7.1. Главные направления в развитии теории руслового процесса
Русловой процесс ? неизменно происходящие трансформации морфологического строения поймы и речного русла, обусловленные действием текущей воды.
Основоположниками теории руслового процесса были В. М. Лохтин, Н.С. Лелявскнй, Л. Фарг (финиш XIX ? начало XIX вв.) в связи с работами по улучшению судоходных условий рек (см. пункт 1.2)..
В.М. Лохтин изучил влияние уклона водной поверхности, сопротивляемости водности и изменения потока размыву грунтов, слагающих речное русло, на формирование и перемещение наносов русловых форм. Н.С. Лелявский занимался изучением речных течений, воздействующих на распределение глубин в русле реки.
В будущем главным стало гидродинамическое направлениеруслового процесса, признающее русла и взаимодействие потока. Это направление относит теорию руслового процесса к речной гидравлике (А.В. Караушев и др.). Громадная роль отводится изучению динамической структуры водного потока применительно к оценке стока воды и наносов для решения проблемы расчета русловых деформаций,
В последующие годы взяло развитие гидролого-морфологическое направлениетеории руслового процесса (Н.И. Маккавеев, Н.Е. Кондратьев, И.В. Попов), основанное на типизации морфологически однородных образований и русловых форм и на определении скоростей их перемещения для разработки прогнозов русловых процессов громадной заблаговременности. При таковой трактовке задачей теории руслового процесса есть изучение динамики русловых форм, определяющих тип руслового процесса.
Так, в следствии сформировались два направления теории русловых процессов ? гидродинамический и гидролого-морфологический, имеющие собственные области применения и значительно дополняющие друг друга. Их предстоящее развитие направлено на разработку единой теории русловых процессов, включающей успехи как гидродинамического, так и гидроморфологического качеств.
7.2. русла и Взаимодействие потока как база руслового процесса
Как отмечено выше, русловые процессы проявляются во сотрудничестве потока и русла реки. Конкретные проявления русловых процессов в виде размеров русла и изменения положения, поймы и отдельных русловых образований, т. е. в виде размыва либо берегов и намыва дна, именуют русловыми деформациями.
Физической обстоятельством русловых деформаций есть нарушение равновесия между транспортирующей фактической величиной и способностью потока расхода наносов на тех либо иных участках русла реки. При превышении расхода наносов над транспортирующей свойством потока происходит размыв русла (эрозия), в другом случае — намыв русла (аккумуляция наносов). Происходящие деформации русла как бы стремятся создать постоянство расхода наносов по длине реки.
Русловые деформации подразделяют кроме этого на вертикальные, в то время, когда происходят трансформации отметок дна русла, и горизонтальные, в то время, когда наблюдаются поперечные смещения русла. В большинстве случаев эти два вида русловых деформаций происходят в один момент, но в некоторых случаях преобладают первые, в некоторых — вторые.
русловые процессы и Русловые деформации подразделяют кроме этого на периодические (знакопеременные, обратимые) и направленные (необратимые).
К периодическим русловым деформациям относят такие трансформации русла, каковые много раз повторяются и по окончании которых русло возвращается в начальное положение. Эти русловые деформации наблюдаются при перемещении донных гряд, развитии излучин и т. д.
Направленные русловые деформации выражены в односторонних трансформациях русла как природного, так и антропогенного происхождения (при опускании и поднятии отдельных участков суши; при вековых трансформациях отметки уровня воды, куда впадает река; при однонаправленном размыве либо намыве, сопутствующих сооружению водохранилищ на реке и др.).
Русловые образования, подвергающиеся деформациям ? это скопления наносов, создающие характерные формы рельефа русла реки различного размера — микро-, мезо- и макроформы.
Разглядим подробнее эти формы рельефа русла реки.
7.3. Формы рельефа русла реки и их изменения
Микроформы русла реки ? это перемещающиеся в русле донные гряды, размеры которых меньше глубины русла. Они самый свойственны для рек, русла которых организованы песчаными отложениями.
После достижения скоростями течения некоторых значений наносы приходят в перемещение и формируются микроформы русла реки: маленькие донные гряды — рифели. По мере повышения скоростей течения высота движущихся рифелей понемногу возрастает, и образуются донные дюны. При предстоящем повышении скоростей течения может случиться разрушение дюн: наступит так называемая ровная фаза перемещения влекомых наносов. Наконец, при больших скоростях течения появляются песчаные стоячие волны, а после этого антидюны, форма которых перемещается вверх по течению.
На рис. 7.1 в продольном разрезе продемонстрированы главные элементы донной гряды.
 |
.
Рис. 7.1. Продольный профиль донной гряды
На протяжении по течению различают: пологий верхний лобковый откос и более крутой нижний тыловой откос; самая высокая часть гряды именуется гребнем, а территория самые низких отметок за тыловым откосом ? подвальем гряды.
Русловые деформации при перемещении всех обрисованных выше микроформ (донных гряд) обратимы: по окончании смещения гряды на всю ее длину дно потока в этом месте получает начальные отметки. Скорость смещения микроформ на реках в большинстве случаев не превышает нескольких сантиметров либо метров в день.
Высота донных гряд может изменяться от нескольких сантиметров до 4—6 м. На некоторых реках размеры гряд соизмеримы с глубиной русла. В большинстве случаев гряды меньшего размера накладываются на гряды большего размера, создавая целую «иерархию» микроформ русла реки, переходящими в мезоформы.
Мезоформы русла реки ? это те же донные гряды, но более больших размеров, соизмеримых с поперечными размерами самого русла. К ним относятся перекаты, осередки и маленькие острова. самый типичным видом мезоформы русла реки есть большая русловая гряда — перекат.
Перекат ? более либо менее устойчивое образование в русле в виде поперечного вала из наносов, пресекающего русло под некоторым углом. Перекаты имеют следующие главные элементы (рис. 7.2):
|
Рис. 7.2. Неспециализированная схема переката
а ? замысел, б ? продольный профиль по фарватеру
1 ? верхняя коса, либо верхние пески, расположена выше (полагая по течению) корыта переката;
2 ? нижняя коса, либо нижние пески, расположена ниже корыта переката (время от времени верхнюю косу именуют верхним побочнем, а нижнюю косу — нижним побочнем);
3 ? верхняя плёсовая лощина, либо ложбина, — глубокая часть русла выше переката;
4 ? нижняя плёсовая лощина, либо ложбина, — глубокая часть русла ниже переката;
5 ? седловина, либо гребень, — самая повышенная часть вала из наносов, соединяющего верхнюю и нижнюю косы переката;
6 ? корыто переката — самая глубокая часть седловины, где в большинстве случаев проходит фарватер;
7 ? напорный (верхний) скат — верховая часть седловины переката, обращенная к верхней плесовой лощине, в большинстве случаев более пологая, чем низовая часть (подвалье);
8 ? подвалье — низовая часть, либо тыловой скат, седловины переката, лежащая ниже вала переката и обращенная в сторону нижней плесовой лощины, в большинстве случаев более крутая, чем напорный скат;
9 ? гребень (вал) ? самый мелководный участок фарватера над перекатом;
10 ? фарватер ? линия громаднейших глубин на протяжении реки;
11 ? изобаты;
12 ? затонская часть нижней плёсовой лощины.
Перекаты по собственному строению бывают трех видов:
перевалы — перекаты с плавными и маленькими трансформациями отметок дна без быстро выраженного подвалья;
обычные — перекаты с отлично выраженным подвальем, но без резкого искривления фарватера,
перекошенные (перемещённые) — перекаты с резким искривлением фарватера.
На подъеме половодья происходит намыв переката за счет размыва плёса, на спаде половодья и в межень — его занесение и размыв плёса. С течением времени перекаты смогут передвигаться по течению так же, как передвигаются излучины реки. К примеру, на р. Волге перекаты смещаются вниз по течению со скоростью, достигающей 200?300 м во время половодья, на Сырдарье ? 1 км/год.
Те перекаты, каковые благодаря или малых глубин на гребне, или сильного искривления фарватера создают препятствие судоходству, именуют лимитирующими.
На громадных реках Беларуси глубина на перекатах значительно уменьшается местами до
0,4?0,8 м, что затрудняет судоходство на отдельных участках (к примеру, на Днепре, Припяти, Соже, Березине, Западной Двине, Нёмане). Борьба с перекатами ведется в большинстве случаев землечерпанием.
Другие виды мезоформ русла реки:
— осередки — подвижные, не соединенные с берегами и не заросшие растительностью отмели; появляются на перекатах, приводя к разделению фарватера на его гребне на две ветви;
— остров ? часть поймы, ограниченная рукавами либо протоками реки, устойчивая и закрепленная растительностью.
Макроформы русла реки — большие, морфологически однородные участки русла реки, представленные довольно прямолинейными участками, извилинами (излучинами, меандрами), совокупностями русловых и пойменных разветвлений.
Деформации в извилистых (меандрирующих) руслах являются циклические процессы постепенного повышения извилистости русла благодаря размыву его вогнутых берегов, смещению и развороту излучин (меандров), завершающиеся прорывом перешейка со спрямлением русла (рис. 7.3). После этого процесс развития излучин повторяется.
|
Рис. 7.3. изменения формы и Схема смещения излучины:
1 — участок размыва берега, 2 — старица
В излучинах находятся совокупности глубоких (плёсы) и небольших (перекаты) участков. Плёсы в большинстве случаев приурочены к участкам русла с громаднейшей кривизной, перекаты — к прямым (переходным) участкам русла между смежными излучинами.
искривление и Смещение излучин сопровождается большими горизонтальными русловыми деформациями. Громаднейшие размывы (достигающие десятков метров в год) приурочены к вогнутым берегам на изгибе русла, где в потоке появляется поперечная циркуляция.
Соотношения между распределением глубин и плановыми очертаниями русла были установлены Л. Фаргом на базе глубин кривизны и сопоставления русла по фарватеру. В общем виде связь между глубинами и кривизной русла общеизвестна: глубокие места реки ? плёс ? находятся на изгибах реки, где кривизна (т. е. величина, обратная радиусу кривизны) громаднейшая.
Фарг расширил эти представления, и собственные выводы сформулировал в следующей форме (закономерности Фарга).
1. Линия громаднейших глубин на протяжении по течению реки пытается прижаться к вогнутому берегу; ил и песок откладываются в форме пляжей либо широких отмелей на другом выпуклом берегу.
2. Самая глубокая часть плёса и самая небольшая часть переката перемещены по отношению к точкам громаднейшей и мельчайшей кривизны вниз по течению примерно на ¼ длины плёса плюс переката.
3. Плавному трансформации кривизны соответствует плавное же изменение глубин; всякое резкое изменение кривизны сопровождается резким трансформацией глубин.
4. Чем кривизна больше, тем больше и глубина плеса.
5. С повышением длины кривой при данной ее кривизне глубина сперва возрастает, а позже убывает. Для каждого участка реки существует некое среднее, самый помогающее глубинам значение длины кривой.
самые сложными макроформами русловых образований являются поймы. Они формируются в следствии отложений переносимых рекой плановых деформаций и наносов ее русла.
Во время половодья (паводков) речная вода выходит из берегов меженного русла и затопляет осознаю. Так, руслом потока в это время есть меженное русло вместе с поймой. При колебаниях уровня воды интенсивной деформации подвергаются как русло, так и пойма.
В меандрирующих руслах улучшается размыв вогнутого берега излучины и происходит отложение наносов у выпуклого. Формируются пляжи. На протяжении внешнего края пляжа появляются заструги и косы (наносные образования, каковые результат причленения к берегу песчаных гряд на спаде уровня). Вытянутое водное пространство между косой и берегом именуется затоном.
пляжи и Косы зарастают растительностью, что усиливает аккумуляцию наносов при последующем затоплении. Они возрастают в размерах и понемногу содействуют образованию береговых валов. Эта форма наносного образования характерна для рельефа поймы.
Современный рельеф поймы выясняется очень сложным. Ее поверхность возможно расчленена протоками, старицами, расположенными между гривистыми увеличениями, довольно часто дугообразной формы. Разумеется, при различных типах плановых деформаций русла будут создаваться и разные типы пойм.
Условно в пойме выделяют три части: прирусловую — более повышенную часть, центральную — пара более низкую и ровную, и притеррасную — самая пониженную, имеющую вид заболоченной ложбины, прилегающей к коренному склону равнины либо террасы.
Все сообщённое справедливо по отношению к равнинным рекам. Русловые деформации горных рек менее изучены.
ТИПЫ РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА
8.1. Типизация руслового процесса. Неспециализированная схема
Типизация руслового процесса ? это классификация форм речных русел и транспорта наносов в разных гидравлических условиях и на разных этапах деятельности потока.
самая полной схемой типизации руслового процесса есть классификация, созданная в ГГИ (Н.Е. Кондратьев, И.В. Попов) применительно к равнинным рекам. По уточненной схеме (2013 г.) выделено семь типов руслового процесса (рис. 8.1).
 |
Рис. 8.1. Типы руслового процесса (по ГГИ)
Приведенная типизация опирается на то положение, что при каждом типе руслового процесса наличие и возникновение характерных для него русловых образований и деформаций связано с трансформацией транспортирующей роли и способности потока донных и взвешенных наносов в руслообразовании.
С последовательным переходом от ленточногрядового и побочневого типа и потом, к свободному меандрированию, возрастает извилистость русла, значительно уменьшается степень применения рекой характерного ей уклона дна равнины и транспортирующей способности потока. Разветвление на рукава при незавершенном меандрировании, и потом, при пойменной многорукавности, высказывает предстоящее уменьшение транспортирующей свойстве потока, которая в итоге оказывается исчерпанной при свободном меандрировании.
8.2. Ленточногрядовый тип руслового процесса
Данный тип руслового процесса связан с перемещением по руслу ленточных гряд, занимающих всю ширину русла. На рис. 8.2. продемонстрирован участок реки с элементами ленточногрядового руслового процесса и его показатели:
|
Рис. 8.2. Ленточногрядовый тип руслового процесса
l ? ход гряды (м), т.е. расстояние между гребнями смежных гряд по средней линии русла;
? ? высота гряды (м), т.е. возвышение гряды над подошвой подвалья;
С ? скорость перемещения (сползания) гряды (м/год).
Ленточногрядовый тип руслового процесса появляется при наличии условий, ограничивающих плановые деформации русла реки: берега не размываются, поймы отсутствуют. Гряды образуются на прямолинейных участках реки с довольно большими донными наносами. Они являются несложной русловой формой первичных гряд.
В плане ленточная гряда имеет дугообразную форму с выпуклостью, направленной вниз по течению, а поперечном разрезе характеризуется постепенным увеличением отметок в сторону изгиба. Протяженность ленточных гряд многократно превосходит ее высоту. В условиях Беларуси протяженность самых громадных гряд может быть около нескольких ширин русла (до 6 ? 8), а на больших реках мира их протяженность в пара десятков, а время от времени и в пара сот раз превосходит ее высоту.
В межень высота ленточных гряд значительно уменьшается, во время половодья ? возрастает. Скорость сползания гряд колеблется от 1 до 100 м/год (на больших реках). При резких понижениях уровня воды ленточные гряды смогут образовывать одиночные осередки.
Данный тип руслового процесса в естественных условиях в Беларуси отмечается редко и характерен для канализированных участков рек, и для каналов.
8.3. Побочневый тип руслового процесса
Побочневый тип руслового процесса появляется как развитие ленточногрядового, в то время, когда замедляется транспорт наносов (благодаря уменьшения уклонов, скоростей и т.д.) и поток оказывается неспособным перемещать донные наносы в форме ленточных гряд.
Побочень ? часть перекошенной в плане ленточной гряды, обсыхающей в межень. На рис. 8..3. представлен участок реки с побочневым типом руслового процесса и его показатели:
|
Рис. 8.3. Побочневый тип руслового процесса
l ? ход побочня (м), т.е. расстояние по прямой между двумя точками перегиба осевой линии русла;
b ? ширина русла в межень, м;
В ? ширина русла в половодье (между бровками других берегов), м.
Данный тип руслового процесса характерен для участков рек, стесненных склонами равнин, и чаще проявляется в сочетании с другими типами руслового процесса.
Гряды формируются в половодье. При спаде уровня прибрежная их часть обсыхает, образуя побочни, а направление течения делается извилистым. Побочни относительно друг друга находятся в шахматном порядке. Побочень сохраняет главные изюминки строения гряды: центральная и низовая его часть возвышенны; внешний, обращенный к реке склон ? более крутой, чем внутренний, обращенный к берегу.
Все русловые деформации проявляются в виде сползания гряд (при отсутствии значительных плановых смещений берегов русла), а также в сезонных трансформациях отметок русла (во время половодья размываются плёсы и наращиваются перекаты, в межень происходит обратный процесс).
В Беларуси побочневый тип руслового процесса, вместе с ленточно-грядовым, отмечается на участках рек неспециализированной длиной, составляющей 10 % от суммарной длины рек Беларуси. Он характерен в северной, самая возвышенной, части республики ? на отдельных участках рек: Западная Двина и ее притоках (Межа, Каспля, Лучоса, Оболь), Нёман, Вилия (с притоком Ошмянка), Днепр, и на участках рек, протекающих у Мозырской гряды.
8.4. Ограниченное меандрирование
Ограниченное меандрирование наступает при предстоящем развитии побочневого процесса благодаря уменьшения транспортирующей свойстве потока. Оно начинается на реках с узкой поймой (односторонней либо чередующейся) и характеризуется систематическим сползанием вниз по течению слабовыраженных извилин при сохранении ими плановых очертаний. На рис. 8.4 продемонстрирован участок реки с элементами ограниченного меандрирования:
|
Рис. 8.4. Ограниченное меандрирование
lи ? ход излучины (м), т.е. расстояние по прямой между двумя точками перегиба осевой линии русла;
a ? угол разворота излучины, образованный касательными, совершёнными через точки перегиба;
b ? ширина русла в межень, м;
Вм? ширина пояса меандрирования (м), т.е. расстояние между линиями, огибающих вершины излучин;
mm ? участок подмываемого берега.
Скорость сползания излучины (м/год) ? отношение длины пути, пройденного точкой перегиба русла, к периоду времени, за которое данный путь пройден; определяется сопоставлением разновременных топо- и аэросъемок участка реки.
В отличие от ленточногрядового и побочневого типов руслового процесса, деформации захватывают не только речное русло, но, в следствии плановых смещений русла, распространяются и на осознаю. Ограниченное меандрирование характерно рекам, русла которых стеснены склонами равнин, уступами террас и устойчивыми береговыми валами. В межень отмечается размыв перекатов с намывом их в половодье, на плёсах же происходит обратный процесс. Скорость сползания излучин на громадных реках достигает 3?5 м/год.
В Беларуси ограниченное меандрирование отмечается на участках рек неспециализированной длиной, составляющей 5 % от суммарной длины рек Беларуси. Он видится в основном в северной и центральной (возвышенных частях) Беларуси ? на участках рек: Западная Двина (с притоками Лучоса, Усвейка, Эсса, Улла и др.), Нёман (с притоками Вилия, Западная Березина и др.), Днепр, Сож (с притоком Проня), и на верховых участках притоков Припяти и
Березины.
8.5. Свободное меандрирование
Данный тип меандрирования появляется при отсутствии факторов, мешающих перемещению речного русла в плане. Он начинается на реках с поймой и широкой долиной. Свободное меандрирование возможно количественно охарактеризовано следующими параметрами (рис. 8.5):
|
Рис. 8.5. Свободное меандрирование
l ? ход излучины (м), т.е. расстояние по прямой между двумя точками перегиба осевой линии русла;
aвх ? угол входа в излучину, т.е. угол между касательной в верховой точке перегиба и линией шага излучины;
aвых ? угол выхода из излучины, т.е. угол между касательной в низовой точке перегиба и линией шага излучины;
S ? протяженность излучины (м), т.е. расстояние между точками выхода и входа по осевой линии русла;
aр ? угол разворота, равный сумме углов: aр = aвх + aвых.
В ходе свободного меандрирования отмечается цикличность развития излучин: русла проходят последовательные стадии развития от слабоизогнутых до петлеобразных. Цикл развития завершается прорывом перешейка излучины, что ведет к отчленению изгиба русла и образованию старицы. Затем цикл развития повторяется.
В половодье увеличиваются перекаты и развиваются плёсы, а в межень происходит обратный процесс. Скорость смещения (размыва) вогнутых берегов излучин рек Беларуси колеблется от первых метров до 18 м/год (р. Припять).
Данный тип руслового процесса взял громаднейшее распространение в Беларуси. Оно найдено на участках рек неспециализированной протяженностью, составляющей ? от суммарной длины рек Беларуси. Особенно четко эта разновидность меандрирования представлена на реках Припять, Птичь, Березина, Свислочь, Друть, Нёман, Сож, Беседь, Ипуть, и и на вторых реках, кое-какие из которых вольно меандрируют практически на всем протяжении. На громадных реках участки свободного меандрирования имеют большое протяжение (Днепр ? 375 км, Нёман ? 240 км, Западная Двина ? 100 км).
8.6. Незавершенное меандрирование. Пойменная многорукавность
Незавершенное меандрирование осуществляется на реках, имеющих низкие, отлично затопляемые поймы, в то время, когда цикл развития излучины нарушается образованием спрямляющего потока. На рис. 8.6 приведен пример незавершенного меандрирования и его показатели:
|
Рис. 8.6. Незавершенное меандрирование
Sр? протяженность излучины главного русла (м), т.е. расстояние между точками выхода и входа по осевой линии русла;
Sпр? протяженность спрямляющего протока (м), т.е. расстояние между точками выхода и входа по прямой линии.
При незавершенном меандрировании происходит прорыв перешейка излучины до успехи ею петлеобразного очертания (исходя из этого оно и именуется незавершенным) методом образования спрямляющего протока (рукава, воложка), в который после этого переходит основной поток, а прошлое русло отмирает. Новое русло повторяет обрисованный цикл. Таковой процесс продолжается пара лет, время от времени и десятилетий.
Интенсивное развитие этого типа руслового процесса формирует благоприятные условия для расчленения поймы бессчётными протоками. В следствии появляется достаточно независимая разновидность процесса незавершенного меандрирования ? пойменная многорукавность (рис. 8.7).
|
Рис. 8.7. Пойменная многорукавность
При развитии этого процесса на участке поймы река протекает несколькими рукавами громадной протяженности. Наряду с этим отдельные рукава смогут рассматриваться как независимые реки А, Б и В.
Незавершенное меандрирование и пойменная многорукавность взяли в Беларуси менее широкое распространение, чем свободное меандрирование. Они отмечены в поймах и руслах рек Днепр, Березина, Сож, Ипуть, Нёман, Вилия, Припять, Ясельда, Пина, Бобрик, Цна и др.
8.7. Осередковый тип либо русловая многорукавность
Данный тип руслового процесса появляется как развитие ленточногрядового типа
(см. рис. 8.2) благодаря громадной насыщенности потока донными наносами (превышающей его транспортирующую свойство), вызывающей деятельный процесс аккумуляции.
Река образует широкое распластанное русло, по которому движутся или расчлененная гряда, или последовательности этих гряд. Возвышенные части гряд, обсыхая в межень, образуют осередки, каковые в условиях долгой межени смогут преобразовываться в острова (рис. 8.8).
|
Рис. 8.8. Осередковый тип (русловая многорукавность)
Одним из показателей этого типа руслового процесса есть плотность осередков:
k =f / F, где f ? площадь осередков на участке; F ? площадь всего участка, ограниченная створами I и III (см. рис. 8.8).
Осередковый тип руслового процесса не взял широкого распространения на реках Беларуси (ввиду стока и небольших значений мутности речных наносов) и видится только фрагментарно на отдельных участках.
*
Так, развитие руслового процесса от исходной ленточногрядовой формы может происходить либо в порядке последовательного перехода к побочневому типу процесса, и потом ? к ограниченному, свободному (незавершенному) меандрированию, либо методом перехода конкретно от ленточногрядового к осередковому типу руслового процесса.
Первая линия эволюции грядового перемещения наносов происходит при условии закономерно изменяющихся условий транспорта наносов, водности потока и ограничивающих условий.
Вторая линия эволюции грядового перемещения наносов, приводящая конкретно от ленточногрядового к осередковому типу руслового процесса и русловой многорукавности, связана с возрастанием загрузки потока наносами выше его способности транспортировать их в форме ленточных гряд и побочней.
Первая линия эволюции характерна практически для всех рек Беларуси, вторая ? видится весьма редко, ввиду стока и небольших значений мутности речных наносов. Самый распространенными типами русловых процессов есть меандрирование всех типов (более 80 % неспециализированной длины речной сети), особенно свободное меандрирование, охватывающее ? неспециализированной длины речной сети Беларуси.