РАЗВИТИЕ ПРОДОЛЬНОГО ПРОФИЛЯ РЕКИ

10.1. Основные понятия

Продольный профиль реки― это график изменения отметок дна и водной поверхно­сти по длине реки от истока до устья. Стадии развития и типы продольных профилей рек рас­смотрены выше (см. пункт 4.3).

Различают продольный профиль дна реки (который изменяется относительно мед­ленно) и продольный профиль водной поверхности, который изменяется вместе с измене­нием водности реки в течение гидрологического года (половодье, паводки, меженные пе­риоды). Под понятием «продольный профиль реки» обычно понимают продольный про­филь водной поверхности. Имея последний, можно судить об изменении вдоль по тече­нию гидравлического уклона ― одной из основных характеристик водного потока.

При построении гидрографических профилей рек Беларуси, приведенных в изда­нии: «Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 5. Белоруссия и Верхнее По­днепровье. Опи­сание рек и озер. Ч. I. — Л.: Гидрометеоиздат, 1971. — 1108 с.» (см. пункт 4.4) использо­вались данные крупномасштабных топографических карт и материалы гидрографических обследований проводившихся в меженные периоды в разные годы (организация наблюде­ний за русловым процессом при проектировании гидротехнических или иных сооружений на реках рассмотрена в одном из последующих разделов).

Современная концепция, охватывающая законы развития продольного профиля включает основные понятия: о профиле равновесия и базисе эрозии.

Профиль равновесия ― это продольный профиль реки в таком ее состоянии, когда действующие на водный поток силы и силы сопротив­ления уравновешиваются, и когда размыв и отложение наносов оказываются равными меж­ду собой. Этот термин впервые ввел французский географ и геоморфолог Эммануэль Мартонн (1945). Профиль такого рода принято называть нормальным профилем.

Понятие о профиле равновесия ― условное. Оно имеет преимущественно теорети­чес­кое значение ― как предельная форма профиля, к которому стремится река: это со­стояние равновесия между эрозией (размывом), переносом и аккумуля­цией (от­ложением). В природе такое состояние идеального равновесия обычно не наблюдается и процесс формирова­ния (переформирования) продольного профиля не прекращается.

Продольные профили молодых рек, русла которых сравнительно мало разработаны дей­ствием текучих вод, часто бывают ступенчатыми, что свойственно горным рекам, ложе которых состоит из скалистых пород. Продольные профили старых рек, русла которых сложены сравни­тельно легко размываемыми породами, характеризуются равномерным скатом к устью. В при­роде между указанными крайними типами продольного профиля встречается ряд переходных форм, занимающих промежуточное положение или приближающихся к одному из указанных переходных типов, а также прямолинейные, сбросовые и т.д. (см. пункт 4.3).

Вертикальные деформации продольного профиля реки происходят при изменении общего базиса эрозии ― высотной отметки, которая определяет ниж­ний предел врезания русла реки. Кроме общего (главного, нижнего) базиса эрозии,различают и местный базис эрозии. Для рек, впадающих в море, озеро или другую реку, общий базис эрозии
опре­деляется уровнем воды этих водое­мов. Местные базисы эрозии определяются наи­низ­шими отметками воды на устой­чивых порогах или наиболее мелко­водных (лимитирующих) перекатах.

Понятие базиса эрозии нельзя отождествлять с высотной от­меткой дна русла, так как она может быть ниже базиса эрозии. Например, отметки дна в дельте Волги ниже, чем в Кас­пийском море в период падения его уровня. В таких случаях наблюдается не врезание русла, а отложение наносов и повышение продольного профиля реки.

10.2. Факторы формирования продольного профиля

Вода, стекающая по земной поверхности, под действием силы тяжести непрерывно производит работу. Количество этой работы зависит от массы стекающей воды и падения ∆H в пределах рассматриваемого участка. Отметка уровня водоприемника, куда впадает река, определяет общую энергию потока. Суммарные потери энергии на отдельных отрезках по длине потока отражаются в изменении продольного уклона I₀:

I₀ = I₁ + I₂ + I₃, (10.1)

где I₁ ― потери напора, вызванные затратами энергии на преодоление трения о ложе,
вязкости воды, местных сопротивлений движению, а также на возбуждение
турбулентных и циркуляционных движений;

I₂ ― потери напора, связанные с процессами эрозии и транспорта наносов;

I₃ ― приращение (или убывание) уклона вследствие изменения кинетической энергии

потока.

Потери напора (I₁), вызванные затратами энергии, связанными с движением воды, за­висят от скорости течения, гидравлического радиуса, шерохова­тости русла, его формы в плане и других факторов. Эти затраты энергии составляют около 80 % энергии потока и вно­сят основной вклад в потери напора. Мероприятия по уменьшению шероховатости, спрям­лению излучин и т.д., ― понижают эти потери напора.

Потери напора (I₂), связанные с затратами энергии на процессы эрозии и транспорта наносов могут быть весьма зна­чительными при больших концентрациях взвешенных и дон­ных наносов (последние к тому же повышают и общую шероховатость русла). Эти затраты возрастают при увеличении крупности наносов, переносимых из верхних звеньев гидросети (особенно это характерно для горных рек).

Изменение кинетической энергии потока связано с тем, что в низовьях реки потенци­альная энергия потока переходит в кинетическую (увеличивается площадь поперечного се­чения, расход воды), что вызывает убывание уклона (I₃). Имеющаяся избыточная, по срав­нению с силами сопротивления, энергия потока проявляется в русловом процессе главным образом в форме боковой эрозии.

Процесс трансформации энергии потока является одним из факторов, способствую­щих образованию вогнутой формы продольного профиля реки. Для равнинных рек он имеет вид плавной кривой параболической формы (так называе­мый вы­работанный продольный профиль) При этом развитие продольного профиля осуществляется вверх по течению путем регрессивной (пятящейся) эрозии. Однако эта общая тенденция может нарушаться в зависи­мости от изменения геологических, геоморфологических и физико-географических условий, а также хозяйственной деятельности по длине реки.

Ярким примером этому могут служить рр. Амударья, Сырдарья, Нил (и другие гор­ные реки с выраженным конусом выноса), сток которых формируется в горах и уменьшается вниз по течению как за счет увеличения естественного испарения, так и за счет забора воды на орошение.

Изучая более детально продольный профиль конкретной реки, можно установить, что, сохраняя общий наклон в одну сторону, он имеет ряд ступеней, вернее ― волнооб­разных изгибов, не вызывающих разрыва непрерывности (как это характерно для порогов и водопадов). Волнистость продольного профиля связана, в первую очередь, с неодно­родностью коренных пород по длине реки, состав которых сказывается на форме и круп­ности частиц аллювия, форме русла, т.е. на целом ряде факторов, влияющих на гидравли­ческий уклон потока и скорость эрозии.

Характер и направленность деформаций продольного профиля русла реки зависит от изменения вызывающих их факторов. Направленные русловые деформации природного происхождения выражены в односторонних измене­ниях русла при поднятии или опускании отдель­ных участков суши в результате тектонических процессов, при вековых изменениях уровня моря и водности реки в результате наступания или отступания ледников и т.д.

В результате на многих реках происходят понижения или повышения продольного про­филя, вызывавшие либо усиление размывающей деятельности реки, либо отложения наносов. Свидетельством врезания русел, происходивших на разных этапах развития продольного про­филя, являются речные террасы.

10.3. Изменения продольного уклона при различных уровнях воды

Колебания уровней воды в течение гидрологического года и в многолетнем разрезе вызывают незначительные изменения высотных элементов продольного профиля доста­точно большого участка реки.

Однако если взять сравнительно небольшой участок реки и рассмотреть на нем бо­лее детально мест­ные вариации уклонов, то окажется, что продольный профиль представ­ляет собой кривую достаточно сложного вида, сущест­венно зависящую от степени напол­нения русла и интенсивности подъема и спада уровней.

Действительно, допустим, что в некото­рый момент питание реки равно нулю или что река пересыхает. Тогда продольный профиль представится в виде ряда разобщен­ных друг от друга прудов (плёсовых участков), ступенчато сни­жающихся к устью реки по линии аааа (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Схема изменений продольных уклонов

при различных уровнях воды

В промежутках между плёсовыми участками будут находиться пересохшие пере­каты. С началом поступления воды в русло начнут заполняться углубления (плёсы), затем вода бу­дет переливаться через гребни перекатов с уклоном, приблизительно равным уклону их дна. Рас­ход воды, вначале незначительный, будет проходить на плёсе по сравнительно большому сечению, поэтому скорость воды в нем будет значительно меньше, чем на перекате, и ук­лоны распреде­лятся примерно согласно профилю бббб.

При дальнейшем увели­чении расхода воды уклоны на перекате будут уменьшаться, а на плёсе — соответственно возрастать; профиль приобретет вид вввв. При продолжаю­щемся увеличении расхода воды в некоторый момент произойдет сглаживание продольного профиля, и он будет иметь вид гггг. При еще более значительном увеличении расходов и по­вышении уровней воды на распределение уклонов более существенное влияние начнут оказы­вать не перегибы в профиле дна, а очертания русла в плане.

Плёсы обычно располагаются в местах изгиба русла в плане, а перекаты — на пря­молинейных участках; поэтому на плёсах по­ток испытывает добавочное сопротивление, тем большее, чем больше скорость потока. Для преодоления этого добавочного со­противления (отсутствующего на перекатах) требуется увеличение уклона. Поэтому при некотором горизонте получится уже обратное соотношение уклонов: большие уклоны на плёсах и меньшие на пере­катах (линия дддд).

Увеличение или уменьшение уклонов, очевидно, вызывает из­менение скоростей течения на плёсах и перекатах и соответственно изменение процессов размыва и отложения. При низ­ких горизон­тах, когда наблюдаются повышенные уклоны на перекатах, проис­ходит размыв пе­рекатов и повышение дна плёсов, при высоких го­ризонтах, наоборот, размываются плёсы и наращиваются пере­каты.

Указанные изменения уклонов происходят, если река при по­вышении уровней остается в пределах коренного русла. При раз­ливах реки по пойме она течет по более прямому на­правлению, следуя очертанию берегов долины, и распределение частных укло­нов устанавли­вается уже не профилем дна и изгибами русла в плане, а очертанием склонов долины: там, где долина сужается, наблюдается больший поверхностный уклон, а там, где она рас­ширяется, — меньший. Изменение уклонов во время прохода высо­ких вод в сильной степени может оп­ределяться местными подпо­рами, например от притока воды, поступающей ниже волны па­водка, идущей сверху, растеканием волны по пойме реки и др.

Значительная вариация уклонов при изменении уровней воды делает понятие продоль­ного профиля реки при прохождении па­водков достаточно неопределенным. Поэтому практи­чески при ис­следовании рек определяют точно и детально лишь продольный профиль при низком меженном уровне, когда почти все питание реки обусловливается исключительно грунтовым стоком, медленно изменяющимся во времени. В этом случае продольный про­филь реки в течение сравнительно долгого периода времени не подвергается сущест­венным
изменениям.

*

Наиболее интенсивные деформации ­продольный профиль речного русла испытывает при на­правленных (необратимых) русловых процес­сах антропогенного происхождения, возникающих в результате гидротехнического, мелиоративного и других видов строитель­ства на реках. Вопросам антропогенных деформаций продольного профиля рек (вызван­ных хозяйственной деятельностью) посвящен специальный раздел.