ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РУСЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
7.1. Основные направления в развитии теории руслового процесса
Русловой процесс ― постоянно происходящие изменения морфологического строения речного русла и поймы, обусловленные действием текущей воды.
Основоположниками теории руслового процесса были В. М. Лохтин, Н.С. Лелявскнй, Л. Фарг (конец XIX ― начало XIX вв.) в связи с работами по улучшению судоходных условий рек (см. пункт 1.2)..
В.М. Лохтин исследовал влияние уклона водной поверхности, изменения водности потока и сопротивляемости размыву грунтов, слагающих русло реки, на перемещение наносов и формирование русловых форм. Н.С. Лелявский занимался исследованием речных течений, влияющих на распределение глубин в речном русле.
В дальнейшем основным стало гидродинамическое направлениеруслового процесса, признающее взаимодействие потока и русла. Это направление относит теорию руслового процесса к речной гидравлике (А.В. Караушев и др.). Большая роль отводится изучению динамической структуры водного потока применительно к оценке стока воды и наносов для решения проблемы расчета русловых деформаций,
В последующие годы получило развитие гидролого-морфологическое направлениетеории руслового процесса (Н.И. Маккавеев, Н.Е. Кондратьев, И.В. Попов), основанное на типизации морфологически однородных русловых форм и образований и на определении скоростей их перемещения для разработки прогнозов русловых процессов большой заблаговременности. При такой трактовке задачей теории руслового процесса является изучение динамики русловых форм, определяющих тип руслового процесса.
Таким образом, в результате сформировались два направления теории русловых процессов ― гидродинамический и гидролого-морфологический, имеющие свои области применения и существенно дополняющие друг друга. Их дальнейшее развитие направлено на создание единой теории русловых процессов, включающей достижения как гидродинамического, так и гидроморфологического аспектов.
7.2. Взаимодействие потока и русла как основа руслового процесса
Как отмечено выше, русловые процессы проявляются во взаимодействии потока и русла реки. Конкретные проявления русловых процессов в виде изменения положения и размеров русла, поймы и отдельных русловых образований, т. е. в виде размыва или намыва дна и берегов, называют русловыми деформациями.
Физической причиной русловых деформаций является нарушение равновесия между транспортирующей способностью потока и фактической величиной расхода наносов на тех или иных участках речного русла. При превышении расхода наносов над транспортирующей способностью потока происходит размыв русла (эрозия), в противном случае — намыв русла (аккумуляция наносов). Происходящие деформации русла как бы стремятся создать постоянство расхода наносов по длине реки.
Русловые деформации подразделяют также на вертикальные, когда происходят изменения отметок дна русла, и горизонтальные, когда наблюдаются поперечные смещения русла. Обычно эти два вида русловых деформаций происходят одновременно, но в некоторых случаях преобладают первые, в некоторых — вторые.
Русловые деформации и русловые процессы подразделяют также на периодические (знакопеременные, обратимые) и направленные (необратимые).
К периодическим русловым деформациям относят такие изменения русла, которые неоднократно повторяются и после которых русло возвращается в первоначальное положение. Эти русловые деформации наблюдаются при движении донных гряд, развитии излучин и т. д.
Направленные русловые деформации выражены в односторонних изменениях русла как природного, так и антропогенного происхождения (при поднятии и опускании отдельных участков суши; при вековых изменениях отметки уровня воды, куда впадает река; при однонаправленном размыве или намыве, сопутствующих сооружению водохранилищ на реке и др.).
Русловые образования, подвергающиеся деформациям ― это скопления наносов, создающие характерные формы рельефа речного русла разного размера — микро-, мезо- и макроформы.
Рассмотрим подробнее эти формы рельефа речного русла.
7.3. Формы рельефа речного русла и их изменения
Микроформы речного русла ― это перемещающиеся в русле донные гряды, размеры которых меньше глубины русла. Они наиболее характерны для рек, русла которых сформированы песчаными отложениями.
После достижения скоростями течения некоторых значений наносы приходят в движение и формируются микроформы речного русла: небольшие донные гряды — рифели. По мере увеличения скоростей течения высота движущихся рифелей постепенно возрастает, и образуются донные дюны. При дальнейшем увеличении скоростей течения может произойти разрушение дюн: наступит так называемая гладкая фаза движения влекомых наносов. Наконец, при очень больших скоростях течения возникают песчаные стоячие волны, а затем антидюны, форма которых перемещается вверх по течению.
На рис. 7.1 в продольном разрезе показаны основные элементы донной гряды.
.
Рис. 7.1. Продольный профиль донной гряды
Вдоль по течению различают: пологий верхний лобковый откос и более крутой нижний тыловой откос; наиболее высокая часть гряды называется гребнем, а зона наиболее низких отметок за тыловым откосом ― подвальем гряды.
Русловые деформации при движении всех описанных выше микроформ (донных гряд) обратимы: после смещения гряды на всю ее длину дно потока в этом месте приобретает первоначальные отметки. Скорость смещения микроформ на реках обычно не превышает нескольких сантиметров или метров в сутки.
Высота донных 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, переходящими в мезоформы.
Мезоформы речного русла ― это те же донные гряды, но более крупных размеров, соизмеримых с поперечными размерами самого русла. К ним относятся перекаты, осередки и небольшие острова. Наиболее типичным видом мезоформы речного русла является крупная русловая гряда — перекат.
Перекат ― более или менее устойчивое образование в русле в виде поперечного вала из наносов, пресекающего русло под некоторым углом. Перекаты имеют следующие основные элементы (рис. 7.2):
Рис. 7.2. Общая схема переката
а ― план, б ― продольный профиль по фарватеру
1 ― верхняя коса, или верхние пески, расположена выше (считая по течению) корыта переката;
2 ― нижняя коса, или нижние пески, расположена ниже корыта переката (иногда верхнюю косу называют верхним побочнем, а нижнюю косу — нижним побочнем);
3 ― верхняя плёсовая лощина, или ложбина, — глубокая часть русла выше переката;
4 ― нижняя плёсовая лощина, или ложбина, — глубокая часть русла ниже переката;
5 ― седловина, или гребень, — наиболее повышенная часть вала из наносов, соединяющего верхнюю и нижнюю косы переката;
6 ― корыто переката — наиболее глубокая часть седловины, где обычно проходит фарватер;
7 ― напорный (верхний) скат — верховая часть седловины переката, обращенная к верхней плесовой лощине, обычно более пологая, чем низовая часть (подвалье);
8 ― подвалье — низовая часть, или тыловой скат, седловины переката, лежащая ниже вала переката и обращенная в сторону нижней плесовой лощины, обычно более крутая, чем напорный скат;
9 ― гребень (вал) ― наиболее мелководный участок фарватера над перекатом;
10 ― фарватер ― линия наибольших глубин вдоль реки;
11 ― изобаты;
12 ― затонская часть нижней плёсовой лощины.
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,
перекошенные (сдвинутые) — перекаты с резким искривлением фарватера.
На подъеме половодья происходит намыв переката за счет размыва плёса, на спаде половодья и в межень — его размыв и занесение плёса. С течением времени перекаты могут передвигаться по течению так же, как передвигаются излучины реки. Например, на р. Волге перекаты смещаются вниз по течению со скоростью, достигающей 200−300 м в период половодья, на Сырдарье ― 1 км/год.
Те перекаты, которые вследствие либо малых глубин на гребне, либо сильного искривления фарватера создают препятствие судоходству, называют лимитирующими.
На больших реках Беларуси глубина на перекатах уменьшается местами до
0,4−0,8 м, что затрудняет судоходство на отдельных участках (например, на Днепре, Припяти, Соже, Березине, Западной Двине, Нёмане). Борьба с перекатами ведется главным образом землечерпанием.
Другие виды мезоформ речного русла:
— осередки — подвижные, не соединенные с берегами и не заросшие растительностью отмели; возникают на перекатах, вызывая разделение фарватера на его гребне на две ветви;
— остров ― часть поймы, ограниченная рукавами или протоками реки, устойчивая и закрепленная растительностью.
Макроформы речного русла — крупные, морфологически однородные участки речного русла, представленные относительно прямолинейными участками, извилинами (излучинами, меандрами), системами русловых и пойменных разветвлений.
Деформации в извилистых (меандрирующих) руслах представляют собой циклические процессы постепенного увеличения извилистости русла благодаря размыву его вогнутых берегов, развороту и смещению излучин (меандров), завершающиеся прорывом перешейка со спрямлением русла (рис. 7.3). Затем процесс развития излучин повторяется.
Рис. 7.3. Схема смещения и изменения формы излучины:
1 — участок размыва берега, 2 — старица
В излучинах находятся системы глубоких (плёсы) и мелких (перекаты) участков. Плёсы обычно приурочены к участкам русла с наибольшей кривизной, перекаты — к прямым (переходным) участкам русла между смежными излучинами.
Смещение и искривление излучин сопровождается значительными горизонтальными русловыми деформациями. Наибольшие размывы (достигающие десятков метров в год) приурочены к вогнутым берегам на изгибе русла, где в потоке возникает поперечная циркуляция.
Соотношения между плановыми очертаниями русла и распределением глубин были установлены Л. Фаргом на основе сопоставления кривизны русла и глубин по фарватеру. В общем виде взаимосвязь между кривизной русла и глубинами общеизвестна: глубокие места реки ― плёс ― располагаются на изгибах реки, где кривизна (т. е. величина, обратная радиусу кривизны) наибольшая.
Фарг расширил эти представления, и свои выводы сформулировал в следующей форме (закономерности Фарга).
1. Линия наибольших глубин вдоль по течению реки стремится прижаться к вогнутому берегу; песок и ил откладываются в форме пляжей или широких отмелей на противоположном выпуклом берегу.
2. Самая глубокая часть плёса и самая мелкая часть переката сдвинуты по отношению к точкам наибольшей и наименьшей кривизны вниз по течению приблизительно на ¼ длины плёса плюс переката.
3. Плавному изменению кривизны соответствует плавное же изменение глубин; всякое резкое изменение кривизны сопровождается резким изменением глубин.
4. Чем кривизна больше, тем больше и глубина плеса.
5. С увеличением длины кривой при данной ее кривизне глубина сначала возрастает, а потом убывает. Для каждого участка реки существует некоторое среднее, наиболее благоприятствующее глубинам значение длины кривой.
Наиболее сложными макроформами русловых образований являются поймы. Они формируются в результате отложений переносимых рекой наносов и плановых деформаций ее русла.
В период половодья (паводков) речная вода выходит из берегов меженного русла и затопляет пойму. Таким образом, руслом потока в этот период является меженное русло вместе с поймой. При колебаниях уровня воды интенсивной деформации подвергаются как русло, так и пойма.
В меандрирующих руслах усиливается размыв вогнутого берега излучины и происходит отложение наносов у выпуклого. Формируются пляжи. Вдоль внешнего края пляжа возникают косы и заструги (наносные образования, которые являются результатом причленения к берегу песчаных гряд на спаде уровня). Вытянутое водное пространство между косой и берегом называется затоном.
Косы и пляжи зарастают растительностью, что усиливает аккумуляцию наносов при последующем затоплении. Они увеличиваются в размерах и постепенно способствуют образованию береговых валов. Эта форма наносного образования характерна для рельефа поймы.
Современный рельеф поймы оказывается весьма сложным. Ее поверхность может быть расчленена протоками, старицами, расположенными между гривистыми повышениями, часто дугообразной формы. Очевидно, при разных типах плановых деформаций русла будут создаваться и различные типы пойм.
Условно в пойме выделяют три части: прирусловую — более повышенную часть, центральную — несколько более низкую и ровную, и притеррасную — наиболее пониженную, имеющую вид заболоченной ложбины, прилегающей к коренному склону долины или террасы.
Все сказанное справедливо по отношению к равнинным рекам. Русловые деформации горных рек менее изучены.
Дата добавления: 2016-03-27; просмотров: 2322;