Факторы, влияющие на формирование речных наносов

Введение

Недостаточная изученность стока наносов или отсутствие дан­ных о них может привести к значительным ошибкам в расчете ко­личества отложений и срока заиления водохранилища. Вследст­вие отложения наносов в верхнем бьефе плотин (в водохрани­лище) освобожденный от наносов поток усиливает свою эрозионную деятельность в нижнем течении, производя энергичный размыв русла на значительном протяжении ниже плотины. Изучение данного материала дает возможность более подробно изучить процессы образования наносов и их характеристики.

СХЕМА ИЗУЧЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Формирование речных наносов. Общие сведения

При использовании рек необходимо знать не только их водный режим, но и режим переносимых рекой наносов. Правильное использование реки даже в ее естественном, бы­товом состоянии, например для судоходства, невозможно без учета процессов размыва и отложений на перекатах и плесах. То или иное решение этих вопросов непосредственно связано с организа­цией землечерпательных работ, устройством причалов, пристаней и пр. При орошении и осушении земель важное значение имеет расчет допустимых скоростей течения, лимитирующих заиление каналов или, наоборот, размыв их ложа. Особенно важно знать режим наносов и законы его формирования при устройстве в по­токе гидротехнических сооружений, изменяющих естественные условия и создающих новый режим, когда процессы размыва и от­ложения наносов приобретают совершенно иной характер. Так, на­пример, при возведении плотин в связи с устройством водохрани­лищ резко увеличивается отложение наносов в верхнем бьефе.

Недостаточная изученность стока наносов или отсутствие дан­ных о них может привести к значительным ошибкам в расчете ко­личества отложений и срока заиления водохранилища. Вследст­вие отложения наносов в верхнем бьефе плотин (в водохрани­лище) освобожденный от наносов поток усиливает свою эрозионную деятельность в нижнем течении, производя энергичный размыв русла на значительном протяжении ниже плотины.

Приведенные примеры далеко не исчерпывают всех достаточно многочисленных случаев использования рек, при которых совер­шенно необходимо знать режим стока наносов для правильного решения схемы использования реки. Они дают лишь краткую ил­люстрацию применения выводов одного из важных разделов гид­рологии.

Транспортируемые потоком наносы представляют собой об­ломки горных пород или частицы грунтов. Размеры этих продук­тов разрушения земной коры изменяются в широких пределах: от тысячных долей миллиметров до валунов, поперечные размеры ко­торых измеряются метрами. Объемный вес наносов изменяется в узких пределах и в среднем обычно принимается равным 2,65 г/см³. Поперечные размеры частиц именуют их диаметром, поскольку они в некотором приближении могут рассматриваться как шары, в которые вписываются многогранники, фактически ха­рактеризующие наносы.

При делении наносов по размерам частиц (в миллиметрах) придерживаются следующей шкалы:

Глина......... 0,001

Ил.......... 0,001-0,01

Пыль......... 0,01—0,1

Песок......... 0,1—1,0

Гравий........ 1,0—10

Галька........ 10—100

Валуны........ >100

Факторы, влияющие на формирование речных наносов

Вода, стекающая по земной поверхности, под действием силы тя­жести непрерывно производит работу. Количество этой работы за­висит от массы стекающей воды и падения в пределах рассматри­ваемого участка.Если расход реки на участке равен Q м³/с, а падение Н м и вес единицы объема воды γ = 1000 кг/м³, то работа, совершаемая водой в единицу времени (мощность), выразится произведением

кг·м/с

Имея в виду, что 1 кВт равен 102 кг·м/с, получаем для мощ­ности потока Nвыражение N= 9,8 QH кВт.

Из приведенных соотношений следует, что, например, р. Волга, ниже устья р. Камы, имеющая падение 3 см/км и средний много­летний расход Q = 7600 м³/с, обладает мощностью (в среднем за многолетний период) N = 9,8 · 7600·0,03=2200 кВт/км. Такой же большой мощностью, развиваемой на 1 км длины, будет обладать и сравнительно небольшая горная река, имеющая расход всего 76 м³/с, но очень большой уклон i = 0,003 (падение 3 м на 1 км).

Отметка уровня водоприемника, куда река изливает свои воды, определяет как общую энергию потока, так и значение предельных уклонов в низовой части реки. Эта плоскость есть базис эрозии реки.

Изменение отметки базиса эрозии непосредственно повлечет за собой изменение размывающей энергии потока. Понижение от­метки базиса эрозии вызовет усиление размыва, повышение, нао­борот,— усиление отложения наносов.

Большая часть энергии потока расходуется на преодоление внутреннего сопротивления движению воды, возникающего вслед­ствие трения частиц жидкости между собой. Остальная, меньшая часть энергии потока, представляющая в данном случае больший интерес, тратится на размыв твердых пород и перемещение продук­тов размыва с более повышенных мест бассейна в более пони­женные.

Таким образом, этой энергией и обусловливаются все процессы денудации, а именно:

1) смыв частиц грунта с поверхности, или эрозия;

2) перенос частиц вниз по течению;

3) отложение, или аккумуляция, частиц.

Частный случай эрозии, когда размыв грунтов или истирание наносов совершается не путем непосредственного воздействия на грунты скорости течения потока, а путем трения влекомыми водой твердыми частицами, называется коррозией.

Перенос продуктов размыва в зависимости от их веса и скоро­сти течения реки осуществляется в виде: 1) взвешенных наносов, 2) влекомых по дну, или донных наносов.

В зависимости от распределения скоростей течения на отдель­ных участках взвешенные наносы могут перейти в донные или, наоборот, донные наносы могут перейти во взвешенное состояние.

Только очень мелкие илистые и глинистые частицы могут нахо­диться во взвешенном состоянии длительное время даже в спокой­ной воде.

Иногда, наносы, имеющие примерно те же размеры, что и ча­стицы, образующие речные русла, называют русловыми, а мелкие фракции, представляющие собой продукты смыва грунтов и почти не встречающиеся в донных отложениях, называют внерусловыми.

Различное количество взвешенных наносов определяет различ­ную мутность речной воды. Обычно мутность характеризуют коли­чеством твердого вещества в граммах, содержащегося в 1 м³ воды (г/м³), или в миллиграммах — в 1 л воды (1 мг/л).

Количество взвешенных наносов, проносимое в одну секунду через поперечное сечение потока, называют расходом наносов. Обычно расходы наносов выражают в килограммах в одну се­кунду (кг/с).

Суммарное количество проносимых рекой наносов за какой-то период времени (месяц, год и т. д.) называется стоком наносов и измеряется обычно в тоннах.

Сток наносов может быть охарактеризован и средним расхо­дом наносов за рассматриваемый период времени (месяц, год или ряд лет).

Помимо взвешенных и донных наносов, поток осуществляет пе­ренос веществ в растворенном виде. Иногда объем переносимых рекой взвешенных и донных наносов, а также сток растворенных веществ называют твердым стоком реки.

В формировании стока наносов существенное значение имеет не только энергия реки, но и физико-географические условия, в ко­торых река протекает. Это следует прежде всего из того, что те­кущая вода не только производит размыв русла и долины потока, но и смыв частиц с поверхности бассейна. Поэтому состояние поверхности бассейна (степень его покрытости растительностью, наличие готового рыхлого материала, расчлененность поверхности, твердость слагающих бассейны грунтов и пр.) непосредственно влияет на мутность воды рек.

Помимо указанных характеристик бассейна, на сток наносов оказывает влияние интенсивность поступления воды на по­верхность бассейна, т. е. интенсивность дождей и снеготаяния, сток воды и особенно степень его неравномерности в течение года.

Рельеф местности способствует усилению или ослаблению ско­ростей течения движущейся по поверхности бассейна воды, а сле­довательно, и усилению или ослаблению размыва. Большое зна­чение имеет величина уклонов отдельных скатов поверхности как элемент, определяющий в основном скорость движения и интенсив­ность действия поверхностных вод.

Почвы, являясь объектом эрозии, содержат материал размыва и смыва, поступающий в гидрографическую сеть, но в то же время они оказывают влияние на интенсивность движения воды, умень­шая в различной степени (в зависимости от физических свойств) количество движущейся по поверхности воды за счет просачива­ния и создавая различное сопротивление ее движению.

Растительность предохраняет поверхность почвы от разруше­ния. Уничтожение естественного растительного покрова путем рас­пашки поверхности водосбора или иными средствами, если оно проводится бессистемно и без должной борьбы за сохранение поч­венного покрова, не только способствует увеличению мутности рек, но и приводит к смыву плодородного почвенного слоя.

Несомненно, что некоторое влияние на размер стока наносов оказывают и такие метеорологические факторы, как осадки, тем­пература и влажность воздуха, ветер и пр., потому что под влиянием этих факторов изменяется как количество стекающей воды, так и состояние почв в отношении эрозионной устойчивости.

В отдельных районах большую мутность рек может вызвать ве­тер, переносящий во взвешенном состоянии не только очень мел­кие, но идостаточно крупные частицы почвы.

На процессы размыва непосредственно в русле оказывают су­щественное влияние поперечные течения, водовороты и пр., а также действие льда во время ледохода.