Движение и сток взвешенных наносов

Взвешенные наносы ― твердые частицы, переносимые потоком во взвешенном состоянии. Взве­шивание осуществляется в турбу­лентных потоках под влиянием вос­ходящих пульса­ционных вихревых токов. Вихри, возникающие в при­донном слое, захватывают частицы наносов и поднимают их в толщу по­тока. Частицы, вовлеченные внутрь потока, движутся вместе с водой, на­ходясь под воздействием переменных по величине и направлению пульса­ционных скоростей.

На турбулентный перенос накладывается явление па­дения частиц под действием силы тяжести. В результате возникает сложный характер движения частиц. В процессе вертикального движения частица может опуститься до дна и смешаться с донными отложе­ниями, оставаясь в них до момента, когда над ней вновь пройдет достаточно мощный вихрь и вновь увлечет ее в толщу потока.

Таким образом, твердые частицы могут находиться во взвешенном состоянии в том случае, ко­гда вертикальная составляющая скорости течения превосходит гидравлическую крупность, то есть: v⁺ ≥ w. При обратном соотношении частицы будут осаждаться на дно, и начнется аккумуляция наносов или влечение их по дну. Вертикальная составляющая скорости растет с увеличением степени турбу­лентности потока и, следовательно, с увеличением скорости течения.

Таким образом, чем больше скорости, тем более крупные частицы находятся во взвешенном состоянии. По мере продвижения вниз по течению, в связи с уменьшением его скорости, размеры час­тиц, находящихся во взвешенном состоянии, будут уменьшаться, а аккумуляция наносов усиливаться.

Важнейшей характеристикой при движении взвешенных наносов в реках является мутность воды (ρ) ― количество взвешенных веществ, содержащееся в единице объема воды (г/м³).

Мутность значительно меняется по живому сечению потока и во времени. Как правило, мутность возрастает от по­верхности ко дну. Это увеличение происходит главным об­разом за счет крупных фракций наносов, увеличивающихся ко дну. Мелкие же фракции распре­деляются до­вольно равномерно по глубине потока. С увеличением водности, скорости и турбулентности потока рас­пределение взвешенных наносов по вертикали становится бо­лее рав­номерным. По ширине реки мутность несколько возрастает к середине потока, но сильно меняется в зависимости от направления и циркуляции течений, впадения притоков, несу­щих большее или меньшее количество наносов, чем главная река и т. д. В период повы­шенной водности мутность воды возрастает.

В настоящее время в Беларуси систематические наблюдения за мутностью воды и стоком взвешенных наносов ведутся на 12 водпостах. Пробы отбираются батометром-бу­тылкой (рис. 6.1) интегральным (в двух точках ― 0,2h и 0,8 h) или точечным (в одной точке ― 0,6 h) методами.

Рис. 6.1. Батометр-бутылка ГГИ с креплением на штанге

С помощью графика связи R=f(Q) по известным суточным значениям расходов воды Q рассчитываются соответствующие величины наносов R. Результаты наблюдений по
25 водпостам (с учетом закрытых) свидетельствует о том, что по сравнению со странами бывшего СССР территория Беларуси отличается небольшой средней го­довой мутностью рек. На территории республики можно выделить две зоны мутности: малой (от 5 до 25 г/м³) и повышенной (от 25 до 50 г/м³). К зоне малой мутности (с равнинным рельефом) относятся бассейны рек Припять, Березина, нижние части бассейнов рек Западная Двина, Днепр и Сож. К зоне повышенной мутности (с возвышенным рельефом) относятся бассейны рек Нёман и Вилия, верхние части бассейнов Западной Двины и Днепра. Мутность во время весеннего половодья в среднем по Беларуси примерно в 1,5 раза выше её средних годовых величин.

В пределах бывшего СССР южная граница зоны небольшой мутности совпадает с южной границей распро­странения лесной растительности. К югу располагается лесостепная зона с мутностью 50−100 г/м³. Полупустыни Средней Азии, а также юг Западно-Сибирской и Русской равнин характеризуются мутностью рек 100−500 г/м³, низовья Волги, Дона и Калача ― 500−1000 г/м³, в Предкавказье и в бассейне Амударьи увеличивается до 5000 г/м³, на Кавказе ― местами до 10000 г/м³. Влияние азональных факторов на интенсивность эрозии, глав­ным образом литологического состава пород, слагающих речные бассейны, наиболее от­четливо проявляется в горных районах.

Важнейшими характеристиками движения взвешенных наносов в реках, кроме мутности, яв­ляются расход, модуль и объем стока взвешенных наносов, определяемые по следующим формулам.

Расход взвешенных наносов ― количество наносов, проносимое потоком через поперечное живое сечение реки в единицу времени:

R = ρQ ∙ 10^-3, (6.2)

где R ― расход взвешенных наносов, кг/с;

ρ ― мутность воды, г/м³;

Q ― расход воды, м³/с.

Cток взвешенных наносов ― количество наносов, проносимое потоком через поперечное жи­вое сечение в единицу времени (например, в год):

∑R = RT, (6.3)

где ∑R ― годовой сток взвешенных наносов, тыс. т;

R ― расход взвешенных наносов, кг/с;

T ― количество секунд в году, 31,56 млн.;

Модуль стока взвешенных наносов ― сток наносов в единицу времени (например, в год) с единицы площади (км²):

M_R = ∑R ∙ 10³/ F, (6.4)

где M_R ― средний годовой модуль стока взвешенных наносов, т/км²;

∑R ― годовой сток взвешенных наносов, тыс. т;

F ― площадь водосбора, км².

Из все рек земного шара наибольшим стоком взвешенных наносов отличается Амазонка (около 3 млрд. т/год), в Беларуси― р. Припять (около 200 тыс. т/год при среднегодовой мутности воды
17 г/м³).