Лекция n 14

Русловые процессы.

Основные характеристики русла. Изменение морфологического строения русла водотока под действием текущей воды называют русловым процессом., или же под русловым процессом понимают морфологическое строение речного русла и речной поймы вызванные гидродинамическим воздействием потока.

Приведем некоторые термины связанные с русловым процессом:

0. Русло реки ( меженное) - наиболее пониженная часть долины, выработанная потоком, по которой осуществляется перемещение основной части донных отложений и стока воды в междупаводочный период;

1. Пойма - часть дна речной долины, затопляемая в период паводков и половодий; формируется в результате отложений переносимых потоком взвешенных наносов при плановых деформациях речного русла.

2. Перекат - форма донного рельефа равнинных рек, сформированная отложениями наносов в виде гряды, пересекающей русло под некоторым углом к общему направлению течения. Перекат можно представить как затопленную часть гребня гряды.

3. Плес - более глубокий участок реки; при меандрировании - затопленное подвалье гряды.

Основными характеристиками русла являются: продольный и поперечный профиль, плановые очертания берегов и распределение глубин.

Структура речного потока. Как уже отмечалось в предыдущих лекциях, распределение скоростей по живому сечению потока и по длине его носит довольно сложный характер. Помимо постоянного перемешивания водных масс и потоков, свойственного турбулентному движению, для него характерно еще и наличие циркуляционных течений. Вследствие большой скорости на стрежне потока но поверхности воды происходит вытягивание водных струй, в результате чего возникает некоторое повышение уровня. Вследствии этого в плоскости, перпендикулярной к направлению течения, образуются два циркуляционных течения по замкнутым контурам, сходящиеся у поверхности и расходящиеся у дна. (рис. 1).

Рис. 1. Схема возникновения поперечной циркуляции (по Н.С. Лелявскому).

а - поверхностные струи, б - циркуляционные течения в вертикальной плоскости, в - винтообразные течения.

На изогнутых участках русла струи воды встречаясь с вогнутым берегом, либо движутся вдоль него, либо отбрасываются от него. Соседние с ними струи встречаются уже не с берегом, а с отклоненными вдоль берега струями и подпирают их. В результате этого возникает перекос водной поверхности, и струи, находящиеся вблизи берега, опускаются вниз и образуют придонное течение от берега к средней части реки. Так образуется циркуляционное течение на изогнутых участках русла. (рис. 2).

Рис. 2. Циркуляционное течение на изгибе.

Русло реки в плане всегда характеризуется чередованием излучин, изогнутых то вправо, то влево. Между ними находятся прямолинейные участки.

Плановые очертания речных русел и их изменение. Плановые очертания речных русел отличаются значительным разнообразием и вместе с тем для них характерна отчетливо выраженная извилистость. Опыты показали, что даже искусственно созданные водотоки с прямолинейным руслом со временем стремятся к образованию извилин. Очертания речных русел в плане у большинства рек изменяются со временем. Эти изменения носят различный характер. На одних реках образуются излучины или меандры , на других прямолинейные участки русел перемещаются параллельно самим себе.

Не все излучины следует называть меандрами. Этот термин вошел в гидрологическую литературу по названию р.Меандр (Турция). Для р.Меандр характерны постоянные и непрерывные плановые деформации русла вследствие воздействия на него потока. Такого рода изменения плановых очертаний русла и следует называть меандрированием, а извилины русла - меандрами. Таким образом, под меандрированием следует понимать не изменение плановых очертаний русла в виде извилин по длине реки, а определенный процесс, заключающийся в изменении этих очертаний во времени. Причиной образования извилин является: на прямолинейном участке реки под влиянием каких - либо случайных причин водный поток может отклониться от своего первоначального направления (рис. 3). Струи воды, ударившись о образовавшуюся вогнутость будут увеличивать ее в результате размыва.. Последний усиливается под действием силы Кориолиса (если размывается правый берег) и центробежной силы на участке с закругленным руслом реки.

рис. 3. Образование речных извилин.

Продукты размыва будут откладываться на противоположной стороне, несколько ниже образовавшейся вогнутости, где скорость течения, обращенного к противоположному берегу, будет меньше. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока русло реки не примет меандрические формы.

Распределение глубин и элементы речного русла. Распределение глубин, или рельеф дна речного русла, при всем разнообразии имеет некоторые общие черты. Оно тесно связано с плановым очертанием русла. Наиболее энергично происходит размыв русла на его закруглениях. По этой причине там, где русло имеет прямолинейные очертания, глубины обычно бывают меньше, чем на закруглениях. Участки с большими глубинами называются плесами. Мелководные участки, образованные отмелью, занимающей всю ширину реки - перекатами.

Рис. 4. Части переката.

Для равнинных рек характерно непрерывное чередование плесов и перекатов. Различают следующие части перекатов (рис. 4). Вдоль более выпуклого берега верхней части переката располагается верхний побочень (коса); обычно сложенный песками. Вдоль более вогнутого берега вытягивается верхняя плесовая лощина, представляющая собой продолжение верхнего плеса. Верхний побочень и верхняя плесовая лощина упираются в наиболее возвышенную часть переката - седловину, скат которой, обращенный к верхней плесовой лощине, называется верхним, или напорным скатом. Наиболее возвышенная часть седловины называется гребнем, наиболее пониженная - корытом переката. По нему проходит полоса наибольших глубин, благоприятных для проводки судов, называемая фарватером. Низовая часть седловины - скат, обращенный вниз по течению, образует подвалье. Этот скат более крутой, чем верхний. К седловине переката, в нижней его части. примыкают у одного берега нижний побочень, у другого - нижняя плесовая лощина.

Рис. 5. Схема нормального переката.

Если на перекате фарватер плавно переходит из одного плеса в другой и оси изобат плесов находятся на продолжении одной линии, то такой перекат называется нормальным (рис.5). На нормальных перекатах в местах перегиба русла иногда образуются плоские возвышения дна - перевалы. Они имеют меньшую ширину, чем прилегающие плесовые лощины, но весьма полого, без резко выраженного подвалья соединяются с ними. Если же изобаты плесов сдвинуты относительно друг друга в поперечном направлении и фарватер представляет собой искривленную линию, то такой перекат называется сдвинутым перекатом (рис. 6). С судоходной точки зрения нормальные перекаты называют хорошими, а сдвинутые - дурными.

Рис. 6. Схема сдвинутого переката.

Типы русловых процессов. Русловые процессы подразделяют на необратимые (однонаправленные) и обратимые (циклические). Необратимые русловые процессы обусловлены однонаправленным медленным вековым развитием морфологических характеристик реки, относящихся главным образом к продольному профилю реки. К однонаправленным процессам причисляются также изменения морфологического строения русла, вызванные воздействием гидротехнических сооружений и мостов на речное русло, рассчитанных на длительный срок службы. Например, после возведения плотины и создания на реке водохранилища, регулирующего сток воды, продольный профиль дна реки изменяется: в верхнем бьефе его отметки повышаются за счет заиления. А в нижнем - понижаются, так как осветленный поток отличается большой размывающей и транспортирующей способностью. Таким искусственным нарушением продольного профиля реки можно управлять с помощью промыва водохранилищ от наносов.

К обратимым русловым процессам относятся сезонные изменения рельефа дна реки на перекатах и плесах, перемещения песчаных гряд, побочней, осередков, подмывы и намывы берегов, меандрирование, возникновение проток и их отмирание.

Различают также следующие типы руслового процесса рек:

1. Ленточно-грядовый тип. В русле происходит движение системы гряд, искривленных в плане под влиянием придонных скоростей.

2. Побочневый тип. По сравнению с предыдущим типом гребни гряд перекошены, направления перекосов смежных гряд чередуются. В меженный период повышенные части гряд обнажаются у берегов. В результате образуются побочни (песчаные отмели), расположенные в шахматном порядке. Это способствует увеличению извилистости меженного русла.

3. Ограниченное меандрирование. Для этого типа руслового процесса характерна сравнительно слабая извилистость русла. Могут возникать отдельные пойменные массивы, представляющие собой участок поймы, ограниченный участками русла реки.

4. Свобдное меандрирование. Русло реки сильно меандрирует в широкой пойме со староречьями.

5. Незавершонное меандрирование. При этом типе руслового процесса ее излучина еще не перешла в состояние петли, а спрямляющая протока пропускает еще значительную часть расхода воды реки.

6. Русловая многорукавность. Этот тип руслового процесса возникает при больших расходах влекомых наносов.

7. Пойменная многорукавность. Этот тип руслового процесса возникает в широких поймах и характеризуется наличием множества рукавов, которые могут рассматриваться как самостоятельные водотоки, если их протяженность велика.

Поперечный профиль водной поверхности реки. Поперечный профиль водной поверхности реки, вообще говоря, не представляет собой горизонтальную линию. Он характеризуется, с одной стороны, наличием превышения уровня воды у одного берега над уровнем у другого, а с другой - в ряде случаев представляет собой довольно сложные кривые линии.

Причины, вызывающие разность в уровнях у противоположных берегов, заключаются в следующем. Русло реки никогда не бывает прямолинейным. При движении воды на участке с закруглением развивается центробежная сила. Степень кривизны русла характеризуется так называемым радиусом кривизны, представляющим собой радиус окружности дуга которой совпадает с кривой, изображающей очертания русла на данном участке. Центр окружности называется центром кривизны. Каждая частица воды, движущаяся на закруглении, испытывает действие центробежной силы, направленной по радиусу кривизны (рис. 7)

Рис. 7. Действие центробежной силы на водную поверхность на изгибе.

а - план участка, б - живое сечение.

Величина этой силы

(1)

где m - масса частицы; v - продольная скорость движения частицы; R - радиус кривизны. На рис 7а эта сила изображена в виде вектора, направленного в сторону вогнутого берега. Под действием этой силы частица будет устремляться к вогнутому берегу.

Каждая частица, кроме того, находится под действием силы тяжести f , изображенной на рис. 7б в виде вектора, направленного сверху вниз по вертикали. На этом же рисунке сила Р₁ изображена в виде горизонтальной линии.

Равнодействующая обеих сил Р образует некоторый угол  с вертикально направленным вектором, изображающим силу f.

Известно, что уровенная поверхность всегда нормальна к равнодействующей всех сил, направленных на нее. Таким образом, уровенная поверхность под действием обеих сил - центробежной Р₁ и силы тяжести f - займет положение ДЕ, составляющее угол , равный углу между силами Р и f, так как стороны углов fМР и ЕМВ взаимно-перпендикулярны. Известно, что сила тяжести f = mg, где m - масса частицы; g - ускорение силы тяжести. Из треугольника fМР видно, что tg = Р₁ : Так как угол  обычно невелик, то можно принять sin равным tg. Из треугольника ЕМВ следует, что Так например, если V= 2.5 м/c, B = 200 м, R=200 м, то а следовательно, т.е уровень воды у вогнутого берега на 32 см выше, чем у выпуклого.

Другая причина, вызывающая разность уровней у противоположных берегов. - сила Кориолиса. Известно, что под действием вращения Земли вокруг оси все движущиеся тела отклоняются от первоначального направления движения в северном полушарии вправо, в южном - влево. Величина силы Кориолиса

(2)

где m - масса частицы;  - угловая скорость суточного вращения Земли;  - широта места. Подобно тому, как и в предыдущем случае, равнодействующая двух сил - силы тяжести и Кориолиса Р₂ будет составлять некоторый угол с направлением силы тяжести, следовательно, и поверхность воды составит такой же угол с горизонтальной плоскостью. Отсюда поперечный уклон, вызванный действием силы Кориолиса, будет равен

или, так как 2  = 0.0001458,

.

Для случая , рассмотренного ранее, т.е. для реки со скоростью течения V=2.5 м/cек при ширине реки 200 м и для  = 55⁰ , поперечный уклон i= 0.000030, а превышение уровня воды у правого берега над уровнем у левого h = 0.003 м, или 0.3 см.

В тех случаях, когда направление силы Кориолиса совпадает с направлением центробежной силы потока на закруглениях, равнодействующая этих сил будет равна их сумме, т.е. Р₁ +Р₂ , при противоположных направлениях этих сил равнодействующая будет равна их разности т.е. Р₁ -Р_2.

Устойчивость речного русла. Деформации речного русла, зависят от скорости течения. Чем больше скорости, тем интенсивнее происходит размыв русла. С другой стороны, скорость зависит от уклона и шероховатости русла. Чем больше размер частиц, тем больше шероховатость, а следовательно, при одном и том же уклона величина скорости будет уменьшаться при увеличении размеров частиц и увеличиваться при их уменьшении. Устойчивость русла характеризуется соотношением где D - диаметр частиц, а Н - величина падения русла на 1 км. В дальнйшем М.А. Великанов предложил выражение для коэффициента устойчивости речных русел

(3)

где g -ускорение силы тяжести; D - диаметр частиц и v - скорость течения.

Основываясь на коэффициет устойчивости Великанов предложил классификации речных русел по степени их устойчивости. Выделены пять категорий рек:

1. Реки протекающие в относительно неразмываемых грунтах. Эти реки наибольшей устойчивости.

2. Реки в руслах которых углубление и наращивание дна происходит периодически в одних и тех же местах.

3. Малоустойчивае реки, в которых размыв и отложение ограничиваются изменением глубин русла, без заметного изменения очертаний русла в плане.

4. Равнинные реки наименьшей устойчивости. Изменяются не только глубины, но и очертания русла в плане.

5. Горные реки с руслами наименьшей устойчивости.