2.4.9. Рівневий режим річок

Основні зміни рівнів води в річках в цілому відповідають змінам витрат води. Але, як ми знаємо, однозначність зв’язку витрат та рівнів (кривих витрат) витримується не завжди. Існує цілий ряд факторів, що впливають на відхилення від неї. Тому графіки ходу рівнів води дещо відрізняються від гідрографів стоку.

До основних факторів, які поряд з витратами впливають на формування рівнів річок можна віднести:

1) підвищення, або пониження дна русла внаслідок відкладання, або розмиву наносів;

2) наявність на річці штучних, або природних факторів (споруд), які створюють змінний підпір та змінюють природній хід рівнів;

3) заростання русла водною рослинністю, що створює додатковий опір течії, для подолання якого необхідне підвищення рівнів;

4) наявність на річці льодового покриву, або значних мас внутріводного льоду, що також збільшує опір і зменшує пропускну здатність;

5) вплив вітру, згони та нагони, а також вплив припливів у гирлових ділянках річок.

Вплив факторів може поєднуватися, що створює досить складнийрівневий ражем на окремих ділянках річок.

Графіки ходу рівнів води, як і гідрографи, можуть бути типовими і відображати характерні риси режиму за багато років. Крім того на одному малюнку можна сумістити графіки, що відносяться до різних пунктів спостережень поздовж річки. Це дає змогу аналізувати особливості розвитку паводків та повеней на ній. Якщо графіки подібні, то на них можна визначити типові, подібні, відповідні рівні і знайти зв’язок (залежність) між ними для різних постів. Це, зокрема, дозволяє оцінювати значення рівнів для періодів, коли спостереження не проводились, або були допущені помилки; а також давати короткотермінові прогнози рівнів.

До характерних типів рівневого режиму річок О.І. Чеботарьов відносив:

1) коливання рівнів, пов’язані зі змінами водності потоку (основний);

2) коливання рівнів викликані змінами опору в руслі;

3) згонно-нагонні та припливо-відпливні коливання рівнів;

4) коливання рівнів, пов’язані з дією підпорів.

Амплітуди змін рівнів на крупних річках можуть досягати 20-30 м. На крупних річках України вони в основному складають 5-10 м, а на малих 1-2 м. Максимальна амплітуда в основному спостерігається у середній течії, де витрати води вже великі, а паводкові хвилі ще не розпластані, як у нижніх частинах течії.

Річки, що витікають з озер та боліт мають згладжений хід рівнів і відносно невеликі амплітуди їх змін.

2.4.10. Утворення та основні характеристики річкових наносів

Перенесення річками твердих часток (наносів) здавна привертало увагу людей. Воно має практичне значення. Наприклад в долині р. Ніл наводнення приносили на поля родючий намул, а р. Хуанхе завдяки величезній кількості наносів періодично змінювала своє русло, створюючи катастрофи на крупних територіях. Річковими наносами заповнюються гирлові області, канали, водосховища. Систематичне їх вивчення розпочалося на межі XIX та XX століть.

Ми вже відмічали, що води, які стікають з суходолу реалізують, витрачають потенційну енергію і виконують певну роботу. Ерозійна робота водотоків — головний чинник денудації суходолу. Характер поверхні суходолу може бути різним. Практично скрізь вона поєднується з пере-відкладанням наносів. Тому прийнято говорити про ерозійно-акумулятивний комплекс (комплекс процесів) в басейні річки. Загальне співвідношення ерозії та акумуляції змінюється поздовж траекторій стікання вод. Біля вододілів, на схилах, у верхніх ланках руслової сітки переважає ерозія. Поздовж основної частини течії річок встановлюється приблизний баланс. Поступово в понижених місцевостях і особливо в гирлових областях починає переважати акумуляція. Частина наносів виноситься в океани та моря. Там вона також формує певні акумулятивні утворення. Але в окремих випадках продовження струменів річок під водою сприяє розвитку улоговини, або підводних каньйонів, тобто відновлюються процеси переважної ерозії.

В цілому для основної частини басейнів річок умовно говорять про схилову та руслову ерозію. До схилової відносять: площинний змив, мікроструменеву ерозію на схилах, яркову ерозію, ерозію у первинних формах руслової сітки (лощини, ложбини, суходоли, балки). Кожен з цих різновидів сам є складним комплексом процесів. Узагальнено можна сказати, що до основних факторів, що впливають на них можна віднести: крутизну схилу, протиерозійну стійкість ґрунтів та порід, характер рослинності, характер впливу дощів та сніготанення; особливості процесів вивітрювання на даній території та інші. Існує ціла наука — ерозіознавство.

Під русловою ерозією розуміють по-перше періодичні розмиви ложа та берегів річок, а по-друге — довготривалі поступові процеси їх врізання у відповідних природних умовах. У першому випадку як правило мова іде про перемивання вже відкладеного раніше алювію і його збалансоване транспортування. Тобто це частина процесу поступового транспортування наносів. В цьому випадку не можна говорити про загальне збільшення їх стоку (навантаженості потоку наносами). Але деколи річка підмиває потужні давні відклади, і часто не алювіальні. У цьому випадку говорять про процеси значного локального, додаткового живлення річок наносами. Транспортування наносів є важливою складовою гідрологічного режиму річок. Це також складний комплекс процесів. Вони пов’язані з характеристиками руху та мінливістю річкового потоку, особливостями перевідкладання наносів, дією додаткових факторів і з характеристиками наносів.

Наноси можна розрізняти за: 1) розмірами; 2) формою; 3) мінералогічним та хімічним складом; 4) походженням; 5) кольором; 6) питомою вагою; 7) радіоактивністю; 8) гідравлічною крупністю та іншими показниками.

Лінійні розміри часток наносів найчастіше характеризують їх середнім діаметром. Це умовна величина, яка відноситься до рівновеликої кулеподібної частки, або обчислюється якимось іншим способом. Такий показник називають крупністю наносів. За крупністю їх прийнято поділяти на:

1) глину

2) намул (суглинок) 0,001-0,01;

3) пил, пилуваті частки, супісок 0,01-0,1;

4) пісок 0,1-1;

5) гравій 1-10;

6) гальку 10-100;

7) валуни та брили мм.

Природні наноси завжди знаходяться в суміші. Для її аналізу відбирають проби наносів. Характер проби залежить від виду наносів та умов на даній ділянці річки. Потім проводять аналіз проб з метою характеристики механічного, гранулометричного складу наносів (лат. granulum — зернятко). Існують різні види аналізу. Опис розмірів проводять за певними інтервалами — фракціями. Фракції відділяють, висушують і зважують. Для відділення фракцій застосовують різноманітні методики, прилади, устаткування. Вага кожної фракції виражається у відсотках по відношенню до загальної ваги проби. Ці дані можна використовувати для статистичного аналізу гранулометричного складу наносів. Найбільше використовують криві розподілу, а також показники забезпеченості та їх співвідношенням (коефіцієнти). Приклад інтегральної кривої гранулометричного складу наносів наведено на рис. 2.60.

За формою наноси грубо поділяють на дві основні категорії: 1) глибоподібні; 2) пластинчаті. Під впливом зіткнень та окатування відбувається процес поступового наближення форм до еліпсоідальної. Тому окатані, алювіальні частки можна характеризувати коефіцієнтом форми:

, (2.27)

де — довжина, велика вісь частки; — товщина, мала вісь. Крупність та форма наносів змінюються поздовж течії річок. Це відбувається завдяки процесам розколювання, перетирання та сортування. Співвідношення та особливості цих процесів залежать як від характеристик самих наносів, так і від загальних умов на ділянках річок. Найбільш інтенсивно зменшення середніх діаметрів відбувається на ділянках переходу від гірської течії (переважання крупних наносів) до рівнинної, спокійної. Найкрупніші частки можуть концентруватися у найглибших частинах русла і згодом формувати цілі «захоронені» прошарки — базальні горизонти. З іншого боку на гірських та передгірських річках може формуватися так-звана шар самовимощення. Вона являє собою поверхневий шар з більш крупних наносів. Він утворюється при достатній їх масовості і ущільненні залягання за рахунок винесення більш дрібних, таких, що заповнювали проміжки між крупними. В річках проявляється також гідрохімічне та біохімічне руйнування (вивітрювання) наносів. Таким чином наноси змінюються поздовж річок завдяки складному комплексу факторів та процесів.

Одним з важливих явищ пов’язаних з транспортуванням та змінами наносів є формування розсипів (розсипних родовищ). Це може стосуватися, як металів так і коштовного каміння та ін. Розсипи формуються як поздовж схилів та у їх підніжжях, так і в річках. Вони збіднюються по мірі віддалення від основного джерела. Закономірності їх розподілу пов’язані з особливостями транспорту наносів та руслових процесів. Значну роль відіграє співвідношення питомої ваги часток. Середня питома вага річкових наносів становить 2,65 г/см³. Цей показник відноситься власне до твердих часток. Його не слід плутати з щільністю відкладів, яка завжди менша.

З самого початку вивчення наносів було звернуто увагу на те, що їх рух пов’язаний з вертикальними компонентами швидкості турбулентного потоку. У зв’язку з цим виникло уявлення про гідравлічну крупність наносів. Під нею розуміють середню швидкість рівномірного падіння даної частки у стоячій воді. Такий підхід базується на заміні розгляду руху води відносно частки на рух частки відносно води. Це дозволяє вивчати гідравлічну крупність в лабораторних умовах і достатньо точно і просто проводити вимірювання. Гідравлічна крупність залежить також від температури (в’язкості) води. Наведемо гідравлічну крупність часток наносів при

Діаметр часток (мм) 1,0 0,5 0,2 0,1 0,05 0,01 0,005 0,001

Гідравлічна крупність (мм/с) 100 60 21 8 2 0,08 0,03 0,0008

Наноси крупніші ніж 1,5 мм осаджуються за звивистими, гвинтоподібними траєкторіями. Такий рух характеризують як турбулентний (режим обтікання). Орієнтовно його можна описати такою формулою:

(2.28)

де — гідравлічна крупність; — коефіцієнт пропорційності; — густина наносів; — густина води; — діаметр частки.

Наноси дрібніші ніж 0,15 мм осаджуються плавно, за прямолінійними траєкторіями. Цей рух характеризують як ламінарне обтікання. Орієнтовно його можна описати такою формулою:

(2.29)

де — кінематичний коефіцієнт в’язкості води.

В діапазоні розмірів часток приблизно від 0,15 мм до 1,5 мм переважає перехідний режим обтікання. Дані про гідравлічну крупність наносів допомагають вивчати процеси їх руху в річках.