Наносные образования в речном русле.

Наносы — это твердые частицы, образованные в результате эрозии водосборов и русл, а также берегов водоемов, переноси­мые водотоками, течениями в озерах, морях и водохранилищах и формирующие их ложе. Наносы могут быть двух видов: взвешенные и влекомые.

Взвешенные наносы — наносы, переносимые водным потоком во взвешенном состоянии.

Влекомые наносы — наносы, перемещаемые водным по­током в придонном слое и движущиеся путем скольжения, перекатывания или сальтации (сальтация — перебрасывание наносов на корот­кие расстояния в придонном слое водного потока).

Донные наносы — наносы, формирующие речное русло, пойму или ложе водоема и находящиеся во взаимодействии с водными массами.

Во время движения частицы наносов постоянно переходят из вле­комого состояния во взвешенное и обратно. Взвешенные наносы рас­пределяются в живом сечении очень неравномерно, влекомые же еще более неравномерно, часто они движутся по дну узкими полосами.

Перемещение наносов во взвешенном со­стоянии происходит таким образом. Содержание в потоке во взве­шенном состоянии частиц наносов более тяжелых, чем вода, объясняет­ся следующим. Частица наносов, попав в спокойную воду, будет падать равноускоренно. Сила сопротивления воды растет с увеличением ско­рости падения частицы, а масса частицы постоянна, поэтому с момен­та, когда движущая сила и сила сопротивления воды сравняются, частица будет падать равномерно. Например, скорость падения в воде даже глыб диаметром 1 м к концу третьей секунды становится равно­мерной. Мелкие же частицы практически сразу будут приобретать рав­номерную скорость падения.

Скорость равномерного падения твердых частиц в неподвижной воде называют гидравлической крупностью.

В турбулентном потоке, как известно, скорость движения частиц воды изменяется по величине и направлению. В каждой точке потока имеются мгновенные составляющие скорости, направленные вертикаль­но вверх или вниз. Опыты установили, что вертикальная скорость в среднем составляет 1/12—1/20 горизонтальной.

В процессе падения частица может опуститься до дна и смещаться с донными наносами, оставаясь здесь до тех пор, когда над ней вновь возникнет достаточно мощный вихрь, который опять увлечет ее в тол­щу потока. Поэтому распределение взвешенных наносов в потоке за­висит от степени его турбулентности, которая растет при увеличении скорости течения.

С увеличением скорости течения количество взвешенных наносов увеличивается и они распределяются по глубине потока более равно­мерно.

Перемещение наносов во влекомом состоянии можно представить себе так. Поток, обтекая отдельно лежащую частицу нано­сов, оказывает на нее гидравлическое давление F (рис. 17). Это дав­ление может быть разложено на две составляющие: сдвигающую силу Fc, параллельную дну, и подъемную силу Гц, направленную вверх. Достаточно частице под действием подъемной силы немного приподнять­ся одним краем, как в результате увеличения площади, на которую воздействует поток, подъемная си­ла резко возрастает.

Если подъемная сила меньше веса частицы в воде, то под дейст­вием сдвигающей силы /частица бу­дет перекатываться. Если подъем­ная сила больше веса частицы, то последняя оторвется от дна. У ча­стицы в потоке, при условии ее полного обтекания водой, подъем­ная сила исчезнет. Если частица не будет подхвачена восходящей

струёй, то упадет на дно, где опять возникнет подъемная сила, и т. д. Так возникают «скачки» частиц. Скольжение частиц по дну наблюдается редко.

При скорости, меньшей 0,20—0,25 м/с, наносы обычно не двигают­ся. Движение частицы определенного диаметра зависит от глубины и скорости течения. Так, частицы диаметром 1 мм на глубине 1 м начи­нают двигаться, если средняя скорость течения достигнет 0,5 м/с, на глубине Зм — если она будет 0,75 м/с. Таким образом, при больших глубинах воды в русле для сдвига частицы требуется большая скорость течения и наоборот.

Реки обладают большой энергией, которая зависит от массы дви­жущейся воды и ее скорости. Большая часть энергии речного потока расходуется на размыв русла, трение частиц жидкости между собой и о дно, взвешивание твердых частиц и на их истирание при перекаты­вании по дну.

Зависимость веса Р влекомой частицы от скорости течения опреде­ляется законом Эри:

где А — коэффициент, зависящий от формы и материала твердой частицы;

v — скорость, при которой частица начинает двигаться.

Закон Эри говорит о том, что вес влекомой частицы пропорционален шестой степени скорости, действующей на частицу, т. е. если скорость увеличится вдвое, вес передвигаемой частицы — в 64 раза, если вчет­веро — в 4096 раз и т. д. Из этого становится ясной причина переноса горными реками крупных камней.

Содержание взвешенных наносов в потоке оценивается мутно­стью воды, которой считается весовое содержание взвешенных наносов в единице объема смеси воды с наносами.

Перемещение наносов в процессе поверхностного стока называют стоком наносов, а количество наносов, проносимое через живое сечение потока в единицу времени, — расходом нано­сов.

Расход за год или месяц называется соответственно годовым или месячным стоком наносов.

Сток наносов больших рек измеряется миллионами тонн. Реки ежегодно выносят к устьям около 3 млрд. т наносов. Сток взвешенных наносов рек почти равен их общему твердому стоку, количество влекомых наносов составляет l—5% взвешенных. Это объясняется тем, что влекомые наносы совершают преимущественно небольшие перемещения — из одних участков русла в другие, а поэтому их доля в транзитном твердом стоке мала. В то же время объем влекомых на­носов в пределах участков русла чрезвычайно велик.

Большая часть стока наносов равнинных рек, составляющая 50— 90% годового, приходится на время весенних половодий и паводков.

Количество наносов в потоке определяют при помощи специальных приборов (батометров).

К наносным образованиям в русле относятся песчаные гряды, за­струги, косы, побочни, высыпки, осередки.

Песчаные гряды — основной вид наносного образования в русле. Из-за гряд песчаное дно реки — неровное, волнообразное. Наблюдения над песчаными грядами позволили установить наиболее вероятную причину их образования. При турбулентном движении по­тока в различных его местах скорости снижаются, в результате про­исходит беспорядочное отложение наносов, из которых под воздейст­вием течения начинается формирование гряды. Гряды обычно имеют форму чешуек, складывающихся в параллельные ряды. У каждой гря­ды / (рис. 18, а) отлогий напорный 2 и крутой тыловой 4 скаты. На тыловых скатах 4 образуется вращательное движение воды 5.

Наносы, влекомые течением, взбегают на валик из наносов и, преодолевая гребень 3, вращательным движением воды подтягивают­ся к скату, наращивая его в высоту и придавая ему крутую форму. В результате этого через некоторое время образуется гряда, у которой верхний скат пологий, а нижний — крутой и короткий. Такими гряда­ми вскоре покрывается все дно реки.¹

Размер гряд зависит от формы русла, глубины и скорости течения. Высота их пропорциональна глубине потока. Поэтому гряды на пле­сах выше, чем на перекатах. При повышении уровня воды гряды ста­новятся более высокими. При понижении уровня воды высота] их уменьшается, однако значительно медленнее.

Рис. 18. Песчаные гряды в русле:

а—продольный профиль русла;

б— русло в плане

Гряды двигаются вниз по течению. Это объясняется тем, что части­ца наносов лобового ската перемещается течением до гребня гряды и, перевалив его, попадает на ее тыловой скат, засыпается там сле­дующими за ней частицами и остается в теле гряды, пока она не про­двинется настолько, что частица вновь окажется на поверхности напор­ного ската. Такое перемещение последовательно совершают все части­цы, слагающие гряду.

Абсолютная скорость перемещения гряды обычно в сотни раз мень­ше скорости потока. Скорость перемещения крупных гряд на больших реках достигает нескольких метров в сутки. Скорость движения гряд увеличивается с ростом скорости потока.

Заструги — это скопление наносов в русле реки в форме круп­ных гряд, примыкающих к песчаному берегу. На рис. 18, б схематично показаны заструги в плане. У заструги 6 ее конец 7 называют ухвостьем, а понижение дна 8 между застругами— подзастружной ямой.

Размеры заструг зависят от формы русла, глубины и скорости те­чения. Иногда крупные заструги тянутся до противоположного берега. Высота заструг на больших реках достигает 1—2 м. Закономерности роста и перемещения заструг такие же, как у гряд.

Над застругами обычно неровное течение, вызывающее рыскливость судов. При больших скоростях течения заструги размываются. По­этому заструги, тянущиеся от песков, доходя до приглубого берега, где обычно большая скорость течения, срезаются.

Косы — представляют собой невысокие песчаные отмели, вдаю­щиеся в русло длинным клином 3 (рис. 19). На реках косы примыкают обычно к выпуклым песчаным берегам.

Рис. 19. Косы в речном русле

Затониной 1 (см. рис. 19) называется залив между берегом и ухвостьем косы.

Закоском Называется неболь­шая подводная песчаная коса.

Заманиха — это большая под­водная заструга с крутым тыловым скатом, вдающаяся далеко в русло.

Побочень — это гребневая часть крупной гряды, пересекающей русло, обычно затопляемая в поло­водье и обсыхающая в межень.

Рис. 20. Отложение наносов в виде побочня у яра Рис. 21. Высыпка у устья притока

В меженное время поток, размывающий яр / (рис. 20), иногда встречает твердую породу 2 и отклоняется к противоположному берегу. Ниже твердой породы образуется тиховод, где откладываются наносы и формируется побочень 3. Отклонение основного течения от размывае­мого берега может происходить и по другим причинам (ветер, затоплен­ный предмет или судно, переформирование русла, несовпадение пой­менного и руслового потоков и т. д.).

Высыпка 2 (рис. 21) — это отложения из крупных наносов в местах впадения в реку небольших притоков или выходов оврагов l. Ниже высыпки в области тихого течения может образоваться побо­чень 3.

Шалыгой 1 (рис. 22) называется отдельно лежащая подвод­ная отмель, образовавшаяся на судовом ходу или перекате. Шалыги возникают в результате местных русловых переформирований на пере­катах с легкоподвижными наносами, а также за судами 2, вставшими на мель 3 на перекате или за затонувшими крупными предметами (за ними образуется затишье, благодаря которому откладываются наносы). После снятия судна с места или подъема предмета в русле остается бугор — шалыга, которая затем размывается. Иногда шалыги вызы­вают искривление судового хода.

Рис. 22. Шалыга за вставшим на мель судном

Рис. 23. Осередки в речном русле

Осередки — скопление наносов в русле реки в виде невысо­ких, обычно лишенных растительности, затопленных или частично обнаженных подвижных островов или отмелей, не примыкающих к берегу. Осередкй сужают и искривляют судовой ход и уменьшают глубины. Возникают они в тиховодах, например за горным рынком, из песчаной косы, при слиянии двух рек. Осередкй также образуются над препятствием в русле, из шалыг и крупных гряд.

Во время половодья стрежневое течение, проходя мимо горного рынка, с большой скоростью отходит к противоположному берегу (рис. 23, е). За рынком образуется затишье, где откладываются на­носы. При спаде воды и снижении скорости течения часть воды, обте­кая горный рынок, формирует из наносов осередок.

В период половодья, а чаще при заторах, вода, устремляясь че­рез низкую косу, отделяет ее от берега, образуя осередок (рис. 23, б). Такой осередок обычно неустойчив. В дальнейшем он может соединить­ся опять с косой или сместиться вниз по течению.

При слиянии двух рек вскрывшаяся ранее оттесняет своим тече­нием воды другой реки и у своего берега откладывает наносы (рис. 23, f). Река, вскрывшаяся позднее, в свою очередь отклоняет течение первой реки и, разрабатывая наносы, формирует осередок, В межень при слиянии рек создается майдан, ниже которого распола­гается сформированный весной осередок. Песчаные гряды, форми­рующиеся и сползающие в периоды половодья, в межень приостанав­ливают движение, обсыхают и создают осередок.

Острова образуются в результате разрастания осередков или отторжения участков поймы при спрямлении русла.

Верхнюю часть острова или осередка называют приверхом, нижнюю — ухвостьем. Вследствие подпора и скопления нано­сов приверх может иметь форму косы. Ухвостье обычно представляет собой косу, возникшую в зоне пониженных скоростей потока при обте­кании им нижней части острова.

При разделении русла островом образуются два рукава — это хорошо сформировавшиеся ответвления русла реки со свойст­венными речному руслу особенностями морфологического строения.

Если рукав реки проходит по пойме в стороне от основного русла, то он будет протокой — водотоком, отчленяющим отдельный морфологический элемент сложного речного русла или соединяющим два водных объекта и не образующим типичных свойственных речно­му руслу комплексов русловых образований.

Острова и меняют свою форму под действием течения, особенно во время половодий и заторов. Бывает, что они размываются и исче­зают, а иногда укрепляются и растут.

К глинистым и каменистым образованиям в русле относятся печины, гряды, лещади, огрудки, опечки, одинцы, пороги.

Печиной называется выступ берега или небольшой подвод­ный осередок из плотной глины. Печины образуются при размыве бе­регов, когда речной поток, встретив глинистую породу, разрушает вокруг нее рыхлый берег. Если слой глины ограниченных размеров, то в дальнейшем печина может оказаться в отдалении от подмывае­мого берега и превратиться в печинистый осередок. Печины, находя­щиеся на судовом ходу, представляют опасность для судов.

Гряда (шивера) — большое скопление камней в русле. Грядой также называют каменистую косу. Течение на грядах неров­ное и быстрое. Судовой ход обычно узкий и извилистый.

Огрудки — небольшое обособленное скопление камней, чаще всего около берега. Иногда огрудками называют небольшие каменистые осередки.

Опечки — небольшие подводные галечные бугры на дне реки. Одинцы — камни больших размеров, лежащие отдельно в рус­ле. Их переносит весенний ледоход, донный лед, они попадают в рус­ло при подмыве берегов и т. д.

Лешадь (дресва) — большая подводная береговая галеч­ная отмель, вытянувшаяся вдоль русла.

Порогом называется каменистый участок реки с большим уклоном. Течение на порогах быстрое и неровное, скорость иногда достигает 18 км/ч. Судовой ход обычно извилист и стеснен камнями. Пороги образовались в местах пересечения рекой скалистых мест (Верхний Енисей) или мест с нагромождением обломков горных пород, оставшихся от ледникового периода (Нева, Западная Двина и др.). Пороги — наиболее трудные и опасные для движения судов участки. Иногда пороги совершенно непроходимы и разделяют реку на два са­мостоятельных участка.