Механизм взвешивания и перемещение наносов

Гидродинамическое воздействие придонных струй на частицу, лежащую на дне потока, выражается двумя силами: лобовым дав­лением, направленным вдоль потока, и подъемной силой, дейст­вующей вверх по нормали к направлению течения. Возникновение подъемной силы связано с несимметричным обтеканием частицы, когда скорость течения над верхней ее поверхностью больше, чем у нижней. Вследствие этой разницы, обусловленной большими градиентами скорости в придонном слое, на верхней поверхности создается зона пониженного давления, и частица под действием большего давления снизу как бы выталкивается вверх.

С возрастанием придонной скорости произойдет увеличение силы лобового давления, которая станет больше силы сопротивления, и частица начнет перекатываться по дну. С дальнейшим увеличе­нием придонной скорости сначала наступит момент, когда вес ча­стицы в воде будет равен подъемной силе и частица станет как бы невесомой, после чего она начнет подниматься вверх. После отрыва от дна и поднятия на небольшую высоту частица станет обтекаться со всех сторон потоком, вследствие чего подъемная сила исчезнет и частица должна упасть на дно под действием силы тяжести, если другие причины не вызовут ее дальнейший подъем. Такой причиной является наличие вихревых возмущений (образований) в турбулентном потоке, возникающих при обтека­нии потоком выступов дна и берегов.

Из сказанного выше следует, что подъемная сила является основной причиной, вызывающей взвешивание наносов у дна, если ее значение больше, чем вес частицы. Придонные вихри также участвуют в механизме взвешивания наносов у дна. При этом крупные наносы поднимаются вихрями больших размеров, а мел­кие наносы - вихрями меньших размеров.

После того как частица выйдет за пределы придонного слоя, дальнейшая ее судьба зависит от ситуации: попадет ли она в ты­ловую или лобовую часть вихрей основной части потока или в межвихревые пространства и т. д. Только в случае попадания частицы в тыловую часть вихря основной части потока она будет подниматься выше (вглубь потока). Во всех других случаях ча­стица будет направляться ко дну потока. Поскольку в разных точ­ках потока вертикальная компонента скорости изменяется по зна­чению и направлению, то частица, увлекаемая потоком вниз по течению, будет совершать волнообразные движения в толще по­тока - поднимаясь и опускаясь ближе ко дну. В отдельные мо­менты она может оказаться на дне, а затем снова находиться во взвешенном состоянии.

Мутность речных вод значительно меняется по живому сечению реки, по ее длине и во времени. Распределение мутности по жи­вому сечению крайне неравномерно и носит беспорядочный ха­рактер. Как правило, она возрастает от поверхности ко дну вслед­ствие увеличения крупных фракций наносов. Мелкие фракции (менее 0,1 мм) обычно распределяются довольно равномерно по глубине потока. Наиболее неравномерное распределение наносов наблюдается на участках, подверженных интенсивному размыву. Здесь отмечается «жильное» распределение наносов по живому сечению - в виде более или менее резко выраженных движущихся скоплений. В этих случаях жильное скопление наносов нередко наблюдается не у дна потока, а ближе к середине или, что весьма редко, даже ближе к его поверхности.

Еще более сложный характер имеет распределение наносов по ширине реки. Здесь трудно подметить какую-нибудь закономер­ность. Распределение наносов по ширине реки, а также и по длине значительно меняется в зависимости от направления течения, ме­стных размывов русла и берегов, впадения притоков, несущих иное количество наносов, чем главная река.

Режим стока наносов

Режим мутности и расходов взвешенных наносов зависит от поступающих в речную сеть материалов эрозии, поэтому основ­ным фактором внутригодовой изменчивости мутности является ре­жим стока воды: процесс формирования паводочного стока в пре­делах речного бассейна и русловой сети, ход развития паводка, степень затопления поймы и т. д. Изменчивость мутности и стока наносов в больших реках связана в первую очередь с их водным режимом, а в малых реках, помимо водности, столь же сущест­венное влияние оказывают увлажненность почво-грунтов, степень их оттаивания к началу половодья, особенности режима стаивания снега на водосборе и т. д. На реках с весенним половодьем эрозионный материал с поверхности водосбора наиболее интен­сивно поступает в речную сеть в начале периода подъема поло­водья. В дальнейшем запасы продуктов выветривания и их по­ступление в речную сеть значительно уменьшаются, а водность рек продолжает возрастать. Поэтому на больших реках с весенним половодьем обычно максимумы мутности и расхода взвешенных наносов наступают раньше максимума расхода воды. На малых реках время наступления этих максимумов часто совпадает.

На реках, питающихся талыми водами ледников, максимумы мут­ности и расхода воды обычно совпадают. Совпадение максимумов мутности и расхода воды во время паводков характерно и для горных рек с преобладанием дождевого питания. Это происходит вследствие относительно быстрого формирования паводка и кон­центрированного поступления в русло реки как воды, так и про­дуктов смыва с водосбора. Обычно в первый паводок после за­сушливого периода мутность воды при одних и тех же расходах больше, чем при последующих. Возможны также случаи повыше­ния мутности на подъеме, спаде паводка и даже при относительно устойчивых расходах воды из-за несовпадения во времени форми­рования паводков на притоках (реки Кура, Риони и др.).

На всех реках наблюдается большая амплитуда колебаний мутности и расходов наносов внутри года: высокие значения мут­ности в половодье и паводки и низкие в межень.

Мутность рек в межень обусловлена размывающей деятель­ностью потока.

Особенности твердого стока горных рек. Селевые потоки.

Сель представляет собой кратковременный и весьма мощный паводок с чрезвычайно большим содержанием твердого материала - глины, песка, щебня и камней. Количество выносимых селем твердых материалов в несколько десятков, а иногда сотен раз превышает количество наносов, выносимых обычным паводком.

Сель движется валом, весьма крутым в лобовой части, или, что случается чаще, последовательными валами, обычно образующимися в результате прорывов заторов, возникающих при нагромождении камней в местах крутых поворотов и резких сужений русла.

По характеру выносимой потоком массы сели могут быть разделены на три типа: грязевые, грязекаменные и водно-каменные. При прекращении движения селевая масса не распадается на составные части, а медленно застывает наподобие лавы или бетона.

Селевые явления наблюдаются преимущественно в горных районах и на территории РФ особенно развиты на Кавказе. На Северном Кавказе они наблюдаются в верхней части бассейна Терека и в средней части бассейна Баксана. Здесь они повторяются довольно часто и иногда приносят большой ущерб. Их разрушающему действию нередко подвергаются гидротехнические сооружения, населенные пункты и т. д. Сели имеют место также на реках Южного Прибайкалья, однако здесь они не обладают столь разрушительной силой.

Для образования селей, помимо интенсивных ливней, необходимо накопление в селевом бассейне достаточно большого количества продуктов выветривания. А это имеет место, прежде всего в условиях более засушливого климата, с длительными бездождливыми периодами, способствующими накоплению твердого материала на склонах гор. Именно поэтому наиболее селеопасными являются реки Кавказа. Об этом же свидетельствует отсутствие селевых явлений в других горных районах СССР - на Урале, Алтае, Дальнем Востоке и др.

Сели на Кавказе преимущественно носят характер грязекаменных потоков.

На Кавказе селевые потоки чаще всего наблюдаются и июле-августе. Селевые паводки на одних реках наблюдаются 1-2 раза в год, а на других - 1 раз в несколько лет. Число последовательных валов при прохождении грязекаменных и водно-каменных селей в некоторых случаях может быть велико и измеряться несколькими десятками. Высота отдельных валов может достигать 2-7 м и более. По имеющимся весьма приближенным данным, полученным в результате расчета или косвенными способами, скорость движения селевых паводков составляет 2-5 м/сек. Длительность селевых паводков исчисляется часами (чаще всего 1-2 часа, реже до 12-24 часов).