Течения в речных руслах.

Течением называется перенос масс воды из одного места в другое. Масса сил в русловом потоке движется под действием ряда сил: тяжести, Кориолиса и ветра.

Влияние ветра проявляется периодически при определенных сочетаниях гидрометеорологических процессов и, как правило, в расчетах не учитывается.

Сила Кориолиса, обусловленная вращением Земли и действующая постоянно, отклоняет движущиеся тела (в том числе и водные массы) в северном полушарии вправо, а в южном влево и выражается соотношением:

,

где: V - скорость потока; - географическая широта; - угловая скорость вращения Земли за время Т.

Из формулы следует, что сила Кориолиса существенно возрастает в высоких широтах. Однако, даже в условиях глубоководной Невы, расположенной на 60-ой параллели, эта сила создает поперечную скорость не более 3 мм/сек, т.е. в десятки раз меньшую реальной скорости течения. В связи с этим в инженерных расчетах сила Кориолиса также не учитывается, хотя результатом её деятельности является отчетливо выраженная асимметрия речных долин. Как известно, в северном полушарии правые берега всех равнинных рек обрывистые, а левые - пологие.

В речных руслах основной силой обуславливающей движение воды является сила тяжести G. Горизонтальная составляющая силы тяжести направлена параллельно уклону водной поверхности ( ).

Таким образом скорость движения водных масс определяется, прежде всего, факторами движения и сопротивления движению, т.е. уклоном дна и шероховатостью русла.

На свободных реках скорость и направление течений действительно зависят от уклона реки, колебаний уровня, плановой формы русла и распределения глубин.

Уклон реки обуславливает возникновение прямоструйного течения. Кроме этого в меженный период на изогнутых плесовых лощинах под воздействием центробежных сил возникает циркуляционное течение. В результате суммарное, так называемое сбойное течение, приобретает винтообразный характер и создает серьёзные помехи для движения и швартовки судов. Скорости течения в меженный период на перекатах значительно выше, чем в плесовых лощинах (от 0.5 до 2.0 м/с).

С подъемом воды в половодье распределение направлений и скоростей течений в значительной степени изменяется. Уклоны водной поверхности, а соответственно и скорости течений на плесах и перекатах выравниваются. Направление верхнего потока соответствует плановому очертанию берегов речной долины, нижнего - меженного русла. Скорости течения по динамической оси потока могут повышаться до 3 - 3.5 м/с и создавать условия для переформирования русла.

Изменение гидрологического режима в результате строительства гидротехнических сооружений приводит, как правило, к нежелательным явлениям на прилегающих участках реки: размывам, переформированию русла и т.п. В связи с этим методология строительства русловых портов на свободных реках предусматривает исследование режима течений.

Распределение скоростей течения по живому сечению реки и вертикалям характеризуется значительной неравномерностью и зависит от шероховатости дна и берегов, их формы, наличия водной растительности.

Морские течения

Морские течения классифицируют по их происхождению, продолжительности и устойчивости. По происхождению, т.е. в зависимости от факторов вызывающих течение различают:

· плотностные, обусловленные неодинаковой плотностью водных масс в различных районах;

· ветровые, вызванные трением ветра о водную поверхность и давлением на наветренный склон волны;

· сгонно-нагонные, причиной которых является разность уровней у подветренного и наветренного берегов;

· приливо-отливные, возникающие под действием сил притяжения Луны и Солнца.

По продолжительности и устойчивости выделяют следующие виды течений:

· постоянные, наблюдающиеся в одних и тех же районах и характеризующиеся незначительно изменяющимся в течение года генеральным направлением (напр. Гольфстрим, Куросио, Ломоносова, Мозамбикское и др.);

· периодические, регулярно повторяющиеся в определенной последовательности: приливо-отливные, сезонные (мусонные, пассатные);

· непериодические, возникающие под действием случайных сил: ветровые, градиентные (Эль-Ниньо).

Транспорт наносов

Транспорт наносов является одним из важнейших факторов, оказывающих влияние как на строительство и эксплуатацию порта, так и морфолитодинамический режим прилегающей прибрежной зоны.

В речных бассейнах перемещение донных и взвешенных наносов обусловлено русловым течением и переформированием берегов. В верхней части реки в целом преобладает явление размыва и насыщение потока твердыми частицами: продуктами разрушения коренных пород и материалов органического происхождения. В нижней, более пологой части реки, скорости течения падают и происходит отложение наносов. Этот процесс наиболее интенсивен в устьевой области рек, впадающих в неприливное море.

На морских побережьях скопление обломочного (аллювиального) материала обусловлено, с одной стороны, поступлением твердого стока рек, а с другой стороны - продуктами разрушения коренных пород, слагающих береговую зону и материалами органического происхождения (панцирями и скелетами морских организмов). Под действием волн и течений вся масса обломочного материала приходит в движение, претерпевая при этом сортировку в соответствии с массой и формой отдельных фракций, а также химические и механические изменения. В результате в прибрежной зоне формируется поток донных (влекомых), взвешенных и полувзвешенных наносов.

Донные наносы формируются из наиболее крупных частиц: гальки, гравия, дресвы, крупного песка. Перемещение этих частиц происходит главным образом под воздействием волнения (качением или влечением) без отрыва от поверхности дна.

Взвешенными наносами называют совокупность частиц грунта (или песка), которые оторвавшись от дна находятся во взвешенном состоянии промежуток времени, превышающий период волны. Перемещение взвешенных наносов обусловлено приливо-отливными и дрейфовыми течениями. Вертикальное распределение концентрации взвешенных наносов характеризуется уменьшением от дна к поверхности в соответствие с экспоненциальным законом. Наибольшая их концентрация наблюдается в придонном слое толщиной 0.2H

Наиболее интенсивное взвешивание наносов происходит в прибойной зоне. При этом концентрация наносов во всей толще воды оказывается постоянной.

Основными гидравлическими характеристиками потока наносов являются:

· расход наносов или мощность потока - объем твердого вещества, перемещаемого в течение шторма через поперечное сечение прибрежной зоны в единицу времени;

· вдольбереговой сток наносов - суммарное количество наносов, перемещаемых через поперечное сечение за значительный промежуток времени (месяц, год);

· емкость - максимальный расход наносов, возможный на данном участке берега при конкретной ситуации.

Вдольбереговой сток наносов складывается из алгебраической суммы отдельных штормовых подвижек, называемых миграциями наносов. Значения вдольберегового стока наносов нередко могут достигать значительных величин: на песчаном Черноморском побережье в районе г.Анапа - 700-800 тыс. м³/год; на галечном участке от г.Сочи до г.Батуми - 30-70 тыс. м³/год.

Существующие методы управления режимом наносов подразделяют на прямые и непрямые. Прямые методы обеспечивают прекращение или снижение интенсивности процесса абразии берегов. Непрямые могут быть связаны с мероприятиями по предотвращению зарегулированности речного стока или запретами на добычу минерально-строительных материалов.

Ледовый режим

Образование как пресноводного, так и морского льда происходит в результате переохлаждения воды относительно точки замерзания и наличия в воде ядер кристаллизации (частиц пыли, снежинок и т.п.). Однако процессы ледообразования в пресной и морской воде происходят неодинаково, что обусловлено различием их физико-химических свойств.

Пресная вода имеет наибольшую плотность при температуре 4^о С, поэтому при дальнейшем понижении температуры воздуха процесс охлаждения воды протекает очень быстро, и, при достижении температуры 0^о С начинается процесс ледообразования.

Морской лед представляет собой своеобразный конгломерат, образованный смерзшимися кристаллами пресного льда, рассола в ячейках между кристаллами и включений из пузырьков воздуха.

В зависимости от географического положения моря и реки, а также их различные участки замерзают в разные сроки. Даты замерзания бассейна и его освобождения ото льда определяют фактическую длительность навигации.

Вскрытие и замерзание отдельных участков рек, русло которых ориентировано в меридиональных направлениях может происходить с разницей в один - полтора месяца.

В результате время открытия и закрытия навигации в корреспондирующих портах оказывается различным. Так, например, при расчетной продолжительности рабочего периода Астраханского порта 256 дней, для причалов, обслуживающих среднюю Волгу эта величина уменьшается до 216 дней, а для причалов принимающих суда с верхней Волги-до 195 дней .

В зависимости от климатических колебаний фактическая длительность навигации может в определенных пределах колебаться от года к году. В связи с этим, при проектировании портов определение расчетной длительности навигации производят на основании длительных наблюдений над ледовым режимом.

Геологические и геоморфологические факторы

Очертание побережья, геологическая структура берегов, условия залегания пластов, глубины акватории и прилегающей суши являются одними из решающих факторов при проектировании и строительстве портов. В значительной степени этими условиями определяются тип, конструкция и технология возведения портовых гидротехнических сооружений, водные подходы, предельная осадка судов, посещающих порт.

Конфигурация береговой черты, рельеф прибрежной зоны и дна акватории оказывают решающее влияние на плановое расположение основных сооружений порта. Как правило, побережья рек, морей и океанов характеризуются извилистой в плане конфигурацией береговой черты, наличием выпуклых, вогнутых или прямолинейных участков, резкими или плавными изменениями рельефа глубин.

Большую опасность для портостроения представляют оползневые явления, присущие высоким морским и речным берегам. Причина этих явлений - наличие наклоненных в сторону акватории водоупорных слоев, подстилающих верхние грунты и создающих условия для их скольжения. Такие условия характерны, например, для многих участков на Волге (Нижний Новгород, Ульяновск, Волгоград). Предотвращение движения оползней достигается путем осуществления ряда дорогостоящих и трудоемких мероприятий: дренирования берега, уполаживания откосов, перераспределения земляных масс. В связи с этим, при выборе местоположения портов преобладают тенденции размещения портовых сооружений на более устойчивых участках берега. Одной из важнейших задач, возникающих при проектировании и строительстве портов, является изучение и прогноз переформирования берегов под действием гидрологических факторов.

На морях и водохранилищах основной причиной переформирования берегов является волнение. При накате на берег прибойная волна выносит на него некоторое количество твердых частиц. Обратное скатывание частиц происходит по линиям, нормальным к данному участку побережья. В результате на выпуклых участках берега может наблюдаться размыв и рассеивание твердых частиц, а на вогнутом - их аккумуляция.

В зависимости от происхождения и строения берега, формы и глубина заливов чрезвычайно разнообразны: от небольших, защищенных от волнения бухт, глубоко вдающихся в сушу речных губ (эстуариев), глубоких фьордов и менее глубоких фьардов, до мелководных лиманов и лагун, вытянутых вдоль низких песчаных берегов.

Бухта (bay) - небольшой залив, значительно отчлененный мысами или островами от основного водоема и обладающий специфическими чертами внутреннего гидрологического режима. Различают открытые (Цемесская, Туапсинская) и закрытые (Бакинская) бухты. В вершинах открытых бухт волновой режим значительно ослаблен по сравнению с прилегающей акваторией. В закрытые бухты морское волнение может вообще не проникать.

Эстуарий (estuary) - воронкообразное расширенное устье реки в виде узкой и длинной бухты. Типичные эстуарии развиваются только в приливных морях и областях развития рыхлых пород, либо являются результатом предшествовавшего или современного погружения побережья (устья рек Печоры, Енисея, Амазонки, Темзы). Поморским названием эстуария в северных морях является «губа» (Байдарацкая, Обская, Чаунская, Пенжинская).

Фьорд(fjord, норв.) - узкий, извилистый и очень длинный (до 200 км) залив с параллельными или субпараллельными берегами и большими (иногда свыше 1000 км) глубинами. Фьорды образованы в результате тектонических разломов, в последующем сильно смоделированных ледниками. От открытого моря обычно отгорожены мелководным порогом. Наиболее часто фьорды встречаются на побережьях Чили, Норвегии, Западной Аляски, Гренландии, Шпицбергена, Новой Земли, Кольского п-ва (Кольский залив).

Фьард(fjard, швед.) - залив с пологими берегами и относительно небольшими глубинами, образованный в результате обработки ледником первичных депрессий в невысоких плато, сложенных прочными породами (Балтийские берега Швеции и Финляндии, Кандалакшский залив в Белом море).

Лиман- затопленная морем устьевая часть речной долины. Исторически лиманами называли ингрессионные бухты в северо-западной части Черного моря (Днепробугский, Хаджибеевский, Сухой). Лиманы могут быть открытыми, сообщаясь с морем узкими протоками (гирлами) и закрытыми, отделенными от моря песчаной косой (пересыпью). Очертания берегов в лиманах сохраняют, как правило, характерную извилистость речной долины.

Лагуна - акватория, отделенная от моря береговым или островным баром и вытянутая в направлении берега. Береговой бар, отделяющий лагуну от моря, в определенных условиях может перемещаться в сторону берега. Коралловая лагуна - акватория, отделенная от океана барьерным или кольцевым коралловым рифом.

Дельта -береговая форма участка взморья перед устьем реки, расчлененная более или менее расчлененной сетью рукавов и проток, разделяемых мелями и островами. Название «дельта» принято от буквы греческого алфавита по сходству с устьевым участком реки Нил. Дельта р. Волги представляет собой треугольник со сторонами в 250 км. Дельтовая часть рек Хуанхэ и Янцзыцзян составляет в основании 300-400 км и простирается вглубь материка свыше чем на 1000 км.

Рис. Основные формы очертания береговой полосы

Важнейшим фактором, оказывающим существенное влияние на расположение портовых сооружений, является рельеф прибрежной зоны и дна прилегающей акватории, определяющие тип морского берега. В результате эволюции прибрежной зоны сформировались три основных типа берегов:

1. приглубые на всем протяжении;
2. приглубые у мысов и отмелые в бухтах;
3. отмелые на всем протяжении.

Приглубыеберега характеризуются крутизной суши, резкими уклонами дна и значительными подходными глубинами (берега Баренцева моря, Южный берег Крыма, Черноморское побережье Кавказа и т.д.).

Отмелые- берега характеризуются более пологим профилем суши, небольшими уклонами дна и обширным мелководьем прилегающей акватории (побережья Балтийского, Каспийского и Азовского морей). Приглубые берега сложены, как правило, скальными породами, процесс разрушения которых еще не завершен. Отмелые берега, исторически более древние чем приглубые, сложены песчано-илистыми грунтами.

Пологийпесчаный берег, характеризующийся профилем динамического равновесия и зависящий от крупности фракций грунта и интенсивности гидродинамических факторов (волн и течений), воздействующих на берег.

Крутойпрофиль характерен для берегов, сложенных изверженными, метаморфическими или осадочными породами.

Рис. Деформация берега: а – крутого; б -пологого