Факторы и типизация русловых процессов

Русловые процессы, по М.А. Великанову, – это изменения строения русла и поймы, обусловленные действием текущей воды, происходящие в результате взаимодействия потока и русла. Проявления русловых процессов в виде размыва или намыва дна и берегов, на­зывают русловыми деформациями.

Тип руслового процесса – определенная схема деформации русла и поймы реки, возникающая в результате определенного сочетания особенностей водного режима, стока наносов, ограничивающих деформацию условий и отражающая форму транспорта наносов.

Русловые процессы неразрыв­но связаны с переносом и отложением в речном потоке наносов. Их изучение имеет большое практическое значение, так как от их характера и интенсивности зависят изменение положения линии берега и строения рельефа дна, а, следовательно, эксплуатация водозабор­ных сооружений, мостовых переходов, газо- и нефтепроводов через реки и других сооружений, условия работы водного транспорта.

Физической причиной русловых деформаций является наруше­ние баланса наносов на участках речного русла. При равномерном движении потока в деформируемом русле, когда форма поперечного сечения, расход воды и скорости течения постоянны во времени и по длине реки или канала, суммарный расход взвешенных и влекомых наносов также окажется неизменным. В турбулентном потоке возникнет устойчивое состояние, при котором количество поднятых со дна частиц окажется равным количеству частиц, опустившихся на дно под влиянием силы тяжести.

При неравномерном движении потока (например, при сужении или расширении русла, подпорных явлениях, колебаниях расхода воды) скорости потока изменяются. Если скорости возрастают, то увеличивается расход наносов, при этом русло начнет размываться. При снижении скоростей, наоборот, преобладает аккумуляция наносов.

Баланс наносов может изменяться при поступлении в русло реки дополнительного количества наносов при впадении притоков или при дноуглубительных работах, либо после осаждении наносов на вышерасположенном плесе, что приводит к изменению соотношения между фактическим расходом наносов R и транспорти­рующей способностью потока R_тр. Как упомянуто выше, при R> R_тр происходит отложение наносов, при R < R_тр – размыв русла.

Виды русловых деформаций. Деформации русла подразделяют на вертикальные, когда происходят изменения отметок дна, и гори­зонтальные, когда наблюдаются поперечные смещения русла. Чаще эти два вида русловых деформаций происходят одновре­менно. Выделяют также периодические и направленные (необратимые) русловые деформации. К периодическим относят такие изменения русла, после которых русло возвращается в исходное положение, например при движении донных гряд, деформациях дна перекатов и плесов в половодье и межень (об этом – ниже). Необратимые русловые деформации выражены в односторонних изменениях русла, например при размыве или намыве, без возвращения в исходное состояние в длительной перспективе.

Русловые образования – характерные формы рельефа речно­го русла и поймы разного размера. Различают микро-, мезо- и макроформы.

Микроформы – это донные гряды размером меньше глубины потока.

Мезоформы – это гряды более крупного размера, соизмеримые с поперечными размерами самого русла (речные перекаты, осередки, небольшие острова), а также глубокие участки русла – плесовые лощины (плесы).

Макроформы представляют крупные однородные участки речного русла. К ним относятся крупные относительно прямолиней­ные участки (рис. 3.11, а), излучины (рис. 3.11, б), системы русловых и пойменных разветвлений (рис. 3.11, в), участки так называемого разбросанного русла (рис. 311, г).

Микроформы. Если рассматривать характер перемещения наносов в потоке в некотором диапазоне увеличивающейся скорости течения, то при небольших скоростях поверхность деформируемого дна остается плоской, хотя взамен одних поднятых со дна зерен на дно возвращаются другие. Но при дальнейшем увеличении скорости течения (примерно выше 1.4 u₀), на дне образуется система микроформ – небольших донных гряд (рифелей). Донные гряды относятся к микроформам речного ручла.

Высота гряд может изменяться от нескольких сантимет­ров до 4–6 м. На некоторых реках размеры гряд соизмеримы с глубиной русла. Обычно гряды меньшего размера накладываются на гряды большего размера, создавая целую «иерархию» микро­форм речного русла. Скорость смещения гряд обычно не превышает нескольких метров в сутки.

По мере увеличения скоростей течения высота движущихся гряд постепенно возрастает. Согласно В.Н. Гончарову, максимальная высота гряд зависит от глубины потока и равна

.

Если скорости и далее увеличиваются, начинается разрушение дюн: наступит так называемая фаза безгрядового режима.

Наконец, при очень больших скоростях течения, в сверхбурных потоках со скоростями выше 1.5 , сначала на дне возникают песчаные стоячие волны, а затем антидюны, форма которых перемещается вверх по течению. Профиль свободной поверхности потока также представляет подъемы и ложбины, перемещающиеся против течения.

Мезоформы. Типичные мезоформы речного русла – это крупные русловые гряды – перекаты (рис. 3.44), и расположенные между ними понижениями дна ­ – плесы. Ониобра­зуют на реках системы плес– перекат. Эти системы, как и другие русловые формы, могут смещаться со скоростью до нескольких десятков метров в год вниз по течению. В этом случае процесс представляет обратимые русловые деформации.

К мезоформам речного русла относятся также осередки – подвижные, не соединяющиеся с берегами отмели, не заросшие растительностью. Осередки нередко возникают на гребне переката, вызывая разделение фарватера на две ветви.

Характерными элементами системы плес–перекат являются верхняя и нижняя плесовые лощины и верхний и нижний (или лево- и правобережный) побочни переката (см. рис. 3.44).

Перекат – это крупная гряда, пересекаю­щая русло под острым углом (20–30°). Верхний по течению склон гряды относительно пологий, низовой откос – более крутой. Прибрежные отмели носят на­звание побочней. Перекат сопрягает побочни правого и левого берега.

Наиболее глубокая часть переката проходит вдоль линии 9 (рис. 3.44), сопрягающей смежны­е плесовые лощины (корыто переката). Вдольэтой линии проходит судовой ход (фарватер). Наиболее мел­ководный участок фарватера над перекатом называется гребнем переката.

Рис. 3.44. Схемы строения перекатов [19]: а – нормального; б–пере­кошенного («дурного»). 1, 2– верхняя и нижняя плесовые лощины (плесы); 3, 4– верх­ний (правобережный) и нижний (левобережный) побочни переката, 5– корыто; 6– гребень; 7– подвалье переката; 8– затонская часть нижней плесовой лощины; 9– линия наибольших глубин (фарватер).

Перекаты по своему строению бывают трех видов:

· перева­лы – перекаты с плавными и небольшими изменениями отметок дна без резко выраженного подвалья;

· нормальные – перекаты с хорошо выраженным подвальем, но без резкого искривления фар­ватера (рис. 3.44, а);

· перекошенные (дурные) – перекаты с резким искривлением фарватера (рис. 3.44, б).

Деформации дна на перекатах и плесах.На прямолинейных участках слабо извилистого русла перекаты смещаются вниз по течению. По данным Р. С. Чалова, скорость смещения побочней перекатов на р. Вычегде составляет 25–250 м/год, Лене – до 800, Амударье – до 1000 м/год.

Если же русло извилистое, то перекаты расположены на относительно прямолинейных участках между смежными изгибами. В самих излучинах располагаются плесовые лощины. Наибольшие глубины в них «прижаты» к вогнутому берегу.

У большинства перекатов наблюдаются сезонные изменения отметок дна: намыв на подъеме половодья, и размыв на спаде половодья и в ме­жень. Для плесов харак­терна обратная картина – размыв в половодье и намыв в межень.

В паводок происходит увеличение скоростей и глубин в реке. Уклон водной поверхности на плесах возрастает, что способствует уменьшению пе­репада уровней, а соответственно и уклона на перекатах. Наконец, при весьма значительных расходах паводка, благодаря заполнению водой поймы, устанавливается один общий уклон на всем протя­жении реки и влияние перекатов как источников подпора тем самым как бы устраняется. В плесах из-за повышения уклона при этом происходит энер­гичный размыв русла, а на перекатах наблюдается повышение дна за счет отложений материала, переносимого с плеса.

При снижении уровня воды перекат начинает создавать подпор: уклон водной поверхности выше гряды переката уменьшается, а над вершиной гряды и ниже ее уклон возрастает (рис. 3.46). Таким образом, размыв переката на спаде половодья и в межень объясняется возрастанием укло­нов водной поверхности на перекате и соответствующим увеличением скоростей течения. Продукты размыва поступают в расположенную ниже плесовую лощину.

Макроформы – крупные относительно прямолиней­ные участки (рис. 3.11, а), излучины (рис. 3.11, б), системы русловых и пойменных разветвлений (рис. 3.11, в), участки так называемого разбросанного русла (рис. 311, г).

Русловые процессы в излучинах. Русло равнинной реки, как правило, имеет криволинейную форму в плане. Причиной этого является, с одной стороны, наличие неустойчивых легко размываемых бере­гов, которые под влиянием течения реки могут разрушаться, с дру­гой – неустановившийся и циркуляционный характер речного потока, вследствие которого может изменяться направление те­чения. Оба обстоятельства могут нарушить очертание береговой линии и создать кривизну течения на том или ином участке реки. В дальнейшем область первоначального небольшого искривления русла будет увеличиваться благодаря размыву вогнутого берега под действием центробежной силы и удара струй о вогнутый берег на изгибе реки. Продукты же размыва будут сноситься к противоположному берегу, образуя там отло­жения, формирующие косы и отмели. Таким путем создается криволинейная форма берегов, столь естественная для рек, протекающих в рыхлых аллювиальных отложениях.

В наиболее отчетливой форме извилистость проявляется в виде так называемых меандр, т. е. излучин реки.

Нередко наблюдается перемещение извилин целиком в направ­лении течения (рис. 3.45). Это перемещение происходит вслед­ствие того, что размыв вогнутого берега производится рекой не нормально к берегу, а под острым углом. Свободному развитию меандр в этом случае препятствует слабая размываемость бортов речной долины («ограниченное меандрирование» – по А.Н. Кондратьеву и И.В. Попову) [10, 12, 19]. Скорость смещения ме­андр незначительна, поэтому описываемое явление можно наблю­дать только при длительных промерах русла на размываемом участке.

Н.А. Ржаницын (1960, в кн. Морфологические и гидрологические закономерности строения речной сети) предложил раздельно рассматривать свободное меандрирование, когда оно не стеснено коренными берегами, и ограниченное меандрирование, когда стеснено. В том случае, когда борта речной долины сложены относительно легко размываемым материалом, что не ограничивает развитие излучин в плане, меандры развиваются чрезвычайно интенсивно и сбли­жаются настолько, что возникает опасность прорыва (рис. 3.47). Если прорыв образуется, то спрямленное русло размывается, а меандра постепенно заиливается, прекращает пропускать воду и превращается в староречье. Староречье постепенно полностью заносится наносами, зарастает и отмирает. Такой тип руслового процесса А.Н. Кондратьев и И.В. Попов называет «свободное меандрирование» [12].

В определенных условиях раз­витие извилистости реки способствует постепенному прекращению размыва берегов русла благодаря существенному уменьшению ук­лона и скоростей течения. Вследствие этого может наступить мо­мент, когда даже на закруглениях скорость будет недостаточна для дальнейшего размыва русла, и меандра становится устойчивой.

Рис. 3.47. Схема смещения и изменения формы излучины (свободное меандрирование): 1 – участок размыва берега; .2–старица.

Развитие и рост излучин сопровождается значитель­ными горизонтальными русловыми деформациями. Наибольшие размывы (достигающие десятков, иногда сотен метров в год) в условиях свободного меандрирования приурочены к вог­нутым берегам на изгибе русла, где в потоке возникает поперечная циркуляция (рис.3.28). Продукты размыва вогнутых берегов формируют растущие пологие откосы у противоположных выпуклых берегов. В результате наращивания русла у выпуклых берегов формируется гривистая пойма [12]. В процессе развития излучин, их смещения и прорыва, на поймах остаются озера-старицы, которые постепенно зарастают, превращаясь в болота.

Русловые процессы в многорукавных руслах. Своеобразные русловые деформации наблюдаются в руслах, разветвленных на рукава (см. рис. 3.11, в). Различают пойменную и русловую многорукавность, причем пойменные рукава обычно более стабильны по сравнению с внутрирусловыми.

В паводок речной поток заполняет пойму. Поток движется, следуя уже общему очертанию коренных берегов речной долины. Лишь в редких случаях река повторяет в паводок изгибы русла (это зависит от соотношения между размерами русла и поймы и от степени затопления последних). Если в период половодья глубина затопления поймы велика и скорости течения значительны, то спрямление излучины может произойти на ранних стадиях ее развития при широком перешейке между смежными излучинами. Такой тип процесса называется «незавершенное меандрирование». Если при этом скорость образования новых проток превышает скорость отмирания спрямленных ими излучин, то русло становится многорукавным и пойма оказывается расчлененной множеством проток (тип процесса – «пойменная многорукавность»).

Рис. 3.48. Подмываемый вогнутый берег р. Чулым у г. Назарово. Река вплотную подошла к усадьбе (2006 г., фото автора).

При русловой многорукавности в пределах русла располагаются острова: либо одиночные, либо цепочки островов (в шахматном порядке или тяготеющие к одному из берегов). Пойменные и внутрирусловые рукава могут отмирать (заиливаться), при этом сток в них уменьшается. Но они могут возникать и активизироваться, тогда сток в них увеличивается, а размыв усиливается.

Разбросанные русла очень неустойчивы. Они наблюдаются на реках с повышенными скоростями течения и с мел­кими подвижными наносами (реки Терек, Амударья). В разбросанных руслах вниз по течению перемещаются многочисленные и весьма подвижные осередки разного размера.

Рис 3.49. Участок размыва р. Чулым у г. Назарово. Подмываемая опора ЛЭП.

Описанные типы руслового процесса не исчерпывают всего много­образия возможных форм речного русла, наблюдающихся в природе. Скорости размыва берегов реки в ходе рассмотренных преобразований речных русел могут быть значительными, что приводит к разрушению береговых сооружений, водозаборов, зданий, улиц, дорог, опор ЛЭП и т.д. (рис. 3.48, 3.49). По этой причине при гидротехническом и землеустроительном проектировании и в природообустройстве прогноз переформирований береговой зоны совершенно необходим.

С какими скоростями идет размыв берегов русла?

Б. К. Штегман, проводивший геоморфологические исследования в дельте реки Или, пишет, что эта река удивительно подвижна. Он сам наблюдал, как на протяжении всего четырех лет излучина р. Или успевала превратиться в петлю русла, прорваться и снова стать петлей.

Выполняя геоморфологические исследования на Северной Дви­не, Е.И. Сахаров обнаружил, что за одно половодье река может срезать участки поймы до 10–20 м шириной. Крупнейший специалист по русловым процессам К. И. Россинский, наблюдая за переформированием русла на излучине Волги, установил, что только за пять месяцев, с 18 апреля по 24 сентября 1955 г., подмываемый берег этой излучины сместился на 18 м.

Натурные наблюдения на реке Куре ниже Мингечаурского во­дохранилища, выполнявшиеся по заданию Государственного гид­рологического института Управлением гидрометслужбы Азербай­джанской ССР, позволили обнаружить размыв вогнутого берега излучины, происходящий со скоростью 50–100 м заодно половодье.

Исследования размыва вогнутого берега излучины на р. Оби, выполненные А.А. Земцовым и автором у г. Колпашево, дали скорость размыва берега 7 – 12 м за год. Старожилы хорошо помнят очертания прежних улиц города, где сейчас плещется река.