Гидравлическая крупность частиц при температуре воды 15° С

(по А.В. Караушеву)

6.3. 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 (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 среднегодовой 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, в самой мутной реке мира ― Хуанхэ ― 250000 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 всех рек земного шара наибольшим стоком взвешенных наносов отличаются Амазонка и Хуанхэ (около 1,2 млрд. т/год каждая), в Беларуси ― Днепр (до границы с Украиной) и Припять ― около 200 тыс. т/год каждая .

6.4. Движение донных наносов. Закон Эри

Донные (влекомые) наносы ― твердые частицы (песок, гравий, галька, валуны), перемещае­мые потоком в придонном слое путем влечения или перекатывания, или чаще путем пере­брасывания на относительно короткие расстояния (сальтация). В не­которых случаях эти наносы могут выбрасываться вос­ходящими вихревыми токами на большую высоту, даже достигать по­верхности потока.

Выделение донных наносов из общей массы транспорти­руемых потоком наносов является в некоторой мере условным, ибо с из­менением гидравлических характери­стик потока (глубины, скорости тече­ния, уклонов и др.) непрерывно про­исходит переход неко­торой части донных наносов во взвешенные и обратно.

Влечение частиц по дну обусловливается донной скоростью потока и размерами частицы. Эта закономерность отражена в законе Эри (формуле Эри):

P = Av⁶, (6.5)

где P ― вес частицы, влекомой потоком;

А — коэффициент, зависящий от формы и удельного веса частицы;

v — скорость, при которой эти частицы начинают двигаться.

Формула Эри показывает, что если скорость потока увеличится в 3 раза, то вес час­тицы, передвигающейся при этой скорости, уве­личится в 729 раз. Вот почему на равнинных реках донные на­носы состоят преимущественно из песка различной крупности, гор­ные же реки переносят гравий, гальку, крупные валуны.

Для практических целей бывает необходимо определить началь­ную среднюю скорость потока, при которой начинается размыв дон­ных отложений. В этом случае, заменяя донную ско­рость потока средней, необходимо учесть глубину потока. С увеличением глубины увеличивается и средняя скорость, при которой начинается переме­щение наносов. Для расчета этой скорости (v_нач) разработан ряд формул. Так, формула Г. И. Шамова имеет вид:

v_нач = 4,4d^1/3 h^1/6, (6.6)

где d ― средний диаметр частиц донных отложений, м;

h — средняя глубина, м;

Для перемещения по дну песка необходимы придонные скорости течения не менее 0,10−0,15 м/с, гравия — не менее 0,15−0,5, гальки — 0,5−1,6, валунов — 1,6−5 м/с. Средняя скорость по­тока должна быть еще больше.

Крупность влекомых наносов изменяется по сезонам года, возрастая при паводках и уменьшаясь в межень. При больших скоростях течения донные наносы дви­жутся большими массами. Размеры донных наносов постепенно уменьшаются по длине рек с уменьшением ско­ростей вниз по те­чению.

Количество влекомых наносов в равнинных реках мало. В условиях Беларуси доля дон­ных наносов в общем стоке наносов реки (твердом стоке) составляет от 5 % ― в больших ре­ках, увеличиваясь до 10 % ― в малых. Значитель­ная часть донных наносов рек Беларуси вхо­дит в состав донных отложений и участвует в образовании русловых аккумулятивных форм — донных гряд, рифелей, кос, побочнейи т. д. Вопросы о движении донных гряд, как и о русловых формах, рассмотрены в одном из последующих разделов.

6.5. Транспортирующая способность потока. Сели

Рассматривая транспорт наносов в природных условиях, в ряде случаев оказывается целесооб­разным оценить этот процесс в целом, не подразделяя транспортируемые наносы на взвешенные и вле­комые. Такой подход часто используется при прогнозах русловых деформаций. По существу он сво­дится к оценке транспортирующей способности потока, т. е. способ­но­сти переносить определенное количество наносов данной круп­ности при определенных гид­равлических характеристиках (ук­лон, скорость, глубина и т.д.).

Предельный суммарный расход как взвешенных, так и влекомых наносов (твердый сток), ко­торые может переносить река называется транспортирующей способностью потока R_тр. Ее характеризуют либо предельным расходом взвешенных наносов, который способен транспорти­ровать поток (R_тр), либо средней мутностью, отвечающей на­сыщенности потока на­носами, при которой осуществляется транс­портирующая способность потока (ρ_тр) при данном расходе воды Q:

R_тр = ρ_трQ, (6.7)

Для расчета транспортирующей способности потока существует несколько формул. Ниже приводится формула Е.А. Замарина, применяемая для равнинных рек:

(6.8)

где R_тр ― транспортирующая способность потока, кг/м³;

v_ср— средняя скорость течения, м³/с;

R — гидравлический радиус, м³/с;

i — уклон потока;

w — средневзвешенная гидравлическая крупность взвешенных наносов, м/с;

Если фактический расход взвешенных наносов в потоке соответствует его транспор­тирую­щей способности, то между процессами взвешивания и осажде­ния наносов в при­донном слое наблюдается динамическое равно­весие. В случае превышения расхода наносов над величиной R_тр происходит аккумуляция наносов, при обратном соотношении поток размывает русло. Это становится причиной русловых деформаций.

В горных районах, часто на небольших реках, возникают кратковре­менные паводки, не­сущие огромные скопления наносов. Эти скопле­ния твердого материала придают потоку характер грязевого, грязе-каменного или водно-каменного. Потоки эти называются селями. Образуются сели в результате выпадения интенсивных дождей, реже — интенсивного снеготаяния. Дви­жение селевых потоков носит пульсирующий заторный ха­рактер. При про­рыве затора по реке проносится селевой поток, обладающий большой разрушительной силой. Продолжи­тельность селей — от нескольких минут до нескольких часов. Во время их прохождения происходят ин­тенсивные про­цессы размыва русла и отложения наносов.

Селевые потоки относится к особо опас­ным явлениям природы. Они обладают колос­сальной силой и могут разрушать гидротехнические сооружения, здания и мосты, сносить под откос целые железнодорожные составы.

На территории бывшего СССР сели особенно распространены в Закавказье и Средней Азии, в Европе ― в Альпах, в Северной Америке ― в Кордильерах (район Лос-Анджелеса), а также в горных районах Южной Америки, Японии и др.