Тема 9. Русловые процессы

Деформация речного русла как производная взаимодействия потока и русла (русловые процессы) тесно связаны с водностью реки, скорости потока, с условиями рельефа, состава и строения почво-грунтов, характером и степенью развития растительности по территории, по которой протекает поток и т.д.

Климат определяет количество и распределение по площади воды.

Под влиянием рельефа формируются пути и скорости стекания водных масс.

Характер почво-грунтов непосредственно сказывается на количестве сносимого водой твердого материала и на формах русла потоков.

Растительный покров, связывающий своей корневой системой почву и грунт, тормозит процесс разрушения поверхностей бассейнов, берегов, ложа потоков, т.е. оказывает громадное влияние на ход русловых процессов.

Антропогенное воздействие человека может в кратчайший отрезок времени видоизменить в корне не только русла, но и гигантские площади - вырубка лесов, создание водохранилища и т.д.

Для изучения и затем для практического использования законов русловых процессов создана при ГГИ специальная Всемирная лаборатория, которая ведет изучение и с помощью моделирования режимов создает прогнозы для строительства плотин (водосбросов), мостов, дамб и днопреобразующих флотилий (драг)...

Для знания русловых процессов необходимо изучать поверхностную эрозию, русловую эрозию и аккумуляцию твердого стока.

Твердый сток состоит из трех частей:

1. Взвешенных насосов - мелкие фракции продуктов смыва и размыва взвешенные в потоке благодаря наличию вертикальной составляющей скорости турбулентного потока.

2. Влекомых или данных, насосов - это более крупные частицы перемещаются в придонном слое потока или перекрываются по дну.

3. Растворенные вещества - это растворенные в воде соли и другие химические соединения, ионный состав металлов и т.д., которые почти полностью удаляются вместе с водой транзитом, не увеличивая объем отложений,

О количественном соотношении можно судить по таблице 12.1

 

Модули стока взвешенных наносов и растворенных веществ некоторых

больших рек СССР

Таблица 12.1

Реки	Взвешенные наносы, т/км3	Растворенные вещества т/ км2	Реки	Взвешенные наносы, т/км2	Растворенные вещества, т/км2
Сев. Двина Дон Кубань Риони Кура Сырдарья	29,0 17,0	48,0 31,7 23,4 27,8	Амударья Обь Енисей Лена Амур	5,3 4,2 7,7 35,8	78,0 12,2 11.4 17,0 10,1

 

Для решения практических задач по твердому стоку используются инструментальные и косвенные методы расчетов. Широко используется метод гидрологической аналогии картирования.

Значения "мутности" воды S_o и модуля стока взвешенных наносов М_s определяются по формулам: S_o= (г/м³); Мутность воды – содержание взвешенных веществ – наносов в единице объема смеси воды с наносами

M_so= ;

(Количество взвешенных наносов с единицы площади в год),

где Q_o - средний многолетний расход воды (м³/сек);

Q_so - средний многолетний расход взвешенных насосов (кг/сек).

Для объемного осознания величин составляющих твердого стока приведу данные специальных наблюдений, выполненных в пределах Среднерусской возвышенности, по которым оказалось, что ежегодно в среднем смыв со склонов составляет 37 т с 1 га, а в отдельные годы достигает 50-60 т/га.

Смывается наиболее плодородный гумусовый горизонт почвы, и легко можно представить, какой ущерб сельскому хозяйству наносит водная эрозия, если с пашен в среднем годовом расчете теряется (смывается) 11,0 - 13,5 т/га.

В районах засушливых степей и полупустынь во время особенно пыльных бурь переносится громадное количество плодородных земель с пашен, а в зимнее время вес почвы достигает чуть ли не половину веса снега.

Весной продукты ветровой эрозии, попадая в потоки, уносятся в реки, существенно увеличивая их мутность.

К примеру, Вы все наверное видели и ощущали силу так называемого "Хакаса", когда песчаные бури проходят с почвой через Хакасские просторы, далее по всему Красноярскому водохранилищу и Дивногорску и достигают г. Красноярска.

Переработка берегов рек, водоемов приводят к громадному сносу и аккумуляции продуктов водной эрозии и ветровой эрозии в реки, образуя дополнительные перекаты и леса, острова, тем самым, изменяя фарватер рек и принося громадные трудности речному транспорту, отбирая гигантские средства страны на землечерпальные работы в реках.

При строительстве мостов, промышленных водозаборов нередки случаи «обхода» мостов, или водозаборов оставляя их далеко от современных берегов рек (Пример - Мост через р. Бикин стоит как памятник в 5 км от берега).

Активные русловые процессы наносят значительный ущерб селам, поселкам и городам, подмывая (перерабатывая) близлежащие строения, огороды и т.д.

Не редки случаи перехвата рек и в результате исчезает река, оставляя населенные пункты у пустых русел рек, а это приводит к медленному вымиранию или переселению целых регионов.

Таким образом, знание русловых процессов жизненно необходимо для Человека

Расчеты стока наносов

Степень насыщенности речного потока взвешенными наносами определяется мутностью воды r, выражаемой обычно в граммах наносов на кубический метр (г/м³), r= ,

где Р - вес наносов в пробе в граммах,

А - объем пробы воды в см³.

Максимальная мутность воды в реках наблюдается в периоды весеннего половодья и дождевых паводков и возрастает от водной поверхности ко дну.

Количество взвешенных наносов, проходящих через определенное живое сечение гидроствора в одну секунду, называется расходом взвешенных наносов R и расcчитывается по формуле:

R=0,001r_срQ=0,001r_срv_cрВ кг/сек,

где r_ср - средняя мутность воды в г/м³,

Q - расход в м³/сек,

v_ср- средняя скорость потока,

В - площадь живого сечения в м².

Средняя мутность r_ср определяется по нескольким пробам воды (или интегрально) батометром Молчанова на скоростных вертикалях гидроствора и равна для всего расхода реки:

r_ср= г/м³.

Через ежедневные расходы взвешенных наносов можно раcсчитать количество проносимых рекой наносов за декаду, месяц и год.

Влекомые наносы.

Частицы грунта, лежащие на дне, приходят в движение под воздействием гидродинамического давления, возникающего при обтекании их потоком.

Необходимо отметить, что деление наносов на взвешенные и влекомые условно, т.к. в зависимости от энергии потока одна и та же частица может быть и взвешена в потоке, а при уменьшенной скорости потока она же будет просто перекатываться по дну. Т.е. вид наносов есть функция скорости поток, размеров и массы частиц.

Закон Эри:

Веса влекомых частиц пропорциональны шестой степени скоростей:

, где d - вес соответствующей частицы.

Отсюда следует, что равнинные реки перемещают лишь песок, а горные - нередко большие валуны.

Нижняя предельная скорость равна , где

h - глубина вертикали

d - диаметр частиц.

Расход наносов Q =mdv,

где m - коэффициент скошенности, представляющий собой отношение объема движущихся частиц ко всему объему частиц в слое, толщиной d.

В результате экспериментов Г.И.Шамова получена зависимость:

Q=0,95 , где

d - диаметр частиц в метрах;

v_cр - средняя скорость на вертикале; м/сек.

v_ср.н. - нижняя предельная скорость

Q - расход наносов в кг/(с.м); h - глубина вертикали.

Сток взвешенных наносов в пределах территории страны разнообразен:

наименьшая мутность = 10 - 50 г/м³;

среднерусская возвышенность = до 500 г/м³;

горные районы Кавказа, Средней Азии, Сибири количество наносов достигают нескольких тысяч граммов на м³, где нередки сходы селевых потоков.

Селевым паводкам способствуют:

1. Наличие на водосборе больших масс твердого материала;

2. Крутые склоны долин, большие уклоны потоков;

3. Близкое к поверхности земли расположение грунтовых вод.

4. Геологическое строение склонов бассейнов.

5. Физико-географические и климатические характеристики.

Селевые паводки обладают колоссальной разрушительной силой они уничтожают гидротехнические сооружения, мосты, здания, тоннели, города..., уносят тысячи человеческих жизней и неисчислимое количество живого мира.

Селевые потоки способны изменить русла рек, "строить" плотины, озера, которые затем образуют вторичные грязекаменные потоки, уничтожающие все на своем пути.

Так, во время селя в 1921 г. на р. Малой Алмаатинке было вынесено 2,5 млн. кубометров наносов и при пересчете оказалось, что с 1 км² смыто 17-21 тыс.м³ материала.

В феврале 1911 года, уничтожив селения, гигантская сель, вследствие землетрясения и дождей образовала плотину, которая явилась причиной рождения Сарезского озера (Памир). Глубина у завала 540метров, длина озера около 60 км, площадью 87 км². Гигантская чаша воды до сих пор угрожает всей нижележащей территории, а если учесть, что объем сели возрастает в 10 раз от первоначального объема первоисточника, то будет катастрофа.

Примеров можно вспомнить много, и, благодаря телевидению, Вы осведомлены о "дарах" Природы по стране и на Земле в целом (Кавказ-Кордонское ущелье в 2002 году).

Чтобы как-то противодействовать стихии, необходимы практические наблюдения, но освещенность территорий остается слабой (причины те же - некомпетентность, невежество властей с соответствующими последствиями, создают трудности, а затем их "героически" преодолевают).

Вычисление расходов влекомых наносов по данным наблюдениям.

Расход влекомых наносов определяют также двумя способами - аналитическим и графомеханическим.

Т.к. первый способ мы уже освоили в предыдущем случае, то рассмотрим расчет по графомеханическому способу. Для этого используется профиль сечения реки по гидроствору.

На этом профиле строят эпюру элементарных расходов влекомых наносов и планиметрируя ее, определяют расход влекомых наносов.

 

 

Рис. 182. Эпюры скоростей течения (1) и единичных расходов

взвешенных наносов (2) по вертикалям р. Оби у г. Новосибирска за 5/VI 1950 г.

(к обработке расхода взвешенных наносов графомеханическим способом)

 

111. ДЕФОРМАЦИИ РУСЛА

В результате воздействия потока русло каждой реки непрерывно меняется.

Эти изменения можно разделить на две категории:

1. Ежегодные деформации русла осуществляются проходящим паводком и степень деформации русла зависит от скорости потока, длительности паводка, а также от морфологических особенностей долины русла

2. Многолетние деформации –

- следствие тектонических процессов, когда возможны поднятия и опускания отдельных участков суши;

- изменения отметок уровней водоемов, куда впадают реки, в результате вековых колебаний водности;

- систематического, совершающегося в течение длительного периода воздействия потока на русло в одном направлении.

Типы руслового процесса

В схеме ГГИ по характеру русловых и пойменных деформаций выделяются следующие типы руслового процесса (рис.134,рис.135):

1. Ленточногрядные

2. Побочные

3. Ограниченное меандрирование

4. Свободное меандрирование

5. Незавершенное меандрирование (пойменная многорукавность)

6. Осередковый (русловая многорукавность)

Имеются несколько модификаций критерия устойчивости русла рек

Приведу основное выражение коэффициента устойчивости , где d - средний диаметр частиц грунта,h – глубина потока, i - продольный уклон

Рис. 134 Типы руслового процесса: 1- ленточно-грядовый тип, 2- побочневый тип, 3-меандрирование ограниченное, 4-меандрирование свободное, 5-меандрирование незавершенное, 1А -осередковый тип или русловая многорукавность, 5А - пойменная многорукавность.

 

 

 

 

1V. Расчет заиления водохранилищ

Заиление водохранилищ происходит вследствие основного притока главной рекой наносов, бокового притока наносов и наносов образующих вследствие переработки берегов, оползней и селей

При расчетах заиления водохранилищ и расчета срока его службы необходимо изучить все эти составляющие

1. В количественном отношении, например, реки Волги, вносит в год в Каспийское море 18,0 х 10⁶ тонн, а река Енисей у г. Кызыл 1,3х10⁶ тонн, в створе Никитино 3,2х10⁶ тонн (ср. год, до перекрытия Енисея). После перекрытия р. Енисей плотиной СШ ГЭС и Майнской ГЭС сток наносов в створе водомерного поста Нититино уменьшился до 0,057х10⁶ тонн в год. Это объясняется отложением наносов в созданных водохранилищах, т.е. в водохранилище СШ ГЭС аккумулировалось не менее 3х миллиона тонн, из них часть наносов прошла транзитом через ГЭС.

2. Вторая составляющая – переработка берегов, оползни в результате повышения уровня кривой депрессии водохранилища, ветроволновой эрозии может быть изучена с помощью топографических съемок берегов или промерных работ по акватории водохранилищ.

Немаловажную роль играет ледовый покров, который при ежегодных падениях уровней воды (сработка водохранилища.) большими площадями оседает по берегам водохранилища, грунты, вмерзшие в лед весной (с подъемом уровней), всплывая, транспортируют тонны грунта в водохранилище, тем самым увеличивают природную норму наносов в водоем.

Основная часть наносов, оседая, аккумулируется в зоне выклинивания водохранилищ по всему периметру, создавая конуса выноса наносов, образуя плеса, острова, а затем и отчуждение верхних участков водохранилищ.

К примеру, затопленная Шагонарская долина является площадкой для приема стока наносов с Горного Енисея и рек Чаа-Хольской равнины, где вынос фракций наносов наиболее активен.

Из приведенного примера видно, что знания фактического стока наносов необходимы, поэтому необходимо организовать наблюдения комплексные в верхних и нижних бьефах ГЭС и обязательно по акватории водохранилища. Эрозия русла реки в нижнем бьефе требует особого изучения.

Далее рассмотрим метод расчета заиления водохранилища.

Для приближенной оценки средней продолжительности заиления водохранилища пользуются формулой:

, где Т – средняя продолжительность заиления водохранилища,

W_В - метровый объем водохранилища.

W_н - суммарный средний многолетний объем наносов, поступающих в водохранилище в течение года.

транзитная часть наносов, сбрасываемая из водохранилища в долях от общего объема наносов.

 

 

Значение W_н определяется по формуле:

, где - средний многолетний расход (норма) суммарных наносов, поступающих в водохранилище, ,

где - средняя плотность данных отложений в

Пример: Требуется определить среднюю продолжительность заиления водохранилища при его мертвом объеме 6,9х10 м³

 

Высчитано по данным систематических гидрометеорологических наблюдений и анализу:

1.Средний многолетний расход воды реки во входном створе водохранилища Q=2500 ..

2.Средняя многолетняя мутность воды S_о=85 ³

3.Средняя плотность наносов, представленных уплотненными илистыми отложениями с примесью мелкого песка,

= 1,30

4. Объем влекомых наносов составляет 5% объема взвешенных

5.Объем транзитной части наносов =0,3 от объема наносов, поступающих в водохранилище.

 

Далее ведем расчет:

1.Средний многолетний объем взвешенных наносов равен

5,12 х 10⁶

 

2.Объем влекомых наносов:

W=5,12х10⁶ х0,05=0,256х10⁶

3.Суммарный объем наносов:

W_Н=5,12х10⁶+0,256х10⁶=5,38х10⁶

4. Средняя продолжительность заиления водохранилища равна:

 

=184 года.