УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЧНОГО РУСЛА

9.1. Гидроморфологические зависимости

В процессе длительного взаимодействия потока и русла между его морфометриче­скими и гидравлическими характеристиками устанавливаются определенные соотноше­ния, которые получили названия гидроморфологических зависимостей.

Связывая между собой параметры русла и гидравлические элементы, эти зависимо­сти позволяют использовать их для оценки (прогноза) русловых деформаций при проек­тировании гидротехнических сооружений и в других практических целях.

При определенных сочетаниях факторов руслового процесса возникают вполне оп­ределенные формы русла, устанавливаются характерные соотношения: например, между шириной, средней глубиной ― с одной стороны, и расходом воды и уклоном ― с другой и т.д. Установив эти соотношения и зная, какие значения примут расход воды и уклон при зарегулированном режиме, можно получить представление, как изменится ширина и глу­бина потока в условиях этого измененного режима.

Попытки найти связь между гидравлическими элементами потока и морфометри­ческими характеристиками русла делались еще в начале XX века. Так, в 1924 г.
В.Г. Глушков, на основании на обработки обширного гидрометрического материала, уста­новил соотношение между шириной и средней глубиной русла следующего вида:

(9.1)

где Г ― безразмерный коэффициент Глушкова;

В ― ширина русла, м;

h_ср ― средняя глубина русла, м;

Коэффициент Г оказался равным: для равнинных рек с песчаным руслом ― в среднем 5,5; для горных рек он падал до 1,4. Так, для р. Западная Березина в створе учеб­ного гидрологического поста геостации БГУ при ширине реки 20 м и средней глубине 1 м, коэффициент Глушкова равен:

В последующем М.А. Великанов, С.И. Рыбкин и др. усовершенствовали соотноше­ние (9.1) и установили морфометрические зависимости более общего вида. Так, М.А. Ве­ликанов ввел в формулу Глушкова средний диаметр наносов d_{ср (мм) и привел зависимость (9.1) к виду:}

(9.2)

Учитывая, что расход воды связан с шириной, средней глубиной и средней скоро­стью соотношением: Q = Bh_срv_ср, из зависимости (9.1) легко получить соотношения:

(9.3)

Следует отметить, что рассмотренные зависимости, как и все другие гидроморфо­логические зависимости, приведенные в работах других авторов, справедливы для усло­вий, когда водный поток еще не выходит на пойму. В этот момент наблюдаются наиболее высокие средние скорости течения потока и максимальная размываемость русла реки. При таких условиях наблюдаемый расход воды в реке называется руслоформирующим расхо­дом воды.

9.2. Руслоформирующий расход воды

При исследованиях процессов руслообразования всегда необходимо давать ко­личе­ственную характеристику гидравлических элементов потока. В каналах с неразмы­ваемым правильным руслом, пропускающим строго зарегулированный сток, определение гидрав­лических характеристик потока не вызывает существенных затруднений. В естест­венном же русловом потоке (глубина, уклон и скорость течения которого непрерывно из­меняются как по длине потока, так и во времени) определение гидравлических характери­стик встре­чает ряд трудностей, непреодолимых в полной мере и при современном состоя­нии теории руслового процесса.

Для гидротехнических расчетов часто применяется так называемый руслоформи-рующий расход воды, под которым понимают такой расход, который в течение некоторого отрезка времени (обычно – гидрологического года) оказывает наиболее существенное воз­действие на русло по сравнению с другими наблюдающимися за этот период расходами воды.

Достаточно универсального способа определения руслоформирующего расхода воды до сих пор не предложено. Для условий равнинных рек большинство гидрологов в на­стоящее время принимают в качестве руслоформирующего ― расход, соответствующий уровню воды, равному высоте бровок поймы.

Такое допущение сделано, например, при выводе формул, широко применяющихся в практике регулирования равнинных рек. Обосновать это допущение пытался В.Г. Глуш­ков (1925), утверждавший, что для активного формирования русла необходимо опреде­ленное соотношение между глубиной и шириной потока. При разливе же половодья на пойме равнинной реки, по мнению В.Г. Глушкова, наступает «пассивное» состояние по­тока, не отражающееся существенно на формировании русла.

Таким образом, можно принять, что для равнинных рек руслоформирующий расход воды ― это такой рас­ход, который наблюдается в реке до момента выхода воды на пойму. При этом в первом приближении в качестве руслоформирующего расхода Q_ф при­нима­ется рас­ход воды, наблюдаемый при наиболь­шем заполнении ко­ренного русла (без поймы). На первых эта­пах исследований его можно определить, используя данные систе­матических наблюдений на водпостах двумя способами.

1. По данным об абсолютных отметках воды при выходе ее на пойму. Они публи­куются в гидрологических ежегодниках в разделе «Описание постов». В случае необхо­димости такие сведения можно получить при гидрографическом обследовании района водпоста перед началом половодья. Далее путем использования кривых расходов воды Q=f(H), можно рассчитать руслоформирующие расходы воды Q_ф и проводить их даль­нейшую обработку в зависимости от цели и задач исследований.

2. Путём определения среднего многолетнего расхода воды за период весеннего половодья (многие гидрологи считают, что эта гидрологическая характеристика близка к величине руслоформирующего расхода воды):

(9.4)

Такое определение величины руслоформирующих расходов воды не учитывает процессы и особенности русловых образова­ний разного порядка. Оно целесообразно лишь на первых этапах исследований. Для более точных расчетов Q_ф разработано множество региональных формул для отдельных участков рек. В них в качестве аргументов, кроме расходов воды и стока наносов различной обеспеченности, выступают ширина, глубина и шероховатость русла, уклон водной поверхности потока, ширина поймы и т.д. Это позво­ляет выявлять общие пространственные изменения руслового режима рек, а через них ус­танавливать региональные особенности морфологии и динамики русел, характер и интен­сивность русловых переформирований рек каждого региона.

Можно отметить масштабные исследования по установлению морфометрических зависимостей и по определению руслоформирующих расходов воды, выполненные при про­ектировании крупных гидроузлов Волжского и Днепровского каскадов, на реках Си­бири, Средней Азии и других регионов.

Огромный вклад в развитие этих исследований внесли С.И. Рыбкин, Н.А. Ржани­цын, С.Т. Алтунин и др. При этом гидроморфологические зависимости устанавливались не только традиционно (применительно к глубине, ширине и т.д.), но и в отношении ра­диусов кривизны, размеров гряд донных наносов, излучин и других элементов русла.

9.3. Динамическое равновесие потока и устойчивость русла

Взаимодействие между потоком и рус­лом приводит к тому, что поток в размываемом русле стремится создать русловые формы с плавными очертаниями, наиболее соот­ветствую­щими характеру течений, значениям скоростей и уклонов. Поток, сглаживая все резкие изломы русла, достигает понижения местных сопротивлений движению, а также уменьшения интенсивно­сти размыва, т. е. повышения устойчивости русла.

Теоретически конечной стадией взаимодействия по­тока и русла должна явиться выра­ботка наиболее устойчивой формы русла, в которой поток протекает при наи­меньшей затрате энергии на сопротивление. Поток будет находиться в состоянии ди­намического равновесия, при котором его размывающая энергия и сопротивление частиц грунта размыву в среднем урав­новешива­ются. Динамическое равновесие руслового процесса характеризуется тем, что для участка реки достаточно большой протяженности и однородного морфологического строения сущест­вует примерное равенство между объемами размывов и отложений, а, следо­ва­тельно, между объемом наносов, переносимых потоком через вер­ховой и низовой створы, ограничи­вающие участок.

Устойчивость речного русла, т. е. степень его противодействия размыву, тем больше, чем меньше скорости течения (и соответ­ственно меньше размывающая способность по­тока) и чем больше сопротивляемость русла размыву (которая определяется крупностью на­носов, формирующих дно). Принимая средний геометрический размер частиц за показатель сопротивления русла размыву, а уклон ― за показатель динамиче­ского воздействия потока на русло, М. В. Лохтин предложил ха­рактеризовать степень устойчивости речного русла особым безразмерным коэф­фициентом К_л, получившим название в литературе как Число Лохтина:

(9.5)

где d_ср — средняя крупность частиц донных наносов, мм;

i — уклон водного потока, ‰;

Имеются и иные модификации рассматриваемого критерия ус­тойчивости русел (Н.И. Мак­кавеев, А.М. Великанов и др.).

По В.М. Лохтину, устойчивые русла, в ко­торых отсутствует постоянное движение наносов, име­ют К_л >15÷20, у относительно устойчивых русел с постоян­ным перемеще­нием влекомых наносов К_л ~ 5, наконец, у рек с не­устойчивым руслом и весьма подвиж­ным дном К_л < 1÷2.

Коэффициент К_л, для большинства равнинных рек колеблется от 1−2 до 8−10. В ча­стности, по расчетам Н.И. Маккавеева, самым неустойчивым руслом из рек Беларуси (ис­следованных по этому критерию), характеризуется русло р. Припять (К_л колеблется в пре­делах от 1,3 до 2,1, увеличиваясь вверх по течению). Это связано в основном с преобладанием подвижных песчаных грунтов, слагающих ложе реки. На р. Березина (участок Светлогорск ― устье) К_л составил 2,6; на р. Днепр (участок Речица ― Лоев) — 3,8. Самым устойчивым оказалось русло р. Сож: на участке Гомель ― устье К_л составил 4,3. Это связано с более круп­ным гранулометрическим составом грунтов, слагающих ложе реки на данном обследованном участке.

Реки с большим уклоном могут быть более устойчивыми, если диаметр частиц их ложа значи­тельно больше. Так, например, р. Енисей имеет средний уклон, вдвое больший, чем
р. Волга, но ложе его состоит из гальки диаметром 2−3 см и более, а ложе Волги — из песка диаметром 1−2 мм. В связи с этим русло Енисея значительно более устойчиво
(К_л > 100) , чем русло Волги в среднем и нижнем течении, где К_л колеблется в преде­лах от 8 до 10.

Устойчивые русла характерны для рек, донные отложения ко­торых представлены галечным, галечно-валунным и валунно-глыбовым материалом. Русловые деформации на таких реках крайне медленны и невелики по масштабу. Таковы русла Алдана, Верхней Лены, Верхнего Енисея, Ангары, Верхней Камы, Чусовой, Белой и др.

Наименее устойчивы реч­ные русла и их берега, сложенные мелкопесча­ным и или­стым материалом. К та­ким рекам относятся многие реки Средней Азии (например, Аму­дарья), с исключительно интенсивными русло­выми деформа­циями. В некоторых случаях на таких реках наблю­да­ется такое явление, как дейгиш — быстрое и масштабное разрушение (сползание) берегов русел блуждающего типа в связи с резкими колебаниями уровня воды в реках, несущих большое количество мелкозернистых и илистых наносов.