Меню

Движение наносов в реках

Взаимодействие потока и русла. Речные наносы

Под действием текущей воды речной поток непрерывно преобразует очертания своего русла. Совокупность явлений образования и последующих переформирований ложа реки называется русловым процессом. Взаимодействие осуществляется по схеме: поток↔русло. Поток вырабатывает свое русло и видоизменяет его с течением времени. В свою очередь, характеристики потока – скорость течения и уклон свободной поверхности – в силу действия этой взаимосвязи устанавливаются в соответствии с характеристиками речного русла. По мере изменения размеров русла изменяются также характеристики течения воды в реке.

Частицы аллювия, перемещаемые текущей водой в реках, называются речными наносами. По природе своего происхождения наносы бывают внерусловые и русловые. Первые попадают в реку в результате смыва почвы с территории бассейна в период таяния снега и дождевых паводков. Как правило, это наиболее мелкие частицы. Попадая в речной поток, они переносятся водой на большие расстояния и осаждаются на устьевых участках рек.

Русловые наносы образуются в результате размыва берегов и аллювиального ложа реки. Перемещение этих наносов представляет процесс переотложения. При определенных условиях некоторая часть русловых наносов может откладываться на гребнях перекатов, создавать побочни и другие русловые образования. Затем, по прошествии некоторого времени, частицы наносов вновь могут придти в движение. Этот процесс продолжается в течение десятков и сотен лет, пока частица, попавшая в русло реки, не будет доставлена потоком к ее устью.

Речные наносы классифицируются по своей крупности. Величина крупности наносов существенно различается на разных реках и изменяется в пределах от долей миллиметра до нескольких десятков сантиметров. Этот диапазон делится на ряд интервалов, называемых фракциями грунта. Значения границ различных фракций речных наносов приводятся в таблице.

Наименование фракций Глина, ил Пыль Песок Гравий Галька Валуны
Диаметр частиц, мм 100

По форме частицы наносов бывают шарообразные, эллипсоидальные и пластинчатые. Частицы песка и мелкого гравия имеют шарообразную форму, среди частиц крупного гравия больше эллипсоидальных. Частицы гальки обычно пластинчатой формы.

Главным условием транспорта речных наносов является турбулентный характер течения воды в реках. Захват частицы с речного дна происходит под действием вертикальной составляющей пульсационного движения, величина которой зависит от скорости течения воды на вертикали. Речные наносы обычно представляют смесь частиц различной крупности. Поэтому по мере увеличения скорости течения в движение будут приходить все более крупные частицы, лежащие на дне.

В зависимости от способа перемещения различают взвешенные и влекомые наносы.

Основная часть наносов в реках перемещается во взвешенном состоянии в толще потока воды. Обычно это наиболее мелкие фракции грунта.

Рассмотрим взаимодействие сил, действующих на частицу, находящуюся во взвешенном состоянии. Важную роль играет сила тяжести, под действием которой твердые частицы равномерно падают на дно водоема со скоростью, равной их гидравлической крупности. В покоящейся жидкости и в случае ламинарного движения воды отсутствуют другие силы, препятствующие их выпадению, и транспорта наносов не наблюдается.

В случае развитого турбулентного движения выпадению частиц на дно противодействуют вертикальные пульсационные скорости течения. Благодаря этому взаимодействию происходит обмен частицами наносов между толщей потока и дном реки. При уменьшении скоростей течения некоторая доля взвешенных частиц, имеющая большую гидравлическую крупность, может осаждаться. И, наоборот, с ростом скоростей эти частицы будут вовлекаться потоком, переходя во взвешенное состояние.

Величина гидравлической крупности в первую очередь зависит от диаметра частицы. У мелких частиц она значительно меньше, чем у крупных. В пределах песчаной фракции грунта от 0.1 мм до 1.0 мм гидравлическая крупность возрастает в 20 раз. Кроме этого, на величину гидравлической крупности свое влияние оказывает коэффициент вязкости воды. Изменение температуры воды, а следовательно, и изменение коэффициента вязкости наиболее сильно сказывается на величине гидравлической крупности мелких частиц наносов.

Количественной характеристикой транспорта взвешенных наносов является их концентрация или мутность – весовое содержание взвешенных частиц в единице объема воды. Выражение для расчета мутности имеет вид

где: S – мутность потока, г/м 3 ;

m – масса взвешенных наносов в пробе, г;

V – объем пробы, см 3 .

Для определения мутности воды используются специальные приборы: вакуумные батометры и мутномеры. Вакуумные батометры позволяют отобрать пробы воды на мутность в интересующих точках потока. После этого в лаборатории взвешенные частицы выделяются из пробы посредством фильтрования и взвешиваются на высокоточных весах. Мутномеры позволяют оценивать величину концентрации в процессе измерения, не прибегая к отбору пробы воды.

Мутность существенно различается на разных реках. На равнинных реках она обычно невелика и составляет в среднем 25-50 г/м 3 в меженный период. Весной концентрация взвешенных наносов увеличивается в несколько раз. Наиболее высокой мутностью отличаются реки степной зоны Средней Азии. Величина мутности воды в этих реках на один-два порядка выше, чем у равнинных рек.

Мутность воды в реке сильно изменяется также по глубине потока. У дна она значительно больше, чем у свободной поверхности. Характер эпюры мутности зависит от крупности взвешенных частиц и скорости течения. У мелких частиц она более равномерная по глубине, чем у крупных (рис. 4.8). По ширине реки мутность незначительно увеличивается от берегов к стрежню потока.

Количество взвешенных частиц, проходящих через поперечное сечение русла, называется расходом взвешенных наносов. Его величина зависит от скорости течения, мутности воды и размеров русла реки. Если произвести измерения мутности воды на ряде вертикалей по ширине потока и концентрацию взвешенных наносов представить в виде средней мутности для всего поперечного сечения Sср, то расход взвешенных наносов может быть найден по формуле

где: Qs.взв расход взвешенных наносов, г/c;

Sср – средняя мутность воды в живом сечении, г/м 3 ;

w – площадь живого сечения, м 2 ;

uср – средняя скорость течения, м/c;

Q – расход воды, м 3 /c.

Другая, значительно меньшая по количеству часть наносов в равнинных реках движется во влекомом состоянии. Размеры этой группы частиц крупнее. Скорость течения воды оказывается недостаточной для взвешивания этих частиц, и они перемещаются в придонном слое потока посредством перекатывания или скачками.

Важнейший факт транспорта влекомых наносов состоит в том, что донная поверхность реки имеет волнообразный характер. Эти волны называются рифелями и грядами. Они отсутствуют на речном дне лишь при крайне малых и при очень больших скоростях течения. В первом случае транспорт наносов не наблюдается. Во втором – происходит смыв волн, и частицы наносов движутся во взвешенном состоянии.

Продольный профиль донных волн несимметричен. Они имеют пологий напорный и крутой тыловой скаты. На гребне донной волны поток отрывается от поверхности дна, и за тыловым скатом волны формируется водоворотная область. В пределах водоворота придонная скорость направлена против основного течения, в конце водоворота придонная скорость равна нулю. Далее, вниз по течению, она быстро увеличивается и достигает максимума на гребне гряды. Под действием течения напорный скат гряды размывается потоком. Частицы грунта поступают на гребень гряды и скатываются вниз, в ее подвалье. Размыв верхового и намыв тылового скатов создают эффект движения гряды вниз по течению.

Размеры донных волн различны на реках и изменяются с течением времени. На малых реках и в ручьях чаще встречаются рифели. Высота рифелей не превышает 0,1 глубины потока, а длина их составляет 1-3 глубины. Дно реки, покрытое рифелями, имеет чешуйчатый вид.

В средних и больших реках дно покрывается более крупными волнами – донными грядами. Длины гряд измеряются десятками глубин потока. Их высоты обычно составляют 0.1-0.3 глубины. На рис. 4.9 показана схема движения влекомых наносов в виде донных гряд.

Размеры гряд изменяются с уровнем воды. При высоких уровнях размеры гряд больше, чем в межень. Часто на реках встречаются одновременно рифели и гряды. Причем рифели перемещаются по поверхности гряд с большей скоростью.

Образование рифелей и гряд и регулирование их размеров является одним из замечательных свойств естественных русел. Увеличивая или уменьшая размеры донных волн, речной поток регулирует шероховатость своего дна, а тем самым управляет режимом уклонов и скоростей течения. Таким образом, расход влекомых наносов в реках зависит от размеров донных волн и скорости их перемещения. Скорость движения донных гряд невелика и составляет несколько метров в сутки. Для измерения расхода влекомых наносов служат специальные приборы – донные батометры. Будучи опущенным на дно реки, батометр улавливает движущиеся частицы наносов в течение некоторого времени Dt. Элементарный расход наносов на вертикали находится по формуле

где: m – масса наносов в ловушке батометра на вертикали, г;

Dt – продолжительность выдержки батометра на дне реки, с;

Db – ширина входного отверстия батометра, см.

Для нахождения полного расхода влекомых наносов такие измерения выполняются на нескольких вертикалях по ширине реки.

Другой способ определения расхода влекомых наносов основан на непосредственном измерении размеров и скоростей перемещения донных гряд, он является более точным.

Наносы, переносимые речным потоком, составляют твердый сток реки. Годовой сток наносов рек земного шара, впадающих в мировой океан, составляет около 16 млрд. т. Благодаря этому поверхность суши ежегодно понижается в среднем на 0.1 мм.

Транспорт русловых наносов имеет важное значение для практики. Зная характеристики твердого стока, можно прогнозировать русловые деформации – изменение размеров русел с течением времени. От величины стока зависят также судоходные условия на реках и необходимые затраты на их поддержание.

Источник

Речные наносы: виды, порядок расчета

Речными наносами называются твердые частицы, которые переносятся потоком и формируют русловые и пойменные отложения рек.

Количество переносимых рекой наносов в течение некоторого периода времени (сутки, месяц, год) называется твердым стоком реки, который выражают в кг или тоннах.

Количество наносов, переносимых рекой в единицу времени через живое сечение реки, называют твердым расходом кг/сек.

Изучение твердого стока (стока наносов) рек имеет большое практическое значение, особенно при решении целого ряда водохозяйственных задач с участием различных гидротехнических сооружений.

Особо важное значение имеет количественный учет наносов при расчетах заиления водохранилищ, при решении вопросов рационального размещения и проектирования водозаборных сооружений и каналов, отводящих воду из реки на нужды орошения и водоснабжения.

В зависимости от характера транспортирования водами рек выделяют две категории наносов: взвешенные, распределенные по всему живому сечению потока и донные, перемещаемые в придонном слое.

Взвешенные наносы распределяются в толще потока весьма неравномерно. Наиболее крупные движутся в нижних слоях, наиболее мелкие распределяются по всей глубине, однако количество их уменьшается от дна к поверхности.

Сток наносов определяется преимущественно взвешенными наносами.

Донные наносы составляют лишь незначительную часть твердого стока, обычно не более 5-10%.

Взвешивание твердых частиц с удельным весом больше удельного веса воды объясняется наличием вертикальных составляющих скоростей при турбулентном движении воды в речном потоке.

На твердые частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в турбулентном потоке, будут действовать две силы:

1) скорость струи потока — ʋ, направленная под некоторым углом вверх;

2) вес частицы – P, направленный вниз.

Под влиянием этих двух сил частица будет двигаться по направлению какой-то равнодействующей R (рис. 9. 2. 1. а).

υ
υВ

Рис. 1. Силы, действующие на твердые частицы в потоке.

Разложим равнодействующую R на две силы: ʋв – вертикальную и ʋг- горизонтальную (рис. 9. 2. 1 б)

Вертикальная сила является силой, поддерживающей твердую частицу во взвешенном состоянии. Она составляет 1/12 – 1/20 от горизонтальной силы и достигает максимума у дна и минимума у поверхности. Величина вертикальной составляющей скорости возрастает с увеличением средней скорости потока. Для оценки ее величины рассмотрим процесс падения частиц в стоячей воде.

Твердая частица, попавшая в спокойную воду, через некоторое время (2- 3 секунды или даже более секунды) будет падать равномерно, что объясняется равенством силы тяжести частицы и силы сопротивления ее движению.

Эта равномерная скорость падения частицы в спокойной воде при 15 0 С называется гидравлическим размером или гидравлической крупностью (w, мм/с). Гидравлическая крупность зависит от диаметра и плотности частиц, а также от плотности воды. Для взвешивания твердой частицы, попавшей в турбулентный поток, необходимо, чтобы величина вертикальной составляющей скорости потока ʋв была больше или равна гидравлической крупности этой частицы, т.е. ʋв ≥ w.

При ʋв 3 /с), которое носит название мутности (s, г/м 3 ), т. е.

По данным Г. И. Шамова среднегодовое количество взвешенных наносов некоторых рек СССР характеризуется следующими величинами (табл. 9. 2. 1):

Таблица 5. Среднегодовое количество взвешенных наносов рек СССР (по данным Г. И. Шамова)

Река Площадь, км 2 Расход, кг/с Мутность, г/м 3 Сток, млн. т.
Волга у г. Дубовка 25,5
Днепр у г. Киев 1,8
Енисей с. Игарка 18,8 10,8
Аму-Дарья г. Керпи

Распределение наносов по живому сечению реки имеет неравномерный характер: причем наибольшая мутность наблюдается у дна и берегов за счет взвешенных частиц более крупных размеров. Чем больше в составе наносов крупных частиц, тем неравномернее они распределены по вертикали. В том случае, когда материал наносов состоит из мелких фракций, наблюдается наиболее равномерное распределение фракций по глубине. Количество наносов обычно возрастает от истока к устью.

Наибольшая мутность рек равнинных районов наблюдается во время весеннего половодья. Взвешенные наносы в условиях равнинных рек достигают 90 — 98% общего количества.

На горных реках количество влекомых наносов может превышать взвешенные. На реках с зарегулированным стоком (водохранилища), сток взвешенных наносов резко уменьшается и делается более равномерным в течение года.

Установление нормы стока взвешенных наносов производится различными способами в зависимости от степени изученности реки в отношении стока наносов. При наличии длительного ряда наблюдений по стоку взвешенных наносов (не менее 20 лет) норма стока наносов определяется аналогично вычислению нормы жидкого стока.

При более коротком ряде используется связь:

где, Qo-норма расхода воды; Qср и Rср – средние расходы воды и наносов за ограниченный период наблюдений.

Сток взвешенных наносов заданной обеспеченности вычисляется в следующем порядке. С эмпирической кривой обеспеченности годового стока наносов снимают значения Rн 5, 50, 90% обеспеченности и вычисляют коэффициент скошенности кривой:

Коэффициент вариации равен:

Средний многолетний расход взвешенных наносов (норма) равен:

Годовые расходы взвешенных наносов заданной обеспеченности равны:

В практике гидрологических расчетов чаще приходится иметь дело с короткими рядами наблюдений. В этом случае пользуются построением графической связи между средне годовыми расходами воды Q.ср и наносов Rср.

В случае прямолинейной связи норма стока взвешенных наносов определяется по среднему многолетнему расходу воды.

При очень коротком ряде наблюдений (1-2 года) норма стока взвешенных наносов может быть определена по соотношению, где годовая величина взвешенных наносов прямо пропорциональна годовому стоку воды, т. е.

где; Qi и Ri— сток воды и наносов за наблюдаемые годы; Qo— норма стока.

Второй способ возможен в том случае, если имеется ряд наблюдений за стоком воды, позволяющим вычесть Cv, и наблюдения за стоком взвешенных наносов за 1-2 года.

Допуская, что сток воды и сток взвешенных наносов имеют одну и ту же обеспеченность, зная Cv воды, определяют Cvн взвешенных наносов:

При отсутствии гидрометрических данных следует пользоваться Картой средней мутности рек и Картой модуля стока взвешенных наносов рек.

Влекомые (донные) наносы.Количество и крупность влекомых наносов, перемещаемых реками, определяются гидравлическими условиями режима рек и зависят от физико — географических характеристик их бассейнов. В основном характер движения донных наносов определяется их крупностью и величиной скорости течения.

Донные наносы обычно передвигаются не по всей ширине русла, а лишь по ее части, называемой действующей шириной, зависящей от водности реки, и проходящей у выпуклых берегов и по участкам сопряжения излучин.

Скорости, при которых частицы определенных размеров начинают двигаться и начинается размыв дна не одинаковы: чем больше глубина, тем при больших скоростях начинают передвигаться донные наносы. Из этого следует, что чем меньше глубина потока, тем при меньших скоростях происходит размыв донных отложений в потоке, чем мельче наносы, тем меньшие скорости течения их могут переносить.

Для характеристики движения твердых частиц по дну потока, которое обусловливается величиной скорости и размерами частиц, установлена определенная зависимость между весом частиц, влекомых по дну, и скоростью, при которой они движутся. Эта зависимость может быть выражена формулой ЭРИ:

где P- вес частицы; А- коэффициент, зависящий от формы удельного веса частицы; ʋ- скорость, при которой частицы начинают двигаться.

По формуле Эри веса влекомых частиц прямо пропорциональны шестой степени скоростей течения ʋ.

Исследования Великанова по определению связи между потоком и диаметром частицы, находящейся в движении под действием этой скорости, позволили ему составить следующую зависимость:

где ʋ- средняя скорость потока, м/с; g- ускорение силы тяжести, 9,81 м/с 2 ; d- диаметр частицы, мм.

Формула Великанова применима при d= 0,1-5мм, а для частиц d>5мм дает преувеличение значения предельной скорости.

При расчетах твердого стока величину среднего стока влекомых наносов часто принимают в долях от величины среднего стока взвешенных наносов.

Средняя многолетняя величина стока влекомых наносов:

где R— взвешенные наносы; К- коэффициент, применяемый для равнинных рек 0,05- 0,1, для горных рек — 0,10- 0,50.

Для расчета расхода влекомых наносов Г.И. Шамов вывел следующую зависимость:

где Rэ — расход влекомых наносов; ʋ- ср. скорость поток, м/с, ʋнп— ср. непередвигающая скорость (она меньше неразмывающей скорости):

где d— ср. взвешенный диаметр частиц донных отложений, м; В- ширина потока; k-коэффициент, учитывающий не однородность состава влекомых наносов (k=0,95√d).

Селевые потоки. Сель – кратковременный мощный паводок на горных реках с очень большим (до 75% общей массы потока) содержанием минеральных частиц и обломков горных пород, возникающий в результате интенсивных ливней или бурного снеготаяния в условиях накопления большого количества продуктов выветривания и значительных уклонов.

Селевые потоки состоят из жидкой части (грязевая масса) и твердой (щебень, гравий, крупные камни, обломки скал).

Основным селеобразующим фактором для водосбора горной реки является способность горных пород, слагающих его склоны, к выветриванию, эрозии и образованию на склонах и в руслах рек большого количества обломочного материала. Другими факторами являются: 1) крутизна склона; 2) густота речной сети, площадь и форма бассейна; 3) длина русла; 4) растительный покров и другие.

Русловые процессы

Изменение морфологического строения русла ведется под действием текущей воды и называется русловым процессом. Русловый процесс – это постоянно происходящие изменения форм речного русла и русловых образований под действием текучей воды. Степень воздействия русла на поток и потока на русло зависит от устойчивости твердой среды и скоростного режима потока. При подвижных малоустойчивых грунтах и быстром течении влияние потока на русло значительно сильнее, чем русла на поток. В таких реках наблюдается ярко выраженный процесс взаимодействия между жидкой средой и твердой. Устойчивость таких рек очень мала.

У рек с устойчивыми, трудно размываемыми грунтами русла русловый процесс протекает медленно и создаваемые в ходе этого процесса русловые формы будут четко выражены и относительно стабильны.

В формировании русл рек и каналов с земляными руслами есть много общего, но есть и существенные различия. Каналы являются инженерными сооружениями, запроектированными на пропуск регулируемых расходов воды с заданной амплитудой. В реках амплитуда расходов воды неизмеримо больше, чем в каналах. Сочетание этого с наличием поймы реки и обусловливает главное различие в формировании русл рек и каналов. В каналах русловый процесс протекает менее активно и не все типы русловых образований могут проявляться. Внешнее питание каналов ограничено или совсем отсутствует. Каналы имеют более устойчивое русло, чем реки.

Устойчивость русла можно охарактеризовать количественно через факторы, способствующие и препятствующие размыву. Одним из таких показателей является коэффициент устойчивости русла В. М. Лохтина:

Кл = D/ ΔH (63)

где D – крупность донных наносов, мм; ΔH – километрическое падение уровня, м / км. Следовательно, увеличению устойчивости русел способствует повышение крупности частиц наносов и уменьшение скоростей течения, косвенной характеристикой которых служит величина падения. Устойчивые русла, по Лохтину, в которых отсутствует постоянное движение наносов, имеют Кл более 15 – 20, у относительно устойчивых русел с постоянным перемещением влекомых наносов Кл ≈5 и, наконец, у неустойчивых с весьма подвижным дном русел Кл менее 2.

Устойчивые русла характерны для верховий рек, берущих свое начало в предгорных и горных районах (Алдан, Лена, Енисей, Белая, реки Северного Кавказа). Наименее устойчивы речные русла, сложенные мелкопесчаным материалом (реки Средней Азии).

Большой интерес представляет морфологическое соотношение между шириной и глубиной потока. Ширина реки В во много раз превышает глубину h, т.к. боковая эрозия (размыв берегов) отличается большей свободой своего динамического развития, чем глубинная эрозия. При этом для песчаных грунтов соотношение В/ h больше, чем для глинистых.

Следовательно, в несвязных грунтах формируются более широкие водотоки, чем в связных. Это одно из важных положений гидроморфологии. Когда поток и русло взаимодействуют как саморегулирующая система без существенных русловых деформаций в течение длительного времени, считается, что русло находится в динамическом равновесии. Такие русла называются также равновесными – размеры русла и его положение в плане изменяются в небольших пределах при наличии транспорта наносов.

Вопросы для самоконтроля

1. Водная эрозия.

2. Речные наносы.

3. Виды речных наносов в зависимости от характера их транспортировки водами рек.

4. Распределение взвешенных наносов.

5. Порядок расчета взвешенных наносов.

6. Влекомые (донные) наносы.

7. Селевые потоки.

8. Русловые процессы.

1. Михайлов, В. Н. Гидрология. [Текст]: учеб. для вузов / В. Н. Михайлов, А. Д. Добровольский, С. А. Добролюбов. – 3-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2008. – 463 с. — ISBN978-5-06-005815-4.

2. Бондаренко, Ю. В.Методы полевых гидрологических и метеорологических исследований. [Текст]: учеб. пособие / Ю. В. Бондаренко. – 2-е изд. доп. и исп. – Саратов.: Издательский центр «Наука», 2011. – 202 с. — ISBN 978-5-9999-0885-8.

Читайте также:  Карта реки оки в дзержинске

3.Кожемяченко, И. В.Гидрометрия. [Текст]: учеб. пособие / И. В. Кожемяченко, Ю. В. Бондаренко, О. В. Гуцол, О. Н. Жихарева. — ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ»; Саратов, 2010. – 160 с. — ISBN978-5-7011-0603-9.

1. СП 11-103-97. Инженерно-гидрометеорологические изыскания для строительства [Текст]. – М.: Госстрой РФ, 1997 г.

2. СП 33-101-2003. Определение основных гидрологических характеристик [Текст]. – М.: Госстрой РФ, 2004 г.

3. ГОСТ 19179-73. Гидрология суши. Термины и определения [Текст]. – М.: Госстандарт СССР, 1988 г.

4. Бондаренко, Ю. В.Климатология, метеорология и гидрология. [Текст]: учеб. пособие / Бондаренко Ю. В., Афонин В. В., Желудкова С. В. — ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ»; Саратов, 2010 – 183 с.

5. Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы:

Источник



Движение речных наносов

Речными наносами называются твердые минеральные частицы, переносимые потоком и формирующие русловые, пойменные и донные отложения (аллювий). Они образуются из продуктов выветривания, денудации и эрозии горных пород и почв.

Эрозия поверхности водосборов и склоновая эрозия зависят от интенсивности дождей и снеготаяния, неровностей рельефа, рыхлости грунтов, растительного покрова. Русловая эрозия зависит от скорости течения водопотоков и устойчивости грунтов, слагающих дно и берега рек.

Наиболее важные характеристики наносов следующие:

• Геометрическая крупность (Д, мм) — то есть диаметр частиц.

• Гидравлическая крупность (W, мм / с) — то есть скорость осаждения частиц наносов в неподвижной воде.

• Плотность частиц и отложений (ρ, кг/м 3 ).

• Мутность воды (s, г/м 3 ), то есть весовое количество взвешенных наносов (г) в единице объема воды (м 3 ).

• Расход наносов (R, кг/с) — это количество наносов (в кг) проносимое рекой через поперечное сечение в единицу времени (с).

Влекомые наносы — это наносы, перемещающиеся речным потоком в придонном слое и движущиеся скольжением, перекатыванием и сальтацией (то есть перескакиванием).

На каждую частицу наносов, лежащую на дне реки действуют две силы: сила лобового давления текущей воды и противоположная сила трения, удерживающая частицу на дне.

Влечение частиц описывается законом Эри и соответствующей ему формулой

где Wr — вес частицы, влекомой потоком, V — природная скорость потока, А — коэффициент пропорциональности.

Из формулы Эри следует, что увеличение скорости течения, например, в 3 раза приводит к увеличению веса частиц в 729 раз (в 4 раза – в 4096 раз).

Это объясняет, почему на равнинных реках переносится лишь песок, а бурная горная река (р. Терек) переносит гравий, гальку и огромные валуны. В горных районах при интенсивных дождях могут возникать кратковременные потоки грязекаменного и водно-каменного характера, несущие огромные скопления наносов. Эти потоки называются селями.

В текучей воде вследствие турбулентного характера течения твердые частицы могут находиться во взвешенном состоянии, обуславливая мутность воды. Взвешенные наносы в речном потоке распределены неравномерно: в придонных слоях мутность максимальна и уменьшается по направлению к поверхности.

Движение взвешенных наносов характеризуется формулой:

где R b з — расход взвешенных наносов, кг/с; S — мутность воды, кг/м 3 ; Q — расход воды, м 3 /с.

Стоком наносов называется суммарное количество влекомых и временных наносов, проносимое рекой через поперечное сечение в единицу времени.

Для рек обычно используют формулу годового стока наносов:

где R — средний расход наносов, кг/с; 31,54×10 6 – количество секунд в году.

Модулем стока наносов называется сток наносов в тоннах с 1 км 2 площади водосбора (Мн, т/км 2 ). Модуль годового стока наносов равен:

Источник

Речные наносы

Энергия и работа рек

Вода, стекающая по поверхности земли и переносимая реками, обладает энергией, т. е. способностью производить работу. Потенциальная энергия реки на участке протяженностью L км при падении h м и при среднем расходе на этом же участке Q м 3 /с в единицу времени равна 9,81*103Qh Дж. Величина секундной энергии на данном участке реки, переведенная в киловатты, называется кадастровой мощностью. Мощность на данном участке реки, выраженная в киловаттах, равна

Если величину N разделить на протяженность участка L, то получится удельная километровая мощность реки: Nуд = N/L. Сумма мощностей участков реки на всем ее протяжении называется полной мощностью реки: N = 9,8Qh кВт.

Потенциальная мощность рек СНГ составляет около 500 млн. кВт. В настоящее время водная энергия потока широко используется для производства электрической энергии на гидроэлектрических станциях (ГЭС). Для этой цели с помощью плотин энергию рек сосредоточивают в определенных местах реки. Мощность ГЭС определяется по формуле

Величины Qp и hр определяются на основании гидрологических и энергоэкономических расчетов. Выработку электроэнергии на ГЭС принято выражать в киловатт-часах. Годовая выработка на крупных ГЭС выражается в миллиардах киловатт-часов. В естественных условиях энергия, которой обладает вода, стекающая по поверхности земли и по руслам рек, затрачивается на преодоление трения между частицами воды, трение о земную поверхность и о дно и берега русел, на перенос наносов во взвешенном и влекомом состоянии, перенос растворенных веществ и истирание твердых частиц. В результате этой работы происходят процессы эрозии и аккумуляции наносов, что приводит к изменению форм земной поверхности, очертаний и глубин речных русел.

Формирование речных наносов

Речными наносами называются твердые минеральные частицы, переносимые потоком и формирующие русловые и пойменные отложения. Речные наносы образуются из продуктов выветривания, денудации и эрозии горных пород и почв. Водная эрозия, разрушение земной поверхности под действием текучих вод, представляет собой наиболее активный процесс, обогащающий реки наносами. Она подразделяется на склоновую и русловую. Склоновая эрозия — размыв и смыв почв и горных пород снеговыми и дождевыми водами, стекающими по склону. Русловая эрозия — размыв водными потоками, протекающими в руслах, коренных пород дна и берегов русла и склонов долин. В процессе склоновой эрозии текущая вода разрушает связность частиц почв и горных пород и смывает (сносит) их в понижения — ложбины стока, которые и являются основными путями выноса продуктов эрозии с водосбора. Вместе со снеговыми и дождевыми водами материал смыва с водосбора поступает в следующие за ложбинами звенья временно действующей гидрографической сети — лощины, суходолы. В них процессы эрозии усиливаются и также осуществляется размыв, перенос и в конечном итоге вынос продуктов размыва в реки.

Очевидно, что не все продукты эрозии попадают в реки. Значительная часть их задерживается по пути стока поверхностных вод и заполняет углубления земной поверхности. Тем не менее, та часть продуктов эрозии поверхности бассейна, которая достигает русел рек, является существенным источником формирования речных наносов.

Воды рек размывают берега и дно русла. Однако наносы, поступающие за счет этих процессов, являются лишь частью речных наносов, причем некоторая доля их представляет собой продукты размыва ранее отложившихся в русле наносов, принесенных с поверхности бассейна.

Интенсивность водной эрозии зависит, прежде всего, от энергии текучих вод и затем от сопротивляемости размыву поверхности, по которой стекают эти воды.

Энергия текучих вод на некотором участке, как известно, определяется их расходом и падением. Вот почему водная эрозия при одних и тех же величинах стока наиболее ярко выражена в горных районах и значительно слабее на равнинах. Большое значение в развитии эрозии имеет режим стока: с увеличением стока в определенные сезоны происходит усиление эрозии.

Сопротивляемость поверхности земли размыву зависит от природных свойств этой поверхности и, прежде всего от свойств почв и пород, а также растительного покрова, предохраняющего почву от размыва. Различные виды почв и грунтов обладают неодинаковой способностью к размыву.

Уничтожение растительного покрова (вырубки, неумеренный выпас скота, пожары), неправильная распашка поверхности (вдоль склонов) и обработка почв без соблюдения агротехнических правил, предусматривающих сохранение структурности почв, могут привести к усилению эрозии, местному смыву почв, возникновению овражной эрозии и в конечном итоге к увеличению мутности рек.

В последние десятилетия в зоне распространения черноземов и каштановых почв в результате применения более совершенных приемов обработки почвы, в основном за счет широкого применения зяблевой пахоты, смыв почвы на плакорных участках заметно уменьшился. Таким образом, интенсивность эрозии и формирование речных наносов находятся под влиянием ряда физико-географических факторов и хозяйственной деятельности. Одни из этих факторов зональные, другие — азональные. К зональным относятся климатические условия, сток, характер и распространение почв и растительности, к азональным — рельеф местности и распространение коренных пород и четвертичных отложений.

Основные определения и характеристики речных наносов

Речные наносы в зависимости от характера движения в потоке обычно подразделяют на взвешенные и влекомые. Такое подразделение наносов носит условный характер, так как в зависимости от крупности наносов и скоростей течения потока те или иные твердые частицы могут находиться то во взвешенном состоянии, то перемещаться по дну потока.

Наносы, подразделяют, кроме того, на транзитные и руслоформирующие. Малые частицы переносятся к устью реки по преимуществу транзитом. Более крупные частицы в зависимости от гидравлических свойств потока то переносятся потоком во взвешенном или влекомом состоянии, то задерживаются на отдельных участках реки, с тем чтобы при изменении гидравлических свойств потока вновь перейти в движение. Таким образом, постоянно происходит переформирование русла. Очевидно, что большая часть взвешенных наносов является транзитной, а большая часть влекомых — руслоформирующей.

Количество наносов (в килограммах), проносимое рекой через поперечное сечение в единицу времени (Т секунд), называется расходом наносов. Обычно расход взвешенных наносов обозначается R кг/с, расход влекомых наносов q кг/с.

Суммарное количество наносов, проносимое рекой через поперечное сечение за некоторый промежуток времени (сутки, месяц, год), называется стоком наносов за этот промежуток времени и выражается обычно в тоннах. Модулем стока наносов называют сток наносов с 1 км2 за год. Очевидно, если средний расход взвешенных наносов за время Т суток равен R кг/с, то

Модуль стока наносов

Количество взвешенных наносов, содержащееся в единице объема (1 м 3 ) воды, называется мутностью. Мутность выражается в г/м 3 . Таким образом,

Важной характеристикой наносов является их гранулометрический состав, т. е. распределение наносов по фракциям: от валунов и гальки до илистых и глинистых частиц. Средняя крупность наносов dcp характеризуется средним взвешенным диаметром частиц, вычисляемым по формуле

Взвешивание частиц в потоке. Гидравлическая крупность. Транспортирующая способность потока

Твердая частица, обладающая большим удельным весом, чем вода, помещенная в неподвижную воду, начинает опускаться. Скорость ее падения сначала возрастает, а затем сохраняется постоянной, т. е. движение ее становится равномерным. В этом случае действующие на частицу сила тяжести и сила гидродинамического сопротивления уравновешиваются. Скорость равномерного падения частицы в стоячей воде называют гидравлической крупностью частицы (U м/с).

Гидравлическая крупность частицы зависит от ее геометрических размеров, а также от формы, удельного веса, вязкости воды и ее плотности. В специальной литературе известен ряд формул, позволяющих вычислить гидравлическую крупность U в зависимости от перечисленных факторов. Так, следуя А. В. Караушеву, можно привести: для частиц с d 1,5 мм

Знание гидравлической крупности наносов весьма необходимо при изучении деформации русла (размыв, намыв), при расчете заиления водохранилищ. В практике расчетов обычно пользуются таблицами значений гидравлической крупности частиц для соответствующего их диаметра. Такие таблицы составлены по опытным данным.

Читайте также:  Насекомое в реке под камнями

В текучей воде вследствие турбулентного характера течения твердые частицы могут находиться во взвешенном состоянии в тех случаях, когда вертикальная составляющая скорости течения потока превосходит гидравлическую крупность частиц. 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 передвижения вниз по течению в связи с общим уменьшением скоростей течения размеры частиц, находящихся во взвешенном состоянии, будут уменьшаться, а аккумуляция наносов усиливаться. Таким образом, речной поток обладает определенной транспортирующей способностью, т. е. способностью переносить определенное количество наносов данной крупности при определенных гидравлических характеристиках (уклон, скорость, глубина). Транспортирующую способность характеризуют либо предельным расходом взвешенных наносов, который способен транспортировать поток, либо средней мутностью, отвечающей насыщенности потока наносами, при которой осуществляется транспортирующая способность потока. Если фактический расход взвешенных наносов в потоке соответствует его транспортирующей способности, то между процессами взвешивания и осаждения наносов в придонном слое наблюдается динамическое равновесие.

Распределение мутности по живому сечению реки

Мутность речных вод значительно меняется по живому сечению потока, по его длине и во времени. Распределение мутности по живому сечению носит очень сложный и нередко в значительной мере беспорядочный характер. Как правило, мутность возрастает от поверхности ко дну. Это увеличение мутности происходит главным образом за счет крупных фракций наносов, увеличивающихся ко дну. Мелкие же фракции (менее 0,01 мм) обычно распределяются довольно равномерно по глубине потока. По этой причине, чем больше в составе наносов крупных фракций, тем неравномернее они распределены по глубине. С увеличением турбулентности потока распределение взвешенных наносов по вертикали становится более равномерным. Сказанное справедливо только как самая общая схема. В реальной же действительности дело обстоит много сложнее, так как эта схема нарушается под влиянием возникающих водоворотов и циркуляционных течений.

Еще более сложный характер носит распределение наносов по ширине реки. Здесь вообще трудно подметить сколько-нибудь отчетливо выраженную закономерность. Распределение наносов по ширине потока сильно меняется в зависимости от направления течения, местных размывов русла и берегов, впадения притоков, несущих большее или меньшее количество наносов, чем главная река. Наблюдения показали, что в ряде случаев наносы проносятся в потоке в виде отдельных движущихся скоплений — «жил».

Внутригодовой режим мутности рек

Внутригодовой режим мутности и расходов взвешенных наносов зависит от поступающих в речную сеть материалов эрозии, характера размывающей деятельности потока и его водного режима. На реках с весенним половодьем материал смыва с поверхности бассейна наиболее интенсивно поступает в речную сеть в первой половине этой фазы водного режима. В составе наносов в этот период преобладают мелкие фракции ( 3 . Южная граница зоны примерно совпадает с южной границей распространения лесной растительности в европейской части СССР и находится несколько севернее в азиатской части. К югу от зоны малой мутности располагается зона с мутностью 50-100 г/м 3 . В европейской части она включает в себя преимущественно черноземную область с неустойчивым увлажнением. Здесь лесная растительность сменяется лесостепью и огромные пространства заняты сельскохозяйственными угодьями. Степные и лесостепные районы Западно-Сибирской равнины, полупустыни Средней Азии и большая часть юга Русской равнины характеризуются мутностью рек 100-250 и 250-500 г/м 3 . Местами в этой зоне мутность достигает еще больших величин. Так, например, в междуречье низовьев Волги и Дона в пределах Калачской возвышенности мутность колеблется от 500 до 1000 г/м 3 . Еще большая мутность наблюдается в Предкавказье, где средняя годовая мутность, например р. Калаус, увеличивается до 5000 г/м 3 .

На Кавказе реки восточной части отличаются более высокой мутностью (2500-5000 г/м 3 ), чем западной. Максимальная средняя годовая мутность, равная 11 800 г/м 3 , отмечена у р. Аксай (Дагестан). Высокая мутность рек этой части Кавказа обусловливается наличием легкоразмываемых сланцево-песчаных юрских пород, глинистых сланцев, отложений известняков, песчаников и глин. Наименьшей мутностью на Кавказе (50-150 г/м 3 ) характеризуются реки в области Скалистого хребта Большого Кавказа, от р. Ардена на востоке до р. Белой на западе.

На Алтае мутность рек не выходит за пределы 1000 г/м 3 .

В Средней Азии повышенной мутностью отличаются реки бассейна Амударьи (р. Вахш, правая составляющая Амударьи), где мутность колеблется от 2500 до 4000 г/м 3 . Высокая мутность свойственна также рекам Мургаб, Теджен, Атрек. В водах р. Атрек при выходе из гор содержится более 20 кг/м 3 взвешенных наносов. Для рек Тянь-Шаня характерна невысокая мутность, в особенности в верховьях рек — до 100 г/м 3 .

Сток взвешенных наносов

Годовой сток взвешенных наносов рек изменяется в широких пределах. Отдельные реки выносят в конечные водоемы исключительно большое количество взвешенных наносов. Так, например, годовой сток взвешенных наносов Амударьи составляет в среднем 130 млн. т. Повышенным стоком взвешенных наносов отличаются реки бассейна Каспийского моря, в особенности Волга, сток наносов которой у с. Поляна Фрунзе до постройки Куйбышевского водохранилища составлял в среднем 21 млн. т. Значительно меньше взвешенных наносов выносят реки северной части Русской равнины. Годовой сток взвешенных наносов Печоры, несмотря на большую водоносность этой реки, составляет 6,5 млн. т, а Северной Двины еще меньше — 4,3 млн. т. Сравнительно малым стоком взвешенных наносов характеризуются реки бассейна Балтийского моря. Сток взвешенных наносов самой многоводной из них — Невы — составляет всего лишь 0,82 млн. т. В бассейне Черного моря наибольшее количество взвешенных наносов проносит р. Риони — 6,9 млн. т/год. Огромная водоносность Оби и Енисея является причиной относительно высокого стока наносов этих рек, хотя мутность их вод невелика. Так, годовой сток взвешенных наносов Оби 16 млн. т, Енисея 13 млн. т.

Под влиянием водохранилищ, особенно каскадов, аккумулирующих наносы, твердый сток рек уменьшается. Так, по исследованиям М. И. Львовича, твердый сток Волги после создания каскада водохранилищ снизился до 8-9 млн. т в год, т. е. приблизительно в 2,5-3 раза, а твердый сток Дона до 2,8 млн. т, т. е. в 2 раза.

Из всех рек земного шара наибольшим стоком взвешенных наносов отличается Амазонка — около 2,4-3 млрд. т/год.

Основная масса наносов проносится реками в период концентрации стока воды: на реках восточноевропейского типа — во время весеннего половодья, на реках дальневосточного и тянь-шаньского типа — в теплое время года, на реках с паводочным режимом — в периоды прохождения наиболее интенсивных паводков.

Изменение мутности и стока наносов по длине реки

По длине реки меняются и расход наносов, и мутность, и распределение наносов по фракциям. Обычно сток наносов возрастает по длине рек, но бывают случаи, когда эта общая закономерность нарушается и сток наносов уменьшается вниз по течению (Аму-дарья). Часть наносов таких рек откладывается постепенно в их поймах, протоках и дельтах.

Мутность больших рек изменяется по их длине довольно своеобразно. Мутность рек, текущих в направлении с севера на юг (реки Русской равнины), обычно увеличивается вниз по течению, что связано с более быстрым нарастанием в этом же направлении интенсивности эрозионных процессов по сравнению с увеличением водности рек. Напротив, для рек, текущих с юга на север (Обь, Енисей, Лена), обогащение материалами смыва происходит значительно медленнее вниз по течению, чем увеличение их водности, в связи с чем мутность таких рек вниз по течению уменьшается. Так, например, средняя годовая мутность Оби у Новосибирска 245 г/м 3 , у Калпашова она снижается до 113 г/м 3 , у Салехарда падает до 34 г/м 3 .

Влекомые наносы

Влекомыми наносами называются те, которые перемещаются в придонном слое потока. Твердые частицы, лежащие на дне, подвергаются силе гидродинамического, или лобового, давления. Эта сила пропорциональна скорости придонного течения. Движению частицы будет противодействовать сила трения ее о дно. Она пропорциональна силе тяжести.

Таким образом, влечение частиц по дну обусловливается донной скоростью потока и размерами частицы. Эта общая закономерность отражена в простой формуле Эри, имеющей вид

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 влекомые 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 разработан ряд формул. Так, формула Г. И. Шамова имеет вид

Движение твердых частиц в придонном слое потока происходит в виде скольжения или перекатывания и перескакивания (сальтации). Такой характер движения осуществляется главным образом под влиянием восходящих вихрей и несимметричного обтекания твердой частицы струями воды. Частицы, оторвавшись от дна, могут находиться некоторое время во взвешенном состоянии и вновь опускаться на дно. В этом проявляется условность подразделения наносов на влекомые и взвешенные. Крупность влекомых наносов изменяется по сезонам года, возрастая при паводках и уменьшаясь в межень. При больших скоростях течения влекомые наносы движутся большими массами. Размеры влекомых наносов постепенно уменьшаются по длине рек с уменьшением скоростей вниз по течению.

Количество влекомых наносов в равнинных реках мало. Они транспортируют преимущественно взвешенные наносы. В горных реках доля влекомых наносов велика и при больших скоростях составляет основную часть твердого стока реки.

В горных районах, чаще на небольших реках или временных потоках с малыми площадями водосборов, возникают кратковременные паводки, несущие огромные скопления наносов. Эти скопления твердого материала придают потоку характер грязевого, грязекаменного или водно-каменного. Потоки эти называются селями. Образуются сели в результате выпадения интенсивных дождей, реже — интенсивного снеготаяния. Необходимым условием для образования селя является обилие накопленного материала выветривания на водосборе и быстрый снос его в русло. Поэтому литологический состав пород, слагающих горные области, крутые склоны гор и значительные уклоны потоков имеют большое значение в формировании селей. Отсутствие растительности и оголенность склонов способствуют усилению эрозии, а следовательно, и образованию селей. Движение селевых потоков носит пульсирующий заторный характер. Заторы возникают на отдельных участках русла. При прорыве затора по реке проносится селевой поток, насыщенный наносами и обладающий большой разрушительной силой. Заторы повторяются. Таким образом, сель представляет собой поток, проходящий по реке в виде последовательных валов или волн. Продолжительность селей различна — от нескольких минут до нескольких часов. Во время прохождения селей происходят интенсивные процессы размыва русла и отложения наносов. Сель относится к опасным явлениям природы. Подробнее ознакомиться с селями можно по книге С. М. Флейшмана «Сели» (Л., Гидрометеоиздат, 1970).

Источник