мм); гидравлическая крупность, т. е. скорость осаждения частиц наносов в неподвижной воде (w, мм/с, мм/мин); плотность частиц (р_н, кг/м³), равная для наиболее распространенных кварцевых пес­

ков 2650 кг/м³; плотность отложений (плотность грунта) (р_отл, кг/м³), зависящая от плотности частиц и пористости грунта согласно фор­муле (5.3) (плотность илистых отложений на дне рек обычно со­ставляет в среднем 700—1000 кг/м³, песчаных 1500—1700, сме­шанных 1000—1500 кг/м³); концентрация (содержание) наносов в по­токе, которую можно представить как в относительных величинах (отношение массы или объема наносов к массе или объему воды), так и в абсолютных величинах; в последнем случае используют понятие мутность воды (s, г/м³, кг/м³), которая вычисляется по формуле

s = m/V, (6.36)

где т — масса наносов в пробе воды; К—объем пробы воды. Мутность определяют путем фильтрования отобранных с помощью батометров проб воды и взвешивания фильтров.

По геометрической крупности наносы делят на фракции (табл. 6.4). В реальных условиях и наносы, переносимые речным потоком, и донные отложения представляют собой смесь наносов раз­личной крупности. Такие наносы и отложения классифицируют с уче­том преобладающих фракций (илистый песок, песчанистый ил и т. д.).

Таблица 6.4. Классификация наносов по размеру частиц (мм)

Градация	Фракции
	Глина	Ил	Пыль	Песок	Гравий	Галька	Валуны
Мелкие Средние Крупные	< 0,001	0,001-0,005 0,005-0,01	0,01-0,05 0,05-0,1	0,1-0,2 0,2-0,5 0,5-1	1-2 2-5 5-10	10-20 20-50 50-100	100-200 200-500 500-1000

Путем механического анализа в лаборатории определяют, как рас­пределяются по фракциям наносы в любой данной пробе, взятой в реке. Среднюю крупность наносов Д_р в такой смеси определяют по формуле

X Да

/

(6.37)

Др =

=1

100

где Ц и pi — средняя крупность наносов каждой фракции и ее доля по массе (%) во всей пробе; « — число фракций.

Гидравлическая крупность наносов зависит от их геометриче­ской крупности по-разному для мелких и крупных частиц.

Наносы крупнее 1,5 мм осаждаются в неподвижной воде с по­вышенными скоростями по извилистым, винтообразным траекто­риям (такой режим падения частиц назван турбулентным)', для этого случая связь гидравлической и геометрической крупности выража­ется формулой

w - fc,r*^p" ~^p>° , (6.38)

P

где р_н и p —плотность наносов и воды. Наносы мельче 0,15 мм осаждаются в неподвижной воде медленно и практически по пря­мой линии (такой режим падения частиц назвали ламинарным), в этом случае связь w и D будет иная:

₍₆.з9)

18pv

где v — кинематический коэффициент вязкости, зависящий от тем­пературы воды (см. разд. 1.3.4). В диапазоне крупности наносов 0,15—1,5 мм режим осаждения частиц переходный, и связь между w и D описывается более сложными формулами.

Таким образом, для относительно крупных наносов гидравли­ческая крупность растет пропорционально корню квадратному из их геометрической крупности, а для мелких наносов гидравличе­ская крупность увеличивается пропорционально квадрату диаметра частиц наносов и уменьшается с возрастанием вязкости воды при уменьшении ее температуры.

Ниже приведена гидравлическая крупность частиц при темпе­ратуре 15 °С (по А. В. Караушеву):

Диаметр